某增程車型熱管理系統的仿真分析

周 濤，傅 豪

某增程車型熱管理系統的仿真分析

周 濤，傅 豪*

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了保證整車各系統正常運轉，提高整車能源利用率，需要在開發階段預測整車熱管理系統在不同工況下的溫度、流量等特性，評估各個部件能否滿足換熱需求。文章通過搭建多回路、可控制的復雜換熱系統一維模型，用于對某增程車型的熱管理系統進行仿真，計算極限工況下各部件達到熱穩態時的平衡溫度和時間，并判斷能否滿足各部件冷卻需求，以及確定不同暖風狀態對電池水加熱時間的影響。通過計算后確定，該機型高溫極限工況能夠滿足系統冷卻需求，但在低溫冷啟動暖風開啟后存在水溫超標的風險，不同暖風狀態對電池加熱時間的影響很小。

整車熱管理；換熱；平衡溫度；暖風狀態

傳統燃油汽車一般僅需對發動機進行冷卻，而發動機與空調系統又相對獨立，因此，所匹配的熱管理系統結構單一、控制簡單。然而隨著油電混合汽車的發展，整車加入了越來越多的發熱元件、換熱元件和控制元件，且各個系統所需求的溫度不盡相同，因此，相關系統的有機結合是一項比較復雜的系統工程。

目前行業內對整車熱管理仿真的手段和方式比較多元化，其中東北大學利用AMESim對混合動力汽車整車熱管理系統在新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）工況下進行仿真分析，通過優化使得的熱管理系統滿足各動力部件最佳溫度范圍需求[1]；一汽利用SIMULIA首先進行數字熱環境風洞建立和標定，后使用熱管理仿真優化冷卻部件布局和參數，實現冷卻系統及其布置優化設計[2]；同濟大學汽車利用GT-Suite搭建發動機-冷卻系統耦合仿真模型，并對應目標機型的臺架試驗進行仿真計算與驗證[3]；海馬汽車利用FlowMASTER和STAR-CCM+對某車型的電機、電池、控制器和發動機的熱管理系統進行耦合分析并識別出充放電過程中存在風險[4]。

本文以某增程車型為例，采用一維仿真軟件FlowMASTER進行整車熱管理耦合系統的仿真，計算各部件在極限工況下的溫度和平衡時間，判斷能否滿其冷卻需求，并確定不同暖風狀態下對水加熱時間的影響。

1 分析模型

該機型整車熱管理系統包含發動機冷卻、電池冷卻[5]、空調[6]三大系統（由于電機冷卻不直接與其余三個系統的熱交換，因此，本文不再對電機冷卻進行研究）。

其中發動機冷卻系統通過散熱器與空氣進行熱交換；通過暖風芯體與乘員艙系統進行熱交換；通過電池加熱器與電池冷卻系統進行熱交換。整個系統換熱介質為水，由水泵驅動。

電池冷卻系統通過電池制冷器與空調系統進行熱交換，整個系統換熱介質為水，由水泵驅動。

空調系統通過冷凝器與空氣進行熱交換，通過蒸發器與乘員艙進行熱交換。整個系統換熱介質為R134a，由空調壓縮機驅動。

2 控制策略

混動類整車熱管理系統控制邏輯一般較為復雜[7]，該系統包含了大量的泵類、閥類元件，其中執行元件的控制有閉環自動控制，比如：節溫器、壓縮機、散熱風扇、發動機水泵、空調路三通閥等，也有手動開環控制，比如：冷暖風三通閥、內外循環三通閥等。因此，針對本機型，首先需要確定各個零部件的開關狀態和轉速變化邏輯，其中表1為各元件的控制策略。

表1 熱管理系統控制策略

控制元件開啟狀態開啟條件 發動機水泵常開與發動機速比1.39 節溫器通≥92 ℃全開（曲線） 斷≤77 ℃全閉（曲線） 三通閥暖風-電池加熱電池回路溫度≤0 ℃且手動開啟暖風 僅電池加熱電池回路≤0 ℃且未手動開啟暖風 電池路水泵常開2 000 r/min 壓縮機0電池回路溫度≤20℃且未手動開啟冷風 2 000 r/min電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃或手動開啟冷風 三通閥冷風-電池制冷電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃且手動開啟冷風 僅冷風電池回路溫度≤20 ℃且手動開啟冷風 僅電池制冷電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃ 散熱器風扇0冷風未開啟且散熱器前溫度低于95 ℃ 5 000 r/min96 ℃≤水套出水溫度≤120 ℃或冷風開啟 冷暖風風扇0冷、暖風均未開啟 1 000 r/min手動開啟 三通閥1僅暖風手動開啟 僅冷風手動開啟 三通閥2僅內循環手動開啟 僅外循環手動開啟

3 計算邊界

該機型包含了大量的性能件，針對驅動類元件，水泵類的性能曲線為揚程-流量、扭矩-流量曲線；空調類的性能參數為單位排量；風扇類的性能曲線為靜壓-流量曲線。

針對非空調類換熱器元件，比如：散熱器、暖風芯體、電池加熱器等，重要的性能曲線為兩側流體的壓損-流量曲線和換熱能力曲線。其中能定義換熱能力曲線的參數有多種，比如：定義換熱效率、換熱系數、換熱量等，但在實際工程運用中，采用定義換熱效率的方式更為便捷，本機型也是采用的該種方式。

針對空調換熱元件，比如：蒸發器、冷凝器、電池制冷器等，這些元件與其他換熱器的定義不同，因為該類換熱器內部出現了不同程度的相變換熱，這極大地提高了仿真難度和精度，因此，本機型采用先進行單體仿真測試，后確定性能參數的方式對上述元件進行換熱能力定義。采用FlowMASTER仿真軟件內嵌的ACSOP模塊，通過輸入單點性能，迭代計算出ACSOP因子系數從而定義換熱器換熱能力的方法。

在兩個空氣側系統中，不同換熱器和風扇的空間坐標位置以及換熱器的先后順序均會對整個系統產生一定影響，因此，本機型還對它們進行了空間位置的定義，以提高計算精度。

3.1 泵類邊界

圖1為發動機、電池水泵的揚程-流量曲線；圖2為散熱器、冷暖風風扇靜壓-流量曲線，泵類元件的性能數據會直接影響到各回路的流量大小。

圖1 水泵額定轉速下性能曲線

圖2 風扇額定轉速性能曲線

3.2 空調換熱類邊界

表2分別為蒸發器、冷凝器、電池制冷器通過FlowMASTER仿真軟件內嵌的ACSOP模塊標定出的形狀因子。

表2 空調換熱類形狀因子

形狀因子空氣側換熱修正因子空氣側壓力損失修正因子內側流體換熱修正因子內側流體壓力損失修正因子冷凝液質量流量修正因子 冷凝器3.4745.53113.801 蒸發器1.1851.00410.005 0020.658 2 制冷器50.0111

3.3 其他換熱類邊界

圖3 不同元件水阻曲線

圖4 不同元件風阻曲線

圖3為不同元件的水阻曲線；圖4為不同元件的風阻曲線。

4 計算結果

4.1 低溫冷啟動極限工況1

環境溫度為-25 ℃；發動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），開啟暖風外循環，開啟電池水加熱。

圖5為該工況下各處溫度變化情況，該系統在1 200 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在2 700 s左右發動機節溫器開啟，此時水套溫度最高達到140 ℃。這是由于節溫器處的溫度為暖風后的溫度，而由于環境溫度過低，導致暖風后溫度也低，使得節溫器長時間達不到開啟溫度，散熱器無法工作，最終水套溫度越積越高，并且節溫器在后續過程中頻繁開啟關閉，水套溫度的變化波動也很大。同時，在2 700 s時乘員艙溫度達到20 ℃，這也是由于水套溫度過高造成的，在節溫器頻繁開啟后，乘員艙平均溫度保持在3 ℃左右。

圖5 各處溫度變化

4.2 低溫冷啟動極限工況2

環境溫度為-25 ℃；發動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），開啟暖風內循環，開啟電池水加熱。

圖6為該工況下各處溫度變化情況，該系統在1 150 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在2 000 s左右發動機節溫器開啟，此時水套溫度最高約130 ℃，這種情況比暖風外循環稍好，這是由于乘員艙溫度升高后降低了暖風的換熱效率，導致暖風后溫度比外循環要高，有利于節溫器的開啟。同時在1 400 s時乘員艙溫度5 ℃左右，后持續上升。

圖6 各處溫度變化

4.3 低溫冷啟動極限工況3

環境溫度為-25 ℃；發動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），關閉暖風，開啟電池水加熱。

圖7為該工況下各處溫度變化情況，該系統在1 100 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在1 250 s左右發動機節溫器開啟，由于關閉了暖風，此時水套溫度降低，最高約100 ℃，這屬于發動機正常水溫。

圖7 各處溫度變化

4.4 低溫冷啟動極限工況4

環境溫度為-25 ℃；發動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），關閉暖風，關閉電池水加熱。

圖8為該工況下各處溫度變化情況，該系統在1 050 s左右發動機節溫器開啟，此時水套溫度降低，最高約95 ℃，與上種工況相似。

圖8 散熱器溫度變化

4.5 高溫高載極限工況

環境溫度為45 ℃；發動機高速滿載（4 000 r/min，散熱功率35 kW），空調外循環開啟，電池制冷開啟。

圖9為該工況下各處溫度變化情況，該系統在100 s左右發動機節溫器開啟，150 s左右節溫器全開，水溫平衡后保持在125 ℃以下。空調冷風駕駛艙溫度在120 s左右達到28 ℃并維持一定，電池水路中進電池溫度在200 s左右達到25 ℃，并一直保持25～28 ℃波動。

圖9 各處溫度變化

5 總結

通過以上分析，得出以下結論：

1）冷啟動過程中，開啟暖風會導致水套溫度升高，這是由于節溫器處于暖風回水口。如開啟暖風會使水出暖風后溫度降低，對節溫器的開啟不利，在極限情況下（暖風外循環+電池加熱）會導致水套溫度達到140 ℃，這對發動機影響很大，后續可增加發動機小循環水路來平衡節溫器的開啟。

2）冷啟動過程中，暖風的開啟、關閉以及內、外循環和是否開啟電池升溫，會對發動機平衡溫度和平衡時間造成比較大的影響，在無暖風、無電池加熱時，平衡時間為1 250 s，而在暖風外循環+電池加熱，時間會增加到2 700 s。

3）冷啟動中暖風的開啟、關閉以及內、外循環對電池水加熱的時間影響很小，極限時間為 1 200 s、1 100 s，如為了快速提高電池溫度，需提高電池加熱器中發動機支路的水流量或加裝正溫度系數（Positive Temperature Coefficient, PTC）。

4）該機型在高溫高載極限情況下滿足電池的冷卻需求，并且乘員艙也能保持在28 ℃，如需提高乘員艙的制冷功能，可以增加壓縮機排量或者轉速，并在保持電池制冷器支路流量不變的情況下，調整蒸發器支路的流量。

[1] 曾凡宇,張志軍,倪明洋.混合動力汽車整車熱管理建模與仿真研究[C]//2022中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集:熱管理分會場.北京:中國汽車工程學會,2022:127-137.

[2] 廖庚華,陳濤,胡欽超.某商用車整車熱管理性能仿真及優化[C]//2022中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集:熱管理分會場.北京: 中國汽車工程學會,2022:86-91.

[3] 高干,倪計民,石秀勇,等.基于NEDC工況的發動機熱管理系統匹配研究[J].車用發動機機,2018(2):51-56.

[4] 李壘,胡斌斌,田勝,等.某混合動力車型熱管理系統開發與研究[J].汽車實用技術,2020,45(8):71-75.

[5] IBRAHIM D.電動汽車動力電池熱管理技術[M].北京:機械工業出版社,2021.

[6] STEVEN D.汽車空調與氣候控制系統[M].北京:機械工業出版社,2009.

[7] 劉衛東,彭玉環,吳方義,等.混合動力汽車加熱及冷卻控制策略[J].汽車電器,2020(12):22-25.

Simulation Analysis of Thermal Management System for an Extended Range Vehicle

ZHOU Tao, FU Hao*

( Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 230601, China )

In order to ensure the normal operation of the vehicle system, improve the energy efficiency of the vehicle, it is necessary to predict the temperature,flow and other characteristics of the vehicle thermal management system under different working conditions in the development stage. In this paper, a one-dimensional model of complex heat transfer system with multiple circuits and control is built,it is used to simulate the thermal management system of an extended range vehicle,calculate the equilibrium temperature and time when each component reaches the thermal steady state under the ultimate working condition,determine the influence of different air conditioning conditions on the heating time of the battery.After the calculation to determine, the machine can meet the system cooling requirements in high temperature limit condition,however, there is a risk that the water temperature exceeds the standard after the warm air is opened,and different air conditioning conditions have little influence on the heating time of the battery.

Vehicle thermal management;Heat transfer;Equilibrium temperature;Warm air condition

U463

A

1671-7988(2023)18-95-05

周濤（1983－），男，工程師，研究方向為整車熱管理，E-mail:zt.jszx@jac.com。

傅豪（1995－），男，助理工程師，研究方向為整車熱管理，E-mail:yw.jszx@jac.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.019