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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  
　
冷却系统模型

冷却系统包括流体回路，如冷却液回路、发动机油回路、传动油回路、前端冷却空气和热交换器模型。所有流体回路包括泵、阀、管、弯头和过渡。这些流体回路模型将计算并预测不同驾驶周期的流量。冷却液和油回路模型应从设计CAD几何图形构建，流动台架测试可用于验证模型。前端冷却空气可以从CFD获得并应用到1D模型中。图3是从CFD仿真中得到的冷却空气矩阵的线性插值表面图，可以并入1D模型中进行空气流量计算。该矩阵包括车辆速度和冷却风扇速度的全范围扫描。

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图3.来自CFD的前端冷却气流面

热交换器，如散热器、油冷却器和冷凝器，可以根据供应商提供的数据和几何图形进行建模。通常，供应商将提供性能图，无论是来自台架测试还是仿真，包括热传递或效率表，以及空气、冷却液或油侧的压力降。大多数商业软件应该能够使用回归方法对热交换器性能进行建模。

动力总成热模型

发动机热模型

为了捕捉瞬态热行为，发动机热模型需要构建热质量、热容、热流和流体流动。除了有用功外，燃烧产生的废热分布到金属、冷却液、油和环境空气中。发动机热模型涉及流体和金属之间的对流和传导。发动机热模型已在先前的SAE论文中讨论。模型已校准并与发动机测试数据进行了对比。

传动热模型

类似地，传动热模型涉及由齿轮组和油产生的热量、热质量、油流动、金属和流体之间的对流和传导。传动热模型也已在先前的SAE论文中讨论，并且模型已针对测试数据进行了验证。

车辆模型和驾驶周期

热管理系统需要通过不同的驾驶周期进行评估。通常有四种类型的周期：

燃油经济性周期

FTP75城市和公路周期；US06和SC03周期；欧洲NEDC周期；新的全球WLTC周期。

炎热环境拖拽拖车驾驶

戴维斯坝坡度，贝克坡度。

舱内舒适性周期

在炎热/寒冷环境中加热和冷却。

现实世界正常驾驶周期

高速公路巡航，Vmax。不同的驾驶周期服务于热管理系统的不同目的，并可能需要不同的控制策略。应构建车辆模型以能够模拟这些驾驶周期。图4是一个典型的车辆驱动模型，具有切换驾驶周期的能力。

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图4.车辆和传动模型示例

动力总成和传动效率模型

发动机冷摩擦模型

当发动机在寒冷环境条件下启动时，油的粘度比完全热态时要高得多；因此，发动机摩擦功率要高得多。Shayler进行了实验研究，发现一个简单的关系，可用于冷摩擦校正。因子n在0.29到0.35之间。

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Sandoval 另一方面，提出了一组更复杂的方程式，涉及更详细的发动机几何形状。

然而，对于特定的发动机，应通过测试重新校准这些系数和参数。还注意到油的类型和参考温度，导致不同的参考粘度，也应该进行校正。图5显示了一个基于实验测试数据和修订的Sandoval模型的V6发动机冷摩擦预测。

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图5.发动机摩擦转矩与油温

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