某增程车型热管理系统的仿真分析

周 涛，傅 豪

某增程车型热管理系统的仿真分析

周 涛，傅 豪*

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为了保证整车各系统正常运转，提高整车能源利用率，需要在开发阶段预测整车热管理系统在不同工况下的温度、流量等特性，评估各个部件能否满足换热需求。文章通过搭建多回路、可控制的复杂换热系统一维模型，用于对某增程车型的热管理系统进行仿真，计算极限工况下各部件达到热稳态时的平衡温度和时间，并判断能否满足各部件冷却需求，以及确定不同暖风状态对电池水加热时间的影响。通过计算后确定，该机型高温极限工况能够满足系统冷却需求，但在低温冷启动暖风开启后存在水温超标的风险，不同暖风状态对电池加热时间的影响很小。

整车热管理；换热；平衡温度；暖风状态

传统燃油汽车一般仅需对发动机进行冷却，而发动机与空调系统又相对独立，因此，所匹配的热管理系统结构单一、控制简单。然而随着油电混合汽车的发展，整车加入了越来越多的发热元件、换热元件和控制元件，且各个系统所需求的温度不尽相同，因此，相关系统的有机结合是一项比较复杂的系统工程。

目前行业内对整车热管理仿真的手段和方式比较多元化，其中东北大学利用AMESim对混合动力汽车整车热管理系统在新欧洲驾驶周期（New European Driving Cycle, NEDC）工况下进行仿真分析，通过优化使得的热管理系统满足各动力部件最佳温度范围需求[1]；一汽利用SIMULIA首先进行数字热环境风洞建立和标定，后使用热管理仿真优化冷却部件布局和参数，实现冷却系统及其布置优化设计[2]；同济大学汽车利用GT-Suite搭建发动机-冷却系统耦合仿真模型，并对应目标机型的台架试验进行仿真计算与验证[3]；海马汽车利用FlowMASTER和STAR-CCM+对某车型的电机、电池、控制器和发动机的热管理系统进行耦合分析并识别出充放电过程中存在风险[4]。

本文以某增程车型为例，采用一维仿真软件FlowMASTER进行整车热管理耦合系统的仿真，计算各部件在极限工况下的温度和平衡时间，判断能否满其冷却需求，并确定不同暖风状态下对水加热时间的影响。

1 分析模型

该机型整车热管理系统包含发动机冷却、电池冷却[5]、空调[6]三大系统（由于电机冷却不直接与其余三个系统的热交换，因此，本文不再对电机冷却进行研究）。

其中发动机冷却系统通过散热器与空气进行热交换；通过暖风芯体与乘员舱系统进行热交换；通过电池加热器与电池冷却系统进行热交换。整个系统换热介质为水，由水泵驱动。

电池冷却系统通过电池制冷器与空调系统进行热交换，整个系统换热介质为水，由水泵驱动。

空调系统通过冷凝器与空气进行热交换，通过蒸发器与乘员舱进行热交换。整个系统换热介质为R134a，由空调压缩机驱动。

2 控制策略

混动类整车热管理系统控制逻辑一般较为复杂[7]，该系统包含了大量的泵类、阀类元件，其中执行元件的控制有闭环自动控制，比如：节温器、压缩机、散热风扇、发动机水泵、空调路三通阀等，也有手动开环控制，比如：冷暖风三通阀、内外循环三通阀等。因此，针对本机型，首先需要确定各个零部件的开关状态和转速变化逻辑，其中表1为各元件的控制策略。

表1 热管理系统控制策略

控制元件开启状态开启条件 发动机水泵常开与发动机速比1.39 节温器通≥92 ℃全开（曲线） 断≤77 ℃全闭（曲线） 三通阀暖风-电池加热电池回路温度≤0 ℃且手动开启暖风 仅电池加热电池回路≤0 ℃且未手动开启暖风 电池路水泵常开2 000 r/min 压缩机0电池回路温度≤20℃且未手动开启冷风 2 000 r/min电池回路升温时：温度≥35 ℃电池回路降温时：温度≥20 ℃或手动开启冷风 三通阀冷风-电池制冷电池回路升温时：温度≥35 ℃电池回路降温时：温度≥20 ℃且手动开启冷风 仅冷风电池回路温度≤20 ℃且手动开启冷风 仅电池制冷电池回路升温时：温度≥35 ℃电池回路降温时：温度≥20 ℃ 散热器风扇0冷风未开启且散热器前温度低于95 ℃ 5 000 r/min96 ℃≤水套出水温度≤120 ℃或冷风开启 冷暖风风扇0冷、暖风均未开启 1 000 r/min手动开启 三通阀1仅暖风手动开启 仅冷风手动开启 三通阀2仅内循环手动开启 仅外循环手动开启

3 计算边界

该机型包含了大量的性能件，针对驱动类元件，水泵类的性能曲线为扬程-流量、扭矩-流量曲线；空调类的性能参数为单位排量；风扇类的性能曲线为静压-流量曲线。

针对非空调类换热器元件，比如：散热器、暖风芯体、电池加热器等，重要的性能曲线为两侧流体的压损-流量曲线和换热能力曲线。其中能定义换热能力曲线的参数有多种，比如：定义换热效率、换热系数、换热量等，但在实际工程运用中，采用定义换热效率的方式更为便捷，本机型也是采用的该种方式。

针对空调换热元件，比如：蒸发器、冷凝器、电池制冷器等，这些元件与其他换热器的定义不同，因为该类换热器内部出现了不同程度的相变换热，这极大地提高了仿真难度和精度，因此，本机型采用先进行单体仿真测试，后确定性能参数的方式对上述元件进行换热能力定义。采用FlowMASTER仿真软件内嵌的ACSOP模块，通过输入单点性能，迭代计算出ACSOP因子系数从而定义换热器换热能力的方法。

在两个空气侧系统中，不同换热器和风扇的空间坐标位置以及换热器的先后顺序均会对整个系统产生一定影响，因此，本机型还对它们进行了空间位置的定义，以提高计算精度。

3.1 泵类边界

图1为发动机、电池水泵的扬程-流量曲线；图2为散热器、冷暖风风扇静压-流量曲线，泵类元件的性能数据会直接影响到各回路的流量大小。

图1 水泵额定转速下性能曲线

图2 风扇额定转速性能曲线

3.2 空调换热类边界

表2分别为蒸发器、冷凝器、电池制冷器通过FlowMASTER仿真软件内嵌的ACSOP模块标定出的形状因子。

表2 空调换热类形状因子

形状因子空气侧换热修正因子空气侧压力损失修正因子内侧流体换热修正因子内侧流体压力损失修正因子冷凝液质量流量修正因子 冷凝器3.4745.53113.801 蒸发器1.1851.00410.005 0020.658 2 制冷器50.0111

3.3 其他换热类边界

图3 不同元件水阻曲线

图4 不同元件风阻曲线

图3为不同元件的水阻曲线；图4为不同元件的风阻曲线。

4 计算结果

4.1 低温冷启动极限工况1

环境温度为-25 ℃；发动机怠速（1 200 r/min，散热功率8 kW），开启暖风外循环，开启电池水加热。

图5为该工况下各处温度变化情况，该系统在1 200 s左右电池水路温度提升至0 ℃，在2 700 s左右发动机节温器开启，此时水套温度最高达到140 ℃。这是由于节温器处的温度为暖风后的温度，而由于环境温度过低，导致暖风后温度也低，使得节温器长时间达不到开启温度，散热器无法工作，最终水套温度越积越高，并且节温器在后续过程中频繁开启关闭，水套温度的变化波动也很大。同时，在2 700 s时乘员舱温度达到20 ℃，这也是由于水套温度过高造成的，在节温器频繁开启后，乘员舱平均温度保持在3 ℃左右。

图5 各处温度变化

4.2 低温冷启动极限工况2

环境温度为-25 ℃；发动机怠速（1 200 r/min，散热功率8 kW），开启暖风内循环，开启电池水加热。

图6为该工况下各处温度变化情况，该系统在1 150 s左右电池水路温度提升至0 ℃，在2 000 s左右发动机节温器开启，此时水套温度最高约130 ℃，这种情况比暖风外循环稍好，这是由于乘员舱温度升高后降低了暖风的换热效率，导致暖风后温度比外循环要高，有利于节温器的开启。同时在1 400 s时乘员舱温度5 ℃左右，后持续上升。

图6 各处温度变化

4.3 低温冷启动极限工况3

环境温度为-25 ℃；发动机怠速（1 200 r/min，散热功率8 kW），关闭暖风，开启电池水加热。

图7为该工况下各处温度变化情况，该系统在1 100 s左右电池水路温度提升至0 ℃，在1 250 s左右发动机节温器开启，由于关闭了暖风，此时水套温度降低，最高约100 ℃，这属于发动机正常水温。

图7 各处温度变化

4.4 低温冷启动极限工况4

环境温度为-25 ℃；发动机怠速（1 200 r/min，散热功率8 kW），关闭暖风，关闭电池水加热。

图8为该工况下各处温度变化情况，该系统在1 050 s左右发动机节温器开启，此时水套温度降低，最高约95 ℃，与上种工况相似。

图8 散热器温度变化

4.5 高温高载极限工况

环境温度为45 ℃；发动机高速满载（4 000 r/min，散热功率35 kW），空调外循环开启，电池制冷开启。

图9为该工况下各处温度变化情况，该系统在100 s左右发动机节温器开启，150 s左右节温器全开，水温平衡后保持在125 ℃以下。空调冷风驾驶舱温度在120 s左右达到28 ℃并维持一定，电池水路中进电池温度在200 s左右达到25 ℃，并一直保持25～28 ℃波动。

图9 各处温度变化

5 总结

通过以上分析，得出以下结论：

1）冷启动过程中，开启暖风会导致水套温度升高，这是由于节温器处于暖风回水口。如开启暖风会使水出暖风后温度降低，对节温器的开启不利，在极限情况下（暖风外循环+电池加热）会导致水套温度达到140 ℃，这对发动机影响很大，后续可增加发动机小循环水路来平衡节温器的开启。

2）冷启动过程中，暖风的开启、关闭以及内、外循环和是否开启电池升温，会对发动机平衡温度和平衡时间造成比较大的影响，在无暖风、无电池加热时，平衡时间为1 250 s，而在暖风外循环+电池加热，时间会增加到2 700 s。

3）冷启动中暖风的开启、关闭以及内、外循环对电池水加热的时间影响很小，极限时间为 1 200 s、1 100 s，如为了快速提高电池温度，需提高电池加热器中发动机支路的水流量或加装正温度系数（Positive Temperature Coefficient, PTC）。

4）该机型在高温高载极限情况下满足电池的冷却需求，并且乘员舱也能保持在28 ℃，如需提高乘员舱的制冷功能，可以增加压缩机排量或者转速，并在保持电池制冷器支路流量不变的情况下，调整蒸发器支路的流量。

[1] 曾凡宇,张志军,倪明洋.混合动力汽车整车热管理建模与仿真研究[C]//2022中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集:热管理分会场.北京:中国汽车工程学会,2022:127-137.

[2] 廖庚华,陈涛,胡钦超.某商用车整车热管理性能仿真及优化[C]//2022中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集:热管理分会场.北京: 中国汽车工程学会,2022:86-91.

[3] 高干,倪计民,石秀勇,等.基于NEDC工况的发动机热管理系统匹配研究[J].车用发动机机,2018(2):51-56.

[4] 李垒,胡斌斌,田胜,等.某混合动力车型热管理系统开发与研究[J].汽车实用技术,2020,45(8):71-75.

[5] IBRAHIM D.电动汽车动力电池热管理技术[M].北京:机械工业出版社,2021.

[6] STEVEN D.汽车空调与气候控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

[7] 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.

Simulation Analysis of Thermal Management System for an Extended Range Vehicle

ZHOU Tao, FU Hao*

( Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 230601, China )

In order to ensure the normal operation of the vehicle system, improve the energy efficiency of the vehicle, it is necessary to predict the temperature,flow and other characteristics of the vehicle thermal management system under different working conditions in the development stage. In this paper, a one-dimensional model of complex heat transfer system with multiple circuits and control is built,it is used to simulate the thermal management system of an extended range vehicle,calculate the equilibrium temperature and time when each component reaches the thermal steady state under the ultimate working condition,determine the influence of different air conditioning conditions on the heating time of the battery.After the calculation to determine, the machine can meet the system cooling requirements in high temperature limit condition,however, there is a risk that the water temperature exceeds the standard after the warm air is opened,and different air conditioning conditions have little influence on the heating time of the battery.

Vehicle thermal management;Heat transfer;Equilibrium temperature;Warm air condition

U463

A

1671-7988(2023)18-95-05

周涛（1983－），男，工程师，研究方向为整车热管理，E-mail:zt.jszx@jac.com。

傅豪（1995－），男，助理工程师，研究方向为整车热管理，E-mail:yw.jszx@jac.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.019