汽车空调一维物理模型开发及应用

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　　摘 要：为了完成汽车空调最大制冷性能、最大加热性能的预测，基于热、流网络节点、能量平衡的理论，使用AMEsim建立制冷系统物理模型，使用Simulink建立空调箱、乘客舱物理模型，通过跨平台联合仿真，完成空调最大制冷性能、最大制热性能的模型计算和结果验证，结果表明文章中使用两个平台完成的空调物理模型，可以很好的完成汽车空调最大性能的预测。
　　关键词：汽车空调;物理模型;一维模型
　　中图分类号：TK124  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）10-172-04
　　Abstract： In order to predict the maximum refrigeration performance and heating performance of automobile air conditioning， based on the theory of heat， flow network node and energy balance， AMEsim is used to build the physical model of refrigeration system， Simulink is used to build the physical model of HVAC module and Cabin， and Co-simulation is used to complete the model calculation and result verification of the maximum cooling and heating performance of air conditioning. The results show that the physical model base based on two platforms can well predict the maximum perfor -mance of automobile air conditioning.
　　Keywords： Automobile air conditioning; physical model; 1-D model
　　CLC NO.： TK124  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）10-172-04
　　前言
　　汽車空调系统是汽车重要的附件系统之一，主要包括制冷系统、加热系统，实现车厢的制冷、加热、除霜、除雾功能[1]。汽车空调系统的好坏不仅影响上述功能，还会影响汽车经济性和舒适性。随着整车开发周期的缩短和计算CFD的发展，构建汽车空调模型，已经成为研究汽车空调性能一个重要的方向。
　　汽车空调包括制冷系统、空调箱、乘客舱，其物理模型需要考虑两相流、相变换热、空调箱和乘客舱复杂的结构，以及持续变化的外部环境和整车工作状态，这些因素导致汽车空调物理模型的复杂性。国内外学者使用不同的方法对汽车空调进行了建模研究。文献[2]使用Matlab构建微通道蒸发器和膨胀阀的集成建模和实验对比，文献[3-4]分别使用sinda/Fluint和Modelica完成制冷系统的建模，并基于模型对系统进行优化;文献[5]使用CFD建立的三维空调箱模型，进行空调箱内部气流、传热的分析和验证，文献[6-7]基于AMEsim建立制冷系统模型，并分别建立乘客舱单温区、多温区温度模型，完成制冷系统和乘客舱模型的联合运算，即完成汽车空调制冷过程的计算。目前文献较少涉及制冷系统、空调箱、乘客舱物理模型的联合运行，更少有文献同时完成最大制冷、制热性能预测的研究和应用。
　　本文介绍的汽车空调物理模型，制冷系统物理模型是基于AMEsim搭建，空调箱和乘客舱物理模型是基于Simulink搭建，两个平台搭建的物理模型均是基于热、流节点和能量平衡的一维模型，两个平台之间通过FMI实时交互数据，共同完成汽车空调最大制冷、制热性能预测，使用两个平台的好处是一方面发挥了AMEsim擅长两相流计算的优势，另一方面也避免了对已有成熟空调箱、乘客舱Simulink模型的重新建模的问题，也为模型在环提供便利。
　　1 制冷系统物理模型
　　1.1 压缩机物理模型
　　通过壳体各个区域进入乘客舱内的热量Qconv，同时考虑空调风量和温度对乘客舱内温度产生的影响，最终通过迭代计算出乘客舱内空气温度，其详细过程可以参考文献[14]。
　　4 实车验证
　　4.1 工况描述
　　为了完成上述物理模型验证，进行典型的热、冷环境风洞测试。典型热工况，环境温度38度，湿度40%，阳光强度1000W/m^2，空调模式为吹面，风量最大，温度设定最低，车速和其它空调参数见表1。
　　典型的冷工况，环境温度-20度，无阳光，空调出风方向为吹脚，风量5档，内外循环设定为外循环，温度设定为最高，工况1车速40km/h，持续20分钟，工况2车速100km/h， 持续20分钟。
　　4.2 试验结果
　　图3～7所示是在典型热环境、冷环境工况下空调最大制冷性能和最大制热性能试验数据和模型计算结果的对比。图3所示制冷系统中蒸发器空气侧出口温度试验数据和模型计算结果的对比。图4所示制冷系统中冷凝器制冷剂侧进口压力验数据和模型计算结果的对比;图5所示乘客舱模型前排左温区空气温度数据和模型计算结果的对比;图6所示为空调箱左侧脚步出风口温度试验数据和模型计算结果的对比;图7所示乘客舱模型前排左温区空气温度数据和模型计算结果的对比。
　　通过对比发现，无论对于极端的冷环境、热环境还是对于不同车速、阳光强度、空调设置，三个物理模型的最大制冷性能、最大制热性能计算结果都较好的和实际测量数据吻合，可以满足汽车空调工程计算的需要。汽车空调性能开发和空调控制器参数标定通常需要整车级别的风洞或道路测试，本文介绍的制冷系统物理模型、空调箱物理模型、乘客舱物理模型，涵盖汽车空调主要的物理模型，可以完成汽车空调最大制冷、最大制热性能开发前期计算。 　　5 结论
　　本文所述的制冷系统物理模型、空调箱物理模型、乘客舱物理模型，是针对汽车空调构建的一维物理模型，通过模型和实车的试验研究得出如下结论：
　　（1）基于热节点网络及能量平衡理论，使用AMEsim完成制冷系统一维模型的建立;使用Simulink对空调箱、乘客舱组成结构和环境因素等进行热流传递分析，完成空调箱、乘客舱一维物理模型建立。
　　（2）对制冷系统物理模型、空调箱物理模型、乘客舱物理模型，根据台架数据进行零部件级别的校准后，在典型的热环境和冷环境下，完成最大制冷和最大制热性能的计算，在风洞中完成整车最大制冷、最大制热测试，对比结果表明三个模型计算关键指标数据和测试结果非常接近，满足工程需要。
　　参考文献
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