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基于模型的汽车热管理系统设计与优化
2024-10-09 08:45:39· 来源：AutoAero
变速冷却风扇
冷却风扇用于在炎热环境、高负荷/炎热环境、启停和有时在怠速时为空调提供额外的冷却空气流量。两速或ON/OFF型风扇会因突然切换而产生瞬态振荡和热波动。同时，当它全速运行时，会消耗大量电能，导致高功耗。具有PWM（脉宽调制）控制器的变速风扇可以根据需求提供空气流量，并具有更平滑的温度控制。控制的占空比将显著降低功耗。例如，额定功率为600瓦的风扇在20%的占空比下可能仅消耗不到100瓦。此外，还包括其他设备，如冷却EGR冷却器（废气再循环）、液体冷却中冷器、排气热回收系统（EHRS）和低温散热器，这些都增加了车辆热系统的复杂性。正如我们所看到的，大多数都是可变设备。随着这些新设备和技术的出现，设计和控制车辆热和冷却系统已成为汽车工程师面临的挑战。
图1 一种新型车辆热管理系统架构
热系统设计的新模式 - 基于模型
迄今为止，车辆冷却系统的设计主要针对极端高温条件下的稳定状态。然而，随着新型热管理特性的加入，车辆的热管理系统变得日益复杂，这不仅增加了对系统控制和校准的复杂性，也推动了设计方法的变革。表1展示了从传统的冷却系统设计到新型基于模型的设计方法的演变趋势。表1. 车辆热管理设计趋势
03 车辆热管理系统仿真工具开发
建模方法
构建车辆热管理系统的模型是一项涵盖了多个工程领域的复杂工作，它需要综合运用机械工程、液压学、热力学、流体力学以及热传递学等学科的知识。为了在瞬态条件下精确预测流体的温度变化，所构建的模型应当包含流体循环模型、发动机与传动系统的热模型、车辆前端冷却空气模型、整车与传动系统模型，以及控制逻辑模型。此外，模型还必须能够模拟不同的驾驶循环，包括那些为了评估燃油经济性而设计的循环，以及反映现实世界驾驶情况的循环。模型中还应当整合变速箱换挡策略和离合器的控制逻辑。图2展示了一个典型的车辆热管理系统模型的结构。在车辆开发时间表上，应使用不同的模型以服务于不同的目的。在概念阶段，可以使用替代模型和较少细节的模型进行系统布局、初步尺寸确定和方向性设计。当系统设计数据（如CAD数据）可用时，可以构建详细模型以提供更准确的结果。在所有硬件和系统设计确定后，可以实施与测试相关的生产意图模型，用于控制和校准目的。Traussnig 在他的论文中概述了这种程序。根据过去的经验，基于半经验的模型在车辆产品开发过程中更为稳健，并提供更准确的结果。子模型应基于实际测试数据构建。例如，冷却液流动回路应与实际流动台架测试相关联，并将其作为基线。如果存在发动机和传动，应从测试中获得发动机散热图图和传动效率图。
图2 车辆热管理系统模型布局
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