混合动力汽车冷却系统应用简介

1、项目概述

原型机改造是开发混合动力车型一个可行的解决方案。本开发项目基于原有的发动机模型(DOHC,1.6litre,4缸),将FEAD驱动的动力转向和冷却水泵替换为12V电动机驱动。项目实施中,工程师利用Flowmaster建立冷却系统模型,模型涵盖四种不同的水泵配置方案。为准确考察各种真实的环境条件,工程师还通过集成MATLAB Simulink软件模拟运行了4种不同的工况条件:VMAX(热环境),巡航(热环境),拖车牵引(正常环境)和山地(高海拔环境)。

水泵初步选型表明这4种水泵配置都不满足冷却系统使用要求。然而,工程师们变更原冷却系统模型进一步来分析了新方案系统的流量特性,计算结果表明散热器所需流量远小于现有水泵的容量。例如,在某一工况下,水泵的预测流量为107 lpm,而散热器所需流量只有63 lpm。因此,水泵全速运行下节温器只是部分开启(45%)。当替换为电动水泵后,通过重新校准恒温器,水泵在较小流量下运行仍能满足散热器流量要求。

2、项目内容

混合动力汽车的每个电气系统都需要有自己的冷却系统,因此混合动力汽车需要增加更多的散热器。这些散热器集中安装于发动机舱中,为了能够满足空间尺寸限制及保证冷却系统足够的冷却能力,工程使用Flowmaster开展了冷却系统的仿真分析。


1前排散热器布置

2 HEV散热器冷却包模型

项目中主冷却系统分析的主要目的是:将原系统中的皮带驱动泵替换为较小容量的电驱动水泵,验证冷却系统是否仍然满足引擎充分冷却的要求。工程师使用Flowmaster建立多个复杂散热器构成的冷却包仿真模型,利用空气侧模块将进气流分割为不同的“路径”,使之进入冷却包的不同区域,考虑了散热器表面不同气流分布与散热器之间相对位置对冷却系统换热及流动的影响。通过开展多个工况计算,广泛分析了系统内温度、流量、压降分布等运行参数。与测试数据相比,仿真结果误差在5 ˚C内,平均误差为小于2˚C。该系统模型经验证后,被用作后续开发工作的仿真分析中。

2)二次冷却回路(逆变器驱动单元歧管设计)

歧管内部结构设计采用6种不同的方案,逆变器冷却盘为一组并联的冷却通道。工程师建立仿真模型分析了不同尺寸集液管与分流管下冷却通道的流量分配。计算结果表明:管径小于45mm时,冷却通道内流量不均匀,而采用大于45mm的管径则会影响到安装。基于此结论,系统设计改为矩形截面管道方案。与耗时量大的3D仿真分析相比,Flowmaster可帮助工程师快速确定领先设计方案。


3二次冷却回路模型(逆变器)

3、项目结论

Flowmaster作为汽车行业研发领域著名的辅助设计与分析工具,其快速精确的求解能力,能够很方便地帮助工程师对比分析不同的设计方案,从而指导最终方案的优化与确认,最终实现新产品开发周期的缩短与成本节约。


燃料电池发动机应用

以清洁和可再生燃料氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池凭其高效、低温高功率密度、快速启动和零排放的特点引起人们的高度重视,最有可能成为新能源汽车的动力装置。PEM燃料电池发动机的工作效率大概在40~60%之间,理想工作温度约为65℃。温度是影响其性能的主要因素之一:低温时,欧姆阻抗增大,电池性能恶化。高温时电导率下降,影响电池寿命。燃料电池工作时会产生大量的废热,其中95%以上通过冷却循环水带走,从而保证燃料电池在合适的温度下工作。因此,冷却系统能带走多少废热对燃料电池发动机温度控制具有决定性作用。

PEM燃料电池及仿真模型


燃料电池发动机冷却系统模型


燃料电池双极板温度

图为燃料电池及冷却系统仿真模型。Flowmatser提供的元件库不仅能满足冷却水泵、节温器、管道等基本部件的建模要求,同样还可以满足燃料电池冷却系统建模的特殊要求,如使用质量源元件模拟双极板质量、热桥元件模拟冷却液与固体间的对流换热、热源元件模拟电池放热量等方式。燃料电池汽车的行驶性能及充电的便利性很大程度上取决于电池的性能。而电池的性能特性,如能量密度、输出特性、使用寿命等都与工作温度直接关联。使用Flowmaster搭建完整的燃料电池发动机冷却系统模型,开展仿真计算,预测燃料电池及冷却系统在各种驾驶工况下(如暖起、怠速、高速等)的流量分配、温度分布、压力分布等变化规律,从而帮助系统工程师评估及优化冷却系统设计方案。