劉西,蒲浩,胡遠志.基于AMESim的乘員艙降溫性能仿真分析[J].重慶理工大學學報(自然科學),2023,37(03):93-100.

摘 要：

根據(jù)某款新能源汽車乘員艙及電池熱管理回路，應用AMEsim  仿真軟件搭建了一維仿真模型。分別對全景天窗、加裝一層遮陽簾和加裝兩層遮陽簾 ３ 種車頂狀態(tài)，在低速、高速和怠速 ３ 種工況下的乘員艙連續(xù)降溫過程進行了仿真分析及試驗驗證。結果表明：通過加裝遮陽簾能夠有效提高全景天窗車型在高溫環(huán)境下乘員艙降溫性能，對實際研發(fā)工作具有參考價值。

０ 引言

汽車工業(yè)歷經百余年積淀，其動力性、經濟性和安全性等性能都得到了充分發(fā)展。隨著生活品質的提升，人們對汽車乘坐舒適性的要求越來越高［１］。高溫天氣下，乘員艙空調的降溫性能是汽車舒適性的一項重要指標，文獻［２］研究表明，空調的普及明顯降低了熱相關死亡率，對于密閉狹小的汽車乘員艙而言，空調降溫性能更為重要。歐美國家從 20 世紀 70 年代就開始關注乘員艙的熱舒適性問題［３］，但在汽車設計開發(fā)過程中，通過試驗分析艙內流場成本高、周期長，隨著計算機技術的不斷完善，計算機輔助工程成為了解決這一問題的最優(yōu)選擇。國外很早就開始利用仿真技術研究 HVAC系統(tǒng)設計［４］，Yang 等［５］ 設計了一種可以控制局部區(qū)域溫度的車載空調，提高車輛的能量利用效率；singh 等［６］提出了一種新的一維和三維聯(lián)合仿真框架，通過對收割機乘員艙的 HVAC系統(tǒng)仿真結果，分析驗證了該框架的有效性。

國內對乘員艙舒適性的研究起步較晚。孫學軍等［７］利用二維數(shù)值模擬的方法，通過改變空調的送風角度，分析了艙內溫度場和速度場的變化，為乘員艙氣流組織設計優(yōu)化奠定了基礎；何青治等［８］通過三維模型仿真軟件對乘員艙的降溫過程進行分析，反映了艙內不同區(qū)域的降溫情況；高?。郏梗萁榻B了一種一維和三維聯(lián)合仿真的方法，可以提高乘員艙降溫過程仿真的精度。

如今，汽車不僅在駕駛性能上追求極致，車主的審美要求也越來越高。當下全景天窗車型成為了汽車時尚的一種標志［１０］，但全景天窗在提升汽車美觀的同時，也導致高溫天氣下，乘員艙內頭部溫度過高的問題［１１］。對此，可以通過貼膜、加裝遮陽簾，或者采用有色玻璃等方式解決。本文對一款帶全景天窗的車型，應用多領域一維仿真軟件 AMEsim ，分別對其加裝遮陽簾前、后進行乘員艙降溫仿真分析。

１ 空調系統(tǒng)制冷負荷計算理論 

1.1車身熱平衡關系的建立

汽車空調使乘員艙內的溫度、濕度和空氣清新度保持在一個舒適的范圍。其熱負荷主要由內部熱量和外部熱量兩部分組成，車身是這兩部分傳熱的介質，車身傳熱部件如圖 １ 所示。

傳入車廂內的各部分熱負荷的總和構成了該車的總熱負荷，汽車車身熱負荷主要包括車廂壁傳熱、通過玻璃的太陽輻射熱、新風熱、乘員散熱、車內電器設備散熱等。綜合各種因素，車身熱平衡的方程式表達如下［１２］：

1.2 通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃?ＱＢ

車身壁面包括頂板、側圍、地板、前圍、后圍等幾部分。即車身壁面熱負荷表達式為：

車身壁面多屬均勻壁面，因此，它的傳熱可以按照多層均勻壁面?zhèn)鳠嵊嬎悖嬎愎饺缦拢?

1.2.1車身壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù) Ｋｉ 的計算

傳熱系數(shù) Ｋ 與車身內、外表面放熱系數(shù) αＨ 、αＢ 及隔熱層熱阻有關，由于車身各壁面的條件不同（如壁面外表面溫度、車身隔熱措施等差別很大），所以車身各壁面的傳熱系數(shù) Ｋｉ 是不同的。要分別計算各部分的傳熱系數(shù) Ｋｉ，計算公式如下：

1.2.2日照綜合溫度計算

考慮到太陽輻射的作用，通過車身壁面?zhèn)魅胲噧鹊臒崃坑蓪α鲹Q熱和輻射換熱 ２ 部分組成。式（３）表示由車內外空氣溫差引起的以表面對流換熱方式從大氣傳入車內的熱量。通過熱輻射傳入車內的熱量表達式為：

1.3 通過車窗玻璃傳入車內的熱量

經車窗玻璃傳入車內的熱量同樣由對流傳熱量和輻射傳熱量 ２ 部分組成：

1.4 通過換氣新風傳入車內的熱量

1.5乘員人體散發(fā)的熱量

車內乘員散發(fā)的熱量與年齡、性別、身體狀況、周圍空氣環(huán)境、衣著等諸多因素有關。根據(jù)推薦數(shù)據(jù)，司機可按522.5 kJ/h，乘員按 418 kJ/h計算。一般直接按照每人發(fā)熱 116Ｗ 計算。

1.6 用電設備的發(fā)熱量

用電設備的發(fā)熱量 ＱＭ 主要計算鼓風機及音響等用電設備散熱量，根據(jù)設計車型實際情況計算，這部分熱量一般較小，在某些情況下也可忽略不計。

２ AMEsim  模型搭建

本文利用 SIEMENS 公司的 AMEsim  2019 搭建空調系統(tǒng)和乘員艙模型，對乘員艙內的降溫性能進行仿真分析。該一維仿真軟件可以用于能量流以及機電液一體化仿真，能夠對空調能耗、乘員艙降溫特性精準仿真［１３］。楊英等［１４］利用AMEsim 對影響發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的多個因素進行了仿真分析，說明了 AMEsim  在能量流仿真上的便捷性和準確性。本文根據(jù)實車結構和空調系統(tǒng)的熱管理原理圖，搭建了 AMEsim 仿真模型。

在搭建仿真模型時，為了更精準地模擬系統(tǒng)性能，空調系統(tǒng)的換熱部件及電池冷卻液與空調冷媒換熱的零件 chiller 需要進行換熱性能的標定。仿真模型中輸入的物理性能參數(shù)是經過標定后得到的物理參數(shù)，此性能參數(shù)可能與零部件的實際參數(shù)有所差別。

2.1空調系統(tǒng)熱管理原理圖

本文仿真分析的車型為一款新能源車型。根據(jù)空調系統(tǒng)和電池的熱管理原理圖（ 如圖 ２ 所示），可以看出，空調制冷量不僅用于乘員艙的降溫，還需要兼顧電池包的冷卻。

由于電池包的發(fā)熱和降溫是一個比較復雜的過程，本文在模擬電池包發(fā)熱時通過試驗數(shù)據(jù)標定結果，在不同工況下給電池包一個不同的恒定發(fā)熱功率進行模擬。

2.2換熱部件的標定

在 AMEsim  軟件中搭建空調系統(tǒng)的仿真模型時，對于大多數(shù)的換熱部件軟件都自帶了對應的標定模型，可以直接從demo中獲取。輸入已有的相關換熱部件的單體測試參數(shù)，利用自動標定功能，調整相關性能參數(shù)，使得模型在設定的進風量及制冷劑流量下的換熱功率與單體測試值接近。這里以蒸發(fā)器的標定為例進行說明。

對于蒸發(fā)器的標定，標定模型不需要自行搭建，軟件自帶蒸發(fā)器標定模型，如圖 ３ 所示。

蒸發(fā)器標定主要的輸入?yún)?shù)包括零件幾何尺寸、過風面積、進風速度、進風溫度、進風相對濕度、制冷劑進口焓值、制冷劑流量、制冷劑進口壓力及各個條件下的換熱量和制冷劑壓降。

AMEsim  中換熱模型的標定通過將物理量進行無量綱化處理，再根據(jù)單體參數(shù)和不同工況下的實驗數(shù)據(jù)，標定經驗公式中所需要求解的無量綱系數(shù)。在標定模塊中有以下經驗公式用于參數(shù)的標定：

上式用于計算空氣側的濕空氣和換熱壁面的熱交換，相關參數(shù)均為濕空氣參數(shù)。

在標定模型中，ａ、ｂ、ｃ 用于調整外部換熱的參數(shù)，外部換熱是壁溫的函數(shù)，而壁溫又取決于內部溫度，所以，在某些情況下，需要同時調整制冷劑側的熱交換系數(shù) ｋHeat。同時制冷劑流過冷凝器管道后會有壓降，壓降和散熱是一對耦合現(xiàn)象，所以需要標定制冷劑側摩擦壓降系數(shù) kdP 。在標定界面輸入相關參數(shù)進行自動標定后會得到上述 ａ、ｂ、ｃ、ｋHeat、kdP ５ 個參數(shù)的最優(yōu)解，用于仿真模型的參數(shù)設置中。本文蒸發(fā)器用于標定的單體性能參數(shù)如表 １ 所示。標定結果如圖 ４ 所示。

2.3 乘員艙降溫性能仿真模型

乘員 艙 的 溫 度 會 受 到 汽 車 行 駛 狀 態(tài) 的 影響［１５］，為了模擬不同工況下車內的降溫過程，根據(jù)相關試驗工況設定仿真工況，空調選擇內循環(huán)模式，整車降溫環(huán)境溫度為 38℃ ，空氣相對濕度為 50％ ，光照強度 1000W/m2 。車速如表 ２ 所示，主要驗證低速、高速及怠速 ３ 種工況下的降溫性能。

乘員艙降溫性能仿真模型如圖 ５ 所示。主要包括空調系統(tǒng)回路、乘員艙模型和模擬電池包發(fā)熱模型三大部分。模型下半部分為電池包發(fā)熱模型，根據(jù)熱管理原理圖可知空調系統(tǒng)可以對電池包進行降溫。但是兩回路中的工作介質不同，空調系統(tǒng)使用冷媒制冷，電池包使用冷卻液換熱，所以兩者之間的熱交換是通過換熱零件 chiller 實現(xiàn)的，chiller 一側在電池冷卻回路中，另一側在空調制冷劑回路中。在仿真模型中，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)標定結果設置電池包散熱從空調制冷量中所帶走的部分能量，車速為 40km/h 時為 80W，車速為 100 km/h時為 1000W，怠速工況下為 30W。右上半部分為乘員艙模型，針對不同的乘員艙車頂狀態(tài)仿真時，要改變其換熱系數(shù)，該模型的換熱系數(shù)通過相近車型的環(huán)境艙試驗數(shù)據(jù)標定后獲得。模型左上部分是空調系統(tǒng)回路模型，空調系統(tǒng)中零部件較多，在搭建模型過程中對于零部件的單體參數(shù)需求較多，特別對于蒸發(fā)器、冷凝器需要單體試驗數(shù)據(jù)用來對其進行標定。所有參數(shù)設置完成后，根據(jù)仿真工況設置好仿真時間即可進行仿真。

３ 仿真結果及試驗驗證

為解決該車型全景天窗降溫不滿足性能目標的問題，分別對全景天窗、加裝一層遮陽簾和加裝兩層遮陽簾 ３ 種車頂狀態(tài)進行降溫性能仿真和試驗分析。３ 種不同車頂狀態(tài)的仿真模型只需要更改乘員艙模型的相關換熱系數(shù)，試驗工況和仿真工況保持一致。

3.1 試驗驗證方案 

3.1.1 試驗準備

試驗前按照試驗規(guī)范布置溫度傳感器，如圖 ６所示。連接數(shù)據(jù)采集模塊，接通電源檢測傳感器是否能夠正常工作。按照試驗車型使用說明書和有關技術條件規(guī)定，對汽車進行技術檢查和保養(yǎng)。將車輛正確固定到試驗艙轉轂上，確保試驗過程中試驗人員的安全。

模擬試驗艙溫度維持在（３８ ± １）℃，相對濕度在（５０ ±５）％ ，太陽輻射強度在（1000 ± 25）W/m2。試驗期間調整空調出風口角度，使主要氣流吹向溫度傳感器處。

3.1.2 試驗方法

開始降溫前，先進行預熱升溫。預熱階段 １：試驗艙環(huán)境達到試驗準備中所述條件后，打車汽車門窗，汽車迎面風速設置為 ３０ km/h，取座椅導軌（金屬材料）溫度為參考值，直到其溫度與環(huán)境溫度一致。預熱階段 ２：試驗艙環(huán)境條件不變，汽車迎面風速設置為 ５ km/h，關閉汽車門窗，預熱30 ｍｉｎ。升溫階段 ３：試驗艙環(huán)境條件不變，汽車迎面風速設置為 ５ km/h，關閉門窗，使車內溫度達到 60 ℃或車內溫度變化率不大于 1 ℃ /10 min。 

預熱升溫結束，整車施加滿載滑行阻力曲線。駕駛員進入車內，將溫度調節(jié)開關置于最大冷卻模式位置，同時打開 Ａ／ Ｃ 開關，按照表 ２ 工況進行降溫試驗，全程記錄各測試點數(shù)據(jù)。

3.2 全景天窗降溫

3.2.1 仿真結果

根據(jù)相關試驗規(guī)范在進行乘員艙降溫性能試驗時，首先對車內空氣進行預熱升溫。在仿真時可以直接設定乘員艙內空氣的初始狀態(tài)，全景天窗狀態(tài)下，前排頭部初始溫度設為 60 ℃ ，后排頭部溫度設為 60 ℃ 。根據(jù)試驗工況要求，仿真總時長為 4200 ｓ。全景天窗狀態(tài)下的降溫仿真結果如圖 ７ 所示。

從仿真結果看出，在車速為 40 km/h，行駛 20min后，前后排頭部溫度均不滿足表 ３ 中的性能要求。

3.2.2 試驗驗證

全景天窗狀態(tài)下，試驗數(shù)據(jù)和仿真結果曲線如圖 ８。試驗數(shù)據(jù)顯示車速為  40 km/h，行駛 20min 后，前后排頭部溫度均不滿足表 ３ 中性能要求。分析仿真和試驗數(shù)據(jù)，兩者降溫過程基本一致，試驗過程降溫速率略快于仿真過程降溫速率，溫度穩(wěn)定后試驗值略高于仿真值。

3.3 加裝一層遮陽簾降溫

3.3.1 仿真結果

全景天窗加裝遮陽簾后，預熱升溫階段結束前后排頭部溫度會有差異。前排頭部溫度因直接接受太陽輻射，同時車內空氣流動性弱，所以前排頭部溫度會高于后排頭部溫度，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)標定結果，仿真時設置前排頭部初始溫度為 ６０ ℃ ，后排頭部初始溫度為 ４５ ℃ 。重新設置乘員艙相關換熱系數(shù)后，其余參數(shù)不變，加裝一層遮陽簾后乘員艙降溫仿真結果如圖 ９ 所示。

仿真結果顯示，第二階段車速為100km/h 行駛20min后，后排頭部溫度略高于表３ 中性能目標值。

3.3.2 試驗驗證

加裝一層遮陽簾后，試驗數(shù)據(jù)和仿真結果變化曲線如圖 １０。試驗數(shù)據(jù)顯示車速為 40 km/h 行駛 20min及車速為 100 km/h 行駛 20min 后，后排頭部溫度高于表 ３ 中性能目標值。分析仿真和試驗數(shù)據(jù)，兩者降溫過程基本一致，仿真過程降溫速率略快于試驗過程降溫速率，溫度穩(wěn)定后，試驗值略高于仿真值。

3.4 加裝兩層遮陽簾降溫

3.4.1仿真結果

加裝兩層遮陽簾后，根據(jù)試驗標定數(shù)據(jù)重新設置乘員艙相關換熱系數(shù)，前排頭部初始溫度為 ６０ ℃，后排頭部初始溫度為 ４５ ℃，其余參數(shù)不變。加裝兩層遮陽簾后，乘員艙降溫仿真結果如圖１１ 所示。

仿真結果表明，加裝兩層遮陽簾后，各個工況結束后的溫度值都滿足乘員艙降溫性能要求。

3.4.2試驗驗證

加裝兩層遮陽簾后，試驗數(shù)據(jù)和仿真結果變化曲線如圖 １２。試驗數(shù)據(jù)顯示車速為 40km/h 行駛 20min 后，后排頭部溫度仍略高于高于表 ３ 中性能目標值（可通過更換隔熱效果更好的遮陽簾解決）。分析仿真和試驗數(shù)據(jù)，兩者降溫過程基本一致，仿真過程降溫速率略快于試驗過程降溫速率，溫度穩(wěn)定后試驗值略高于仿真值。

３ 種不同車頂狀態(tài)下的乘員艙降溫仿真及試驗結果如表 ３ 所示。

由于部分零部件參數(shù)無法收集齊全，選取相近車型的零部件參數(shù)代替，對仿真精度會有一定影響。但從仿真結果和試驗數(shù)據(jù)比對來看，兩者降溫過程基本一致，溫度穩(wěn)定后的最大誤差在15%左右。仿真和試驗結果說明，通過加裝遮陽簾能夠有效解決車內溫度過高的問題，同時也驗證了該一維仿真模型準確性較高。

４ 結論

新能源汽車整車熱管理回路互相耦合，各回路的熱量會根據(jù)具體的熱量需求在整車控制器的控制下分配利用，有電池回路和電機回路串聯(lián)的情況，也有兩回路并聯(lián)的情況，相較于傳統(tǒng)燃油車的整車熱管理回路更加復雜，而 AMEsim  能夠對上述情況的能量流進行有效仿真，可以實現(xiàn)便捷更改熱管理回路中各零部件參數(shù)對不同工況進行仿真。本文應用AMEsim 針對某全景天窗車型加裝車頂遮陽簾前后，在相同工況下對乘員艙頭部降溫性能進行了仿真分析，為相關科研工作提供了思路。

仿真及試驗結果表明，通過加裝遮陽簾有效降低了全景天窗車型高溫環(huán)境中乘員艙頭部溫度。在實際研發(fā)過程中可以選擇加裝多層遮陽簾或一層隔熱效果較好的遮陽簾，避免全景天窗車型乘員艙降溫性能不滿足實用目標要求。