基于matlab的汽車乘員艙熱負荷建模及仿真

李建民，吳柳燕，尤寶鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于matlab的汽車乘員艙熱負荷建模及仿真

李建民，吳柳燕，尤寶鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

文章介紹了使用matlab 的Simscape模塊建立汽車乘員艙熱負荷瞬態(tài)模型的基本結構。所建模型可通過輸入不同制熱量和制冷量來模擬汽車空調(diào)不同控制狀態(tài)下的乘員艙熱負荷。

乘員艙；熱負荷；瞬態(tài)模型

前言

近年來，隨著仿真技術的不斷成熟，尤其是matlab模型憑借其較高的準確性、較好的可擴展性而被廣泛應用于汽車設計中。汽車乘員艙（以下簡稱乘艙）熱負荷狀態(tài)作為汽車空調(diào)設計的重要參考因素，通常采用常規(guī)計算和實車測定來得到。常規(guī)計算時，為簡化計算，一般僅考慮影響較大的環(huán)境參數(shù)，所得結果誤差較大。實車測量時，工作量和數(shù)據(jù)量較大，可讀性較差。而仿真模型則兼顧了準確性和可讀性兩方面。采用matlab建立仿真模型，已成為整車熱負荷狀態(tài)計算的重要手段。

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本文使用matlab的Simscape模塊建立乘艙的熱力瞬態(tài)模型，模型中將乘艙對稱分為左右兩部分，左側(cè)與右側(cè)的空氣均劃分為11個氣團，分別為前擋風玻璃氣團、前門玻璃表面氣團、前座上部氣團、前座中部氣團、前座底部氣團、后門表面氣團、后座上部氣團、后座中部氣團、后座底部氣團、尾部氣團及尾門表面氣團。用氣團之間的對流傳質(zhì)以及氣團與車座、車內(nèi)包絡面之間的對流換熱來建立車內(nèi)的熱負荷瞬態(tài)模型。圖1是氣團之間對流傳質(zhì)以及氣團與車座之間對流換熱的原理圖。

圖1 氣團之間對流傳質(zhì)以及氣團與車座之間對流換熱的原理圖

采用simscape中相應的模塊分別表示氣團，玻璃，車座以及對流傳質(zhì)過程，搭建初始的車內(nèi)熱負荷模型如下圖：

圖2

2 自定義模塊

Simscape自帶的模塊并不能滿足乘艙熱負荷建模的要求，因此需要采用simscape語言自定義一些模塊。

2.1 環(huán)境模塊

模型中汽車空調(diào)的熱風/冷風從出風口進入乘艙，從車尾離開乘艙進入環(huán)境。Simscape自帶的環(huán)境參考模塊默認溫度為 20℃，因此需要修改環(huán)境參考模塊使其能夠設定環(huán)境溫度。

2.2 出風口模塊

Simscape自帶的風量模塊的出風溫度和出風量為常量，但汽車實際的出風溫度和出風量不斷變化。自定義的出風口模塊可以從matlab的workspace中讀取隨時間變化的出風溫度和出風量。出風量模塊如圖所示，圖3中分別從workspace中讀取溫度和流量值傳遞到風量模塊，從而設定出風溫度和出風量。

圖3

2.3 輻射模塊

Simscape中自帶的輻射模塊過于簡單，無法直接使用。汽車在行駛過程中接收的太陽的輻射不僅與太陽輻射強度、太陽高度角和方位角有關，而且相同太陽輻射條件下汽車不同部件接收的太陽輻射也不同，所以必須針對汽車不同部件設計不同的輻射模塊。由于太陽輻射的影響，車外的綜合空氣溫度比環(huán)境溫度高，對計算車外包絡面與環(huán)境的對流換熱有影響，因此輻射模塊同時計算車外綜合空氣溫度。

1）車外表面收到的輻射= 太陽直接輻射+天空散射輻射+地表反射的太陽輻射

其中Idir是太陽照射在水平面的直接輻射，I是太陽入射角，θ是任意表面的傾斜角，β是太陽高度角，γ是太陽表面方位角，太陽偏向車輛左側(cè)時為正，右側(cè)為負。

其中I-sca是水平面上的天空散射輻射

其中ρ是地面發(fā)射率，一般取為0.2

2）車外表面吸收的太陽輻射

其中S是外表面面積，α是外表面吸收率，ε是外表面發(fā)射率

3）車外空氣綜合溫度：由于太陽輻射的原因，車體外表面的空氣溫度提高，不能簡單用環(huán)境溫度代替。

其中T-atm是環(huán)境溫度，ρ是車體外壁的吸收率，αw是車體外側(cè)對流換熱系數(shù)，ε是車外表面的長波輻射系數(shù)，約為0.98，△R是車外表面向外界發(fā)射的長波輻射和由天空及周圍物體外表面的長波輻射之差，對于車頂一般取 3.5~4℃，而車底則由地面長波輻射與車底長波輻射之差來計算△R，其他車外平面取0。

4）車內(nèi)部件收到的輻射

儀表板收到的輻射：

其中ω是儀表板收到的輻射占前擋風玻璃透射的總輻射的比例，其余的輻射投射到前車座和車門，儀表板反射的輻射全部傳到車頂。其中d為儀表板的寬度，l為前擋風玻璃的寬度前車座收到的輻射：

其中ε是車座收到的輻射占前擋風玻璃透射的總輻射的比例

車頂內(nèi)部收到的輻射為儀表板和車座反射輻射的總和。

人體散熱量按照頭部30W，身體60W，腿部37W共117W分別加入上部、中部和底部氣團。

自定義輻射模塊如下圖：

圖4 自定義輻射模塊

2.4 建立乘艙瞬態(tài)模型

在初始乘艙熱負荷模型的基礎上完善乘艙外包絡面，采用自定義部件并對稱建立汽車左右側(cè)模型，如圖5所示。

圖5

3 標定過程

3.1 確定模型中固定量

先結合車輛的數(shù)模，確定模型中各個部件的尺寸。然后根據(jù)汽車部件的材料確定其導熱系數(shù)、比熱容，透射率、反射率等屬性。為保證其準確性，后續(xù)的模型標定中還需要進一步修改。如下是模型中估算的部分材料熱物性參數(shù)：

表1 熱物性參數(shù)

3.2 變量標定

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)標定不同工作模式以及不同工況點對應的對流換熱系數(shù)，采用插值法確定所有工況點對應的對流換熱系數(shù)。

1）通過實驗獲取汽車在夜晚怠速工況下的運行數(shù)據(jù)，然后設定模型中各部件及氣團的初始溫度以及環(huán)境溫度。

2）將實驗采集的出風溫度和出風量轉(zhuǎn)換單位后輸入到模型

3）從鼓風機供應商獲取鼓風機電壓與各出風口風量的關系曲線，如圖六是制冷模式下，左、左中、右中、右共4個出風口鼓風機電壓與各出風口風量的對應數(shù)據(jù)。

圖6 出風口風量

從圖中可以看出，出風量與鼓風機電壓基本成正比。通過擬合的曲線將實驗數(shù)據(jù)中的鼓風機電壓值轉(zhuǎn)換為各出風口的出風量輸入到模型中。

4）運行模型得到模型中的氣團溫度變化，與實驗的實際溫度變化對比，從中查找原因，修改對流換熱系數(shù)以及汽車車身、座椅等部件的物性參數(shù)。

圖7 前座上部氣團與前座中部氣團

上圖為模型中前座上部氣團與前座中部氣團的仿真數(shù)據(jù)，對比實驗數(shù)據(jù)，其變化趨勢及數(shù)據(jù)滿足要求。

3 結論

本文主要介紹了使用matlab的simscape模塊建立乘艙熱負荷模型的方法，通過建立自定義模塊，實現(xiàn)模型的可擴展性，并結合實驗數(shù)據(jù)來標定模型參數(shù)，最終滿足仿真數(shù)據(jù)的準確性和實用性要求。

[1] 王廣軍,辛國華.熱力系統(tǒng)動力學及其應用.[M]科學出版社,1997.9.

[2] 劉楚蕓,倪莉,李磊. 制冷系統(tǒng)熱力計算模塊設計.[J] 低溫工程.2001, 5 (123):58-61.

Modeling and Simulation of heat load of automobile cabin based on MATLAB

Li Jianmin, Wu Liuyan, You Baofeng
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

In this paper, the basic structure of the thermal load transient model of the automobile cabin is established by using the Simscape module of matlab. The model can be used to simulate the heat load of the cabin under different control conditions of the automobile air conditioner by inputting different heat and cooling capacity.

automobile cabin; thermal load; transient model

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-142-03

U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-142-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.047

李建民，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。