某电动车动力系统热性能匹配

赖征海，张鹏飞，刘殿科

某电动车动力系统热性能匹配

赖征海，张鹏飞，刘殿科

（华晨汽车工程研究院性能集成处，辽宁 沈阳 110141）

在电动车开发过程中，对动力系统热性能匹配时，需要对冷却系统性能进行仿真评估、验证，减少研发周期与开发成本。文章使用三维与一维联合仿真的方式，通过对前格栅进气量进行三维仿真，结合一维仿真结果进行优化，将冷却系统仿真分析结果与热平衡试验结果进行对标，进而提升冷却系统性能。

进气量；冷却系统；三维/一维仿真

前言

随着国家新能源政策与法规的出台，新能源汽车保有量增加，新能源车辆成为各大汽车厂家追逐的目标。这使得续航里程成为大众关注的焦点，能量的合理利用成为重中之重，热管理系统便是其中不可或缺的重要部分。

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汽车设计中的一项重要手段[1,2]。

本文研究电动车热源不包括动力电池系统，重点考虑动力系统的散热。电机作为动力源代替传统车辆发动机提供动力，电机控制器将电池中的高压电能输送至电机，充电机OBC、变换器DC/DC可以将外部电源的能量储存进动力电池，同时又可以将电池中的高压电转换为低压电供整车低压用电设备使用。

车辆行驶过程中，随着能量的转换、运输，会有能量因损失转换为热量。其中，电机功率部分因机械损失转化为热量、DC/DC工作中产生热量、电机控制器效率损失产生热量、能量回收过程中电机与电机控制器更会释放大量的热。多种热量堆积过多会引起部件温度升高，会导致部件工作效率降低、使用寿命缩减。因此，一套合格的冷却系统可以将部件的温度控制在设计范围内，实现节能。

冷却系统的热量交换主要依靠散热器。散热效率直接影响到系统的工作效率[4]。散热器本身是一个热冷却液与冷却空气热量交换的热交换器[3]。因此，散热器芯体进气量与本身的特性决定了整个冷却系统的温度。本文针对散热器选型后，通过三维、一维联合仿真的方式优化进气量，并对冷却系统进行对标。

1 进气量初步评估

1.1 进气量仿真计算

基于某电动车动力系统性能进行匹配，为满足动力系统的冷却性能，同时降低风阻，前端格栅造型设计成两部分，上格栅使用全封闭式，下格栅采用常规开口造型。

应用Star-CCM+软件将整车网格模型导入，设置计算域。对散热器、冷凝器的进气量进行CFD计算，计算工况按热平衡试验标准设置，工况及进气量计算结果如下：

1）50kph+9%：冷凝器0.464，散热器0.472；

2）100kph+5%：冷凝器0.764，散热器0.657；

3）12kph+0%：冷凝器0.895，散热器0.753。

1.2 冷却系统仿真计算

基于几何数模，测量相关参数，绘制冷却系统原理图，如图1。

图1 冷却系统原理图

按冷却原理图搭建整车冷却系统模型，设置相关性能参数，将计算进气量分别输入对应的热平衡工况。仿真时间3000s，步长0.1s，分别提取电机水温进行对比，结果如表1：

表1 冷却系统仿真结果

当前进风量上格栅完全封闭时，50kph+9%、120kph+0%工况，电机水温超过目标要求，存在热害问题，100kph+5%工况水温处于边界水温处在目标值边缘，存在风险，需要优化进气量。

2 进气量优化

2.1 进气量仿真计算

表2 进气量仿真结果对比

优化方向主要是增加上格栅开口面积，结合风阻考虑，给出以下三款造型方案，分别为圆形开孔、长条形开孔、六角形开孔。对三个方案在120kph工况下进行进气量仿真并与原方案上格栅前封闭做对比，结果见表2。

方案3的CFD仿真如图2，从图中可以看出，气流通过上格栅开口增强了散热器散热能力，结合三个方案仿真结果，方案3效果最优，散热器进风量较全封闭状态提升12.5%，冷凝器较全封闭状态提升11.1%，使用当前结果进行下一步仿真。

图2 方案3进气量仿真

2.2 冷却系统仿真计算

使用优化方案3进行热平衡工况冷却系统一维仿真，结果见表3：

表3 冷却系统仿真结果

对比仿真结果，方案3优化进风量后，电机电控冷却系统水温满足目标值要求，相比较原方案有较大提升。

3 试验验证

3.1 试验条件设置

在整车开发过程中，热平衡试验是验证整车冷却性能与热保护地重要方法，本文对标电动车热平衡试验。试验工况与条件如下：

1）低速爬坡：车速50kph、坡度9%、环境温度38℃、空调最高档位外循环；

2）高速爬坡：车速100kph、坡度5%、环境温度38℃、空调最高档位外循环；

3）高速工况：车速120kph、坡度0%、环境温度45℃、空调最高档位外循环。

3.2 试验结果

在环境模拟实验室中进行热平衡试验，设置表5地试验条件，进行热平衡试验，采集水温信号，试验结果见表4。

表4 试验结果

根据试验结果，当前冷却系统温度满足设计散热要求，方案3格栅时的进风量满足冷却系统需求。

4 结论

使用三维与一维联合仿真的方式，对散热器模块进气量进行三维仿真，同时结合一维冷却系统仿真结果进行优化，最后将优化分析结果与热平衡试验进行对标，证明了仿真模型的可靠性与开发流程的可行性，提高了冷却系统性能，完成电动车动力系统性能匹配。

[1] Christoph Stroh.Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Desig -ning a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D[J].Simulation. SAE,2006(1).

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

[3] 陈家瑞.汽车构造.第3版[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4] 马虎根,李美玲.汽车散热器传热及阻力特性的预测方法[J].内燃机工程,2002,23(1):33-36.

The thermal performance of an electric vehicle power system is matched

Lai Zhenghai, Zhang Pengfei, Liu Dianke

( Brilliance Auto R&D Center (BRAC), Liaoning Shenyang 110141 )

In the development of electric vehicles, when the thermal performance of the power system is matched, the performance of the cooling system needs to be simulated, evaluated and verified to reduce the R&D cycle and development cost. In this paper, the method of 3D and 1D joint simulation is used to conduct 3D simulation of the air intake of the front grille. Combined with 1D simulation results, optimization is conducted to compare the simulation analysis results of the cooling system with the heat balance test results, so as to improve the performance of the cooling system.

Air intake;Cooling system;3D/1D simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.006

U467

A

1671-7988(2021)06-18-03

U467

A

1671-7988(2021)06-18-03

赖征海，就职于华晨汽车工程研究院性能集成处。