CN114964825B - 车辆散热性能的评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车辆散热性能的评估方法及系统，具体涉及汽车散热评估领域，评估方法包括以下步骤：步骤S1，安装数据采集装置，布置流量和压力检测点；步骤S2，进行静态加注特性试验，计算出膨胀水箱的膨胀容积，记录的加注量和加注时间；步骤S3，进行排气效果试验，通过在排气管路增加压力测点，对排气压力进行量化，检验排气效果；步骤S4，进行流量分配和流阻特性试验，分析大循环和小循环的流量分配特性和流阻特性；步骤S5，综合评估车辆散热性能，分别对静态加注特性试验结果、排气效果试验、流量分配结果评分，根据评分和权重综合评估车辆散热性能。
Description
技术领域
本发明涉及车辆散热评估技术领域，更具体地说，本发明涉及一种车辆散热性能的评估方法及系统。
背景技术
汽车主要分为六大系统，分别为：润滑系统、点火系统、冷却系统、启动系统、燃油供给系统、电器辅助系统，它们之间相互配合，保证了汽车的正常行驶。其中冷却系统用于防止发动机过热，良好的冷却系统保证了车辆的散热性能，车辆散热性能的评估即车辆冷却系统的评估。
汽车冷却系统分为两种类型：液冷和风冷。液冷汽车的冷却系统通过发动机中的管道和通路进行液体的循环，当液体流经高温发动机时会吸收热量，从而降低发动机的温度，液体流过发动机后，转而流向热交换器或散热器，液体中的热量通过热交换器散发到空气中。风冷汽车采用风冷技术，这种冷却方法不是在发动机中进行液体循环，而是通过发动机缸体表面附着的铝片对气缸进行散热，功率强大的风扇向这些铝片吹风，使其向空气中散热，从而达到冷却发动机的目的。
汽车热源主要来源于电堆、空压机、驱动电机及DC/DC，在汽车设计中通过匹配合适的散热器、水泵、风机等主要部件来保证汽车散热性能。
目前能实现测量整车冷却系统流量分配的试验主要有：汽车热平衡道路试验、整车转毂热平衡试验、发动机台架热平衡试验和冷却系统零部件试验4种方法。
汽车热平衡道路试验一般采用爬长坡和负荷牵引拖车方法进行，需要苛刻的道路和天气条件，试验周期长，且无法测量冷却系统流量分配；整车转毂热平衡试验成本高，无法测量冷却系统流量分配；发动机台架热平衡试验虽然可以精确控制发动机转速及负荷，但是难以模拟整车冷却系统布置，无法反映冷却系统整车真实状态；冷却系统零部件试验仅针对单个部件如水泵、散热器、暖风等进行相关性能试验，缺乏整个系统的匹配试验。
综上所述，现有测量方法主要存在试验条件苛刻、周期长、成本高、无法测量冷却系统流量、空间受限、零部件试验不系统的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种车辆散热性能的评估方法及系统，通过整车散热性能评估试验以及在整车散热性能评估试验的基础上，利用GT-COOL软件建立了全功率燃料电池汽车热管理系统仿真计算平台，同时将上述平台、模型存储在计算机中，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车辆散热性能的评估方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，安装数据采集装置，布置流量和压力测点，在汽车的水泵排水口、水泵出水口、风机排气口、散热器进水室、散热器出水室，安装温度传感器、压力传感器，流量传感器；
步骤S2，进行静态加注特性试验，即检测汽车第一次加注冷却液时的加注量和加注时间，首先将膨胀水箱下端出水口堵住，然后将冷却液加注到膨胀水箱最大液位线处，利用量筒继续加注冷却液至膨胀水箱泄气口处，计算出膨胀水箱的膨胀容积，再将冷却系统冷却液完全放出，以一定速率向膨胀水箱加入冷却液，冷却液流量控制在240L/min以内，加注直至冷却液液位到达最大液位线处且不再下降，记录此时的加注量和加注时间；
步骤S3，进行排气效果试验，在冷却系统静态加注完成后，利用电机反拖发动机水泵工作，同时驱动电动水泵对冷却系统进行排气，试验通过在排气管路增加压力测点，对排气压力进行量化，从而检验排气效果，检测标准为：水泵启动后10min内，除尽加注时积存在冷却系统内的空气；
步骤S4，进行流量分配和流阻特性试验，分析大循环和小循环的流量分配特性和流阻特性，在试验进行前，利用加压设备将冷却系统内压力增加为bar(1bar＝105Pa)，在试验过程中，发动机转速由怠速升高至额定转速，相邻转速间隔为500r/min，对于电动水泵，水泵由信号发生器控制脉冲宽度调制(PWM)信号运转，实时监测各测点压力和流量数据，得到流量分配结果和流阻特性曲线；
步骤S5，综合评估车辆散热性能，分别对静态加注特性试验结果、排气效果试验、流量分配结果评分，评分参照检测标准，满足或者优于标准为“10分”，不满足标准则每低于10％降低“2分”；再设置各试验权重参数为：静态加注特性试验结果权重为40％，排气效果试验结果权重30％，流量分配特性权重30％，最后根据评分和权重综合评估车辆散热性能。
优选的，所述步骤S2中，静态加注特性试验的检测标准为：冷却系统一次性加满率应大于总容积的95％，加注时间应小于10min，同时膨胀水箱的膨胀容积应大于系统容积的6％。
优选的，所述步骤S4中，小循环流量分配标准为：发动机转速为1500r/min时，暖风流量大于10L/min；大循环流量分配为：发动机转速为1500r/min时，散热器流量大于180L/min。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车辆散热性能的评估系统，基于GT-COOL软件建立车辆散热性能评估系统，即一种仿真评估平台，对车辆散热性能进行分析，包括搭建车辆产热模型、搭建车辆散热模型、评估模块、计算机可读存储介质，所述车辆产热模型用于计算得到车辆产热功率，所述车辆散热模型用于计算车辆散热功率，所述评估模块根据车辆的产热、散热情况评估车辆散热性能，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现评估系统。
所述车辆产热模型，根据电池电堆、驱动电机、空压机、DC/DC的发热特性和温度要求，设计热管理方式和系统结构，并将其有机地组合起来，最终搭建起整车热管理系统模型，根据待评估车辆主要部件散热参数，根据散热参数得到产热功率，产热功率＝输出功率/效率-输出功率
优选的，所述车辆散热模块，包括散热器、水泵、风扇的散热特性模型，根据散热部件的模型，计算散热量，所述散热器内存在两种流体流动，即液侧和空气侧，当散热器表面与两种流体之间的热交换率达到平衡时，可以得出散热器表面的温度，公式如下：
式中：h为传热系数；A为传热面积；ΔT为流体与壁面温度的差；ρV为散热器材料的密度；下标M代表散热器的液侧，为冷却剂与散热器壁之间的传热；下标S代表散热器的空气侧，为散热器壁与周围空气之间的传热。
在一个优选地实施方式中，所述水泵的特性曲线由下列方程组描述：
式中：V0为泵的最大容积流量；b为压升指数；Vr为泵的参考容积流量；Δp为压力增量。
本发明的技术效果和优点：
1，本发明提供的车辆散热性能的评估方法，具有试验周期短，研发成本低的特点，试验过程简单，明确整车冷却系统的静态加注特性、流量分配和流阻特性以及排气效果，评价整车散热系统是否符合设计要求；
2，本发明提供的车辆散热性能的评估系统，通过建立仿真评估模型，对汽车热散热性能指标进行全面分析，为汽车散热系统设计与分析提供依据。
附图说明
图1为本发明的评估方法示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
为实现本发明目的，本实施例的评估对象为全功率燃料电池汽车，热源主要包括燃料电池电堆、驱动电机、空压机、DC/DC，散热部件主要包括：散热器、水泵、风机，燃料电池电堆的最大发热功率为105kW，采用液冷的方式进行冷却，冷却回路由燃料电池电堆、水泵、散热器、风扇、节温器和管路组成，汽车启动时，电堆温度未达到适宜的温度区间(60～85℃)，小循环开启，即冷却液不经过散热器；当电堆温度升至理想工作温度后，电堆不断产生热量，温度继续升高，大循环开启，冷却液流过散热器散热，降低冷却液温度。
本发明提供了如图1所示的一种车辆散热性能的评估方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，安装数据采集装置，布置流量和压力测点，在汽车的水泵排水口、水泵出水口、风机排气口、散热器进水室、散热器出水室，安装温度传感器、压力传感器，流量传感器；
步骤S2，进行静态加注特性试验，即检测汽车第一次加注冷却液时的加注量和加注时间，首先将膨胀水箱下端出水口堵住，然后将冷却液加注到膨胀水箱最大液位线处，利用量筒继续加注冷却液至膨胀水箱泄气口处，计算出膨胀水箱的膨胀容积，再将冷却系统冷却液完全放出，以一定速率向膨胀水箱加入冷却液，冷却液流量控制在240L/min以内，加注直至冷却液液位到达最大液位线处且不再下降，记录此时的加注量和加注时间；
步骤S3，进行排气效果试验，在冷却系统静态加注完成后，利用电机反拖发动机水泵工作，同时驱动电动水泵对冷却系统进行排气，试验通过在排气管路增加压力测点，对排气压力进行量化，从而检验排气效果，检测标准为：水泵启动后10min内，除尽加注时积存在冷却系统内的空气；
步骤S4，进行流量分配和流阻特性试验，分析大循环和小循环的流量分配特性和流阻特性，在试验进行前，利用加压设备将冷却系统内压力增加为bar(1bar＝105Pa)，在试验过程中，发动机转速由怠速升高至额定转速，相邻转速间隔为500r/min，对于电动水泵，水泵由信号发生器控制脉冲宽度调制(PWM)信号运转，实时监测各测点压力和流量数据，得到流量分配结果和流阻特性曲线；
步骤S5，综合评估车辆散热性能，分别对静态加注特性试验结果、排气效果试验、流量分配结果评分，评分参照检测标准，满足或者优于标准为“10分”，不满足标准则每低于10％降低“2分”；再设置各试验权重参数为：静态加注特性试验结果权重为40％，排气效果试验结果权重30％，流量分配特性权重30％，最后根据评分和权重综合评估车辆散热性能。
进一步的，所述步骤S2中，静态加注特性试验的检测标准为：冷却系统一次性加满率应大于总容积的95％，加注时间应小于10min，同时膨胀水箱的膨胀容积应大于系统容积的6％。
进一步的，所述步骤S4中，小循环流量分配标准为：发动机转速为1500r/min时，暖风流量大于10L/min；大循环流量分配为：发动机转速为1500r/min时，散热器流量大于180L/min。
为实现本发明目的，本发明提供了一种车辆散热性能的评估系统，基于GT-COOL软件建立车辆散热性能评估系统，即一种仿真评估平台，对车辆散热性能进行分析，包括搭建车辆产热模型、搭建车辆散热模型、评估模块、计算机可读存储介质，所述车辆产热模型用于计算得到车辆产热功率，所述车辆散热模型用于计算车辆散热功率，所述评估模块根据车辆的产热、散热情况评估车辆散热性能，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现评估系统。
所述车辆产热模型，根据电池电堆、驱动电机、空压机、DC/DC的发热特性和温度要求，设计热管理方式和系统结构，并将其有机地组合起来，最终搭建起整车热管理系统模型，根据待评估车辆主要部件散热参数，如下表：
汽车主要散热部件散热参数表
| 部件 | 输出功率P1/(KW) | 效率η/％ | 输出功率P2/(KW) |
| 电堆 | 100 | 48 | 104 |
| DC/CD | 40 | 91 | 3.5 |
| 驱动电机 | 84 | 93 | 5.5 |
| 空压机 | 18 | 60 | 12.7 |
根据散热参数得到产热功率，所述产热功率＝输出功率/效率-输出功率，其中，电堆的最佳工作温度范围为60～85℃，需要根据车用工况对电池进行热管理，在高温时通过冷却系统降低电池温度，同时冷却液流量控制在240L/min以内，为了保证汽车安全和高效运行，需将电机出口冷却液温度控制在65℃以内，空压机出口温度控制在100℃以内，DC/DC温度控制在60℃以内。
所述车辆散热模块，包括散热器、水泵、风扇的散热特性模型，根据散热部件的模型，计算散热量，所述散热器内存在两种流体流动，即液侧和空气侧，当散热器表面与两种流体之间的热交换率达到平衡时，可以得出散热器表面的温度，公式如下：
式中：h为传热系数；A为传热面积；ΔT为流体与壁面温度的差；ρV为散热器材料的密度；下标M代表散热器的液侧，为冷却剂与散热器壁之间的传热；下标S代表散热器的空气侧，为散热器壁与周围空气之间的传热。
所述水泵本发明拟采用的水泵形式为离心式，水泵产生的热量较小，对冷却液温度的影响可以忽略不计，水泵的特性曲线由下列方程组描述：
式中：V0为泵的最大容积流量；b为压升指数；Vr为泵的参考容积流量；Δp为压力增量。
所述风扇风机模型表示为：V＝V0-a(pr-1)b，式中：V0为风机的最大体积流量；b为压力上升指数；Pr为压力升高率。
所述评估模块，根据产热量与散热量的差值计算散热量缺口，评估车辆的散热性能。
在实施例中所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。
本申请实施例可以应用于计算机系统/服务器，其可与众多其他通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与计算机系统/服务器一起使用的众所周知的计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境。
计算机系统/服务器可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令(诸如程序模块)的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种车辆散热性能的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，安装数据采集装置，布置流量和压力检测点，在汽车的水泵排水口、水泵出水口、风机排气口、散热器进水室、散热器出水室，安装温度传感器、压力传感器，流量传感器；
步骤S2，进行静态加注特性试验，即检测汽车第一次加注冷却液时的加注量和加注时间，首先将膨胀水箱下端出水口堵住，然后将冷却液加注到膨胀水箱最大液位线处，利用量筒继续加注冷却液至膨胀水箱泄气口处，计算出膨胀水箱的膨胀容积，再将冷却系统冷却液完全放出，以一定速率向膨胀水箱加入冷却液，冷却液流量控制在240L/min以内，加注直至冷却液液位到达最大液位线处且不再下降，记录此时的加注量和加注时间；
步骤S3，进行排气效果试验，在冷却系统静态加注完成后，利用电机反拖发动机水泵工作，同时驱动电动水泵对冷却系统进行排气，试验通过在排气管路增加压力测点，对排气压力进行量化，从而检验排气效果，检测标准为：水泵启动后10min内，除尽加注时积存在冷却系统内的空气；
步骤S4，进行流量分配和流阻特性试验，分析大循环和小循环的流量分配特性和流阻特性，在试验进行前，利用加压设备将冷却系统内压力增加为bar，在试验过程中，发动机转速由怠速升高至额定转速，相邻转速间隔为500r/min，对于电动水泵，水泵由信号发生器控制脉冲宽度调制信号运转，实时监测各测点压力和流量数据，得到流量分配结果和流阻特性曲线；
步骤S5，综合评估车辆散热性能，分别对静态加注特性试验结果、排气效果试验、流量分配结果评分，评分参照检测标准；再设置各试验权重参数为：静态加注特性试验结果权重为40％，排气效果试验结果权重30％，流量分配特性权重30％，最后根据评分和权重综合评估车辆散热性能。
2.根据权利要求1所述的一种车辆散热性能的评估方法，其特征在于：所述步骤S2中，静态加注特性试验的检测标准为：冷却系统一次性加满率应大于总容积的95％，加注时间应小于10min，同时膨胀水箱的膨胀容积应大于系统容积的6％。
3.根据权利要求1所述的一种车辆散热性能的评估方法，其特征在于：所述步骤S4中，小循环流量分配标准为：发动机转速为1500r/min时，暖风流量大于10L/min；大循环流量分配为：发动机转速为1500r/min时，散热器流量大于180L/min。
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