《車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析》全套教學課件

第一章：緒論《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》01第1章緒論02動力系統(tǒng)熱管理03動驅動系統(tǒng)熱管理04?空調系統(tǒng)05整車熱管理?06AI技術與汽車熱管理07相關軟件技術展望全套可編輯PPT課件導讀本章講述了汽車熱管理系統(tǒng)的相關概念和背景知識，主要介紹汽車熱管理系統(tǒng)的概念、一維和三維建模與仿真方法，以及整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程。1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述1.1.1?新能源汽車熱管理系統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng)(ThermalManagementSystem，TMS)是整車的重要部分，其從整車角度統(tǒng)籌車輛發(fā)動機、空調、電池、電機等部件及子系統(tǒng)的匹配、優(yōu)化與控制，可以有效解決整車熱管理問題，使得各功能模塊處于最佳工作溫度區(qū)間，提高整車經濟性和動力性，保證車輛安全行駛。新能源汽車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展可以劃分為三個階段,總體向高度集成化的方向演進。3、寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理系統(tǒng)一體化2、熱泵配合電輔熱1、單冷配合電加熱早期座艙采用蒸氣壓縮循環(huán)制冷和PTC加熱器制熱，電池熱管理采用風冷方式，各子系統(tǒng)獨立。座艙引入熱泵空調，液冷逐步成為電池熱管理的主流模式，電池與座艙熱管理回路有簡單整合。單整合。合理增加了二次換熱回路，對電池、電機余熱進行回收利用,提升了熱泵的環(huán)境適應能力，座艙、電池、電機熱管理回路進一步整合。全套可編輯PPT課件1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述1.1.2傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)

單擊此處添加標題發(fā)動機、變速箱冷卻系統(tǒng)見圖1—1制冷：空調冷媒制熱：發(fā)動機余熱驅動實現(xiàn)：發(fā)動機做功座艙空調系統(tǒng)節(jié)溫器實現(xiàn)大小循環(huán)回路切換。實現(xiàn)主要包括發(fā)動機、變速箱的冷卻系統(tǒng)及座艙空調系統(tǒng)。構成（1）寒冷天氣，迅速暖車實現(xiàn)冷起動。（2）炎熱天氣，防止發(fā)動機“開鍋”。目標全套可編輯PPT課件1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述汽車熱管理系統(tǒng)概述純電動汽車和燃油汽車：電機替代了發(fā)動機變速箱更新為三電架構：電機、電池、電控新增了DC/DC轉換器、充電機（OBC）、PTC加熱器熱管理系統(tǒng)上的變化：純電動汽車空調壓縮機的運行利用的是電池供電；暖風的獲取利用的是PTC加熱器0102傳統(tǒng)燃油車與純電動汽車熱管理差異點全套可編輯PPT課件1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.1?一維熱系統(tǒng)建模仿真主要功能：模擬和預測汽車熱管理系統(tǒng)的行為；設計、優(yōu)化和驗證汽車熱管理系統(tǒng)的結構及配置。典型軟件：AMESim、GT-SUITE關鍵特點：可以模擬多個物理場，如熱傳導、熱對流、熱輻射等，以更全面地描述熱管理系中的各種相互作用；可以建立詳細的部件模型（即組件），包括散熱器、風扇、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等，以準確地模擬其性能和狀態(tài)變化；允許將不同的組件集成到整車熱管理系統(tǒng)中，以分析系統(tǒng)在各種條件下的綜合性能；可以對系統(tǒng)參數進行優(yōu)化和分析，以找到最佳的設計和工作參數，從而提高系統(tǒng)效率和性能。國產替代：AITherMA1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.2?三維熱流體建模仿真主要功能利用計算機模擬技術對三維空間中的熱流體行為進行分析和預測。技術原理結合了流體力學和熱傳導理論，準確模擬流體在復雜幾何形狀中的流動和熱傳遞過程。典型軟件AnsysFluent，ANSYS

CFX，Star

CCM+，Comsol，OpenFOAM等。國產代替QFLUX1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.3?一、三維聯(lián)合建模仿真定義與作用：將一維和三維仿真技術相結合，以獲得更準確、更全面的汽車熱管理系統(tǒng)性能預測和分析。分工：一維仿真軟件用于系統(tǒng)級的多領域建模，可以對涉及流體、機械、電氣等多個物理領域的動態(tài)系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真；三維仿真軟件用于子系統(tǒng)或部件級的單物理場或多物理場仿真，可以對部件內部的流體流動、傳熱和傳質等物理現(xiàn)象進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真優(yōu)勢：既可以利用一維仿真軟件對車輛整體的動態(tài)響應進行準確預測，又可以利用三維仿真軟件對零部件進行精細的模擬仿真。主流軟件：AMESim、Simulink1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程遵循汽車行業(yè)“V”模型開發(fā)模式以正向開發(fā)為主，兼顧逆向的閉環(huán)驗證；縱軸分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件三個層級，橫向分為系統(tǒng)設計開發(fā)和系統(tǒng)集成測試兩個階段。1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程具體的熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程，分為目標分解和目標管控兩部分。1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程整車熱管理性能目標示例，主要包括各系統(tǒng)介質溫度和座艙內環(huán)境溫度1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程子系統(tǒng)及零部件熱管理性能目標示例，主要包括各子系零部件介質溫度和設計要求。第二章：動力系統(tǒng)熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析》學習目標：汽車動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)構造鋰離子動力電池和發(fā)動機熱特性模型動力系統(tǒng)的熱管理方式汽車動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析本章導讀2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.1?鋰離子動力電池熱管理系統(tǒng)介紹1）限制電池的溫度，使其不超過允許的最高溫度；2）降低電池單體間的溫度差異：3）保持電池運行在最佳性能和最長壽命的溫度區(qū)間。電池熱管理系統(tǒng)的三個基本目標：2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.1?鋰離子動力電池熱管理系統(tǒng)介紹電池熱管理方式：01空氣冷卻02液體冷卻03相變材料（PhaseChangeMaterial）冷卻05多種冷卻方式的組合04熱管冷卻電池熱管理方式發(fā)動機熱管理方式優(yōu)缺點對比2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.2?鋰離子電池熱分析及熱特性模型電池產熱方式包括產熱模型、電池內部的傳熱模型，以及電池間和電池與外界的傳熱模型。其主要用途為求解電池的溫度。電池熱特性模型第一種產熱模型基于電池內阻。第二種產熱模型為電化學-熱耦合模型。第三種產熱模型為電-熱耦合模型。電池產熱模型圓柱電池熱分析圓柱電池內部結構導熱系數計算產熱分布：軸向：并聯(lián)電阻法徑向：串聯(lián)電阻法軸向：橢圓狀徑向：環(huán)狀軟包電池熱分析外觀結構：層狀結構產熱分布：

正極極耳溫度最高；

負極極耳溫度最低；

電池體上的問題梯度呈現(xiàn)從正極極耳向正極極耳對角下降的溫度分布方形電池熱分析方形電池方形電池內阻與SOC、溫度的關系產熱特性：

電池溫度隨電流放電倍率增加不斷升高，電池在低放電倍率下有明顯的上升平臺期。

高放電倍率時，這一平臺期小時，電池溫度迅速升高。2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.3?動力電池熱管理系統(tǒng)建模與仿真（1/4）電動汽車在正常行駛過程中，其動力電池溫度必須控制一定范圍內。一般地講，電動汽車行駛時，當動力電池溫度高于設定溫度時，動力電池熱管理系統(tǒng)即啟動。本案例選取動力電池水冷系統(tǒng)為討論對象，研究當系統(tǒng)處于常開狀態(tài)時，Chiller的冷卻能力，即可以保持的冷卻液出口溫度水平。Chiller（換熱器）是純電動汽車上一種緊湊型的冷卻裝置，動力電池的冷卻液流經Chiller中的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中的制冷劑通過熱交換將冷卻液的熱量帶走，從而降低冷卻液溫度。2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.3?動力電池水冷系統(tǒng)建模與仿真模型搭建2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設計與仿真2.1.3?動力電池水冷系統(tǒng)建模與仿真結果分析：隨著時間的發(fā)展水冷側的工質水與熱側的空氣發(fā)生熱交換，溫度逐漸升高最終達到熱平衡態(tài)。2.2?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)設計與仿真發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結構經典的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)實物圖經典的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結構示意圖系統(tǒng)中的節(jié)溫器依據流經的冷卻液的溫度高低，打開或關閉冷卻液流向散熱器的路徑，從而實現(xiàn)對發(fā)動機溫度的調控。2.2?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)設計與仿真2.2.1?發(fā)動機管理關鍵性能指標一般用以下的四個評價參數來完成對發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的評價。功率系數體積系數有效阻力系數沸騰環(huán)境溫度由發(fā)動機熱管理系統(tǒng)中冷卻液的體積和發(fā)動機的額定功率的比值計算得到冷卻液沸騰時的外界環(huán)境溫度。由發(fā)動機驅動風扇所消耗的功率和發(fā)動機的額定功率的比值計算得到由散熱器空氣側的阻力和冷卻風道中的總阻力的比值計算得到2.2?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)設計與仿真2.2.2?發(fā)動機產熱原理及熱特性模型發(fā)動機熱特性模型主要用于計算發(fā)動機熱管理系統(tǒng)熱負荷，以及缸體、冷卻液、箱體等的溫度。通過發(fā)動機轉矩、轉速、參數計算發(fā)動機有效功率和平均有效壓力，以發(fā)動機萬有特性曲線MAP圖為基本數據信息，利用插值法確定發(fā)動機單位功率燃油消耗量及發(fā)動機水套散熱系數，從而求解發(fā)動機內燃燒產熱量和發(fā)動機熱管理系統(tǒng)熱負荷。2.2?發(fā)動機熱管理設計與仿真2.2.3?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)建模與仿真發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結構圖經典的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結構示意圖2.2.3?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)建模與仿真該模型研究了在給定發(fā)動機工作點（車速=45km/h，變速箱速比=3，道路坡度=6%）下發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的行為。該冷卻系統(tǒng)的目標是將冷卻液溫度調節(jié)到一個合適的值（大約90℃）。AITherMA中的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)建模結果2.2.3?發(fā)動機熱管理系統(tǒng)建模與仿真從時間0s到65s，節(jié)溫器關閉，因為它的開啟溫度在節(jié)溫器模型中設置為87℃從時間65s到110s，可以觀察到溫度振蕩，這是由于節(jié)溫器連續(xù)關閉和打開試圖使使冷卻液溫度達到平衡。110s后，散熱器出口冷卻液溫度達到了幾乎不需要散熱器風扇運行的穩(wěn)態(tài)值75.7℃。第三章：動驅動系統(tǒng)熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析》本章講述了電驅動系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析相關內容，主要介紹電機和電控熱管理系統(tǒng)關鍵性能指標、電機和電控產熱原理及熱特性模型和典型工程案例。本章導讀電機熱管理：熱管理系統(tǒng)結構電機熱管理系統(tǒng)原理圖純電動汽車電機與電機控制器的熱管理系統(tǒng)主要依靠冷卻水泵帶動冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動，通過散熱器中的熱交換等物理過程，帶走電機與電機控制器產生的熱量。為使熱量散發(fā)得更充分，通常在散熱器后方設置風扇。電機熱管理：關鍵性能指標電機起動后，其溫度自常溫（電機各部分溫度與環(huán)境溫度相同）不斷升高，當其溫度高出環(huán)境溫度后，一方面繼續(xù)產生熱量緩慢升溫，另一方面開始向周圍散發(fā)熱量。當電機處于熱量平衡狀態(tài)、溫度不再升高時，電機溫度與環(huán)境溫度之差稱為電機溫升。電機允許溫升是指電機溫度與周圍環(huán)境溫度相比允許升高的限值，因為其是由電機繞組絕緣材料的耐熱等級決定的，不同的絕緣材料耐熱等級有不同的允許溫升，所以電機允許溫升也稱為繞組溫升限值。12繞組溫升限值與絕緣材料耐熱等級對應關系※冷卻介質及溫度為40℃的空氣。電機熱管理：產熱原因及高溫危害純電動汽車電機在驅動與回收能量的工作過程中，電機鐵心、繞組都會產生損耗，這些損耗以熱量的形式向外散發(fā)。過高的溫升對電機有諸多危害：一是對電機內永磁體的性能造成影響，永磁體是永磁同步電機的關鍵組成部分，高溫會使永磁體發(fā)生磁通密度降低以及不可逆退磁等現(xiàn)象，最終導致電機無法正常工作；二是破壞絕緣材料，絕緣材料是電機中較為薄弱的環(huán)節(jié)，過高的溫度會造成絕緣材料壽命的下降和絕緣性能的衰減；三是對電機機械性能造成影響，高速旋轉的轉子、滾動軸承、定子槽、機殼等結構受熱變形，導致電機運行精度不佳、可靠性降低、縮短使用壽命；四是影響電機功率密度的提升、降低電機效率，難以達到設計性能要求。電機熱管理：典型電機熱管理系統(tǒng)級建模與仿真對于發(fā)熱功率較大的電機，一般使用水冷系統(tǒng)進行散熱。根據系統(tǒng)的工作原理構建電機熱管理系統(tǒng)模型，其由電機產熱模型、對流換熱器模型、水泵模型和散熱器模型等組成。當對流散熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟帶風扇散熱器的風扇以加強冷卻。，AITherMa中的仿真模型系統(tǒng)結構電機熱管理：典型電機熱管理系統(tǒng)級建模與仿真模擬工況：環(huán)境溫度為20℃、一個WLTC循環(huán)電機熱損失功率的變化電機熱損失功率曲線與汽車行駛速度曲線呈現(xiàn)明顯的相關一致性。在車速最高時，電機熱損失功率也達到最大。電機出口冷卻液溫度曲線汽車行駛初始階段電機出口冷卻液溫度不斷上升，當其達到62℃后不再升高，而是反復在58～62℃波動。62℃以上，散熱器風扇打開，增加散熱效果；下降至58℃后，散熱器風扇關閉，如此反復。WLTC工況下的汽車行駛速度曲線電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真仿真對象模型簡化模型結構水冷電機散熱系統(tǒng)機殼、水冷管道、定子和繞組。繞組鐵芯機殼之間緊密接觸，不存在接觸熱阻，同時由于金屬熱阻很小，繞組鐵芯機殼之間溫差很小。因此可將繞組、鐵芯壓縮，只保留機殼和鐵芯之間的接觸面作為熱量的傳遞面。，在接觸面上賦簡化前簡化后水冷電機散熱系統(tǒng)幾何模型電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真(a)機殼表面溫度分布云圖(b)冷卻液溫度分布云圖水冷電機散熱系統(tǒng)溫度分布云圖計算中的出口水溫監(jiān)控曲線電控熱管理：產熱原理內部可分為整流器模塊、逆變器模塊、DSP模塊、輔助電源模塊及各保護電路。逆變器模塊負責將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟姡瑓f(xié)同DSP模塊生成的PWM信號來控制電機的動作。輔助電源模塊負責將整流得到的直流電轉換為各芯片所需要的電壓來驅動芯片工作。整流器模塊負責將220V交流電整流為直流電，用于輔助電源的輸入及生成逆變器母線電壓。DSP模塊負責生成PWM信號、處理電機反饋信號、執(zhí)行控制算法、連接上位機界面等。保護電路主要負責過流保護、過壓保護和防PWM信號重疊保護等，可以避免因操作不當或個別器件損壞對電機控制器造成的損害。電機控制器硬件結構DSP模塊和保護電路，為小功率模塊，發(fā)熱低。電控熱管理：產熱原理電機控制器的簡化拓撲結構影響開關器件熱量變化的主要因素包括導通占空比D、開關頻率fs及電流幅值Im電機控制器主要熱源為開關器件，因此需要盡可能保留與開關器件相關的電路，并且在不影響電路整體功能的情況下刪除DSP模塊及某些保護電路等細節(jié)部分，方便展開對開關器件功率損耗數學模型的建立。逆變器作為開關器件的代表，通常由六個IGBT模塊組成，每個IGBT模塊都分為IGBT和反并聯(lián)二極管，兩者都周期性地處于開通或關斷狀態(tài)。產生的損耗：通態(tài)損耗和開關損耗電控熱管理：典型電控熱管理系統(tǒng)級建模與仿真電機控制器是新能源汽車的一個重要熱源，其在工作過程中發(fā)出的熱量如果不能及時輸運出來，各電子元件會因為溫度過高出現(xiàn)工作誤差，甚至被燒毀。對于發(fā)熱功率較大的電機控制器，一般使用水冷系統(tǒng)進行散熱。電控熱管理系統(tǒng)模型主要包括電控單元發(fā)熱模型、對流換熱器模型水泵模型、閥門模型和散熱器模型，系統(tǒng)結構、組件的參數設置與電機熱管理系統(tǒng)的類似。當對流換熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟散熱器的風扇加強冷卻，保證電機控制器的安全。0102電機熱管理系統(tǒng)電控熱管理系統(tǒng)電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真WLTC工況下的汽車行駛速度曲線模擬工況：環(huán)境溫度為35℃、一個WLTC循環(huán)電機控制器的產熱功率電機控制器的產熱功率和整車需求功率具有很強的相關性，因此其曲線和汽車行駛速度曲線具有一致性。當冷卻液溫度與環(huán)境溫度相差較大時，散熱器散熱功率高于電機控制器的產熱功率，因此在約1220s時冷卻液溫度下降；當汽車處于持續(xù)加速階段，整車需求功率增加，電機控制器產熱功率增加，冷卻液溫升較快，而后進入波動階段。電機控制器出口冷卻液溫度曲線電控熱管理：典型電控熱管理部件級建模與仿真逆變器控制著電池和電機之間的能量交換，功率模塊是逆變器的關鍵部件，目前常見的功率模塊是IGBT模塊。IGBT模塊具有很高的開關頻率（每秒可達上萬次），可以承受很高的電壓和電流，如比亞迪研發(fā)的IGBT模塊可承受1200V的電壓、200A的電流，因此IGBT模塊的功率很高，如果冷卻效果不好、溫度過高，會影響其工作狀態(tài)甚至被燒毀。逆變器幾何模型(a)固體域仿真對象(b)流體域仿真對象由IGBT模塊、水冷管道、底板組成電控熱管理：典型電控熱管理部件級建模與仿真逆變器溫度分布云圖第四章：空調系統(tǒng)《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》導讀本章主要介紹空調系統(tǒng)的組成和關鍵性能指標、空調系統(tǒng)熱特性模型、空調系統(tǒng)建模與仿真。1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.1?結構電動汽車或燃油車的空調系統(tǒng)主要由四大件組成：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥。1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.?結構壓縮機（Compressor）是空調系統(tǒng)的心臟，在制冷循環(huán)中，其作用過程主要是從點1到點2。在這個過程中，壓縮機通過推動和壓縮向低壓、低溫的制冷劑氣體做功，使其能夠產生壓力和溫度的變化，從而變?yōu)楦邷亍⒏邏旱臍鈶B(tài)制冷劑。冷凝器（Condenser）的主要作用是將高溫的制冷劑冷卻。制冷劑從壓縮機排出后，呈高溫、高壓狀態(tài)，此時需要對其降溫，并完成制冷劑從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。從冷凝器出口流出的制冷劑呈高溫、高壓的液態(tài)，為了使液態(tài)制冷劑的飽和溫度降低，使其能夠吸收低溫物體的熱量，就需要降低其壓力。用到的就是膨脹閥（Expansionvalve）。蒸發(fā)（Evaporator）的作用原理與冷凝器的正好相反，其吸收空氣中的熱量，將熱量傳遞給制冷劑，使其能夠完成汽化.1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.2關鍵性指標

單擊此處添加項標題制冷量是指空調進行制冷運行時，單位時間內從密閉空間、房間或區(qū)域內去除的熱量總和，單位W。制冷量能效比，又稱性能系數，是指空調系統(tǒng)在制冷（制熱）運轉時，制冷量（制熱量）與制冷功率（制熱功率）之比。能效比制熱量是指空調進行制熱運行時，單位時間內向密閉空間、房間或區(qū)域內增加的熱量總和，單位W。制熱量1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.3蒸汽壓縮制冷循環(huán)動態(tài)集總參數模型空調系統(tǒng)輸入變量中的可操作變量有2個，即壓縮機轉速和蒸發(fā)器風扇轉速。其他3個輸入變量（車速、外界環(huán)境溫度和蒸發(fā)器周圍環(huán)境溫度）為空調系統(tǒng)無法通過操縱直接改變的，其中車速與外界環(huán)境溫度是外界擾動，完全不受空調系統(tǒng)影響，而蒸發(fā)器周圍環(huán)境溫度一般與冷卻控制目標有關，可以被空調系統(tǒng)影響。1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真

常規(guī)的空調系統(tǒng)結構示意圖如圖所示，包含一個壓縮機、一個冷凝器、一個蒸發(fā)器、一個節(jié)流裝置（膨脹閥）。

壓縮機中的制冷劑蒸汽壓力增加，為系統(tǒng)提供制冷劑流量。在冷凝器中，能量從制冷劑排到濕空氣中，制冷劑狀態(tài)從蒸汽切換到兩相流，然后沿著冷凝器切換到過冷液體。通過節(jié)流裝置（膨脹閥），制冷劑壓力降低，因此流體溫度突然下降。制冷劑在蒸發(fā)器中開始蒸發(fā)，

蒸發(fā)器的作用是通過從濕空氣中吸收熱量來蒸發(fā)制冷劑。儲液器確保只有過熱氣體被供應到壓縮機中。1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真AITherMa軟件中搭建空調系統(tǒng)仿真模型仿真工況通過壓縮機的外部轉速輸入來控制其運行狀態(tài)。壓縮機的工作轉速為2000rev/min，分為初始的瞬態(tài)過程和最終的穩(wěn)定狀態(tài)。在第一個瞬態(tài)過程，壓縮機以2000rev/min的速度運行。在t=201s和t=241s之間，完全停止。之后，又以2000rev/min的速度運行。1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真冷凝器水平處提供給濕空氣通量的功率和在蒸發(fā)器水平處從濕空氣通量吸入的功率之間的差等于壓縮機提供給制冷劑流體的功率。儲液器的作用是保證只有過熱的制冷劑蒸汽才能進入壓縮機，從而不至于對壓縮機造成損害。中途由于壓縮機停轉，沒有熱量傳遞給制冷劑，因此此時制冷劑過熱量會保持在較低水平。空調系統(tǒng)中主要部件的外部熱交換情況進入壓縮機的制冷劑過熱量變化1.4?空調系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例此案例基于上一案例進行擴展，與它的不同之處在于：包括座艙（座艙還通過對流交換和太陽能通量與其周圍環(huán)境進行熱交換）；壓縮機由發(fā)動機驅動；發(fā)動機轉速及冷凝器中的濕空氣流量遵循部分NEDC循環(huán)（只有2個城區(qū)循環(huán)和1個城郊循環(huán)）；仿真目的是通過調節(jié)通過壓縮機的制冷劑流體的質量流量來控制座艙溫度；壓縮機具有可變排量。座艙空調系統(tǒng)控制器是一個簡單的PI（比例積分）控制器。在新能源汽車中，座艙制冷和制熱是影響續(xù)航里程的關鍵環(huán)節(jié)。汽車空調系統(tǒng)的重要功能是通過調節(jié)汽車座艙內的溫度、濕度和風速，使座艙達到一個舒適的駕駛和乘坐環(huán)境。主流的汽車空調系統(tǒng)是通過蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱的熱物理原理，使座艙內溫度下降或升高。座艙制冷仿真分為空調系統(tǒng)和座艙系統(tǒng)兩個部分開展。對于空調系統(tǒng)，其主要有三個功能：制冷、制熱和除濕，其中夏季制冷是空調系統(tǒng)最為常用的功能，涉及多個關鍵零部件的建模和標定。座艙系統(tǒng)是空調系統(tǒng)中蒸發(fā)器連接的外部環(huán)境，也是主要的熱源。1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例AITherMa中搭建的座艙空調系統(tǒng)仿真模型1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例模擬工況進入冷凝器和蒸發(fā)器的濕空氣具有以下特性：壓力為1bar，溫度為30℃，相對濕度為40%。蒸發(fā)器上吹出恒定的0.11kg/s空氣質量流量。流過冷凝器的空氣質量流量取決于行駛工況：車速越快，空氣質量流量越高。還假設冷凝器處設有控制風扇（此處未建模）以確保最小0.6kg/s的質量流量。從t=0s到t=60s：初始化階段，座艙溫度從初始高溫冷卻。從t=60s到t=450s：空調系統(tǒng)不足以將座艙溫度保持在所需目標。這是因為汽車處于行駛工況的城區(qū)部分，冷凝器上的溫空氣質量流量有限。同時，壓縮機轉速保持在較低水平，并且壓縮機經常以其最低轉速運行，這意味著制冷劑質量流量低，熱交換低。從t=450s到t=750s：空調系統(tǒng)使座艙溫度保持在所需目標。該時段汽車處于行駛工況的城郊部分，冷凝器上的高濕空氣流量和高壓縮機轉速允許高的熱交換。從t=750s到以后：汽車停止運行，但發(fā)動機仍在運轉。冷凝器上的最小空氣質量流量限制了制冷劑的冷卻。此外，低壓縮機轉速意味著制冷劑流體的低質量流量，這限制了蒸發(fā)器液位下的熱交換。1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙熱管理三維仿真案例座艙熱管理三維仿真通過計算座艙內空氣的速度分布、假人和周圍環(huán)境的熱量交換，從而分析假人的熱舒適性。座艙熱管理三維仿真需要建立空調出風口、假人、座椅、儀表盤和汽車外殼等計算邊界。第五章：整車熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析》5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)…………1305.1.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)構型介紹………1305.1.2典型純電動汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真………………14015.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)………1465.2.1混合動力汽車熱管理系統(tǒng)構型介紹……………………1465.2.2典型混合動力汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真……………1513目錄

5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)

純電動汽車熱管理系統(tǒng)的常規(guī)物理架構包括電驅動系統(tǒng)冷卻回路、電池溫控系統(tǒng)、空調制冷系統(tǒng)、座艙采暖系統(tǒng)等。

純電動汽車熱管理系統(tǒng)從傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)衍生而來，主要變化包括兩方面：

一方面，電動壓縮機替代傳統(tǒng)壓縮機，新增了電池冷卻板、電池冷卻器、PTC加熱器等部件；

另一方面，熱管理系統(tǒng)從單純的空調降溫延伸到電池包冷卻，從座艙采暖延伸到電池包加熱。純電動汽車熱管理與燃油車熱管理主要差異5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)各熱管理子系統(tǒng)相互獨立各熱管理子系統(tǒng)耦合集成系統(tǒng)集成度低價電動汽車/逐漸淘汰獨立液冷、PTC、單冷空調高度集成、熱泵、總成化國內電動汽車目前正處于第三代集成熱管理系統(tǒng)大規(guī)模產業(yè)化階段。第一代（風冷）第二代（液冷）第三代（集成）下一代（儲熱）特斯拉集成熱管理模塊比亞迪集成熱管理模塊5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)獨立式：在新能源汽車發(fā)展初期，各系統(tǒng)的熱管理功能獨立：制冷采用傳統(tǒng)空調制冷系統(tǒng)，而采暖則采用高壓PTC加熱器。座艙熱管理方面由于最初新能源汽車的電池能量密度相對較低，電池溫控系統(tǒng)普遍采用自然風冷和強制風冷技術。隨著電池容量和能量密度的不斷提高，新能源汽車對于熱管理系統(tǒng)中的電池溫控模塊有了更高的需求，因此電池水冷系統(tǒng)應運而生。電池水冷系統(tǒng)主要包括電子水泵、換熱器、電池冷卻板、PTC加熱器、膨脹水壺等零部件。電池熱管理方面電機冷卻多采用前端散熱器進行散熱的冷卻方式。電機熱管理方面這樣的分散式熱管理系統(tǒng)部件眾多、體積和質量較大、能耗高、成本高，但系統(tǒng)結構簡單、容易控制。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)根據熱管理系統(tǒng)架構與集成化程度，純電動汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展可以歸納為三個階段：從單冷配合電加熱到熱泵配合電輔熱再到寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理逐步耦合電動汽車熱管理系統(tǒng)逐漸朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，在寬溫區(qū)、極端條件下的環(huán)境適應能力逐漸提升，一體化全耦合熱管理也減少了能量浪費。在傳統(tǒng)分散式熱管理系統(tǒng)中，電池、電機、電控熱管理系統(tǒng)和空調系統(tǒng)回路彼此獨立，能量利用不充分，系統(tǒng)集成度較低，管路復雜、零部件數量多、成本較高；集成式熱管理系統(tǒng)可以根據各部件的溫控需求，控制壓縮機、加熱器、閥體等部件的開啟或關閉，改變循環(huán)回路，減少能量的浪費，控制復雜程度和難度也相應提高。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)1.分散式熱管理系統(tǒng)純電動汽車的空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調系統(tǒng)工作原理類似，主要差異有2個：制冷系統(tǒng)中壓縮機的驅動方式；供暖系統(tǒng)中暖風來源。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)1.分散式熱管理系統(tǒng)純電動汽車在制冷系統(tǒng)上，僅用電動壓縮機替代傳統(tǒng)壓縮機，并以動力電池供能進行驅動。主要包含電動壓縮機、冷凝器、儲液罐、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻風扇、鼓風機等零部件。供暖系統(tǒng)一般采用電加熱的PTC作為熱量來源，主要有PTC空氣加熱器和PTC水加熱器兩種方案。采用PTC空氣加熱器時，其直接取代了傳統(tǒng)燃油車上的暖風芯體，冷空氣在流經加熱器表面時被加熱，這種方案成本相對比較低廉，但PTC直接接入乘員艙內存在一定的安全隱患風險。采用PTC水加熱器方案時，不僅保留了傳統(tǒng)空調的暖風芯體同時外接一套PTC加熱循環(huán)回路，工作時，PTC加熱器先將防凍液進行加熱，加熱后的防凍液流入暖風芯體與冷空氣進行換熱，整套回路安全性相對較高，但增加了PTC、水泵管路等零部件。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車電機電控系統(tǒng)的冷卻方式主要有風冷和水冷兩種，早期的驅動電機功率較小，采用風冷較多，隨著電機功率的不斷加大，風冷不能滿足散熱的需求，因此，目前車用電機電控的冷卻多采用水冷的方式。采用風冷散熱的電機，通過風扇產生足夠的風量帶走電動機所產生的熱量，其介質為電機周圍的空氣。風冷的特點是結構相對簡單、電機冷卻成本較低，但是散熱效果和效率都不太好、工作可靠性差，并且對天氣和環(huán)境的要求也比較高。采用水冷散熱的電機，會將冷卻液通過管道和通路引入定子或轉子空心導體內部，通過循環(huán)冷卻液不斷的流動，帶走電機轉子和定子產生的熱量。水冷的特點：散熱均勻、效率高、工作可靠性強、噪音也更小。只要保證了整個裝置能擁有良好的機械密封性，就可以在各種環(huán)境下使用。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)電控水冷系統(tǒng)與燃油車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)十分相似，主要包括電動水泵、散熱器、冷卻風扇、膨脹水壺和管路等零部件。一般會根據車內的電子功率件(如電機控制器、DCDC等)和電機的溫度特性進行位置排布，并串聯(lián)在一個回路之中。冷卻液經水套流動帶走驅動電機工作時產生熱量進入水箱散熱器。散熱器與電子風扇集成，電子風扇加速水箱散熱，使冷卻液降溫，達到驅動電機要求的正常工作溫度。經過散熱的冷卻液再次流經驅動電機，循環(huán)往復。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)電池的冷卻方式也經歷了從風冷到液冷的過程。風冷可分為自然對流風冷、強制對流風冷。由于動力電池封裝在電池盒內，自然對流無法及時散熱，因此實際應用較少。強制風冷利用風扇驅動空氣進行循環(huán)冷卻，可滿足電池低充放電倍率運行時的降溫需求，是一種比較成熟的主動式冷卻技術。由于風冷結構簡單、成本低、便于維護，因此在早期的新能源車型或成本受限的車型上得到廣泛應用。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)電池的冷卻方式也經歷了從風冷到液冷的過程。液冷比風冷效果更快，而且可以使電池組的溫度分布均勻，是目前主流的電池冷卻方式。液冷系統(tǒng)由水泵驅動冷卻液在電池冷板和管路中流動，從而帶走電池產生的熱量，并通過散熱器與空氣進行熱交換散發(fā)到環(huán)境空氣中。近年來，為了更好的實現(xiàn)電池的溫控效果，采用空調對電池進行制冷的方式逐漸普遍。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)2.集成式熱管理系統(tǒng)集成式熱管理系統(tǒng)結構圖如圖5-2所示。電池回路和空調回路經過Chiller進行耦合：在低溫環(huán)境下，通過PTC加熱器對動力電池進行加熱，改善動力電池的低溫性能；在高溫環(huán)境下，通過與空調系統(tǒng)交互的Chiller對動力電池進行冷卻，保證動力電池的性能和使用壽命。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)

冷媒直冷方式充分利用整車空調系統(tǒng)中的制冷劑，將其引入電池內部蒸發(fā)器中以達到冷卻電池目的。

應用冷媒直冷技術的熱管理系統(tǒng)主要由以下部件組成：電動壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、管道等，電池與制冷劑直接換熱原理如圖5-3所示，比亞迪DM-i、寶馬i3等均采用這種設計。

冷媒直冷技術能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內部獲得更均勻的溫度分布，在減少二次回路的同時增大系統(tǒng)余熱回收量，進而提高電池溫控性能；缺點是無法直接加熱，需要一套新的加熱系統(tǒng)。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)根據SAE研究，采用空調制冷和PTC制熱的能源消耗占整車能源消耗的33%，滿負荷運轉時，新能源汽車續(xù)航里程將降低近50%。從熱力學角度看，PTC制熱的COP始終小于1，冬季使用PTC供熱時，耗電量較高，嚴重制約了電動汽車的行續(xù)航里程。熱泵空調通過熱量搬運制熱，效率遠高于PTC。熱泵空調的原理是使用蒸氣壓縮循環(huán)利用環(huán)境中的低品位熱量進行制熱，并通過閥件組合使空調的蒸發(fā)器和冷凝器功能對換，改變熱量轉移方向，進而實現(xiàn)冬天制熱的需求。其不使用電能直接制熱，本質是熱量的搬運，因此制熱的理論COP大于1。實驗數據表明，當使用熱泵空調代替PTC滿足加熱需求時，能耗可以降低54%-79%，顯著增加電動汽車的續(xù)航里程。熱泵空調主要通過閥件、換熱器的組合等形式實現(xiàn)。新能源汽車的熱泵空調系統(tǒng)主要由電動壓縮機、換熱器、換向閥、電子膨脹閥等構件組成，為了提高熱泵系統(tǒng)的性能，還可添加儲液干燥器、換熱器風扇等輔助部件。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)傳統(tǒng)熱泵空調在高寒環(huán)境下制熱效率低、制熱量不足，面對嚴寒工況，傳統(tǒng)的氟利昂類熱泵制熱量驟減，制熱能力受限，難以滿足座艙供暖需求，制約了其應用場景。因此，一系列提升熱泵空調在低溫工況下性能的方法得以開發(fā)應用。PTC加熱器輔助熱泵可以提升低溫工況下的性能，因此進一步衍生了熱泵空調+PTC加熱器的方案，以提升熱泵空調在低溫工況下的性能。熱泵空調在一定程度上解決了PTC加熱器能耗高的問題，而熱泵空調+PTC加熱器的方案又彌補了基礎熱泵空調在低溫工況下效率低的缺陷，提升了熱管理系統(tǒng)整體效率。新能源汽車空調系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高效滿足座艙舒適性需求，并與三電系統(tǒng)的精確溫度管理進行深度耦合，未來將朝著更加集成化的方向發(fā)展，進一步提升效率、降低能耗。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)比亞迪海豚配備了集成的熱泵技術，并在刀片電池上面采用了直冷直熱技術，刀片電池上覆蓋直冷直熱板，以冷媒取代了傳統(tǒng)的冷卻液，直接對電池進行冷卻和加熱（預留薄膜加熱）。從組成上看，這套系統(tǒng)主要包括電池直冷制冷（內部直冷板）、電驅動散熱（電機散熱器），所以整套系統(tǒng)圍繞制冷劑系統(tǒng)、冷卻液系統(tǒng)和冷卻液回路排氣管。制冷劑架構復雜，電池直冷、直熱，系統(tǒng)中有6個電磁閥和3個電子膨脹閥。這個集成的閥體主要包括電池加熱、電池冷卻、空氣換熱、水源換熱、空調采暖、空調制冷。同時需要給乘員艙采暖和電池加熱時，熱泵空調系統(tǒng)開啟電動壓縮機，吸收高壓系統(tǒng)余熱進行冷媒直接采暖和電池加熱，必要時可以開啟HVAC總成的PTC風加熱器。同時有乘員艙制冷及電池冷卻需求時，為保證乘員艙制冷及電池包的充電工作狀態(tài)，防止充電時電池溫度過高，限制其充電功率，利用熱泵空調系統(tǒng)對電池包及成員艙進行冷媒直接冷卻。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車上的余熱回收技術是通過將驅動電機和電力電子產生的余熱用來給車輛電池包加熱，該方式相比于現(xiàn)有的電池包加熱方案，實現(xiàn)了余熱的回收利用，在一定程度上增加了車輛的續(xù)駛里程，提高了新能源汽車上的能量利用效率。通過合理增加二次換熱回路，在對動力電池與電機系統(tǒng)進行冷卻的同時，對其余熱進行回收利用，以提高電動汽車在低溫工況下的制熱量。實驗結果表明，余熱回收式熱泵空調與傳統(tǒng)熱泵空調相比，制熱量顯著提升。各熱管理子系統(tǒng)耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱管理系統(tǒng)在特斯拉ModelY、大眾ID4.CROZZ等車型上已得以應用。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)目前，新能源汽車的余熱回收技術主要有兩種：一是高溫回路與電池包低溫回路通過Chiller進行熱交換，即Chiller方式；二是利用多通道電磁閥控制技術實現(xiàn)高溫回路與低溫回路的實時連通與切斷，通過高溫回路余熱直接加熱電池包，即直接加熱方式。圖5-7所示為某新能源汽車的熱管理系統(tǒng)架構（Chiller方式）。該架構包含電機高溫回路、電池包加熱回路、電池包冷卻回路、空調系統(tǒng)降溫回路、空調系統(tǒng)采暖回路、電機冷卻循環(huán)回路等。其中，座艙采用PTC加熱器進行加熱；電機冷卻循環(huán)回路通過散熱器與環(huán)境進行熱交換，或通過Chiller與電池包冷卻回路進行熱交換，因此，電池包可通過余熱和PTC加熱器協(xié)調加熱。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)圖5-8所示為某新能源汽車的熱管理系統(tǒng)架構（直接加熱方式）。該架構包含由電機、MCU等組成的電機高溫回路，以及電池包加熱回路、電池包冷卻回路、空調系統(tǒng)降溫回路、空調系統(tǒng)采暖回路、電機冷卻循環(huán)回路等。其中，電機冷卻循環(huán)回路通過散熱器與環(huán)境進行熱交換，或通過三通電磁閥與四通道電磁閥進行回路切換，電機高溫回路與電池包冷卻回路相連通，因此電池包可通過電機高溫回路余熱和PTC加熱器協(xié)調進行加熱。當環(huán)境溫度更低，且余熱回收量更少時，僅通過余熱回收無法滿足低溫環(huán)境下的制熱需求，仍需要使用PTC加熱器來彌補上述情況下制熱量的不足。但隨著整車熱管理系統(tǒng)集成程度的逐漸提升，可以通過合理地增大電機發(fā)熱量的方式來增加余熱回收量，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP，避免了PTC加熱器的使用，在進一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率的同時滿足純電動汽車在低溫環(huán)境下的制熱需求。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)汽車熱管理從整車角度統(tǒng)籌車輛發(fā)動機、空調、電池、電機等相關部件及子系統(tǒng)的匹配、優(yōu)化與控制，有效解決了整車熱管理問題，使得各功能模塊工作在處于最佳溫度區(qū)間，提高整車經濟性和動力性，從而保證車輛能安全行駛。隨著熱管理系統(tǒng)的發(fā)展，零部件數量隨之增加，作為該系統(tǒng)關鍵功能部件的熱管理集成模塊將相關零部件集成起來，通過車載計算機精確地控制各零部件的運轉情況，保障各系統(tǒng)安全有序、高效地運轉，極大提升了整車性能和可靠性，還節(jié)省了空間和成本，使得前艙整體更加標準化、美觀化。比亞迪e3.0平臺實現(xiàn)了熱泵集成化，而不是單純對座艙空調系統(tǒng)、刀片電池熱管理系統(tǒng)進行簡單的整合。從設計思路上看，這套熱管理系統(tǒng)類似特斯拉集成化的閥島方案，閥島結構（見圖5-9）對制冷劑回路大部分控制組件進行了集成。從結構上看，e3.0平臺架構下的基于熱泵空調的一體化熱管理系統(tǒng)首先降低了能耗損失，不僅僅圍繞座艙和動力電池進行冷量與熱量的交互，而且在域控制層面由BYDOS操作系統(tǒng)控制，將冷量直接送至刀片電池和座艙，將熱量在電驅動系統(tǒng)、座艙和刀片電池三者間進行傳遞。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)特斯拉的熱管理技術是在不斷優(yōu)化的，按照時間序列和匹配車型，特斯拉汽車熱管理系統(tǒng)技術可以分為四代。第一代車型傳承于傳統(tǒng)燃油車熱管理的思路，各個熱管理回路相對獨立；第二代車型引入四通閥，實現(xiàn)了電機回路與電池回路的串并聯(lián)，開始出現(xiàn)結構集成；第三代Model3開始進行統(tǒng)一的熱源管理，引入電機堵轉加熱，取消了水暖PTC加熱器，并采用了集成式儲液器，集成了冷卻回路，簡化了熱管理系統(tǒng)結構；第四代ModelY在結構上采用高度集成的八通閥，對多個熱管理系統(tǒng)部件進行集成，以實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)工作模式的切換。從特斯拉車型的演變來看，其熱管理系統(tǒng)集成度在不斷提升。集成式儲液器設計，實現(xiàn)了膨脹水壺與熱管理系統(tǒng)加熱與冷卻部件的高度集成。集成式儲液器的核心部件為冷卻液儲罐，該集成模塊還包含四通閥、電機水泵、電池水泵、Chiller、散熱器和執(zhí)行器等部件（見圖5-10）。在冷卻模式下，冷卻液在抽取至冷卻液儲罐中時，分別在兩條路徑上由Chiller和散熱器冷卻，實現(xiàn)對電池和電機的循環(huán)冷卻。在加熱模式下，電池與功率電子管路切換成串聯(lián)回路，冷卻液進入管理模塊、驅動單元的油冷卻熱交換器吸收它們在工作中產生的熱量，最后經過集成閥流經Chiller對電池進行加熱。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)第四代熱管理系統(tǒng)使用八通閥模塊（Octovalve）集成冷卻回路和制熱回路，實現(xiàn)整車熱管理集成化。八通閥的設計（見圖5-11）使能量效率提升、系統(tǒng)集成、成本降低，其打通了傳統(tǒng)熱泵空調系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)，可以實現(xiàn)12種制熱模式和3種制冷模式，使用了八通閥的ModelY汽車相比于Model3汽車能量利用效率提高了10%。動力系統(tǒng)電驅回路水冷冷凝器可以在冬天將三電系統(tǒng)余熱回收利用到熱泵空調系統(tǒng)中，為座艙服務。以壓縮機全功率工作代替PTC加熱器進行制熱，解決了R134a制冷劑在-10℃以下無法實現(xiàn)熱泵功能的問題，將壓縮機一物多用，節(jié)省了零部件成本。高度集成化的設計縮短了零部件流道，降低了能耗，方便了裝配，同時可將OEM的裝配工序集中下放給Tier1供應商，進一步節(jié)省人工和生產線成本。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)圖5-12所示為ModelY熱管理系統(tǒng)結構圖，通過控制熱力膨脹閥開度、截止閥動作來控制制冷劑的循環(huán)，通過控制八通閥的通斷來控制冷卻液的循環(huán)，整個控制系統(tǒng)非常復雜。當座艙或者電池需要加熱，且外界環(huán)境溫度低于-10℃時，熱泵不會從環(huán)境中吸收熱量，只會將熱量從座艙轉移到電池中，或者從電池中轉移座艙，或者作為一個高壓PTC加熱器加熱座艙和電池。此時，高壓電池是唯一的熱源，要么加熱自己，要么加熱座艙。而當環(huán)境溫度高于-10℃時，熱泵才開始展現(xiàn)出真正的作用，從環(huán)境中吸收熱量。5.1純電動汽車熱管理系統(tǒng)純電動汽車熱管理系統(tǒng)仿真實例AITherMa中的純電汽車熱管理系統(tǒng)建模結果模擬工況：環(huán)境溫度為20℃，運行工況為2個NEDC循環(huán)環(huán)境溫度為20℃，2個NEDC循環(huán)工況下，汽車主要部件的溫度變化。在汽車行駛初始階段，水溫不斷上升，直至達到62℃后不再升高，而是反復在58～62℃波動。電機出口水溫在環(huán)境溫度為20℃的條件下，座艙溫度隨著車速變化并在20℃附近波動，處在一個舒適的溫度區(qū)間。座艙溫度基本維持在20℃左右。在NEDC工況開始階段，電池溫度因為熱輻射和空氣的熱對流稍有下降；在NEDC、的郊區(qū)階段，整車需求功率增加，電池對外輸出功率和產熱功率隨之增加，電池溫度上升。電池溫度

電機出口水溫曲線動力電池溫度曲線座艙溫度曲線5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)混合動力汽車可以分為輕度混合動力汽車、中度混合動汽車和重度混合動力汽車，工作模式可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動力汽車又稱增程式混合動力汽車，其發(fā)動機主要用來為電池充電；并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機和電機可以同時作為動力源；混聯(lián)式混合動力汽車則綜合了兩者優(yōu)點，可以在串聯(lián)及并聯(lián)模式之間切換。5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)結構不同，各部件的散熱強度不同，熱管理系統(tǒng)的工作模式也不同?；旌蟿恿ζ嚐峁芾硐到y(tǒng)主要由發(fā)動機熱管理系統(tǒng)、電機/電控冷卻子系統(tǒng)、變速箱冷卻子系統(tǒng)、電池冷卻子系統(tǒng)和空調子系統(tǒng)組成。其中，電機/電控冷卻子系統(tǒng)、空調子系統(tǒng)與純電動汽車的類似，不同之處主要是，混合動力汽車增加了發(fā)動機熱管理系統(tǒng)和變速箱冷卻子系統(tǒng)。動力電池冷卻系統(tǒng)回路（電池回路）包含液液換熱器、Chiller、動力電池水冷板、電子水泵等部件。其通過液液換熱器與空調采暖系統(tǒng)回路（暖通回路）耦合換熱，保證動力電池的加熱需求；通過Chiller與空調制冷系統(tǒng)回路（空調回路）耦合換熱，保證動力電池的制冷需求?？照{制冷系統(tǒng)回路包含兩個并聯(lián)的制冷支路：一個支路為熱力膨脹閥和蒸發(fā)器總成，滿足座艙的制冷需求；另一個支路為電子膨脹閥和Chiller，滿足動力電池的制冷需求。電機冷卻系統(tǒng)回路（電驅回路）是獨立于其他系統(tǒng)的冷卻回路，由低溫散熱器、電子水泵、電機控制器、電機等組成。某混合動力汽車熱管理系統(tǒng)結構圖5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)混合動力汽車相比于純電動汽車，增加了發(fā)動機這個巨大的熱源，因此混合動力汽車發(fā)動機余熱回收相關研究相對較多?；旌蟿恿ζ嚤葌鹘y(tǒng)燃油車在發(fā)動機余熱回收方面具有更大的潛力，因為混合動力汽車有電機的加入，冷車時發(fā)動機升溫的過程更慢。利用余熱回收技術可使其發(fā)動機的效率提高15%。EHRS，發(fā)動機廢熱再回收系統(tǒng)廢氣經過換熱翅片通道與冷卻液產生熱量交換，對尾氣余熱以發(fā)動機冷卻液為媒介進行熱量再回收換熱翅片通道關閉，廢氣直接從旁通道經排氣管排出，不與冷卻液產生熱量交換5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)切換EHRS的工作模式的兩種方式：0201根據發(fā)動機的氣體流量。當發(fā)動機有很大的功率輸出需要時，就切換為旁通模式。閥門動作控制機構：真空泵、電控馬達根據冷卻液溫度，如利用自適應石蠟，當發(fā)動機冷卻液溫度達到一定值時，石蠟就會膨脹，把閥門推開，進入余熱回收模式。5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)eWHR，電動廢熱回收系統(tǒng)發(fā)動機尾氣余熱發(fā)電2條技術路線：二是采用朗肯循環(huán)推動膨脹機發(fā)電。左圖為典型的朗肯循環(huán)。是采用塞貝克效應的熱電轉換技術，利用半導體材料的溫差發(fā)電特性發(fā)電；一發(fā)動機尾氣排放管串聯(lián)蒸發(fā)器，蒸發(fā)的工質氣體推動活塞膨脹機運轉輸出動能進行發(fā)電，實現(xiàn)對尾氣熱量的回收再利用?；厥罩蟮碾娔軐⒔尤胲囕v的48V電氣系統(tǒng)，用來驅動電機工作，和發(fā)動機一起組成混動系統(tǒng)?；旌蟿恿ζ嚐峁芾硐到y(tǒng)仿真實例混合動力汽車熱管理系統(tǒng)在AITherMa中的建模結果動力系統(tǒng)結構為串聯(lián)式構型5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)模擬工況：環(huán)境溫度-20℃、行駛工況為一個標準NEDC循環(huán)發(fā)動機出口冷卻液溫度曲線發(fā)電機溫度曲線電機溫度曲線由于NEDC循環(huán)工況的速度曲線為先低速行駛，后高速行駛，因此電機的溫升速率先慢后快。行駛時間約為800s時，發(fā)動機出口溫度升高速度加快，溫度超高80℃后，溫度曲線在80℃上方出現(xiàn)波動。NEDC循環(huán)工況在800秒之后為郊區(qū)循環(huán)，發(fā)動機需要增加輸出功率，發(fā)動機產熱功率同時增加。發(fā)電機和發(fā)動機的工作狀態(tài)在時間上是一致的。發(fā)動機啟動階段，發(fā)電機用來輔助發(fā)動啟動；用來帶動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)動機啟動之后，發(fā)動機的輸出功率。溫度曲線上，兩者也具有趨勢一致性。5.2混合動力汽車熱管理系統(tǒng)電池溫度曲線座艙溫度曲線汽車啟動后，座艙溫度不斷上升，約150s上升至0℃，約520s上升至15℃，隨后很快上升至目標溫度20℃，并在目標溫度區(qū)域附近合理波動。時間至NEDC循環(huán)工況中的郊區(qū)階段時（800s），車速的突然增加，但是座艙溫度并沒有下降過多，在短暫的時間內座艙溫度又重新調整到20℃。仿真條件設置環(huán)境溫度為-20℃，動力電池需要加熱到目標溫度附近，電池溫度曲線在不斷上升。在沒有發(fā)動機余熱提供時，電加熱器通過加熱冷卻液為電池和座艙提供熱量。電池換熱器和座艙換熱器屬于串聯(lián)模式，同時為了優(yōu)先保證乘員艙的熱舒適性，電池換熱器處于座艙換熱器后面，因此電池溫升不是以最快的速度達到目標溫度。第六章：AI技術與汽車熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》導讀本章主要介紹AI技術理論、AI技術在汽車熱管理中的應用場景及相關案例分析。1.6?AI技術理論1.6.1?流場預測前沿技術1、流形假設的意義：我們可以用較低維度的數據來表示高維數據，而不會失去太多信息。因此我們在做流場或者其他物理場預測任務時，可以先利用降維技術將高維數據映射到低維的流形子空間上，再利用其低維表示來建立流場預測模型，即建立一個低維模型來近似原來復雜的高維問題。三維數值模擬的復雜度比較高，在實際應用中一些高精度或者大規(guī)模的模擬，其網格數量可能達到百萬級甚至千萬級，流場解的維度更是網格維度的數倍。但在實際問題中，這些高維數據往往都存在于某些低維流形上；也就是說，它們可能只是高維空間中的一部分，并不占據整個空間。這種現(xiàn)象被稱為“流形假設”。2、高維數據降維：通常來說，降維問題都可以看作是一類特征學習問題，或者轉化為優(yōu)化問題。具體來說，即根據一系列高維數據，找到一組最優(yōu)的低維子空間，使其最大程度地保留原高維數據的信息。3、模型降階：通過高效的降維技術，我們可以將原來高維的流場數據投影到低維的線性或者非線性空間，然后在低維空間建立輕量化的預測模型，從而達到快速預測的目的。一般來說，這種輕量化的模型可以通過將物理控制方程投影到低維流形上獲得，也可以通過數據驅動的方式在低維流形上直接建立啟發(fā)式的模型。前者由于其清晰的物理意義，在傳統(tǒng)流場降階模型中被廣泛采用。卷積神經網絡：由于三維數值模擬的數據，尤其是在結構化的笛卡爾網格下，其存儲結構與圖像存儲非常類似，所以CNN技術在流場快速預測上也有很大的潛力。同時由于流場數據通常具有高維度和復雜的結構特性，一般CNN還會和編碼解碼類型的網絡結構一起使用：可以認為通過encoder部分的卷積層對流場數據進行特征提取和下采樣，然后再通過decoder部分的反卷積層將這些特征上采樣并解碼為流場預測。1.6?AI技術理論1.6.1?流場預測前沿技術圖網絡技術：GCN（GraphConvolutionalNetwork，圖卷積網絡）通過對每個網格節(jié)點周圍的節(jié)點進行卷積操作，從而提取出局部的特征信息，并將這些特征信息傳遞到全局進行最終的預測。相比于傳統(tǒng)的CNN，GCN更適合處理非結構化數據，因為它們能夠高效地處理和利用節(jié)點之間的拓撲連接關系。此外，GCN對于輸入輸出的維度沒有要求，在它們的維度改變時依然能夠保持較好的預測效果。這對于三維模擬中變幾何、變網格等工況來說，優(yōu)于絕大部分傳統(tǒng)的神經網絡模型。1.6?AI技術理論1.6.1?流場預測前沿技術hop=1表示采樣與當前節(jié)點直接相連的節(jié)點；hop=2表示采樣與當前節(jié)點之間連接的邊數量小于2的節(jié)點1.6?AI技術理論1.6.1?流場預測前沿技術物理啟發(fā)式約束:物理啟發(fā)式網絡（Physics-InformedNeuralNetworks,PINNs），則將物理規(guī)律作為模型的先驗約束嵌入到神經網絡中去，在模型訓練的過程中保持物理規(guī)律的一致性，從而提高模型的性能。PINN類型的神經網絡還可以將其他物理信息，如邊界條件、初始條件等一系列信息引入，具有非常高的靈活性和可擴展性1.6?AI技術理論1.6.1?流場預測前沿技術電池熱仿真：現(xiàn)有痛點電池包模組結構復雜，模型處理困難；電池包網格量大，傳統(tǒng)的CFD方法進行瞬態(tài)熱分析，計算量巨大；仿真工況多，需要進行大量的仿真計算，對硬件的要求高，耗時長；傳統(tǒng)的CFD仿真不滿足實際應用中對分析效率的要求，無法實現(xiàn)對整車熱管理策略的控制開發(fā)。電機熱仿真：現(xiàn)有方法優(yōu)缺點座艙熱仿真：現(xiàn)有痛點優(yōu)點：計算精度高，可以計算多節(jié)點溫度、可以考慮環(huán)境溫度影響；缺點：計算速度慢，需要輸入電磁損耗、機械損耗等信息，不能直接計算溫度及預測未來一段時間內的溫度空調工況復雜，不同鼓風機檔位，不同制冷溫度

環(huán)境條件多變，高溫、低溫、濕度差異等；輻射模型計算，計算資源要求高；性能仿真瞬態(tài)計算，耗時長

座艙熱仿真：現(xiàn)有痛點算精度難以滿足要求

計算復雜度高內存消耗過高高效處理超大規(guī)模系統(tǒng)的熱分析。實時監(jiān)測與自適應熱管理AI模型可以通過傳感器的輸入數據快速預測完整的電池包全場溫度，從而指導熱管理系統(tǒng)根據不同的工作條件動態(tài)調整熱管理策略。例如，在檢測到電池包全場溫度較高時，系統(tǒng)可以自動增大冷卻強度；而在溫度較低時，系統(tǒng)可以減小冷卻功率以節(jié)省能源。異常檢測與故障診斷利用AI模型預測的完整電池包溫度場數據，可以對電池系統(tǒng)進行異常檢測與故障診斷。相比于少量的獨立測點數據，利用較為完整的全場溫度結果，能夠更加高效地檢測電池系統(tǒng)中的異常溫升情況，預防熱失控事件。01021.6?AI技術理論1.6.2?技術在汽車熱管理中的應用場景AI+電池熱仿真：優(yōu)勢利用AI技術建立電池包溫度場的快速預測模型，可以輔助電池熱管理，達到優(yōu)化熱管理策略的目的，實現(xiàn)較低的平均溫度和較為均勻的溫度分布，其具體應用有以下方面。1.6?AI技術理論1.6.2?技術在汽車熱管理中的應用場景AI+電機熱仿真：優(yōu)勢（1）快速設計與仿真優(yōu)化。AI技術利用機器學習算法，可以從大量的歷史仿真數據中學習電機設計參數、工況參數與電機散熱性能的映射關系。利用訓練好的AI模型，可以對電機設計參數進行快速的優(yōu)化，從而規(guī)避傳統(tǒng)CFD仿真計算速度慢、計算資源消耗大等弊端。（2）實時溫度監(jiān)測與未來趨勢預測。AI模型可以通過傳感器數據快速預測完整的電機溫度分布。同時，基于AI的時序降階模型可以預測未來一段時間內的溫度場變化，從而更好地反饋到熱管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)更加高效的電機溫度控制。（3）損傷預測和運維管理。通過AI技術對電機運行狀態(tài)的監(jiān)測和分析，可以進行損傷預測和壽命預測，指導電機的維修和保養(yǎng)，確保電機在最佳狀態(tài)下運行，延長其使用壽命。1.6?AI技術理論1.6.2?技術在汽車熱管理中的應用場景AI+座艙熱仿真：優(yōu)勢（1）智能空調控制系統(tǒng)。AI技術可以根據座艙內外的溫度、濕度、人員數量等參數，實時預測座艙內部的空氣溫度、濕度及人體表面的溫度分布。完整的溫度分布數據能夠指導空調系統(tǒng)調整工作狀態(tài)，以提供最佳的熱舒適性。這種智能控制系統(tǒng)可以動態(tài)地調整鼓風機擋位和制冷溫度，以適應不同的環(huán)境條件和乘員需求，提高座艙的熱舒適性。（2）個性化熱舒適性定制。由于座艙熱舒適性還涉及乘員的主觀感受，所以利用AI技術還可以通過乘員的反饋數據，分析乘員的偏好、乘車習慣等信息，為每位乘員提供個性化的熱舒適性體驗，提高乘員滿意度。1.6?AI技術理論1.6.2?技術在汽車熱管理中的應用場景AI+座艙熱仿真：優(yōu)勢（1）實時熱分析模型構建。利用AI模型降階技術，通過大量的仿真數據訓練神經網絡模型，可以構建高精度的電控系統(tǒng)熱仿真模型。這些模型可以根據工況條件以及芯片當前狀態(tài)，快速預測芯片的溫度分布，尤其是在瞬態(tài)熱分析中，大大減少計算時間，大幅提升仿真效率。（2）優(yōu)化設計空間探索。傳統(tǒng)方法在進行參數優(yōu)化時，需要進行大量的CFD仿真和計算。利用響應速度較快的AI降階模型，設計工程師可以通過智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、貝葉斯優(yōu)化算法等，在更短時間內找到最優(yōu)的設計參數，從而有效地縮小設計空間，提高優(yōu)化效率。（3）多物理場協(xié)同仿真。集成電路的熱分析不僅涉及熱傳導，還涉及電學和力學等多物理場的耦合。AI技術可以整合不同領域的數據，通過多物理場協(xié)同仿真模型，更準確地預測芯片系統(tǒng)在復雜工作條件下的熱分布情況。1.6?AI技術理論1.6.3?技術在汽車熱管理中的應用案例分析融入AI技術前后的仿真流程對比1.6?AI技術理論1.6.3?技術在汽車熱管理中的應用案例分析采用穩(wěn)態(tài)不可壓物理模型進行求解，湍流模型選用Standardk-esilon外加標準壁函數，計算域材料屬性為空氣。整個計算域包括2個假人模型，12個進風口，4個玻璃窗、1個天窗和一個擋風玻璃。設計變量為進風口速度，樣本區(qū)間為0.1m/s到11m/s。1.6?AI技術理論1.6.3?技術在汽車熱管理中的應用案例分析采用穩(wěn)態(tài)不可壓物理模型進行求解，湍流模型選用Standardk-esilon外加標準壁函數，計算域材料屬性為空氣。整個計算域包括2個假人模型，12個進風口，4個玻璃窗、1個天窗和一個擋風玻璃。設計變量為進風口速度，樣本區(qū)間為0.1m/s到11m/s。1.6?AI技術理論1.6.3?技術在汽車熱管理中的應用案例分析在8核并行計算的前提下，CFD案例耗時1.5h，AI預測耗時為8s。下面在進風口風速為2m/s的情況下，對流場結果進行了對比。第七章：相關軟件技術展望《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》導讀本章主要介紹了汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真軟件的技術趨勢，展望了云服務和大數據分析等前沿技術在汽車CAE領域的應用前景，同時介紹了國內自主可控的數字化仿真云平臺，包括其設計理念、技術架構和功能模塊等。7.1?多學科系統(tǒng)仿真軟件技術展望現(xiàn)代汽車越來越成為一個復雜的多學科工程系統(tǒng)，大量的子系統(tǒng)和關鍵零部件在車輛中通過不同領域接口連接在一起，并在不同的時空尺度下產生復雜的動態(tài)響應。使用單一仿真軟件很難囊括所有的零部件功能，因此，基于開放接口的聯(lián)合仿真技術將會在AITherMa等多學科系統(tǒng)仿真軟件中成為實現(xiàn)更準確的零部件邊界仿真和更大規(guī)模的系統(tǒng)仿真的核心技術。基于開放接口的更大規(guī)模的多學科仿真基于開放接口的跨尺度聯(lián)合仿真開放的多學科和跨尺度聯(lián)合仿真技術模型降階技術實際工程數據建模融合人工智能技術與研發(fā)流程中各個需求層級的系統(tǒng)功能和行為進行對應，結合組件化和模塊化的方法，軟件可以在熱管理系統(tǒng)設計的各個階段，以符合工程師認知的形式組合出最優(yōu)的模型解決方案，并提供相應的開放接口，幫助工程師更容易地描述系統(tǒng)的功能和行為?；谀Ｐ偷脑O計優(yōu)化流程通過仿真優(yōu)化技術，模型在設計階段就可以通過大量的驗證場景確定最優(yōu)的設計方案和集成方案。多參數、多目標優(yōu)化技術，將仿真模型與實際的工程邊界結合，為多學科系統(tǒng)在多場景工程約束下進行解決方案尋優(yōu)，極大地減少了實際集成驗證所需的工時。通過模型管理和接口管理技術，各需求層級產生的各種高、低精度的仿真模型，可以通過同一個管理平臺進行管理，作為數字資產在跨部門、跨供應鏈的協(xié)作中流轉，從而通過基于模型的協(xié)作方式提高需求傳遞和集成設計的效率。行業(yè)應用領域拓展生物醫(yī)學工程領域：可以利用軟件模擬人體內的血液流動，優(yōu)化醫(yī)療器械的設計環(huán)境工程領域：可以利用軟件模擬大氣、水體的流動，評估環(huán)境污染物的傳輸和擴散新能源領域：可以利用軟件對如風能、水能等可再生能源的設備進行優(yōu)化設計和運行仿真，提高能源利用效率。集成人工智能技術一是提供智能設置推薦。軟件利用機器學習算法，從大量的仿真數據中學習模型特征、總結規(guī)律，從而推薦三維熱流體仿真模型的初始條件、邊界條件或者模型參數。智能設置推薦功能將提高建模效率和模型的準確性，特別是在處理復雜問題或工程師缺乏相關經驗的情況下，將顯著提高仿真效率。二是提供結果深度分析。軟件通過人工智能算法對仿真數據進行特征提取和模式識別，挖掘隱藏在數據背后的潛在模式和關聯(lián)性，對仿真結果進行深度分析，為用戶提供更詳細、更全面的仿真結果報告。

智能化網格生成和自適應網格技術更高級的幾何建模工具自適應建模與網格劃分技術7.2?流體動力學仿真軟件技術展望