《車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析》全套教學(xué)課件

第一章：緒論《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析

》01第1章緒論02動(dòng)力系統(tǒng)熱管理03動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理04?空調(diào)系統(tǒng)05整車熱管理?06AI技術(shù)與汽車熱管理07相關(guān)軟件技術(shù)展望全套可編輯PPT課件導(dǎo)讀本章講述了汽車熱管理系統(tǒng)的相關(guān)概念和背景知識(shí)，主要介紹汽車熱管理系統(tǒng)的概念、一維和三維建模與仿真方法，以及整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程。1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述1.1.1?新能源汽車熱管理系統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng)(ThermalManagementSystem，TMS)是整車的重要部分，其從整車角度統(tǒng)籌車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、電池、電機(jī)等部件及子系統(tǒng)的匹配、優(yōu)化與控制，可以有效解決整車熱管理問題，使得各功能模塊處于最佳工作溫度區(qū)間，提高整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，保證車輛安全行駛。新能源汽車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段,總體向高度集成化的方向演進(jìn)。3、寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理系統(tǒng)一體化2、熱泵配合電輔熱1、單冷配合電加熱早期座艙采用蒸氣壓縮循環(huán)制冷和PTC加熱器制熱，電池?zé)峁芾聿捎蔑L(fēng)冷方式，各子系統(tǒng)獨(dú)立。座艙引入熱泵空調(diào)，液冷逐步成為電池?zé)峁芾淼闹髁髂Ｊ?，電池與座艙熱管理回路有簡單整合。單整合。合理增加了二次換熱回路，對(duì)電池、電機(jī)余熱進(jìn)行回收利用,提升了熱泵的環(huán)境適應(yīng)能力，座艙、電池、電機(jī)熱管理回路進(jìn)一步整合。全套可編輯PPT課件1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述1.1.2傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)

單擊此處添加標(biāo)題發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱冷卻系統(tǒng)見圖1—1制冷：空調(diào)冷媒制熱：發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)做功座艙空調(diào)系統(tǒng)節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)回路切換。實(shí)現(xiàn)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的冷卻系統(tǒng)及座艙空調(diào)系統(tǒng)。構(gòu)成（1）寒冷天氣，迅速暖車實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)。（2）炎熱天氣，防止發(fā)動(dòng)機(jī)“開鍋”。目標(biāo)全套可編輯PPT課件1.1?汽車熱管理系統(tǒng)概述汽車熱管理系統(tǒng)概述純電動(dòng)汽車和燃油汽車：電機(jī)替代了發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱更新為三電架構(gòu)：電機(jī)、電池、電控新增了DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電機(jī)（OBC）、PTC加熱器熱管理系統(tǒng)上的變化：純電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行利用的是電池供電；暖風(fēng)的獲取利用的是PTC加熱器0102傳統(tǒng)燃油車與純電動(dòng)汽車熱管理差異點(diǎn)全套可編輯PPT課件1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.1?一維熱系統(tǒng)建模仿真主要功能：模擬和預(yù)測(cè)汽車熱管理系統(tǒng)的行為；設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證汽車熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置。典型軟件：AMESim、GT-SUITE關(guān)鍵特點(diǎn)：可以模擬多個(gè)物理場(chǎng)，如熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射等，以更全面地描述熱管理系中的各種相互作用；可以建立詳細(xì)的部件模型（即組件），包括散熱器、風(fēng)扇、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等，以準(zhǔn)確地模擬其性能和狀態(tài)變化；允許將不同的組件集成到整車熱管理系統(tǒng)中，以分析系統(tǒng)在各種條件下的綜合性能；可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，以找到最佳的設(shè)計(jì)和工作參數(shù)，從而提高系統(tǒng)效率和性能。國產(chǎn)替代：AITherMA1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.2?三維熱流體建模仿真主要功能利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)三維空間中的熱流體行為進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。技術(shù)原理結(jié)合了流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)理論，準(zhǔn)確模擬流體在復(fù)雜幾何形狀中的流動(dòng)和熱傳遞過程。典型軟件AnsysFluent，ANSYS

CFX，Star

CCM+，Comsol，OpenFOAM等。國產(chǎn)代替QFLUX1.2?汽車熱管理建模仿真概述1.2.3?一、三維聯(lián)合建模仿真定義與作用：將一維和三維仿真技術(shù)相結(jié)合，以獲得更準(zhǔn)確、更全面的汽車熱管理系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)和分析。分工：一維仿真軟件用于系統(tǒng)級(jí)的多領(lǐng)域建模，可以對(duì)涉及流體、機(jī)械、電氣等多個(gè)物理領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真；三維仿真軟件用于子系統(tǒng)或部件級(jí)的單物理場(chǎng)或多物理場(chǎng)仿真，可以對(duì)部件內(nèi)部的流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等物理現(xiàn)象進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真優(yōu)勢(shì)：既可以利用一維仿真軟件對(duì)車輛整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，又可以利用三維仿真軟件對(duì)零部件進(jìn)行精細(xì)的模擬仿真。主流軟件：AMESim、Simulink1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程遵循汽車行業(yè)“V”模型開發(fā)模式以正向開發(fā)為主，兼顧逆向的閉環(huán)驗(yàn)證；縱軸分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件三個(gè)層級(jí)，橫向分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)和系統(tǒng)集成測(cè)試兩個(gè)階段。1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程具體的熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程，分為目標(biāo)分解和目標(biāo)管控兩部分。1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程整車熱管理性能目標(biāo)示例，主要包括各系統(tǒng)介質(zhì)溫度和座艙內(nèi)環(huán)境溫度1.3?整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程子系統(tǒng)及零部件熱管理性能目標(biāo)示例，主要包括各子系零部件介質(zhì)溫度和設(shè)計(jì)要求。第二章：動(dòng)力系統(tǒng)熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析》學(xué)習(xí)目標(biāo)：汽車動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)構(gòu)造鋰離子動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)熱特性模型動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理方式汽車動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析本章導(dǎo)讀2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.1?鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)介紹1）限制電池的溫度，使其不超過允許的最高溫度；2）降低電池單體間的溫度差異：3）保持電池運(yùn)行在最佳性能和最長壽命的溫度區(qū)間。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的三個(gè)基本目標(biāo)：2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.1?鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)介紹電池?zé)峁芾矸绞剑?1空氣冷卻02液體冷卻03相變材料（PhaseChangeMaterial）冷卻05多種冷卻方式的組合04熱管冷卻電池?zé)峁芾矸绞桨l(fā)動(dòng)機(jī)熱管理方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.2?鋰離子電池?zé)岱治黾盁崽匦阅Ｐ碗姵禺a(chǎn)熱方式包括產(chǎn)熱模型、電池內(nèi)部的傳熱模型，以及電池間和電池與外界的傳熱模型。其主要用途為求解電池的溫度。電池?zé)崽匦阅Ｐ偷谝环N產(chǎn)熱模型基于電池內(nèi)阻。第二種產(chǎn)熱模型為電化學(xué)-熱耦合模型。第三種產(chǎn)熱模型為電-熱耦合模型。電池產(chǎn)熱模型圓柱電池?zé)岱治鰣A柱電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算產(chǎn)熱分布：軸向：并聯(lián)電阻法徑向：串聯(lián)電阻法軸向：橢圓狀徑向：環(huán)狀軟包電池?zé)岱治鐾庥^結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)熱分布：

正極極耳溫度最高；

負(fù)極極耳溫度最低；

電池體上的問題梯度呈現(xiàn)從正極極耳向正極極耳對(duì)角下降的溫度分布方形電池?zé)岱治龇叫坞姵胤叫坞姵貎?nèi)阻與SOC、溫度的關(guān)系產(chǎn)熱特性：

電池溫度隨電流放電倍率增加不斷升高，電池在低放電倍率下有明顯的上升平臺(tái)期。

高放電倍率時(shí)，這一平臺(tái)期小時(shí)，電池溫度迅速升高。2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.3?動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模與仿真（1/4）電動(dòng)汽車在正常行駛過程中，其動(dòng)力電池溫度必須控制一定范圍內(nèi)。一般地講，電動(dòng)汽車行駛時(shí)，當(dāng)動(dòng)力電池溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)即啟動(dòng)。本案例選取動(dòng)力電池水冷系統(tǒng)為討論對(duì)象，研究當(dāng)系統(tǒng)處于常開狀態(tài)時(shí)，Chiller的冷卻能力，即可以保持的冷卻液出口溫度水平。Chiller（換熱器）是純電動(dòng)汽車上一種緊湊型的冷卻裝置，動(dòng)力電池的冷卻液流經(jīng)Chiller中的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中的制冷劑通過熱交換將冷卻液的熱量帶走，從而降低冷卻液溫度。2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.3?動(dòng)力電池水冷系統(tǒng)建模與仿真模型搭建2.1?鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.1.3?動(dòng)力電池水冷系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析：隨著時(shí)間的發(fā)展水冷側(cè)的工質(zhì)水與熱側(cè)的空氣發(fā)生熱交換，溫度逐漸升高最終達(dá)到熱平衡態(tài)。2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)實(shí)物圖經(jīng)典的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)中的節(jié)溫器依據(jù)流經(jīng)的冷卻液的溫度高低，打開或關(guān)閉冷卻液流向散熱器的路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的調(diào)控。2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真2.2.1?發(fā)動(dòng)機(jī)管理關(guān)鍵性能指標(biāo)一般用以下的四個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)來完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。功率系數(shù)體積系數(shù)有效阻力系數(shù)沸騰環(huán)境溫度由發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)中冷卻液的體積和發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率的比值計(jì)算得到冷卻液沸騰時(shí)的外界環(huán)境溫度。由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇所消耗的功率和發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率的比值計(jì)算得到由散熱器空氣側(cè)的阻力和冷卻風(fēng)道中的總阻力的比值計(jì)算得到2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真2.2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱原理及熱特性模型發(fā)動(dòng)機(jī)熱特性模型主要用于計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)熱負(fù)荷，以及缸體、冷卻液、箱體等的溫度。通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、參數(shù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和平均有效壓力，以發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線MAP圖為基本數(shù)據(jù)信息，利用插值法確定發(fā)動(dòng)機(jī)單位功率燃油消耗量及發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱系數(shù)，從而求解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)熱量和發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)熱負(fù)荷。2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理設(shè)計(jì)與仿真2.2.3?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖經(jīng)典的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真該模型研究了在給定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)（車速=45km/h，變速箱速比=3，道路坡度=6%）下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的行為。該冷卻系統(tǒng)的目標(biāo)是將冷卻液溫度調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的值（大約90℃）。AITherMA中的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)建模結(jié)果2.2.3?發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)建模與仿真從時(shí)間0s到65s，節(jié)溫器關(guān)閉，因?yàn)樗拈_啟溫度在節(jié)溫器模型中設(shè)置為87℃從時(shí)間65s到110s，可以觀察到溫度振蕩，這是由于節(jié)溫器連續(xù)關(guān)閉和打開試圖使使冷卻液溫度達(dá)到平衡。110s后，散熱器出口冷卻液溫度達(dá)到了幾乎不需要散熱器風(fēng)扇運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)值75.7℃。第三章：動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析》本章講述了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析相關(guān)內(nèi)容，主要介紹電機(jī)和電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)、電機(jī)和電控產(chǎn)熱原理及熱特性模型和典型工程案例。本章導(dǎo)讀電機(jī)熱管理：熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)熱管理系統(tǒng)原理圖純電動(dòng)汽車電機(jī)與電機(jī)控制器的熱管理系統(tǒng)主要依靠冷卻水泵帶動(dòng)冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動(dòng)，通過散熱器中的熱交換等物理過程，帶走電機(jī)與電機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量。為使熱量散發(fā)得更充分，通常在散熱器后方設(shè)置風(fēng)扇。電機(jī)熱管理：關(guān)鍵性能指標(biāo)電機(jī)起動(dòng)后，其溫度自常溫（電機(jī)各部分溫度與環(huán)境溫度相同）不斷升高，當(dāng)其溫度高出環(huán)境溫度后，一方面繼續(xù)產(chǎn)生熱量緩慢升溫，另一方面開始向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)電機(jī)處于熱量平衡狀態(tài)、溫度不再升高時(shí)，電機(jī)溫度與環(huán)境溫度之差稱為電機(jī)溫升。電機(jī)允許溫升是指電機(jī)溫度與周圍環(huán)境溫度相比允許升高的限值，因?yàn)槠涫怯呻姍C(jī)繞組絕緣材料的耐熱等級(jí)決定的，不同的絕緣材料耐熱等級(jí)有不同的允許溫升，所以電機(jī)允許溫升也稱為繞組溫升限值。12繞組溫升限值與絕緣材料耐熱等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系※冷卻介質(zhì)及溫度為40℃的空氣。電機(jī)熱管理：產(chǎn)熱原因及高溫危害純電動(dòng)汽車電機(jī)在驅(qū)動(dòng)與回收能量的工作過程中，電機(jī)鐵心、繞組都會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗以熱量的形式向外散發(fā)。過高的溫升對(duì)電機(jī)有諸多危害：一是對(duì)電機(jī)內(nèi)永磁體的性能造成影響，永磁體是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵組成部分，高溫會(huì)使永磁體發(fā)生磁通密度降低以及不可逆退磁等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作；二是破壞絕緣材料，絕緣材料是電機(jī)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，過高的溫度會(huì)造成絕緣材料壽命的下降和絕緣性能的衰減；三是對(duì)電機(jī)機(jī)械性能造成影響，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、滾動(dòng)軸承、定子槽、機(jī)殼等結(jié)構(gòu)受熱變形，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行精度不佳、可靠性降低、縮短使用壽命；四是影響電機(jī)功率密度的提升、降低電機(jī)效率，難以達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理系統(tǒng)級(jí)建模與仿真對(duì)于發(fā)熱功率較大的電機(jī)，一般使用水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理構(gòu)建電機(jī)熱管理系統(tǒng)模型，其由電機(jī)產(chǎn)熱模型、對(duì)流換熱器模型、水泵模型和散熱器模型等組成。當(dāng)對(duì)流散熱器出口冷卻液溫度過高時(shí)，會(huì)開啟帶風(fēng)扇散熱器的風(fēng)扇以加強(qiáng)冷卻。，AITherMa中的仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理系統(tǒng)級(jí)建模與仿真模擬工況：環(huán)境溫度為20℃、一個(gè)WLTC循環(huán)電機(jī)熱損失功率的變化電機(jī)熱損失功率曲線與汽車行駛速度曲線呈現(xiàn)明顯的相關(guān)一致性。在車速最高時(shí)，電機(jī)熱損失功率也達(dá)到最大。電機(jī)出口冷卻液溫度曲線汽車行駛初始階段電機(jī)出口冷卻液溫度不斷上升，當(dāng)其達(dá)到62℃后不再升高，而是反復(fù)在58～62℃波動(dòng)。62℃以上，散熱器風(fēng)扇打開，增加散熱效果；下降至58℃后，散熱器風(fēng)扇關(guān)閉，如此反復(fù)。WLTC工況下的汽車行駛速度曲線電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理部件級(jí)建模與仿真仿真對(duì)象模型簡化模型結(jié)構(gòu)水冷電機(jī)散熱系統(tǒng)機(jī)殼、水冷管道、定子和繞組。繞組鐵芯機(jī)殼之間緊密接觸，不存在接觸熱阻，同時(shí)由于金屬熱阻很小，繞組鐵芯機(jī)殼之間溫差很小。因此可將繞組、鐵芯壓縮，只保留機(jī)殼和鐵芯之間的接觸面作為熱量的傳遞面。，在接觸面上賦簡化前簡化后水冷電機(jī)散熱系統(tǒng)幾何模型電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理部件級(jí)建模與仿真(a)機(jī)殼表面溫度分布云圖(b)冷卻液溫度分布云圖水冷電機(jī)散熱系統(tǒng)溫度分布云圖計(jì)算中的出口水溫監(jiān)控曲線電控?zé)峁芾恚寒a(chǎn)熱原理內(nèi)部可分為整流器模塊、逆變器模塊、DSP模塊、輔助電源模塊及各保護(hù)電路。逆變器模塊負(fù)責(zé)將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟?，協(xié)同DSP模塊生成的PWM信號(hào)來控制電機(jī)的動(dòng)作。輔助電源模塊負(fù)責(zé)將整流得到的直流電轉(zhuǎn)換為各芯片所需要的電壓來驅(qū)動(dòng)芯片工作。整流器模塊負(fù)責(zé)將220V交流電整流為直流電，用于輔助電源的輸入及生成逆變器母線電壓。DSP模塊負(fù)責(zé)生成PWM信號(hào)、處理電機(jī)反饋信號(hào)、執(zhí)行控制算法、連接上位機(jī)界面等。保護(hù)電路主要負(fù)責(zé)過流保護(hù)、過壓保護(hù)和防PWM信號(hào)重疊保護(hù)等，可以避免因操作不當(dāng)或個(gè)別器件損壞對(duì)電機(jī)控制器造成的損害。電機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)DSP模塊和保護(hù)電路，為小功率模塊，發(fā)熱低。電控?zé)峁芾恚寒a(chǎn)熱原理電機(jī)控制器的簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響開關(guān)器件熱量變化的主要因素包括導(dǎo)通占空比D、開關(guān)頻率fs及電流幅值Im電機(jī)控制器主要熱源為開關(guān)器件，因此需要盡可能保留與開關(guān)器件相關(guān)的電路，并且在不影響電路整體功能的情況下刪除DSP模塊及某些保護(hù)電路等細(xì)節(jié)部分，方便展開對(duì)開關(guān)器件功率損耗數(shù)學(xué)模型的建立。逆變器作為開關(guān)器件的代表，通常由六個(gè)IGBT模塊組成，每個(gè)IGBT模塊都分為IGBT和反并聯(lián)二極管，兩者都周期性地處于開通或關(guān)斷狀態(tài)。產(chǎn)生的損耗：通態(tài)損耗和開關(guān)損耗電控?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾硐到y(tǒng)級(jí)建模與仿真電機(jī)控制器是新能源汽車的一個(gè)重要熱源，其在工作過程中發(fā)出的熱量如果不能及時(shí)輸運(yùn)出來，各電子元件會(huì)因?yàn)闇囟冗^高出現(xiàn)工作誤差，甚至被燒毀。對(duì)于發(fā)熱功率較大的電機(jī)控制器，一般使用水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型主要包括電控單元發(fā)熱模型、對(duì)流換熱器模型水泵模型、閥門模型和散熱器模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組件的參數(shù)設(shè)置與電機(jī)熱管理系統(tǒng)的類似。當(dāng)對(duì)流換熱器出口冷卻液溫度過高時(shí)，會(huì)開啟散熱器的風(fēng)扇加強(qiáng)冷卻，保證電機(jī)控制器的安全。0102電機(jī)熱管理系統(tǒng)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)電機(jī)熱管理：典型電機(jī)熱管理部件級(jí)建模與仿真WLTC工況下的汽車行駛速度曲線模擬工況：環(huán)境溫度為35℃、一個(gè)WLTC循環(huán)電機(jī)控制器的產(chǎn)熱功率電機(jī)控制器的產(chǎn)熱功率和整車需求功率具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此其曲線和汽車行駛速度曲線具有一致性。當(dāng)冷卻液溫度與環(huán)境溫度相差較大時(shí)，散熱器散熱功率高于電機(jī)控制器的產(chǎn)熱功率，因此在約1220s時(shí)冷卻液溫度下降；當(dāng)汽車處于持續(xù)加速階段，整車需求功率增加，電機(jī)控制器產(chǎn)熱功率增加，冷卻液溫升較快，而后進(jìn)入波動(dòng)階段。電機(jī)控制器出口冷卻液溫度曲線電控?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾聿考?jí)建模與仿真逆變器控制著電池和電機(jī)之間的能量交換，功率模塊是逆變器的關(guān)鍵部件，目前常見的功率模塊是IGBT模塊。IGBT模塊具有很高的開關(guān)頻率（每秒可達(dá)上萬次），可以承受很高的電壓和電流，如比亞迪研發(fā)的IGBT模塊可承受1200V的電壓、200A的電流，因此IGBT模塊的功率很高，如果冷卻效果不好、溫度過高，會(huì)影響其工作狀態(tài)甚至被燒毀。逆變器幾何模型(a)固體域仿真對(duì)象(b)流體域仿真對(duì)象由IGBT模塊、水冷管道、底板組成電控?zé)峁芾恚旱湫碗娍責(zé)峁芾聿考?jí)建模與仿真逆變器溫度分布云圖第四章：空調(diào)系統(tǒng)《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析

》導(dǎo)讀本章主要介紹空調(diào)系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵性能指標(biāo)、空調(diào)系統(tǒng)熱特性模型、空調(diào)系統(tǒng)建模與仿真。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.1?結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車或燃油車的空調(diào)系統(tǒng)主要由四大件組成：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.?結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)（Compressor）是空調(diào)系統(tǒng)的心臟，在制冷循環(huán)中，其作用過程主要是從點(diǎn)1到點(diǎn)2。在這個(gè)過程中，壓縮機(jī)通過推動(dòng)和壓縮向低壓、低溫的制冷劑氣體做功，使其能夠產(chǎn)生壓力和溫度的變化，從而變?yōu)楦邷?、高壓的氣態(tài)制冷劑。冷凝器（Condenser）的主要作用是將高溫的制冷劑冷卻。制冷劑從壓縮機(jī)排出后，呈高溫、高壓狀態(tài)，此時(shí)需要對(duì)其降溫，并完成制冷劑從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。從冷凝器出口流出的制冷劑呈高溫、高壓的液態(tài)，為了使液態(tài)制冷劑的飽和溫度降低，使其能夠吸收低溫物體的熱量，就需要降低其壓力。用到的就是膨脹閥（Expansionvalve）。蒸發(fā)（Evaporator）的作用原理與冷凝器的正好相反，其吸收空氣中的熱量，將熱量傳遞給制冷劑，使其能夠完成汽化.1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.2關(guān)鍵性指標(biāo)

單擊此處添加項(xiàng)標(biāo)題制冷量是指空調(diào)進(jìn)行制冷運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從密閉空間、房間或區(qū)域內(nèi)去除的熱量總和，單位W。制冷量能效比，又稱性能系數(shù)，是指空調(diào)系統(tǒng)在制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制冷量（制熱量）與制冷功率（制熱功率）之比。能效比制熱量是指空調(diào)進(jìn)行制熱運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)向密閉空間、房間或區(qū)域內(nèi)增加的熱量總和，單位W。制熱量1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.3蒸汽壓縮制冷循環(huán)動(dòng)態(tài)集總參數(shù)模型空調(diào)系統(tǒng)輸入變量中的可操作變量有2個(gè)，即壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。其他3個(gè)輸入變量（車速、外界環(huán)境溫度和蒸發(fā)器周圍環(huán)境溫度）為空調(diào)系統(tǒng)無法通過操縱直接改變的，其中車速與外界環(huán)境溫度是外界擾動(dòng)，完全不受空調(diào)系統(tǒng)影響，而蒸發(fā)器周圍環(huán)境溫度一般與冷卻控制目標(biāo)有關(guān)，可以被空調(diào)系統(tǒng)影響。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真

常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，包含一個(gè)壓縮機(jī)、一個(gè)冷凝器、一個(gè)蒸發(fā)器、一個(gè)節(jié)流裝置（膨脹閥）。

壓縮機(jī)中的制冷劑蒸汽壓力增加，為系統(tǒng)提供制冷劑流量。在冷凝器中，能量從制冷劑排到濕空氣中，制冷劑狀態(tài)從蒸汽切換到兩相流，然后沿著冷凝器切換到過冷液體。通過節(jié)流裝置（膨脹閥），制冷劑壓力降低，因此流體溫度突然下降。制冷劑在蒸發(fā)器中開始蒸發(fā)，

蒸發(fā)器的作用是通過從濕空氣中吸收熱量來蒸發(fā)制冷劑。儲(chǔ)液器確保只有過熱氣體被供應(yīng)到壓縮機(jī)中。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真AITherMa軟件中搭建空調(diào)系統(tǒng)仿真模型仿真工況通過壓縮機(jī)的外部轉(zhuǎn)速輸入來控制其運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為2000rev/min，分為初始的瞬態(tài)過程和最終的穩(wěn)定狀態(tài)。在第一個(gè)瞬態(tài)過程，壓縮機(jī)以2000rev/min的速度運(yùn)行。在t=201s和t=241s之間，完全停止。之后，又以2000rev/min的速度運(yùn)行。1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真冷凝器水平處提供給濕空氣通量的功率和在蒸發(fā)器水平處從濕空氣通量吸入的功率之間的差等于壓縮機(jī)提供給制冷劑流體的功率。儲(chǔ)液器的作用是保證只有過熱的制冷劑蒸汽才能進(jìn)入壓縮機(jī)，從而不至于對(duì)壓縮機(jī)造成損害。中途由于壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)，沒有熱量傳遞給制冷劑，因此此時(shí)制冷劑過熱量會(huì)保持在較低水平?？照{(diào)系統(tǒng)中主要部件的外部熱交換情況進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑過熱量變化1.4?空調(diào)系統(tǒng)概述1.4.4系統(tǒng)建模與仿真1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例此案例基于上一案例進(jìn)行擴(kuò)展，與它的不同之處在于：包括座艙（座艙還通過對(duì)流交換和太陽能通量與其周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換）；壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及冷凝器中的濕空氣流量遵循部分NEDC循環(huán)（只有2個(gè)城區(qū)循環(huán)和1個(gè)城郊循環(huán)）；仿真目的是通過調(diào)節(jié)通過壓縮機(jī)的制冷劑流體的質(zhì)量流量來控制座艙溫度；壓縮機(jī)具有可變排量。座艙空調(diào)系統(tǒng)控制器是一個(gè)簡單的PI（比例積分）控制器。在新能源汽車中，座艙制冷和制熱是影響續(xù)航里程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。汽車空調(diào)系統(tǒng)的重要功能是通過調(diào)節(jié)汽車座艙內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)速，使座艙達(dá)到一個(gè)舒適的駕駛和乘坐環(huán)境。主流的汽車空調(diào)系統(tǒng)是通過蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱的熱物理原理，使座艙內(nèi)溫度下降或升高。座艙制冷仿真分為空調(diào)系統(tǒng)和座艙系統(tǒng)兩個(gè)部分開展。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，其主要有三個(gè)功能：制冷、制熱和除濕，其中夏季制冷是空調(diào)系統(tǒng)最為常用的功能，涉及多個(gè)關(guān)鍵零部件的建模和標(biāo)定。座艙系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)器連接的外部環(huán)境，也是主要的熱源。1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例AITherMa中搭建的座艙空調(diào)系統(tǒng)仿真模型1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙制冷仿真案例模擬工況進(jìn)入冷凝器和蒸發(fā)器的濕空氣具有以下特性：壓力為1bar，溫度為30℃，相對(duì)濕度為40%。蒸發(fā)器上吹出恒定的0.11kg/s空氣質(zhì)量流量。流過冷凝器的空氣質(zhì)量流量取決于行駛工況：車速越快，空氣質(zhì)量流量越高。還假設(shè)冷凝器處設(shè)有控制風(fēng)扇（此處未建模）以確保最小0.6kg/s的質(zhì)量流量。從t=0s到t=60s：初始化階段，座艙溫度從初始高溫冷卻。從t=60s到t=450s：空調(diào)系統(tǒng)不足以將座艙溫度保持在所需目標(biāo)。這是因?yàn)槠囂幱谛旭偣r的城區(qū)部分，冷凝器上的溫空氣質(zhì)量流量有限。同時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持在較低水平，并且壓縮機(jī)經(jīng)常以其最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這意味著制冷劑質(zhì)量流量低，熱交換低。從t=450s到t=750s：空調(diào)系統(tǒng)使座艙溫度保持在所需目標(biāo)。該時(shí)段汽車處于行駛工況的城郊部分，冷凝器上的高濕空氣流量和高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速允許高的熱交換。從t=750s到以后：汽車停止運(yùn)行，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)。冷凝器上的最小空氣質(zhì)量流量限制了制冷劑的冷卻。此外，低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速意味著制冷劑流體的低質(zhì)量流量，這限制了蒸發(fā)器液位下的熱交換。1.4?汽車熱管理建模仿真概述1.4.5?座艙熱管理三維仿真案例座艙熱管理三維仿真通過計(jì)算座艙內(nèi)空氣的速度分布、假人和周圍環(huán)境的熱量交換，從而分析假人的熱舒適性。座艙熱管理三維仿真需要建立空調(diào)出風(fēng)口、假人、座椅、儀表盤和汽車外殼等計(jì)算邊界。第五章：整車熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析》5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)…………1305.1.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)構(gòu)型介紹………1305.1.2典型純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真………………14015.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)………1465.2.1混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)構(gòu)型介紹……………………1465.2.2典型混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真……………1513目錄

5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的常規(guī)物理架構(gòu)包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻回路、電池溫控系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)、座艙采暖系統(tǒng)等。

純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)從傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)衍生而來，主要變化包括兩方面：

一方面，電動(dòng)壓縮機(jī)替代傳統(tǒng)壓縮機(jī)，新增了電池冷卻板、電池冷卻器、PTC加熱器等部件；

另一方面，熱管理系統(tǒng)從單純的空調(diào)降溫延伸到電池包冷卻，從座艙采暖延伸到電池包加熱。純電動(dòng)汽車熱管理與燃油車熱管理主要差異5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)各熱管理子系統(tǒng)相互獨(dú)立各熱管理子系統(tǒng)耦合集成系統(tǒng)集成度低價(jià)電動(dòng)汽車/逐漸淘汰獨(dú)立液冷、PTC、單冷空調(diào)高度集成、熱泵、總成化國內(nèi)電動(dòng)汽車目前正處于第三代集成熱管理系統(tǒng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。第一代（風(fēng)冷）第二代（液冷）第三代（集成）下一代（儲(chǔ)熱）特斯拉集成熱管理模塊比亞迪集成熱管理模塊5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)獨(dú)立式：在新能源汽車發(fā)展初期，各系統(tǒng)的熱管理功能獨(dú)立：制冷采用傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)，而采暖則采用高壓PTC加熱器。座艙熱管理方面由于最初新能源汽車的電池能量密度相對(duì)較低，電池溫控系統(tǒng)普遍采用自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)。隨著電池容量和能量密度的不斷提高，新能源汽車對(duì)于熱管理系統(tǒng)中的電池溫控模塊有了更高的需求，因此電池水冷系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。電池水冷系統(tǒng)主要包括電子水泵、換熱器、電池冷卻板、PTC加熱器、膨脹水壺等零部件。電池?zé)峁芾矸矫骐姍C(jī)冷卻多采用前端散熱器進(jìn)行散熱的冷卻方式。電機(jī)熱管理方面這樣的分散式熱管理系統(tǒng)部件眾多、體積和質(zhì)量較大、能耗高、成本高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易控制。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)根據(jù)熱管理系統(tǒng)架構(gòu)與集成化程度，純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展可以歸納為三個(gè)階段：從單冷配合電加熱到熱泵配合電輔熱再到寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理逐步耦合電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)逐漸朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，在寬溫區(qū)、極端條件下的環(huán)境適應(yīng)能力逐漸提升，一體化全耦合熱管理也減少了能量浪費(fèi)。在傳統(tǒng)分散式熱管理系統(tǒng)中，電池、電機(jī)、電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)回路彼此獨(dú)立，能量利用不充分，系統(tǒng)集成度較低，管路復(fù)雜、零部件數(shù)量多、成本較高；集成式熱管理系統(tǒng)可以根據(jù)各部件的溫控需求，控制壓縮機(jī)、加熱器、閥體等部件的開啟或關(guān)閉，改變循環(huán)回路，減少能量的浪費(fèi)，控制復(fù)雜程度和難度也相應(yīng)提高。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)1.分散式熱管理系統(tǒng)純電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)工作原理類似，主要差異有2個(gè)：制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式；供暖系統(tǒng)中暖風(fēng)來源。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)1.分散式熱管理系統(tǒng)純電動(dòng)汽車在制冷系統(tǒng)上，僅用電動(dòng)壓縮機(jī)替代傳統(tǒng)壓縮機(jī)，并以動(dòng)力電池供能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主要包含電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等零部件。供暖系統(tǒng)一般采用電加熱的PTC作為熱量來源，主要有PTC空氣加熱器和PTC水加熱器兩種方案。采用PTC空氣加熱器時(shí)，其直接取代了傳統(tǒng)燃油車上的暖風(fēng)芯體，冷空氣在流經(jīng)加熱器表面時(shí)被加熱，這種方案成本相對(duì)比較低廉，但PTC直接接入乘員艙內(nèi)存在一定的安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。采用PTC水加熱器方案時(shí)，不僅保留了傳統(tǒng)空調(diào)的暖風(fēng)芯體同時(shí)外接一套PTC加熱循環(huán)回路，工作時(shí)，PTC加熱器先將防凍液進(jìn)行加熱，加熱后的防凍液流入暖風(fēng)芯體與冷空氣進(jìn)行換熱，整套回路安全性相對(duì)較高，但增加了PTC、水泵管路等零部件。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車電機(jī)電控系統(tǒng)的冷卻方式主要有風(fēng)冷和水冷兩種，早期的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率較小，采用風(fēng)冷較多，隨著電機(jī)功率的不斷加大，風(fēng)冷不能滿足散熱的需求，因此，目前車用電機(jī)電控的冷卻多采用水冷的方式。采用風(fēng)冷散熱的電機(jī)，通過風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的風(fēng)量帶走電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量，其介質(zhì)為電機(jī)周圍的空氣。風(fēng)冷的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、電機(jī)冷卻成本較低，但是散熱效果和效率都不太好、工作可靠性差，并且對(duì)天氣和環(huán)境的要求也比較高。采用水冷散熱的電機(jī)，會(huì)將冷卻液通過管道和通路引入定子或轉(zhuǎn)子空心導(dǎo)體內(nèi)部，通過循環(huán)冷卻液不斷的流動(dòng)，帶走電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生的熱量。水冷的特點(diǎn)：散熱均勻、效率高、工作可靠性強(qiáng)、噪音也更小。只要保證了整個(gè)裝置能擁有良好的機(jī)械密封性，就可以在各種環(huán)境下使用。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)電控水冷系統(tǒng)與燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)十分相似，主要包括電動(dòng)水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、膨脹水壺和管路等零部件。一般會(huì)根據(jù)車內(nèi)的電子功率件(如電機(jī)控制器、DCDC等)和電機(jī)的溫度特性進(jìn)行位置排布，并串聯(lián)在一個(gè)回路之中。冷卻液經(jīng)水套流動(dòng)帶走驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生熱量進(jìn)入水箱散熱器。散熱器與電子風(fēng)扇集成，電子風(fēng)扇加速水箱散熱，使冷卻液降溫，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求的正常工作溫度。經(jīng)過散熱的冷卻液再次流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，循環(huán)往復(fù)。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)電池的冷卻方式也經(jīng)歷了從風(fēng)冷到液冷的過程。風(fēng)冷可分為自然對(duì)流風(fēng)冷、強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷。由于動(dòng)力電池封裝在電池盒內(nèi)，自然對(duì)流無法及時(shí)散熱，因此實(shí)際應(yīng)用較少。強(qiáng)制風(fēng)冷利用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行循環(huán)冷卻，可滿足電池低充放電倍率運(yùn)行時(shí)的降溫需求，是一種比較成熟的主動(dòng)式冷卻技術(shù)。由于風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護(hù)，因此在早期的新能源車型或成本受限的車型上得到廣泛應(yīng)用。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)電池的冷卻方式也經(jīng)歷了從風(fēng)冷到液冷的過程。液冷比風(fēng)冷效果更快，而且可以使電池組的溫度分布均勻，是目前主流的電池冷卻方式。液冷系統(tǒng)由水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在電池冷板和管路中流動(dòng)，從而帶走電池產(chǎn)生的熱量，并通過散熱器與空氣進(jìn)行熱交換散發(fā)到環(huán)境空氣中。近年來，為了更好的實(shí)現(xiàn)電池的溫控效果，采用空調(diào)對(duì)電池進(jìn)行制冷的方式逐漸普遍。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)2.集成式熱管理系統(tǒng)集成式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示。電池回路和空調(diào)回路經(jīng)過Chiller進(jìn)行耦合：在低溫環(huán)境下，通過PTC加熱器對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱，改善動(dòng)力電池的低溫性能；在高溫環(huán)境下，通過與空調(diào)系統(tǒng)交互的Chiller對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，保證動(dòng)力電池的性能和使用壽命。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)

冷媒直冷方式充分利用整車空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑，將其引入電池內(nèi)部蒸發(fā)器中以達(dá)到冷卻電池目的。

應(yīng)用冷媒直冷技術(shù)的熱管理系統(tǒng)主要由以下部件組成：電動(dòng)壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、管道等，電池與制冷劑直接換熱原理如圖5-3所示，比亞迪DM-i、寶馬i3等均采用這種設(shè)計(jì)。

冷媒直冷技術(shù)能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內(nèi)部獲得更均勻的溫度分布，在減少二次回路的同時(shí)增大系統(tǒng)余熱回收量，進(jìn)而提高電池溫控性能；缺點(diǎn)是無法直接加熱，需要一套新的加熱系統(tǒng)。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)根據(jù)SAE研究，采用空調(diào)制冷和PTC制熱的能源消耗占整車能源消耗的33%，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，新能源汽車?yán)m(xù)航里程將降低近50%。從熱力學(xué)角度看，PTC制熱的COP始終小于1，冬季使用PTC供熱時(shí)，耗電量較高，嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車的行續(xù)航里程。熱泵空調(diào)通過熱量搬運(yùn)制熱，效率遠(yuǎn)高于PTC。熱泵空調(diào)的原理是使用蒸氣壓縮循環(huán)利用環(huán)境中的低品位熱量進(jìn)行制熱，并通過閥件組合使空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能對(duì)換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冬天制熱的需求。其不使用電能直接制熱，本質(zhì)是熱量的搬運(yùn)，因此制熱的理論COP大于1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)使用熱泵空調(diào)代替PTC滿足加熱需求時(shí)，能耗可以降低54%-79%，顯著增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。熱泵空調(diào)主要通過閥件、換熱器的組合等形式實(shí)現(xiàn)。新能源汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由電動(dòng)壓縮機(jī)、換熱器、換向閥、電子膨脹閥等構(gòu)件組成，為了提高熱泵系統(tǒng)的性能，還可添加儲(chǔ)液干燥器、換熱器風(fēng)扇等輔助部件。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)傳統(tǒng)熱泵空調(diào)在高寒環(huán)境下制熱效率低、制熱量不足，面對(duì)嚴(yán)寒工況，傳統(tǒng)的氟利昂類熱泵制熱量驟減，制熱能力受限，難以滿足座艙供暖需求，制約了其應(yīng)用場(chǎng)景。因此，一系列提升熱泵空調(diào)在低溫工況下性能的方法得以開發(fā)應(yīng)用。PTC加熱器輔助熱泵可以提升低溫工況下的性能，因此進(jìn)一步衍生了熱泵空調(diào)+PTC加熱器的方案，以提升熱泵空調(diào)在低溫工況下的性能。熱泵空調(diào)在一定程度上解決了PTC加熱器能耗高的問題，而熱泵空調(diào)+PTC加熱器的方案又彌補(bǔ)了基礎(chǔ)熱泵空調(diào)在低溫工況下效率低的缺陷，提升了熱管理系統(tǒng)整體效率。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是高效滿足座艙舒適性需求，并與三電系統(tǒng)的精確溫度管理進(jìn)行深度耦合，未來將朝著更加集成化的方向發(fā)展，進(jìn)一步提升效率、降低能耗。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)比亞迪海豚配備了集成的熱泵技術(shù)，并在刀片電池上面采用了直冷直熱技術(shù)，刀片電池上覆蓋直冷直熱板，以冷媒取代了傳統(tǒng)的冷卻液，直接對(duì)電池進(jìn)行冷卻和加熱（預(yù)留薄膜加熱）。從組成上看，這套系統(tǒng)主要包括電池直冷制冷（內(nèi)部直冷板）、電驅(qū)動(dòng)散熱（電機(jī)散熱器），所以整套系統(tǒng)圍繞制冷劑系統(tǒng)、冷卻液系統(tǒng)和冷卻液回路排氣管。制冷劑架構(gòu)復(fù)雜，電池直冷、直熱，系統(tǒng)中有6個(gè)電磁閥和3個(gè)電子膨脹閥。這個(gè)集成的閥體主要包括電池加熱、電池冷卻、空氣換熱、水源換熱、空調(diào)采暖、空調(diào)制冷。同時(shí)需要給乘員艙采暖和電池加熱時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)開啟電動(dòng)壓縮機(jī)，吸收高壓系統(tǒng)余熱進(jìn)行冷媒直接采暖和電池加熱，必要時(shí)可以開啟HVAC總成的PTC風(fēng)加熱器。同時(shí)有乘員艙制冷及電池冷卻需求時(shí)，為保證乘員艙制冷及電池包的充電工作狀態(tài)，防止充電時(shí)電池溫度過高，限制其充電功率，利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電池包及成員艙進(jìn)行冷媒直接冷卻。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車上的余熱回收技術(shù)是通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電力電子產(chǎn)生的余熱用來給車輛電池包加熱，該方式相比于現(xiàn)有的電池包加熱方案，實(shí)現(xiàn)了余熱的回收利用，在一定程度上增加了車輛的續(xù)駛里程，提高了新能源汽車上的能量利用效率。通過合理增加二次換熱回路，在對(duì)動(dòng)力電池與電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的同時(shí)，對(duì)其余熱進(jìn)行回收利用，以提高電動(dòng)汽車在低溫工況下的制熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，余熱回收式熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)相比，制熱量顯著提升。各熱管理子系統(tǒng)耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱管理系統(tǒng)在特斯拉ModelY、大眾ID4.CROZZ等車型上已得以應(yīng)用。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)目前，新能源汽車的余熱回收技術(shù)主要有兩種：一是高溫回路與電池包低溫回路通過Chiller進(jìn)行熱交換，即Chiller方式；二是利用多通道電磁閥控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高溫回路與低溫回路的實(shí)時(shí)連通與切斷，通過高溫回路余熱直接加熱電池包，即直接加熱方式。圖5-7所示為某新能源汽車的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)（Chiller方式）。該架構(gòu)包含電機(jī)高溫回路、電池包加熱回路、電池包冷卻回路、空調(diào)系統(tǒng)降溫回路、空調(diào)系統(tǒng)采暖回路、電機(jī)冷卻循環(huán)回路等。其中，座艙采用PTC加熱器進(jìn)行加熱；電機(jī)冷卻循環(huán)回路通過散熱器與環(huán)境進(jìn)行熱交換，或通過Chiller與電池包冷卻回路進(jìn)行熱交換，因此，電池包可通過余熱和PTC加熱器協(xié)調(diào)加熱。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)圖5-8所示為某新能源汽車的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)（直接加熱方式）。該架構(gòu)包含由電機(jī)、MCU等組成的電機(jī)高溫回路，以及電池包加熱回路、電池包冷卻回路、空調(diào)系統(tǒng)降溫回路、空調(diào)系統(tǒng)采暖回路、電機(jī)冷卻循環(huán)回路等。其中，電機(jī)冷卻循環(huán)回路通過散熱器與環(huán)境進(jìn)行熱交換，或通過三通電磁閥與四通道電磁閥進(jìn)行回路切換，電機(jī)高溫回路與電池包冷卻回路相連通，因此電池包可通過電機(jī)高溫回路余熱和PTC加熱器協(xié)調(diào)進(jìn)行加熱。當(dāng)環(huán)境溫度更低，且余熱回收量更少時(shí)，僅通過余熱回收無法滿足低溫環(huán)境下的制熱需求，仍需要使用PTC加熱器來彌補(bǔ)上述情況下制熱量的不足。但隨著整車熱管理系統(tǒng)集成程度的逐漸提升，可以通過合理地增大電機(jī)發(fā)熱量的方式來增加余熱回收量，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP，避免了PTC加熱器的使用，在進(jìn)一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率的同時(shí)滿足純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下的制熱需求。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)汽車熱管理從整車角度統(tǒng)籌車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、電池、電機(jī)等相關(guān)部件及子系統(tǒng)的匹配、優(yōu)化與控制，有效解決了整車熱管理問題，使得各功能模塊工作在處于最佳溫度區(qū)間，提高整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，從而保證車輛能安全行駛。隨著熱管理系統(tǒng)的發(fā)展，零部件數(shù)量隨之增加，作為該系統(tǒng)關(guān)鍵功能部件的熱管理集成模塊將相關(guān)零部件集成起來，通過車載計(jì)算機(jī)精確地控制各零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，保障各系統(tǒng)安全有序、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，極大提升了整車性能和可靠性，還節(jié)省了空間和成本，使得前艙整體更加標(biāo)準(zhǔn)化、美觀化。比亞迪e3.0平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了熱泵集成化，而不是單純對(duì)座艙空調(diào)系統(tǒng)、刀片電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行簡單的整合。從設(shè)計(jì)思路上看，這套熱管理系統(tǒng)類似特斯拉集成化的閥島方案，閥島結(jié)構(gòu)（見圖5-9）對(duì)制冷劑回路大部分控制組件進(jìn)行了集成。從結(jié)構(gòu)上看，e3.0平臺(tái)架構(gòu)下的基于熱泵空調(diào)的一體化熱管理系統(tǒng)首先降低了能耗損失，不僅僅圍繞座艙和動(dòng)力電池進(jìn)行冷量與熱量的交互，而且在域控制層面由BYDOS操作系統(tǒng)控制，將冷量直接送至刀片電池和座艙，將熱量在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、座艙和刀片電池三者間進(jìn)行傳遞。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)特斯拉的熱管理技術(shù)是在不斷優(yōu)化的，按照時(shí)間序列和匹配車型，特斯拉汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)可以分為四代。第一代車型傳承于傳統(tǒng)燃油車熱管理的思路，各個(gè)熱管理回路相對(duì)獨(dú)立；第二代車型引入四通閥，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)回路與電池回路的串并聯(lián)，開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)集成；第三代Model3開始進(jìn)行統(tǒng)一的熱源管理，引入電機(jī)堵轉(zhuǎn)加熱，取消了水暖PTC加熱器，并采用了集成式儲(chǔ)液器，集成了冷卻回路，簡化了熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；第四代ModelY在結(jié)構(gòu)上采用高度集成的八通閥，對(duì)多個(gè)熱管理系統(tǒng)部件進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)工作模式的切換。從特斯拉車型的演變來看，其熱管理系統(tǒng)集成度在不斷提升。集成式儲(chǔ)液器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了膨脹水壺與熱管理系統(tǒng)加熱與冷卻部件的高度集成。集成式儲(chǔ)液器的核心部件為冷卻液儲(chǔ)罐，該集成模塊還包含四通閥、電機(jī)水泵、電池水泵、Chiller、散熱器和執(zhí)行器等部件（見圖5-10）。在冷卻模式下，冷卻液在抽取至冷卻液儲(chǔ)罐中時(shí)，分別在兩條路徑上由Chiller和散熱器冷卻，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池和電機(jī)的循環(huán)冷卻。在加熱模式下，電池與功率電子管路切換成串聯(lián)回路，冷卻液進(jìn)入管理模塊、驅(qū)動(dòng)單元的油冷卻熱交換器吸收它們?cè)诠ぷ髦挟a(chǎn)生的熱量，最后經(jīng)過集成閥流經(jīng)Chiller對(duì)電池進(jìn)行加熱。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)第四代熱管理系統(tǒng)使用八通閥模塊（Octovalve）集成冷卻回路和制熱回路，實(shí)現(xiàn)整車熱管理集成化。八通閥的設(shè)計(jì)（見圖5-11）使能量效率提升、系統(tǒng)集成、成本降低，其打通了傳統(tǒng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)12種制熱模式和3種制冷模式，使用了八通閥的ModelY汽車相比于Model3汽車能量利用效率提高了10%。動(dòng)力系統(tǒng)電驅(qū)回路水冷冷凝器可以在冬天將三電系統(tǒng)余熱回收利用到熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，為座艙服務(wù)。以壓縮機(jī)全功率工作代替PTC加熱器進(jìn)行制熱，解決了R134a制冷劑在-10℃以下無法實(shí)現(xiàn)熱泵功能的問題，將壓縮機(jī)一物多用，節(jié)省了零部件成本。高度集成化的設(shè)計(jì)縮短了零部件流道，降低了能耗，方便了裝配，同時(shí)可將OEM的裝配工序集中下放給Tier1供應(yīng)商，進(jìn)一步節(jié)省人工和生產(chǎn)線成本。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)圖5-12所示為ModelY熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過控制熱力膨脹閥開度、截止閥動(dòng)作來控制制冷劑的循環(huán)，通過控制八通閥的通斷來控制冷卻液的循環(huán)，整個(gè)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜。當(dāng)座艙或者電池需要加熱，且外界環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，熱泵不會(huì)從環(huán)境中吸收熱量，只會(huì)將熱量從座艙轉(zhuǎn)移到電池中，或者從電池中轉(zhuǎn)移座艙，或者作為一個(gè)高壓PTC加熱器加熱座艙和電池。此時(shí)，高壓電池是唯一的熱源，要么加熱自己，要么加熱座艙。而當(dāng)環(huán)境溫度高于-10℃時(shí)，熱泵才開始展現(xiàn)出真正的作用，從環(huán)境中吸收熱量。5.1純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)仿真實(shí)例AITherMa中的純電汽車熱管理系統(tǒng)建模結(jié)果模擬工況：環(huán)境溫度為20℃，運(yùn)行工況為2個(gè)NEDC循環(huán)環(huán)境溫度為20℃，2個(gè)NEDC循環(huán)工況下，汽車主要部件的溫度變化。在汽車行駛初始階段，水溫不斷上升，直至達(dá)到62℃后不再升高，而是反復(fù)在58～62℃波動(dòng)。電機(jī)出口水溫在環(huán)境溫度為20℃的條件下，座艙溫度隨著車速變化并在20℃附近波動(dòng)，處在一個(gè)舒適的溫度區(qū)間。座艙溫度基本維持在20℃左右。在NEDC工況開始階段，電池溫度因?yàn)闊彷椛浜涂諝獾臒釋?duì)流稍有下降；在NEDC、的郊區(qū)階段，整車需求功率增加，電池對(duì)外輸出功率和產(chǎn)熱功率隨之增加，電池溫度上升。電池溫度

電機(jī)出口水溫曲線動(dòng)力電池溫度曲線座艙溫度曲線5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)混合動(dòng)力汽車可以分為輕度混合動(dòng)力汽車、中度混合動(dòng)汽車和重度混合動(dòng)力汽車，工作模式可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車又稱增程式混合動(dòng)力汽車，其發(fā)動(dòng)機(jī)主要用來為電池充電；并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)可以同時(shí)作為動(dòng)力源；混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車則綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)，可以在串聯(lián)及并聯(lián)模式之間切換。5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，各部件的散熱強(qiáng)度不同，熱管理系統(tǒng)的工作模式也不同。混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)、電機(jī)/電控冷卻子系統(tǒng)、變速箱冷卻子系統(tǒng)、電池冷卻子系統(tǒng)和空調(diào)子系統(tǒng)組成。其中，電機(jī)/電控冷卻子系統(tǒng)、空調(diào)子系統(tǒng)與純電動(dòng)汽車的類似，不同之處主要是，混合動(dòng)力汽車增加了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)和變速箱冷卻子系統(tǒng)。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)回路（電池回路）包含液液換熱器、Chiller、動(dòng)力電池水冷板、電子水泵等部件。其通過液液換熱器與空調(diào)采暖系統(tǒng)回路（暖通回路）耦合換熱，保證動(dòng)力電池的加熱需求；通過Chiller與空調(diào)制冷系統(tǒng)回路（空調(diào)回路）耦合換熱，保證動(dòng)力電池的制冷需求。空調(diào)制冷系統(tǒng)回路包含兩個(gè)并聯(lián)的制冷支路：一個(gè)支路為熱力膨脹閥和蒸發(fā)器總成，滿足座艙的制冷需求；另一個(gè)支路為電子膨脹閥和Chiller，滿足動(dòng)力電池的制冷需求。電機(jī)冷卻系統(tǒng)回路（電驅(qū)回路）是獨(dú)立于其他系統(tǒng)的冷卻回路，由低溫散熱器、電子水泵、電機(jī)控制器、電機(jī)等組成。某混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)混合動(dòng)力汽車相比于純電動(dòng)汽車，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)巨大的熱源，因此混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收相關(guān)研究相對(duì)較多。混合動(dòng)力汽車比傳統(tǒng)燃油車在發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收方面具有更大的潛力，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車有電機(jī)的加入，冷車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)升溫的過程更慢。利用余熱回收技術(shù)可使其發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高15%。EHRS，發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱再回收系統(tǒng)廢氣經(jīng)過換熱翅片通道與冷卻液產(chǎn)生熱量交換，對(duì)尾氣余熱以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為媒介進(jìn)行熱量再回收換熱翅片通道關(guān)閉，廢氣直接從旁通道經(jīng)排氣管排出，不與冷卻液產(chǎn)生熱量交換5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)切換EHRS的工作模式的兩種方式：0201根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的功率輸出需要時(shí)，就切換為旁通模式。閥門動(dòng)作控制機(jī)構(gòu)：真空泵、電控馬達(dá)根據(jù)冷卻液溫度，如利用自適應(yīng)石蠟，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到一定值時(shí)，石蠟就會(huì)膨脹，把閥門推開，進(jìn)入余熱回收模式。5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)eWHR，電動(dòng)廢熱回收系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱發(fā)電2條技術(shù)路線：二是采用朗肯循環(huán)推動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電。左圖為典型的朗肯循環(huán)。是采用塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料的溫差發(fā)電特性發(fā)電；一發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放管串聯(lián)蒸發(fā)器，蒸發(fā)的工質(zhì)氣體推動(dòng)活塞膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣熱量的回收再利用。回收之后的電能將接入車輛的48V電氣系統(tǒng)，用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，和發(fā)動(dòng)機(jī)一起組成混動(dòng)系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)仿真實(shí)例混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)在AITherMa中的建模結(jié)果動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式構(gòu)型5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)模擬工況：環(huán)境溫度-20℃、行駛工況為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度曲線發(fā)電機(jī)溫度曲線電機(jī)溫度曲線由于NEDC循環(huán)工況的速度曲線為先低速行駛，后高速行駛，因此電機(jī)的溫升速率先慢后快。行駛時(shí)間約為800s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度升高速度加快，溫度超高80℃后，溫度曲線在80℃上方出現(xiàn)波動(dòng)。NEDC循環(huán)工況在800秒之后為郊區(qū)循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要增加輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱功率同時(shí)增加。發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)在時(shí)間上是一致的。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)用來輔助發(fā)動(dòng)啟動(dòng)；用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。溫度曲線上，兩者也具有趨勢(shì)一致性。5.2混合動(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)電池溫度曲線座艙溫度曲線汽車啟動(dòng)后，座艙溫度不斷上升，約150s上升至0℃，約520s上升至15℃，隨后很快上升至目標(biāo)溫度20℃，并在目標(biāo)溫度區(qū)域附近合理波動(dòng)。時(shí)間至NEDC循環(huán)工況中的郊區(qū)階段時(shí)（800s），車速的突然增加，但是座艙溫度并沒有下降過多，在短暫的時(shí)間內(nèi)座艙溫度又重新調(diào)整到20℃。仿真條件設(shè)置環(huán)境溫度為-20℃，動(dòng)力電池需要加熱到目標(biāo)溫度附近，電池溫度曲線在不斷上升。在沒有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱提供時(shí)，電加熱器通過加熱冷卻液為電池和座艙提供熱量。電池?fù)Q熱器和座艙換熱器屬于串聯(lián)模式，同時(shí)為了優(yōu)先保證乘員艙的熱舒適性，電池?fù)Q熱器處于座艙換熱器后面，因此電池溫升不是以最快的速度達(dá)到目標(biāo)溫度。第六章：AI技術(shù)與汽車熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析

》導(dǎo)讀本章主要介紹AI技術(shù)理論、AI技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)案例分析。1.6?AI技術(shù)理論1.6.1?流場(chǎng)預(yù)測(cè)前沿技術(shù)1、流形假設(shè)的意義：我們可以用較低維度的數(shù)據(jù)來表示高維數(shù)據(jù)，而不會(huì)失去太多信息。因此我們?cè)谧隽鲌?chǎng)或者其他物理場(chǎng)預(yù)測(cè)任務(wù)時(shí)，可以先利用降維技術(shù)將高維數(shù)據(jù)映射到低維的流形子空間上，再利用其低維表示來建立流場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，即建立一個(gè)低維模型來近似原來復(fù)雜的高維問題。三維數(shù)值模擬的復(fù)雜度比較高，在實(shí)際應(yīng)用中一些高精度或者大規(guī)模的模擬，其網(wǎng)格數(shù)量可能達(dá)到百萬級(jí)甚至千萬級(jí)，流場(chǎng)解的維度更是網(wǎng)格維度的數(shù)倍。但在實(shí)際問題中，這些高維數(shù)據(jù)往往都存在于某些低維流形上；也就是說，它們可能只是高維空間中的一部分，并不占據(jù)整個(gè)空間。這種現(xiàn)象被稱為“流形假設(shè)”。2、高維數(shù)據(jù)降維：通常來說，降維問題都可以看作是一類特征學(xué)習(xí)問題，或者轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題。具體來說，即根據(jù)一系列高維數(shù)據(jù)，找到一組最優(yōu)的低維子空間，使其最大程度地保留原高維數(shù)據(jù)的信息。3、模型降階：通過高效的降維技術(shù)，我們可以將原來高維的流場(chǎng)數(shù)據(jù)投影到低維的線性或者非線性空間，然后在低維空間建立輕量化的預(yù)測(cè)模型，從而達(dá)到快速預(yù)測(cè)的目的。一般來說，這種輕量化的模型可以通過將物理控制方程投影到低維流形上獲得，也可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式在低維流形上直接建立啟發(fā)式的模型。前者由于其清晰的物理意義，在傳統(tǒng)流場(chǎng)降階模型中被廣泛采用。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：由于三維數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，尤其是在結(jié)構(gòu)化的笛卡爾網(wǎng)格下，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與圖像存儲(chǔ)非常類似，所以CNN技術(shù)在流場(chǎng)快速預(yù)測(cè)上也有很大的潛力。同時(shí)由于流場(chǎng)數(shù)據(jù)通常具有高維度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，一般CNN還會(huì)和編碼解碼類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一起使用：可以認(rèn)為通過encoder部分的卷積層對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和下采樣，然后再通過decoder部分的反卷積層將這些特征上采樣并解碼為流場(chǎng)預(yù)測(cè)。1.6?AI技術(shù)理論1.6.1?流場(chǎng)預(yù)測(cè)前沿技術(shù)圖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：GCN（GraphConvolutionalNetwork，圖卷積網(wǎng)絡(luò)）通過對(duì)每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行卷積操作，從而提取出局部的特征信息，并將這些特征信息傳遞到全局進(jìn)行最終的預(yù)測(cè)。相比于傳統(tǒng)的CNN，GCN更適合處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼈兡軌蚋咝У靥幚砗屠霉?jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系。此外，GCN對(duì)于輸入輸出的維度沒有要求，在它們的維度改變時(shí)依然能夠保持較好的預(yù)測(cè)效果。這對(duì)于三維模擬中變幾何、變網(wǎng)格等工況來說，優(yōu)于絕大部分傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。1.6?AI技術(shù)理論1.6.1?流場(chǎng)預(yù)測(cè)前沿技術(shù)hop=1表示采樣與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)直接相連的節(jié)點(diǎn)；hop=2表示采樣與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)之間連接的邊數(shù)量小于2的節(jié)點(diǎn)1.6?AI技術(shù)理論1.6.1?流場(chǎng)預(yù)測(cè)前沿技術(shù)物理啟發(fā)式約束:物理啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)（Physics-InformedNeuralNetworks,PINNs），則將物理規(guī)律作為模型的先驗(yàn)約束嵌入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中去，在模型訓(xùn)練的過程中保持物理規(guī)律的一致性，從而提高模型的性能。PINN類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以將其他物理信息，如邊界條件、初始條件等一系列信息引入，具有非常高的靈活性和可擴(kuò)展性1.6?AI技術(shù)理論1.6.1?流場(chǎng)預(yù)測(cè)前沿技術(shù)電池?zé)岱抡妫含F(xiàn)有痛點(diǎn)電池包模組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型處理困難；電池包網(wǎng)格量大，傳統(tǒng)的CFD方法進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，計(jì)算量巨大；仿真工況多，需要進(jìn)行大量的仿真計(jì)算，對(duì)硬件的要求高，耗時(shí)長；傳統(tǒng)的CFD仿真不滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)分析效率的要求，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整車熱管理策略的控制開發(fā)。電機(jī)熱仿真：現(xiàn)有方法優(yōu)缺點(diǎn)座艙熱仿真：現(xiàn)有痛點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算精度高，可以計(jì)算多節(jié)點(diǎn)溫度、可以考慮環(huán)境溫度影響；缺點(diǎn)：計(jì)算速度慢，需要輸入電磁損耗、機(jī)械損耗等信息，不能直接計(jì)算溫度及預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的溫度空調(diào)工況復(fù)雜，不同鼓風(fēng)機(jī)檔位，不同制冷溫度

環(huán)境條件多變，高溫、低溫、濕度差異等；輻射模型計(jì)算，計(jì)算資源要求高；性能仿真瞬態(tài)計(jì)算，耗時(shí)長

座艙熱仿真：現(xiàn)有痛點(diǎn)算精度難以滿足要求

計(jì)算復(fù)雜度高內(nèi)存消耗過高高效處理超大規(guī)模系統(tǒng)的熱分析。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)熱管理AI模型可以通過傳感器的輸入數(shù)據(jù)快速預(yù)測(cè)完整的電池包全場(chǎng)溫度，從而指導(dǎo)熱管理系統(tǒng)根據(jù)不同的工作條件動(dòng)態(tài)調(diào)整熱管理策略。例如，在檢測(cè)到電池包全場(chǎng)溫度較高時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)增大冷卻強(qiáng)度；而在溫度較低時(shí)，系統(tǒng)可以減小冷卻功率以節(jié)省能源。異常檢測(cè)與故障診斷利用AI模型預(yù)測(cè)的完整電池包溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行異常檢測(cè)與故障診斷。相比于少量的獨(dú)立測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用較為完整的全場(chǎng)溫度結(jié)果，能夠更加高效地檢測(cè)電池系統(tǒng)中的異常溫升情況，預(yù)防熱失控事件。01021.6?AI技術(shù)理論1.6.2?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用場(chǎng)景AI+電池?zé)岱抡妫簝?yōu)勢(shì)利用AI技術(shù)建立電池包溫度場(chǎng)的快速預(yù)測(cè)模型，可以輔助電池?zé)峁芾?，達(dá)到優(yōu)化熱管理策略的目的，實(shí)現(xiàn)較低的平均溫度和較為均勻的溫度分布，其具體應(yīng)用有以下方面。1.6?AI技術(shù)理論1.6.2?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用場(chǎng)景AI+電機(jī)熱仿真：優(yōu)勢(shì)（1）快速設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化。AI技術(shù)利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以從大量的歷史仿真數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、工況參數(shù)與電機(jī)散熱性能的映射關(guān)系。利用訓(xùn)練好的AI模型，可以對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行快速的優(yōu)化，從而規(guī)避傳統(tǒng)CFD仿真計(jì)算速度慢、計(jì)算資源消耗大等弊端。（2）實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)與未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)。AI模型可以通過傳感器數(shù)據(jù)快速預(yù)測(cè)完整的電機(jī)溫度分布。同時(shí)，基于AI的時(shí)序降階模型可以預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的溫度場(chǎng)變化，從而更好地反饋到熱管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)更加高效的電機(jī)溫度控制。（3）損傷預(yù)測(cè)和運(yùn)維管理。通過AI技術(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析，可以進(jìn)行損傷預(yù)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)，指導(dǎo)電機(jī)的維修和保養(yǎng)，確保電機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，延長其使用壽命。1.6?AI技術(shù)理論1.6.2?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用場(chǎng)景AI+座艙熱仿真：優(yōu)勢(shì)（1）智能空調(diào)控制系統(tǒng)。AI技術(shù)可以根據(jù)座艙內(nèi)外的溫度、濕度、人員數(shù)量等參數(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)座艙內(nèi)部的空氣溫度、濕度及人體表面的溫度分布。完整的溫度分布數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)整工作狀態(tài)，以提供最佳的熱舒適性。這種智能控制系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)擋位和制冷溫度，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件和乘員需求，提高座艙的熱舒適性。（2）個(gè)性化熱舒適性定制。由于座艙熱舒適性還涉及乘員的主觀感受，所以利用AI技術(shù)還可以通過乘員的反饋數(shù)據(jù)，分析乘員的偏好、乘車習(xí)慣等信息，為每位乘員提供個(gè)性化的熱舒適性體驗(yàn)，提高乘員滿意度。1.6?AI技術(shù)理論1.6.2?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用場(chǎng)景AI+座艙熱仿真：優(yōu)勢(shì)（1）實(shí)時(shí)熱分析模型構(gòu)建。利用AI模型降階技術(shù)，通過大量的仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以構(gòu)建高精度的電控系統(tǒng)熱仿真模型。這些模型可以根據(jù)工況條件以及芯片當(dāng)前狀態(tài)，快速預(yù)測(cè)芯片的溫度分布，尤其是在瞬態(tài)熱分析中，大大減少計(jì)算時(shí)間，大幅提升仿真效率。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)空間探索。傳統(tǒng)方法在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要進(jìn)行大量的CFD仿真和計(jì)算。利用響應(yīng)速度較快的AI降階模型，設(shè)計(jì)工程師可以通過智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、貝葉斯優(yōu)化算法等，在更短時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而有效地縮小設(shè)計(jì)空間，提高優(yōu)化效率。（3）多物理場(chǎng)協(xié)同仿真。集成電路的熱分析不僅涉及熱傳導(dǎo)，還涉及電學(xué)和力學(xué)等多物理場(chǎng)的耦合。AI技術(shù)可以整合不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，通過多物理場(chǎng)協(xié)同仿真模型，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)芯片系統(tǒng)在復(fù)雜工作條件下的熱分布情況。1.6?AI技術(shù)理論1.6.3?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用案例分析融入AI技術(shù)前后的仿真流程對(duì)比1.6?AI技術(shù)理論1.6.3?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用案例分析采用穩(wěn)態(tài)不可壓物理模型進(jìn)行求解，湍流模型選用Standardk-esilon外加標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，計(jì)算域材料屬性為空氣。整個(gè)計(jì)算域包括2個(gè)假人模型，12個(gè)進(jìn)風(fēng)口，4個(gè)玻璃窗、1個(gè)天窗和一個(gè)擋風(fēng)玻璃。設(shè)計(jì)變量為進(jìn)風(fēng)口速度，樣本區(qū)間為0.1m/s到11m/s。1.6?AI技術(shù)理論1.6.3?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用案例分析采用穩(wěn)態(tài)不可壓物理模型進(jìn)行求解，湍流模型選用Standardk-esilon外加標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，計(jì)算域材料屬性為空氣。整個(gè)計(jì)算域包括2個(gè)假人模型，12個(gè)進(jìn)風(fēng)口，4個(gè)玻璃窗、1個(gè)天窗和一個(gè)擋風(fēng)玻璃。設(shè)計(jì)變量為進(jìn)風(fēng)口速度，樣本區(qū)間為0.1m/s到11m/s。1.6?AI技術(shù)理論1.6.3?技術(shù)在汽車熱管理中的應(yīng)用案例分析在8核并行計(jì)算的前提下，CFD案例耗時(shí)1.5h，AI預(yù)測(cè)耗時(shí)為8s。下面在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2m/s的情況下，對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。第七章：相關(guān)軟件技術(shù)展望《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實(shí)例解析

》導(dǎo)讀本章主要介紹了汽車熱管理系統(tǒng)建模與仿真軟件的技術(shù)趨勢(shì)，展望了云服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)在汽車CAE領(lǐng)域的應(yīng)用前景，同時(shí)介紹了國內(nèi)自主可控的數(shù)字化仿真云平臺(tái)，包括其設(shè)計(jì)理念、技術(shù)架構(gòu)和功能模塊等。7.1?多學(xué)科系統(tǒng)仿真軟件技術(shù)展望現(xiàn)代汽車越來越成為一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科工程系統(tǒng)，大量的子系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件在車輛中通過不同領(lǐng)域接口連接在一起，并在不同的時(shí)空尺度下產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用單一仿真軟件很難囊括所有的零部件功能，因此，基于開放接口的聯(lián)合仿真技術(shù)將會(huì)在AITherMa等多學(xué)科系統(tǒng)仿真軟件中成為實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的零部件邊界仿真和更大規(guī)模的系統(tǒng)仿真的核心技術(shù)?；陂_放接口的更大規(guī)模的多學(xué)科仿真基于開放接口的跨尺度聯(lián)合仿真開放的多學(xué)科和跨尺度聯(lián)合仿真技術(shù)模型降階技術(shù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)建模融合人工智能技術(shù)與研發(fā)流程中各個(gè)需求層級(jí)的系統(tǒng)功能和行為進(jìn)行對(duì)應(yīng)，結(jié)合組件化和模塊化的方法，軟件可以在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，以符合工程師認(rèn)知的形式組合出最優(yōu)的模型解決方案，并提供相應(yīng)的開放接口，幫助工程師更容易地描述系統(tǒng)的功能和行為?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)優(yōu)化流程通過仿真優(yōu)化技術(shù)，模型在設(shè)計(jì)階段就可以通過大量的驗(yàn)證場(chǎng)景確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和集成方案。多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，將仿真模型與實(shí)際的工程邊界結(jié)合，為多學(xué)科系統(tǒng)在多場(chǎng)景工程約束下進(jìn)行解決方案尋優(yōu)，極大地減少了實(shí)際集成驗(yàn)證所需的工時(shí)。通過模型管理和接口管理技術(shù)，各需求層級(jí)產(chǎn)生的各種高、低精度的仿真模型，可以通過同一個(gè)管理平臺(tái)進(jìn)行管理，作為數(shù)字資產(chǎn)在跨部門、跨供應(yīng)鏈的協(xié)作中流轉(zhuǎn)，從而通過基于模型的協(xié)作方式提高需求傳遞和集成設(shè)計(jì)的效率。行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域：可以利用軟件模擬人體內(nèi)的血液流動(dòng)，優(yōu)化醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)環(huán)境工程領(lǐng)域：可以利用軟件模擬大氣、水體的流動(dòng)，評(píng)估環(huán)境污染物的傳輸和擴(kuò)散新能源領(lǐng)域：可以利用軟件對(duì)如風(fēng)能、水能等可再生能源的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行仿真，提高能源利用效率。集成人工智能技術(shù)一是提供智能設(shè)置推薦。軟件利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從大量的仿真數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)模型特征、總結(jié)規(guī)律，從而推薦三維熱流體仿真模型的初始條件、邊界條件或者模型參數(shù)。智能設(shè)置推薦功能將提高建模效率和模型的準(zhǔn)確性，特別是在處理復(fù)雜問題或工程師缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的情況下，將顯著提高仿真效率。二是提供結(jié)果深度分析。軟件通過人工智能算法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的潛在模式和關(guān)聯(lián)性，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深度分析，為用戶提供更詳細(xì)、更全面的仿真結(jié)果報(bào)告。

智能化網(wǎng)格生成和自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)更高級(jí)的幾何建模工具自適應(yīng)建模與網(wǎng)格劃分技術(shù)7.2?流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件技術(shù)展望