熱管理系統(tǒng)建模案例：乘員艙回路、空調(diào)制冷、控制

大家好，本系列文章的目標是幫助對整車熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個MATLAB 內(nèi)置的純電車案例：Electric Vehicle Thermal Management

上一篇，我們介紹了各個回路的搭建。 這一篇，我們將繼續(xù)介紹剩下的乘員艙回路，空調(diào)制冷以及控制部分。您可以在文章下面留言，以后有機會再介紹具體的模塊。

01Cabin 乘員艙

腔體/車艙

當前案例模型里乘員艙內(nèi)部空間沒有進行分區(qū)，把內(nèi)部當作一個質(zhì)點模型來看待，計算乘員艙內(nèi)部的溫度、壓力、濕度、二氧化碳含量。所以用一個腔體模塊 Constant Volume Chamber 模擬乘員艙內(nèi)部的平均狀態(tài)，也就是下圖標識的【腔體】。

【腔體】的 ABC 各個端口的壓力和腔體內(nèi)部相同，只是ABC端口溫度取決于端口的氣體流向，和它的上游相同。

乘客模型

模擬駕駛艙內(nèi)部人類呼出的二氧化碳、水蒸氣以及釋放的熱量。

簡單說就是把人產(chǎn)生的這些東西(熱量、水蒸氣、二氧化碳)量化，使用 Moist Air 的 source 模塊添加到腔體模塊里。

傳熱模型

傳熱本質(zhì)上就是在計算每秒從 A 到 B 節(jié)點傳輸了多少熱量。只是為了方便區(qū)分不同物理現(xiàn)象，我們把它分成了不同的傳熱方式，用不同的參數(shù)化方程來描述。

Simscape 里提供了一些典型的熱傳遞模塊。

熱傳導：熱量在固體內(nèi)部的傳熱，某種物質(zhì)的傳熱的能力就是這個物體的熱傳導系數(shù)。除了溫差之外，具體的傳熱速率還和傳熱面積、固體厚度相關(guān) ，所以熱傳導系數(shù)的單位是W/(K*m)。

溫差 detK * Thermal conductivity W/(K*m) * Area (m^2) / Thickness(m) = W

熱對流：熱量在固體和氣體之間的傳遞，發(fā)生在固體表面和氣體之間(這里不包括液體)，所以就和厚度無關(guān)，因此熱對流系數(shù)的單位：W/(K*m^2)

溫差 detK * Heat transfer coefficient W/(K*m^2) * Area (m^2) = W

熱輻射：熱輻射是超高溫物體對外的散熱能力，雖然它有自己的計算公式，但對于 HVAC 的計算一般指的太陽輻射，太陽輻射的單位是 W/m^2 。Simscape沒有直接的太陽輻射模塊，需要用查到的太陽輻射數(shù)據(jù)*車身表面積，填進去。

艙對外傳熱網(wǎng)絡

這部分模型搭建很“自由”，模型如何搭建完全取決于我們?nèi)绾稳コ橄筌嚺摵屯饨绲臒醾鬟f路線。

比如下圖：

定義了三條傳熱路徑：車玻璃、車門、車頂

帶顏色背景的是材料內(nèi)部的熱傳導環(huán)節(jié)；

左側(cè)是從乘員艙內(nèi)部空氣到材料的熱對流環(huán)節(jié)；

右側(cè)是材料到外部環(huán)境的熱對流環(huán)節(jié)；

所以，模型實現(xiàn)起來很簡單，就是往上面掛模塊就是了。只是，給定或者說標定這里的參數(shù)，才是重點。

02空調(diào)制冷回路

空調(diào)制冷回路用到了 Two-Phase 庫的模塊，這個循環(huán)的典型回路包括：冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、壓縮機。

這里的冷凝器 Condenser 布置在散熱器 Radiator 的后方， 所以車輛行駛時，氣流會先穿過散熱器然后穿過冷凝器，最后風扇安裝在冷凝器后方。

這個氣流流過各個器件的順序在模型里如何表達的呢？參考下圖：橫線上方是 Radiator 子系統(tǒng)，橫線下方是 Condensor 子系統(tǒng)，通過模塊端口的連接順序來體現(xiàn)氣流流過各部件的順序。

膨脹閥

這里是熱力膨脹閥，所以直接使用了庫里的熱力膨脹閥模塊。膨脹閥可以通過定義典型工況點，也可以輸入象限曲線數(shù)據(jù)。

控制端連接到換熱器的出口。下方的紅圈類似于 Simulink 里面的Bus，沒什么特別用意，只是為了連線“好看”。

如果是電子膨脹閥，則可以使用基本的可變節(jié)流口模塊，受控邏輯則使用信號計算的方式來表達。

換熱器

換熱器，顧名思義其實和剛剛說的傳熱沒什么本質(zhì)區(qū)別，換熱器模型就是計算從 A 到 B 傳遞了多少熱量。那傳熱速率顯然的跟溫差有關(guān)系。

只不過這里通常是兩種互相“隔離”的物質(zhì)之間的換熱，那我們會假設這個換熱速率 SD 跟換熱物質(zhì)的流速也有關(guān)系：

所以，如果有相關(guān)的換熱實驗數(shù)據(jù)，直接就可以表達這個換熱器的數(shù)學本質(zhì)。

實現(xiàn)任何兩種不同流體之間的換熱關(guān)系(模型)，管路模塊則計算熱量對管路內(nèi)流體狀態(tài)的影響。

Simscape->Fluids->Heat Exchangers->Fundamental Components提供了部分模塊，計算輸出所需要的CP與M值。

不過實際上，Simscape Fluid 提供了一個換熱器模塊庫，如果有合適的參數(shù)可以直接選擇合適的模塊。因為有時候我們可能得不到實驗數(shù)據(jù)，那么可以根據(jù)散熱器關(guān)鍵尺寸信息，近似計算它的特性?；蛘呶覀兦捌谠谠O計系統(tǒng)時，往往只有設計工況點，所以也可以借用 System -level 級別的散熱器模型，來實現(xiàn)具有指定工況點特性的散熱器模型。

制冷劑

兩相流庫提供了一些常用制冷劑數(shù)據(jù)，可以直接選擇。

如果是其它特別的制冷劑特性數(shù)據(jù)，也可以使用 Simscape 提供的 API 從第三方軟件導入進來。

03控制

圖中紅圈都是控制環(huán)節(jié)，包括風扇、各泵、各閥以及各加熱器，就是通過控制它們來完成了“熱量搬運”的任務。備注：紅圈的Condenser 其實是為了要圈在這個子系統(tǒng)里面的受控風扇（模型里把風扇模塊放入了 Condenser 子系統(tǒng)內(nèi)部）。

控制算法本身用 Simulink 實現(xiàn)應該沒什么問題，它是通用控制算法工具，可以參考官方提供的其它教程去學習。

閥旁通控制

比如，這里的 Radiator 和 Chiller 的旁通閥控制都是01控制。

Chiller 的旁通控制是看電池溫度 T_battery；而 Radiator 則是看 Inverter 出口水溫 T_coolant_inverter_out；

這里使用了 Relay 模塊，開關(guān)閾值錯開，避免震蕩；

Radiator 旁通控制(夏天工況)

Inverter 出口水溫(紫線)始終高于25度，根據(jù)算法 cmd_rad_bypass (紅線)都等于0，Radiator 基本上都在工作，

Radiator 旁通控制（冬天工況）

環(huán)境溫度（左二藍線)很低 -10 degC。

剛開始工作時 Inverter 出口水溫(右二紫線)很低，根據(jù)算法 cmd_rad_bypass (紅線)都等于1：Radiator 被 bypass 掉了；

直到 Inverter 出口水溫(右二紫線)首次超過 25 degC 后，cmd_rad_bypass (紅線) 等于0：Radiator 通路打開；

由于后來水溫一直高于 20 degC，所以保持 Radiator 通路打開散熱。

Chiller 的旁通閥控制就不贅述了。

那么，通過仿真，我們就可以觀察系統(tǒng)特性，檢查控制效果，優(yōu)化能耗。

這就是本系列的全部內(nèi)容，希望能幫助對整車熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個純電車的案例模型，也非常歡迎大家提出改進意見，謝謝。

審核編輯：湯梓紅