Flowmaster新能源汽车应用解决方案

1、背景概述

当前，随着社会经济水平的不断发展，能源供给和环境污染问题变得越来越严重。在汽车行业，以节能和新能源汽车为主攻方向的新一轮国际产业竞争已全面展开。国外各主要汽车生产国一方面通过更加严格的油耗和二氧化碳排放标准法规，提出“低碳汽车”“绿色汽车”等概念，积极发展和应用汽车先进节能技术，巩固技术领先优势，强化技术壁垒。另一方面将发展新能源汽车上升为国家战略，大力扶持新能源汽车研发，推进产业化。可以确定，汽车动力系统电动化转型已成为汽车技术发展的必然趋势。

新能源汽车在全球范围内的研发与推广，为我国汽车工业的跨越式发展提供了前所未有的机遇与挑战。在激烈的市场竞争与严格的政策规定下，提高自主创新能力、实现转型升级成为国内汽车厂商生存与发展的必然选择。因此，未来汽车产品质量和技术水平的竞争将变得更为激烈。而就目前来看，我国新能源汽车的研发能力与国际先进水平仍有一定差距，如动力电池的使用寿命、充放电能力、能量管理、整车热管理等方面。CAE技术的发展与应用，促进了产品研发效率的提高。而运用先进的系统仿真工具开展新能源汽车辅助设计与分析工作，可显著提高产品设计水平与改善产品质量。

Flowmaster汽车版作为一款面向汽车行业的热流体系统仿真分析软件，提供了种类丰富的汽车专用元件库，被国内外众多著名汽车厂商选用并广泛应用于润滑、空气侧、空调、冷却、排气、燃油喷射系统及整车热管理等方面的设计分析工作。

2、混合动力汽车冷却系统设计

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，工程师使用Flowmaster深入地开展了冷却系统的仿真分析。

图1前排散热器布置

图2 HEV散热器冷却包模型

原型机改造是开发混合动力车型一个可行的解决方案。该项目中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。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。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。

3、逆变器冷却回路

逆变器歧管内部结构设计采用了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。

图3逆变器冷却回路模型

4、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。

图4 PEM燃料电池及仿真模型

图5 燃料电池发动机冷却系统模型

图6燃料电池双极板温度