新能源汽车热管理系统集成水箱仿真分析

摘要:热管理系统在新能源汽车中占据重要地位，其中的水箱集成系统是保证冷却液存储和顺利运输的关键。在热管理模块中选取电驱冷却、电池冷却、电池均热三种模式，通过 STAR-CCM+软件对水箱集成系统进行建模仿真，研究水箱集成系统内部流通及压力损失情况。仿真结果表明，处于电驱冷却、电池冷却与电池均热模式时，最大流速出现在五通阀 V3 和 V4 汇流 处，大小为 3.78 m/s；最大局部压力出现在六通阀 V5 转弯处，电驱、散热器流道压力差为 10474 Pa；储水箱内最高温度为 40℃。

0.引言

环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战。随着节能环保要求的越来越高，汽车行业也在从传统汽车向新能源汽车发展。纯电动汽车是新能源汽车的主要形式，也是目前新能源汽车中销量最高的类型，因其综合能效高、环境污染相对较小，已成为我国优先发展的新能源汽车形式。目前，新能源汽车研发仍受限于许多技术瓶颈，尚未发展为成熟的汽车类型，节能高效的热管理系统是解决纯电动汽车续驶里程和电池安全问题的有效手段之一。 

电动汽车的热管理系统影响着汽车的动力性和经济性。根据热管理系统架构与集成化程度，可以将电动汽车热管理的发展分为三个阶段，从单冷配合电加热到热泵配合电辅热再到宽温区热泵与整车热管理逐步耦合，电动汽车整车热管理技术逐步朝着高度集成化、智能化的方向发展，并且在宽温区、极端条件下的环境适应性能力也逐渐提升。目前，国内外学者对新能源汽车热管理系统的改进主要从优化热管理系统构型、优化关键部件结构设计、优化控制策略以及使用新型制冷剂等方面入手。热管理系统中的水箱集成系统是保证冷却液存储和顺利运输的关键，因此水箱应当进行合理的结构设计，尽量减少冷却液在 流动过程中的压力损失并达到合适的温度。丁鹏等采用多通水阀替代两个甚至多个常规水阀，以简化新能源汽车的热管理系统，降低成本及简化整车布置。徐文斌等研究了一种新能源汽车热管理系统，通过设置七通阀实现电池热管理回路、电驱热管理回路、采暖回路、空调热管理回路、板式换热器、电池冷却器以及水冷冷凝器分别串/并联，该系统具备电池采暖/降温/废热利用、电驱降温/废热利用以及电池/电驱系统加注排气等功能，同时具有零部件数量少、成本低及系统复杂程度低的优点，利于集成化设计和平台车型拓展。 

对于不同的工况和环境条件，电动汽车需要对电池和电驱进行不同方式的冷却或加热。电动汽车热管理模块中，分别有电驱冷却、电池冷却、电池均热、电池加热和电池余热回收五种模式，其中电驱冷却、电池冷却和电池均热模式对于水箱集成系统而言工况一致，为夏季工况，余者为冬季工况。本文选取电驱冷却、电池冷却、电池均热三种模式，通过 STAR-CCM+软件对某企业的水箱系统进行建模仿真，得出水箱集成系统内部流场状况，分析流体的流速、压降变化及流体在水箱内的最高温度，为后续水箱系统的改进提供参考。

可以根据真实的几何模型进行三维模拟计算，通过仿真得出水箱集成系统内部的流动情况、压力损失情况等，对系统的优化设计具有重要意义。本文仿真基于理想工况进行研究，阀均无泄漏、不考虑通路与通路之间的传热影响。在使用 STAR-CCM+软件对水箱系统进行建模仿真时必须遵守连续性方程、动量方程和能量方程。

1.1 控制方程  

连续性方程要求流入控制体和流出控制体的流体质量相同，即

式中：p——密度；t——时间；u、v 、w——速度矢量在 x、y、z 方向上的分量。流体在 x、y、z 三个方向上的动量方程，即

式中：p ——流体微元体上的压力； xx、 yx、 zx——因分子黏性影响而作用在微元体表面上的黏性剪切应力 τ 的分量；F x、F y、Fz ——微元体上的体积力。 

能量守恒方程的表达式为

式中：c p ——比热容；——流体温度；k ——流体传热系数；ST ——流体内热源。

1.2 三维模型及网格模型 

本文三维模型包含 3 个泵体、一个五通阀、一个六通阀，阀门与流道的接口根据工况变化而变化。根据不同工况对流体域进行抽取，在 HyperMesh 中对水箱系统进行面网格的划分，面网格选择的是三角形网格，并导入 STAR-CCM+进行表面重构，流体域网格模型如图 1 所示。

1.3 计算模型的参数设定  

本文选取电驱冷却、电池冷却、电池均热三种模式，仿真参数如表 1 所示。

下式为雷诺数的计算公式。

式中：——密度；v——流速；l——管道的特征长度；——动力粘度。由式（6）计算的进出口的雷诺数均满足湍流的要求，故流体域的物理模型选择 k-Epsilon 湍流模型，流体做不可压流体处理进行计算。冷却液为 50%比例的乙二醇水溶液，模型初始状态下的压力为一个大气压。

在电驱冷却、电池冷却和电池均热模式下，六通阀 V1-V2 与V4-V5-V6 联通，五通阀 V1-V2 与V3-V4-V5 联通，其中流经动力电池的流量为 16 L/min。分别对暖风通路、电池冷却通路、散热器通路进行分析。

2.1 暖风通路的仿真结果分析  

该模式下的暖风通路为以六通阀的 V1 为入口流向六通阀的 V2，暖风通路的流线图、云图和平面截面图如图 2 所示。

3.结论

本文根据给定的壁面温度条件和出入口条件，对热管理系统中的水箱集成系统进行流动仿真，对电驱冷却、电池冷却、电池均热三种模式下不同通路的流速变化、压力变化和温度变化进行研究，得出以下主要结论： 

（1）五通阀 V4 与六通阀 V1、V2、V4、V6 转角处的不平滑过渡会导致较大的压力损失，并造成局 部压力增大。 

（2）处于电驱冷却、电池冷却与电池均热模式时，最大流速出现在五通阀 V3 和 V4 汇流处，大小为 3.78 m/s；最大局部压力出现在六通阀 V5 转弯处，电驱、散热器流道压力差为 10474 Pa；储水箱内最高温度为 40℃。经仿真分析，通路压降和水箱内的温度均满足设计要求。

农业装备与车辆工程，南勤文 1，程植源 1，李荣忠 2，万庆江 2，李国祥 1，闫伟 1 （1. 山东大学 能源与动力工程学院, 山东 济南 250061；2. 曲阜天博汽车零部件制造有限公司, 山东 曲阜 273100）；如有侵权，请联系小编删除