李壘，田勝，王明明，胡斌斌

某車(chē)型熱管理系統(tǒng)匹配分析研究

李壘，田勝，王明明，胡斌斌

（海馬汽車(chē)股份有限公司，河南 鄭州 450016）

文章以某在研車(chē)型為研究對(duì)象，利用直接相關(guān)參數(shù)分析的方法對(duì)整車(chē)熱管理系統(tǒng)性能進(jìn)行精確計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)性能直接相關(guān)的散熱器進(jìn)風(fēng)量、散熱器進(jìn)風(fēng)溫度、散熱器冷卻液流量、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求、電子風(fēng)扇性能參數(shù)等分析計(jì)算，對(duì)相關(guān)零部件匹配后的熱管理系統(tǒng)性能進(jìn)行精確分析和試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)，并通過(guò)整車(chē)熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。

整車(chē)熱平衡；熱管理系統(tǒng)；精確匹配

前言

本文提出一種整車(chē)熱管理系統(tǒng)精確匹配方法，應(yīng)用于車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中系統(tǒng)的精確匹配分析。本文方法結(jié)合一維解析軟件Flowmaster和CFD軟件STAR-CCM+，以散熱器進(jìn)風(fēng)溫度、散熱器進(jìn)風(fēng)量、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求、電子風(fēng)扇性能、散熱器冷卻液流量參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行匹配，解析得到精確的匹配結(jié)果，實(shí)現(xiàn)精確匹配。相較依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式粗略估算匹配的方法，此方法解決了匹配過(guò)程中性能?chē)?yán)重過(guò)剩的問(wèn)題。

1 整車(chē)熱管理系統(tǒng)分析計(jì)算

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求分析計(jì)算

整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型基于整車(chē)熱平衡工況的穩(wěn)態(tài)模型建立，在特定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)做功產(chǎn)生的能量流動(dòng)處于平衡狀態(tài)。能量流動(dòng)主要方向分為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)本體釋放至外界的熱量、冷卻液吸收的熱量、排出廢氣帶走的能量等[1]。其中冷卻液吸收熱量為系統(tǒng)匹配直接相關(guān)參數(shù)，此參數(shù)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)獲得。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)條件中扭矩和轉(zhuǎn)速根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所匹配車(chē)型的熱平衡工況分析獲得，散熱器冷卻液流量依據(jù)水泵等相關(guān)零部件的水力特性匹配分析獲得，冷卻液最小循環(huán)流量需滿(mǎn)足缸體水套溫度場(chǎng)的要求。

整車(chē)熱平衡工況依據(jù)按照匹配車(chē)型工作極限條件設(shè)定，整車(chē)熱平衡工況邊界條件確定了發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求。各工況定義如表1所示：

表1 整車(chē)熱平衡工況定義

1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩解析

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩為臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)直接相關(guān)邊界條件，轉(zhuǎn)速、扭矩由整車(chē)設(shè)定工作條件下的行駛阻力決定。行駛阻力由滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻兩部分構(gòu)成，滾動(dòng)阻力與整車(chē)重量、路面狀況、坡度相關(guān)，風(fēng)阻與車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積和車(chē)速相關(guān)。路面狀況符合GB 12534標(biāo)準(zhǔn)要求路面。

滾動(dòng)阻力Fg由公式（1）求解：

式中：G為整車(chē)重力

?為滾動(dòng)阻力系數(shù)

θ為為坡道角度

風(fēng)阻Fd由公式（2）求解：

式中：Cd為風(fēng)阻系數(shù)

ρa(bǔ)ir為空氣密度

Ac為整車(chē)迎風(fēng)截面積

Ucar為車(chē)速

車(chē)速Ucar由公式（3）求解：

式中：N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

I為總傳動(dòng)比

R為車(chē)輪半徑

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩T由公式（4）求解：

式中ηT為扭矩傳輸效率

聯(lián)立式（1）、（2）、（3）、（4），得到公式：

在設(shè)定工況下，滾動(dòng)阻力與車(chē)輛坡道、車(chē)速相關(guān)，風(fēng)阻與車(chē)速相關(guān)，高速工況發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值。爬坡工況以坡道滾動(dòng)阻力為主要影響因素，高速工況以風(fēng)阻為主。代入相關(guān)參數(shù)，求解方程得到發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下輸出扭矩。求解結(jié)果與對(duì)應(yīng)工況的空調(diào)壓縮機(jī)需求扭矩之和為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)車(chē)輸出扭矩，如表2所示。

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求解析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下的散熱量數(shù)據(jù)生成散熱性能需求MAP。依據(jù)發(fā)動(dòng)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從MAP中得到精確的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)本體散熱通道為與測(cè)試環(huán)境空氣自然對(duì)流傳熱和與測(cè)試環(huán)境輻射傳熱。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試環(huán)境空氣溫度20℃，墻壁溫度20℃。在整車(chē)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)艙周邊溫度相近傳熱溫差小，傳熱量可忽略。發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架測(cè)試中本體散熱量比實(shí)車(chē)狀態(tài)散熱量大，此熱量差值在整車(chē)工況下轉(zhuǎn)移至散熱器，通過(guò)散熱器傳遞到流通空氣中。

發(fā)動(dòng)機(jī)表面積約1.369m2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值自然對(duì)流傳熱系數(shù)取11W/(m2·K)，自然對(duì)流傳熱量約805W。熱輻射傳熱過(guò)程傳熱簡(jiǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)試環(huán)境墻壁兩個(gè)表面組成的封閉腔的輻射傳熱[2]，發(fā)動(dòng)機(jī)本體表面發(fā)射系數(shù)取0.82，墻壁表面發(fā)射率0.92，估算輻射傳熱量約774W。

在測(cè)試獲得的散熱需求MAP值增加1.579kW為實(shí)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求，如表2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求MAP

表2 整車(chē)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)

1.2 熱管理系統(tǒng)邊界條件及計(jì)算解析

熱管理系統(tǒng)邊界條件由液側(cè)邊界條件和空氣側(cè)邊界條件組成。液側(cè)邊界條件直接相關(guān)參數(shù)為冷卻液流量、冷卻液溫度?？諝鈧?cè)邊界條件直接相關(guān)參數(shù)為空氣側(cè)的空氣流量、空氣溫度。

1.2.1 液側(cè)邊界條件解析

液側(cè)循環(huán)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)水泵、發(fā)動(dòng)機(jī)水套、機(jī)油冷卻器、增壓器冷卻水道、節(jié)溫器、變速箱油冷卻器、散熱器、暖風(fēng)芯體和相關(guān)管道構(gòu)成，其水力特性分別如圖2、圖3所示。

液側(cè)邊界條件直接相關(guān)參數(shù)為冷卻液流量、冷卻液溫度。冷卻液流量根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的水泵水力特性MAP、相關(guān)零部件的水力特性參數(shù)解析獲得。解析過(guò)程中把相關(guān)元器件水力特性參數(shù)轉(zhuǎn)化為軟件可以利用格式，借助工具一維解析軟件Flowmaster獲取解析結(jié)果。

圖2 水泵水力特性MAP

依據(jù)各零部件水力特性建立冷卻液側(cè)流動(dòng)阻力模型，通過(guò)一維解析軟件Flowmaster中對(duì)模型進(jìn)行求解獲得散熱器在各工況下精確冷卻液流量。根據(jù)各工況下水泵轉(zhuǎn)速計(jì)算對(duì)應(yīng)工況液側(cè)流量分布如表3所示。

圖3 冷卻液側(cè)零部件水力特性

圖4 冷卻液側(cè)流動(dòng)阻力模型

圖5 一維解析軟件中液側(cè)系統(tǒng)模型

表3 冷卻液流量分布

1.2.2 空氣側(cè)邊界條件解析

散熱器空氣側(cè)邊界條件受前端模塊布置、前格柵開(kāi)孔、發(fā)動(dòng)機(jī)布置方式以及機(jī)艙布置影響。在前期開(kāi)發(fā)階段主要考慮影響因素為前格柵、前端模塊布置以及機(jī)艙背壓。解析過(guò)程中按照25%開(kāi)孔率設(shè)定前格柵，基于CFD分析值設(shè)定背壓、空氣流量等參數(shù)，按照前端模塊布置建立前端模塊模型。

圖6 空氣側(cè)前端模塊空氣流速分布

汽車(chē)行駛過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)的起動(dòng)阻力等于風(fēng)扇靜壓與行駛風(fēng)壓之和[6]。車(chē)輛迎風(fēng)在前格柵附近因空氣流道收縮部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，靜壓升高，有一定程度上對(duì)進(jìn)氣有預(yù)壓縮效果，有利于進(jìn)氣。機(jī)艙出風(fēng)口在機(jī)艙下部與道路交界面處，空氣相對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)底部空氣靜壓較低有利于機(jī)艙出風(fēng)?？諝鈧?cè)阻力模型簡(jiǎn)單空氣流動(dòng)復(fù)雜，空氣流動(dòng)同時(shí)受到到機(jī)艙熱空氣回流、前端模塊周邊高速時(shí)漏風(fēng)低速時(shí)熱氣回流、前機(jī)艙空氣流道復(fù)雜等邊界條件影響?？諝鈧?cè)零部件空氣流動(dòng)阻力特性、電子風(fēng)扇性能如圖7所示。

圖7 空氣側(cè)零部件風(fēng)阻特性

分析計(jì)算需借助CFD軟件STAR-CCM+解析參數(shù)后代入一維解析軟件。在計(jì)算過(guò)程中設(shè)定進(jìn)風(fēng)為恒密度、恒溫的空氣，進(jìn)風(fēng)總壓以空氣流動(dòng)動(dòng)壓和空氣靜壓構(gòu)成。設(shè)定中冷器、冷凝器、散熱器為多孔介質(zhì)，輸入?yún)?shù)如表4所示。

表4 前端模塊CFD分析輸入?yún)?shù)

表5 空氣側(cè)流量分布

通過(guò)STAR-CCM+軟件結(jié)合3D數(shù)據(jù)解析得出各工況下散熱器進(jìn)風(fēng)量，各工況散熱器進(jìn)風(fēng)量如表5所示。

1.2.3 熱管理系統(tǒng)性能計(jì)算解析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在整車(chē)工況的實(shí)際工作條件，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)一維模型。根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果獲取各工況下前端模塊進(jìn)風(fēng)量。根據(jù)中冷器風(fēng)阻、冷凝器風(fēng)阻、中冷器散熱量、冷凝器散熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求、散熱器性能MAP輸入相關(guān)參數(shù)，解析得到散熱器各工況進(jìn)風(fēng)溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度等參數(shù)，解析結(jié)果如表6所示。

圖8 散熱器性能MAP

圖9 一維解析軟件中系統(tǒng)模型

表6 散熱器進(jìn)風(fēng)溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度

2 整車(chē)熱管理系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果分析

風(fēng)扇控溫策略為水溫升至95℃時(shí)風(fēng)扇低速開(kāi)啟、水溫回落至90℃風(fēng)扇關(guān)閉，水溫升至105℃風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速開(kāi)啟、水溫回落至102℃風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速開(kāi)啟。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求與散熱器散熱量繪制性能曲線，如圖10所示。

2.1 工況一計(jì)算結(jié)果分析

工況一條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速散熱量曲線水溫106.2℃點(diǎn)處。此工況風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度穩(wěn)定在106.2℃。

2.2 工況二計(jì)算結(jié)果分析

工況二條件下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與工況一接近，車(chē)速由29.9km/h提升至49.6km/h，迎面風(fēng)速提高后散熱器進(jìn)風(fēng)量提升、散熱器進(jìn)風(fēng)溫度下降。發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速散熱量曲線水溫102.3℃。此工況風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度穩(wěn)定在102.3℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度處于風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)回落至低轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)處，且風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速散熱器散熱量高于風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速散熱器散熱量，實(shí)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度可能在102.3℃以下區(qū)間循環(huán)波動(dòng)。

2.3 工況三計(jì)算結(jié)果分析

工況三條件下整車(chē)空檔、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，此工況發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩需求低，主要為壓縮機(jī)工作扭矩需求扭矩和摩擦阻力需求扭矩，此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量需求約6.57kW。由于冷凝器側(cè)空氣流量低，空調(diào)系統(tǒng)冷凝側(cè)壓力較高，空調(diào)系統(tǒng)中壓開(kāi)關(guān)間斷置位，電子風(fēng)扇處于高轉(zhuǎn)速速、低轉(zhuǎn)速交替運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量需求處于風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速散熱量區(qū)間和風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速散熱量區(qū)間的中間區(qū)域，所有區(qū)間溫度點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)需求散熱量與風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速散熱量差值均小于與風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速散熱量差值，在風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速切換后發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度升溫速率大于降溫速率。

空調(diào)系統(tǒng)熱容量大幅低于冷卻系統(tǒng)熱容量，且冷凝器傳熱效率大幅高于散熱器傳熱效率，電子風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速切換后的空調(diào)系統(tǒng)壓力變化快于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫變化。

發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度低于90℃后冷卻液循環(huán)流量會(huì)根據(jù)控制策略降低，綜合分析后預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度隨風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速變化在90℃~95℃之間波動(dòng)。

2.4 工況四計(jì)算結(jié)果分析

在工況四條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩大，需求散熱量大。散熱器迎面風(fēng)速高、進(jìn)風(fēng)量大，進(jìn)氣溫度低。發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速散熱量曲線96℃。此工況風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度穩(wěn)定在96℃。

圖10 工況四發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能需求與散熱器散熱量

3 整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

整車(chē)熱平衡試驗(yàn)實(shí)際模擬極限行駛工況對(duì)熱管理系統(tǒng)的性能需求，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

整車(chē)熱平衡試驗(yàn)通過(guò)環(huán)境艙模擬外界環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、行駛阻力、迎面風(fēng)速，驗(yàn)證整車(chē)熱平衡性能。

圖11 整車(chē)熱平衡環(huán)境艙模擬試驗(yàn)

表7 整車(chē)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果

表8 分析結(jié)果相對(duì)測(cè)試結(jié)果百分比偏差

表7是整車(chē)熱平衡試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果百分比偏差如表8所示，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度最大誤差百分比為5.46%，分析結(jié)果符合度高。

4 結(jié)束語(yǔ)

整車(chē)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)中，系統(tǒng)匹配是核心任務(wù)。本文通過(guò)對(duì)匹配直接相關(guān)參數(shù)分析，預(yù)測(cè)整車(chē)熱平衡性能，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的精確。精確的計(jì)算結(jié)果可以保證性能目標(biāo)達(dá)成同時(shí)減少系統(tǒng)匹配過(guò)程中性能?chē)?yán)重過(guò)剩的問(wèn)題。

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Research on matching analysis of thermal management system of a certain vehicle

Li Lei, Tian Sheng, Wang Mingming, Hu Binbin

（Haima automobile co. LTD, Henan Zhengzhou 450016 )

This paper takes a certain vehicle under research as the research object, the performance of vehicle thermal management system is calculated and analyzed accurately by using the method of direct correlation parameter analysis. Through the analysis and calculation of the parameters directly related to the performance, such as radiator intake air volume, radiator inlet air temperature, radiator coolant flow rate, engine heat dissipation demand, electronic fan performance and so on. Analyze accurately and predict the experimental results of the performance of the heat management system that is matched with related parts, and verify the prediction by the heat balance experiment of the whole vehicle.

Vehicle thermal balance; Thermal management system; Exact matching

U467

A

1671-7988(2019)24-151-05

U467

A

1671-7988(2019)24-151-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.049

李壘，男，漢族，助理工程師，本科，就職于海馬汽車(chē)股份有限公司，主要研究方向：汽車(chē)熱管理。