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Amesim車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)建模方案

2020-04-05 23:25:14·  來源：Simcenter 1D 系統(tǒng)仿真  作者：陳登  
　
1 應用綜述車輛空調(diào)系統(tǒng)三個功能：制冷、制熱和除濕，對于傳統(tǒng)車來說，制冷功能的仿真分析涉及多個關鍵零部件的建模和標定，是本篇的詳述內(nèi)容；而制熱和除濕功能
1 應用綜述
車輛空調(diào)系統(tǒng)三個功能：制冷、制熱和除濕，對于傳統(tǒng)車來說，制冷功能的仿真分析涉及多個關鍵零部件的建模和標定，是本篇的詳述內(nèi)容；而制熱和除濕功能直接依靠發(fā)動機冷卻水和暖風器來完成熱交換，本質(zhì)上就是冷卻系統(tǒng)上的一個小支路（類似中冷器制冷），建模仿真簡單，本篇文章不做介紹。而對于新能源車（HEV和BEV），其制熱系統(tǒng)則比較復雜，這個會在以后的文章中敘述，但其制冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)車基本一致（除了動力源不同）。
Amesim空調(diào)系統(tǒng)解決方案包含如下：
 
•空調(diào)系統(tǒng)零部件、子系統(tǒng)及系統(tǒng)的尺寸設計及驗證
•評估新的替代冷卻系統(tǒng)的性能
•系統(tǒng)瞬態(tài)仿真（含壓縮機的起停分析）
•空調(diào)系統(tǒng)不同控制策略的分析
•駕駛員熱舒適性的分析和優(yōu)化
•新法規(guī)下的適應性分析
•空調(diào)性能、舒適性和經(jīng)濟性的平衡分析

圖-1給出Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)的典型模型，部件主要來自Amesim的兩相流庫、空調(diào)庫和熱庫，模型能夠給出各處壓力、溫度、流量、熱量、功率、比熱、干度、過熱度/過冷度等相關參數(shù)。圖-2給出典型的空調(diào)制冷循環(huán)的壓焓圖，包含壓縮、放熱、節(jié)流（等焓膨脹）和吸熱四個過程，需要注意的是，蒸發(fā)器出口到膨脹閥出口段在大流量工況時壓降較為明顯（見綠框）。模型中的冷媒介質(zhì)為R134a，考慮制冷劑充注量和溫度以及壓縮機內(nèi)滑油串氣的影響。另外，Amesim提供了不同介質(zhì)的屬性定義工具（見圖-3）。
 
1、概述
 
▲圖-1 典型的Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)模型
 
▲圖-2 壓焓圖（制冷循環(huán)四個過程）
 
▲圖-3 介質(zhì)屬性定義工具
當置于整車模型（尤其新能源車）中，Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)方案能夠發(fā)揮更大的作用：評估空調(diào)系統(tǒng)對電動車續(xù)駛里程的影響，壓縮機、風扇及膨脹閥的控制保證動力電池的散熱，滿足制冷需求的同時提高整車能量利用效率……
 
 
▲圖-4 包含空調(diào)系統(tǒng)的新能源整車能量管理方案模型
 
2 關鍵部件
1、壓縮機
Amesim兩相流庫中的功能型壓縮機模型（最常用）考慮體積效率、等熵效率和機械效率，也可用擬合公式和數(shù)表定義效率。該專業(yè)庫也能搭建基于結構級的斜盤柱塞泵模型（典型的空調(diào)壓縮機類型，見圖-5），類似來自液壓元件設計庫搭建的同類型泵模型（見圖-6），以進行泵的設計優(yōu)化。
 
 
▲圖-5 斜盤柱塞泵結構及原理
 
▲圖-6 斜盤柱塞泵元件模型
2、冷凝器、蒸發(fā)器
圖1模型中的冷凝器和蒸發(fā)器都來自Amesim空調(diào)專業(yè)庫，該庫提供了冷凝器和蒸發(fā)器的具體結構參數(shù)設置工具（見圖-7和圖-8），快速實現(xiàn)扁管和翅片的建模。每流程管路也可以離散化（3個或5個單元），分析更詳細的相關參數(shù)分布；結合兩相流庫中的濕空氣元件，進一步分析通過冷凝器和蒸發(fā)器的外部空氣壓損。需要注意的是，各部件的初始值盡量準確，以提高運算速度。
 
▲圖-7 冷凝器（平行式）結構定義工具
 
▲圖-8 蒸發(fā)器（U型式）結構定義工具
兩相流庫則提供了更為復雜的翅片結構模型，如圖-9考慮翅片的錯位，以進行翅片的詳細結構設計優(yōu)化?？照{(diào)專業(yè)庫中簡單翅片結構與實際不一致的問題，則通過壓降和換熱參數(shù)的標定來解決。
 
 
▲圖-9 扁管和翅片的物理模型
創(chuàng)建一個準確的冷凝器和蒸發(fā)器模型，除了定義相關的結構參數(shù)外，還需要定義對應的壓降（5種延程摩擦關聯(lián)方程）及換熱參數(shù)（單相及兩相的冷凝和沸騰），見圖-10。
 
▲圖-10 冷凝器及蒸發(fā)器模型參數(shù)
Amesim提供了專業(yè)的換熱器壓降和換熱標定工具，能基于試驗數(shù)據(jù)準確標定相關參數(shù)（見圖-11）。
 
▲圖-11 雙核蒸發(fā)器壓降和換熱標定工具
另外，Amesim空調(diào)專業(yè)庫也有針對新能源車的電池液冷系統(tǒng)中的換熱部件chiller的專用模型及標定工具（見圖-12）。圖-13給出chiller和PTC在電動車模型中的應用demo，評估不同環(huán)境溫度和加減速工況下，艙室及電池包平均溫度等參數(shù)的變化情況。
 
 ▲圖-12 Chiller模型及標定工具
 
 
▲圖-13 含Chiller和PTC的空調(diào)模型在電動車上的應用demo
3
膨脹閥
熱力膨脹閥是控制蒸發(fā)器出口冷媒的過熱度來控制流量。Amesim膨脹閥模型分參數(shù)描述和四象限圖描述兩種子模型，后者最常用，參數(shù)見圖-14。典型的四象限圖如圖-15，在模型參數(shù)里只需定義前三個象限的數(shù)據(jù)即可。
 
▲圖-14 四象限式膨脹閥模型參數(shù)
 
▲圖-15 典型的四象限圖
上圖給出的是1D格式的數(shù)表，往往會有2D的數(shù)表，如第二象限，蒸發(fā)器出口壓力是與閥芯升程和過熱度相關的2D數(shù)據(jù)，可以借助兩相流庫中的可調(diào)節(jié)流口元件（見圖-16）實現(xiàn)。
 
▲圖-16 可調(diào)節(jié)流口模型參數(shù)
4
乘員艙
乘員艙是空調(diào)的調(diào)節(jié)對象，圖1給出的是Amesim的空調(diào)專業(yè)庫提供的乘員艙功能模型，該模型考慮了艙室的熱容、換熱面積、車速和太陽輻射等（見圖-17），圖-18給出了圖1模型的NEDC循環(huán)下的目標制冷溫度和實際艙室溫度的結果。
 
▲圖-17 Amesim乘員艙功能模型
 
▲圖-18 空調(diào)系統(tǒng)模型制冷效果
多級復雜度是Amesim的重要特點，同樣能夠搭建基于實際結構的乘員艙物理模型（圖-19），對艙內(nèi)各處的熱分布詳細分析，給出艙內(nèi)各處溫度變化。
 
▲圖-19 Amesim乘員艙物理模型
此外，蒸發(fā)器置于前艙，而冷凝器等則和發(fā)動機、散熱器、機油冷卻器、中冷器等放置在空間相對狹小的發(fā)動機艙內(nèi)，車內(nèi)各個子系統(tǒng)在整車熱環(huán)境內(nèi)相互影響和干涉，其流動與傳熱過程非常復雜。Amesim的HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）庫用以解決發(fā)動機艙內(nèi)的復雜流動與傳熱，該庫提供了發(fā)動機艙3D設計與分析功能，結合冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)各個部件間的相對位置、流道結構自動對其相互影響進行計算，充分考慮發(fā)動機艙內(nèi)流動與傳熱的不均衡性影響。
 
▲圖-20 Amesim發(fā)動機艙熱管理系統(tǒng)
3 應用案例
1
 沃爾沃
該應用案例的測試工況為NEDC循環(huán)，環(huán)境溫度為30℃，調(diào)節(jié)溫度為20℃，日照熱負荷為1kW/m2。對比以下三種情況的油耗和空調(diào)能耗占比。
•基準車型：無空調(diào)
•雙渦旋壓縮機空調(diào)系統(tǒng)
•帶轉速控制的電動壓縮機空調(diào)系統(tǒng)
 
▲圖-21 沃爾沃評估空調(diào)系統(tǒng)對油耗的影響
2
康奈可
康奈可應用Amesim預測瞬態(tài)工況下空調(diào)系統(tǒng)性能，進行空調(diào)控制邏輯的驗證和艙室空間的優(yōu)化，加速包含空調(diào)和艙室模型的發(fā)動機開發(fā)進程。
 
 
▲圖-22 康奈可加速含空調(diào)及艙室的發(fā)動機熱管理開發(fā)
參考文獻
[1] Iwasaki, M.“Development of new energy saving cooling system SLIM” Automotive Summit, Nov.2010.
[2] Rozier, T. “From the modeling of AC system to the complete Vehicle Thermal Management using one single platform” Haus der Technik 2008.
[3] Yagisawa, K. “From AC to complete Vehicle Thermal Management Using LMS Imagine Lab. Amesim” International LMS Engineering Simulation Conference Oct. 2008.
 
 
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