汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析 課件匯 張揚(yáng)軍 第1-4章 緒論、動力系統(tǒng)熱管理- -空調(diào)系統(tǒng)

第一章：緒論《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》導(dǎo)讀本章講述了汽車熱管理系統(tǒng)的相關(guān)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(jī)、空調(diào)、電池、電機(jī)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(jīng)濟(jì)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(jìn)。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?zé)峁芾聿捎蔑L(fēng)冷方式，各子系統(tǒng)獨(dú)立。座艙引入熱泵空調(diào)，液冷逐步成為電池?zé)峁芾淼闹髁髂Ｊ?，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(jī)余熱進(jìn)行回收利用,提升了熱泵的環(huán)境適應(yīng)能力，座艙、電池、電機(jī)熱管理回路進(jìn)一步整合。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(biāo)題發(fā)動機(jī)、變速箱冷卻系統(tǒng)見圖1—1制冷：空調(diào)冷媒制熱：發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動實現(xiàn)：發(fā)動機(jī)做功座艙空調(diào)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(jī)、變速箱的冷卻系統(tǒng)及座艙空調(diào)系統(tǒng)。構(gòu)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(jī)“開鍋”。目標(biāo)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(jī)替代了發(fā)動機(jī)變速箱更新為三電架構(gòu)：電機(jī)、電池、電控新增了DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電機(jī)（OBC）、PTC加熱器熱管理系統(tǒng)上的變化：純電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行利用的是電池供電；暖風(fēng)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(yù)測汽車熱管理系統(tǒng)的行為；設(shè)計、優(yōu)化和驗證汽車熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置。典型軟件：AMESim、GT-SUITE關(guān)鍵特點：可以模擬多個物理場，如熱傳導(dǎo)、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(xì)的部件模型（即組件），包括散熱器、風(fēng)扇、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等，以準(zhǔn)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(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，以找到最佳的設(shè)計和工作參數(shù)，從而提高系統(tǒng)效率和性能。國產(chǎn)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(jī)模擬技術(shù)對三維空間中的熱流體行為進(jìn)行分析和預(yù)測。技術(shù)原理結(jié)合了流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)理論，準(zhǔn)確模擬流體在復(fù)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(chǎn)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(shù)相結(jié)合，以獲得更準(zhǔn)確、更全面的汽車熱管理系統(tǒng)性能預(yù)測和分析。分工：一維仿真軟件用于系統(tǒng)級的多領(lǐng)域建模，可以對涉及流體、機(jī)械、電氣等多個物理領(lǐng)域的動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)部的流體流動、傳熱和傳質(zhì)等物理現(xiàn)象進(jìn)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(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，又可以利用三維仿真軟件對零部件進(jìn)行精細(xì)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(shè)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(biāo)分解和目標(biāo)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(biāo)示例，主要包括各系統(tǒng)介質(zhì)溫度和座艙內(nèi)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(biāo)示例，主要包括各子系零部件介質(zhì)溫度和設(shè)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(xué)習(xí)目標(biāo)：汽車動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)構(gòu)造鋰離子動力電池和發(fā)動機(jī)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(dǎo)讀2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計與仿真2.1.1?鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(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(yùn)行在最佳性能和最長壽命的溫度區(qū)間。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的三個基本目標(biāo)：2.1?鋰離子動力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計與仿真2.1.1?鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)介紹電池?zé)峁芾矸绞剑?1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?zé)峁芾矸绞桨l(fā)動機(jī)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(shè)計與仿真2.1.2?鋰離子電池?zé)岱治黾盁崽匦阅Ｐ碗姵禺a(chǎn)熱方式包括產(chǎn)熱模型、電池內(nèi)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?zé)崽匦阅Ｐ偷谝环N產(chǎn)熱模型基于電池內(nèi)阻。第二種產(chǎn)熱模型為電化學(xué)-熱耦合模型。第三種產(chǎn)熱模型為電-熱耦合模型。電池產(chǎn)熱模型圓柱電池?zé)岱治鰣A柱電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)計算產(chǎn)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?zé)岱治鐾庥^結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)熱分布：

正極極耳溫度最高；

負(fù)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?zé)岱治龇叫坞姵胤叫坞姵貎?nèi)阻與SOC、溫度的關(guān)系產(chǎn)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(shè)計與仿真2.1.3?動力電池?zé)峁芾硐到y(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(nèi)。一般地講，電動汽車行駛時，當(dāng)動力電池溫度高于設(shè)定溫度時，動力電池?zé)峁芾硐到y(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(dāng)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(jīng)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(shè)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(shè)計與仿真2.1.3?動力電池水冷系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析：隨著時間的發(fā)展水冷側(cè)的工質(zhì)水與熱側(cè)的空氣發(fā)生熱交換，溫度逐漸升高最終達(dá)到熱平衡態(tài)。2.2?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計與仿真發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典的發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)實物圖經(jīng)典的發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)中的節(jié)溫器依據(jù)流經(jīng)的冷卻液的溫度高低，打開或關(guān)閉冷卻液流向散熱器的路徑，從而實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)溫度的調(diào)控。2.2?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計與仿真2.2.1?發(fā)動機(jī)管理關(guān)鍵性能指標(biāo)一般用以下的四個評價參數(shù)來完成對發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)的評價。功率系數(shù)體積系數(shù)有效阻力系數(shù)沸騰環(huán)境溫度由發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)中冷卻液的體積和發(fā)動機(jī)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(jī)驅(qū)動風(fēng)扇所消耗的功率和發(fā)動機(jī)的額定功率的比值計算得到由散熱器空氣側(cè)的阻力和冷卻風(fēng)道中的總阻力的比值計算得到2.2?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計與仿真2.2.2?發(fā)動機(jī)產(chǎn)熱原理及熱特性模型發(fā)動機(jī)熱特性模型主要用于計算發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)熱負(fù)荷，以及缸體、冷卻液、箱體等的溫度。通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、參數(shù)計算發(fā)動機(jī)有效功率和平均有效壓力，以發(fā)動機(jī)萬有特性曲線MAP圖為基本數(shù)據(jù)信息，利用插值法確定發(fā)動機(jī)單位功率燃油消耗量及發(fā)動機(jī)水套散熱系數(shù)，從而求解發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)熱量和發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)熱負(fù)荷。2.2?發(fā)動機(jī)熱管理設(shè)計與仿真2.2.3?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖經(jīng)典的發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真該模型研究了在給定發(fā)動機(jī)工作點（車速=45km/h，變速箱速比=3，道路坡度=6%）下發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的行為。該冷卻系統(tǒng)的目標(biāo)是將冷卻液溫度調(diào)節(jié)到一個合適的值（大約90℃）。AITherMA中的發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)建模結(jié)果2.2.3?發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真從時間0s到65s，節(jié)溫器關(guān)閉，因為它的開啟溫度在節(jié)溫器模型中設(shè)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(guān)閉和打開試圖使使冷卻液溫度達(dá)到平衡。110s后，散熱器出口冷卻液溫度達(dá)到了幾乎不需要散熱器風(fēng)扇運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)值75.7℃。第三章：動驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析相關(guān)內(nèi)容，主要介紹電機(jī)和電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)、電機(jī)和電控產(chǎn)熱原理及熱特性模型和典型工程案例。本章導(dǎo)讀電機(jī)熱管理：熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)熱管理系統(tǒng)原理圖純電動汽車電機(jī)與電機(jī)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(jī)與電機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量。為使熱量散發(fā)得更充分，通常在散熱器后方設(shè)置風(fēng)扇。電機(jī)熱管理：關(guān)鍵性能指標(biāo)電機(jī)起動后，其溫度自常溫（電機(jī)各部分溫度與環(huán)境溫度相同）不斷升高，當(dāng)其溫度高出環(huán)境溫度后，一方面繼續(xù)產(chǎn)生熱量緩慢升溫，另一方面開始向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)電機(jī)處于熱量平衡狀態(tài)、溫度不再升高時，電機(jī)溫度與環(huán)境溫度之差稱為電機(jī)溫升。電機(jī)允許溫升是指電機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)關(guān)系※冷卻介質(zhì)及溫度為40℃的空氣。電機(jī)熱管理：產(chǎn)熱原因及高溫危害純電動汽車電機(jī)在驅(qū)動與回收能量的工作過程中，電機(jī)鐵心、繞組都會產(chǎn)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(jī)有諸多危害：一是對電機(jī)內(nèi)永磁體的性能造成影響，永磁體是永磁同步電機(jī)的關(guān)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(dǎo)致電機(jī)無法正常工作；二是破壞絕緣材料，絕緣材料是電機(jī)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(jī)機(jī)械性能造成影響，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、滾動軸承、定子槽、機(jī)殼等結(jié)構(gòu)受熱變形，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行精度不佳、可靠性降低、縮短使用壽命；四是影響電機(jī)功率密度的提升、降低電機(jī)效率，難以達(dá)到設(shè)計性能要求。電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理系統(tǒng)級建模與仿真對于發(fā)熱功率較大的電機(jī)，一般使用水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理構(gòu)建電機(jī)熱管理系統(tǒng)模型，其由電機(jī)產(chǎn)熱模型、對流換熱器模型、水泵模型和散熱器模型等組成。當(dāng)對流散熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟帶風(fēng)扇散熱器的風(fēng)扇以加強(qiáng)冷卻。，AITherMa中的仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)熱管理：典型電機(jī)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(jī)熱損失功率的變化電機(jī)熱損失功率曲線與汽車行駛速度曲線呈現(xiàn)明顯的相關(guān)一致性。在車速最高時，電機(jī)熱損失功率也達(dá)到最大。電機(jī)出口冷卻液溫度曲線汽車行駛初始階段電機(jī)出口冷卻液溫度不斷上升，當(dāng)其達(dá)到62℃后不再升高，而是反復(fù)在58～62℃波動。62℃以上，散熱器風(fēng)扇打開，增加散熱效果；下降至58℃后，散熱器風(fēng)扇關(guān)閉，如此反復(fù)。WLTC工況下的汽車行駛速度曲線電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理部件級建模與仿真仿真對象模型簡化模型結(jié)構(gòu)水冷電機(jī)散熱系統(tǒng)機(jī)殼、水冷管道、定子和繞組。繞組鐵芯機(jī)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(jī)殼之間溫差很小。因此可將繞組、鐵芯壓縮，只保留機(jī)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(jī)散熱系統(tǒng)幾何模型電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理部件級建模與仿真(a)機(jī)殼表面溫度分布云圖(b)冷卻液溫度分布云圖水冷電機(jī)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?zé)峁芾恚寒a(chǎn)熱原理內(nèi)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(hù)電路。逆變器模塊負(fù)責(zé)將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟?，協(xié)同DSP模塊生成的PWM信號來控制電機(jī)的動作。輔助電源模塊負(fù)責(zé)將整流得到的直流電轉(zhuǎn)換為各芯片所需要的電壓來驅(qū)動芯片工作。整流器模塊負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)生成PWM信號、處理電機(jī)反饋信號、執(zhí)行控制算法、連接上位機(jī)界面等。保護(hù)電路主要負(fù)責(zé)過流保護(hù)、過壓保護(hù)和防PWM信號重疊保護(hù)等，可以避免因操作不當(dāng)或個別器件損壞對電機(jī)控制器造成的損害。電機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)DSP模塊和保護(hù)電路，為小功率模塊，發(fā)熱低。電控?zé)峁芾恚寒a(chǎn)熱原理電機(jī)控制器的簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響開關(guān)器件熱量變化的主要因素包括導(dǎo)通占空比D、開關(guān)頻率fs及電流幅值Im電機(jī)控制器主要熱源為開關(guān)器件，因此需要盡可能保留與開關(guān)器件相關(guān)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(hù)電路等細(xì)節(jié)部分，方便展開對開關(guān)器件功率損耗數(shù)學(xué)模型的建立。逆變器作為開關(guān)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(guān)斷狀態(tài)。產(chǎn)生的損耗：通態(tài)損耗和開關(guān)損耗電控?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾硐到y(tǒng)級建模與仿真電機(jī)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(yùn)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(jī)控制器，一般使用水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。電控?zé)峁芾硐到y(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(jié)構(gòu)、組件的參數(shù)設(shè)置與電機(jī)熱管理系統(tǒng)的類似。當(dāng)對流換熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟散熱器的風(fēng)扇加強(qiáng)冷卻，保證電機(jī)控制器的安全。0102電機(jī)熱管理系統(tǒng)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)電機(jī)熱管理：典型電機(jī)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(jī)控制器的產(chǎn)熱功率電機(jī)控制器的產(chǎn)熱功率和整車需求功率具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此其曲線和汽車行駛速度曲線具有一致性。當(dāng)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(jī)控制器的產(chǎn)熱功率，因此在約1220s時冷卻液溫度下降；當(dāng)汽車處于持續(xù)加速階段，整車需求功率增加，電機(jī)控制器產(chǎn)熱功率增加，冷卻液溫升較快，而后進(jìn)入波動階段。電機(jī)控制器出口冷卻液溫度曲線電控?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾聿考壗Ｅc仿真逆變器控制著電池和電機(jī)之間的能量交換，功率模塊是逆變器的關(guān)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(guān)頻率（每秒可達(dá)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?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾聿考壗Ｅc仿真逆變器溫度分布云圖第四章：空調(diào)系統(tǒng)《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析

》導(dǎo)讀本章主要介紹空調(diào)系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵性能指標(biāo)、空調(diào)系統(tǒng)熱特性模型、空調(diào)系統(tǒng)建模與仿真。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.1?結(jié)構(gòu)電動汽車或燃油車的空調(diào)系統(tǒng)主要由四大件組成：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.?結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)（Compressor）是空調(diào)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(jī)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(chǎn)生壓力和溫度的變化，從而變?yōu)楦邷?、高壓的氣態(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(jī)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(diào)系統(tǒng)概述1.4.2關(guān)鍵性指標(biāo)

單擊此處添加項標(biāo)題制冷量是指空調(diào)進(jìn)行制冷運(yùn)行時，單位時間內(nèi)從密閉空間、房間或區(qū)域內(nèi)去除的熱量總和，單位W。制冷量能效比，又稱性能系數(shù)，是指空調(diào)系統(tǒng)在制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)進(jìn)行制熱運(yùn)行時，單位時間內(nèi)向密閉空間、房間或區(qū)域內(nèi)增加的熱量總和，單位W。制熱量1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.3蒸汽壓縮制冷循環(huán)動態(tài)集總參數(shù)模型空調(diào)系統(tǒng)輸入變量中的可操作變量有2個，即壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(biāo)有關(guān)，可以被空調(diào)系統(tǒng)影響。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真

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

壓縮機(jī)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(yīng)到壓縮機(jī)中。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真AITherMa軟件中搭建空調(diào)系統(tǒng)仿真模型仿真工況通過壓縮機(jī)的外部轉(zhuǎn)速輸入來控制其運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)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(jī)以2000rev/min的速度運(yùn)行。在t=201s和t=241s之間，完全停止。之后，又以2000rev/min的速度運(yùn)行。1.4?空調(diào)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(jī)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(jìn)入壓縮機(jī)，從而不至于對壓縮機(jī)造成損害。中途由于壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)，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(diào)系統(tǒng)中主要部件的外部熱交換情況進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑過熱量變化1.4?空調(diào)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)行熱交換）；壓縮機(jī)由發(fā)動機(jī)驅(qū)動；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)通過壓縮機(jī)的制冷劑流體的質(zhì)量流量來控制座艙溫度；壓縮機(jī)具有可變排量。座艙空調(diào)系統(tǒng)控制