摘    要：為提高整車熱管理系統的仿真效率和精度，文章以某電驅冷卻系統為例，采用一維及三維聯合仿真的方式，利用三維仿真獲取空氣側支路的各項性能參數，后導入一維軟件中進行計算，評估電驅冷卻支路所需的最低流量。最終確定在使用現有風扇和散熱器的情況下，電驅路流量至少需達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。

關鍵詞：熱管理;電驅冷卻;聯合仿真;

隨著混合動力技術的快速發展，行業和客戶對整車熱管理系統的要求也越來越高。目前行業內主要還是依靠試驗的方式來進行性能確認和控制策略標定，這種方式成本高、周期長，大大影響了產品開發的速度。傳統的三維仿真雖然能對局部熱管理系統進行計算預測，但是針對多系統耦合的發艙熱管理存在計算效率偏低的問題。

本文以某電驅冷卻系統為例[1]，采用一維及三維聯合仿真的方式，在僅有風扇及散熱器數模的情況下，首先通過三維仿真算出一維所需的零部件性能曲線，后在一維軟件中通過多次調整流量邊界，最終確定該系統流量達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。

1 風扇性能求解

1.1 計算目的

對風扇流場進行求解的目的是獲取風扇的靜壓-流量曲線，該曲線為FloMASTER中風扇元件設置的必要性能曲線，表示空氣通過風扇后壓力的升高值與通過風扇的流量之間的關系。因此，在僅有風扇數模的情況下，可以通過三維仿真軟件PumpLinx計算風扇的靜壓及流量數據，將其作為數據輸入，聯合一維仿真軟件進行空氣側系統的整體求解。

1.2 計算邊界及模型

空氣域和轉子域的計算邊界如表1所示。其中空氣域為葉輪交界面與殼體圍成的氣體域，轉子域為葉輪交界面與葉輪圍成的旋轉氣體域。

表1 風扇邊界參數  下載原圖

1.3 計算結果

圖1為利用PumpLinx求解出來的風扇的靜壓-流量曲線，由于實際風扇后側護風圈長度不夠，風扇后側的壓力呈很明顯的環狀結構，所以風扇的出口壓力采用的是表面加權平均算法，加權函數為出口的質量流量。

圖1 風扇靜壓-流量曲線

2 散熱器性能求解

2.1 計算目的

對散熱器進行求解的目的是獲取散熱器風阻、水阻曲線以及換熱效率Map，這三個參數是定義散熱器性能的核心參數[2]。風阻、水阻代表空氣或冷卻液經過散熱器時壓力的變化情況，換熱效率Map表示的是不同情況下散熱器的換熱能力，是實際換熱量與理論換熱量的比值。

2.2 計算邊界及模型

散熱器由三個域構成，其中液體域為發動機冷卻液；空氣域為流經散熱器翅片的空氣；殼體域為散熱器本體。各個域的邊界參數如表2所示。  

表2 散熱器邊界參數

由于散熱器為翅片結構，翅片數量多，且尺寸小，導致網格數量達到數千萬。考慮到散熱器為強對稱結構，因此，僅截取散熱器的其中三條平行流管和與其連接的翅片進行仿真計算[3]，這一步可以大幅度減少計算時間。

2.3 計算結果

利用軟件STAR-CCM+計算出來的散熱器水阻、風阻曲線如圖2、圖3所示。其中散熱器換熱效率在14%～32%之間。在水流量低于1 kg/s時，換熱效率隨著風流量的增加而增大，但是當水流量大于1 kg/s時，換熱效率隨著風流量的增加而減小。

圖2 散熱器水阻

圖3 散熱器風阻

3 電驅冷卻系統計算

3.1 分析模型說明

該機型電驅系統采用單獨冷卻回路進行冷卻，其中待冷卻的原件有高壓盒、控制器、發電機、驅動電機，降溫方式采用的是液冷[4]。其中空氣側系統的散熱器和風扇均布置在車身底盤的側面，與整車其他換熱系統相對獨立。

3.2 分析邊界

空氣側系統所需的性能邊界參數為風扇性能和散熱器性能，這些數據已在風扇性能求解和散熱器性能求解中得到。而冷卻側系統除水泵外均為行業內量產產品，其各元件流阻如圖4所示。

圖4 電驅系統中不同元件的流阻曲線 

3.3 計算結果

在高溫極限工況（環境溫度為45℃，總發熱功率為8 kW），電驅冷卻系統流量為12 L/min時，散熱器進、出水溫度及進、出空氣溫度隨時間的變化關系如圖5所示，可見電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為111℃。

圖5 12 L/min時溫度變化

電驅冷卻系統流量為14 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關系如圖6所示，可以看出電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為102℃。

圖6 14 L/min時溫度變化

電驅冷卻系統流量為16 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關系如圖7所示，可以看出電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為98℃，滿足系統最高溫度低于100℃的要求。因此，可以確認為滿足系統冷卻需求，流量最低應達到16 L/min。

圖7 16 L/min時溫度變化

4 總結

本機型設計開發之初，在僅有設計數模的情況下，首先利用三維仿真求解出相關零部件的性能曲線，這極大地縮減了項目開發周期，同時采用了一維仿真將發動機機艙熱管理簡化，可以進一步縮短仿真時間，最終確定了電機冷卻系統所需的最小流量，并對比了不同流量下對系統溫度的影響。

參考文獻

[1] HAYES G J,GOODARZI G A.電驅動系統:混動、純電動與燃料電池汽車的能量系統、功率電子和傳動[M].劉亞彬,譯.北京:機械工業出版社,2021.

[2] 余建祖.換熱器原理與設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[3] 袁俠義,谷正氣,楊易,等.汽車發動機艙散熱的數值仿真分析[J].汽車工程,2009(9):843-847,857.

[4] 劉衛東,彭玉環,吳方義,等.混合動力汽車加熱及冷卻控制策略[J].汽車電器,2020(12):22-25.

文章來源：汽車實用技術