热管理系统建模案例：各个回路的搭建

大家好，本系列文章的目标是帮助对整车热管理建模感兴趣的朋友更快的了解这个 MATLAB 内置的纯电车案例：Electric Vehicle Thermal Management。

上一篇，我们介绍了模型工具、热管理系统。  这一篇，我们将继续 简单介绍一下这里的回路。如果有需要，您可以在文章下面留言，以后有机会再介绍具体的模块。

01水冷回路(电池电机)

通用热负载模型 - 电机

如果没有进一步的细化要求，所有的热负载都可以通过以下方式表现在模型里。

用Pipe模块等价模拟这里的冷却水道，模拟热阻和流阻；

用Thermal Mass表示零件的热质 J/K；

用Sensor传感器测量温度信号用于控制反馈；

因为这里是和 Simulink 模型集成，所以：

计算出来的发热功率 Q_motor 通过Heat Source模块集成到冷却回路中；

Sensor 模块测量的电机平均温度也需要反馈回电机本体模型，比如温度影响电机本体的效率。只是这个案例是 “开环”，所以电机温度信号并没有回到整车模型。

打开案例模型查看其它所有负载均如此：

专用热负载模型 - 电池

从软件使用角度，上图的热负载模型也可以把发热本体模型也包括进来，这里以电池为例。

发热量 Q 不再是一个直接提供的曲线，而是Simscape 电池模型根据电池的电流工况计算出来的；

电池模型的热端口直接与冷却水管的热端口相连，表示热传递支路；

备注：电池包及其冷却水路模型从 2022b 开始由专门的工具箱Simscape Battery 帮助更快速的进行电池包的建模仿真。

其它的比如 Motor, Inverter, DCDC 等等如果要把发热本体模型包括进来，也类似，如果需要以后再专门介绍。

阀

这个案例里面正好只用到三通阀和四通阀的功能模型，所以直接用对应的模块就是了。

下图是冷却回路的 4-Way Valve 四通阀，控制信号 cmd_parallel_serial 控制阀芯位移 S，使得三位四通阀可以位于左位 - 中位 - 右位，实现串联并联的切换。

两位三通阀也是类似：

但如果涉及到复杂的多路多通阀，更多地还是用节流口模块组装一下。

02暖风回路

暖风回路用到了Moist Air子库里提供的模块。如果把暖风回路的风扇拆开，它其实是右图这个样子。

循环泵带动车内气体循环；

根据 Recirculation Flap 的风门控制 A-C 连通或者 B-C 连通，实现内循环模式和外循环模式；

这里使用了 PTC 作为加热设备；

Evaporator 给乘员舱制冷.

除了 Evaporator 之外，所有的模块都来自Simscape Moist Air子库，也就是湿空气；

回路内气体成分：干空气、水蒸气、Trace Gas；Trace Gas 只是表示第三种气体，至于代表什么，则取决于你对它的参数设置，如果不关心保持默认忽略它其实也无所谓。

循环泵

循环泵直接使用的是 Moist Air 里的 Source 模块，可以选择理想流量源或者理想压力源。

案例模型里使用的是理想体积流量源，相当于是有足够的能量能维持这条支路的流量为指定体积流量。

Recirculation Flap

循环风门控制内循环或者外循环，本质上就是通过控制信号 S 改变内、外循环通道的过流面积大小，你开我关，你关我开。

至于表达方式用 Simscape 的计算模块还是 Simulink 的计算模块，影响都不是很大。如果有 Simscape 反馈信号的话，一般会建议使用 Simscape 的计算模块以减少代数环的发生。

下图模型就是用 Simulink 实现的计算过程，里加了一个响应时间环节。

PTC

至于 PTC 或者说加热器，可以很简单的把加热功率计算出来，通过左下角的 heat source 模块描述它带给整个系统的热量。

这里把 PTC 到循环空气的传热路径抽象为热对流，所以用了一个 Convective Heat Transfer 模块来描述。

控制

这里的暖风回路的控制回路比较简单，见下图。风扇控制 cmd_blower 是 PI 控制，而 cmd_ptc 对应 PTC 则是开关控制。

仿真模型后，可以通过 Scope 看到下图已经配置好显示的结果。

可以看到环境温度 30 degC，设定温度 21 degC;

乘员舱暖风风扇(循环风扇)在 PI 控制下，车舱内温度保持在 21 度附近。

环境温度高于设定温度，PTC 无需启动；

 

由于篇幅有限，剩下的乘员舱回路，空调制冷以及控制部分将在下一篇介绍。

审核编辑：汤梓红