基于TIL热仿真模型的新能源汽车热管理系统仿真与控制策略开发

        新能源车近来成为汽车领域的热门话题，各大汽车厂商争相推出产品抢夺市场。新能源车成为国内厂商提升品牌形象与技术实力进行弯道超车的绝好舞台。新能源车采用了新的驱动系统，在一定程度上颠覆了传统的热管理设计思路，汽车厂商需要重新设计热管理系统。这对于各汽车厂商来说既是机会又是挑战。随着新车型对研发周期、成本的要求不断提高，引进先进的设计手段提高开发效率，使自己的产品较快占领市场成为必然。

解决方案

        新能源车辆的热管理主要是针对乘员舱的温度控制和电池包的温度控制。乘员舱的温度控制一般采用空调系统。电池包有风冷和液冷两种方式，研究表明风冷方式易实现，但电池包温度梯度变化较大，不利于电池稳定工作。通过冷却液与空调系统的制冷剂进行换热的液冷方式逐渐成为主流。乘员舱及电池包的加热方式一般采用PTC加热器来完成。这样的热管理系统不能再依据已有车型进行简单改进，而需要将不同的系统进行匹配设计。与之对应的热管理控制策略控制算法也需要重新编写。

        目前国外主流汽车厂商多采用基于模型的设计方法进行系统设计与匹配，并在模型的基础上进行控制策略的开发。模型的优势在于并不针对某一特性车型，通用的元件模型可为不同车型提供服务，用户只需要按照车型要求搭建相应的系统就可以使用。

        采用一维仿真模型进行系统仿真可以将制冷循环、空气循环、液冷系统、电驱动系统等整合到一个仿真模型。这样的仿真模型可用于方案选型设计、匹配设计、系统性能分析、控制系统开发、能耗分析、综合热能管理等不同方面。TIL热仿真模型库提供了新能源车热仿真所需要的全部模型。基于面向对象的建模语言建模，使模型具有较高的可读性，对于用户来说模型简单、易读、易用、易学。同时也为用户二次开发提供接口，便于用户在现有模型基础上进一步提升自身设计开发能力。

        此外，TIL模型库搭建的系统模型还可以在Simulink中与控制算法进行联仿，在NI、Concurrent、Higale等仿真机中进行实时仿真，进一步拓展了模型的应用领域。

        TIL热仿真模型库由热物性模型TIL Media、热流体元件TIL Suit、文件读取TIL File Reader、可添加模块TIL Add-On、结果后处理等模块TIL DaVE组成。

图 1  TIL热仿真模型库

        其中TIL Suit包括热流体元件和系统模型，如图1所示，基础模型库包括各种类型的换热器模型和按照理想气体、不可压流体、相变介质分类的元件模型（管路、泵、压缩机、风扇、罐体、阀门等）。换热器模型采用几何结构与理论计算相结合的方式建模，采用换热和压降关联式计算换热和压降。其中的关联式可以根据实际工况选择和替换。热力学模型可以进行稳态和瞬态仿真，例如湿空气模型可以实现蒸发、冷凝、动态水平衡等的仿真。丰富的模型和通用的模型接口允许不同领域的热流体仿真模型组合成在一起进行仿真分析。

        TIL Media为热物性计算模型，介质模型库涵盖多种介质，介质模型经过优化后能够实现模型的快速仿真精确计算。与此同时通过TIL Media Suite interfaces可以将TIL Media用于其他软件。

        TIL File Reader允许导入外部数据，包括.csv和Dymola结果文件。并针对每一个变量提供一个直观的GUI界面和可选的插值函数。

        TIL Add-On模型库针对不同应用领域拥有更专业的补充模块。例如舱室模型如下图所示。

图 2  乘员舱室模型及天气模块

        乘员舱室模型考虑乘员数、太阳辐射、车速、舱室材料、内外循环等影响因素，除完成乘员舱温度、湿度计算外还可根据长波辐射和DIN ENISO7730标准实现对人体舒适度计算。天气计算模块可以考虑不同经纬度、不同风速风向、不同太阳辐射强度、不同温度湿度等多种天气条件对乘员舱温度的影响。

图 3  TIL DaVE可视化模块

        此外，可添加模块还提供针对电池包的电池模型、燃料电池模型、功率电子热模型、发动机模型、电机及逆变器模型、参数分析及后处理模块、电厂热仿真模型等等。

应用案例

?  汽车空调系统仿真与控制算法开发

图 4  空调系统仿真模型

        基于TIL热仿真模型库搭建的空调系统仿真模型如图4所示。仿真模型包括空调制冷循环、PTC制热循环、冷凝器散热回路、乘员舱送风回路、冷热风混合风门、新风混合风门。

图 5  空调系统仿真

        系统模型可以完整的模拟不同工况对乘员舱温度的影响，可以考虑不同冷热风混合比例对温度的影响，可以考虑循环新风对乘员舱温度和舒适度的影响，可以模拟压缩机启停工况对乘员舱温度的影响，仿真结果如图5所示。

        此外，空调系统模型还可以通过FMU/S-function导入Simulik。我们将压缩机转速、PTC加热量、鼓风机转速、风门开度等做成输入接口，用于外部输入信息。将我们所关心的乘员舱温度、PTC温度、蒸发器出口温度、冷热风混合后温度等信息做成输出接口，用于向外部输出信息。将模型封装成相应的模块后，就可以导入Simulink，可实现空调控制器MIL层级的测试。

图 6  空调系统仿真

        与此同时，仿真模型可以以FMU的形式导入NI、concurrent、Higale等仿真机。从而实现HIL层级的仿真测试。

图 7  空调系统仿真

?  电池热管理系统仿真

图 8  热管理系统模型

        采用TIL热仿真模型库，可搭建完整的电池热管理系统。如上图所示，热管理系统包括制冷系统回路、冷凝器散热回路、乘员舱送风系统回路、电池冷却系统回路、电池驱动回路。搭建好的仿真模型可以用于热管理系统性能分析、控制策略设计等。

总结

        基于模型的热管理设计思路，不仅可以提高热管理系统设计的效率，还可以打通热管理与控制策略开发之间的障碍。热管理设计与控制策略开发可以采用同一套模型。不但有利于不同部门之间的协作，还将有效降研发低成本。

        恒润科技拥有一支经验丰富、技术专业的新能源汽车热管理支持团队，为汽车及工程机械行业整车厂和供应商提供完整的热管理解决方案和工程服务，团队将通过快速的技术响应为您提供专业的服务！