車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)三個(gè)功能：制冷、制熱和除濕，對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)來(lái)說(shuō)，制冷功能的仿真分析涉及多個(gè)關(guān)鍵零部件的建模和標(biāo)定，是本篇的詳述內(nèi)容；而制熱和除濕功能直接依靠發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和暖風(fēng)器來(lái)完成熱交換，本質(zhì)上就是冷卻系統(tǒng)上的一個(gè)小支路（類(lèi)似中冷器制冷），建模仿真簡(jiǎn)單，本篇文章不做介紹。而對(duì)于新能源車(chē)（HEV和BEV），其制熱系統(tǒng)則比較復(fù)雜，這個(gè)會(huì)在以后的文章中敘述，但其制冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)車(chē)基本一致（除了動(dòng)力源不同）。

Amesim空調(diào)系統(tǒng)解決方案包含如下：

?空調(diào)系統(tǒng)零部件、子系統(tǒng)及系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

?評(píng)估新的替代冷卻系統(tǒng)的性能

?系統(tǒng)瞬態(tài)仿真（含壓縮機(jī)的起停分析）

?空調(diào)系統(tǒng)不同控制策略的分析

?駕駛員熱舒適性的分析和優(yōu)化

?新法規(guī)下的適應(yīng)性分析

?空調(diào)性能、舒適性和經(jīng)濟(jì)性的平衡分析

圖-1給出Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)的典型模型，部件主要來(lái)自Amesim的兩相流庫(kù)、空調(diào)庫(kù)和熱庫(kù)，模型能夠給出各處壓力、溫度、流量、熱量、功率、比熱、干度、過(guò)熱度/過(guò)冷度等相關(guān)參數(shù)。圖-2給出典型的空調(diào)制冷循環(huán)的壓焓圖，包含壓縮、放熱、節(jié)流（等焓膨脹）和吸熱四個(gè)過(guò)程，需要注意的是，蒸發(fā)器出口到膨脹閥出口段在大流量工況時(shí)壓降較為明顯（見(jiàn)綠框）。模型中的冷媒介質(zhì)為R134a，考慮制冷劑充注量和溫度以及壓縮機(jī)內(nèi)滑油串氣的影響。另外，Amesim提供了不同介質(zhì)的屬性定義工具（見(jiàn)圖-3）。

▲圖-1 典型的Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)模型

▲圖-2 壓焓圖（制冷循環(huán)四個(gè)過(guò)程）

▲圖-3 介質(zhì)屬性定義工具

當(dāng)置于整車(chē)模型（尤其新能源車(chē)）中，Amesim空調(diào)制冷系統(tǒng)方案能夠發(fā)揮更大的作用：評(píng)估空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響，壓縮機(jī)、風(fēng)扇及膨脹閥的控制保證動(dòng)力電池的散熱，滿(mǎn)足制冷需求的同時(shí)提高整車(chē)能量利用效率……

▲圖-4 包含空調(diào)系統(tǒng)的新能源整車(chē)能量管理方案模型

Amesim兩相流庫(kù)中的功能型壓縮機(jī)模型（最常用）考慮體積效率、等熵效率和機(jī)械效率，也可用擬合公式和數(shù)表定義效率。該專(zhuān)業(yè)庫(kù)也能搭建基于結(jié)構(gòu)級(jí)的斜盤(pán)柱塞泵模型（典型的空調(diào)壓縮機(jī)類(lèi)型，見(jiàn)圖-5），類(lèi)似來(lái)自液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)搭建的同類(lèi)型泵模型（見(jiàn)圖-6），以進(jìn)行泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

▲圖-5 斜盤(pán)柱塞泵結(jié)構(gòu)及原理

▲圖-6 斜盤(pán)柱塞泵元件模型

圖1模型中的冷凝器和蒸發(fā)器都來(lái)自Amesim空調(diào)專(zhuān)業(yè)庫(kù)，該庫(kù)提供了冷凝器和蒸發(fā)器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置工具（見(jiàn)圖-7和圖-8），快速實(shí)現(xiàn)扁管和翅片的建模。每流程管路也可以離散化（3個(gè)或5個(gè)單元），分析更詳細(xì)的相關(guān)參數(shù)分布；結(jié)合兩相流庫(kù)中的濕空氣元件，進(jìn)一步分析通過(guò)冷凝器和蒸發(fā)器的外部空氣壓損。需要注意的是，各部件的初始值盡量準(zhǔn)確，以提高運(yùn)算速度。

▲圖-7 冷凝器（平行式）結(jié)構(gòu)定義工具

▲圖-8 蒸發(fā)器（U型式）結(jié)構(gòu)定義工具

兩相流庫(kù)則提供了更為復(fù)雜的翅片結(jié)構(gòu)模型，如圖-9考慮翅片的錯(cuò)位，以進(jìn)行翅片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。空調(diào)專(zhuān)業(yè)庫(kù)中簡(jiǎn)單翅片結(jié)構(gòu)與實(shí)際不一致的問(wèn)題，則通過(guò)壓降和換熱參數(shù)的標(biāo)定來(lái)解決。

▲圖-9 扁管和翅片的物理模型

創(chuàng)建一個(gè)準(zhǔn)確的冷凝器和蒸發(fā)器模型，除了定義相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需要定義對(duì)應(yīng)的壓降（5種延程摩擦關(guān)聯(lián)方程）及換熱參數(shù)（單相及兩相的冷凝和沸騰），見(jiàn)圖-10。

▲圖-10 冷凝器及蒸發(fā)器模型參數(shù)

Amesim提供了專(zhuān)業(yè)的換熱器壓降和換熱標(biāo)定工具，能基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確標(biāo)定相關(guān)參數(shù)（見(jiàn)圖-11）。

▲圖-11 雙核蒸發(fā)器壓降和換熱標(biāo)定工具

另外，Amesim空調(diào)專(zhuān)業(yè)庫(kù)也有針對(duì)新能源車(chē)的電池液冷系統(tǒng)中的換熱部件chiller的專(zhuān)用模型及標(biāo)定工具（見(jiàn)圖-12）。圖-13給出chiller和PTC在電動(dòng)車(chē)模型中的應(yīng)用demo，評(píng)估不同環(huán)境溫度和加減速工況下，艙室及電池包平均溫度等參數(shù)的變化情況。

  ▲圖-12 Chiller模型及標(biāo)定工具

▲圖-13 含Chiller和PTC的空調(diào)模型在電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用demo

熱力膨脹閥是控制蒸發(fā)器出口冷媒的過(guò)熱度來(lái)控制流量。Amesim膨脹閥模型分參數(shù)描述和四象限圖描述兩種子模型，后者最常用，參數(shù)見(jiàn)圖-14。典型的四象限圖如圖-15，在模型參數(shù)里只需定義前三個(gè)象限的數(shù)據(jù)即可。

▲圖-14 四象限式膨脹閥模型參數(shù)

▲圖-15 典型的四象限圖

上圖給出的是1D格式的數(shù)表，往往會(huì)有2D的數(shù)表，如第二象限，蒸發(fā)器出口壓力是與閥芯升程和過(guò)熱度相關(guān)的2D數(shù)據(jù)，可以借助兩相流庫(kù)中的可調(diào)節(jié)流口元件（見(jiàn)圖-16）實(shí)現(xiàn)。

▲圖-16 可調(diào)節(jié)流口模型參數(shù)

乘員艙是空調(diào)的調(diào)節(jié)對(duì)象，圖1給出的是Amesim的空調(diào)專(zhuān)業(yè)庫(kù)提供的乘員艙功能模型，該模型考慮了艙室的熱容、換熱面積、車(chē)速和太陽(yáng)輻射等（見(jiàn)圖-17），圖-18給出了圖1模型的NEDC循環(huán)下的目標(biāo)制冷溫度和實(shí)際艙室溫度的結(jié)果。

▲圖-17 Amesim乘員艙功能模型

▲圖-18 空調(diào)系統(tǒng)模型制冷效果

多級(jí)復(fù)雜度是Amesim的重要特點(diǎn)，同樣能夠搭建基于實(shí)際結(jié)構(gòu)的乘員艙物理模型（圖-19），對(duì)艙內(nèi)各處的熱分布詳細(xì)分析，給出艙內(nèi)各處溫度變化。

▲圖-19 Amesim乘員艙物理模型

此外，蒸發(fā)器置于前艙，而冷凝器等則和發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、機(jī)油冷卻器、中冷器等放置在空間相對(duì)狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，車(chē)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)在整車(chē)熱環(huán)境內(nèi)相互影響和干涉，其流動(dòng)與傳熱過(guò)程非常復(fù)雜。Amesim的HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）庫(kù)用以解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)與傳熱，該庫(kù)提供了發(fā)動(dòng)機(jī)艙3D設(shè)計(jì)與分析功能，結(jié)合冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)部件間的相對(duì)位置、流道結(jié)構(gòu)自動(dòng)對(duì)其相互影響進(jìn)行計(jì)算，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)與傳熱的不均衡性影響。

▲圖-20 Amesim發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理系統(tǒng)

該應(yīng)用案例的測(cè)試工況為NEDC循環(huán)，環(huán)境溫度為30℃，調(diào)節(jié)溫度為20℃，日照熱負(fù)荷為1kW/m2。對(duì)比以下三種情況的油耗和空調(diào)能耗占比。

?基準(zhǔn)車(chē)型：無(wú)空調(diào)

?雙渦旋壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)

?帶轉(zhuǎn)速控制的電動(dòng)壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)

▲圖-21 沃爾沃評(píng)估空調(diào)系統(tǒng)對(duì)油耗的影響

康奈可應(yīng)用Amesim預(yù)測(cè)瞬態(tài)工況下空調(diào)系統(tǒng)性能，進(jìn)行空調(diào)控制邏輯的驗(yàn)證和艙室空間的優(yōu)化，加速包含空調(diào)和艙室模型的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

▲圖-22 康奈可加速含空調(diào)及艙室的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理開(kāi)發(fā)

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