整車熱管理開發流程及實踐

殷紅敏，翟曉紅，翁銳，楊棟

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車熱管理開發流程及實踐

殷紅敏，翟曉紅，翁銳，楊棟

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

先進的汽車熱管理系統設計必須同時考慮發動機冷卻系統與潤滑系統、暖通空調系統(HVAC)以及發動機艙內外的相互影響，采用系統化、模塊化設計方法。將冷卻系統、潤滑系統、HVAC等進行設計集成、制造集成，集成為一個有效的熱管理系統。目前整車熱管理系統基本都是基于設計開發完成的車型上進行的，屬于后期優化，沒有對整車熱管理系統開發進行系統的實踐經驗。為了能夠更好地掌握熱管理的開發流程，需要基于全新車型對熱管理的開發流程進行全面實踐，掌控并完善熱管理的系統開發流程。

熱管理；流程；熱平衡

Abstract:Advanced vehicle thermal management system design must also consider the engine cooling system and lubricating system, HVAC system, and influence each other, both within and outside the nacelle with systematic and modular design method. Integrate the cooling system, lubrication system, HVAC, etc., and integrate in into an effective thermal management system. The current vehicle thermal management system is done based on the design and development of basic models, belong to the late optimization, not the system on the vehicle thermal management system development experience.In order to be able to better grasp the thermal management of the development process, based on the development of new models for thermal management process to conduct a comprehensive practice, control and improve thermal management system development process.

Keywords: Thermal Management; Process; Heat Balance

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-79-04

引言

熱管理從系統集成和整體角度出發，統籌熱量與發動機及整車之間的關系，采用綜合手段控制和優化熱量傳遞的系統。其可根據行車工況和環境條件，自動調節冷卻強度以保證被冷卻對象工作在最佳溫度范圍，從而優化整車的環保性能和節能效果，同時改善汽車運行安全性和駕駛舒適性等。

先進的汽車熱管理系統設計必須同時考慮發動機冷卻系統與潤滑系統、暖通空調系統(HVAC)以及發動機艙內外的相互影響，采用系統化、模塊化設計方法。將冷卻系統、潤滑系統、HVAC等進行設計集成、制造集成，集成為一個有效的熱管理系統。

1 設定目標

為了能夠更好地掌握熱管理的開發流程，為后續車型的開發過程進行指導，需要在全新開發的項目上對熱管理的開發流程進行全面實踐，掌控并完善熱管理的系統開發流程。

1.1 熱管理理論計算模型

通過設計原始輸入，基于理論計算公式對熱平衡水溫進行預估，通過1D分析、3D分析及試驗數據修正完善熱管理理論計算模型，整車開發流程過程中需要進行至少4輪熱管理理論計算分析。

1.2 1D 分析模型

基于1D模擬軟件對發動機水流量、散熱器換熱等進行分析并對熱平衡水溫進行預估，可將水流量等信息帶入理論計算模型進行修正，整車開發流程過程中需要進行至少3輪熱管理1D分析。

1.3 3D CFD分析模型

基于大型3D流場分析軟件對整個發艙及水路溫度場進行模擬，得出整車熱平衡水溫及整車發艙各位置溫度分布，尋找溫度過高的位置并提出整改意見，并根據整車試驗結果對模型進行修正，整車開發流程過程中需要進行冷流場 3D CFD分析及熱流場3D CFD分析各1輪。

1.4 實車驗證

基于設定的開發工況在環境倉進行熱管理性能驗證，前后至少3輪：即MULE車一輪，P0車一輪，P1車一輪。

總體目標：通過熱管理開發在完整車型上的實踐，建立較完善的熱管理開發流程。

2 過程實施

2.1 設計開發

2.1.1 熱管理工況確認

首先根據整車動力性匹配以及發動機萬有特性曲線，以90%外特性作為選取依據，對設定的工況進行篩選，最終選擇出可實現工況，作為熱管理設計工況。

圖1 扭矩點確認

然后結合公司標準和客戶需求選定項目目標工況。

表1 目標工況設定

最后根據設定的目標工況，結合發動機特性選擇各目標工況可實現的檔位和對應的扭矩、轉速。并確定溫度限值，其中發動機出水溫度≤110℃。中冷出氣溫度≤60℃。

圖2 工況1的檔位選擇

圖3 工況2的檔位選擇

表2 目標工況檔位和對應的扭矩、轉速

2.1.2 完成零部件臺架性能測試

在設計階段（一般位于整車初步布置結構確認后）根據初步匹配的性能并制作手工樣件進行零部件性能測試，主要涉及散熱器、中冷器、冷凝器、散熱器風扇等；

同時還需要完成所匹配發動機在設定工況下的臺架負荷性能測試，以及其他相關附件數據；

2.1.3 理論計算

利用經典公式，對上述零部件匹配的可行性進行初步計算，具體計算方法見參考文獻1。

表3 目標工況理論計算結果

2.1.4 1D、3D CAE分析

2.1.4.1 發動機總成基于臺架測試進行1D分析

額定轉速工況下系統總流量為181.3L/min，系統壓力損失約為1.23bar。散熱器流量為128.2L/min，與之匹配的發動機功率為 135kW，當散熱器進出口溫差約 9.5℃以上時，散熱器流量能夠滿足發動機的運行需求。冷卻系統流量分配情況如圖4所示。發動機外圍冷卻系統布置合理，冷卻系統壓力分布均勻如圖5所示，未出現壓力劇烈波動點。

圖4 整車冷卻系統各支路流量分配

圖5 整車冷卻系統壓力分布

目標工況下的系統溫度如表4所示（因發動機模擬分析無法分析中冷出氣溫度，但能夠分析機油溫度，所以羅列水溫和機油溫度），工況 1條件下的系統溫度分布情況如圖 6所示，工況2條件下系統溫度分布情況如圖7所示。

表4 目標工況下系統溫度分布情況

圖6 工況1條件下冷卻系統溫度分布情況

圖7 工況2條件下冷卻系統溫度分布情況

2.1.4.2 整車基于轉轂性能測試進行1D分析

根據前期發動機臺架試驗數據、整車參數、零部件試驗結果完成1D整車模型的建立及分析；

圖8 1D仿真分析模型

表5 目標工況下1D仿真分析計算結果

2.1.4.3 完成整車3D流場分析

完成整車三維模型的搭載及流線分析、發艙典型截面速度分布圖、表面速度分布；

圖9 整車3D模型

圖10 整車流線分布

圖11 典型截面速度分布圖

圖12 散熱器、冷凝器及中冷器表面速度

其中通過3D流場分析可以直觀的解決整車氣流流動過程中存在的氣流不暢或者漏風的問題，有效指導詳細結構設計時的聚風和堵風設計；同時3D流場分析的表面速度分布數據將會應用到整車1D分析。

2.2 MULE車驗證

上述分析為了達成目標會存在很多的反復和零部件的不斷調整，在最終計算達標或者接近限值時，便可以對零部件確認和制作樣件進行MULE車驗證了。

MULE車盡量按照最終設計的造型及布置手工調整到位，使得試驗結果接近于最終設計狀態。

圖13 MULE車改制

表6 MULE車試驗結果

此時驗證結果存在于目標限值存在較小的差異，我們完全可以認為是因為冷卻模塊的狀態導致的，此時可以不采取措施，部分長周期部件可以凍結及模具開發；但是如果差異較大（一般定義在大于等于 5℃以上）就要采取相應的措施了，這是一個反復的過程。

2.3 P0車驗證

在整車 P0階段，即整車車身及其他部件均已經到位，但是狀態還不是很穩定的時候，需要再進行一輪驗證，消除MULE狀態下因為冷卻模塊差異導致的偏差。

圖14 P0樣車驗證

表7 P0車試驗結果

根據驗證，結果在限值以內，且存在較大的富余，我們可以認為目前的設計是滿足整車熱管理需求的，相關部件可以凍結，部分短周期的部件可以進行詳細的結構和模具開發。

2.4 P1車驗證

在最終整車量產前，還需要一輪最終的確認，此時的車輛狀態已經接近或達到市場車輛的狀態。

表8 P1車試驗結果

2.5 熱管理過程各階段計算及驗證對比

表9 目標工況理論計算結果

可以看出在熱管理的整個流程中，整車驗證指標的達成是愈來愈趨向較好的方向發展，這也是熱管理流程建立的初衷，即在前期理論或數據階段便通過手段達成熱管理目標。

3 目標達成

通過基于全新開發車型對熱管理的開發流程進行全面實踐，掌控并完善熱管理的系統開發流程，達到了目標要求。

具體流程參見附件圖15。

圖15 整車熱管理開發流程

4 結論

本文從熱管理流程的各個方面開展相關工作，經歷了理論計算、零部件臺架測試、發動機臺架測試、1D/3D CAE模型建立和分析、整車性能試驗驗證等，完成了整車熱管理性能的開發工作。

通過全流程并伴隨整車項目的實踐，完整的梳理出熱管理開發流程，明確在整車開發周期內各個階段（概念設計階段、樣車設計階段、設計驗證階段）熱管理所需要開展的工作，并且流程中將熱管理工作盡量前移，做到MULE車就能夠驗證到位，避免了后期的大規模的整改及驗證工作。

[1] 殷紅敏.汽車冷卻系統計算方法研究.合肥工業大學學報.2009,第32卷增刊.

[2] 袁俠義,谷正氣,楊易,等. 汽車發動機艙散熱的數值仿真分析［J］.汽車工程.2009,31（9）：843-844.

[3] 張寶亮.汽車發動機艙熱管理技術的研究［D］.上海:上海交通大學, 2011.

[4] 大島龍一.構筑合理的通風系統,XLJ1-151951.2000.

[5] 汽車工程編輯委員會,汽車工程手冊·設計篇,人民交通出版社.2000,182-183.

The Development Process of Thermal Management and Practice

Yin Hongmin, Zhai Xiaohong, Weng Rui, Yang Dong
（Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-79-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.028

殷紅敏（1983-），底盤設計技術經理/整車項目經理，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，主要從事整車熱管理技術研究、整車燃油系統（國VI）技術研究、整車項目開發等。