1.       背景描述

随着汽油、柴油等不可再生能源的日趋枯竭，其价格不断上涨且大气污染也日益加剧，最近几年，汽车行业陆续投入到对新能源和新技术车辆的研发中。像可外接充电式混合动力电动车（PHEV）这种新兴的节能环保车辆在逐渐受到世界关注。三菱公司旗下的欧蓝德发布了2016款插电式混合动力车PHEV。这款车型整车热管理分析采用了一维和三维联合仿真的方法，其中一维仿真使用了Flowmaster热流体系统分析软件，其贯穿于前期的概念设计、详细设计以及批量生产等整个研发周期中。

2.       技术难点

目前使用较为广泛的汽车热管理数值计算软件主要分为一维和三维两种，各有优缺点。三维CFD可以考虑更多的细节，并能直观的给出空气流动状态，但它需要庞大的计算资源，精确的输入数据，漫长的等待时间；而一维软件虽然不能考虑所有的细节，却能获得很好的计算结果，尤其是在汽车开发前期，许多数据尚未得知时的热管理计算。当然，如果设计前期许多数据尚未得知时，数据的评估就是其一大难点。为了能更好的发挥各计算工具的有点，在汽车热管理数值计算中，可以结合一维和三维计算工具，互为输入，以此来提高计算精度，降低输入难度。

3.       案例介绍

欧蓝德HVAC系统使用了1D和3D CFD工具优化了空调系统的性能，具体步骤如下：

1）标定Flowmaster空调系统模型

为了准确地对空调系统进行标定，需完成以下步骤：首先，利用现有相似车型的实验数据作为标准，校准AC系统单体元件模型以获得单体元件的性能参数；然后，建立该车型空调系统的Flowmaster模型；之后，对比试验数据与仿真数据，并以此来调整Flowmaster模型中换热器元件的修正系数，确保仿真结果的准确性；最后，调整操作参数范围如环境温度和制冷剂流量等，以获得不同工况下的空调性能。

通过以上步骤的标定，Flowmaster模型可以给出大量工况下的预测值，并且对这些预测值的可靠性进行验证。不仅如此，Flowmaster还可以将汽车元件库中的车舱元件与空调系统模型结合，从而模拟更加接近真实驾驶状态的换热过程，如图1所示。

图1  含车舱元件的Flowmaster HVAC模型

通过上述的计算方法，对欧蓝德新推出的PHEV车型在一种相对极端的行车环境（高温高湿度）下进行了数值模拟分析。分析得出Flowmaster软件仿真曲线与试验曲线具有较高的吻合度。

2）利用标定好的Flowmaster空调系统模型研究元件参数对车辆仿真过程的影响

标定好了空调系统模型后，可以通过改变元件参数来模拟分析元件参数对车辆仿真过程的影响，如替换设备，即将一个换热能力更大的冷凝器替换前置蒸发器等。通过软件计算就可以快速获得这些元件参数变化对空调系统的影响。该方法的实现在整车开发的前期设计阶段具有重大意义。

3）利用当前SUV Flowmaster模型开展对电池冷却系统的研究

当前标定好的Flowmaster空调系统模型还可以进行包含电池系统的一维和三维研究，例如电动汽车在快速充电模式下的电池冷却系统分析。三菱欧蓝德PHEV的电池冷却系统原理图和相应的Flowmaster模型如图2所示。

图2 三菱欧蓝德PHEV电池冷却系统Flowmaster模型

通过Flowmaster仿真计算，获得了电池在快速充电过程中蒸发器出口的温度，包括从10摄氏度到暖通空调空气流量最大时的温度变化，如图3所示。通过结果分析，可以预测整个过程中是否会有过高温度或过低温度点出现，从而进行优化。

图3 Flowmaster软件预测三菱欧蓝德PHEV在快速充电过程中蒸发器出口温度

4）一维和三维联合仿真

除了对空调系统、电池冷却系统的仿真外，该车型的开发过程还进行了一维和三维联合仿真研究，例如在怠速工况下，由于发动机系统周围产生的热量会被带到冷凝器前端从而导致空气侧进口温度的升高，所以需要考虑冷却系统与前端散热器的气流和温度在仿真过程中的影响（如图4所示）。

图4 一维和三维联合仿真SUV在运行和怠速两种工况下温度分布

通过图4可知，一维和三维联合仿真方法考虑到了冷凝器后端风扇和发动机系统循环空气的影响，且其预测结果比单一的仿真结果更加精确。同时，利用联合仿真方法还可以模拟预测发动机冷却系统的某些元件优化设计后系统的运行状况。

4.       总结

三菱公司在前期开发设计阶段，使用Flowmaster软件仿真模拟了欧蓝德PHVE汽车空调系统和电池冷却系统，为后期设计提供了参考，从而缩短了车辆开发和改进周期。与此同时，通过一维和三维的联合仿真分析方法还提出了更为准确的优化设计方案。