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Amesim车辆空调制冷系统建模方案
2020-04-05 23:25:14· 来源：Simcenter 1D 系统仿真 作者：陈登
1 应用综述车辆空调系统三个功能：制冷、制热和除湿，对于传统车来说，制冷功能的仿真分析涉及多个关键零部件的建模和标定，是本篇的详述内容；而制热和除湿功能
1 应用综述
车辆空调系统三个功能：制冷、制热和除湿，对于传统车来说，制冷功能的仿真分析涉及多个关键零部件的建模和标定，是本篇的详述内容；而制热和除湿功能直接依靠发动机冷却水和暖风器来完成热交换，本质上就是冷却系统上的一个小支路（类似中冷器制冷），建模仿真简单，本篇文章不做介绍。而对于新能源车（HEV和BEV），其制热系统则比较复杂，这个会在以后的文章中叙述，但其制冷系统和传统车基本一致（除了动力源不同）。
Amesim空调系统解决方案包含如下：
•空调系统零部件、子系统及系统的尺寸设计及验证
•评估新的替代冷却系统的性能
•系统瞬态仿真（含压缩机的起停分析）
•空调系统不同控制策略的分析
•驾驶员热舒适性的分析和优化
•新法规下的适应性分析
•空调性能、舒适性和经济性的平衡分析
图-1给出Amesim空调制冷系统的典型模型，部件主要来自Amesim的两相流库、空调库和热库，模型能够给出各处压力、温度、流量、热量、功率、比热、干度、过热度/过冷度等相关参数。图-2给出典型的空调制冷循环的压焓图，包含压缩、放热、节流（等焓膨胀）和吸热四个过程，需要注意的是，蒸发器出口到膨胀阀出口段在大流量工况时压降较为明显（见绿框）。模型中的冷媒介质为R134a，考虑制冷剂充注量和温度以及压缩机内滑油串气的影响。另外，Amesim提供了不同介质的属性定义工具（见图-3）。
1、概述
▲图-1 典型的Amesim空调制冷系统模型
▲图-2 压焓图（制冷循环四个过程）
▲图-3 介质属性定义工具
当置于整车模型（尤其新能源车）中，Amesim空调制冷系统方案能够发挥更大的作用：评估空调系统对电动车续驶里程的影响，压缩机、风扇及膨胀阀的控制保证动力电池的散热，满足制冷需求的同时提高整车能量利用效率……
▲图-4 包含空调系统的新能源整车能量管理方案模型
2 关键部件
1、压缩机
Amesim两相流库中的功能型压缩机模型（最常用）考虑体积效率、等熵效率和机械效率，也可用拟合公式和数表定义效率。该专业库也能搭建基于结构级的斜盘柱塞泵模型（典型的空调压缩机类型，见图-5），类似来自液压元件设计库搭建的同类型泵模型（见图-6），以进行泵的设计优化。
▲图-5 斜盘柱塞泵结构及原理
▲图-6 斜盘柱塞泵元件模型
2、冷凝器、蒸发器
图1模型中的冷凝器和蒸发器都来自Amesim空调专业库，该库提供了冷凝器和蒸发器的具体结构参数设置工具（见图-7和图-8），快速实现扁管和翅片的建模。每流程管路也可以离散化（3个或5个单元），分析更详细的相关参数分布；结合两相流库中的湿空气元件，进一步分析通过冷凝器和蒸发器的外部空气压损。需要注意的是，各部件的初始值尽量准确，以提高运算速度。
▲图-7 冷凝器（平行式）结构定义工具
▲图-8 蒸发器（U型式）结构定义工具
两相流库则提供了更为复杂的翅片结构模型，如图-9考虑翅片的错位，以进行翅片的详细结构设计优化。空调专业库中简单翅片结构与实际不一致的问题，则通过压降和换热参数的标定来解决。
▲图-9 扁管和翅片的物理模型
创建一个准确的冷凝器和蒸发器模型，除了定义相关的结构参数外，还需要定义对应的压降（5种延程摩擦关联方程）及换热参数（单相及两相的冷凝和沸腾），见图-10。
▲图-10 冷凝器及蒸发器模型参数
Amesim提供了专业的换热器压降和换热标定工具，能基于试验数据准确标定相关参数（见图-11）。
▲图-11 双核蒸发器压降和换热标定工具
另外，Amesim空调专业库也有针对新能源车的电池液冷系统中的换热部件chiller的专用模型及标定工具（见图-12）。图-13给出chiller和PTC在电动车模型中的应用demo，评估不同环境温度和加减速工况下，舱室及电池包平均温度等参数的变化情况。
▲图-12 Chiller模型及标定工具
▲图-13 含Chiller和PTC的空调模型在电动车上的应用demo
3
膨胀阀
热力膨胀阀是控制蒸发器出口冷媒的过热度来控制流量。Amesim膨胀阀模型分参数描述和四象限图描述两种子模型，后者最常用，参数见图-14。典型的四象限图如图-15，在模型参数里只需定义前三个象限的数据即可。
▲图-14 四象限式膨胀阀模型参数
▲图-15 典型的四象限图
上图给出的是1D格式的数表，往往会有2D的数表，如第二象限，蒸发器出口压力是与阀芯升程和过热度相关的2D数据，可以借助两相流库中的可调节流口元件（见图-16）实现。
▲图-16 可调节流口模型参数
4
乘员舱
乘员舱是空调的调节对象，图1给出的是Amesim的空调专业库提供的乘员舱功能模型，该模型考虑了舱室的热容、换热面积、车速和太阳辐射等（见图-17），图-18给出了图1模型的NEDC循环下的目标制冷温度和实际舱室温度的结果。
▲图-17 Amesim乘员舱功能模型
▲图-18 空调系统模型制冷效果
多级复杂度是Amesim的重要特点，同样能够搭建基于实际结构的乘员舱物理模型（图-19），对舱内各处的热分布详细分析，给出舱内各处温度变化。
▲图-19 Amesim乘员舱物理模型
此外，蒸发器置于前舱，而冷凝器等则和发动机、散热器、机油冷却器、中冷器等放置在空间相对狭小的发动机舱内，车内各个子系统在整车热环境内相互影响和干涉，其流动与传热过程非常复杂。Amesim的HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）库用以解决发动机舱内的复杂流动与传热，该库提供了发动机舱3D设计与分析功能，结合冷却系统、润滑系统、空调系统，根据各个部件间的相对位置、流道结构自动对其相互影响进行计算，充分考虑发动机舱内流动与传热的不均衡性影响。
▲图-20 Amesim发动机舱热管理系统
3 应用案例
1
沃尔沃
该应用案例的测试工况为NEDC循环，环境温度为30℃，调节温度为20℃，日照热负荷为1kW/m2。对比以下三种情况的油耗和空调能耗占比。
•基准车型：无空调
•双涡旋压缩机空调系统
•带转速控制的电动压缩机空调系统
▲图-21 沃尔沃评估空调系统对油耗的影响
2
康奈可
康奈可应用Amesim预测瞬态工况下空调系统性能，进行空调控制逻辑的验证和舱室空间的优化，加速包含空调和舱室模型的发动机开发进程。
▲图-22 康奈可加速含空调及舱室的发动机热管理开发
参考文献
[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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