热管理系统建模案例：模型工具、热管理系统

大家好，本系列文章的目标是帮助对整车热管理建模感兴趣的朋友更快的了解这个MATLAB 内置的纯电车案例：Electric Vehicle Thermal Management (点击“阅读原文”，直达这个案例！)

如果有需要了解更多的细节信息，比如模块的使用、模型的扩展、建模方法的扩展等等，您可以给在每一期的文章下面留言，我们会考虑增加相应的内容。

左图是示例冷却系统架构；

右图是参照此架构搭建的纯电车热管理模型；

1. 模型工具

MathWorks 提供了丰富的建模工具链适用于各种场合，可以根据需要选用。

其中基于信号流的建模方式比较常见，MathWorks 的整车建模工具箱 Powertrain Blockset 和 Vehicle Dynamics Blockset 就提供了这种类型的车辆零件部件模块库。

另一种针对物理对象建模的主流方法就是非因果的物理建模方法，不需要推导系统方程，没有信号的流动方向，直接基于物理拓扑结构连接库模块进行系统建模。MathWorks 的  Simscape 就是其中的一种物理建模仿真平台。

在我们接下来要介绍的纯电车热管理案例模型涉及到的主要工具：Simscape + Fluids。

如果我们所关心的冷却系统涉及到各种不同物理域的话，对应 Fluids/Simscape 不同的下级子模块库。

比如，

乘员舱除了温度还考虑湿度，则认为是Moist Air湿空气，如果不需要就是干空气模型；

平时所说的水/液冷则属于Thermal Liquid热流体；

如果是空调系统，则为Two-Phase Fluid 两相流；

另一种针对物理对象建模的主流方法就是非因果的物理建模方法，不需要推导系统方程，没有信号的流动方向，直接基于物理拓扑结构连接库模块进行系统建模。MathWorks 的  Simscape 就是其中的一种物理建模仿真平台。

热交换器的热量传递可以发生在任意物理域的流体之间，气体 VS 液体，气体 VS 气体，液体VS液体，液体 VS 制冷剂等等，所以提供了专门的 Heat Exchanger库，表征不同热交换器特性;

毕竟是热相关模型，所以或多或少用到了Thermal库模块来模拟热源以及热量的传递；

整个模型按照物理域来划分，如下图：

当然，所有的模型本质都是数学方程，既然如此，那用 Simulink 建模也是可以实现的。

2. 热管理系统工作模式

冷却回路通常会通过不同的工作模式来满足不同的热负载需求。通过控制图示中的三通阀、四通阀不同的连通方式得到不同的冷却回路，比如：

Case1：

在环境以及电池低温，电池不需要散热甚至需要加热的时候，不需要 Radiator，不需要 Chiller。

四通阀串联模式，分别连通 A-B，C-D，如下图，电池冷却回路和电机冷却回路串联在一起；

Radiator 的三通阀， A-B 连通；

Chiller 三通阀， A-B 连通；

Case2：

工作一段时间后，电池温度升高，但散热需求不大时：

四通阀依旧串联模式；

Radiator 三通阀，A-C 连通，通过 Radiator 满足散热需求；

Chiller 依旧被 Bypass；

Case3:

当环境或者电池的散热需求更大时，

四通阀并联模式，A-D,B-C 连通，电机和电池冷却回路互不连通；

Radiator 三通阀 A-C 连通，用于给电机、充电器、逆变器等散热；

Chiller 三通阀 A-C 连通，将电池大量的热通过 Chiller 散到制冷回路；

3. 关于系统集成

很多人都问过 Simscape 是怎么和 Simulink耦合的。

如果把上图的“冷却系统”当作一个整体，外界需要给定：

热负载

以及各个主要部件的控制

 

热负载 

在这个例子里热负载是Simulink 模型计算出来的，通过Heat Flow Source 为接口，输入热模型模拟部件发热量，如下图：

热管理系统闭环控制

和刚刚的热负载类似，控制命令一般是通过源模块来施加影响，比如下图的电池泵转速源模块 Ideal Angular Velocity Source。

同时通过对应物理域提供的传感器模块测出反馈信号，下图的热流温度传感器 Temperature Sensor测出电池入口冷却液温度，反馈回 Simulink 模型控制算法。

工况集成

开环

热负载来自于整车工况。单独测试热管理模型时，可以根据驾驶循环做简化查表得到热负载，包括典型工况与极端工况测试。

比如这个例子里从速度-电流-发热量做了一个查表计算(或者也可以直接输入车速以及通过整车仿真得到的热负载 Q 曲线作为工况)。

总之，这里的驾驶场景本质上就是条各种工况的速度曲线。当然，还有环境场景，比如温度、压力、湿度等等。

仿真分析

如果需要写一些自动化仿真的脚本以及数据后处理代码，案例里额提供的这些可以作为参考，如何通过脚本设置模型参数、如何获取仿真结果等等：

查看模型的仿真结果：

以及系统各零部件能耗：

这种方式下，热管理系统是在既定热负载的前提下工作的。因为没有整车模型，温度信息并没有反馈到整车来进一步分析热管理对整车性能和油耗的影响。

审核编辑：汤梓红