殷紅敏，翟曉紅，翁銳，楊棟

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車熱管理開(kāi)發(fā)流程及實(shí)踐

殷紅敏，翟曉紅，翁銳，楊棟

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

先進(jìn)的汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外的相互影響，采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法。將冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、HVAC等進(jìn)行設(shè)計(jì)集成、制造集成，集成為一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)。目前整車熱管理系統(tǒng)基本都是基于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成的車型上進(jìn)行的，屬于后期優(yōu)化，沒(méi)有對(duì)整車熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了能夠更好地掌握熱管理的開(kāi)發(fā)流程，需要基于全新車型對(duì)熱管理的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行全面實(shí)踐，掌控并完善熱管理的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)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(tǒng)集成和整體角度出發(fā)，統(tǒng)籌熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)及整車之間的關(guān)系，采用綜合手段控制和優(yōu)化熱量傳遞的系統(tǒng)。其可根據(jù)行車工況和環(huán)境條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度以保證被冷卻對(duì)象工作在最佳溫度范圍，從而優(yōu)化整車的環(huán)保性能和節(jié)能效果，同時(shí)改善汽車運(yùn)行安全性和駕駛舒適性等。

先進(jìn)的汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外的相互影響，采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法。將冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、HVAC等進(jìn)行設(shè)計(jì)集成、制造集成，集成為一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)。

1 設(shè)定目標(biāo)

為了能夠更好地掌握熱管理的開(kāi)發(fā)流程，為后續(xù)車型的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，需要在全新開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目上對(duì)熱管理的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行全面實(shí)踐，掌控并完善熱管理的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程。

1.1 熱管理理論計(jì)算模型

通過(guò)設(shè)計(jì)原始輸入，基于理論計(jì)算公式對(duì)熱平衡水溫進(jìn)行預(yù)估，通過(guò)1D分析、3D分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正完善熱管理理論計(jì)算模型，整車開(kāi)發(fā)流程過(guò)程中需要進(jìn)行至少4輪熱管理理論計(jì)算分析。

1.2 1D 分析模型

基于1D模擬軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水流量、散熱器換熱等進(jìn)行分析并對(duì)熱平衡水溫進(jìn)行預(yù)估，可將水流量等信息帶入理論計(jì)算模型進(jìn)行修正，整車開(kāi)發(fā)流程過(guò)程中需要進(jìn)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(chǎng)分析軟件對(duì)整個(gè)發(fā)艙及水路溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得出整車熱平衡水溫及整車發(fā)艙各位置溫度分布，尋找溫度過(guò)高的位置并提出整改意見(jiàn)，并根據(jù)整車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正，整車開(kāi)發(fā)流程過(guò)程中需要進(jìn)行冷流場(chǎng) 3D CFD分析及熱流場(chǎng)3D CFD分析各1輪。

1.4 實(shí)車驗(yàn)證

基于設(shè)定的開(kāi)發(fā)工況在環(huán)境倉(cāng)進(jìn)行熱管理性能驗(yàn)證，前后至少3輪：即MULE車一輪，P0車一輪，P1車一輪。

總體目標(biāo)：通過(guò)熱管理開(kāi)發(fā)在完整車型上的實(shí)踐，建立較完善的熱管理開(kāi)發(fā)流程。

2 過(guò)程實(shí)施

2.1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1.1 熱管理工況確認(rèn)

首先根據(jù)整車動(dòng)力性匹配以及發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，以90%外特性作為選取依據(jù)，對(duì)設(shè)定的工況進(jìn)行篩選，最終選擇出可實(shí)現(xiàn)工況，作為熱管理設(shè)計(jì)工況。

圖1 扭矩點(diǎn)確認(rèn)

然后結(jié)合公司標(biāo)準(zhǔn)和客戶需求選定項(xiàng)目目標(biāo)工況。

表1 目標(biāo)工況設(shè)定

最后根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)工況，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)特性選擇各目標(biāo)工況可實(shí)現(xiàn)的檔位和對(duì)應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)速。并確定溫度限值，其中發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)工況檔位和對(duì)應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)速

2.1.2 完成零部件臺(tái)架性能測(cè)試

在設(shè)計(jì)階段（一般位于整車初步布置結(jié)構(gòu)確認(rèn)后）根據(jù)初步匹配的性能并制作手工樣件進(jìn)行零部件性能測(cè)試，主要涉及散熱器、中冷器、冷凝器、散熱器風(fēng)扇等；

同時(shí)還需要完成所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定工況下的臺(tái)架負(fù)荷性能測(cè)試，以及其他相關(guān)附件數(shù)據(jù)；

2.1.3 理論計(jì)算

利用經(jīng)典公式，對(duì)上述零部件匹配的可行性進(jìn)行初步計(jì)算，具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。

表3 目標(biāo)工況理論計(jì)算結(jié)果

2.1.4 1D、3D CAE分析

2.1.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總成基于臺(tái)架測(cè)試進(jìn)行1D分析

額定轉(zhuǎn)速工況下系統(tǒng)總流量為181.3L/min，系統(tǒng)壓力損失約為1.23bar。散熱器流量為128.2L/min，與之匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為 135kW，當(dāng)散熱器進(jìn)出口溫差約 9.5℃以上時(shí)，散熱器流量能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需求。冷卻系統(tǒng)流量分配情況如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)外圍冷卻系統(tǒng)布置合理，冷卻系統(tǒng)壓力分布均勻如圖5所示，未出現(xiàn)壓力劇烈波動(dòng)點(diǎn)。

圖4 整車?yán)鋮s系統(tǒng)各支路流量分配

圖5 整車?yán)鋮s系統(tǒng)壓力分布

目標(biāo)工況下的系統(tǒng)溫度如表4所示（因發(fā)動(dòng)機(jī)模擬分析無(wú)法分析中冷出氣溫度，但能夠分析機(jī)油溫度，所以羅列水溫和機(jī)油溫度），工況 1條件下的系統(tǒng)溫度分布情況如圖 6所示，工況2條件下系統(tǒng)溫度分布情況如圖7所示。

表4 目標(biāo)工況下系統(tǒng)溫度分布情況

圖6 工況1條件下冷卻系統(tǒng)溫度分布情況

圖7 工況2條件下冷卻系統(tǒng)溫度分布情況

2.1.4.2 整車基于轉(zhuǎn)轂性能測(cè)試進(jìn)行1D分析

根據(jù)前期發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)、整車參數(shù)、零部件試驗(yàn)結(jié)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(biāo)工況下1D仿真分析計(jì)算結(jié)果

2.1.4.3 完成整車3D流場(chǎng)分析

完成整車三維模型的搭載及流線分析、發(fā)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(guò)3D流場(chǎng)分析可以直觀的解決整車氣流流動(dòng)過(guò)程中存在的氣流不暢或者漏風(fēng)的問(wèn)題，有效指導(dǎo)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的聚風(fēng)和堵風(fēng)設(shè)計(jì)；同時(shí)3D流場(chǎng)分析的表面速度分布數(shù)據(jù)將會(huì)應(yīng)用到整車1D分析。

2.2 MULE車驗(yàn)證

上述分析為了達(dá)成目標(biāo)會(huì)存在很多的反復(fù)和零部件的不斷調(diào)整，在最終計(jì)算達(dá)標(biāo)或者接近限值時(shí)，便可以對(duì)零部件確認(rèn)和制作樣件進(jìn)行MULE車驗(yàn)證了。

MULE車盡量按照最終設(shè)計(jì)的造型及布置手工調(diào)整到位，使得試驗(yàn)結(jié)果接近于最終設(shè)計(jì)狀態(tài)。

圖13 MULE車改制

表6 MULE車試驗(yàn)結(jié)果

此時(shí)驗(yàn)證結(jié)果存在于目標(biāo)限值存在較小的差異，我們完全可以認(rèn)為是因?yàn)槔鋮s模塊的狀態(tài)導(dǎo)致的，此時(shí)可以不采取措施，部分長(zhǎng)周期部件可以凍結(jié)及模具開(kāi)發(fā)；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(yīng)的措施了，這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。

2.3 P0車驗(yàn)證

在整車 P0階段，即整車車身及其他部件均已經(jīng)到位，但是狀態(tài)還不是很穩(wěn)定的時(shí)候，需要再進(jìn)行一輪驗(yàn)證，消除MULE狀態(tài)下因?yàn)槔鋮s模塊差異導(dǎo)致的偏差。

圖14 P0樣車驗(yàn)證

表7 P0車試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果在限值以內(nèi)，且存在較大的富余，我們可以認(rèn)為目前的設(shè)計(jì)是滿足整車熱管理需求的，相關(guān)部件可以凍結(jié)，部分短周期的部件可以進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和模具開(kāi)發(fā)。

2.4 P1車驗(yàn)證

在最終整車量產(chǎn)前，還需要一輪最終的確認(rèn)，此時(shí)的車輛狀態(tài)已經(jīng)接近或達(dá)到市場(chǎng)車輛的狀態(tài)。

表8 P1車試驗(yàn)結(jié)果

2.5 熱管理過(guò)程各階段計(jì)算及驗(yàn)證對(duì)比

表9 目標(biāo)工況理論計(jì)算結(jié)果

可以看出在熱管理的整個(gè)流程中，整車驗(yàn)證指標(biāo)的達(dá)成是愈來(lái)愈趨向較好的方向發(fā)展，這也是熱管理流程建立的初衷，即在前期理論或數(shù)據(jù)階段便通過(guò)手段達(dá)成熱管理目標(biāo)。

3 目標(biāo)達(dá)成

通過(guò)基于全新開(kāi)發(fā)車型對(duì)熱管理的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行全面實(shí)踐，掌控并完善熱管理的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，達(dá)到了目標(biāo)要求。

具體流程參見(jiàn)附件圖15。

圖15 整車熱管理開(kāi)發(fā)流程

4 結(jié)論

本文從熱管理流程的各個(gè)方面開(kāi)展相關(guān)工作，經(jīng)歷了理論計(jì)算、零部件臺(tái)架測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試、1D/3D CAE模型建立和分析、整車性能試驗(yàn)驗(yàn)證等，完成了整車熱管理性能的開(kāi)發(fā)工作。

通過(guò)全流程并伴隨整車項(xiàng)目的實(shí)踐，完整的梳理出熱管理開(kāi)發(fā)流程，明確在整車開(kāi)發(fā)周期內(nèi)各個(gè)階段（概念設(shè)計(jì)階段、樣車設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段）熱管理所需要開(kāi)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(yàn)證到位，避免了后期的大規(guī)模的整改及驗(yàn)證工作。

[1] 殷紅敏.汽車?yán)鋮s系統(tǒng)計(jì)算方法研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2009,第32卷增刊.

[2] 袁俠義,谷正氣,楊易,等. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程.2009,31（9）：843-844.

[3] 張寶亮.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理技術(shù)的研究［D］.上海:上海交通大學(xué), 2011.

[4] 大島龍一.構(gòu)筑合理的通風(fēng)系統(tǒng),XLJ1-151951.2000.

[5] 汽車工程編輯委員會(huì),汽車工程手冊(cè)·設(shè)計(jì)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-79-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.028

殷紅敏（1983-），底盤(pán)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)理/整車項(xiàng)目經(jīng)理，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事整車熱管理技術(shù)研究、整車燃油系統(tǒng)（國(guó)VI）技術(shù)研究、整車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)等。