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(biāo)是幫助對整車熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個(gè)MATLAB 內(nèi)置的純電車案例：Electric Vehicle Thermal Management

上一篇，我們介紹了各個(gè)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(jī)會再介紹具體的模塊。

01Cabin 乘員艙

腔體/車艙

當(dāng)前案例模型里乘員艙內(nèi)部空間沒有進(jìn)行分區(qū)，把內(nèi)部當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)模型來看待，計(jì)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(gè)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(biāo)識的【腔體】。

【腔體】的 ABC 各個(gè)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(jì)算每秒從 A 到 B 節(jié)點(diǎn)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(dǎo)：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(gè)物體的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(jì)算公式，但對于 HVAC 的計(jì)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(jìn)去。

艙對外傳熱網(wǎng)絡(luò)

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(dǎo)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(shí)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(biāo)定這里的參數(shù)，才是重點(diǎn)。

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(gè)循環(huán)的典型回路包括：冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、壓縮機(jī)。

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

這個(gè)氣流流過各個(gè)器件的順序在模型里如何表達(dá)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(diǎn)，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(jì)算的方式來表達(dá)。

換熱器

換熱器，顧名思義其實(shí)和剛剛說的傳熱沒什么本質(zhì)區(qū)別，換熱器模型就是計(jì)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(shè)這個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接就可以表達(dá)這個(gè)換熱器的數(shù)學(xué)本質(zhì)。

實(shí)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(jì)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(jì)算輸出所需要的CP與M值。

不過實(shí)際上，Simscape Fluid 提供了一個(gè)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?yàn)橛袝r(shí)候我們可能得不到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，那么可以根據(jù)散熱器關(guān)鍵尺寸信息，近似計(jì)算它的特性?；蛘呶覀兦捌谠谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，往往只有設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，所以也可以借用 System -level 級別的散熱器模型，來實(shí)現(xiàn)具有指定工況點(diǎn)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(dǎo)入進(jìn)來。

03控制

圖中紅圈都是控制環(huán)節(jié)，包括風(fēng)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(yùn)”的任務(wù)。備注：紅圈的Condenser 其實(shí)是為了要圈在這個(gè)子系統(tǒng)里面的受控風(fēng)扇（模型里把風(fēng)扇模塊放入了 Condenser 子系統(tǒng)內(nèi)部）。

控制算法本身用 Simulink 實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(xué)習(xí)。

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(cuò)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(lán)線)很低 -10 degC。

剛開始工作時(shí) 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(gè)純電車的案例模型，也非常歡迎大家提出改進(jìn)意見，謝謝。

審核編輯：湯梓紅