汽車空調一維物理模型開發及應用
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摘 要：為了完成汽車空調最大制冷性能、最大加熱性能的預測，基于熱、流網絡節點、能量平衡的理論，使用AMEsim建立制冷系統物理模型，使用Simulink建立空調箱、乘客艙物理模型，通過跨平臺聯合仿真，完成空調最大制冷性能、最大制熱性能的模型計算和結果驗證，結果表明文章中使用兩個平臺完成的空調物理模型，可以很好的完成汽車空調最大性能的預測。
關鍵詞：汽車空調;物理模型;一維模型
中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A 文章編號：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
汽車空調系統是汽車重要的附件系統之一，主要包括制冷系統、加熱系統，實現車廂的制冷、加熱、除霜、除霧功能[1]。汽車空調系統的好壞不僅影響上述功能，還會影響汽車經濟性和舒適性。隨著整車開發周期的縮短和計算CFD的發展，構建汽車空調模型，已經成為研究汽車空調性能一個重要的方向。
汽車空調包括制冷系統、空調箱、乘客艙，其物理模型需要考慮兩相流、相變換熱、空調箱和乘客艙復雜的結構，以及持續變化的外部環境和整車工作狀態，這些因素導致汽車空調物理模型的復雜性。國內外學者使用不同的方法對汽車空調進行了建模研究。文獻[2]使用Matlab構建微通道蒸發器和膨脹閥的集成建模和實驗對比，文獻[3-4]分別使用sinda/Fluint和Modelica完成制冷系統的建模，并基于模型對系統進行優化;文獻[5]使用CFD建立的三維空調箱模型，進行空調箱內部氣流、傳熱的分析和驗證，文獻[6-7]基于AMEsim建立制冷系統模型，并分別建立乘客艙單溫區、多溫區溫度模型，完成制冷系統和乘客艙模型的聯合運算，即完成汽車空調制冷過程的計算。目前文獻較少涉及制冷系統、空調箱、乘客艙物理模型的聯合運行，更少有文獻同時完成最大制冷、制熱性能預測的研究和應用。
本文介紹的汽車空調物理模型，制冷系統物理模型是基于AMEsim搭建，空調箱和乘客艙物理模型是基于Simulink搭建，兩個平臺搭建的物理模型均是基于熱、流節點和能量平衡的一維模型，兩個平臺之間通過FMI實時交互數據，共同完成汽車空調最大制冷、制熱性能預測，使用兩個平臺的好處是一方面發揮了AMEsim擅長兩相流計算的優勢，另一方面也避免了對已有成熟空調箱、乘客艙Simulink模型的重新建模的問題，也為模型在環提供便利。
1 制冷系統物理模型
1.1 壓縮機物理模型
通過殼體各個區域進入乘客艙內的熱量Qconv，同時考慮空調風量和溫度對乘客艙內溫度產生的影響，最終通過迭代計算出乘客艙內空氣溫度，其詳細過程可以參考文獻[14]。
4 實車驗證
4.1 工況描述
為了完成上述物理模型驗證，進行典型的熱、冷環境風洞測試。典型熱工況，環境溫度38度，濕度40%，陽光強度1000W/m^2，空調模式為吹面，風量最大，溫度設定最低，車速和其它空調參數見表1。
典型的冷工況，環境溫度-20度，無陽光，空調出風方向為吹腳，風量5檔，內外循環設定為外循環，溫度設定為最高，工況1車速40km/h，持續20分鐘，工況2車速100km/h， 持續20分鐘。
4.2 試驗結果
圖3～7所示是在典型熱環境、冷環境工況下空調最大制冷性能和最大制熱性能試驗數據和模型計算結果的對比。圖3所示制冷系統中蒸發器空氣側出口溫度試驗數據和模型計算結果的對比。圖4所示制冷系統中冷凝器制冷劑側進口壓力驗數據和模型計算結果的對比;圖5所示乘客艙模型前排左溫區空氣溫度數據和模型計算結果的對比;圖6所示為空調箱左側腳步出風口溫度試驗數據和模型計算結果的對比;圖7所示乘客艙模型前排左溫區空氣溫度數據和模型計算結果的對比。
通過對比發現，無論對于極端的冷環境、熱環境還是對于不同車速、陽光強度、空調設置，三個物理模型的最大制冷性能、最大制熱性能計算結果都較好的和實際測量數據吻合，可以滿足汽車空調工程計算的需要。汽車空調性能開發和空調控制器參數標定通常需要整車級別的風洞或道路測試，本文介紹的制冷系統物理模型、空調箱物理模型、乘客艙物理模型，涵蓋汽車空調主要的物理模型，可以完成汽車空調最大制冷、最大制熱性能開發前期計算。 5 結論
本文所述的制冷系統物理模型、空調箱物理模型、乘客艙物理模型，是針對汽車空調構建的一維物理模型，通過模型和實車的試驗研究得出如下結論：
?。?）基于熱節點網絡及能量平衡理論，使用AMEsim完成制冷系統一維模型的建立;使用Simulink對空調箱、乘客艙組成結構和環境因素等進行熱流傳遞分析，完成空調箱、乘客艙一維物理模型建立。
?。?）對制冷系統物理模型、空調箱物理模型、乘客艙物理模型，根據臺架數據進行零部件級別的校準后，在典型的熱環境和冷環境下，完成最大制冷和最大制熱性能的計算，在風洞中完成整車最大制冷、最大制熱測試，對比結果表明三個模型計算關鍵指標數據和測試結果非常接近，滿足工程需要。
參考文獻
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