一維仿真計(jì)算在汽車空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用

張志，阮先軫，席日成，胡珂

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511031）

前言

汽車空調(diào)系統(tǒng)作為乘員艙車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的裝置，用于艙內(nèi)溫度、濕度、流動(dòng)及空氣潔凈度、新鮮度等因素調(diào)整和保持在最佳狀態(tài)，為駕駛員及乘員提供舒適的乘坐環(huán)境。對(duì)于汽車空調(diào)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)需要綜合考慮性能（制冷性能與能耗）、成本、重量、布置空間等方面的要求，進(jìn)一步提升自己的集成能力與水平。這樣對(duì)于研發(fā)技術(shù)與工具的使用相應(yīng)提出了更高的要求。主機(jī)廠根據(jù)設(shè)計(jì)車型的預(yù)銷售地區(qū)、目標(biāo)客戶的需求，以及競(jìng)品車型的設(shè)計(jì)水平進(jìn)行整車降溫目標(biāo)的定義，作為空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，其中空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能常用最大制冷和采暖工況來(lái)考察系統(tǒng)性能的達(dá)標(biāo)情況。

1 研究對(duì)象

本文研究的對(duì)象為某PHEV車型，空調(diào)系統(tǒng)由冷媒回路、乘員艙側(cè)空氣回路 、前端空氣回路三個(gè)回路循環(huán)組成。乘員艙內(nèi)氣體的熱量通過(guò)冷媒的蒸發(fā)與冷凝過(guò)程帶到前端空氣中。其中冷媒回路主要的部件有電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、電磁閥、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、Chiller、同軸管以及高壓、低壓管路。工作思路按照零部件測(cè)試、系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試、整車降溫性能測(cè)試進(jìn)行試驗(yàn)工作，仿真計(jì)算按照單體模型建模、系統(tǒng)臺(tái)架建模、整車降溫仿真，試驗(yàn)測(cè)試可以為仿真模型提供標(biāo)定的依據(jù)，標(biāo)定好的仿真模型可以為平臺(tái)車及該款車型提供性能評(píng)估。

2 零部件建模及標(biāo)定

2.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)為33cc定排量電動(dòng)渦旋式，測(cè)試不同壓比、轉(zhuǎn)速的容積效率、等熵效率，兩個(gè)效率見(jiàn)公式（1）（2），通過(guò)一維仿真進(jìn)行壓縮機(jī)建模，見(jiàn)圖1。

式中：ηv為容積效率，表征實(shí)際質(zhì)量流量與理論質(zhì)量流量的比值；VH為壓縮機(jī)的排量；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；ρRef為壓縮機(jī)吸氣口壓力測(cè)點(diǎn)處制冷劑的密度；mRef為壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速n條件下的實(shí)際質(zhì)量流量。

式中：ηisen為等熵效率，表征等熵過(guò)程焓值的增加與實(shí)際焓值的增加的比值。

圖1 壓縮機(jī)單體模型

由圖1的模型可見(jiàn)，壓縮機(jī)上下游的邊界條件為試驗(yàn)中獲取的壓力、比焓及給定的轉(zhuǎn)速，需要驗(yàn)證不同工況點(diǎn)的冷媒質(zhì)量流量。冷媒流量的誤差可以滿足后續(xù)系統(tǒng)建模仿真的要求（由于數(shù)據(jù)保密原因故隱去Y軸）。

2.2 熱力膨脹閥

熱力膨脹閥有節(jié)流降壓、調(diào)節(jié)流量、保持一定過(guò)熱度、防止液擊和異常過(guò)熱等作用，使從冷凝器來(lái)的高溫高壓液態(tài)制冷劑節(jié)流降壓成為容易蒸發(fā)的低溫低壓的氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器[1]。

四象限圖是膨脹閥單體性能驗(yàn)證的關(guān)鍵，從中可以看出膨脹閥的感溫包充注特性、鋼球壓力位移特性、閥芯開(kāi)度流量特性及溫度流量特性等。第一象限（充注特性）：測(cè)試膨脹閥出口溫度范圍為0℃～40℃的，膨脹閥出口溫度壓力曲線。一維仿真模型按照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行建模，結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 熱力膨脹閥四象限圖

2.3 電子膨脹閥

電子節(jié)流裝置按照預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量，在建模仿真中，通過(guò)標(biāo)定可變節(jié)流孔的方式來(lái)模擬，可變節(jié)流孔的上下游為相應(yīng)的壓力比焓地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，信號(hào)端口作為開(kāi)度的命令輸入，不同開(kāi)度下壓降和冷媒流量的關(guān)系，通過(guò)一個(gè)數(shù)表給定。模型的輸入為上下游的壓力和比焓，以及外部控制命令，需要標(biāo)定的計(jì)算結(jié)果為冷媒質(zhì)量流量及過(guò)冷度。由圖3可見(jiàn)，除了個(gè)別工況點(diǎn)的過(guò)冷度誤差偏大外，其余試驗(yàn)組中流量和過(guò)冷度的對(duì)比結(jié)果中，誤差都可以滿足要求。

圖3 電子膨脹閥模型

2.4 冷凝器與蒸發(fā)器

冷凝器、蒸發(fā)器屬于相變式換熱器，一維仿真建模需要提供幾何參數(shù)和性能參數(shù)[2]。其中幾何參數(shù)有芯體（長(zhǎng)、寬、高），扁管（壁厚、內(nèi)通道數(shù)），翅片（間距、波高、厚度）、流程數(shù)等，性能參數(shù)需要通過(guò)單體試驗(yàn)獲得?？諝鈧?cè)的流動(dòng)基于單體的測(cè)試數(shù)據(jù)給定，按照流量與壓損的多項(xiàng)式關(guān)系進(jìn)行空氣側(cè)的壓力損失計(jì)算；制冷劑側(cè)壓力損失Δp由摩擦、靜壓、動(dòng)壓組成，通常采用壓力損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。制冷劑側(cè)換熱分為單相區(qū)和兩相區(qū)，兩相流換熱器管的內(nèi)壓損失主要表現(xiàn)在管壁處的換熱（分別由沸騰過(guò)程和冷凝過(guò)程引起）?？諝鈧?cè)換熱量需要通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法進(jìn)行計(jì)算，通常計(jì)算管壁與冷卻空氣之間的傳熱系數(shù)，通過(guò)量綱轉(zhuǎn)變的無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)公式（3）。

式中：Nu為空氣側(cè)努塞爾數(shù)； Re為空氣側(cè)的雷諾數(shù)；Pr 為空氣側(cè)的普朗特?cái)?shù)；c1、c2和c3分別為由換熱器單體性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的無(wú)量綱常數(shù)，最多區(qū)分3個(gè)不同的范圍。

2.5 中間換熱器

中間換熱器較為典型的工況內(nèi)管流動(dòng)的是5℃-10℃的低溫、低壓制冷劑，外管中流動(dòng)的是70℃-80℃高溫、高壓制冷劑。高溫管熱量傳入低溫管，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的二次換熱，提高空調(diào)的制冷效率。按照管的幾何參數(shù)進(jìn)行建模，輸入管的內(nèi)徑、外徑、長(zhǎng)度、壁厚等參數(shù)。單體模型采用了TPF管路模型計(jì)算流量和壓降；同時(shí)用熱學(xué)庫(kù)中的thermal mass來(lái)模擬管間熱傳導(dǎo)及外部的對(duì)流換熱。

圖4 中間換熱器模型

3 臺(tái)架系統(tǒng)建模及標(biāo)定

空調(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)主要是對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的匹配試驗(yàn)、蒸發(fā)器傳感器的溫度標(biāo)定、膨脹閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)等試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，制冷劑充注量的多少有重要的影響。臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌虮M量反應(yīng)整車的空調(diào)工作狀態(tài)，臺(tái)架試驗(yàn)用的管路與實(shí)車狀態(tài)保持一致，一維仿真按照整車管路的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行建模。在已經(jīng)完成的單體模型建模及標(biāo)定工作，現(xiàn)在可以將完整的空調(diào)系統(tǒng)（冷媒回路）集成，并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的模型驗(yàn)證工作，如圖5所示。

通過(guò)臺(tái)架仿真結(jié)果與試驗(yàn)的比較，仿真與試驗(yàn)相比偏差較大的物理量有HVAC風(fēng)側(cè)換熱量、壓縮機(jī)進(jìn)口溫度、冷凝器進(jìn)口溫度，仿真與試驗(yàn)相比有較好一致性的物理量有蒸發(fā)器冷媒流量、冷凝器側(cè)換熱量、壓縮機(jī)功耗、壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、冷凝器進(jìn)口壓力、蒸發(fā)器出風(fēng)溫度等[3]。

圖5 空調(diào)冷媒系統(tǒng)模型

4 整車降溫過(guò)程仿真計(jì)算與測(cè)試

在標(biāo)定好冷媒回路模型后，將空調(diào)系統(tǒng)模型進(jìn)一步擴(kuò)展到包含乘員艙、電池冷卻回路（通過(guò)Chiller耦合）以及整車動(dòng)力模型，從而形成完整的含HVAC系統(tǒng)的整車模型[3]。本車型為5座SUV車型，乘員艙體積為3.375m3，其中乘員艙的模型劃分為四個(gè)區(qū)域：前擋風(fēng)，后擋風(fēng)，左側(cè)及右側(cè)乘員艙。考慮乘員艙內(nèi)部的對(duì)流換熱及車艙外部和空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。熱輻射的影響也通過(guò)基本的模型參數(shù)予以考慮。模型的架構(gòu)如圖6所示。

圖6 乘員艙Cabin模型

圖7 整車模型

本文整車空調(diào)制冷工況采用環(huán)溫40℃、相對(duì)濕度50%、內(nèi)循環(huán)、最大吹面制冷，通過(guò)定車速工況來(lái)驗(yàn)證模型[4]。根據(jù)圖7所示，乘員艙溫度的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)值趨勢(shì)一致，且誤差在允許的誤差帶范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

通過(guò)一維系統(tǒng)仿真分析可以為空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供一定的指導(dǎo)，尤其是平臺(tái)車型開(kāi)發(fā)以及換代車型的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也為低成本的空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供思路。目前的技術(shù)方案及成果還有可以進(jìn)一步改善的空間，比如：

目前地試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)下地試驗(yàn)，如果能進(jìn)行瞬態(tài)工況的模擬，那無(wú)非對(duì)于空調(diào)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)或匹配工作，尤其是模型驗(yàn)證會(huì)提升一大步。目前采用的四容腔的乘員艙模型還是比較粗糙地劃分了區(qū)域，如果能采用CFD建模的方式來(lái)構(gòu)建乘員艙并和一維的冷媒回路及暖風(fēng)水路進(jìn)行耦合，那么對(duì)于HVAC整體模型的評(píng)估可以更加貼近實(shí)際。模型增加空調(diào)控制器相關(guān)信息及試驗(yàn)數(shù)據(jù)如空調(diào)控制器的基本策略、EXV控制命令、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)檔位等，可以擴(kuò)展當(dāng)前的模型為閉環(huán)系統(tǒng)模型[5]。

后續(xù)需要評(píng)估有效的方法來(lái)進(jìn)一步提升仿真建模工作的準(zhǔn)確性及效率。