熱管理系統(tǒng)建模案例：模型工具、熱管理系統(tǒng)

大家好，本系列文章的目標(biāo)是幫助對(duì)整車(chē)熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個(gè)MATLAB 內(nèi)置的純電車(chē)案例：Electric Vehicle Thermal Management (點(diǎn)擊“閱讀原文”，直達(dá)這個(gè)案例！)

如果有需要了解更多的細(xì)節(jié)信息，比如模塊的使用、模型的擴(kuò)展、建模方法的擴(kuò)展等等，您可以給在每一期的文章下面留言，我們會(huì)考慮增加相應(yīng)的內(nèi)容。

左圖是示例冷卻系統(tǒng)架構(gòu)；

右圖是參照此架構(gòu)搭建的純電車(chē)熱管理模型；

1.模型工具

MathWorks 提供了豐富的建模工具鏈適用于各種場(chǎng)合，可以根據(jù)需要選用。

其中基于信號(hào)流的建模方式比較常見(jiàn)，MathWorks 的整車(chē)建模工具箱 Powertrain Blockset 和 Vehicle Dynamics Blockset 就提供了這種類型的車(chē)輛零件部件模塊庫(kù)。

另一種針對(duì)物理對(duì)象建模的主流方法就是非因果的物理建模方法，不需要推導(dǎo)系統(tǒng)方程，沒(méi)有信號(hào)的流動(dòng)方向，直接基于物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接庫(kù)模塊進(jìn)行系統(tǒng)建模。MathWorks 的 Simscape 就是其中的一種物理建模仿真平臺(tái)。

在我們接下來(lái)要介紹的純電車(chē)熱管理案例模型涉及到的主要工具：Simscape+ Fluids。

如果我們所關(guān)心的冷卻系統(tǒng)涉及到各種不同物理域的話，對(duì)應(yīng) Fluids/Simscape 不同的下級(jí)子模塊庫(kù)。

比如，

乘員艙除了溫度還考慮濕度，則認(rèn)為是Moist Air濕空氣，如果不需要就是干空氣模型；

平時(shí)所說(shuō)的水/液冷則屬于Thermal Liquid熱流體；

如果是空調(diào)系統(tǒng)，則為T(mén)wo-Phase Fluid兩相流；

另一種針對(duì)物理對(duì)象建模的主流方法就是非因果的物理建模方法，不需要推導(dǎo)系統(tǒng)方程，沒(méi)有信號(hào)的流動(dòng)方向，直接基于物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接庫(kù)模塊進(jìn)行系統(tǒng)建模。MathWorks 的 Simscape 就是其中的一種物理建模仿真平臺(tái)。

熱交換器的熱量傳遞可以發(fā)生在任意物理域的流體之間，氣體 VS 液體，氣體 VS 氣體，液體VS液體，液體 VS 制冷劑等等，所以提供了專門(mén)的Heat Exchanger庫(kù)，表征不同熱交換器特性;

畢竟是熱相關(guān)模型，所以或多或少用到了Thermal庫(kù)模塊來(lái)模擬熱源以及熱量的傳遞；

整個(gè)模型按照物理域來(lái)劃分，如下圖：

當(dāng)然，所有的模型本質(zhì)都是數(shù)學(xué)方程，既然如此，那用 Simulink 建模也是可以實(shí)現(xiàn)的。

2.熱管理系統(tǒng)工作模式

冷卻回路通常會(huì)通過(guò)不同的工作模式來(lái)滿足不同的熱負(fù)載需求。通過(guò)控制圖示中的三通閥、四通閥不同的連通方式得到不同的冷卻回路，比如：

Case1：

在環(huán)境以及電池低溫，電池不需要散熱甚至需要加熱的時(shí)候，不需要 Radiator，不需要 Chiller。

四通閥串聯(lián)模式，分別連通 A-B，C-D，如下圖，電池冷卻回路和電機(jī)冷卻回路串聯(lián)在一起；

Radiator 的三通閥， A-B 連通；

Chiller 三通閥， A-B 連通；

Case2：

工作一段時(shí)間后，電池溫度升高，但散熱需求不大時(shí)：

四通閥依舊串聯(lián)模式；

Radiator 三通閥，A-C 連通，通過(guò) Radiator 滿足散熱需求；

Chiller 依舊被 Bypass；

Case3:

當(dāng)環(huán)境或者電池的散熱需求更大時(shí)，

四通閥并聯(lián)模式，A-D,B-C 連通，電機(jī)和電池冷卻回路互不連通；

Radiator 三通閥 A-C 連通，用于給電機(jī)、充電器、逆變器等散熱；

Chiller 三通閥 A-C 連通，將電池大量的熱通過(guò) Chiller 散到制冷回路；

3.關(guān)于系統(tǒng)集成

很多人都問(wèn)過(guò) Simscape 是怎么和 Simulink耦合的。

如果把上圖的“冷卻系統(tǒng)”當(dāng)作一個(gè)整體，外界需要給定：

熱負(fù)載

以及各個(gè)主要部件的控制

熱負(fù)載

在這個(gè)例子里熱負(fù)載是Simulink 模型計(jì)算出來(lái)的，通過(guò)Heat Flow Source為接口，輸入熱模型模擬部件發(fā)熱量，如下圖：

熱管理系統(tǒng)閉環(huán)控制

和剛剛的熱負(fù)載類似，控制命令一般是通過(guò)源模塊來(lái)施加影響，比如下圖的電池泵轉(zhuǎn)速源模塊 Ideal Angular Velocity Source。

同時(shí)通過(guò)對(duì)應(yīng)物理域提供的傳感器模塊測(cè)出反饋信號(hào)，下圖的熱流溫度傳感器 Temperature Sensor測(cè)出電池入口冷卻液溫度，反饋回 Simulink 模型控制算法。

工況集成

開(kāi)環(huán)

熱負(fù)載來(lái)自于整車(chē)工況。單獨(dú)測(cè)試熱管理模型時(shí)，可以根據(jù)駕駛循環(huán)做簡(jiǎn)化查表得到熱負(fù)載，包括典型工況與極端工況測(cè)試。

比如這個(gè)例子里從速度-電流-發(fā)熱量做了一個(gè)查表計(jì)算(或者也可以直接輸入車(chē)速以及通過(guò)整車(chē)仿真得到的熱負(fù)載 Q 曲線作為工況)。

總之，這里的駕駛場(chǎng)景本質(zhì)上就是條各種工況的速度曲線。當(dāng)然，還有環(huán)境場(chǎng)景，比如溫度、壓力、濕度等等。

仿真分析

如果需要寫(xiě)一些自動(dòng)化仿真的腳本以及數(shù)據(jù)后處理代碼，案例里額提供的這些可以作為參考，如何通過(guò)腳本設(shè)置模型參數(shù)、如何獲取仿真結(jié)果等等：

查看模型的仿真結(jié)果：

以及系統(tǒng)各零部件能耗：

這種方式下，熱管理系統(tǒng)是在既定熱負(fù)載的前提下工作的。因?yàn)闆](méi)有整車(chē)模型，溫度信息并沒(méi)有反饋到整車(chē)來(lái)進(jìn)一步分析熱管理對(duì)整車(chē)性能和油耗的影響。

審核編輯：湯梓紅