一種驅動電機冷卻系統(tǒng)冷卻液流量的仿真方法

任田良, 曹紅軍, 徐志遠, 閆 冬, 王 偉

(1.中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007; 2.湘潭大學, 湖南 湘潭 411105)

純電動客車的驅動電機常采用永磁同步電機,電機內部的永磁體一旦溫度過高,就會出現(xiàn)不可逆的消磁現(xiàn)象,驅動電機會受到破壞性損傷。另外,驅動電機是純電動客車的唯一動力源,不管是從經(jīng)濟性還是從安全性考慮,電機冷卻系統(tǒng)都尤為重要。

為了規(guī)避風險和節(jié)省新車開發(fā)周期,在前期圖紙設計階段要進行驅動電機冷卻系統(tǒng)的熱力學仿真分析[1-6],常用的一維仿真軟件有AMESim,用此類軟件進行分析需結合試驗驗證,不斷修正等效參數(shù)才能準確地模擬冷卻系統(tǒng)的運行和評估冷卻效果。而三維仿真能夠根據(jù)實車建立真實管路布置模型,流量仿真精度更高,所以本文直接采用三維流體仿真[7-10],在有限的熱性能參數(shù)和流量壓降參數(shù)下,模擬電機冷卻系統(tǒng)冷卻液的流動情況,判斷冷卻系統(tǒng)的合理性。

1 驅動電機冷卻系統(tǒng)

1.1 驅動電機冷卻系統(tǒng)結構

一款輪邊驅動的8.9 m純電動客車的驅動電機冷卻系統(tǒng)的三維模型如圖1所示,主要由驅動電機(2個) 、四合一控制器(整車控制器、油泵控制器、氣泵控制器以及DC/DC)、電機控制器(2個)、水泵和水箱散熱器組成。在不補充冷卻液的情況下,膨脹水箱支路不影響電機冷卻系統(tǒng)主管路冷卻液流動,故圖1中未建立膨脹水箱模型。圖1中水箱散熱器和水泵串聯(lián)在主管路上,驅動電機以及電機控制器采用兩路并聯(lián)的連接方式。

1-驅動電機安裝位置; 2-四合一控制器;3-電機控制器; 4-水泵; 5-水箱散熱器

1.2 驅動電機冷卻系統(tǒng)特點

1) 冷卻系統(tǒng)每條并聯(lián)支路的冷卻液流量只有主管路的50%左右,散熱能力比主管路差。

2) 冷卻支路上驅動電機的發(fā)熱量遠遠高于其他電器件。

3) 圖1顯示驅動電機在所有電器件的下游,其冷卻液的平均溫度是系統(tǒng)里最高的。

通過以上分析可知,驅動電機是整個冷卻系統(tǒng)中最有可能出現(xiàn)高溫報警的地方,只要滿足了驅動電機的冷卻需求,整個冷卻系統(tǒng)設計就是可行的。

2 仿真分析及驗證

利用某三維流體仿真軟件搭建仿真模型并進行三維流場仿真。

2.1 三維流體仿真模型

驅動電機、四合一控制器、電機控制器以及水箱散熱器內部結構復雜,若無法得到詳細的內部冷卻結構,可根據(jù)各部件的試驗流量壓降曲線建立等效模型,不僅能確保仿真精度,還能簡化仿真模型,提高仿真效率。

電機控制器以及驅動電機等效模型為直徑20 mm、長度10 mm的圓管;四合一控制器等效模型為直徑25 mm、長度10 mm的圓管;水箱散熱器等效模型為直徑35 mm、長度10 mm的圓管;水泵直接通過設定水泵進出口邊界條件等效,不建立三維實體模型。最終用于三維流體仿真分析的幾何模型如圖2所示。

圖2 用于三維流體仿真分析的幾何模型

模型為管路結構,管路截面尺寸偏小,因此網(wǎng)格尺寸設置為2 mm, 流體邊界層第一層厚度為0.05 mm,網(wǎng)格模型局部放大圖如圖3所示。

圖3 水泵進口網(wǎng)格特征(局部放大圖)

2.2 仿真模型邊界參數(shù)設置

仿真軟件采用ANSYS16.0中的CFX模塊,仿真模型邊界參數(shù)設置如下：

1) 水泵進口壓力。此電機冷卻系統(tǒng)可看作一個密封系統(tǒng),因此設置水泵進口壓力為0 kPa(此處為表壓),仿真模型的參考壓力為101 kPa(即1個標準大氣壓)。

2) 水泵進口冷卻液溫度。依據(jù)電機系統(tǒng)冷卻原理圖以及試驗數(shù)據(jù)設定水泵進口冷卻液溫度為65 ℃。

3) 水泵出口壓力。水泵出口壓力采用流量壓力函數(shù)等效設置,此函數(shù)由流量揚程數(shù)據(jù)曲線轉換得到。本車型的水泵揚程流量曲線如圖4所示,揚程為水泵水頭高度數(shù)據(jù),需通過勢能公式P=ρ·g·H[11]轉換成壓力數(shù)據(jù),式中,P為水泵出口壓力;ρ為冷卻液密度;g為重力加速度;H為水泵揚程。

圖4 水泵流量揚程曲線

通過勢能公式轉換后,本車型的流量壓力曲線如圖5所示。

圖5 水泵流量壓力曲線

在圖5中通過二次樣條曲線擬合流量壓力曲線的方式提取流量壓力函數(shù)：

y=-0.024 1x2-0.414 2x+201.58

(1)

其中x為水泵出口流量,CFX模塊前處理中設置的x如式(2)：

x=abs(areaint(u)@inlet)

(2)

式中：abs() 表示絕對值函數(shù);areaint()表示面積分函數(shù);u為水泵出口截面法向平均速度;inlet表示水泵出口位置。

y表達式需要在仿真軟件中利用Expressions功能設置,設置水泵出口邊界時,先選擇總壓邊界類型,再輸入y表達式即可。

4) 驅動電機、電機控制器、四合一控制器以及水箱散熱器的流量壓降。在仿真模型中此4個部件等效成圓柱模型,設置流場損失模型來模擬4個系統(tǒng)的流量壓降。損失模型設置采用Subdomain里面的各向異性損失模型(directional loss model),其中冷卻液沿管道流動的方向為壓力損失主方向,管道橫截面半徑方向為壓力損失次方向。損失模型主要有滲透率K和損失系數(shù)Kloss2個參數(shù)[12]。

K=Q·μ·L/(A·ΔP)

(3)

其中：Q=v·A

(4)

Kloss=2×ΔP·L/(ρ·v2)

(5)

式中：Q為流量;μ為動力粘度;L為等效模型流通長度;A為等效模型橫截面積;ΔP為壓降;v為冷卻液流速;ρ為冷卻液密度。

式(3)和式(5)中的ΔP可表示成變量為流量的函數(shù)。通過試驗獲得不同冷卻液流量下的壓降,整理形成流量壓降數(shù)據(jù)表,再利用CFX中的自定義函數(shù)(user function)功能定義流量壓降函數(shù),如圖6所示。

式(4)和式(5)中的v同樣采用仿真軟件自帶公式實時提取,式(3)和式(5)中的其他參數(shù)為常數(shù)。通過整理分析式(3)和式(5),滲透率以及損失系數(shù)最終可轉換成變量為流量的函數(shù),利用Expressions功能設置滲透率和損失系數(shù)的函數(shù)表達式,并設置流場損失模型,如圖7所示。

完成所有仿真模型邊界條件的設置后開始迭代仿真計算工作。

圖6 自定義函數(shù)設置

圖7 等效模型流阻設置

5) 管路壁面。壁面粗糙度都設置為0.012 5 mm,所有壁面為無滑移壁面。

2.3 仿真結果及驗證

仿真模型部分邊界采用函數(shù)表達式,因此在仿真過程中需要實時查看管道內的冷卻液流量仿真結果,并不斷調整所輸入的各部件的流量壓降數(shù)據(jù),直到系統(tǒng)壓降與水泵揚程達到平衡狀態(tài),此時冷卻系統(tǒng)仿真達到最終收斂狀態(tài)(即用CFX模塊迭代計算直到仿真結果收斂)。圖8和圖9為收斂仿真結果的壓力云圖和速度流線圖。

圖8 冷卻系統(tǒng)壓力云圖

圖9 冷卻系統(tǒng)速度流線圖

仿真過程中在冷卻系統(tǒng)里實時查看的流量觀測點如圖10所示。收斂仿真結果中提取的觀測點1、2、3、4、5的流量分別為20.9 L/min 、10.4 L/min、10.5 L/min、10.4 L/min和10.5 L/min。其中觀測點2和4在同一支路上,仿真結果顯示其流量一樣,符合質量守恒定律。

圖10 流量觀測點位置

實車進行流量數(shù)據(jù)測量驗證時,因觀測點1、4、5處于電器艙深處,無法安裝測量設備,故只測量到觀測點2、3的流量數(shù)據(jù)。實車驗證測量的觀測點2和3的流量分別為10.813 L/min和10.913 L/min。可見,仿真結果與實車驗證測量數(shù)據(jù)誤差在5%以內,仿真結果可信。

驅動電機熱性能參數(shù)如下：①系統(tǒng)允許最高水壓為200 kPa;②允許冷卻液最低流量為10 L/min。圖8顯示系統(tǒng)最高水壓僅為186.4 kPa,滿足要求;觀測點4、5處的流量即為電機冷卻液流量,剛好高于10 L/min, 也滿足要求。

車輛現(xiàn)場運行結果顯示,電機冷卻系統(tǒng)正常工作,整個驅動電機冷卻系統(tǒng)未出現(xiàn)高溫報警的情況,與仿真結果相符。

3 結束語

本文采用了驅動電機冷卻系統(tǒng)三維流場仿真方法,仿真結果與實測數(shù)據(jù)基本一致,能夠用于提前評估冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。針對電器采用軟水管連接的冷卻系統(tǒng),水冷管路隨意彎曲,一維熱力學分析軟件無法精確模擬管路流量壓降,本文方法能夠更精確地模擬管路流量壓降,達到準確預測冷卻液流量的目的。