轻型汽车技术2020(11-12)技术纵横3技
设计•研究
王雪翠沈玉冉杨凯高辉
(南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）
摘要：针对冷却系统在实车环境中位置结构比较复杂，导致内、外流场不均 匀而难以辨别各因素对其散热性能影响的问题，本文通过1D&3D耦合仿真得到相
关冷却系统零部件散热性能的数据，分析影响散热效果的因素，判断散热性能的好
坏。仿真结果表明散热器进水温度为75.0018尤，出水温度为63.5251^，满足散热需
求，验证了这种冷却系统研究方法的可行性，为冷却系统匹配选型及散热优化设计
提供了参考。
关键词：电动汽车冷却系统建模耦合仿真
1引言
电动车行驶或制动过程中电机和电机控制器 里的逆变器会产生大量的热量，过多的热量会使 部件的温度急速上升，从而导致工作效率下降，严 重的还会影响到使用寿命W冷却系统作为电动汽 车非常重要的一部分，其主要作用是将热量散发 到空气中以防止散热部件过热。冷却系统散热性 能的好坏直接影响着电动车整车性能，散热性能 优化设计目标就是在匹配水阻、风阻性能的基础 上，满足整车动力总成的散热需求，同时实现成本 和质量的最优化p l。
以往的冷却系统热管理研究主要针对传统燃 油车，对电动汽车的冷却系统研究较少，且大多数 采取的方法为使用单独的一维仿真或者是对于局 部部件的三维仿真，但单纯地建立1D仿真模型无 法体现空间位置布置对空气流动的影响，而将局 部部件单独设计和优化也已偏离实际工况。
本文以某款电动汽车水冷系统作为研究对象，采用将冷却系统空气侧模型和水侧模型耦合 仿真的方法得出散热器部件的进出水温度，从而 实现对电动汽车冷却系统进行散热性能的分析。该冷却系统主要零部件布置见图1，图中Q是需 要确定的冷却空气流量,q是需要确定的冷却液流 量，冷却液从驱动电机出口流经控制器、散热器、水泵回到驱动电机入口。
2冷却系统模型仿真
2.1冷却系统空气侧模型仿真
2.1.1冷却系统空气侧3D模型建立
冷却系统空气侧模型主要由散热器、冷凝器 和冷却风扇模型构成。散热器是乘用车发动机冷 却系统的核心零部件，散热器的水阻、风阻影响散 热器水侧和风侧的流动性能，散热器的换热性能 影响汽车动力性pi；冷凝器虽属制冷系统但它一般 集成在散热器的前端，它会散发热量，相当于一个 散热件，影响散热器的散热效果；冷却风扇是汽车 冷却系统的重要组成部分，风扇性能直接影响着
4 技术纵横轻型汽车技术2020(11-12)
图1冷却系统零部件布置图
(a ) (b )
图2冷却系统空气侧3D 模型图：a )组成;b >正视图
散热器的散热效果，进而影响冷却系统的散热性 能。根据所研究车型的设计要求，建立了如图2所 示的模型。
2.1.2冷却系统空气侧模型简化
因为各个部件内部构造比较复杂，无法对其 直接划分网格，必须首先进行简化处理。参考相关 已公开文件，本文对冷却系统做如下简化：
1) 将散热器和冷凝器芯部简化成多孔介质区
域；
2) STAR -CCM +软件不能实现循环仿真，可 以通过多次迭代运算使散热器出口条件和水套人 口条件一致来实现实际过程中的循环流动；
3) 简化冷却系统中的管路。
基于以上简化建立冷却系统模型，如图3所 示。简化后的散热器芯体尺寸为：518x 510x 36mm ，冷凝器芯体尺寸为:436 x 345 x 16mm 。
图3冷却系统空气侧简化模型
2.1.3冷却系统空气侧模型网格划分
将冷却系统连同整车catia 模型导人到Ansa 中进行几何图形处理以及面网格划分，冷却系统 面网格图和整车面网格图如图4所示，整车面网 格采用三角形网格，根据整车结构以及计算需要， 网格尺寸从2m m ~20mm 不等，整车面网格数量为 10943028个，其中冷却系统面网格面网格数量为
766360 个。将Ansa 模型导入到star ccm +中进行整车体 网格划分，如图4所示。采用切割体网格，整车体 网格单元数量为11930721个，冷却系统体网格数 量为491516个。
2.1.4冷却系统空气侧模型仿真条件设置
散热器及冷凝器设置为多孔介质，设置份额 分别如图5所示。
根据文献w 所描述的方法，
由达赛定律可以计
轻型汽车技术2020(11-12)技术纵横 5
124.06kg /m 4
346.26kg /(m 3s )
86.60kg /m 4230.93kg /(m 3s )
仿真工况设置为：额定点车速为30k m /h ，风 扇转速为2200rpm ，环境温度为42T ，环境大气压 强为常规大气压l .〇13bar 。2.2冷却系统水侧模型仿真 2.2.1冷却系统水侧流量模型建立
流量模型的建立主要是为了通过测量冷却系 统部件、冷却管路以及冷却液自身的阻力来确定 冷却液的流量大小。该冷却系统管路如图6所示，中国汽车模型网
替。
根据系统结构图与3D 数模，在Amesime 中 搭建冷却系统管路管道连接1D 流量计算模型，如
图7所示。
2.2.2冷却系统水侧流量模型仿真条件设置
冷却系统各部件内部水阻曲线参数输人如图 8所示。
仿真工况设置为：液气温差23 T ，环境大气压 强为常规大气压l .〇13bar ，冷却液种类为 EG 50W 50 coolant ，冷却系统各管道相对粗糙度为 1.00E -05。
2.2.3冷却系统水侧温度模型建立
散热性能的评价主要以电机出入口水温、控
图4冷却系统空气侧模型网格划分
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图5散热器、冷凝器和风扇设置份额
算出换热器模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数 '计算结果如下表所示。
表1
多孔介质阻力设置
由散热器、控制器、电机、水杲这几个部件由钢管 与橡胶管连接而成。其中水泵是原动件，其余都可 以看成阻性原件，所以在系统模型中用阻尼孔代惯
性阻力
|
粘
性阻力
冷凝器
惯
性阻力
|粘性阻力
散热
器
6 技术纵横轻型汽车技术2020(11-12)
图6冷却系管路连接图
图7冷却系统水侧流量模型
制器出人口水温和热器出人口水温为评价指标[5>。温度模型的建立主要是为了测试出冷却系统中各 个部件的进出水温度，从而判断散热性能的好坏。根据系统结构图与3D数模，搭建冷却系管路管道 连接1D温度计算模型，如图9所示。
2.2.4冷却系统水侧温度模型仿真条件设置
散热器在不同进风风速的的散热量以数表形 式输入，如图10所示。
仿真工况设置为：液气温差231，环境大气 压强为常规大气压l.〇13bai•，冷却液种类为EG50W50 coolant。电机额定点发热量6.6kW，控制器额定点发热量3kW。
2.3 冷却系统空气侧模型和水侧模型耦合仿真
由于冷却系统各部件在空间布置上存在间 距，且各部件芯体表面积不同，因此散热器的进风 分别由冷凝器的出风(热侧)和周围环境的空气进 风(冷侧)组成；实际工况中空气密度随着温度变 化而变化，因此还得采用冷侧和热侧分开进行计 算并耦合的方法可以更加准确地保证3D和1D 仿真结果准确性，具体流程如图11所示。
3仿真结果分析
3.1
冷却系统空气侧模型仿真结果分析
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图9各部件内部水阻曲线参数输入图
1-冷却液数据输入；2-环境参数输入；3-冷却回
路发热部件等效模块；4-水泵模块；5-散热器模
块;6-散热器进水管路；7_散热器出水管路；8-补
水箱回路;9-进风置输入；10-发热模块.
图11耦合仿真图
图10 散热器不同进风风速下的散热置参数输入图
冷却系统的散热效果主要取决于散热器的散 热能力，若散热器散热能力过低，将导致电机等发 热部件温度过高，从而影响部件的使用寿命|S|；为 探究冷却空气速度分布不均对散热器散热性能的 影响，截取散热器和冷凝器表面冷却空气速度分 布云图，见图12。根据仿真结果，散热器的表面进 风风速为2.9572m/s，冷凝器的表面进风风速为 2.6953m/S。图11(a)为冷凝器表面的进风速度云 图，呈半环状分
布，从上面到下面，速度先升后降，原因是冷凝器与散热器间距较小，受后方冷却风 扇转动的影响，但冷凝器要比散热器截面积要小，所以速度分布云图只是半环状。从图12(b)可知，散热器表面冷却风速呈明显不均匀环状分布，从 外围到中心，速度先升高后降低，在风扇叶片投影 区域达到最大值，散热器四周边缘区域冷却风速 最小。这主要由于风扇与散热器间距较小，空气受 到风扇叶片（加速）和风扇轮毂（阻碍）的双重作 用
。
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