某插電式混合動力轎車熱管理仿真分析與優化設計

裴建權 陳群 張志強

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130000）

某插電式混合動力轎車熱管理仿真分析與優化設計

裴建權 陳群 張志強

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130000）

利用Star-CCM+軟件和Flowmaster軟件，建立了某款插電式混合動力轎車（PHEV）熱管理仿真模型，對該車發動機艙進行了CFD分析和冷卻系統一維模擬分析。根據仿真結果，針對機艙前端進氣泄漏嚴重、熱反流、低溫冷卻系統冷卻水溫較高、低溫電子部件冷卻不足等問題，提出優化冷卻模塊布置及改善機艙進氣密封性等優化措施，該優化方案滿足了冷卻設計要求。

1 前言

插電式混合動力汽車（PHEV）因具有良好的節能減排效果而越來越受到各大汽車廠商的高度重視。與傳統車相比，混合動力汽車由于增加了電動部件，其冷卻系統更為復雜，這就對自身熱管理提出了更高要求。事實上，隨著近年來計算機技術的飛速發展，利用仿真方法進行熱管理系統開發已成為混合動力汽車設計中的一項重要手段[1，2]。

本文應用Star-CCM+軟件和Flowmaster軟件，針對某款新開發的插電式混合動力轎車建立了熱管理仿真模型，對該車發動機艙和冷卻系統進行仿真分析，并針對發動機艙布置和冷卻系統設計存在的問題提出了優化措施，優化方案滿足了冷卻設計需求，為整車熱管理開發提供了技術支持。

2 仿真模型建立

2.1 數學模型

2.1.1 發動機艙流場計算數學模型

利用Star-CCM+軟件建立發動機艙內氣體流動仿真模型，通過求解連續性方程、動量方程及能量方程獲得機艙內部氣體流動及溫升情況，湍流流動使用標準K-Epslion模型。由于發動機艙內氣體流速遠低于1/3音速,也就是空氣流速低于408 km/h，空氣按照不可壓縮氣體來處理[3]。

2.1.2 冷卻系統計算數學模型

利用Flowmaster軟件建立冷卻系統仿真模型，一維分析中主要的換熱模型[4]為：

式中，Q為換熱器的交換熱量；c為比熱容；m為質量流量；Tin為換熱器入口流體溫度；Tout為換熱器出口流體溫度；1代表換熱器內部流體；2代表空氣側流體。

2.2 仿真幾何模型

2.2.1 發動機艙數值仿真模型

該款混合動力轎車發動機艙計算域三維模型如圖1所示。將整車放置于虛擬的環境風洞中，車頭前端空間取車長的3倍，車尾后端空間取車長的6倍，車頂上部空間取車高的5倍，車體側面空間取車寬的5倍。

圖1 發動機艙計算域三維模型

利用Star-CCM+軟件進行模型處理和網格劃分，整個計算域用trim生成體網格，網格總數為1 800萬，并根據計算需要對關鍵區域進行網格加密處理，如圖2所示。

圖2 發動機艙中截面網格示意

2.2.2 一維冷卻系統仿真模型

對于混合動力汽車，由于其新增電子部件對冷卻水溫要求較低，因此混合動力汽車一般有高/低溫兩套冷卻回路系統。本文所研究的混合動力轎車的高/低溫冷卻回路系統功能為：高溫冷卻回路對發動機、變速器、暖風等高溫部件進行冷卻；低溫冷卻回路針對逆變器（IPU）、電機、中冷器等低溫部件進行冷卻。

利用Flowmaster軟件搭建整車冷卻系統仿真模型。各冷卻部件阻力參數及換熱特性根據廠商臺架試驗數據得到。根據冷卻系統內各部件之間的連接關系分別搭建高/低溫冷卻回路系統模型，如圖3所示。

2.3 計算邊界

整車熱管理仿真分析工況為整車熱平衡工況，車輛按照低速爬坡（40 km/h）、高速爬坡(90 km/h)及無坡高速（140 km/h）工況進行仿真分析。仿真過程分為兩個階段，首先進行三維發動機艙流場分析，最后進行一維冷卻系統冷卻分析，其中風側計算邊界由三維發動機艙流場分析得出。

圖3 冷卻系統一維計算模型

2.3.1 發動機艙CFD分析邊界

a.發動機艙仿真風洞入口采用速度入口，出口采用壓力出口。

b.換熱器冷卻模塊采用多孔介質，其中慣性阻尼和粘性阻尼通過試驗數據擬合得出；換熱器散熱量由各相關部門提供；風扇采用MRF模型處理，風扇轉速設定為其最高轉速；車輪采用旋轉壁面處理，其旋轉角速度由車速換算得出。

2.3.2 冷卻系統計算邊界

a.冷卻系統各部件流阻特性根據廠商試驗獲得，發熱量由各相關部門提供；

b.水泵泵水特性及散熱器換熱特性根據廠商試驗獲得；

c. 散熱器風側邊界由三維發動機艙CFD計算得出。

3 仿真結果分析

本文對該款插電式混合動力轎車進行發動機艙和冷卻系統仿真，分析發動機艙內氣體流動及冷卻系統冷卻狀況。

3.1 發動機艙流場仿真結果

圖4為發動機艙流場仿真結果。從圖4a可看出，冷卻氣流在散熱器兩側水室與冷卻框架之間的間隙處存在明顯的回流現象，這部分熱反流氣體往復冷卻換熱器，降低了換熱器換熱效率。由圖4b可看出，經格柵進來的冷卻氣流在冷卻模塊前端兩側發生大量泄漏，且這種泄漏問題隨整車車速提升進一步加大，如圖4c所示。

圖4 發動機艙流場分析結果

表1為各工況下冷卻回路高/低溫散熱器入口風量和風溫統計結果。由表1可知，低溫散熱器進風風溫較高，接近50℃，這可能導致低溫回路中電子部件有過熱風險。低溫散熱器進風溫度高是由于機艙前端進氣泄漏使散熱器冷卻風量降低而導致，后續需進行密封優化。

表1 各工況下散熱器入口風量和風溫統計結果

3.2 冷卻系統仿真結果

將散熱器入口邊界條件輸入一維計算模型，得出冷卻系統仿真結果，如表2所列。由表2可知，低溫冷卻回路整體冷卻水溫較高，其中IPU和電機在部分工況下冷卻水溫超出目標限值，需要優化低溫冷卻回路。高溫冷卻回路DCT油溫較高，但可穩定在許用溫度限值之內，初步分析可以接受。

表2 冷卻系統仿真結果 ℃

4 優化方案

原車型由于低溫散熱器布置在冷凝器后端，空氣先經過冷凝器加熱再經過散熱器，這就不可避免地導致低溫散熱器入口風溫較高，從而升高了低溫散熱器水路出水溫度，不能滿足低溫回路中低溫電子部件的冷卻要求。根據混合動力汽車冷卻需求提出改進方案，即在保證空調性能的前提下，采取在冷凝器前方增加小型低溫散熱器的措施，用于滿足對水溫要求高的低溫電子部件的冷卻，而原低溫散熱器僅用于單獨冷卻中冷器，高溫冷卻方案維持不變。前端冷卻模塊優化后布置方案見圖5。

圖5 前端冷卻模塊布置優化

針對前述分析中出現的發動機艙前端存在進氣泄漏及反流問題，通過優化發動機艙前端導流板設計來減少前端進氣泄漏，同時在散熱器四周增設密封件避免反流發生，優化方案如圖6所示。

圖6 散熱器與冷卻框架間隙密封位置

5 優化結果分析

5.1 優化后發動機艙流場分析

優化后發動機艙流場仿真結果如圖7所示。

圖7 優化后發動機艙流場分析結果

由圖7可看出，采取優化方案后，消除了低速工況熱反流問題，減少了機艙前端兩側的進氣泄漏。得益于此，高溫散熱器進氣效率提高，進風量增加，換熱能力提高，圖8為優化前、后高溫散熱器進風量及進氣效率對比結果。

圖8 優化前、后高溫散熱器進風情況對比結果

5.2 優化后冷卻系統分析

表3為采取優化方案后冷卻系統仿真結果。由表3可知，通過增加小低溫散熱器，改善了低溫電子部件冷卻風側條件，整個低溫回路冷卻水溫明顯降低，IPU和電機處入水溫度降低25%，均能夠平衡在溫度限值以下，保證了低溫電子部件的可靠性要求。對于高溫回路，增加小型低溫散熱器后，雖然一定程度增加了發動機艙內部進氣阻力，但通過合理密封措施，高溫散熱器進氣效率提高20%，進風量整體提升15%，發動機水路出口出水溫度和DCT油溫略有降低，冷卻能力提高。

表3 優化后冷卻系統仿真結果

6 結束語

采用發動機艙CFD分析和冷卻系統一維模擬分析方法，建立了某款新開發插電式混合動力轎車熱管理仿真模型，對該車發動機艙和冷卻系統狀況進行了分析評估，并針對存在的問題提出了優化方案。通過增加小型低溫散熱器改善低溫電子部件冷卻風側條件，通過對發動機艙進氣密封減少了冷卻氣體泄漏并消除熱反流。優化后，高溫散熱器進風量整體提升15%，進氣效率提升20%，低溫部件IPU和電機水路入水溫度降低25%，滿足了冷卻系統設計要求。

1 Christoph Stroh,Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Designing a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D Simulation.SAE,2006(1).

2 Norihiko Watanabe,Masahiko Kubo.An 1D-3D Integrating Numerical Simulation for Engine Cooing Problem.SAE,2006(1).

3 扶原放.轎車外流場的數值模擬：[學位論文].長春：吉林大學，2002.

4 張俊巖，陳月，孫玉，等.SUV車型發動機艙流場及冷卻系統性能分析.拖拉機與農用運輸車，2015(3):46～49.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2017年3月9日。

Thermal Management Simulation Analysis and Optimization Design of APHEV

Pei Jianquan,Chen Qun,Zhang Zhiqiang
（China FAW Group Corporation Limited R&D Center）

Thermal management simulation analysis model of a Plug-in Hybrid Electric Vehicle（PHEV）based on Star-CCM+and Flowmaster was established,engine compartment air flow CFD analysis was conducted and one dimensional simulation and analysis of cooling system were carried out.Such as the intake air leaks seriously at the front end of the cabin,thermal reflux,low-temperature cooling system cooling water temperature is high,and insufficient cooling of low-temperature electronic components.To solve problems,measures such as optimizing cooling module layout,improving air intake tightness of engine compartment were put forward based on simulation results.This optimization satisfies the cooling requirements of the design.

PHEV,Thermal management,Simulation analysis

PHEV 熱管理 模擬分析

U462.2 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）10-0040-04