混合动力轿车后舱热分析

陈德玲

（上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

混合动力轿车后舱热分析

陈德玲

（上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

热管理影响混合动力电动轿车的性能、安全和寿命，热分析为热管理提高了基础和依据。根据后舱关键部件的热特性以及车用环境，采用有限元方法对一混合动力电动轿车后舱的温度场进行了分析计算。通过试验验证了仿真的正确性，为热管理系统集成和优化提供了依据。

混合动力电动轿车；热分析；有限元法

0 引言

混合动力电动汽车同时配备了以蓄电池为电源的电力驱动系统和发动机。电力驱动系统的电源电压一般在200～300V，一般由18～25个12V蓄电池串联而成［1］。混合动力轿车后舱内温度分布直接影响蓄电池及其附件的工作，过高的温度使正极板充电效率变差，加速正极板氧化，电池寿命缩短。为保证正常蓄电池工作温度范围及电池系统的统一，减少各电池单元之间的不平衡，需要一个有效的热管理系统。热管理的主要任务是根据关键部件的热特性以及车用环境，研究系统的流动与传热性能的静动态发展过程、规律，分析系统各响应之间的因果关系，研究部件子系统之间的影响机理和匹配原则［2］。而热分析则为热管理提供了基础和依据。

1 热分析概述

轿车后舱热分析的对象是一个复杂的流体与热系统相互作用的耦合场。传热过程中，热量的传播形式有3种：热传导、热对流和热辐射。轿车后舱中各部件与周围空气的热交换过程中，除用于做功的能量其余全部转化为热能，与周围的空气进行热交换，空气又通过对流，在空间中不同位置间进行热量交换。因此轿车后舱的热传递主要以热传导和热对流为主，忽略热辐射作用，则整个后舱系统在直角坐标系中满足热量平衡的微分方程［3］：

为使得上述热量平衡方程有确定的解，则必须给定的边界条件有

式中，ρ是材料密度；c是材料比热容；t是时间；kx,ky,kz是材料沿物体x，y，z方向的导热系数；Q=Q（x，y，z）是物体内部的热源密度；nx，ny，nz是边界外法线的方向余弦；φ=（Γ，t）是在Γ1边界上的给定 温度；q=q（Γ，t）是在Γ2边界上的给定热流密度；h是对流换热系数；φa=（Γ,t），对于Γ3边界，在自然对流条件下，φa是外界环境温度，在强迫对流条件下，是边界层的绝热壁温度。Γ1，Γ2，Γ3分别为第一、第二、第三类边界条件，Γ1+Γ2+Γ3=Γ，Γ则构成整个系统的全部边界。

热分析的研究方法主要有数值仿真和试验方法。仿真分析中根据系统的原型和假设条件，建立各零部件和总成的流动与传热分析模型，依据车用工况及相关物理参数，对模型进行数值计算。由于系统的形状以及变温条件的复杂性，依靠传统的解析方法要精确地确定温度场往往不可能，有限元是解决上述问题方便而有效的工具。该混合动力电动轿车热分析中，采用ANSYS/FLOTRAN CFD作为工具，对后舱的温度分布进行数值计算。

2 热管理仿真分析

按照典型ANSYS/FLOTRAN CFD分析过程对该混合动力电动轿车进行有限元仿真分析。

2.1 确定分析边界

将后舱中的空气作为热分析的研究对象。后舱的车身形状确定了分析的区域，不考虑车身自身的热传递情况，将车身的外表面作为车用工况，在边界条件中体现。后舱中主要分总成是蓄电池总成，包括电池箱本体、蓄电池风道、控制器等，如图1所示。建模过程中，对车身模型进行简化，确定热分析区域。

图1 简化前后舱数模

2.2 确定流体的状态

进行有限元计算前需要估计流体的特征，包括流体性质、几何边界及流场的速度幅值的函数［4］。通过计算，后舱中雷诺系数Re＞104，且马赫数小于0.3，故后舱的流体可认为是紊流不可压缩流体，空气密度在流动过程中保持不变。

环境温度是流场的初始温度，也是影响流体状态的重要因素。计算过程中，根据实际试验的温度，假设各部件及周围空气的初始温度是一致的，且各部件周围的空气为国际单位制下一个标准大气压。

2.3 生成有限元网格

划分有限元网格必须先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，如紊流模型靠近壁面的区域，网格密度必须较密，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响。分析中，模型的边界较为复杂，采用自由网格划分，在靠近蓄电池的区域进行局部加密。

2.4 施加边界条件

为进行有限元计算，必须在模型上施加必要的边界条件。模型边界条件的确定，必须在充分分析各总成热特性的基础上进行一定的简化，建立传热模型。

2.4.1 蓄电池传热

蓄电池性能和寿命在很大程度上决定了混合动力电动汽车的性能和寿命。电池充放电过程中，存在电化学反应放热、电流通过内阻产生焦耳热以及过度充电产热等［4］。

蓄电池放电特性通常可表示为［5］

式中，U0为蓄电池的开路端电压；Ub为蓄电池放电时的端电压；Ib为蓄电池放电电流；Ri为蓄电池的内阻。

蓄电池放电时的输出功率为

蓄电池的效率为

蓄电池能输出的最大功率为

则蓄电池的最大生热功率为

根据计算可得蓄电池在工作过程中对外界施加的热流密度:

2.4.2 控制器传热

控制器由大量的电子元件组成。电子设备在工作过程中所消耗的电能，大部分转化成热量散发，同时电子设备内部温度迅速上升，若不及时散发，则可能导致器件过热失效。考虑到热交换过程中，存在各部件间摩擦和空气阻力等因素，一部分能量转化为热能，一部分热量由各部件吸收，能量转化为热能的效率为90%，从而可根据其散热特性获得控制器的热流密度。

2.5 求解

根据流场模型的特点，激活紊流模型和求解温度方程选项，进行求解计算。求解过程中，通过观察速度、压力、温度、动能和动能耗散率等紊流量以及有效粘性的变化率，监视求解的收敛性及稳定性。

2.6 检查结果

由该混合动力电动轿车后舱有限元模型，计算得后舱温度分布如图2所示：

图2a为从整个后舱的温度分布云图。图中，蓄电池与控制器的结合部局部温度较高，在蓄电池箱与控制器的左侧交界处，由于电池箱散热条件不好，最高温度为46.818℃，蓄电池其余表面温度分布基本一致，最高为38℃。

图2b为从中间纵轴位置剖开的后舱温度分布图，图中蓄电池表面温度分布基本均匀，最高温度在42℃左右，能够满足蓄电池的正常工作温度。但当蓄电池电流过大时，在蓄电池箱与控制器的交界处，由于散热条件不好，产生热量积聚，可能导致更高的温度。由于蓄电池的工作范围是-18℃～55℃，在这种非正常的工作情况下，未必能够满足蓄电池的正常工作温度范围。因此，建议在该处采取强化传热的措施。通过减小对流传热热阻，设置扰动源，在对流传热热阻大的一侧加装肋片，或增加散热孔等，减小热阻，进行对流换热强化，增强散热效果。

图2 后舱温度分布云图

3 实车试验结果与仿真分析比较

热分析的另外一种方法是实车试验。对该车进行试验，测得4组温度数据见表1。

表1 温度检测记录 ℃

通过比较可以看出，实车试验结果与有限元仿真分析的数值基本一致，验证了有限元模型的正确性，也说明该车的热管理系统能够满足整车及零部件的正常工作要求，但在蓄电池箱与控制器的交界处需要进行强化传热。

4 结论

通过对该混合动力电动轿车热管理的仿真分析可以得到如下结论：

1）文中所作热分析仿真结果与实车试验结果基本一致；2）该车后舱内温度在正常情况下能够满足零部件工作温度范围要求；3）在非正常工况下可能导致更高的温度，未必能够满足蓄电池的正常工作温度范围，建议在蓄电池箱与控制器交界处增加散热孔进行强化传热。

［1］麻友良，陈全世.混合动力电动汽车用蓄电池不一致的影响分析［J］.汽车电器，2001（2）：5-9.

［2］张扬军，李希浩，黄海燕，卢青春.燃料电池汽车动力系统热管理［J］.汽车工程，2003,25（6）：561-565.

［3］陶文铨.数值传热学［M.］西安：西安交通大学出版社，2001.

［4］赵东梅，谷中丽，王义春.电传动车辆冷却系统优化设计［J］.车用发动机，2003（2）:16-19.

［5］赵兴福，王仲范，邓亚东，魏健.电动汽车蓄电池建模仿真［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2004,26（1）：151-154.

Thermal Analysis of the Back-cabin for Hybrid Electric Vehicle

Chen Deling
（Commercial Vehicle Technical Center,SAIC Motor，Shanghai 200438,China）

Thermal management affects the performance,safety and life of hybrid electric vehicles, while thermal analysis provides the foundation and gist for thermal management.The thermal analysis was carried out according to characters of key components in back-cabin with FEM.The analysis was verified by test results,and it provides the gist of design，integration and optimization for thermal management systems.

Hybrid Electric Vehicle（HEV）;thermal analysis;finite element method（FEM）

U469.72

A

1008-5483（2011）02-0001-03

2011-04-27

陈德玲（1976-），女，江苏南通人，博士，从事CAE及车辆系统动力学分析与控制研究。