“  在過(guò)去的幾年里，汽車產(chǎn)業(yè)一直蓬勃發(fā)展，并在許多方面經(jīng)歷著本質(zhì)的、革命性的變化。提高電池續(xù)航能力、減少環(huán)境污染是政府、行業(yè)市場(chǎng)和消費(fèi)者共同的要求。然而，隨著電動(dòng)汽車的類型，款式和技術(shù)的演變，消費(fèi)者的需求也在不斷的變化，對(duì)汽車在電耗、安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性、方面的要求也在不斷提高。熱管理性能以及NVH常用來(lái)評(píng)價(jià)新能源汽車舒適性、安全性的指標(biāo)，并且受到越來(lái)越多消費(fèi)者的重視。”

01

熱管理性能與NVH

新能源汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系整車可靠性、安全性、舒適性與能耗水平。

新能源汽車熱管理系統(tǒng)通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，電機(jī)、電機(jī)控制器等功率器件冷卻系統(tǒng)，電池包冷卻/加熱系統(tǒng)，乘員艙降溫與采暖系統(tǒng)。熱管理物理架構(gòu)解析從介質(zhì)流、能量流、信號(hào)流三個(gè)方面展開(kāi)。其中，介質(zhì)流解析包括空氣流動(dòng)路徑分析、冷卻水流動(dòng)路徑分析、制冷介質(zhì)流動(dòng)路徑分析及油類冷卻介質(zhì)路徑分析；能量流解析主要包括動(dòng)力系統(tǒng)高溫?zé)嵩串a(chǎn)熱與熱量傳遞路徑分析、熱管理系統(tǒng)耗功元件能量轉(zhuǎn)換方式與傳遞路徑分析；信號(hào)流解析按照傳感器—控制器—執(zhí)行器信號(hào)傳遞路徑進(jìn)行分析，分析內(nèi)容主要包括傳感器信號(hào)類型、信號(hào)傳輸與交互方式。

NVH是Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）和Harshness（聲振粗糙度，也可通俗的理解為不平順性）的總稱。NVH中的N，及噪音（Noise），是很多消費(fèi)者關(guān)注的指標(biāo)，甚至可能成為購(gòu)車選擇中的決定性因素。通常來(lái)說(shuō)，不同的消費(fèi)群體對(duì)于噪聲的要求也是不同的。家用車消費(fèi)者往往更傾向于一個(gè)寧?kù)o舒適的車內(nèi)空間。當(dāng)前家用車氣動(dòng)噪聲問(wèn)題已日趨普遍和突出。

02

技術(shù)挑戰(zhàn)

難點(diǎn)1：電池的熱管理

續(xù)航里程和電池成本問(wèn)題，仍然制約新能源汽車的發(fā)展，汽車熱管理有利于提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。在續(xù)航方面，高速行駛時(shí)的續(xù)航、高溫開(kāi)空調(diào)時(shí)的續(xù)航和低溫開(kāi)空調(diào)時(shí)的續(xù)航三項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)較差，其中表現(xiàn)最差的是低溫開(kāi)空調(diào)時(shí)的續(xù)航里程。從純電動(dòng)車型的實(shí)際續(xù)航表現(xiàn)上看，常溫不開(kāi)空調(diào)時(shí)的平均實(shí)際續(xù)航里程為 290 公里，而開(kāi)啟空調(diào)后，無(wú)論是冷風(fēng)還是暖風(fēng)，續(xù)航里程均會(huì)受此影響出現(xiàn)下降的情況，其中冬天開(kāi)啟暖風(fēng)對(duì)續(xù)航的影響尤為明顯，平均實(shí)際續(xù)航僅為 233 公里，下降了 20%。北方用戶受此影響很大，從滿意度得分上來(lái)看，北方用戶對(duì)低溫時(shí)續(xù)航的滿意度（60.6）顯著低于南方用戶（65.3）。

新能源汽車以純電動(dòng)為例，環(huán)境溫度影響嚴(yán)重影響電池的性能，一般而言，三元鋰電池的最適宜使用溫度在15℃-35℃區(qū)間。在此區(qū)間，電池的性能最好。低溫下使用鋰離子電池易造成不可逆的損傷和潛在危險(xiǎn)，高溫會(huì)對(duì)材料的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面的影響，從而導(dǎo)致材料循環(huán)性能下降，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱從而產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

難點(diǎn)2：乘員艙的熱管理

受限于電池的使用環(huán)境要求，也導(dǎo)致乘員艙的冷熱管理成為了耗電的大戶，對(duì)此也對(duì)乘員艙的熱管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的燃油車不缺熱源，發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱足夠乘員艙的加熱，相對(duì)而言對(duì)油耗的折損并不明顯，然而對(duì)電動(dòng)車而言，這就成為了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

舉例來(lái)說(shuō)，整車每百公里耗電約為16KWH左右，也就是說(shuō)整車驅(qū)動(dòng)以及輔件所需要的能量每百公里20度電，但是一旦開(kāi)啟了乘員艙加熱，一般PTC所需功耗在5KW甚至更大也就意味著加熱占了25%多的電能，這部分占能相對(duì)來(lái)說(shuō)是巨大的。

難點(diǎn)3：電機(jī)電控的綜合管理

目前純電動(dòng)新能源汽車的電機(jī)電控?zé)峁芾硇枨笫巧岬男枨螅瑥娜纸嵌葋?lái)考慮的話電機(jī)所需要耗散的這部分熱量能否應(yīng)用于乘員艙及電池的熱管理是一個(gè)行業(yè)研究的熱點(diǎn)。此外基于電機(jī)電控的工作工況得到熱損耗最終實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能和最小泵功消耗的最優(yōu)匹配，也是工程上需要解決的難點(diǎn)之一。

難點(diǎn)4：NVH

汽車行駛速度不斷提高，但由于氣動(dòng)噪聲的數(shù)值與車速的六次方成正比，以及速度每增加一倍，氣動(dòng)噪聲將增加18dB左右，因此，汽車產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲顯得十分突出，這是由于汽車外形存在大的拐角、截面變化和各種突出物，氣流容易發(fā)生分離，形成復(fù)雜的非定常流，引發(fā)汽車表面空氣層極大的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。該噪聲成為影響車內(nèi)乘坐舒適性和的重要因素。汽車外形的復(fù)雜性以及氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播的復(fù)雜性，導(dǎo)致對(duì)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理認(rèn)識(shí)和控制還有一定的難度。

03

解決方案

隨著計(jì)算流體力學(xué)和聲學(xué)計(jì)算方法的成熟，數(shù)值計(jì)算正在成為解決熱管理以及氣動(dòng)噪聲問(wèn)題的主要工具。ANSYSFluent幫助汽車制造商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)加入熱管理和外氣動(dòng)仿真，提高新能源汽車制造中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)不同的產(chǎn)品以滿足不同的客戶需求。

1、外流場(chǎng)風(fēng)阻分析

1.1 造型風(fēng)阻分析

設(shè)計(jì)階段整車外造型風(fēng)阻分析，針對(duì)車輛設(shè)計(jì)外觀造型進(jìn)行優(yōu)化，采用造型硬質(zhì)模型進(jìn)行風(fēng)洞驗(yàn)證。

1.2 整車風(fēng)阻分析

開(kāi)發(fā)階段整車風(fēng)阻分析，針對(duì)整車空氣動(dòng)力學(xué)套件（氣壩、氣簾、擾流板、格柵等）進(jìn)行優(yōu)化，采用試制樣車進(jìn)行風(fēng)洞驗(yàn)證（一般會(huì)做一到兩輪風(fēng)洞試驗(yàn)）。

1.3 典型工況

車速：120km/h

地面線：半載

壁面狀態(tài)：無(wú)滑移（車輛）/滑移（風(fēng)洞壁面）

輪胎旋轉(zhuǎn)：無(wú)（造型分析）/有（整車分析）

機(jī)艙/底盤零部件：無(wú)（造型分析）/有（整車分析）

散熱器/冷凝器多孔參數(shù)：無(wú)（造型分析）/有（整車分析）

2、熱管理分析

2.1 空調(diào)風(fēng)道分析

設(shè)計(jì)階段整車內(nèi)造型及空調(diào)風(fēng)道風(fēng)阻分析，涉及空調(diào)風(fēng)管布置、風(fēng)道出口指向性，通常考慮前后吹面及吹腳工況，帶假人分析。

2.2 熱舒適性分析

同樣在設(shè)計(jì)階段，考慮空調(diào)出風(fēng)溫度、艙外輻射及對(duì)流換熱、人體代謝產(chǎn)熱及呼吸排汗對(duì)舒適性的影響，參考PMV/PPD指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)（通常和TAITherm或Theseus-FE進(jìn)行聯(lián)合仿真以模擬人體代謝產(chǎn)熱）。

2.3 除霜/除霧分析

參考ISO3468、ISO3470及GB11555、GB11556進(jìn)行除霜、除霧分析，考察前擋風(fēng)玻璃在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的除霜、除霧能力。

3、熱害分析

3.1 機(jī)艙熱管理分析

開(kāi)發(fā)階段，考慮格柵及前端模塊（散熱器、冷凝器等）進(jìn)氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及動(dòng)力電池單元冷卻的能力，考慮進(jìn)風(fēng)量對(duì)前段模塊換熱量的影響。

3.2 排氣系統(tǒng)熱害分析

開(kāi)發(fā)階段，考慮整車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)機(jī)艙及底盤零部件輻射及對(duì)流換熱的影響，考察機(jī)艙及底盤重要零部件許用溫度限值，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)熱輻射表面增加隔熱措施。

3.3 機(jī)艙熱浸分析

開(kāi)發(fā)階段，考慮停車瞬間、發(fā)動(dòng)機(jī)及艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行，機(jī)艙內(nèi)部積聚熱量的散熱情況，考察機(jī)艙內(nèi)部重要零部件的溫度變化情況。

4、NVH

根據(jù)噪聲源的發(fā)生機(jī)理，汽車噪聲主要有兩類：機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。而汽車在高速行駛時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)噪聲變現(xiàn)的尤為明顯。空氣動(dòng)力噪聲是由于氣體流動(dòng)中的相互作用或與固體間的作用而產(chǎn)生的，包括空氣通過(guò)車聲縫隙或孔道進(jìn)入車內(nèi)而產(chǎn)生的沖擊噪聲、空氣流過(guò)車身外突出物而產(chǎn)生的渦流噪聲。空氣與車聲的摩擦聲三個(gè)方面。其中后視鏡引起的噪聲是汽車空氣動(dòng)力學(xué)噪聲的重要組成部分。

4.1 氣動(dòng)噪聲源種類

單極子噪聲源：可看作振動(dòng)質(zhì)量的點(diǎn)源,其聲功率與流場(chǎng)平均流速的四次方成正比。

偶極子噪聲源：由壓力脈動(dòng)引起的聲源,其聲功率與流場(chǎng)平均流速的四次方成正比。

四極子噪聲源：來(lái)源于湍流的剪切應(yīng)力,其聲功率與流場(chǎng)平均流速的八次方成正比。

由于氣動(dòng)噪聲中的四極子聲源與偶極子源噪聲強(qiáng)度之比正比于馬赫數(shù)的平方，而地面運(yùn)載工具（比如汽車在較高速度180KM/h時(shí)，其馬赫數(shù)也僅僅0.147），因此，四極子噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于偶極子源噪聲強(qiáng)度，可忽略不計(jì)。單極子噪聲為車輛體積位移引起空氣體積脈動(dòng)產(chǎn)生的，其輻射特性等同于點(diǎn)聲源。汽車表面在氣動(dòng)噪聲分析中可看作剛性，所以單極子源噪聲可近似為零。因此，汽車的氣動(dòng)噪聲源主要為偶極子源。

4.2 風(fēng)噪聲改善方法

4.2.1 車身氣動(dòng)性能優(yōu)化

• 后視鏡

• 隱藏式雨刮

• 隱藏式天線

• 流線型車聲外形

• 車頂安裝渦流發(fā)生器

4.2.2 車聲隔聲性能優(yōu)化

• 車門、車窗密封系統(tǒng)

• 風(fēng)擋、側(cè)窗玻璃增厚

• 車身密封

• 汽車空調(diào)系統(tǒng)降噪

4.3 風(fēng)噪聲改善方法

• 低成本，速度快；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)速度慢且成本高

• 更好的流場(chǎng)可視性，更好地設(shè)計(jì)決策

• 權(quán)衡冷卻氣流和氣動(dòng)阻力

• 參數(shù)化研究

• 可優(yōu)化的伴隨求解器（Fluent專用工具，它擴(kuò)展了傳統(tǒng)流體求解器的分析范疇，能夠提供一個(gè)流體系統(tǒng)性能敏感性數(shù)據(jù)）

4.4 常見(jiàn)聲學(xué)建模問(wèn)題

• 頻域范圍（20Hz~20,000Hz）非常廣：對(duì)于聲學(xué)，時(shí)間分辨率通常比流體解的分辨率大好幾個(gè)級(jí)別

• 聲壓大小：聲壓比靜水壓力小好幾個(gè)級(jí)別，比如聲壓級(jí)=80dB，聲壓=0.2Pa，背景壓力=101325Pa，需要非常細(xì)密的網(wǎng)格

• 輻射至遠(yuǎn)場(chǎng)：將聲壓輻射至遠(yuǎn)場(chǎng)必須使得流體域邊界外也劃分網(wǎng)格

04

案例分享

乘員艙除霜分析

1.1 乘員艙模型

穩(wěn)態(tài)分析：考察前擋風(fēng)及側(cè)窗視野區(qū)表面速度分布情況。

	穩(wěn)態(tài)分析性能指標(biāo)
視野區(qū)	表面風(fēng)速≥2m/s 面積占比	表面風(fēng)速≥1.5m/s 面積占比
A區(qū)	≥80%	≥90%
A’區(qū)	≥80%	≥90%
B區(qū)	≥60%	≥80%

 1.2 前處理

• 面網(wǎng)格處理

• 導(dǎo)入工作流

• 重構(gòu)面網(wǎng)格

• 指定流體域

• 生成體網(wǎng)格

1.3 求解器設(shè)置

• 設(shè)置湍流模型和邊界條件

• 設(shè)置監(jiān)控參數(shù)及初始化

1.4 運(yùn)行求解器

1.5 后處理

查看玻璃及視野區(qū)表面風(fēng)速，計(jì)算風(fēng)速指標(biāo)。

視野區(qū)	表面積(m2)	表面風(fēng)速≥2m/s區(qū)域			表面風(fēng)速≥1.5m/s區(qū)域
		表面積(m2)	面積占比	指標(biāo)	表面積(m2)	面積占比	指標(biāo)
A區(qū)	0.190835	0.173568	90.95%	≥80%	0.176896	92.70%	≥90%
A’區(qū)	0.185131	0.124637	67.32%	≥80%	0.146140	78.94%	≥90%
B區(qū)	0.412759	0.285399	69.14%	≥60%	0.313916	76.05%	≥80%

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