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某车型热管理系统匹配分析研究
2020-06-30 23:54:37· 来源：《 某车型热管理系统匹配分析研究》 作者：海马汽车股份有限公司
前言本文提出一种整车热管理系统精确匹配方法，应用于车型开发过程中系统的精确匹配分析。本文方法结合一维解析软件Flowmaster和CFD软件STAR-CCM+，以散热器进风
前言
本文提出一种整车热管理系统精确匹配方法，应用于车型开发过程中系统的精确匹配分析。本文方法结合一维解析软件Flowmaster和CFD软件STAR-CCM+，以散热器进风温度、散热器进风量、发动机散热需求、电子风扇性能、散热器冷却液流量参数为依据进行匹配，解析得到精确的匹配结果，实现精确匹配。相较依据发动机额定功率通过经验公式粗略估算匹配的方法，此方法解决了匹配过程中性能严重过剩的问题。
1 整车热管理系统分析计算
1.1 发动机散热需求分析计算
整车热管理系统模型基于整车热平衡工况的稳态模型建立，在特定工况下发动机做功产生的能量流动处于平衡状态。能量流动主要方向分为发动机输出功率、发动机本体释放至外界的热量、冷却液吸收的热量、排出废气带走的能量等。其中冷却液吸收热量为系统匹配直接相关参数，此参数通过发动机热平衡台架试验获得。发动机台架试验条件中扭矩和转速根据发动机所匹配车型的热平衡工况分析获得，散热器冷却液流量依据水泵等相关零部件的水力特性匹配分析获得，冷却液最小循环流量需满足缸体水套温度场的要求。
整车热平衡工况依据按照匹配车型工作极限条件设定，整车热平衡工况边界条件确定了发动机散热性能需求。各工况定义如表1所示：
1.1.1 发动机输出扭矩解析
发动机转速、扭矩为台架热平衡试验直接相关边界条件，转速、扭矩由整车设定工作条件下的行驶阻力决定。行驶阻力由滚动阻力和风阻两部分构成，滚动阻力与整车重量、路面状况、坡度相关，风阻与车辆风阻系数、迎风面积和车速相关。路面状况符合GB12534标准要求路面。
在设定工况下，滚动阻力与车辆坡道、车速相关，风阻与车速相关，高速工况发动机扭矩达到最大值。爬坡工况以坡道滚动阻力为主要影响因素，高速工况以风阻为主。代入相关参数，求解方程得到发动机在各工况下输出扭矩。求解结果与对应工况的空调压缩机需求扭矩之和为发动机实车输出扭矩，如表2所示。
1.1.2 发动机散热需求解析
根据发动机热平衡试验测得发动机在不同转速、不同扭矩下的散热量数据生成散热性能需求MAP。依据发动扭矩和发动机转速，从MAP中得到精确的发动机散热需求。
发动机本体散热通道为与测试环境空气自然对流传热和与测试环境辐射传热。发动机测试环境空气温度20℃，墙壁温度20℃。在整车工况下发动机与机舱周边温度相近传热温差小，传热量可忽略。发动机在台架测试中本体散热量比实车状态散热量大，此热量差值在整车工况下转移至散热器，通过散热器传递到流通空气中。
发动机表面积约1.369m2，根据经验值自然对流传热系数取11W/(m2·K)，自然对流传热量约805W。热辐射传热过程传热简化为发动机与测试环境墙壁两个表面组成的封闭腔的辐射传热，发动机本体表面发射系数取0.82，墙壁表面发射率0.92，估算辐射传热量约774W。
在测试获得的散热需求MAP值增加1.579kW为实车发动机散热需求，如表2所示。
1.2 热管理系统边界条件及计算解析
热管理系统边界条件由液侧边界条件和空气侧边界条件组成。液侧边界条件直接相关参数为冷却液流量、冷却液温度。空气侧边界条件直接相关参数为空气侧的空气流量、空气温度。
1.2.1 液侧边界条件解析
液侧循环系统由发动机水泵、发动机水套、机油冷却器、增压器冷却水道、节温器、变速箱油冷却器、散热器、暖风芯体和相关管道构成，其水力特性分别如图2、图3所示。
液侧边界条件直接相关参数为冷却液流量、冷却液温度。冷却液流量根据发动机的水泵水力特性MAP、相关零部件的水力特性参数解析获得。解析过程中把相关元器件水力特性参数转化为软件可以利用格式，借助工具一维解析软件Flowmaster获取解析结果。
依据各零部件水力特性建立冷却液侧流动阻力模型，通过一维解析软件Flowmaster中对模型进行求解获得散热器在各工况下精确冷却液流量。根据各工况下水泵转速计算对应工况液侧流量分布如表3所示。
1.2.2 空气侧边界条件解析
散热器空气侧边界条件受前端模块布置、前格栅开孔、发动机布置方式以及机舱布置影响。在前期开发阶段主要考虑影响因素为前格栅、前端模块布置以及机舱背压。解析过程中按照25%开孔率设定前格栅，基于CFD分析值设定背压、空气流量等参数，按照前端模块布置建立前端模块模型。
汽车行驶过程中，冷却系统的起动阻力等于风扇静压与行驶风压之和。车辆迎风在前格栅附近因空气流道收缩部分动压转化为静压，静压升高，有一定程度上对进气有预压缩效果，有利于进气。机舱出风口在机舱下部与道路交界面处，空气相对车辆运动底部空气静压较低有利于机舱出风。空气侧阻力模型简单空气流动复杂，空气流动同时受到到机舱热空气回流、前端模块周边高速时漏风低速时热气回流、前机舱空气流道复杂等边界条件影响。空气侧零部件空气流动阻力特性、电子风扇性能如图7所示。
分析计算需借助CFD软件STAR-CCM+解析参数后代入一维解析软件。在计算过程中设定进风为恒密度、恒温的空气，进风总压以空气流动动压和空气静压构成。设定中冷器、冷凝器、散热器为多孔介质，输入参数如表4所示。
通过STAR-CCM+软件结合3D数据解析得出各工况下散热器进风量，各工况散热器进风量如表5所示。
1.2.3 热管理系统性能计算解析
根据发动机在整车工况的实际工作条件，搭建发动机热管理系统一维模型。根据CFD计算结果获取各工况下前端模块进风量。根据中冷器风阻、冷凝器风阻、中冷器散热量、冷凝器散热量、发动机散热需求、散热器性能MAP输入相关参数，解析得到散热器各工况进风温度、发动机出水温度等参数，解析结果如表6所示。
2 整车热管理系统计算结果分析
风扇控温策略为水温升至95℃时风扇低速开启、水温回落至90℃风扇关闭，水温升至105℃风扇高转速开启、水温回落至102℃风扇低转速开启。根据计算结果，发动机散热性能需求与散热器散热量绘制性能曲线，如图10所示。
2.1 工况一计算结果分析
工况一条件下，发动机散热性能需求曲线与散热器散热量曲线交汇于风扇高转速散热量曲线水温106.2℃点处。此工况风扇高转速运转，发动机出水温度稳定在106.2℃。
2.2 工况二计算结果分析
工况二条件下发动机输出扭矩与工况一接近，车速由29.9km/h提升至49.6km/h，迎面风速提高后散热器进风量提升、散热器进风温度下降。发动机散热性能需求曲线与散热器散热量曲线交汇于风扇高转速散热量曲线水温102.3℃。此工况风扇高转速运转，发动机出水温度稳定在102.3℃。
发动机出水温度处于风扇高转速运转回落至低转速临界点处，且风扇高转速散热器散热量高于风扇低转速散热器散热量，实车发动机出水温度可能在102.3℃以下区间循环波动。
2.3 工况三计算结果分析
工况三条件下整车空档、发动机怠速，此工况发动机输出扭矩需求低，主要为压缩机工作扭矩需求扭矩和摩擦阻力需求扭矩，此工况下发动机散热量需求约6.57kW。由于冷凝器侧空气流量低，空调系统冷凝侧压力较高，空调系统中压开关间断置位，电子风扇处于高转速速、低转速交替运行状态。
发动机散热量需求处于风扇低转速散热量区间和风扇高转速散热量区间的中间区域，所有区间温度点的发动机需求散热量与风扇高转速散热量差值均小于与风扇低转速散热量差值，在风扇高低转速切换后发动机出水温度升温速率大于降温速率。
空调系统热容量大幅低于冷却系统热容量，且冷凝器传热效率大幅高于散热器传热效率，电子风扇高低转速切换后的空调系统压力变化快于发动机水温变化。
发动机出水温度低于90℃后冷却液循环流量会根据控制策略降低，综合分析后预测发动机出水温度随风扇高转速、低转速变化在90℃~95℃之间波动。
2.4 工况四计算结果分析
在工况四条件下，发动机输出扭矩大，需求散热量大。散热器迎面风速高、进风量大，进气温度低。发动机散热性能需求曲线与散热器散热量曲线交汇于风扇低转速散热量曲线96℃。此工况风扇低转速运转，发动机出水温度稳定在96℃。
3 整车试验验证
整车热平衡试验实际模拟极限行驶工况对热管理系统的性能需求，对分析结果进行验证。
整车热平衡试验通过环境舱模拟外界环境温度、光照强度、行驶阻力、迎面风速，验证整车热平衡性能。
表7 是整车热平衡试验测试结果。发动机水温分析结果与实测结果百分比偏差如表8所示，发动机出水温度最大误差百分比为5.46%，分析结果符合度高。
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