某小型純電動汽車前機艙熱管理分析與優(yōu)化

王元林，劉小華，楊凡，張桂連

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 引言

隨著國家對排放和新能源積分的要求，以及國家補貼政策的引導(dǎo)，純電動汽車成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域研究的熱點。因其動力源由電機取代傳統(tǒng)發(fā)動機，前艙布置相對較寬松，且電機散熱沒有發(fā)動機多，機艙溫度場設(shè)計風(fēng)險相對較小。小型純電動汽車由于其車型較小，前機艙布置緊湊且電子元器件較多，機艙的溫度過高對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，使得小型純電動汽車的機艙熱管理問題突出。同時，考慮降低風(fēng)阻提高整車?yán)m(xù)航里程，封閉式主進氣格柵成為純電動汽車區(qū)別傳統(tǒng)燃油車的重要標(biāo)志，這也大大增加了前機艙熱管理的難度。目前關(guān)于電動汽車熱管理的文獻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汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行設(shè)計分析與驗證[1]，長安汽車孫佳等人針對電池包的不同熱管理方式開展了對比研究，北京理工大學(xué)學(xué)者們針對電動汽車電池的高低溫控制系統(tǒng)開展研究[2-5]，均取得不錯的研究效果。針對機艙的熱管理，主要有湖大艾盛王寧潔等通過數(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仿真研究冷卻模塊的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]，未從前艙熱量根本來源進行分析，僅開展仿真分析與仿真驗證，也未通過試驗測試對比優(yōu)化前后的方案效果。因此，針對電動車前機艙溫度過高問題，通過前機艙熱量來源分析，同時結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和實車優(yōu)化方案驗證，為解決實車前艙熱管理問題提供借鑒和參考。

1 純電動汽車前機艙熱源分析

某小型純電動汽車的前艙布置如圖1所示。

圖1 某小型純電動前機艙布置

根據(jù)小型純電動汽車的結(jié)構(gòu)特點和車輛實際情況，將前機艙熱源分成4個部分來進行剖析，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部分，詳細見圖2。制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機等組成，通過壓縮機運行帶動冷媒在蒸發(fā)器和冷凝器之間循環(huán)流動，通過調(diào)節(jié)膨脹閥實現(xiàn)乘員艙的溫度降低。文中通過冷凝器的參數(shù)設(shè)置來考慮其對前艙的熱量貢獻。加熱系統(tǒng)主要由PTC、鼓風(fēng)機、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)

動力電池的冷卻性能對電池效率、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)通過布置滿足它在特殊工況下的溫度要求，并保證動力電池一直具有較高的充放電效率。

一般情況下，動力電池會有熱管理系統(tǒng)，以保證動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)計的要求。該小型純電動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 ℃。通過典型工況下的仿真分析，考慮環(huán)境溫度為38 ℃，最高時速120 km/h時，0.13倍慢充+NEDC工況下，計算結(jié)果見圖3(a)、3(b)。

由仿真結(jié)果可以看出：該車輛采用自然冷卻，在使用過程中動力電池最高溫度不會超過55 ℃，且電池間的溫差小于10 ℃，符合設(shè)計要求?？紤]成本因素,文中的電池包采用自然冷卻，動力電池系統(tǒng)對前艙熱量沒有貢獻。

圖3 工況結(jié)束時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)是對充電配電一體機控制器、電機控制器、電機進行強制冷卻，保證其始終在正常的溫度狀態(tài)下運行，從而使整車獲得較高的動力性、經(jīng)濟性及可靠性。純電動汽車采用水路串聯(lián)，冷卻水經(jīng)冷卻系統(tǒng)后流經(jīng)電機控制器，然后流入電機返回冷卻系統(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控制器、水冷電機及水冷電機控制器。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。文中是通過冷凝器的參數(shù)設(shè)置來考慮其對前艙的熱量貢獻。

圖4 電驅(qū)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 其他電器部件

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

2 前機艙熱管理仿真

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

2.1 前機艙熱管理仿真建模及參數(shù)設(shè)置

運用計算流體動力學(xué)軟件——STAR CCM+對整車流場進行計算分析。聯(lián)合使用HyperMesh和STAR CCM+前處理對整車和計算流體域進行網(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 ℃，流動屬不可壓縮流體力學(xué)范疇，計算采用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 前進氣格柵和機艙內(nèi)模型

圖6 熱管理仿真計算域模型

進行車速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)的熱量通過散熱器和冷凝器的參數(shù)設(shè)置來考慮，相關(guān)參數(shù)取值見表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 前機艙熱管理仿真結(jié)果分析

通過仿真計算，前機艙的溫度場和流場分布結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出：由于進氣格柵位置較低，冷凝器及散熱器下部對流換熱充分，其下部溫度較低；機艙上部空間封閉，經(jīng)過充電配電一體機及控制器的高溫氣體存在回流；由于風(fēng)扇的抽吸作用，高溫氣體回流進冷凝器及散熱器，降低了散熱效率；經(jīng)過冷卻模塊的高溫氣流，沖擊DCDC下部及電機，對零部件的工作環(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)致前機艙內(nèi)壓力升高，外部冷空氣無法流入，冷凝器、散熱器無法正常散熱，直接影響乘員艙空調(diào)效果和電機電控等系統(tǒng)的正常工作，情況嚴(yán)重可導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)啟動停機保護，影響車輛正常的工作狀態(tài)。

圖7 前機艙溫度場分析結(jié)果

圖8 前機艙流場分析結(jié)果

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

(1)在冷凝器與前保下端下護板之間增加導(dǎo)流板，調(diào)小下護板圓弧曲率，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)底護板增加開孔。

(3)機艙冷凝器及散熱器上部加擋風(fēng)海綿。

2.3 前機艙熱管理優(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

同時機艙底護板的優(yōu)化方案如圖11所示。

圖11 優(yōu)化設(shè)計的底護板方案

優(yōu)化后的機艙流場和溫度場的分布結(jié)果分別如圖12、圖13

所示。通過對比優(yōu)化前后前艙溫度和流場結(jié)果可以看出：前艙最高溫度從130.40 ℃降低至108.48 ℃，前艙最高流速從19.29 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 前艙溫度場分析結(jié)果

圖13 前艙熱場分析結(jié)果

優(yōu)化前后的壓縮機表面溫度對比如圖14、圖15所示。

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

表3 優(yōu)化前后進氣量對比

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

3 前機艙熱管理試驗測試

將實車置于環(huán)境艙中開展熱管理試驗，并采用企業(yè)規(guī)范開展相關(guān)測試工作。試驗現(xiàn)場如圖16所示。利用試驗室溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬車輛實際使用中嚴(yán)苛的高溫環(huán)境，前置鼓風(fēng)機模擬車輛行駛中迎風(fēng)面氣流，轉(zhuǎn)轂臺架模擬高速工況、爬坡工況等，信號采集系統(tǒng)監(jiān)測實際過程中車輛內(nèi)各系統(tǒng)的溫升情況。

圖16 環(huán)境艙試驗現(xiàn)場

前機艙熱管理信號采集主要包括零部件表面的傳感器布置測點和三電系統(tǒng)內(nèi)部信息采集，具體見圖17(a)、17(b)。溫度傳感器測得前艙主要部件的表面溫度以及進出水管口溫度，整車CAN信號讀取電機溫度、電機控制器溫度、車速、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息。為了測得各零部件表面的最大溫度，前期傳感器布置測點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。底部護板通過快速裁剪開孔如圖18(a)所示，優(yōu)化方案裝車后如圖18(b)所示。

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

圖17 前機艙熱管理信號采集方案

圖18 底部護板優(yōu)化方案和裝車實例

表4優(yōu)化前后傳感器測點溫度數(shù)據(jù)℃

方案工況ABS表面溫度風(fēng)扇電機表面溫度壓縮機周圍溫度保險盒表面溫度風(fēng)扇后空氣溫度散熱器前空氣溫度減速器潤滑油溫度真空助力器表面溫度冷凝器上下進風(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

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

4 結(jié)論

以某小型純電動汽車為研究對象，針對其前艙溫度過高問題，通過仿真分析進行問題復(fù)現(xiàn)，并結(jié)合仿真優(yōu)化方案，開展實車的優(yōu)化驗證。結(jié)果表明，3D樣件的擾流板方案和快速開孔底護板方案能夠大大改善前機艙的熱量聚積，前機艙平均溫度下降約3 ℃，有效解決前艙溫度過高問題。文中研究對電動汽車前機艙熱管理研究提供了參考。