新能源車近來成為汽車領(lǐng)域的熱門話題，各大汽車廠商爭相推出產(chǎn)品搶奪市場。新能源車成為國內(nèi)廠商提升品牌形象與技術(shù)實(shí)力進(jìn)行彎道超車的絕好舞臺。新能源車采用了新的驅(qū)動系統(tǒng)，在一定程度上顛覆了傳統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)思路，汽車廠商需要重新設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)。這對于各汽車廠商來說既是機(jī)會又是挑戰(zhàn)。隨著新車型對研發(fā)周期、成本的要求不斷提高，引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段提高開發(fā)效率，使自己的產(chǎn)品較快占領(lǐng)市場成為必然。
解決方案
新能源車輛的熱管理主要是針對乘員艙的溫度控制和電池包的溫度控制。乘員艙的溫度控制一般采用空調(diào)系統(tǒng)。電池包有風(fēng)冷和液冷兩種方式，研究表明風(fēng)冷方式易實(shí)現(xiàn)，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩(wěn)定工作。通過冷卻液與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行換熱的液冷方式逐漸成為主流。乘員艙及電池包的加熱方式一般采用PTC加熱器來完成。這樣的熱管理系統(tǒng)不能再依據(jù)已有車型進(jìn)行簡單改進(jìn)，而需要將不同的系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。與之對應(yīng)的熱管理控制策略控制算法也需要重新編寫。
目前國外主流汽車廠商多采用基于模型的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配，并在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制策略的開發(fā)。模型的優(yōu)勢在于并不針對某一特性車型，通用的元件模型可為不同車型提供服務(wù)，用戶只需要按照車型要求搭建相應(yīng)的系統(tǒng)就可以使用。
采用一維仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真可以將制冷循環(huán)、空氣循環(huán)、液冷系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)等整合到一個(gè)仿真模型。這樣的仿真模型可用于方案選型設(shè)計(jì)、匹配設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能分析、控制系統(tǒng)開發(fā)、能耗分析、綜合熱能管理等不同方面。TIL熱仿真模型庫提供了新能源車熱仿真所需要的全部模型?；诿嫦?qū)ο蟮慕ＵZ言建模，使模型具有較高的可讀性，對于用戶來說模型簡單、易讀、易用、易學(xué)。同時(shí)也為用戶二次開發(fā)提供接口，便于用戶在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升自身設(shè)計(jì)開發(fā)能力。
此外，TIL模型庫搭建的系統(tǒng)模型還可以在Simulink中與控制算法進(jìn)行聯(lián)仿，在NI、Concurrent、Higale等仿真機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，進(jìn)一步拓展了模型的應(yīng)用領(lǐng)域。
TIL熱仿真模型庫由熱物性模型TIL Media、熱流體元件TIL Suit、文件讀取TIL File Reader、可添加模塊TIL Add-On、結(jié)果后處理等模塊TIL DaVE組成。
圖 1 TIL熱仿真模型庫
其中TIL Suit包括熱流體元件和系統(tǒng)模型，如圖1所示，基礎(chǔ)模型庫包括各種類型的換熱器模型和按照理想氣體、不可壓流體、相變介質(zhì)分類的元件模型(管路、泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、罐體、閥門等)。換熱器模型采用幾何結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算相結(jié)合的方式建模，采用換熱和壓降關(guān)聯(lián)式計(jì)算換熱和壓降。其中的關(guān)聯(lián)式可以根據(jù)實(shí)際工況選擇和替換。熱力學(xué)模型可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真，例如濕空氣模型可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)、冷凝、動態(tài)水平衡等的仿真。豐富的模型和通用的模型接口允許不同領(lǐng)域的熱流體仿真模型組合成在一起進(jìn)行仿真分析。
TIL Media為熱物性計(jì)算模型，介質(zhì)模型庫涵蓋多種介質(zhì)，介質(zhì)模型經(jīng)過優(yōu)化后能夠?qū)崿F(xiàn)模型的快速仿真計(jì)算。與此同時(shí)通過TIL Media Suite interfaces可以將TIL Media用于其他軟件。
TIL File Reader允許導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)，包括.csv和Dymola結(jié)果文件。并針對每一個(gè)變量提供一個(gè)直觀的GUI界面和可選的插值函數(shù)。
TIL Add-On模型庫針對不同應(yīng)用領(lǐng)域擁有更專業(yè)的補(bǔ)充模塊。例如艙室模型如下圖所示。
圖 2 乘員艙室模型及天氣模塊
乘員艙室模型考慮乘員數(shù)、太陽輻射、車速、艙室材料、內(nèi)外循環(huán)等影響因素，除完成乘員艙溫度、濕度計(jì)算外還可根據(jù)長波輻射和DIN ENISO7730標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對人體舒適度計(jì)算。天氣計(jì)算模塊可以考慮不同經(jīng)緯度、不同風(fēng)速風(fēng)向、不同太陽輻射強(qiáng)度、不同溫度濕度等多種天氣條件對乘員艙溫度的影響。
圖 3 TIL DaVE可視化模塊
此外，可添加模塊還提供針對電池包的電池模型、燃料電池模型、功率電子熱模型、發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)及逆變器模型、參數(shù)分析及后處理模塊、電廠熱仿真模型等等。
應(yīng)用案例
? 汽車空調(diào)系統(tǒng)仿真與控制算法開發(fā)
圖 4 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型
基于TIL熱仿真模型庫搭建的空調(diào)系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。仿真模型包括空調(diào)制冷循環(huán)、PTC制熱循環(huán)、冷凝器散熱回路、乘員艙送風(fēng)回路、冷熱風(fēng)混合風(fēng)門、新風(fēng)混合風(fēng)門。
圖 5 空調(diào)系統(tǒng)仿真
系統(tǒng)模型可以完整的模擬不同工況對乘員艙溫度的影響，可以考慮不同冷熱風(fēng)混合比例對溫度的影響，可以考慮循環(huán)新風(fēng)對乘員艙溫度和舒適度的影響，可以模擬壓縮機(jī)啟停工況對乘員艙溫度的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。
此外，空調(diào)系統(tǒng)模型還可以通過FMU/S-function導(dǎo)入Simulik。我們將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、PTC加熱量、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門開度等做成輸入接口，用于外部輸入信息。將我們所關(guān)心的乘員艙溫度、PTC溫度、蒸發(fā)器出口溫度、冷熱風(fēng)混合后溫度等信息做成輸出接口，用于向外部輸出信息。將模型封裝成相應(yīng)的模塊后，就可以導(dǎo)入Simulink，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制器MIL層級的測試。
圖 6 空調(diào)系統(tǒng)仿真
與此同時(shí)，仿真模型可以以FMU的形式導(dǎo)入NI、concurrent、Higale等仿真機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)HIL層級的仿真測試。
圖 7 空調(diào)系統(tǒng)仿真
? 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真
圖 8 熱管理系統(tǒng)模型
采用TIL熱仿真模型庫，可搭建完整的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。如上圖所示，熱管理系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)回路、冷凝器散熱回路、乘員艙送風(fēng)系統(tǒng)回路、電池冷卻系統(tǒng)回路、電池驅(qū)動回路。搭建好的仿真模型可以用于熱管理系統(tǒng)性能分析、控制策略設(shè)計(jì)等。
總結(jié)
基于模型的熱管理設(shè)計(jì)思路，不僅可以提高熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，還可以打通熱管理與控制策略開發(fā)之間的障礙。熱管理設(shè)計(jì)與控制策略開發(fā)可以采用同一套模型。不但有利于不同部門之間的協(xié)作，還將有效降研發(fā)低成本。
恒潤科技擁有一支經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)專業(yè)的新能源汽車熱管理支持團(tuán)隊(duì)，為汽車及工程機(jī)械行業(yè)整車廠和供應(yīng)商提供完整的熱管理解決方案和工程服務(wù)，團(tuán)隊(duì)將通過快速的技術(shù)響應(yīng)為您提供專業(yè)的服務(wù)!
