电动汽车前端模块设计对冷却系统的影响

王 丹，徐俊芳，张艺伦，许 翔，2，王 远

（1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.中汽研（常州）汽车工程研究院有限公司，江苏 常州 213164）

0 引言

车辆前端模块的设计影响汽车的空气动力学、冷却性能、空调性能等。对于传统汽车来说，由于发动机水温较高，冷凝器一般布置在散热器前面。对于纯电动汽车而言，极限工况下冷却系统冷却液温度为50 ～65 ℃，冷凝器的位置不再局限于散热器之前，目前大多数电动车前端的布置主要有冷凝器在前或低温散热器在前2 种模式，不同模式各有利弊。

目前，国内外学者关于传统汽车前端模块对热管理性能的影响研究较多。陈帆[1]采用了1D&3D 相结合的方法研究了传统汽车前端冷却器的装置模式对进气温度的影响。KenT.Lan 等从油冷却器的布置位置、底护板的设计等方面研究了前端模块的设计对空调性能的影响。Felix Regin A 等利用CFD 方法优化了前端装置气体流动路径进气开口面积[3]。对于电动汽车前端模块的布置研究较少。

针对一款微型纯电动汽车的前端模块的设计，通过1D 和3D 相结合的方法分析前端模块的布置对空调系统性能的影响。运用CFD 计算换热器前的气流分布，采用1D 对空调系统的性能进行模拟预测。为电动车前端装置模式的布置提供参考。

1 热管理系统模型建立

前端模块的布置对空调制冷的影响，主要因为冷凝器的进风温度和进风风量发生了改变。选取几个典型的工况点，研究在稳态下冷凝器进风边界条件对空调系统的影响。运用1D 仿真软件建立纯电动车热管理系统模型，包括电池冷却回路、空调制冷回路、电机冷却系统等，如图1 所示。电池冷却回路采用简化处理，将电池系统在相应工况的发热量作为输入。空调制冷回路先对各个换热器进行建模及标定，再按照系统的工作原理搭建完整的仿真模型。电机散热器对空调系统的影响用带阻力的热源元件代替，按照电机的效率计算得到相应工况的发热量。

图1 热管理系统模型

热管理系统的空气侧回路，按照前端装置模式的整车位置关系建立空气回路，主要包括格栅、电机散热器、冷凝器、风扇以及蒸发器的空气回路，如图2 所示。空气侧 值由整车CFD 仿真模型分析获得，舱内阻BIR 通过设定冷凝器目标进风量标定得到。

图2 空气侧模型

2 整车CFD 模型

基础版前端装置模式的设计方案如图3 所示，由于格栅开口的位置，电机散热器布置在冷凝器前靠下部的位置。在Star-CCM+中建立完整的整车CFD 模型，如图4，用于计算前端装置模式的流场数据。

图3 基础版前端装置模式模型

图4 CFD 计算模型

流场计算采用整车模型，面网格平均尺寸为8 mm，为保证计算精度，针对前端装置模式区域进行加密处理，针对格栅保留较多设计细节，面网格尺寸设定为4 mm。

流体域采用长方体，整车流体域的长宽高分别为42 m × 10 m × 10 m。流体域体网格基本尺寸设定为128 mm，最大尺寸设定为256 mm。体网格需设置2层加密，在各个计算域采用Trimmer 网格，网格边界为2 层3 mm，增长率为1.3。计算域进出口边界不设置边界层。面网格总数201 万个，体网格总数4000 万个。

冷凝器和散热器采用多孔介质模拟，阻力通过台架试验获得的特性，散热器惯性阻力系数为179.76 kg/m4，黏性阻力系数为735.36 kg/（m3·s），冷凝器惯性阻力系数为147.12 kg/m4，黏性阻力系数为652.42 kg/kg/（m3·s）。换热器的热量均设置为“0”，风扇采用MRF 模型，转速设置为2400 r/min。

3 结果与讨论

3.1 基础设计的结果

分析了怠速工况、50 km/h、100 km/h 三种工况下的冷流场分布，得到冷凝器迎风面的风量，结果见表1。随着车速的增加，冷凝器迎风面风量逐渐增加。

表1 不同工况下的冷凝器前端风量结果-冷流场

图5显示了怠速工况的冷凝器迎风面的速度分布，平均进风速度为1.7 m/s。

图5 基础设计怠速工况冷凝器迎风面的速度分布

将CFD 计算的结果导入1D 模型中，计算得到不同工况下的空调性能见表2。怠速工况下，冷凝器进风量减少及少量的热回流导致空调性能最差。

表2 各稳态工况下的空调性能

3.2 更改设计的结果

对基础模型进行了分析后，针对前端装置模式的不同设计进行分析。将低温散热器布置在冷凝器后，如图6 所示。为满足冷却系统的水温要求以及安装要求，将低温散热器尺寸加大到403 mm × 356 mm。

图6 变更设计后的前端装置模式布置

对于变更的前端装置模式的设计进行CFD 计算，怠速工况的冷凝器迎风面速度分布如图7 所示。冷凝器迎风面平均速度为1.2 m/s，比基础设计方案低。

图7 变更设计怠速工况冷凝器迎风面的速度分布

将其他工况的冷凝器进风量也进行了对比，如图8。因低温散热器加大，导致整个前端装置模式阻力加大，故变更设计后冷凝器迎风面进风量在各个工况下均有下降，怠速工况下下降较为明显，约28%，此时主要由风扇提供风量；高速工况下对冷凝器影响最小，约下降2.7%。

图8 冷凝器迎风面进风量对比

将变更设计后的CFD 结果代入1D 模型中进行空调性能分析，并与基础方案进行对比（表3）。怠速工况下，由于电机不工作，冷凝器迎风面温度在两种布置方案下相同，变更设计后的冷凝器进风量减小，导致冷凝器换热量减小，蒸发器出风温度增加约0.87 ℃。在高速工况下，变更设计后的冷凝器风量降低较少，但由于冷凝器前置，冷凝器进风温度降低了1.4 ℃，由结果来看，进风温度的降低抵消了风量减小带来的负面影响，空调性能略有提升。中速工况下，进风温度的降低与风量减小带来的正向影响与负向影响相互抵消，空调性能发挥基本一致。

4 结论

某微型电动车的前端装置模式的不同对空调性能发挥产生不同的影响。通过CFD 分析了两种布置的流场分布，采用1D 对空调系统的性能进行了仿真分析，得到如下结论。

（1）前端装置模式的不同直接影响冷凝器迎风面的风速分布以及进风温度。

（2）冷凝器前置的方案在不同工况下对空调系统的影响是不同的。汽车怠速行驶时，冷凝器迎风面风量明显下降，导致空调性能变差。中速行驶时，进风温度的降低与风量减小带来的影响相互抵消，导致空调性能基本一致。高速行驶时，冷凝器进风温度的降低抵消了风量减小带来的负面影响，空调制冷效果略有提升。

（3）冷凝器前置的方案为满足冷却系统的温度要求，散热器尺寸需加大，成本会有所提升。

纯电动汽车的散热器前置的模式，对空调性能发挥和成本降低更有利。