热管理系统建模案例：乘员舱回路、空调制冷、控制

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，我们介绍了各个回路的搭建。 这一篇，我们将继续介绍剩下的乘员舱回路，空调制冷以及控制部分。您可以在文章下面留言，以后有机会再介绍具体的模块。

01Cabin 乘员舱

腔体/车舱

当前案例模型里乘员舱内部空间没有进行分区，把内部当作一个质点模型来看待，计算乘员舱内部的温度、压力、湿度、二氧化碳含量。所以用一个腔体模块 Constant Volume Chamber 模拟乘员舱内部的平均状态，也就是下图标识的【腔体】。

【腔体】的 ABC 各个端口的压力和腔体内部相同，只是ABC端口温度取决于端口的气体流向，和它的上游相同。

乘客模型

模拟驾驶舱内部人类呼出的二氧化碳、水蒸气以及释放的热量。

简单说就是把人产生的这些东西(热量、水蒸气、二氧化碳)量化，使用 Moist Air 的 source 模块添加到腔体模块里。

传热模型

传热本质上就是在计算每秒从 A 到 B 节点传输了多少热量。只是为了方便区分不同物理现象，我们把它分成了不同的传热方式，用不同的参数化方程来描述。

Simscape 里提供了一些典型的热传递模块。

热传导：热量在固体内部的传热，某种物质的传热的能力就是这个物体的热传导系数。除了温差之外，具体的传热速率还和传热面积、固体厚度相关 ，所以热传导系数的单位是W/(K*m)。

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

热对流：热量在固体和气体之间的传递，发生在固体表面和气体之间(这里不包括液体)，所以就和厚度无关，因此热对流系数的单位：W/(K*m^2)

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

热辐射：热辐射是超高温物体对外的散热能力，虽然它有自己的计算公式，但对于 HVAC 的计算一般指的太阳辐射，太阳辐射的单位是 W/m^2 。Simscape没有直接的太阳辐射模块，需要用查到的太阳辐射数据*车身表面积，填进去。

舱对外传热网络 

这部分模型搭建很“自由”，模型如何搭建完全取决于我们如何去抽象车舱和外界的热传递路线。

比如下图：

定义了三条传热路径：车玻璃、车门、车顶

带颜色背景的是材料内部的热传导环节；

左侧是从乘员舱内部空气到材料的热对流环节；

右侧是材料到外部环境的热对流环节；

所以，模型实现起来很简单，就是往上面挂模块就是了。只是，给定或者说标定这里的参数，才是重点。

02空调制冷回路

空调制冷回路用到了 Two-Phase 库的模块，这个循环的典型回路包括：冷凝器、蒸发器、膨胀阀、压缩机。

这里的冷凝器 Condenser 布置在散热器 Radiator 的后方， 所以车辆行驶时，气流会先穿过散热器然后穿过冷凝器，最后风扇安装在冷凝器后方。

这个气流流过各个器件的顺序在模型里如何表达的呢？参考下图：横线上方是 Radiator 子系统，横线下方是 Condensor 子系统，通过模块端口的连接顺序来体现气流流过各部件的顺序。

膨胀阀 

这里是热力膨胀阀，所以直接使用了库里的热力膨胀阀模块。膨胀阀可以通过定义典型工况点，也可以输入象限曲线数据。

控制端连接到换热器的出口。下方的红圈类似于 Simulink 里面的Bus，没什么特别用意，只是为了连线“好看”。

如果是电子膨胀阀，则可以使用基本的可变节流口模块，受控逻辑则使用信号计算的方式来表达。

换热器 

换热器，顾名思义其实和刚刚说的传热没什么本质区别，换热器模型就是计算从 A 到 B 传递了多少热量。那传热速率显然的跟温差有关系。

只不过这里通常是两种互相“隔离”的物质之间的换热，那我们会假设这个换热速率 SD 跟换热物质的流速也有关系：

所以，如果有相关的换热实验数据，直接就可以表达这个换热器的数学本质。

实现任何两种不同流体之间的换热关系(模型)，管路模块则计算热量对管路内流体状态的影响。

Simscape->Fluids->Heat Exchangers->Fundamental Components提供了部分模块，计算输出所需要的CP与M值。

不过实际上，Simscape Fluid 提供了一个换热器模块库，如果有合适的参数可以直接选择合适的模块。因为有时候我们可能得不到实验数据，那么可以根据散热器关键尺寸信息，近似计算它的特性。或者我们前期在设计系统时，往往只有设计工况点，所以也可以借用 System -level 级别的散热器模型，来实现具有指定工况点特性的散热器模型。

制冷剂

两相流库提供了一些常用制冷剂数据，可以直接选择。

如果是其它特别的制冷剂特性数据，也可以使用 Simscape 提供的 API 从第三方软件导入进来。

03控制

图中红圈都是控制环节，包括风扇、各泵、各阀以及各加热器，就是通过控制它们来完成了“热量搬运”的任务。备注：红圈的Condenser 其实是为了要圈在这个子系统里面的受控风扇（模型里把风扇模块放入了 Condenser 子系统内部）。

控制算法本身用 Simulink 实现应该没什么问题，它是通用控制算法工具，可以参考官方提供的其它教程去学习。

阀旁通控制

比如，这里的 Radiator 和 Chiller 的旁通阀控制都是01控制。

Chiller 的旁通控制是看电池温度 T_battery；而 Radiator 则是看 Inverter 出口水温 T_coolant_inverter_out；

这里使用了 Relay 模块，开关阈值错开，避免震荡；

Radiator 旁通控制(夏天工况)

Inverter 出口水温(紫线)始终高于25度，根据算法 cmd_rad_bypass (红线)都等于0，Radiator 基本上都在工作，

Radiator 旁通控制（冬天工况）

环境温度（左二蓝线)很低 -10 degC。

刚开始工作时 Inverter 出口水温(右二紫线)很低，根据算法 cmd_rad_bypass (红线)都等于1：Radiator 被 bypass 掉了；

直到 Inverter 出口水温(右二紫线)首次超过 25 degC 后，cmd_rad_bypass (红线) 等于0：Radiator 通路打开；

由于后来水温一直高于 20 degC，所以保持 Radiator 通路打开散热。

Chiller 的旁通阀控制就不赘述了。

那么，通过仿真，我们就可以观察系统特性，检查控制效果，优化能耗。

这就是本系列的全部内容，希望能帮助对整车热管理建模感兴趣的朋友更快的了解这个纯电车的案例模型，也非常欢迎大家提出改进意见，谢谢。

审核编辑：汤梓红