TAThermalSystem-车辆热管理系统库（一）

整车热管理系统负责管理整车各个关键系统的工作温度以使其处于最佳工作状态。热管理系统包括乘员舱热管理、发动机热管理、三电系统热管理等具体应用，在车辆运行、怠速、冷启动、充电等工况下，通过热交换过程控制各个相关系统温度。

进入新能源时代，以纯电动车为代表，其动力总成受制于电池电化学物理瓶颈，在极端温度环境下存在明显的续航里程衰减，需要整车热管理系统在不同环境温度下保持高性能功耗比。该发展趋势倒逼整车热管理系统集成化程度不断提升以适应不同工况条件，这就要求热管理系统开发在系统设计与组件选型阶段就进行快速架构设计与系统性能评估。

面对这样的趋势，在开发过程中进行热管理系统与整车其他系统的综合评估与验证越发重要。鉴于此，使用多领域统一建模仿真环境来进行上述系统开发的优势显得尤为突出，同元车辆TA系列模型库中的TAThermalSystem车辆热管理系统库旨在为整车热管理系统开发提供基于Modelica语言的系统仿真与控制策略验证支持。

1  TAThermalSystem车辆热管理系统库

TAThermalSystem车辆热管理系统库（以下简称“车辆热管理库”）包含管道、阀、压缩机、换热器、泵、储液箱、管道截面流阻等模型，其中管道基于水、R134a、空气三种介质换热，分别搭建了各个组件的测例模型和简单空调循环回路测例模型，以及整车热管理系统回路等模型。车辆热管理库可以集成电池、电机等热源回路，通过统一热学接口进行换热仿真。车辆热管理库架构如下图所示：

图1 车辆热管理库架构

1.1  应用场景

车辆热管理库是基于TongYuan基础库和Modelica标准库开发的模型库，适用范围包括空调系统仿真、整车冷却循环、空调控制策略标定、整车热管理策略标定等场景。

1.2  组件和系统模型介绍

• 介质：介质由TongYuan基础库提供，目前冷媒采用水和R134a两种介质，其中R134a(1，1，1，2-四氟乙烷)是一种广泛应用的环保制冷剂，空气介质采用湿空气或干空气介质模型。使用恰当的介质模型可实现流体热力学状态的计算，热管理应用主要利用介质相变带来的热交换效应，要求介质模型对于两相过度区间的组分特性计算精确。合理的介质模型函数还应考虑模型求解效率，避免出现数值雅可比迭代。

• 换热器：换热器包括蒸发器、冷凝器和冷水机。蒸发器是制冷四大件中非常重要的一个部件，低温冷凝液体通过蒸发器与外界空气进行热交换，通过气化吸热达到制冷的效果。冷凝器是制冷系统的一部分，它可以将气体或蒸气转化为液体，并将管内的热量快速传递到管道附近的空气中。冷水机又被称为chiller，在新能源汽车热管理系统中常用来快速降低电池与电机的温度。用户可以通过设定换热器的几何构造类型、翅片平板换热器的板内管道类型、几何参数、换热器的冷媒流路构造、冷媒各个管道的离散段数与空气流道的三维离散段数，以及进出口压力/温度初值等参数构建换热器模型。

• 管道&流阻：包括冷媒管道和空气流阻两类，可使用参数面板分别切换冷媒和空气介质，冷媒管道目前支持使用水或R134a，空气支持使用湿空气或干空气。冷媒管道分为数种几何类型，从简单离散单管道到适配换热器的离散管道，其基础为两相冷媒控制体模型，使用热力学常用组元（通常为压力p、比焓h）作为状态变量计算接口与管道内质量与能量的变化，换热通过额外的换热模块计算相应换热系数，进而计算管内介质与壁面之间的换热情况。可通过压降损失模型计算压降或流量，在给定流量工况下计算压降，或在给定压降工况下计算管道流量。用户可以在几何数据参数中设定单根管道沿流动方向长度、水力直径、截面面积、管道直径等参数，在换热器管道中可以设定换热器的平板管道与肋片几何参数进行标定。空气流阻模型采用了质量能量平衡公式作为离散控制体的控制方程，在空气流动基类模型中描述了干空气或湿空气中的各组分流动的质量和能量平衡状态，使用集总或离散方法处理湿空气或干空气介质。空气状态计算使用了压力p、温度T作为状态变量。考虑空气流动作为平板翅片式换热器的主要外部对流换热方式，空气流动模型中集成了适合于翅片型换热器的换热系数计算公式以计算换热系数。

• 动力设备：动力设备包括压缩机和水泵。压缩机是一种将低压气体提升为高压气体的动力设备，是制冷系统的心脏。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过外部机械驱动对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。压缩机特性参数（包括有效容积效率、有效等熵效率、等熵压缩效率）可通过参数拟合或曲线输入。通过压缩机上游状态计算比熵值，根据输入的等熵压缩效率计算进出口比焓变化量，根据容积效率计算一定转速下的流量，根据有效等熵效率计算轴上扭矩。水泵是输送液体或使液体增压的机构，用户可根据需求选择定变量水泵、变排量水泵或自定义水泵参数。水泵特性曲线需要提供至少流量、扬程、功率消耗三个工况点数据，通过数据拟合计算一定转速和流量下的水泵压比与功率消耗。

• 阀门：阀门提供热膨胀阀、流量阀等控制阀门模型。热力膨胀阀是通过蒸发器出口气态制冷剂的过热度作为输入进行负反馈控制膨胀阀开度的，用户只需要设定好过热度限定值就可以初始化热膨胀阀。阀门流动模型基于IEC 60534-1 2005标准，通过压差、Kv系数输入，按照标准修正公式计算质量流量。在此基础上，通过对于阀门的输入Kv值进行外部控制，并且通过PI负反馈调节构建过热度控制阀门。

• 其他模型：其他模型包括边界与源、传感器、通用工具箱等，包含各种介质的质量流量边界、压力边界、过热度传感器、热源输入边界等。车辆热管理库的一些常用组件如下图所示：

图2 车辆热管理库常用组件

2  子系统仿真

车辆热管理库支持子系统的仿真与验证，可以实现对空调子系统中换热器、阀门、压缩机的标定。

• 换热器：换热器模型由空气流阻/管道与热构件模型组成，其中的各个参数信息被集中于数个记录类型组件中。geometry记录换热器几何相关的参数信息，包括翅片的类型、高度、厚度、排列方式等信息。wallmaterial记录热构件壁面材料相关信息，包括热导率、密度、比热容。HX_init记录换热器初始化相关参数。parametersGeo读取geometry中的部分参数用于换热系数计算。换热器的冷媒侧和空气侧分别采用不同的流体介质，冷媒侧的平板内管道采用水或者R134a介质，以模拟平板内特定截面形状的管道流动状态；空气对流模型模拟换热器复杂几何构型下的空气对流过程，基于流动状态和几何构型计算其压降和换热系数，其中还包括空气的单一进口边界被切分为按空间分布的离散接口的组件以及离散化的接口组合为单一接口的组件；冷媒管路与空气对流模型通过热构件进行管道与空气/管道与冷媒介质之间的换热。如下图所示：

图3 换热器模型构造

• 阀门：阀门模型通过流阻模型和体积模型串联搭建，流阻模型可以通过外部输入阀门流阻系数Kv进行调节，可以通过流量计算压降或反过来根据压降计算流量。体积模型用来实现能量与质量平衡。膨胀阀可以通过输入过热度反馈来控制阀门的开度。如下图所示：

 图4 膨胀阀模型案例

图5 阀门流量仿真结果

• 压缩机：压缩机模型需给定压缩机的排量、容积特性、等熵压缩特性，通过计算上游状态，确定等熵压缩之后的理想出口比焓值，计算进出口的比焓变化和流量值。通过排量和转速的结合计算出质量流量和实际出口比焓值，确定机械输入扭矩与功率。如下图所示：

图6 压缩机案例

图7 压缩机流量仿真结果

3  系统级仿真

车辆热管理库支持系统级仿真与验证，可以实现对空调系统集成仿真、整车冷却系统集成仿真、热管理系统集成仿真。

3.1  乘员舱系统仿真案例

在空调设计过程中，空调回路与乘员舱和外部环境的热交换过程决定着空调系统的性能。在图8闭环空调系统回路的基础上，进一步抽象并构建如图9所示的乘员舱系统仿真案例，设置环境温度为36℃，压缩机转速为30 rad/s，相对排量为0.5（设置值处于0～1之间），通过预先调整设置乘员舱、空气流阻、风扇模型与空调系统换热器参数，仿真可以获得成员舱温度变化曲线。此例可适用于空调系统模型的集成仿真，通过集成空调冷却系统与整体回路构建集成仿真系统，适用于空调系统调试与控制器策略标定。

 图8 闭环空调系统回路

图9 乘员舱系统仿真案例

图10 乘员舱系统仿真温度变化曲线

3.2  整车冷却系统集成仿真

构建如下图所示整车热管理冷却回路。水泵驱动的冷却水流经各个热源管路模型，带走热源热量，并通过冷凝器和冷水机向外界空气和冷媒换热，实现对外部热源的冷却效果；通过标定热管理系统中的关键组件参数与控制策略实现系统组件选型与虚拟仿真控制器标定。

图11 整车热管理冷却回路

图12 整车热管理冷却回路仿真结果曲线

3.3  热管理系统集成仿真

构建如图13所示整车集成热管理冷却回路，并进一步抽象成如图14所示的案例模型，其通过HVAC冷却回路与整车热管理冷却回路耦合形成。两个回路的冷凝器空气流动接口被分别接入外部空气对流模型，上方的空气进出口用于HVAC冷凝器，下方的空气进出口用于整车冷凝器，增加热源边界和压缩机相对排量、转速、水泵转速的信号输入接口。该案例展示了如何根据现成的模板构造完整的整车集成热管理系统。

图13 集成热管理冷却循环

图14 整车集成热管理回路

图15 整车集成热管理回路仿真结果

4  小结

TAThermalSystem车辆热管理系统库基于MWorks.Sysplorer构建，具有丰富的子系统模型和应用场景，能够满足车辆不同工况下的仿真。车辆热管理系统库是基于车辆热管理的整车级仿真，能够与同元其他车辆相关模型库联合使用。如果大家对TAThermalSystem车辆热管理系统库有其他疑问，或者对相关技术需要进一步了解，欢迎垂询联系。

未来我们也将持续更新此库，所有车辆模型库将统一整理在“同元车辆TA系列模型库”话题，敬请期待。

注：TAThermalSystem车辆热管理系统库可通过同元软控官网申请license试用，申请时备注“需额外授权 TAThermalSystem”。

以下为原文链接：TAThermalSystem-车辆热管理系统库（一）车辆热管理系统库旨在为整车热管理系统开发提供基于Modelica语言的系统仿真与控制策略验证支持。https://mp.weixin.qq.com/s/R-eUBJA3-Hw8o4Bp40mr1A