一維仿真計算在汽車空調系統開發的應用

張志，阮先軫，席日成，胡珂

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511031）

前言

汽車空調系統作為乘員艙車內空氣調節的裝置，用于艙內溫度、濕度、流動及空氣潔凈度、新鮮度等因素調整和保持在最佳狀態，為駕駛員及乘員提供舒適的乘坐環境。對于汽車空調系統地設計需要綜合考慮性能（制冷性能與能耗）、成本、重量、布置空間等方面的要求，進一步提升自己的集成能力與水平。這樣對于研發技術與工具的使用相應提出了更高的要求。主機廠根據設計車型的預銷售地區、目標客戶的需求，以及競品車型的設計水平進行整車降溫目標的定義，作為空調系統的開發目標，其中空調系統設計的性能常用最大制冷和采暖工況來考察系統性能的達標情況。

1 研究對象

本文研究的對象為某PHEV車型，空調系統由冷媒回路、乘員艙側空氣回路 、前端空氣回路三個回路循環組成。乘員艙內氣體的熱量通過冷媒的蒸發與冷凝過程帶到前端空氣中。其中冷媒回路主要的部件有電動壓縮機、冷凝器、電磁閥、熱力膨脹閥、蒸發器、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試、系統臺架測試、整車降溫性能測試進行試驗工作，仿真計算按照單體模型建模、系統臺架建模、整車降溫仿真，試驗測試可以為仿真模型提供標定的依據，標定好的仿真模型可以為平臺車及該款車型提供性能評估。

2 零部件建模及標定

2.1 壓縮機

壓縮機為33cc定排量電動渦旋式，測試不同壓比、轉速的容積效率、等熵效率，兩個效率見公式（1）（2），通過一維仿真進行壓縮機建模，見圖1。

式中：ηv為容積效率，表征實際質量流量與理論質量流量的比值；VH為壓縮機的排量；n為壓縮機轉速；ρRef為壓縮機吸氣口壓力測點處制冷劑的密度；mRef為壓縮機在轉速n條件下的實際質量流量。

式中：ηisen為等熵效率，表征等熵過程焓值的增加與實際焓值的增加的比值。

圖1 壓縮機單體模型

由圖1的模型可見，壓縮機上下游的邊界條件為試驗中獲取的壓力、比焓及給定的轉速，需要驗證不同工況點的冷媒質量流量。冷媒流量的誤差可以滿足后續系統建模仿真的要求（由于數據保密原因故隱去Y軸）。

2.2 熱力膨脹閥

熱力膨脹閥有節流降壓、調節流量、保持一定過熱度、防止液擊和異常過熱等作用，使從冷凝器來的高溫高壓液態制冷劑節流降壓成為容易蒸發的低溫低壓的氣液混合物進入蒸發器[1]。

四象限圖是膨脹閥單體性能驗證的關鍵，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、閥芯開度流量特性及溫度流量特性等。第一象限（充注特性）：測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結果進行建模，結果見圖2所示。

圖2 熱力膨脹閥四象限圖

2.3 電子膨脹閥

電子節流裝置按照預設程序調節蒸發器供液量，在建模仿真中，通過標定可變節流孔的方式來模擬，可變節流孔的上下游為相應的壓力比焓地試驗數據，信號端口作為開度的命令輸入，不同開度下壓降和冷媒流量的關系，通過一個數表給定。模型的輸入為上下游的壓力和比焓，以及外部控制命令，需要標定的計算結果為冷媒質量流量及過冷度。由圖3可見，除了個別工況點的過冷度誤差偏大外，其余試驗組中流量和過冷度的對比結果中，誤差都可以滿足要求。

圖3 電子膨脹閥模型

2.4 冷凝器與蒸發器

冷凝器、蒸發器屬于相變式換熱器，一維仿真建模需要提供幾何參數和性能參數[2]。其中幾何參數有芯體（長、寬、高），扁管（壁厚、內通道數），翅片（間距、波高、厚度）、流程數等，性能參數需要通過單體試驗獲得。空氣側的流動基于單體的測試數據給定，按照流量與壓損的多項式關系進行空氣側的壓力損失計算；制冷劑側壓力損失Δp由摩擦、靜壓、動壓組成，通常采用壓力損失系數進行計算。制冷劑側換熱分為單相區和兩相區，兩相流換熱器管的內壓損失主要表現在管壁處的換熱（分別由沸騰過程和冷凝過程引起）。空氣側換熱量需要通過結構參數與試驗數據相結合的方法進行計算，通常計算管壁與冷卻空氣之間的傳熱系數，通過量綱轉變的無量綱參數進行計算，見公式（3）。

式中：Nu為空氣側努塞爾數； Re為空氣側的雷諾數；Pr 為空氣側的普朗特數；c1、c2和c3分別為由換熱器單體性能試驗數據計算的無量綱常數，最多區分3個不同的范圍。

2.5 中間換熱器

中間換熱器較為典型的工況內管流動的是5℃-10℃的低溫、低壓制冷劑，外管中流動的是70℃-80℃高溫、高壓制冷劑。高溫管熱量傳入低溫管，實現空調系統的二次換熱，提高空調的制冷效率。按照管的幾何參數進行建模，輸入管的內徑、外徑、長度、壁厚等參數。單體模型采用了TPF管路模型計算流量和壓降；同時用熱學庫中的thermal mass來模擬管間熱傳導及外部的對流換熱。

圖4 中間換熱器模型

3 臺架系統建模及標定

空調系統的臺架試驗主要是對于空調系統的匹配試驗、蒸發器傳感器的溫度標定、膨脹閥的開度調節等試驗。同時對于空調系統，制冷劑充注量的多少有重要的影響。臺架試驗能夠盡量反應整車的空調工作狀態，臺架試驗用的管路與實車狀態保持一致，一維仿真按照整車管路的設計布置進行建模。在已經完成的單體模型建模及標定工作，現在可以將完整的空調系統（冷媒回路）集成，并進行系統級別的模型驗證工作，如圖5所示。

通過臺架仿真結果與試驗的比較，仿真與試驗相比偏差較大的物理量有HVAC風側換熱量、壓縮機進口溫度、冷凝器進口溫度，仿真與試驗相比有較好一致性的物理量有蒸發器冷媒流量、冷凝器側換熱量、壓縮機功耗、壓縮機進口壓力、冷凝器進口壓力、蒸發器出風溫度等[3]。

圖5 空調冷媒系統模型

4 整車降溫過程仿真計算與測試

在標定好冷媒回路模型后，將空調系統模型進一步擴展到包含乘員艙、電池冷卻回路（通過Chiller耦合）以及整車動力模型，從而形成完整的含HVAC系統的整車模型[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區域：前擋風，后擋風，左側及右側乘員艙。考慮乘員艙內部的對流換熱及車艙外部和空氣的強迫對流換熱。熱輻射的影響也通過基本的模型參數予以考慮。模型的架構如圖6所示。

圖6 乘員艙Cabin模型

圖7 整車模型

本文整車空調制冷工況采用環溫40℃、相對濕度50%、內循環、最大吹面制冷，通過定車速工況來驗證模型[4]。根據圖7所示，乘員艙溫度的計算結果和實際試驗值趨勢一致，且誤差在允許的誤差帶范圍內。

6 結論

通過一維系統仿真分析可以為空調系統的開發提供一定的指導，尤其是平臺車型開發以及換代車型的開發，同時也為低成本的空調系統開發提供思路。目前的技術方案及成果還有可以進一步改善的空間，比如：

目前地試驗數據均為穩態工況點下地試驗，如果能進行瞬態工況的模擬，那無非對于空調的設計開發或匹配工作，尤其是模型驗證會提升一大步。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域，如果能采用CFD建模的方式來構建乘員艙并和一維的冷媒回路及暖風水路進行耦合，那么對于HVAC整體模型的評估可以更加貼近實際。模型增加空調控制器相關信息及試驗數據如空調控制器的基本策略、EXV控制命令、壓縮機轉速、鼓風機檔位等，可以擴展當前的模型為閉環系統模型[5]。

后續需要評估有效的方法來進一步提升仿真建模工作的準確性及效率。