新能源車近來成為汽車領域的熱門話題，各大汽車廠商爭相推出產品搶奪市場。新能源車成為國內廠商提升品牌形象與技術實力進行彎道超車的絕好舞臺。新能源車采用了新的驅動系統，在一定程度上顛覆了傳統的熱管理設計思路，汽車廠商需要重新設計熱管理系統。這對于各汽車廠商來說既是機會又是挑戰。隨著新車型對研發周期、成本的要求不斷提高，引進先進的設計手段提高開發效率，使自己的產品較快占領市場成為必然。
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系統。電池包有風冷和液冷兩種方式，研究表明風冷方式易實現，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩定工作。通過冷卻液與空調系統的制冷劑進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。這樣的熱管理系統不能再依據已有車型進行簡單改進，而需要將不同的系統進行匹配設計。與之對應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計方法進行系統設計與匹配，并在模型的基礎上進行控制策略的開發。模型的優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，用戶只需要按照車型要求搭建相應的系統就可以使用。
采用一維仿真模型進行系統仿真可以將制冷循環、空氣循環、液冷系統、電驅動系統等整合到一個仿真模型。這樣的仿真模型可用于方案選型設計、匹配設計、系統性能分析、控制系統開發、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?；诿嫦驅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。同時也為用戶二次開發提供接口，便于用戶在現有模型基礎上進一步提升自身設計開發能力。
此外，TIL模型庫搭建的系統模型還可以在Simulink中與控制算法進行聯仿，在NI、Concurrent、Higale等仿真機中進行實時仿真，進一步拓展了模型的應用領域。
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模型，如圖1所示，基礎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、相變介質分類的元件模型(管路、泵、壓縮機、風扇、罐體、閥門等)。換熱器模型采用幾何結構與理論計算相結合的方式建模，采用換熱和壓降關聯式計算換熱和壓降。其中的關聯式可以根據實際工況選擇和替換。熱力學模型可以進行穩態和瞬態仿真，例如濕空氣模型可以實現蒸發、冷凝、動態水平衡等的仿真。豐富的模型和通用的模型接口允許不同領域的熱流體仿真模型組合成在一起進行仿真分析。
TIL Media為熱物性計算模型，介質模型庫涵蓋多種介質，介質模型經過優化后能夠實現模型的快速仿真計算。與此同時通過TIL Media Suite interfaces可以將TIL Media用于其他軟件。
TIL File Reader允許導入外部數據，包括.csv和Dymola結果文件。并針對每一個變量提供一個直觀的GUI界面和可選的插值函數。
TIL Add-On模型庫針對不同應用領域擁有更專業的補充模塊。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、太陽輻射、車速、艙室材料、內外循環等影響因素，除完成乘員艙溫度、濕度計算外還可根據長波輻射和DIN ENISO7730標準實現對人體舒適度計算。天氣計算模塊可以考慮不同經緯度、不同風速風向、不同太陽輻射強度、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、發動機模型、電機及逆變器模型、參數分析及后處理模塊、電廠熱仿真模型等等。
應用案例
? 汽車空調系統仿真與控制算法開發
圖 4 空調系統仿真模型
基于TIL熱仿真模型庫搭建的空調系統仿真模型如圖4所示。仿真模型包括空調制冷循環、PTC制熱循環、冷凝器散熱回路、乘員艙送風回路、冷熱風混合風門、新風混合風門。
圖 5 空調系統仿真
系統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混合比例對溫度的影響，可以考慮循環新風對乘員艙溫度和舒適度的影響，可以模擬壓縮機啟停工況對乘員艙溫度的影響，仿真結果如圖5所示。
此外，空調系統模型還可以通過FMU/S-function導入Simulik。我們將壓縮機轉速、PTC加熱量、鼓風機轉速、風門開度等做成輸入接口，用于外部輸入信息。將我們所關心的乘員艙溫度、PTC溫度、蒸發器出口溫度、冷熱風混合后溫度等信息做成輸出接口，用于向外部輸出信息。將模型封裝成相應的模塊后，就可以導入Simulink，可實現空調控制器MIL層級的測試。
圖 6 空調系統仿真
與此同時，仿真模型可以以FMU的形式導入NI、concurrent、Higale等仿真機。從而實現HIL層級的仿真測試。
圖 7 空調系統仿真
? 電池熱管理系統仿真
圖 8 熱管理系統模型
采用TIL熱仿真模型庫，可搭建完整的電池熱管理系統。如上圖所示，熱管理系統包括制冷系統回路、冷凝器散熱回路、乘員艙送風系統回路、電池冷卻系統回路、電池驅動回路。搭建好的仿真模型可以用于熱管理系統性能分析、控制策略設計等。
總結
基于模型的熱管理設計思路，不僅可以提高熱管理系統設計的效率，還可以打通熱管理與控制策略開發之間的障礙。熱管理設計與控制策略開發可以采用同一套模型。不但有利于不同部門之間的協作，還將有效降研發低成本。
恒潤科技擁有一支經驗豐富、技術專業的新能源汽車熱管理支持團隊，為汽車及工程機械行業整車廠和供應商提供完整的熱管理解決方案和工程服務，團隊將通過快速的技術響應為您提供專業的服務!
