李喆隆，李 濤，李現(xiàn)今

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

電動(dòng)汽車近年來快速興起，并且有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的趨勢，研究電動(dòng)汽車機(jī)艙的散熱特點(diǎn)具有重要意義。由于電動(dòng)汽車沒有內(nèi)燃機(jī)，它的機(jī)艙內(nèi)既沒有溫度達(dá)到600 ℃時(shí)導(dǎo)致的強(qiáng)輻射排氣管路，也沒有需要大量散熱的內(nèi)燃機(jī)水套。電動(dòng)汽車前機(jī)艙相對于燃油車僅需較小的前格柵開口來引進(jìn)新風(fēng)進(jìn)行散熱?，F(xiàn)階段電動(dòng)汽車大多沿用燃油車的散熱器和風(fēng)扇來冷卻電機(jī)水套與電池，其散熱能力有較大盈余。因此，電動(dòng)汽車機(jī)艙內(nèi)的空調(diào)冷凝器的散熱問題便凸顯出來。

目前，分析電動(dòng)汽車機(jī)艙散熱問題有兩種方式：環(huán)境艙試驗(yàn)和CFD仿真。環(huán)境艙試驗(yàn)包括整車熱平衡試驗(yàn)和整車降溫試驗(yàn)。由于現(xiàn)階段機(jī)艙內(nèi)散熱器能力的盈余，電動(dòng)汽車熱平衡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題往往是電機(jī)、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和電池的零部件內(nèi)局部過熱。機(jī)艙內(nèi)冷凝器是否有足夠的散熱能力，會(huì)在電動(dòng)汽車降溫試驗(yàn)中體現(xiàn)出來。該試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是可信度高，能夠?yàn)檠邪l(fā)提供直接的整改依據(jù)；缺點(diǎn)是成本高、周期長，不能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。CFD仿真的優(yōu)點(diǎn)是成本低、周期短，能夠在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，縮短整車開發(fā)周期。然而要想完全模擬電動(dòng)汽車降溫試驗(yàn)，需要三維機(jī)艙熱流場、整車一維能量流、空調(diào)箱和乘客艙的三維熱流場共同的瞬態(tài)耦合計(jì)算，目前國內(nèi)幾乎難以完整開展。通過模擬機(jī)艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)的流場來獲得關(guān)鍵信息是當(dāng)前可行的技術(shù)路線。目前，大部分國內(nèi)車企采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式來解決機(jī)艙散熱問題。

針對某電動(dòng)汽車進(jìn)行降溫試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，以車速40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降到了33 ℃，沒有降到目標(biāo)值30 ℃。為提升空調(diào)系統(tǒng)在車輛行駛時(shí)的換熱能力，采用CFD仿真方法分析了機(jī)艙的恒溫流場，從仿真結(jié)果判斷出試驗(yàn)中回流冷凝器的高溫氣體偏多，降低了制冷能力[1]，之后通過增加冷凝器導(dǎo)流罩和調(diào)整格柵開口，增加了新風(fēng)的流入，提高了冷凝器的換熱能力[2]。最終在驗(yàn)證試驗(yàn)中，以車速40 km/h行駛10 min后，頭部平均溫度從60 ℃降到了28 ℃，顯著提升了空調(diào)對乘員艙的降溫能力。

1 CFD計(jì)算模型

1.1 仿真計(jì)算基本理論

1.1.1 控制方程

采用三維常密度的不可壓縮恒溫湍流來模擬機(jī)艙流場，它遵循Navier-Stokes方程組的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒規(guī)律[3]。

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

式中：t為時(shí)間，s； →u為流體速度，m/s；p為流體微元上的壓強(qiáng)，Pa；μ為流體粘度，（kg·m-1·s-1），Si為動(dòng)量守恒中的廣義源項(xiàng)；i=1,2,3,…,n為三維直角坐標(biāo)軸的序號。

1.1.2 湍流計(jì)算方法

求解N-S方程的湍流問題時(shí)，可以采用雷諾時(shí)均法（Reynolds Time Average），大渦模擬法（Large Eddy Simulation），格子波爾茲曼法（Lattice Boltzmann Method）以及直接數(shù)值模擬法（Direct Numerical Simulation）。

根據(jù)確定粘度的方法，雷諾時(shí)均法分為零方程模型、一方程模型和兩方程模型，兩方程模型還分為k-ε模型和k-Ω模型。本研究采用兩方程模型中Realizable的k-ε湍流模式來模擬機(jī)艙流場[4]。

1.2 網(wǎng)格處理

建立包括前機(jī)艙內(nèi)所有部件的整車模型。整車面網(wǎng)格量約為700萬，采用三角形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，最小網(wǎng)格尺寸控制在1 mm。整個(gè)長方體計(jì)算流場域的尺寸為：12倍的車身長、8倍的車身寬和5倍的車身高。體網(wǎng)格量為3 000萬個(gè)，采用Trim網(wǎng)格。對前機(jī)艙中的前格柵、冷卻模塊和風(fēng)扇進(jìn)行加密，加密區(qū)網(wǎng)格為1 mm，以達(dá)到通過局部網(wǎng)格細(xì)化來提高計(jì)算精度的目的。電動(dòng)汽車的格柵開口位于前保險(xiǎn)杠下方，如圖1所示。電動(dòng)汽車的底部結(jié)構(gòu)具有底護(hù)板和電池包，如圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車整體外觀

圖2 電動(dòng)汽車底部結(jié)構(gòu)

1.3 邊界條件

整車空調(diào)降溫的試驗(yàn)條件為：車速40 km/h，環(huán)境空氣溫度38 ℃，光照1 000 W/m2，內(nèi)循環(huán)，吹面模式，最大風(fēng)量，最大制冷。試驗(yàn)正式開始前需熱浸置車輛，使前排頭部平均溫度達(dá)到60 ℃。

與上文相對應(yīng)的是，仿真分析中冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型，風(fēng)扇用MRF模型，車輪旋轉(zhuǎn)，冷卻風(fēng)扇為雙風(fēng)扇，主駕側(cè)轉(zhuǎn)速為2 850 r/min，副駕側(cè)轉(zhuǎn)速為2 350 r/min。模擬工況時(shí)，車速為40 km/h和0 km/h ，計(jì)算域進(jìn)口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件。計(jì)算0 km/h工況是為了方便評估車速為40 km/h時(shí)通過冷凝器且來自前格柵的新風(fēng)量。

2 研究的情形

仿真分析了6種情形，分別是基礎(chǔ)狀態(tài)、增加格柵開口、理想導(dǎo)流罩、新造型前保、有上橫板的工程導(dǎo)流罩、最終狀態(tài)。試驗(yàn)方面對基礎(chǔ)狀態(tài)和最終狀態(tài)進(jìn)行了整車降溫試驗(yàn)。

2.1 基礎(chǔ)狀態(tài)

基礎(chǔ)狀態(tài)的格柵開口分為兩部分，上部1個(gè)大開口，下部3個(gè)小開口。

2.2 增加格柵開口

將基礎(chǔ)狀態(tài)的格柵開口上部分向外多開一圈，同時(shí)增加下部分的3個(gè)通風(fēng)口的面積，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車的外觀

2.3 理想導(dǎo)流罩

在增加格柵開口的基礎(chǔ)上，在冷凝器前方增加了一個(gè)四面全包裹式導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩從格柵引風(fēng)，最后擴(kuò)張至整個(gè)冷凝器表面，如圖4所示。該車是燃油車改款電動(dòng)車，沿用燃油車的冷卻模塊，因此冷凝器在散熱器的前方。

圖4 理想導(dǎo)流罩

2.4 新造型前保

在基礎(chǔ)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，更換了新前保造型，格柵開口為一個(gè)整體大開口，開口的面積明顯比基礎(chǔ)狀態(tài)大，如圖5所示。同時(shí)，優(yōu)化調(diào)整了散熱器下方的橫梁結(jié)構(gòu)形式，封堵了它們之間原有的縫隙。

圖5 新前保險(xiǎn)杠和格柵

2.5 有上橫板的工程導(dǎo)流罩

在新造型前保的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了工程化的導(dǎo)流罩，主要引導(dǎo)冷凝器兩側(cè)氣流，導(dǎo)流罩的下部有強(qiáng)化聚風(fēng)的作用，上部附加上橫板，能夠聚攏上部氣流。

2.6 最終方案

在有上橫板的工程導(dǎo)流罩的基礎(chǔ)上，由于裝配工藝的問題，取消了導(dǎo)流罩上部的橫板，此狀態(tài)為最終方案。

圖6 冷卻模塊及周邊導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與討論

3.1 基礎(chǔ)狀態(tài)

樣車試驗(yàn)時(shí)以車速40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降到了33 ℃，沒有降到目標(biāo)值30 ℃，頭部平均溫度從60 ℃降到了30 ℃所需時(shí)間為19 min。仿真分析結(jié)果顯示，車速40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.351 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.390 kg/s；車速0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.120 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.359 kg/s。由于40 km/h車速下的冷凝器回流占比統(tǒng)計(jì)困難，所以通過用怠速時(shí)格柵進(jìn)風(fēng)占冷凝器進(jìn)風(fēng)比例間接反映出來。怠速時(shí)新風(fēng)過少，說明冷凝器高溫回流較多，進(jìn)而說明車速為40 km/h時(shí)，回流冷凝器的高溫氣體也偏多，影響了冷凝器的制冷能力。車速為40 km/h時(shí)，氣流大多通過上方開口進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)，下方開口沒有明顯氣流流入，如圖7所示。怠速時(shí)在冷卻風(fēng)扇抽吸的作用下，上、下開口均有明顯氣流流入，如圖8所示。同時(shí)能看到兩種車速下，冷凝器上方和兩側(cè)均有明顯回流。

圖7 車速40 km/h時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（基礎(chǔ)狀態(tài)）

圖8 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（基礎(chǔ)狀態(tài)）

3.2 增加格柵開口

在增加格柵開口狀態(tài)下，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.549 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.401 kg/s；車速為0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.176 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.361 kg/s。雖然40 km/h車速時(shí)的格柵進(jìn)風(fēng)量比冷凝器進(jìn)風(fēng)量高，但不能說明通過冷凝器的風(fēng)全部來自格柵，仍有相當(dāng)?shù)幕亓髁?。兩種車速下的冷凝器進(jìn)風(fēng)相對于基礎(chǔ)狀態(tài)變化不大，怠速時(shí)格柵進(jìn)風(fēng)變化明顯，增加了約47%。車速為40 km/h時(shí)，氣流通道在z方向比基礎(chǔ)狀態(tài)更寬，如圖9所示。怠速時(shí)，格柵處氣流速度比基礎(chǔ)狀態(tài)增大，如圖10所示。

圖9 車速40 km/h時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（增加?xùn)鸥耖_口）

圖10 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（增加格柵開口）

3.3 理想導(dǎo)流罩

在理想導(dǎo)流罩狀態(tài)下，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.475 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.427 kg/s；車速為0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.282 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.334 kg/s。車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)比增加格柵開口時(shí)減小約14%，怠速時(shí)格柵進(jìn)風(fēng)比增加格柵開口增加約60%。這說明能夠流入冷凝器的新風(fēng)得到進(jìn)一步增加。車速為40 km/h及怠速時(shí)，導(dǎo)流罩內(nèi)側(cè)氣流速度大，外側(cè)速度低，形成比較明顯的分界，如圖11和圖12所示，從而有效阻斷了回流。

圖11 車速40 km/h時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（理想導(dǎo)流罩）

圖12 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（理想導(dǎo)流罩）

3.4 新造型前保

在新造型前保狀態(tài)下，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.941 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.388 kg/s；車速為0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.197 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.359 kg/s。車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)比基礎(chǔ)狀態(tài)增加約170%，怠速時(shí)格柵進(jìn)風(fēng)比基礎(chǔ)狀態(tài)增加約64%。這說明能夠流入冷凝器的新風(fēng)明顯增加。氣流格柵處的進(jìn)風(fēng)通道在z向明顯比基礎(chǔ)狀態(tài)增寬，如圖13和圖14所示。

3.5 有上橫板的工程導(dǎo)流罩

圖13 車速40 km/h時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（新造型前保）

圖14 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（新造型前保）

在有上橫板的工程導(dǎo)流罩狀態(tài)下，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.839 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.412 kg/s；車速為0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.226 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.353 kg/s。車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)比新造型前保時(shí)降低約11%，冷凝器通風(fēng)量增加6%，怠速時(shí)格柵進(jìn)風(fēng)比新造型前保時(shí)增加約15%，冷凝器的通風(fēng)量變化很小，流入冷凝器的新風(fēng)進(jìn)一步增加，冷凝器制冷能力比新造型前保時(shí)要高。車速為40 km/h及怠速時(shí)，工程導(dǎo)流罩內(nèi)側(cè)氣流速度大，外側(cè)速度低，形成比較明顯的分界，如圖15和圖16所示。

圖16 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（有上橫板的工程導(dǎo)流罩）

3.6 最終方案

在最終方案狀態(tài)下，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.842 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.399 kg/s；車速為0 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)0.204 kg/s，冷凝器進(jìn)風(fēng)0.357 kg/s。相對于新造型前保，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)降低約11%，冷凝器的通風(fēng)量降低約3%；怠速時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)增加3%，冷凝器的通風(fēng)量變化很小。這說明流入冷凝器的新風(fēng)與新造型前保時(shí)的相比有所增加，冷凝器制冷能力也比新造型前保時(shí)要高。相對于基礎(chǔ)狀態(tài)，車速為40 km/h時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)增加約140%，冷凝器的通風(fēng)量增加約2%；怠速時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)增加70%，冷凝器的通風(fēng)量略微減小。車速為40 km/h及怠速時(shí)，最終方案導(dǎo)流罩在冷凝器兩側(cè)有效聚攏了來自格柵的新風(fēng)，阻斷了回流，但沒能夠聚攏流經(jīng)冷凝器上方的新風(fēng)，如圖17和圖18所示。

采用最終方案的樣車進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，以速度40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降至28 ℃，達(dá)到降溫目標(biāo)值30 ℃，頭部平均溫度從60 ℃降到30 ℃，所需時(shí)間縮短（≤10 min），顯著提升了空調(diào)制冷能力。

圖17 車速40 km/h時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（最終方案）

圖18 怠速時(shí)機(jī)艙內(nèi)的氣流速度分布（最終方案）

由該電動(dòng)汽車的最終狀態(tài)和基礎(chǔ)狀態(tài)的對比可知（表1和表2），在車速為40 km/h或0 km/h時(shí)，冷凝器的通風(fēng)量變化小于2%，格柵的通風(fēng)量增長了70%～140%，由于格柵新風(fēng)大幅增長帶來了車輛空調(diào)制冷能力的顯著提高。這說明在整車研發(fā)過程中，電動(dòng)汽車空調(diào)制冷能力不足時(shí)不一定非要加大冷凝器、加大冷卻風(fēng)扇或者更換高功率壓縮機(jī)[5]，增大格柵的通風(fēng)量也是一個(gè)有效辦法。

表1 車速40 km/h時(shí)格柵與冷卻模塊的通風(fēng)量 kg/s

表2 怠速時(shí)格柵與冷卻模塊的通風(fēng)量 kg/s

4 結(jié)論

通過對電動(dòng)汽車機(jī)艙流場的仿真分析，增大格柵開口和配置冷凝器前部導(dǎo)流罩能夠顯著增加車輛低速行駛時(shí)的格柵新風(fēng)進(jìn)氣量，即使通過冷凝器的風(fēng)量變化不明顯，仍能有效提高冷凝器等冷卻模塊的散熱效率，提升空調(diào)降溫能力。