某電動車動力系統(tǒng)熱性能匹配

賴征海，張鵬飛，劉殿科

某電動車動力系統(tǒng)熱性能匹配

賴征海，張鵬飛，劉殿科

（華晨汽車工程研究院性能集成處，遼寧 沈陽 110141）

在電動車開發(fā)過程中，對動力系統(tǒng)熱性能匹配時(shí)，需要對冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真評估、驗(yàn)證，減少研發(fā)周期與開發(fā)成本。文章使用三維與一維聯(lián)合仿真的方式，通過對前格柵進(jìn)氣量進(jìn)行三維仿真，結(jié)合一維仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，將冷卻系統(tǒng)仿真分析結(jié)果與熱平衡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，進(jìn)而提升冷卻系統(tǒng)性能。

進(jìn)氣量；冷卻系統(tǒng)；三維/一維仿真

前言

隨著國家新能源政策與法規(guī)的出臺，新能源汽車保有量增加，新能源車輛成為各大汽車廠家追逐的目標(biāo)。這使得續(xù)航里程成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，能量的合理利用成為重中之重，熱管理系統(tǒng)便是其中不可或缺的重要部分。

近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用仿真方法進(jìn)行熱管理系統(tǒng)開發(fā)已成為汽車設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要手段[1,2]。

本文研究電動車熱源不包括動力電池系統(tǒng)，重點(diǎn)考慮動力系統(tǒng)的散熱。電機(jī)作為動力源代替?zhèn)鹘y(tǒng)車輛發(fā)動機(jī)提供動力，電機(jī)控制器將電池中的高壓電能輸送至電機(jī)，充電機(jī)OBC、變換器DC/DC可以將外部電源的能量儲存進(jìn)動力電池，同時(shí)又可以將電池中的高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電供整車低壓用電設(shè)備使用。

車輛行駛過程中，隨著能量的轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸，會有能量因損失轉(zhuǎn)換為熱量。其中，電機(jī)功率部分因機(jī)械損失轉(zhuǎn)化為熱量、DC/DC工作中產(chǎn)生熱量、電機(jī)控制器效率損失產(chǎn)生熱量、能量回收過程中電機(jī)與電機(jī)控制器更會釋放大量的熱。多種熱量堆積過多會引起部件溫度升高，會導(dǎo)致部件工作效率降低、使用壽命縮減。因此，一套合格的冷卻系統(tǒng)可以將部件的溫度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

冷卻系統(tǒng)的熱量交換主要依靠散熱器。散熱效率直接影響到系統(tǒng)的工作效率[4]。散熱器本身是一個(gè)熱冷卻液與冷卻空氣熱量交換的熱交換器[3]。因此，散熱器芯體進(jìn)氣量與本身的特性決定了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的溫度。本文針對散熱器選型后，通過三維、一維聯(lián)合仿真的方式優(yōu)化進(jìn)氣量，并對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行對標(biāo)。

1 進(jìn)氣量初步評估

1.1 進(jìn)氣量仿真計(jì)算

基于某電動車動力系統(tǒng)性能進(jìn)行匹配，為滿足動力系統(tǒng)的冷卻性能，同時(shí)降低風(fēng)阻，前端格柵造型設(shè)計(jì)成兩部分，上格柵使用全封閉式，下格柵采用常規(guī)開口造型。

應(yīng)用Star-CCM+軟件將整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入，設(shè)置計(jì)算域。對散熱器、冷凝器的進(jìn)氣量進(jìn)行CFD計(jì)算，計(jì)算工況按熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，工況及進(jìn)氣量計(jì)算結(jié)果如下：

1）50kph+9%：冷凝器0.464，散熱器0.472；

2）100kph+5%：冷凝器0.764，散熱器0.657；

3）12kph+0%：冷凝器0.895，散熱器0.753。

1.2 冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算

基于幾何數(shù)模，測量相關(guān)參數(shù)，繪制冷卻系統(tǒng)原理圖，如圖1。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

按冷卻原理圖搭建整車?yán)鋮s系統(tǒng)模型，設(shè)置相關(guān)性能參數(shù)，將計(jì)算進(jìn)氣量分別輸入對應(yīng)的熱平衡工況。仿真時(shí)間3000s，步長0.1s，分別提取電機(jī)水溫進(jìn)行對比，結(jié)果如表1：

表1 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

當(dāng)前進(jìn)風(fēng)量上格柵完全封閉時(shí)，50kph+9%、120kph+0%工況，電機(jī)水溫超過目標(biāo)要求，存在熱害問題，100kph+5%工況水溫處于邊界水溫處在目標(biāo)值邊緣，存在風(fēng)險(xiǎn)，需要優(yōu)化進(jìn)氣量。

2 進(jìn)氣量優(yōu)化

2.1 進(jìn)氣量仿真計(jì)算

表2 進(jìn)氣量仿真結(jié)果對比

優(yōu)化方向主要是增加上格柵開口面積，結(jié)合風(fēng)阻考慮，給出以下三款造型方案，分別為圓形開孔、長條形開孔、六角形開孔。對三個(gè)方案在120kph工況下進(jìn)行進(jìn)氣量仿真并與原方案上格柵前封閉做對比，結(jié)果見表2。

方案3的CFD仿真如圖2，從圖中可以看出，氣流通過上格柵開口增強(qiáng)了散熱器散熱能力，結(jié)合三個(gè)方案仿真結(jié)果，方案3效果最優(yōu)，散熱器進(jìn)風(fēng)量較全封閉狀態(tài)提升12.5%，冷凝器較全封閉狀態(tài)提升11.1%，使用當(dāng)前結(jié)果進(jìn)行下一步仿真。

圖2 方案3進(jìn)氣量仿真

2.2 冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算

使用優(yōu)化方案3進(jìn)行熱平衡工況冷卻系統(tǒng)一維仿真，結(jié)果見表3：

表3 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

對比仿真結(jié)果，方案3優(yōu)化進(jìn)風(fēng)量后，電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)水溫滿足目標(biāo)值要求，相比較原方案有較大提升。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件設(shè)置

在整車開發(fā)過程中，熱平衡試驗(yàn)是驗(yàn)證整車?yán)鋮s性能與熱保護(hù)地重要方法，本文對標(biāo)電動車熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)工況與條件如下：

1）低速爬坡：車速50kph、坡度9%、環(huán)境溫度38℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)；

2）高速爬坡：車速100kph、坡度5%、環(huán)境溫度38℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)；

3）高速工況：車速120kph、坡度0%、環(huán)境溫度45℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，設(shè)置表5地試驗(yàn)條件，進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，采集水溫信號，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)前冷卻系統(tǒng)溫度滿足設(shè)計(jì)散熱要求，方案3格柵時(shí)的進(jìn)風(fēng)量滿足冷卻系統(tǒng)需求。

4 結(jié)論

使用三維與一維聯(lián)合仿真的方式，對散熱器模塊進(jìn)氣量進(jìn)行三維仿真，同時(shí)結(jié)合一維冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后將優(yōu)化分析結(jié)果與熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行對標(biāo)，證明了仿真模型的可靠性與開發(fā)流程的可行性，提高了冷卻系統(tǒng)性能，完成電動車動力系統(tǒng)性能匹配。

[1] Christoph Stroh.Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Desig -ning a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D[J].Simulation. SAE,2006(1).

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

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.第3版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 馬虎根,李美玲.汽車散熱器傳熱及阻力特性的預(yù)測方法[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,23(1):33-36.

The thermal performance of an electric vehicle power system is matched

Lai Zhenghai, Zhang Pengfei, Liu Dianke

( Brilliance Auto R&D Center (BRAC), Liaoning Shenyang 110141 )

In the development of electric vehicles, when the thermal performance of the power system is matched, the performance of the cooling system needs to be simulated, evaluated and verified to reduce the R&D cycle and development cost. In this paper, the method of 3D and 1D joint simulation is used to conduct 3D simulation of the air intake of the front grille. Combined with 1D simulation results, optimization is conducted to compare the simulation analysis results of the cooling system with the heat balance test results, so as to improve the performance of the cooling system.

Air intake;Cooling system;3D/1D simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.006

U467

A

1671-7988(2021)06-18-03

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1671-7988(2021)06-18-03

賴征海，就職于華晨汽車工程研究院性能集成處。