5.2.2.1 动力系统热管理性能的目标分解及方案设计

动力系统热管理各系统性能的设计方法基本一致，下面以发动机冷却系统为例进行说明。

1.动力系统热管理系统设计参数的确定

动力系统热管理系统的目标是由动力系统的散热需求确定的，动力系统的散热需求则是由动力系统的工况决定的。目前，各主机厂选用的动力系统不同，其冷却液温度目标值和验证工况也不相同。动力系统热管理系统的设计参数是依据5.1节中设定的整车性能目标和相应验证工况来初步确定的，典型设计参数见表5-6。

2.动力系统热管理系统性能目标的确定

基于设计参数和相关的整车基本参数，见表5-7，计算得到整车各工况的行驶阻力：

式中，F_f为滚动阻力（N）；F_W为空气阻力（N）；F_i为坡度阻力（N）；F_j为加速阻力（N），按下列公式计算。

式中，G为整车重力（N），是汽车质量m与重力加速度g的乘积；f为轮胎滚动阻力系数；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积（m2），即汽车行驶方向的投影面积；ρ为空气密度（kg/m3）；V为相对速度（m/s），在无风时等于车速；α为汽车行驶坡度（%）；δ为汽车旋转质量换算系数；m为汽车使用工况下的车重（kg）；du/dt为行驶加速度（m/s2），匀速行驶时为0；u_a为汽车行驶速度（km/h）；N_eng为发动机转速（r/min）；r为车轮滚动半径（m）；i_g为变速器传动比，根据工况确定；i₀为主减速比。

根据以上公式计算得到不同档位下的行驶阻力曲线，考虑负载，并结合发动机的外特性参数和驱动力曲线可以初步确定各工况对应的档位和车速范围。以低速爬坡工况为例，驱动力-行驶阻力的曲线如图5-18所示。由图5-18可判定，该工况的变速器档位为2档，车速范围在85km/h以下，据此确定和计算该工况下的发动机转速、转矩等参数。其他工况采用类似方法，最终确定动力系统热管理性能的设计工况，见表5-8。

基于以上设计工况，结合动力系统热管理系统的流量曲线、发动机热平衡MAP及变速器放热量MAP，如图5-19～图5-21所示，即可确定各设计工况下的热管理需求热量和流量，见表5-9。

3.主要零部件的性能目标分解

（1）散热器的性能目标分解 上一步确定的热管理系统的目标散热量就是发动机散热器需要带走的热量。因此，根据式（5-7）和式（5-8），结合经验数值，可以预估各工况下的散热器风量需求，由此可确定散热器的性能目标，见表5-10。

式中，Q_r为散热器换热量（W）；C_l为冷却液的比热（J/（kg·K））；M_l为冷却液流量（kg/s）；T_{l_in}为散热器冷却液进口温度（°C）；T_{l_out}为散热器冷却液出口温度（°C）；C_a为空气的比热［J/（kg·K）］；M_a为空气的进风量（kg/s）；T_{a_in}为散热器进风温度（°C）；T_{a_out}散热器出风温度（°C），根据经验可取90～100°C；Q_c为冷凝器放热量（W），根据各工况空调运行状态确定；T_amb为冷凝器进风温度（°C），通常比环境温度高1～2°C。

（2）冷却风扇的性能目标分解 首先利用5.2.1节的CFD仿真结果及基础车的测试值，求解不同发动机舱进气量时的整车发动机舱通风阻抗，该阻抗是不考虑冷却模块时的其他部件的阻力，得到阻抗-流量曲线，如图5-22所示。然后将选型得到的冷凝器和散热器风阻曲线叠加，可以得到前端空气回路的总通风阻力曲线，如图5-23所示。

车辆行驶时，格栅前端有进风的正向压力，通过CFD仿真可以计算出车速风利用系数C_p，从而计算出设计工况下车辆前端的压降Δp=C_pρV2/2，最后将上述的总通风阻力曲线沿Y轴向下平移Δp，得到该行驶工况下的通风阻力曲线。不同行驶工况可以得到多条曲线。

在一定车速范围内，发动机舱通风通道进、出口均为大气压，冷却风扇作为冷却模块进风通道的动力源，风扇性能与阻力曲线的交点即为散热器的进风量，因此将某设计工况下散热器的需求风量在对应阻力曲线上取值，得到风扇在该工况下的性能要求。多个工况下可以得到多个点，得到风扇的多工况性能需求曲线。