原创汽车热管理解决方案

 2015-7-20 10:31  1023 11 11 分类: 消费电子

1. 汽车的热问题

² 汽车机舱和底盘的热问题

发动机的排气管、涡轮增压器、三元催化器、柴油颗粒捕集器等受热件的温度非常高，一方面需要通过合理设计的进气格栅、散热器、风扇来保证这些受热件的温度不超过危险值；另一方面，高温下辐射传热的贡献和对流传热相当，需要通过合理设计的隔热罩、导流罩等来减小受热件对舱内的塑料管件、线束、油箱、油管、电子器件等的高温辐射以保证这些器件的温度在合理的范围内。

由于汽车的工况复杂多变，在不同工况下由于换热方式改变会引起机舱或底盘的热状况发生显著变化，如果仅仅进行各工况的稳态分析，很难发现工况改变的过渡阶段的潜在热问题。例如从高速路上巡航后转到服务区停车的过程中，由于停车后没有对流换热散热、而发动机的热量尚需时间逐渐散发，这时就会有部分部件的温度比巡航时的温度更高，这些部件也更容易这这一过程中损坏。

国内对发动机受热件的热分析往往采用流体计算工具，在假定受热件壁面温度或热流二者之一的条件下求取对流换热系数。这种方式可以较准确地考虑对流换热，如果同时考虑高温环境下热辐射的重要影响，由于流体力学的原理复杂导致流体仿真很难收敛，或者仿真周期、尤其是瞬态仿真的周期十分漫长。

² 汽车乘员舱热问题

乘员舱热舒适性是一个综合性瞬态分析项目，受到空调和出风口设计、地面环境和天气状况（太阳载荷、气温、风速、地形等）、车体材料和喷漆、发动机的生热、玻璃窗等材料透射、乘客的生理条件等诸多因素的影响。

目前通常通过流体计算工具仿真乘员舱内的空气温度，以此评价舒适性。一方面，瞬态分析的计算周期十分漫长，对于太阳载荷、天气环境和玻璃等透射性材料无法真实地进行模拟；另一方面，受环境、出风口等的影响，舱内乘员的不同部位的受热状况并不均匀，因此简单地通过舱内气体温度来评价是否舒适显得不够精细，难以用于指导具体的热舒适性设计。

² 汽车电池舱热问题

电池是一个对热很敏感的汽车零部件，温度对电池的充放电性能、使用寿命等都有很大的影响，并且在极端的情况下会引起电池的爆炸。这就需要在混合电动车研发时，对整车进行热分析，考虑太阳辐射等自然环境和各种驾驶工况对电池包的热影响，进行合理的散热设计，既保证汽车能在各种工况下正常工作，也考虑到电池舱与整车其他系统之间的相互热影响。

² 汽车刹车热问题

汽车刹车系统采用摩擦制动方式，依靠刹车盘和刹车片之间的摩擦阻力进行制动，制动过程中由于摩擦生热导致刹车系统温度升高，当刹车盘和刹车片温度高于特定数值后，摩擦副之间的摩擦系数将迅速下降，形成刹车系统的热衰减，甚至导致刹车失效；另外由于温度升高也可能导致刹车盘产生热裂纹，导致刹车系统的破坏。为了在车辆设计阶段选配合适的刹车系统，避免车辆使用过程中刹车失效事故的产生，可在车辆设计阶段对刹车系统及整车进行仿真分析，预测刹车系统性能，为刹车系统的选型和设计提供参考依据。

² 汽车整车热测试问题

整车的热测试不仅要考虑车辆的行驶工况，还要有周围环境的影响，甚至有一些很难实现的自然因素，比如日照条件等，如果能通过仿真手段实现测试条件的模拟，不仅可以保证试验条件具有很好的重复性，而且可以在实车试验之前就发现潜在的热问题从而降低测试成本、缩短研发周期。

总之，汽车的工作环境复杂，不仅要能够适应沥青或水泥里面、雪地、沙漠、草地甚至水面等多种不同的地理环境，还要能够适应风雨、日照、湿度等多变的天气条件，从而实现全天候工作；车体内部某些部件和人员同时会产生大量的热，车身和内部设备可能是复合材料、透明材料等构成，同时汽车往往会连续工作数小时甚至几天，要评估在这些复杂多变的环境条件下长时间工作潜在的热故障或隐患，就需要借助高效的仿真手段来快速预测，评估复杂环境下系统在几小时甚至几天内的温度、热流等分布，及其对系统中关键部件的结构性能的影响，从而为防热、散热、隔热等提供总体的设计思路及数据参考。另外，为了乘员的舒适性和电池的寿命，还需要通过合理的空调设计、电池舱散热设计等改善乘员舱和电池舱内的热环境。

2. 汽车热分析的典型应用

² 发动机舱热管理

国内某汽车厂利用Radtherm完成了某车型发动机舱的热分析。在这个项目中，发动机舱内的对流传热系数及流体温度由Star CCM+给出稳态结果，Radtherm考虑热辐射等因素分析发动机舱的瞬态热状况，计算结果与实测得到的发动机部分零部件的温度十分吻合，从而通过快速地仿真计算即很好地完成了发动机舱的隔热设计。

² 整车热管理

在福特某车型的热分析项目中，采用Radtherm的一维流动分析功能模拟了排气管内的传热状态，并耦合了CFD工具计算的外流场对流换热结果，进而在Radtherm中对比分析了排气系统隔热罩厚度及材料改变、车窗玻璃透射率改变等条件下排气系统及发动机舱的热状况，最终制定了排气系统热防护罩的设计方案及底盘零部件布置方案。

² 排气系统热分析

沃尔沃利用Radtherm分析了排气管热状态的瞬态特性。在验证过程中，沃尔沃S40带拖车先在平直公路上行驶30分钟，然后爬坡20分钟，最后在平路上停车20分钟。

Radtherm分析了排气管出口处温度在整个70分钟的瞬态过程中的变化情况，实测了这种工况下该处的温度结果，二者吻合得很好。测试和仿真结果显示，排气管出口在停车初期的温度甚至超过了大负荷爬坡过程的温度。这也表明发动机排气系统的热分析中，一定要考虑恶劣工况下的瞬态过程，否则不能发现潜在的热故障。

² 乘员舱热管理

Radtherm在大众的奥迪轿车空调设计上的应用则充分展示了其在整车热设计及其人体舒适度模块在空调优化上的强大功能。奥迪轿车的热分析项目中Radtherm考察了该车的空调系统在夏季沙漠中的性能，分析了多种被动热控措施的效果，最终在采用较小功率的空调系统下就达到了较好的整车热状况并改善了乘员的热舒适性。

3. 热管理平台

依托国内外汽车行业广泛采用的综合性热分析工具Radtherm，融合多个工具的优势，可以实现汽车系统级的传热方案设计、详细的传热性能评估、详细的热影响分析以及多层次的自动参数优化。

3.1. 一维多学科系统仿真

系统级的传热方案设计基于一维多学科系统仿真工具Dymola进行，通过简单的元件拖拽和连线、或者具体的方程输入来快速搭建汽车或其子系统的系统级功能模型，可以考虑传热传质、控制等多学科的因素，着重分析各个子系统的性能参数对整体热平衡的影响；同时，可以借助多学科优化工具Optimus进行系统参数优化，从而确定总体的换热模式、散热结构尺寸、换热介质的热物理性质参数、结构参数、总热容量等，获得满足系统温度要求的最佳总体设计方案，并为三维热设计提供总体模型参数，同时为详细的传热性能评估提供边界条件。

3.2. 三维瞬态热仿真分析

根据系统仿真并优化选出的总体设计方案，在三维建模工具Catia中完成产品结构和布局设计，再在强大的有限元前处理工具Hypermesh中建立结构网格和流体网格分别用于详细的传热分析和对流分析。

详细的热性能评估基于三维热分析工具Radtherm进行，可以导入真实的天气数据，模拟太阳照射、云层遮挡、地表反射等自然环境和天气条件的影响，高效计算透明材料等的热辐射，全面考虑热传导、对流换热和热辐射三种传热方式，分析各种环境或工况下各部件的温度分布和热流变化历程；可以分析基于假人模型的人体舒适度状态，用于空调设计或热控系统的详细传热性能评估；内嵌先进的电池模型，考虑热与电的耦合影响，用于单体电池热分析或者电池包热管理。

对于简单的对流传热过程，Radtherm内嵌的对流换热库即可快速根据流速、流量等计算出换热系数；流动非常复杂的热状况，可以利用常用CFD工具（Fluent或StarCCM+）与Radtherm的直接接口传热-流动的耦合分析，由CFD工具提供对流边界给Radtherm以共同完成高精度长时间瞬态变化过程热分析。

详细热性能评估得到的温度场结果等可以直接通过Radtherm的有限元接口输出相应的格式，由非线性有限元仿真工具Abaqus等进行热强度分析，进而根据结构热强度分析预测系统的热应力、热变形和热疲劳状况；同时可调用Optimus进行隔热材料、几何参数等方面的优化，通过优化材料参数和结构参数以降低热应力和热变形，提高系统的可靠性。

3.3. 过程集成和优化设计

Optimus采用图形操作界面，可快速整合产品设计过程中的各种CAD/CAE软件进行仿真流程集成，实现自动化的仿真、方案对比，综合考虑力、热等多个学科的约束条件及优化目标，结合全局寻优算法与局部寻优算法，快速精确获得满足设计要求的最优设计参数组合及性能指标；支持多目标优化以及离散量优化，提供算法接口，用户可自定义优化算法。应用到系统设计过程中，在提高产品合格率及可靠性的同时，降低生产成本，提高整体的经济效益。