摘要：
純電動重型汽車正朝著高功率、長續(xù)航、輕量化與智能化方向迅速發(fā)展。基于AMESim軟件，構(gòu)建了一套完整的純電動重型汽車集成熱管理系統(tǒng)仿真模型。該模型涵蓋了電池?zé)峁芾砟Ｐ?、駕駛艙熱舒適模型、空調(diào)回路模型以及比例-積分（PI）控制模型，能夠真實(shí)反映各部件的動態(tài)響應(yīng)。對關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真標(biāo)定，其精度均達(dá)85%以上。利用高精度部件搭建熱管理系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制、駕駛艙平均溫度、電池入口水溫等關(guān)鍵性能指標(biāo)上均滿足設(shè)計(jì)要求，仿真精度高達(dá)85%。研究驗(yàn)證了AMESim平臺在集成熱管理系統(tǒng)建模與控制策略開發(fā)中的可行性與有效性，為后續(xù)控制策略優(yōu)化及實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞：純電動重型汽車；集成熱管理系統(tǒng)；一維仿真分析；仿真精度；AMESim
隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，純電動重型汽車在城際物流、港口運(yùn)輸?shù)雀哓?fù)載應(yīng)用場景中廣泛應(yīng)用。這類車型通常具備高功率、大載荷及長續(xù)航等特性，對整車的熱管理系統(tǒng)提出了更高的綜合性能要求[1]。純電動重型汽車集成熱管理主要研究方向有集成技術(shù)研究、高效換熱器研究、能量回收與智能控制策略研究。目前存在的問題集中在系統(tǒng)集成復(fù)雜性高、不同熱源間熱量協(xié)調(diào)難、電池與乘員艙熱需求沖突及極端環(huán)境下熱管理性能不足等。文獻(xiàn)[2]表明，通過在AMESim平臺上建立熱管理系統(tǒng)模型，并對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，相比傳統(tǒng)的斷通式控制策略，系統(tǒng)在駕駛艙熱舒適性與整車能效比方面均表現(xiàn)出顯著提升。文獻(xiàn)[3]進(jìn)一步結(jié)合AMESim軟件，構(gòu)建了乘員艙及電池?zé)峁芾碜幽Ｐ?，系統(tǒng)分析了不同熱源對綜合性能系數(shù)（Coefficient Of Performance, COP）的影響規(guī)律，為集成策略優(yōu)化提供了重要的理論支持。
基于上述研究，本文以某款純電動重型汽車為研究對象，構(gòu)建其集成熱管理系統(tǒng)模型。系統(tǒng)涵蓋電池冷卻回路、乘員艙空調(diào)回路、壓縮機(jī)與電子膨脹閥等核心組件，并引入合理的控制策略。模型基于AMESim一維仿真軟件，結(jié)合試驗(yàn)臺架數(shù)據(jù)對主要子系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證。通過多工況仿真，確定了能同時(shí)滿足系統(tǒng)制冷需求與整車運(yùn)行效率的最優(yōu)控制策略。最終，將仿真方案應(yīng)用于實(shí)車試驗(yàn)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果高度一致，驗(yàn)證集成冷卻設(shè)計(jì)的可行性，控制策略的可靠性與適應(yīng)性。該研究為純電動重型汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了有力的理論與工程支持。
1 系統(tǒng)原理
1.1 集成熱管理系統(tǒng)原理
集成熱管理系統(tǒng)是指在新能源汽車中，將各個(gè)部件的熱量產(chǎn)生、傳遞、消耗的過程進(jìn)行整體協(xié)調(diào)與優(yōu)化的系統(tǒng)[4]。與傳統(tǒng)的空調(diào)和獨(dú)立電池冷卻系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，集成熱管理系統(tǒng)中空調(diào)系統(tǒng)與電池冷卻系統(tǒng)共用同一個(gè)制冷劑回路，主要包括壓縮機(jī)、冷凝器等關(guān)鍵部件，顯著簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1展示了典型的集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)采用制冷劑R134a，主要部件包括：電動壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、兩個(gè)電子膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機(jī)、板式換熱器、電池冷卻液泵、集液器等。系統(tǒng)通過合理的閥控策略，在不同回路中動態(tài)調(diào)節(jié)制冷劑流動方向，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移和能量優(yōu)化。
其工作原理如下：壓縮機(jī)首先將來自集液器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮為高溫高壓氣態(tài)，隨后進(jìn)入前端的風(fēng)冷冷凝器，與車外環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換，冷凝為中溫高壓液態(tài)制冷劑。其換熱量計(jì)算如式（1）所示：Qc=mc(hc,in-hc,out) （1）
式中，mc為流經(jīng)冷凝器制冷劑流量，kg/s；hc,in為冷凝器入口焓值，kJ/kg；hc,out為冷凝器出口焓值，kJ/kg。
冷凝器后的制冷劑會被分為兩個(gè)回路：一路進(jìn)入空調(diào)支路；另一個(gè)支路進(jìn)入電池冷卻支路。
在空調(diào)回路中，制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流降壓，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔锖筮M(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器從鼓風(fēng)機(jī)送入的車外空氣中吸收熱量，完成氣化過程，最終降溫后的空氣被送入駕駛艙，實(shí)現(xiàn)制冷需求[5]。換熱量的計(jì)算方法如式（2）所示。
Qe=me(he,in-he,out) （2）
式中，me為流經(jīng)蒸發(fā)器制冷劑流量，kg/s；he,in為蒸發(fā)器入口焓值，kJ/kg；he,out為蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg。
另一個(gè)電池冷卻回路則流向板式換熱器。制冷劑同樣通過該支路的電子膨脹閥降溫，并在板式換熱器中與電池冷卻液（液冷回路）進(jìn)行熱交換。其換熱量計(jì)算方法如式（3）所示。
QH=mH(hH,in-hH,out) （3）
式中，mH為流經(jīng)板式換熱器制冷劑流量，kg/s；hH,in為板式換熱器入口焓值，kJ/kg；hH,out為板式換熱器出口焓值，kJ/kg。
制冷劑側(cè)吸收來自冷卻液的熱量，使冷卻液降溫后流入電池液冷回路，對動力電池進(jìn)行溫度控制，確保電池在最適宜的工作溫度區(qū)間運(yùn)行。最終，兩路經(jīng)蒸發(fā)器與板式換熱器氣化后的制冷劑流入集液器，匯集后再被壓縮機(jī)吸入，完成一個(gè)循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)通過對流體路徑的精準(zhǔn)控制與能量協(xié)同管理，在實(shí)現(xiàn)駕駛艙舒適性控制的同時(shí)兼顧電池?zé)岚踩?，?shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)熱量的動態(tài)平衡。
圖1 集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)
本研究利用一維軟件AMESim搭建如圖1所示的集成熱管理架構(gòu)。除原理圖中的部件外，模型增加駕駛艙及壓縮機(jī)與電子膨脹閥的控制系統(tǒng)。
1.2 工況及性能要求
本文研究的集成熱管理系統(tǒng)需滿足夏季高溫環(huán)境下駕駛艙與電池系統(tǒng)的制冷需求。其仿真分析工況要求如表1所示，系統(tǒng)性能要求如表2所示。
表1 仿真分析工況
表2 系統(tǒng)性能要求
2 集成熱管理系統(tǒng)仿真
2.1 系統(tǒng)部件標(biāo)定
2.1.1 蒸發(fā)器標(biāo)定
為使集成熱管理系統(tǒng)的仿真分析可以精確地表現(xiàn)實(shí)車的真實(shí)情況，首先需完成關(guān)鍵零部件的性能標(biāo)定工作，仿真子模型與廠家臺架試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，精度需達(dá)到80%以上方可進(jìn)行系統(tǒng)建模[6]。
本文利用AMESim軟件提供的HEX calibrat- ion工具對熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部件：蒸發(fā)器、冷凝器、板式換熱器進(jìn)行標(biāo)定仿真。此工具對制冷劑的性質(zhì)、邊界條件、流動狀態(tài)等均做簡化，忽略湍流、分布不均、流體比熱粘度隨溫度變化等因素，根據(jù)部件尺寸、臺架試驗(yàn)換熱數(shù)據(jù)計(jì)算換熱方程中的努塞爾數(shù)相關(guān)系數(shù)、換熱比例系數(shù)、壓降系數(shù)，確保仿真模型的壓降及換熱量與臺架試驗(yàn)一致。為保證集成熱管理系統(tǒng)仿真精度，蒸發(fā)器、冷凝器、板式換熱器的標(biāo)定精度需高于80%。
蒸發(fā)器在集成熱管理系統(tǒng)中是吸熱的關(guān)鍵部件，蒸發(fā)器換熱能力不足會導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷性能下降，影響駕駛艙的熱舒適性。其換熱量的標(biāo)定結(jié)果如圖2所示，平均誤差為1.52%。壓降的標(biāo)定結(jié)果如圖3所示，平均誤差為1.92%，滿足仿真要求。
圖2 蒸發(fā)器換熱量標(biāo)定
圖3 蒸發(fā)器壓降標(biāo)定
2.1.2 風(fēng)冷冷凝器
標(biāo)定本文的集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)中，風(fēng)冷冷凝器是制冷劑放熱的唯一途徑。其通常布置于車輛前端，通過外界流動空氣將制冷劑釋放的熱量帶走。其散熱性能影響系統(tǒng)的制冷能力，尤其是夏季高溫或高負(fù)載工況下，其換熱效率決定了壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力、系統(tǒng)能耗水平及各回路的穩(wěn)定性[7]。因此，在建立集成熱管理系統(tǒng)模型之前，必須對風(fēng)冷冷凝器部件的換熱量及空氣壓降進(jìn)行標(biāo)定，使其與臺架試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)相匹配。此系統(tǒng)風(fēng)冷冷凝器換熱量的標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，平均誤差為7.23%。壓降的標(biāo)定結(jié)果如5所示，平均誤差為5.37%，滿足仿真要求。
圖4 風(fēng)冷冷凝器散熱量標(biāo)定
圖5 風(fēng)冷冷凝器壓降標(biāo)定
2.1.3 板式換熱器標(biāo)定
板式換熱器是純電動重型汽車的熱管理系統(tǒng)中重要的高效換熱部件之一，其由多層波紋金屬板通過釬焊或密封墊片的方式組裝而成，具有換熱效率高、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。板式換熱器用于實(shí)現(xiàn)制冷劑與冷卻液之間的熱交換。本文的熱管理系統(tǒng)中，電池系統(tǒng)的熱管理通過板換實(shí)現(xiàn)與空調(diào)系統(tǒng)的耦合，在不同工況下動態(tài)調(diào)整熱量的分配，確保電池處于最佳的工作溫度范圍內(nèi)。其傳熱性能、壓降特性、控制響應(yīng)速度都直接關(guān)系到熱管理系統(tǒng)的整體性能。因此同樣需要對其性能數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。如圖6、圖7所示，經(jīng)過標(biāo)定，其換熱量的平均誤差為2.27%，部件壓降的平均誤差為15.5%。滿足仿真要求。
圖6 板式換熱器換熱量標(biāo)定
圖7 板式換熱器壓降標(biāo)定
2.2 集成熱管理系統(tǒng)建模
將已完成標(biāo)定的熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部件按照圖1所示的原理圖架構(gòu)進(jìn)行連接，構(gòu)建完整的集成熱管理系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。該模型涵蓋了壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、板式換熱器、鼓風(fēng)機(jī)、電池水泵、集液器等關(guān)鍵部件，并在模型中對各部件之間的連接關(guān)系、熱交換路徑進(jìn)行了精細(xì)建模。為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和工況匹配性，模型中所有仿真邊界條件與初始狀態(tài)均根據(jù)表1中列出的典型工況進(jìn)行設(shè)置，包括環(huán)境溫度、冷卻液初始溫度、壓縮機(jī)初始轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
該模型采用AMESim軟件自帶的比例-積分（Proportional-Integral, PI）控制器對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開度進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。PI控制器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)（如溫度和壓力），與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差，并根據(jù)比例與積分規(guī)則生成控制指令，從而驅(qū)動執(zhí)行器完成精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的閉環(huán)控制。在本模型中，設(shè)置了3個(gè)溫度與壓力傳感器，PI控制器可根據(jù)這些傳感器的反饋值與目標(biāo)設(shè)定值之間的偏差，快速響應(yīng)系統(tǒng)工況變化，確保系統(tǒng)能夠在不同運(yùn)行條件下長期穩(wěn)定地運(yùn)行在最優(yōu)熱平衡狀態(tài)。從圖8中可以看出，此模型對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、駕駛艙系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行集成。相比傳統(tǒng)單一部件或子系統(tǒng)仿真，集成熱管理系統(tǒng)的仿真可在一個(gè)模型中分析各部件在不同條件下的工作狀態(tài)，且能清晰地了解其熱量傳遞及各回路之間的相互影響，有助于深入了解系統(tǒng)整體熱平衡特性，從而優(yōu)化熱流路徑。
本文對夏季不同溫度無光照電池快充雙系統(tǒng)制冷、有光照電池快充雙系統(tǒng)制冷、曬車后行車雙系統(tǒng)制冷3種運(yùn)行模式共計(jì)8組模型進(jìn)行仿真計(jì)算，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、電池水溫、駕駛室溫度均滿足表2所示的系統(tǒng)性能要求。40 ℃光照電池快充雙系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷最大，此工況仿真結(jié)果：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速最高為6000r/min，電池入口水溫為 32.4 ℃，駕駛室溫度為25.0 ℃。此系統(tǒng)選型匹配及控制參數(shù)的仿真結(jié)果較好。
圖8 集成熱管理系統(tǒng)仿真模型
圖9 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速仿真與試驗(yàn)對比
圖10 駕駛室平均溫度仿真與試驗(yàn)對比
圖11 電池入水水溫仿真與試驗(yàn)對比
在研究過程中，對關(guān)鍵部件的仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的對比結(jié)果如圖9所示，8組數(shù)據(jù)均與試驗(yàn)高度一致，最大誤差為6.92%，平均誤差為1.5%。駕駛室平均溫度的對比結(jié)果如圖10所示，8組數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果同樣差異較小，最大誤差為14.6%，平均誤差為3.1%。電池入水水溫的對比結(jié)果如圖11所示，最大誤差為6.3%，平均誤差為3.2%。
3 總結(jié)
本文基于AMESim平臺，構(gòu)建了純電動重型汽車集成熱管理系統(tǒng)的仿真模型，涵蓋電池冷卻、駕駛艙空調(diào)及控制子系統(tǒng)。利用HEX calibration工具對蒸發(fā)器、冷凝器和板式換熱器等關(guān)鍵部件進(jìn)行了標(biāo)定，換熱量誤差小于8%、壓降誤差控制在20%以內(nèi)，確保模型準(zhǔn)確性。仿真模型引入PI控制器，實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的動態(tài)調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同高溫工況下的熱管理需求。在8組典型夏季工況下進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定：最高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、電池入口水溫為32.4 ℃、駕駛艙溫度為25.0 ℃，均滿足性能要求。仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)高度一致，壓仿真精度整體達(dá)到85%以上。由于本文一維仿真分析對各部件溫度分布的研究具有一定局限性，但也充分驗(yàn)證了AMESim平臺在集成熱管理系統(tǒng)建模與控制策略開發(fā)中的可行性與有效性。
來源：期刊《汽車實(shí)用技術(shù)》作者：李思思，溫逸倫，孫坤（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）
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