某插电式混合动力轿车热管理仿真分析与优化设计

裴建权 陈群 张志强

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130000）

某插电式混合动力轿车热管理仿真分析与优化设计

裴建权 陈群 张志强

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130000）

利用Star-CCM+软件和Flowmaster软件，建立了某款插电式混合动力轿车（PHEV）热管理仿真模型，对该车发动机舱进行了CFD分析和冷却系统一维模拟分析。根据仿真结果，针对机舱前端进气泄漏严重、热反流、低温冷却系统冷却水温较高、低温电子部件冷却不足等问题，提出优化冷却模块布置及改善机舱进气密封性等优化措施，该优化方案满足了冷却设计要求。

1 前言

插电式混合动力汽车（PHEV）因具有良好的节能减排效果而越来越受到各大汽车厂商的高度重视。与传统车相比，混合动力汽车由于增加了电动部件，其冷却系统更为复杂，这就对自身热管理提出了更高要求。事实上，随着近年来计算机技术的飞速发展，利用仿真方法进行热管理系统开发已成为混合动力汽车设计中的一项重要手段[1，2]。

本文应用Star-CCM+软件和Flowmaster软件，针对某款新开发的插电式混合动力轿车建立了热管理仿真模型，对该车发动机舱和冷却系统进行仿真分析，并针对发动机舱布置和冷却系统设计存在的问题提出了优化措施，优化方案满足了冷却设计需求，为整车热管理开发提供了技术支持。

2 仿真模型建立

2.1 数学模型

2.1.1 发动机舱流场计算数学模型

利用Star-CCM+软件建立发动机舱内气体流动仿真模型，通过求解连续性方程、动量方程及能量方程获得机舱内部气体流动及温升情况，湍流流动使用标准K-Epslion模型。由于发动机舱内气体流速远低于1/3音速,也就是空气流速低于408 km/h，空气按照不可压缩气体来处理[3]。

2.1.2 冷却系统计算数学模型

利用Flowmaster软件建立冷却系统仿真模型，一维分析中主要的换热模型[4]为：

式中，Q为换热器的交换热量；c为比热容；m为质量流量；Tin为换热器入口流体温度；Tout为换热器出口流体温度；1代表换热器内部流体；2代表空气侧流体。

2.2 仿真几何模型

2.2.1 发动机舱数值仿真模型

该款混合动力轿车发动机舱计算域三维模型如图1所示。将整车放置于虚拟的环境风洞中，车头前端空间取车长的3倍，车尾后端空间取车长的6倍，车顶上部空间取车高的5倍，车体侧面空间取车宽的5倍。

图1 发动机舱计算域三维模型

利用Star-CCM+软件进行模型处理和网格划分，整个计算域用trim生成体网格，网格总数为1 800万，并根据计算需要对关键区域进行网格加密处理，如图2所示。

图2 发动机舱中截面网格示意

2.2.2 一维冷却系统仿真模型

对于混合动力汽车，由于其新增电子部件对冷却水温要求较低，因此混合动力汽车一般有高/低温两套冷却回路系统。本文所研究的混合动力轿车的高/低温冷却回路系统功能为：高温冷却回路对发动机、变速器、暖风等高温部件进行冷却；低温冷却回路针对逆变器（IPU）、电机、中冷器等低温部件进行冷却。

利用Flowmaster软件搭建整车冷却系统仿真模型。各冷却部件阻力参数及换热特性根据厂商台架试验数据得到。根据冷却系统内各部件之间的连接关系分别搭建高/低温冷却回路系统模型，如图3所示。

2.3 计算边界

整车热管理仿真分析工况为整车热平衡工况，车辆按照低速爬坡（40 km/h）、高速爬坡(90 km/h)及无坡高速（140 km/h）工况进行仿真分析。仿真过程分为两个阶段，首先进行三维发动机舱流场分析，最后进行一维冷却系统冷却分析，其中风侧计算边界由三维发动机舱流场分析得出。

图3 冷却系统一维计算模型

2.3.1 发动机舱CFD分析边界

a.发动机舱仿真风洞入口采用速度入口，出口采用压力出口。

b.换热器冷却模块采用多孔介质，其中惯性阻尼和粘性阻尼通过试验数据拟合得出；换热器散热量由各相关部门提供；风扇采用MRF模型处理，风扇转速设定为其最高转速；车轮采用旋转壁面处理，其旋转角速度由车速换算得出。

2.3.2 冷却系统计算边界

a.冷却系统各部件流阻特性根据厂商试验获得，发热量由各相关部门提供；

b.水泵泵水特性及散热器换热特性根据厂商试验获得；

c. 散热器风侧边界由三维发动机舱CFD计算得出。

3 仿真结果分析

本文对该款插电式混合动力轿车进行发动机舱和冷却系统仿真，分析发动机舱内气体流动及冷却系统冷却状况。

3.1 发动机舱流场仿真结果

图4为发动机舱流场仿真结果。从图4a可看出，冷却气流在散热器两侧水室与冷却框架之间的间隙处存在明显的回流现象，这部分热反流气体往复冷却换热器，降低了换热器换热效率。由图4b可看出，经格栅进来的冷却气流在冷却模块前端两侧发生大量泄漏，且这种泄漏问题随整车车速提升进一步加大，如图4c所示。

图4 发动机舱流场分析结果

表1为各工况下冷却回路高/低温散热器入口风量和风温统计结果。由表1可知，低温散热器进风风温较高，接近50℃，这可能导致低温回路中电子部件有过热风险。低温散热器进风温度高是由于机舱前端进气泄漏使散热器冷却风量降低而导致，后续需进行密封优化。

表1 各工况下散热器入口风量和风温统计结果

3.2 冷却系统仿真结果

将散热器入口边界条件输入一维计算模型，得出冷却系统仿真结果，如表2所列。由表2可知，低温冷却回路整体冷却水温较高，其中IPU和电机在部分工况下冷却水温超出目标限值，需要优化低温冷却回路。高温冷却回路DCT油温较高，但可稳定在许用温度限值之内，初步分析可以接受。

表2 冷却系统仿真结果 ℃

4 优化方案

原车型由于低温散热器布置在冷凝器后端，空气先经过冷凝器加热再经过散热器，这就不可避免地导致低温散热器入口风温较高，从而升高了低温散热器水路出水温度，不能满足低温回路中低温电子部件的冷却要求。根据混合动力汽车冷却需求提出改进方案，即在保证空调性能的前提下，采取在冷凝器前方增加小型低温散热器的措施，用于满足对水温要求高的低温电子部件的冷却，而原低温散热器仅用于单独冷却中冷器，高温冷却方案维持不变。前端冷却模块优化后布置方案见图5。

图5 前端冷却模块布置优化

针对前述分析中出现的发动机舱前端存在进气泄漏及反流问题，通过优化发动机舱前端导流板设计来减少前端进气泄漏，同时在散热器四周增设密封件避免反流发生，优化方案如图6所示。

图6 散热器与冷却框架间隙密封位置

5 优化结果分析

5.1 优化后发动机舱流场分析

优化后发动机舱流场仿真结果如图7所示。

图7 优化后发动机舱流场分析结果

由图7可看出，采取优化方案后，消除了低速工况热反流问题，减少了机舱前端两侧的进气泄漏。得益于此，高温散热器进气效率提高，进风量增加，换热能力提高，图8为优化前、后高温散热器进风量及进气效率对比结果。

图8 优化前、后高温散热器进风情况对比结果

5.2 优化后冷却系统分析

表3为采取优化方案后冷却系统仿真结果。由表3可知，通过增加小低温散热器，改善了低温电子部件冷却风侧条件，整个低温回路冷却水温明显降低，IPU和电机处入水温度降低25%，均能够平衡在温度限值以下，保证了低温电子部件的可靠性要求。对于高温回路，增加小型低温散热器后，虽然一定程度增加了发动机舱内部进气阻力，但通过合理密封措施，高温散热器进气效率提高20%，进风量整体提升15%，发动机水路出口出水温度和DCT油温略有降低，冷却能力提高。

表3 优化后冷却系统仿真结果

6 结束语

采用发动机舱CFD分析和冷却系统一维模拟分析方法，建立了某款新开发插电式混合动力轿车热管理仿真模型，对该车发动机舱和冷却系统状况进行了分析评估，并针对存在的问题提出了优化方案。通过增加小型低温散热器改善低温电子部件冷却风侧条件，通过对发动机舱进气密封减少了冷却气体泄漏并消除热反流。优化后，高温散热器进风量整体提升15%，进气效率提升20%，低温部件IPU和电机水路入水温度降低25%，满足了冷却系统设计要求。

1 Christoph Stroh,Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Designing a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D Simulation.SAE,2006(1).

2 Norihiko Watanabe,Masahiko Kubo.An 1D-3D Integrating Numerical Simulation for Engine Cooing Problem.SAE,2006(1).

3 扶原放.轿车外流场的数值模拟：[学位论文].长春：吉林大学，2002.

4 张俊岩，陈月，孙玉，等.SUV车型发动机舱流场及冷却系统性能分析.拖拉机与农用运输车，2015(3):46～49.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2017年3月9日。

Thermal Management Simulation Analysis and Optimization Design of APHEV

Pei Jianquan,Chen Qun,Zhang Zhiqiang
（China FAW Group Corporation Limited R&D Center）

Thermal management simulation analysis model of a Plug-in Hybrid Electric Vehicle（PHEV）based on Star-CCM+and Flowmaster was established,engine compartment air flow CFD analysis was conducted and one dimensional simulation and analysis of cooling system were carried out.Such as the intake air leaks seriously at the front end of the cabin,thermal reflux,low-temperature cooling system cooling water temperature is high,and insufficient cooling of low-temperature electronic components.To solve problems,measures such as optimizing cooling module layout,improving air intake tightness of engine compartment were put forward based on simulation results.This optimization satisfies the cooling requirements of the design.

PHEV,Thermal management,Simulation analysis

PHEV 热管理 模拟分析

U462.2 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）10-0040-04