大家好,本系列文章的目標(biāo)是幫助對(duì)整車熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個(gè)MATLAB 內(nèi)置的純電車案例:Electric Vehicle Thermal Management
上一篇,我們介紹了各個(gè)回路的搭建。 這一篇,我們將繼續(xù)介紹剩下的乘員艙回路,空調(diào)制冷以及控制部分。您可以在文章下面留言,以后有機(jī)會(huì)再介紹具體的模塊。
01Cabin 乘員艙
腔體/車艙
當(dāng)前案例模型里乘員艙內(nèi)部空間沒(méi)有進(jìn)行分區(qū),把內(nèi)部當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)模型來(lái)看待,計(jì)算乘員艙內(nèi)部的溫度、壓力、濕度、二氧化碳含量。所以用一個(gè)腔體模塊 Constant Volume Chamber 模擬乘員艙內(nèi)部的平均狀態(tài),也就是下圖標(biāo)識(shí)的【腔體】。
【腔體】的 ABC 各個(gè)端口的壓力和腔體內(nèi)部相同,只是ABC端口溫度取決于端口的氣體流向,和它的上游相同。
乘客模型
模擬駕駛艙內(nèi)部人類呼出的二氧化碳、水蒸氣以及釋放的熱量。
簡(jiǎn)單說(shuō)就是把人產(chǎn)生的這些東西(熱量、水蒸氣、二氧化碳)量化,使用 Moist Air 的 source 模塊添加到腔體模塊里。
傳熱模型
傳熱本質(zhì)上就是在計(jì)算每秒從 A 到 B 節(jié)點(diǎn)傳輸了多少熱量。只是為了方便區(qū)分不同物理現(xiàn)象,我們把它分成了不同的傳熱方式,用不同的參數(shù)化方程來(lái)描述。
Simscape 里提供了一些典型的熱傳遞模塊。
熱傳導(dǎo):熱量在固體內(nèi)部的傳熱,某種物質(zhì)的傳熱的能力就是這個(gè)物體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。除了溫差之外,具體的傳熱速率還和傳熱面積、固體厚度相關(guān) ,所以熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位是W/(K*m)。
溫差 detK * Thermal conductivity W/(K*m) * Area (m^2) / Thickness(m) = W
熱對(duì)流:熱量在固體和氣體之間的傳遞,發(fā)生在固體表面和氣體之間(這里不包括液體),所以就和厚度無(wú)關(guān),因此熱對(duì)流系數(shù)的單位:W/(K*m^2)
溫差 detK * Heat transfer coefficient W/(K*m^2) * Area (m^2) = W
熱輻射:熱輻射是超高溫物體對(duì)外的散熱能力,雖然它有自己的計(jì)算公式,但對(duì)于 HVAC 的計(jì)算一般指的太陽(yáng)輻射,太陽(yáng)輻射的單位是 W/m^2 。Simscape沒(méi)有直接的太陽(yáng)輻射模塊,需要用查到的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)*車身表面積,填進(jìn)去。
艙對(duì)外傳熱網(wǎng)絡(luò)
這部分模型搭建很“自由”,模型如何搭建完全取決于我們?nèi)绾稳コ橄筌嚺摵屯饨绲臒醾鬟f路線。
比如下圖:
定義了三條傳熱路徑:車玻璃、車門、車頂
帶顏色背景的是材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié);
左側(cè)是從乘員艙內(nèi)部空氣到材料的熱對(duì)流環(huán)節(jié);
右側(cè)是材料到外部環(huán)境的熱對(duì)流環(huán)節(jié);
所以,模型實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單,就是往上面掛模塊就是了。只是,給定或者說(shuō)標(biāo)定這里的參數(shù),才是重點(diǎn)。
02空調(diào)制冷回路
空調(diào)制冷回路用到了 Two-Phase 庫(kù)的模塊,這個(gè)循環(huán)的典型回路包括:冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、壓縮機(jī)。
這里的冷凝器 Condenser 布置在散熱器 Radiator 的后方, 所以車輛行駛時(shí),氣流會(huì)先穿過(guò)散熱器然后穿過(guò)冷凝器,最后風(fēng)扇安裝在冷凝器后方。
這個(gè)氣流流過(guò)各個(gè)器件的順序在模型里如何表達(dá)的呢?參考下圖:橫線上方是 Radiator 子系統(tǒng),橫線下方是 Condensor 子系統(tǒng),通過(guò)模塊端口的連接順序來(lái)體現(xiàn)氣流流過(guò)各部件的順序。
膨脹閥
這里是熱力膨脹閥,所以直接使用了庫(kù)里的熱力膨脹閥模塊。膨脹閥可以通過(guò)定義典型工況點(diǎn),也可以輸入象限曲線數(shù)據(jù)。
控制端連接到換熱器的出口。下方的紅圈類似于 Simulink 里面的Bus,沒(méi)什么特別用意,只是為了連線“好看”。
如果是電子膨脹閥,則可以使用基本的可變節(jié)流口模塊,受控邏輯則使用信號(hào)計(jì)算的方式來(lái)表達(dá)。
換熱器
換熱器,顧名思義其實(shí)和剛剛說(shuō)的傳熱沒(méi)什么本質(zhì)區(qū)別,換熱器模型就是計(jì)算從 A 到 B 傳遞了多少熱量。那傳熱速率顯然的跟溫差有關(guān)系。
只不過(guò)這里通常是兩種互相“隔離”的物質(zhì)之間的換熱,那我們會(huì)假設(shè)這個(gè)換熱速率 SD 跟換熱物質(zhì)的流速也有關(guān)系:
所以,如果有相關(guān)的換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),直接就可以表達(dá)這個(gè)換熱器的數(shù)學(xué)本質(zhì)。
實(shí)現(xiàn)任何兩種不同流體之間的換熱關(guān)系(模型),管路模塊則計(jì)算熱量對(duì)管路內(nèi)流體狀態(tài)的影響。
Simscape->Fluids->Heat Exchangers->Fundamental Components提供了部分模塊,計(jì)算輸出所需要的CP與M值。
不過(guò)實(shí)際上,Simscape Fluid 提供了一個(gè)換熱器模塊庫(kù),如果有合適的參數(shù)可以直接選擇合適的模塊。因?yàn)橛袝r(shí)候我們可能得不到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),那么可以根據(jù)散熱器關(guān)鍵尺寸信息,近似計(jì)算它的特性。或者我們前期在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),往往只有設(shè)計(jì)工況點(diǎn),所以也可以借用 System -level 級(jí)別的散熱器模型,來(lái)實(shí)現(xiàn)具有指定工況點(diǎn)特性的散熱器模型。
制冷劑
兩相流庫(kù)提供了一些常用制冷劑數(shù)據(jù),可以直接選擇。
如果是其它特別的制冷劑特性數(shù)據(jù),也可以使用 Simscape 提供的 API 從第三方軟件導(dǎo)入進(jìn)來(lái)。
03控制
圖中紅圈都是控制環(huán)節(jié),包括風(fēng)扇、各泵、各閥以及各加熱器,就是通過(guò)控制它們來(lái)完成了“熱量搬運(yùn)”的任務(wù)。備注:紅圈的Condenser 其實(shí)是為了要圈在這個(gè)子系統(tǒng)里面的受控風(fēng)扇(模型里把風(fēng)扇模塊放入了 Condenser 子系統(tǒng)內(nèi)部)。
控制算法本身用 Simulink 實(shí)現(xiàn)應(yīng)該沒(méi)什么問(wèn)題,它是通用控制算法工具,可以參考官方提供的其它教程去學(xué)習(xí)。
閥旁通控制
比如,這里的 Radiator 和 Chiller 的旁通閥控制都是01控制。
Chiller 的旁通控制是看電池溫度 T_battery;而 Radiator 則是看 Inverter 出口水溫 T_coolant_inverter_out;
這里使用了 Relay 模塊,開(kāi)關(guān)閾值錯(cuò)開(kāi),避免震蕩;
Radiator 旁通控制(夏天工況)
Inverter 出口水溫(紫線)始終高于25度,根據(jù)算法 cmd_rad_bypass (紅線)都等于0,Radiator 基本上都在工作,
Radiator 旁通控制(冬天工況)
環(huán)境溫度(左二藍(lán)線)很低 -10 degC。
剛開(kāi)始工作時(shí) Inverter 出口水溫(右二紫線)很低,根據(jù)算法 cmd_rad_bypass (紅線)都等于1:Radiator 被 bypass 掉了;
直到 Inverter 出口水溫(右二紫線)首次超過(guò) 25 degC 后,cmd_rad_bypass (紅線) 等于0:Radiator 通路打開(kāi);
由于后來(lái)水溫一直高于 20 degC,所以保持 Radiator 通路打開(kāi)散熱。
Chiller 的旁通閥控制就不贅述了。
那么,通過(guò)仿真,我們就可以觀察系統(tǒng)特性,檢查控制效果,優(yōu)化能耗。
這就是本系列的全部?jī)?nèi)容,希望能幫助對(duì)整車熱管理建模感興趣的朋友更快的了解這個(gè)純電車的案例模型,也非常歡迎大家提出改進(jìn)意見(jiàn),謝謝。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:熱管理系統(tǒng)建模案例(三):乘員艙回路、空調(diào)制冷、控制
文章出處:【微信號(hào):MATLAB,微信公眾號(hào):MATLAB】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
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