王元林，劉小華，楊凡，張桂連

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)排放和新能源積分的要求，以及國(guó)家補(bǔ)貼政策的引導(dǎo)，純電動(dòng)汽車成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。因其動(dòng)力源由電機(jī)取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，前艙布置相對(duì)較寬松，且電機(jī)散熱沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)多，機(jī)艙溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。小型純電動(dòng)汽車由于其車型較小，前機(jī)艙布置緊湊且電子元器件較多，機(jī)艙的溫度過(guò)高對(duì)電子電器零部件的使用壽命和穩(wěn)定工作狀態(tài)都有較大的影響，使得小型純電動(dòng)汽車的機(jī)艙熱管理問(wèn)題突出。同時(shí)，考慮降低風(fēng)阻提高整車?yán)m(xù)航里程，封閉式主進(jìn)氣格柵成為純電動(dòng)汽車區(qū)別傳統(tǒng)燃油車的重要標(biāo)志，這也大大增加了前機(jī)艙熱管理的難度。目前關(guān)于電動(dòng)汽車熱管理的文獻(xiàn)主要集中在電池包系統(tǒng)的熱管理研究:江淮汽車夏順禮等基于電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[1]，長(zhǎng)安汽車孫佳等人針對(duì)電池包的不同熱管理方式開(kāi)展了對(duì)比研究，北京理工大學(xué)學(xué)者們針對(duì)電動(dòng)汽車電池的高低溫控制系統(tǒng)開(kāi)展研究[2-5]，均取得不錯(cuò)的研究效果。針對(duì)機(jī)艙的熱管理，主要有湖大艾盛王寧潔等通過(guò)數(shù)值仿真指導(dǎo)新能源汽車前艙熱管理應(yīng)用[6]，江淮汽車殷紅敏等通過(guò)仿真研究冷卻模塊的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]，未從前艙熱量根本來(lái)源進(jìn)行分析，僅開(kāi)展仿真分析與仿真驗(yàn)證，也未通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比優(yōu)化前后的方案效果。因此，針對(duì)電動(dòng)車前機(jī)艙溫度過(guò)高問(wèn)題，通過(guò)前機(jī)艙熱量來(lái)源分析，同時(shí)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和實(shí)車優(yōu)化方案驗(yàn)證，為解決實(shí)車前艙熱管理問(wèn)題提供借鑒和參考。

1 純電動(dòng)汽車前機(jī)艙熱源分析

某小型純電動(dòng)汽車的前艙布置如圖1所示。

圖1 某小型純電動(dòng)前機(jī)艙布置

根據(jù)小型純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和車輛實(shí)際情況，將前機(jī)艙熱源分成4個(gè)部分來(lái)進(jìn)行剖析，分別為空調(diào)系統(tǒng)、電池包冷卻系統(tǒng)、電驅(qū)冷卻系統(tǒng)以及其他電器部件。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)

汽車空調(diào)系統(tǒng)主要是調(diào)節(jié)乘員艙的溫度，提高乘員的乘坐舒適性，分為制冷和加熱兩個(gè)部分，詳細(xì)見(jiàn)圖2。制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機(jī)等組成，通過(guò)壓縮機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)冷媒在蒸發(fā)器和冷凝器之間循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹閥實(shí)現(xiàn)乘員艙的溫度降低。文中通過(guò)冷凝器的參數(shù)設(shè)置來(lái)考慮其對(duì)前艙的熱量貢獻(xiàn)。加熱系統(tǒng)主要由PTC、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等組成。加熱系統(tǒng)一般在冬季環(huán)境溫度較低的情況下使用，不考慮此工況下的前機(jī)艙熱管理。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電池包冷卻系統(tǒng)

動(dòng)力電池的冷卻性能對(duì)電池效率、電池壽命和安全性有著直接的影響，其冷卻方式可分為自然冷卻、風(fēng)冷和液冷三種。風(fēng)冷分為自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)，冷卻介質(zhì)為空氣，空氣的流速與車速的關(guān)系是自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)的主要區(qū)別。液冷是指采用冷卻液在封閉管道內(nèi)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，換熱效率高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。自然冷卻是指電池系統(tǒng)通過(guò)布置滿足它在特殊工況下的溫度要求，并保證動(dòng)力電池一直具有較高的充放電效率。

一般情況下，動(dòng)力電池會(huì)有熱管理系統(tǒng)，以保證動(dòng)力電池在車輛使用較嚴(yán)格工況下，電池包的溫控指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)的要求。該小型純電動(dòng)汽車電池包的溫控指標(biāo)如下：電池溫度不大于55 ℃；電池間溫差溫度ΔT≤10 ℃。通過(guò)典型工況下的仿真分析，考慮環(huán)境溫度為38 ℃，最高時(shí)速120 km/h時(shí)，0.13倍慢充+NEDC工況下，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3(a)、3(b)。

由仿真結(jié)果可以看出：該車輛采用自然冷卻，在使用過(guò)程中動(dòng)力電池最高溫度不會(huì)超過(guò)55 ℃，且電池間的溫差小于10 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。考慮成本因素,文中的電池包采用自然冷卻，動(dòng)力電池系統(tǒng)對(duì)前艙熱量沒(méi)有貢獻(xiàn)。

圖3 工況結(jié)束時(shí)刻電池溫度云圖和電池溫度差

1.3 電驅(qū)冷卻系統(tǒng)

電驅(qū)冷卻系統(tǒng)是對(duì)充電配電一體機(jī)控制器、電機(jī)控制器、電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保證其始終在正常的溫度狀態(tài)下運(yùn)行，從而使整車獲得較高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。純電動(dòng)汽車采用水路串聯(lián)，冷卻水經(jīng)冷卻系統(tǒng)后流經(jīng)電機(jī)控制器，然后流入電機(jī)返回冷卻系統(tǒng)，形成水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。該車型采用水冷充電配電一體機(jī)控制器、水冷電機(jī)及水冷電機(jī)控制器。冷卻系統(tǒng)由散熱器、電子風(fēng)扇、電子水泵、膨脹水箱等部件組成，如圖4所示。文中是通過(guò)冷凝器的參數(shù)設(shè)置來(lái)考慮其對(duì)前艙的熱量貢獻(xiàn)。

圖4 電驅(qū)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 其他電器部件

前機(jī)艙因功能的需求還布置有大燈、蓄電池、保險(xiǎn)盒、線束等零部件，在車輛正常使用過(guò)程中都產(chǎn)生熱量，但是對(duì)前艙溫度的貢獻(xiàn)相對(duì)于電驅(qū)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)可以忽略不計(jì)。

2 前機(jī)艙熱管理仿真

機(jī)艙熱管理除了考慮各電子元器件功能及布置要求外，還需綜合考慮整個(gè)前艙的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)口，以及前艙的空氣流動(dòng)和溫度分布。這里借助有限元軟件進(jìn)行虛擬仿真，基于帶前機(jī)艙詳細(xì)結(jié)構(gòu)的整車三維數(shù)據(jù)開(kāi)展熱管理建模，分析典型工況下前機(jī)艙的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布情況。

2.1 前機(jī)艙熱管理仿真建模及參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件——STAR CCM+對(duì)整車流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。聯(lián)合使用HyperMesh和STAR CCM+前處理對(duì)整車和計(jì)算流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式采用多面體+棱柱體，入口邊界設(shè)置為45 km/h，環(huán)境溫度為40 ℃，流動(dòng)屬不可壓縮流體力學(xué)范疇，計(jì)算采用K-Epsilon湍流模型。建立的仿真模型如圖5(a)、5(b)和圖6所示。

圖5 前進(jìn)氣格柵和機(jī)艙內(nèi)模型

圖6 熱管理仿真計(jì)算域模型

進(jìn)行車速45 km/h、環(huán)境溫度40 ℃下的仿真分析，電驅(qū)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的熱量通過(guò)散熱器和冷凝器的參數(shù)設(shè)置來(lái)考慮，相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2。

表1 輸入輸出要求

表2 散熱器和冷凝器零部件參數(shù)設(shè)置

2.2 前機(jī)艙熱管理仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算，前機(jī)艙的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出：由于進(jìn)氣格柵位置較低，冷凝器及散熱器下部對(duì)流換熱充分，其下部溫度較低；機(jī)艙上部空間封閉，經(jīng)過(guò)充電配電一體機(jī)及控制器的高溫氣體存在回流；由于風(fēng)扇的抽吸作用，高溫氣體回流進(jìn)冷凝器及散熱器，降低了散熱效率；經(jīng)過(guò)冷卻模塊的高溫氣流，沖擊DCDC下部及電機(jī)，對(duì)零部件的工作環(huán)境有較大影響。

從圖8可以看出圖示區(qū)域有明顯回流，熱空氣聚集在前艙，導(dǎo)致前機(jī)艙內(nèi)壓力升高，外部冷空氣無(wú)法流入，冷凝器、散熱器無(wú)法正常散熱，直接影響乘員艙空調(diào)效果和電機(jī)電控等系統(tǒng)的正常工作，情況嚴(yán)重可導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)啟動(dòng)停機(jī)保護(hù)，影響車輛正常的工作狀態(tài)。

圖7 前機(jī)艙溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖8 前機(jī)艙流場(chǎng)分析結(jié)果

因前艙布置方案均已確定，布置方面的優(yōu)化方案會(huì)涉及模具的修改。且整車外造型基本確定，變更進(jìn)氣格柵等方案已不現(xiàn)實(shí)。主要通過(guò)增加引流和擾流裝置來(lái)改善前艙內(nèi)部的流場(chǎng)。建議的優(yōu)化方案如下：

(1)在冷凝器與前保下端下護(hù)板之間增加導(dǎo)流板，調(diào)小下護(hù)板圓弧曲率，適當(dāng)調(diào)整冷凝器散熱器上下位置，使散熱元件正迎風(fēng)面處于中央位置，散熱元件溫度均勻。

(2)底護(hù)板增加開(kāi)孔。

(3)機(jī)艙冷凝器及散熱器上部加擋風(fēng)海綿。

2.3 前機(jī)艙熱管理優(yōu)化結(jié)果分析

考慮結(jié)構(gòu)布置及卡扣固定，前艙的擾流板固定在前防撞梁上，擾流板優(yōu)化方案如圖9、圖10所示。

圖9 擾流板方案

圖10 擾流板布置方案

同時(shí)機(jī)艙底護(hù)板的優(yōu)化方案如圖11所示。

圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)的底護(hù)板方案

優(yōu)化后的機(jī)艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布結(jié)果分別如圖12、圖13

所示。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后前艙溫度和流場(chǎng)結(jié)果可以看出：前艙最高溫度從130.40 ℃降低至108.48 ℃，前艙最高流速?gòu)?9.29 m/s提高到21.06 m/s，前艙內(nèi)部回流也得到有效改善，優(yōu)化方案合理有效。

圖12 前艙溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖13 前艙熱場(chǎng)分析結(jié)果

優(yōu)化前后的壓縮機(jī)表面溫度對(duì)比如圖14、圖15所示。

圖14 優(yōu)化前壓縮機(jī)表面溫度 圖15 優(yōu)化后壓縮機(jī)表面溫度

表3 優(yōu)化前后進(jìn)氣量對(duì)比

通過(guò)圖12—圖15和表3可知：散熱與冷卻系統(tǒng)整體進(jìn)氣量提高26.7%；整體流場(chǎng)速度較之前有提高，流場(chǎng)更加順暢，湍流漩渦數(shù)量、湍流強(qiáng)度和高溫區(qū)域面積都有減少；壓縮機(jī)表面最高溫度較之前降低了2.7 ℃。

3 前機(jī)艙熱管理試驗(yàn)測(cè)試

將實(shí)車置于環(huán)境艙中開(kāi)展熱管理試驗(yàn)，并采用企業(yè)規(guī)范開(kāi)展相關(guān)測(cè)試工作。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖16所示。利用試驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬車輛實(shí)際使用中嚴(yán)苛的高溫環(huán)境，前置鼓風(fēng)機(jī)模擬車輛行駛中迎風(fēng)面氣流，轉(zhuǎn)轂臺(tái)架模擬高速工況、爬坡工況等，信號(hào)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)際過(guò)程中車輛內(nèi)各系統(tǒng)的溫升情況。

圖16 環(huán)境艙試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

前機(jī)艙熱管理信號(hào)采集主要包括零部件表面的傳感器布置測(cè)點(diǎn)和三電系統(tǒng)內(nèi)部信息采集，具體見(jiàn)圖17(a)、17(b)。溫度傳感器測(cè)得前艙主要部件的表面溫度以及進(jìn)出水管口溫度，整車CAN信號(hào)讀取電機(jī)溫度、電機(jī)控制器溫度、車速、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息。為了測(cè)得各零部件表面的最大溫度，前期傳感器布置測(cè)點(diǎn)位置利用手持式溫度傳感器和CFD仿真結(jié)果綜合確定。

擾流板樣件為3D打印技術(shù)快速成型。底部護(hù)板通過(guò)快速裁剪開(kāi)孔如圖18(a)所示，優(yōu)化方案裝車后如圖18(b)所示。

依據(jù)企業(yè)整車熱平衡試驗(yàn)規(guī)范，分別進(jìn)行高速和怠速工況數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0.5 ℃以內(nèi)波動(dòng)，則判定當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。讀取相關(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖17 前機(jī)艙熱管理信號(hào)采集方案

圖18 底部護(hù)板優(yōu)化方案和裝車實(shí)例

表4優(yōu)化前后傳感器測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)℃

方案工況ABS表面溫度風(fēng)扇電機(jī)表面溫度壓縮機(jī)周圍溫度保險(xiǎn)盒表面溫度風(fēng)扇后空氣溫度散熱器前空氣溫度減速器潤(rùn)滑油溫度真空助力器表面溫度冷凝器上下進(jìn)風(fēng)溫度優(yōu)化前高速41.84642.948.65247.679.443.837.3怠速5462.561.461.264.266.39654.550.5優(yōu)化后高速37.84442.642.350.245.668.839.936.1怠速52.56155.261.262.963.686.853.247.5

通過(guò)表4可知：施加優(yōu)化方案后，在相同工況條件下，前機(jī)艙平均溫度下降約3 ℃，優(yōu)化效果較明顯。

4 結(jié)論

以某小型純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，針對(duì)其前艙溫度過(guò)高問(wèn)題，通過(guò)仿真分析進(jìn)行問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，并結(jié)合仿真優(yōu)化方案，開(kāi)展實(shí)車的優(yōu)化驗(yàn)證。結(jié)果表明，3D樣件的擾流板方案和快速開(kāi)孔底護(hù)板方案能夠大大改善前機(jī)艙的熱量聚積，前機(jī)艙平均溫度下降約3 ℃，有效解決前艙溫度過(guò)高問(wèn)題。文中研究對(duì)電動(dòng)汽車前機(jī)艙熱管理研究提供了參考。