摘 要：某電動汽車樣車在空調(diào)降溫試驗中，駕駛員和副駕駛的頭部平均溫度沒有達(dá)到降溫預(yù)定值，制冷能力不足。為提高空調(diào)制冷能力，本文采用CFD仿真分析的方法，研究了前機艙的流場，分析了格柵和空調(diào)冷凝器的通風(fēng)量。通過配置冷凝器導(dǎo)流罩和調(diào)整格柵開口，增加了格柵新風(fēng)的進氣量，減少了高溫氣體的回流冷凝器，從而增加了冷凝器的散熱能力。在最終的試驗中，頭部平均溫度整改后比整改前降低了5℃，降溫效果明顯改善，達(dá)到并超過了預(yù)定值。這種通過機艙流場優(yōu)化提高散熱能力的方法和工程經(jīng)驗，對其它電動汽車機艙散熱能力的開發(fā)具有借鑒意義。

電動汽車近年來快速興起，并且有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的趨勢。研究電動汽車機艙的散熱特點具有重要意義。由于電動汽車沒有內(nèi)燃機，它的機艙內(nèi)就沒有了溫度達(dá)到600℃而帶來強輻射的排氣管路，也沒有需要大量散熱的內(nèi)燃機水套。電動汽車前機艙相對于燃油車僅需較小的前格柵開口來引進新風(fēng)進行散熱。現(xiàn)階段電動汽車用來冷卻電機水套與電池的散熱器和風(fēng)扇大多是沿用燃油車的，往往散熱能力有相當(dāng)盈余。電動汽車機艙內(nèi)的空調(diào)冷凝器的散熱問題變得凸顯出來。

目前分析電動汽車機艙散熱問題有兩種方式：環(huán)境艙試驗和CFD仿真。環(huán)境艙試驗包括整車熱平衡試驗和整車降溫試驗。由于現(xiàn)階段機艙內(nèi)散熱器能力的盈余，電動汽車熱平衡試驗發(fā)現(xiàn)的問題往往是電機、IGBT和電池的零部件內(nèi)局部過熱。機艙內(nèi)冷凝器是否有足夠的散熱能力就會在電動汽車降溫試驗中體現(xiàn)出來。試驗方法的優(yōu)點是可信度高，能夠為研發(fā)提供直接的整改依據(jù)；缺點是成本高、周期長，不能夠在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)問題。CFD仿真的優(yōu)點是成本低、周期短，能夠在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，縮短整車開發(fā)周期。然而要想完全模擬電動汽車降溫試驗，需要三維機艙熱流場、整車一維能量流、空調(diào)箱和乘客艙的三維熱流場共同的瞬態(tài)耦合計算，目前國內(nèi)幾乎難以完整開展。通過模擬機艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)的流場來獲得關(guān)鍵信息是當(dāng)前可行的技術(shù)路線。目前大部分國內(nèi)車企采用仿真與試驗相結(jié)合的方式來解決機艙散熱問題。

本文針對某電動汽車降溫試驗時發(fā)現(xiàn)，以車速40km/h行駛10分鐘后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60℃降到了33℃，沒有降到目標(biāo)值30℃。為提升空調(diào)系統(tǒng)在車輛行駛時的換熱能力，本文采用CFD 仿真方法分析了機艙的恒溫流場，從仿真結(jié)果判斷出試驗中回流冷凝器的高溫氣體偏多，降低了制冷能力，之后通過增加冷凝器導(dǎo)流罩和調(diào)整格柵開口，增加了新風(fēng)的流入，提高

冷凝器的換熱能力。最終在驗證試驗中，以車速40km/h行駛10分鐘后，頭部平均溫度從60℃降到了28℃，顯著地提升空調(diào)對乘員艙的降溫能力。

1 CFD 計算模型

1.1 仿真計算基本理論
1.1.1 控制方程
本文采用三維常密度的不可壓縮恒溫湍流來模擬機艙流場，它遵循Navier-Stokes方程組的質(zhì)量守恒和動量守恒規(guī)律：

1.1.2 湍流計算方法

求解N-S方程的湍流問題時，可以采用雷諾時均（ReynoldsTime Average），大渦模擬（LargeEddysimulation），格子波爾茲曼方法（LatticeBoltzmann Method）以及直接數(shù)值模擬（Direct
Numerical Simulation）等方法。

雷諾時均根據(jù)確定粘度的方法，分為零方程模型，一方程模型和兩方程模型，兩方程模型還分為k-e模型和k-o模型。本文采用兩方程模型中Realizable的k-e湍流模式模擬機艙流場。

1.2 網(wǎng)格處理

建立包括前機艙內(nèi)所有部件的整車模型。整車面網(wǎng)格量約為700萬，采用三角形網(wǎng)格單元劃分，最小網(wǎng)格尺寸控制在1mm。整個長方體計算流場域的尺寸為：12倍的車身長、8倍的車身寬，5倍的車身高。體網(wǎng)格量為3000萬，采用trim網(wǎng)格。前機艙中前格柵、冷卻模塊和風(fēng)扇進行加密，加密區(qū)網(wǎng)格1mm，以達(dá)到局部網(wǎng)格細(xì)化來提高計算精度的目的。

1.3 邊界條件

整車空調(diào)降溫的試驗條件為車速風(fēng)速40km/h，環(huán)境空氣溫度38℃，光照1000W/m2，內(nèi)循環(huán)，吹面模式，最大風(fēng)量，最大制冷。試驗正式開始前需熱浸置車輛，使得前排頭部平均溫度達(dá)到60℃。

對應(yīng)地，仿真分析中冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型；風(fēng)扇用MRF模型；車輪旋轉(zhuǎn)；冷卻風(fēng)扇為雙風(fēng)扇，主駕側(cè)轉(zhuǎn)速2850rpm，副駕側(cè)轉(zhuǎn)速2350rpm；模擬工況為車速40km/h和0km/h，計算域進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件。計算0km/h工況使為了方便評估車輛40km/h
時通過冷凝器且來自前格柵的新風(fēng)量。

2 研究的情形

本文仿真分析了6種情形，分別是基礎(chǔ)狀態(tài)、增加格柵開口、理想導(dǎo)流罩、新造型前保、有上橫板的工程導(dǎo)流罩、最終狀態(tài)。試驗方面對基礎(chǔ)狀態(tài)和最終狀態(tài)進行了整車降溫試驗。

2.1 基礎(chǔ)狀態(tài)

基礎(chǔ)狀態(tài)的格柵開口分為兩部分，上部一個大開口，下部三個小口。

2.2 增加格柵開口

將基礎(chǔ)狀態(tài)的格柵開口上部分向外多開一圈，同時增加下部分的3 個通風(fēng)口的面積。

2.3 理想導(dǎo)流罩

在情形二的基礎(chǔ)上在冷凝器前方增加了一個四面全包裹式的導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩從格柵引風(fēng)，最后擴張至整個冷凝器表面。

2.4 新造型前保

在基礎(chǔ)狀態(tài)的情形上，更換了新前保造型，格柵開口為一個整體大開口，開口的面積明顯比基礎(chǔ)狀態(tài)大。同時，優(yōu)化調(diào)整了散熱器下方的橫梁結(jié)構(gòu)形式，封堵了原來它們之間的縫隙。

2.5 有上橫板的工程導(dǎo)流罩
在情形四的基礎(chǔ)上，設(shè)計了工程化的導(dǎo)流罩，主要引導(dǎo)冷凝器兩側(cè)氣流，導(dǎo)流罩的下部有強化聚風(fēng)的作用，上部附加上橫板，能夠聚攏上部氣流。

2.6 最終方案

在情形五的基礎(chǔ)上，由于裝配工藝的問題，取消了導(dǎo)流罩上部的橫版，此狀態(tài)為最終方案。

3 結(jié)果與討論

3.1 基礎(chǔ)狀態(tài)

樣車試驗時車速40km/h行駛10分鐘后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60℃降到了33℃，沒有降到目標(biāo)值30℃，頭部平均溫度從60℃降到了30℃所需時間為19分鐘。仿真分析結(jié)果顯示，車速40km/h時，格柵進0.351kg/s，冷凝器進風(fēng)0.390kg/s，車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.120kg/s，冷凝器進風(fēng)0.359kg/s。由于40km/h車速下，冷凝器的回流占比統(tǒng)計困難，因而通過用怠速時格柵進風(fēng)占冷凝器的進風(fēng)比例間接反映出來。怠速時新風(fēng)過少，說明冷凝器高溫回流較多，進而說明40km/h時，回流冷凝器的高溫氣體也偏多，影響了冷凝器的制冷能力。

3.2 增加格柵開口

此狀態(tài)車速40km/h時，格柵進風(fēng)0.549kg/s，冷凝器進風(fēng)0.401kg/s，車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.176kg/s，冷凝器進風(fēng)0.361kg/s。雖然40km/h時格柵進風(fēng)量比冷凝器進風(fēng)量高，但不能說明通過冷凝器的風(fēng)全部來自格柵，仍有相當(dāng)?shù)幕亓髁俊绍囁傧吕淠鬟M風(fēng)相對于基礎(chǔ)狀態(tài)變化不大，怠速時格柵進風(fēng)變化明顯，增加了約47%。

3.3 理想導(dǎo)流罩

此狀態(tài)車速40km/h時，格柵進風(fēng)0.475kg/s，冷凝器進風(fēng)0.427kg/s, 車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.282kg/s，冷凝器進風(fēng)0.334kg/s。車速40km/h時，格柵進風(fēng)比情形二減小約14%，怠速時格柵進風(fēng)比情形二增加約60%。說明能夠流入冷凝器的新風(fēng)得到進一步增加。

3.4 新造型前保

此狀態(tài)車速40km/h時，格柵進風(fēng)0.941kg/s，冷凝器進風(fēng)0.388kg/s，車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.197kg/s，冷凝器進風(fēng)0.359kg/s。車速40km/h時，格柵進風(fēng)比基礎(chǔ)狀態(tài)增加約170%，怠速時格柵進風(fēng)比基礎(chǔ)狀態(tài)增加約64%。說明能夠流入冷凝器的新風(fēng)明顯增加。

3.5 有上橫板的工程導(dǎo)流罩

此狀態(tài)車速40km/h時，格柵進風(fēng)0.839kg/s，冷凝器進風(fēng)0.412kg/s，車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.226kg/s，冷凝器進風(fēng)0.353kg/s。車速40km/h時，格柵進風(fēng)比情形四降低約11%，冷凝器通風(fēng)量增加6%，怠速時格柵進風(fēng)比情形四增加約15%，冷凝器的通風(fēng)量變化很小，流入冷凝器的新風(fēng)進一步增加，冷凝器制冷能力比情形四時要高。

3.6 最終方案

此狀態(tài)車速40km/h時，格柵進風(fēng)0.842kg/s，冷凝器進風(fēng)0.399kg/s, 車速0km/h時，格柵進風(fēng)0.204kg/s，冷凝器進風(fēng)0.357kg/s。相對于情形四，車速40km/h時，格柵進風(fēng)降低約11%，冷凝器的通風(fēng)量降低約3%，怠速時，格柵進風(fēng)增加3%，冷凝器的通風(fēng)量變化很小。說明流入冷凝器的新風(fēng)相對于情形四得到增加，冷凝器制冷能力比情形四時要高。相對于基礎(chǔ)狀態(tài)，車速40km/h時，格柵進風(fēng)增加約140%，冷凝器的通風(fēng)量增加約2%，怠速時，格柵進風(fēng)增加70%，冷凝器的通風(fēng)量略微減小。

用最終方案的樣車進行驗證試驗時，車速40km/h行駛10分鐘后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60℃降到了28℃，達(dá)到了降溫目標(biāo)值30℃，頭部平均溫度從60℃降到30℃所需時間縮短到了小于10分鐘，顯著提升了空調(diào)制冷能力。

從本電動汽車的最終狀態(tài)和基礎(chǔ)狀態(tài)的對比中看出，見表1和表2，在車輛低速的40km/h或0km/h時，冷凝器的通風(fēng)量變化小于2%，格柵的通風(fēng)量增長了70%-140%，由于格柵新風(fēng)大幅增長帶來了車輛空調(diào)制冷能力的顯著提高。說明整車研發(fā)過程中電動汽車空調(diào)制冷能力不足時不一定非要實施加大冷凝器、加大冷卻風(fēng)扇或者更換高功率壓縮機，增大格柵的通風(fēng)量也是一個有效

的辦法。

4 結(jié)論

通過對電動汽車機艙流場的仿真分析，增大格柵開口和配置冷凝器前部導(dǎo)流罩能夠顯著增加車輛低速行駛時的格柵新風(fēng)進氣量，即使通過冷凝器的風(fēng)量變化不明顯，仍能有效地提高冷凝器等冷卻模塊的散熱效率，提高空調(diào)降溫能力。