某电驱冷却系统的一维及三维联合仿真

摘    要：为提高整车热管理系统的仿真效率和精度，文章以某电驱冷却系统为例，采用一维及三维联合仿真的方式，利用三维仿真获取空气侧支路的各项性能参数，后导入一维软件中进行计算，评估电驱冷却支路所需的最低流量。最终确定在使用现有风扇和散热器的情况下，电驱路流量至少需达到16 L/min才能满足冷却系统≤100℃的要求。

关键词：热管理;电驱冷却;联合仿真;

随着混合动力技术的快速发展，行业和客户对整车热管理系统的要求也越来越高。目前行业内主要还是依靠试验的方式来进行性能确认和控制策略标定，这种方式成本高、周期长，大大影响了产品开发的速度。传统的三维仿真虽然能对局部热管理系统进行计算预测，但是针对多系统耦合的发舱热管理存在计算效率偏低的问题。

本文以某电驱冷却系统为例[1]，采用一维及三维联合仿真的方式，在仅有风扇及散热器数模的情况下，首先通过三维仿真算出一维所需的零部件性能曲线，后在一维软件中通过多次调整流量边界，最终确定该系统流量达到16 L/min才能满足冷却系统≤100℃的要求。

1 风扇性能求解

1.1 计算目的

对风扇流场进行求解的目的是获取风扇的静压-流量曲线，该曲线为FloMASTER中风扇元件设置的必要性能曲线，表示空气通过风扇后压力的升高值与通过风扇的流量之间的关系。因此，在仅有风扇数模的情况下，可以通过三维仿真软件PumpLinx计算风扇的静压及流量数据，将其作为数据输入，联合一维仿真软件进行空气侧系统的整体求解。

1.2 计算边界及模型

空气域和转子域的计算边界如表1所示。其中空气域为叶轮交界面与壳体围成的气体域，转子域为叶轮交界面与叶轮围成的旋转气体域。

表1 风扇边界参数  下载原图

1.3 计算结果

图1为利用PumpLinx求解出来的风扇的静压-流量曲线，由于实际风扇后侧护风圈长度不够，风扇后侧的压力呈很明显的环状结构，所以风扇的出口压力采用的是表面加权平均算法，加权函数为出口的质量流量。

图1 风扇静压-流量曲线

2 散热器性能求解

2.1 计算目的

对散热器进行求解的目的是获取散热器风阻、水阻曲线以及换热效率Map，这三个参数是定义散热器性能的核心参数[2]。风阻、水阻代表空气或冷却液经过散热器时压力的变化情况，换热效率Map表示的是不同情况下散热器的换热能力，是实际换热量与理论换热量的比值。

2.2 计算边界及模型

散热器由三个域构成，其中液体域为发动机冷却液；空气域为流经散热器翅片的空气；壳体域为散热器本体。各个域的边界参数如表2所示。  

表2 散热器边界参数

由于散热器为翅片结构，翅片数量多，且尺寸小，导致网格数量达到数千万。考虑到散热器为强对称结构，因此，仅截取散热器的其中三条平行流管和与其连接的翅片进行仿真计算[3]，这一步可以大幅度减少计算时间。

2.3 计算结果

利用软件STAR-CCM+计算出来的散热器水阻、风阻曲线如图2、图3所示。其中散热器换热效率在14%～32%之间。在水流量低于1 kg/s时，换热效率随着风流量的增加而增大，但是当水流量大于1 kg/s时，换热效率随着风流量的增加而减小。

图2 散热器水阻

图3 散热器风阻

3 电驱冷却系统计算

3.1 分析模型说明

该机型电驱系统采用单独冷却回路进行冷却，其中待冷却的原件有高压盒、控制器、发电机、驱动电机，降温方式采用的是液冷[4]。其中空气侧系统的散热器和风扇均布置在车身底盘的侧面，与整车其他换热系统相对独立。

3.2 分析边界

空气侧系统所需的性能边界参数为风扇性能和散热器性能，这些数据已在风扇性能求解和散热器性能求解中得到。而冷却侧系统除水泵外均为行业内量产产品，其各元件流阻如图4所示。

图4 电驱系统中不同元件的流阻曲线 

3.3 计算结果

在高温极限工况（环境温度为45℃，总发热功率为8 kW），电驱冷却系统流量为12 L/min时，散热器进、出水温度及进、出空气温度随时间的变化关系如图5所示，可见电驱冷却系统在平衡后的最高温度为111℃。

图5 12 L/min时温度变化

电驱冷却系统流量为14 L/min时，散热器前后各处温度随时间的变化关系如图6所示，可以看出电驱冷却系统在平衡后的最高温度为102℃。

图6 14 L/min时温度变化

电驱冷却系统流量为16 L/min时，散热器前后各处温度随时间的变化关系如图7所示，可以看出电驱冷却系统在平衡后的最高温度为98℃，满足系统最高温度低于100℃的要求。因此，可以确认为满足系统冷却需求，流量最低应达到16 L/min。

图7 16 L/min时温度变化

4 总结

本机型设计开发之初，在仅有设计数模的情况下，首先利用三维仿真求解出相关零部件的性能曲线，这极大地缩减了项目开发周期，同时采用了一维仿真将发动机机舱热管理简化，可以进一步缩短仿真时间，最终确定了电机冷却系统所需的最小流量，并对比了不同流量下对系统温度的影响。

参考文献

[1] HAYES G J,GOODARZI G A.电驱动系统:混动、纯电动与燃料电池汽车的能量系统、功率电子和传动[M].刘亚彬,译.北京:机械工业出版社,2021.

[2] 余建祖.换热器原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3] 袁侠义,谷正气,杨易,等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程,2009(9):843-847,857.

[4] 刘卫东,彭玉环,吴方义,等.混合动力汽车加热及冷却控制策略[J].汽车电器,2020(12):22-25.

文章来源：汽车实用技术