混合动力汽车热管理系统一维联合仿真建模方法与流程

based system engineering)仿真建模方法，采用多系统集成、多维度仿真、多物理场耦合的建模方法，建立包括驾驶员、车辆、发动机、动力驱动、动力电池、电机、电气电控、空调系统、乘员舱、能量管理控制和热管理控制等模块的混合动力汽车整车能量管理与热管理耦合的一维联合仿真模型，实现动力模型、电模型、热模型、流动模型、控制模型的耦合，模拟混合动力汽车在实际驾驶循环工况和各种环境条件下化学能、动能、电能、热能之间的相互转化，车辆运行模式切换、换挡、功率和扭矩分配、制动能量回收，各种热源的产热量，关键部件的温度，冷却液和制冷剂等传热介质的温度及流动状态等信息。通过整车热管理与能量管理耦合模拟，实现混合动力汽车从整体到局部的能量管控，用于指导整车层级的热管理系统集成设计、系统部件选型匹配、敏感性参数分析、能量管理与热管理控制策略优化、能耗与续驶里程分析和预测等。
7.本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种混合动力汽车热管理系统一维联合仿真建模方法，包括以下步骤：
8.步骤1：将混合动力汽车的物理实体按照整车能量管理的要求进行逐级划分，直至划分为零部件的组成；
9.步骤2：根据划分结果，按照零部件、总成、子系统、整车的顺序逐级对物理实体进行系统建模，并根据整车能量管理构建整车能量管理系统模型和能量管理控制模型；同时，根据整车的热管理系统建立热管理系统模型和热管理控制模型；然后，将整车能量管理系统模型及其控制模型和热管理系统模型及其控制模型进行关联和集成；
10.其中，物理实体进行系统建模具体包括动力驱动系统一维仿真建模、电气系统一维仿真建模、发动机冷却系统一维仿真建模、电机电控冷却系统一维仿真建模、动力电池热管理系统一维仿真建模、空调系统一维仿真建模、乘员舱一维仿真建模、热管理系统控制仿真建模、以及整车能量管理与热管理系统一维集成仿真建模；
11.步骤3：对步骤2中关联和集成后的模型，进行能量转化模拟，热源的产热量模拟，能量流传递与分布模拟，热量传递模拟，传热介质的温度、流动状态、传热与散热模拟，乘员舱传热模拟，通过数据与信号传输技术实现热管理各子系统之间、整车能量管理与热管理系统之间的关联以及数据和信息的交互，实现混合动力汽车从整体到局部的能量管控；
12.步骤4：记录模拟过程中的数据和信息，并根据模拟过程中的数据和信息对建立的各个模型进行调整，用于指导整车层级的热管理系统集成设计、系统部件选型匹配、敏感性参数分析、能量管理与热管理控制策略优化、能耗与续驶里程分析和预测。
13.下面对上述步骤进行详细说明，针对混合动力汽车的热管理系统，基于整车能量管理思想建立热管理多系统多性能目标集成仿真模型，具体包括以下技术内容：
14.(1)总体技术方案。本发明采用基于模型的系统工程以及系统解耦的建模方法，按照零部件
→
总成
→
子系统
→
整车的逐级建模流程，由简入繁、逐层递进，利用仿真软件建立与混合动力汽车物理实体相匹配、相一致的整车能量管理与热管理耦合仿真模型，包括动力驱动系统模型、电气系统模型、热管理各子系统模型(如，发动机冷却系统模型、电机电控冷却系统模型、电池热管理系统模型、空调系统模型等)、乘员舱模型、能量管理控制模型和热管理系统控制模型等，模拟动态驾驶循环工况和各种环境条件下混合动力汽车中化学能、动能、电能、热能之间的相互转化，模拟发动机、变速箱、驱动电机、电气部件、动力电池等各种热源的产热量，模拟动力驱动系统、电气系统、热管理系统之间的能量流传递与分
布，模拟热管理系统中部件内部及部件之间的热量传递，模拟冷却液和制冷剂等传热介质的温度、流动状态、传热与散热，模拟乘员舱与内部空气、乘员舱与外界环境以及乘员舱与空调系统之间的传热等。通过数据与信号传输技术实现热管理各子系统之间、整车能量管理与热管理系统之间的关联以及数据和信息的交互，通过能量管理控制模型实现车辆运行模式切换、换挡、功率和扭矩分配、制动能量回收等控制功能，通过热管理控制模型实现发动机冷却、电机与电控冷却、动力电池冷却与加热、乘员舱温度调节等控制功能，通过能量管理与热管理的协同控制实现混合动力汽车从整体到局部的能量综合管理与控制。
15.(2)混合动力汽车动力驱动系统一维仿真建模。建立一维模拟的混合动力汽车动力驱动系统模型包括但不限于驾驶员模型、车辆模型、发动机模型、传动机构模型、驱动电机模型、车辆控制器vcu模型等。
16.建立驾驶员模型时，驾驶员模拟参数包括加速和制动信号、车辆循环工况、换挡策略等；
17.建立车辆模型时，车辆模拟参数包括环境参数、整车质量、整车风阻、迎风面积、轮胎参数及制动力等；
18.建立发动机模型时，发动机模拟参数包括发动机的冲程、排量、缸数、外特性数据、油耗率数据、ecu控制单元数据等；
19.建立传动机构模型时，传动机构模拟参数包括齿轮的结构参数、传动比、传动效率、离合器性能数据等；
20.建立驱动电机模型时驱动电机模拟参数包括电机类型、电机的最大电流和扭矩、电机和电机控制器的效率map等；
21.建立车辆控制器vcu模型时，车辆控制器vcu模拟参数包括车辆运行模式切换策略、功率和扭矩分配策略、制动能量回收策略等。
22.(3)混合动力汽车电气系统一维仿真建模。建立一维模拟的混合动力汽车电气系统模型包括高压电气部件和低压电气部件两部分建模，高压电气部件包括动力电池、dc/dc转换器、驱动电机、ptc加热器、电动压缩机等，低压电气部件包括低压蓄电池、电子风扇电机、电子水泵电机、鼓风机电机以及其它汽车用电设备(如灯光、仪器仪表、娱乐、多媒体、雨刮器等)的供电和控制装置。建立电气系统模型时，电气系统模拟参数包括：动力电池的电压和内阻随soc、温度及电流的变化关系；dc/dc转换器的效率；ptc加热器的输入电压、电流和效率；低压蓄电池的开路电压和内阻；电子风扇、电子水泵、鼓风机、压缩机及其它电气负载工作时的输入电压、电流和效率等。
23.(4)混合动力汽车发动机冷却系统一维仿真建模。发动机冷却系统的部件包括但不限于发动机水套、水泵、节温器、水散热器、机油冷却器、涡轮增压器水套、暖风芯体、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。建立上述部件的模型，然后由部件模型组成发动机冷却系统模型；建立发动机冷却系统模型时，发动机冷却系统模拟参数包括：冷却液类型及物性参数，各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度，水泵的叶轮尺寸、水腔容积及水泵的转速-流量-扬程特性数据，膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力，水散热器、机油冷却器及暖风芯体的结构数据、容积、流阻数据和换热特性数据等，发动机水套和涡轮增压器水套的结构数据、换热面积、容积和流阻数据等，节温器的开度与冷却液温度的关系及节温器的流阻数据。
24.(5)混合动力汽车电机电控冷却系统一维仿真建模。电机电控冷却系统的部件包括但不限于电机水套、电机控制器水套、电子水泵、低温散热器、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。建立上述各个部件的模型，然后由各部件模型组合成电机电控冷却系统模型。
25.建立电机电控冷却系统模型时，电机电控冷却系统模拟参数包括：各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度，电子水泵的叶轮尺寸、水腔容积及水泵的转速-流量-扬程特性数据，电机和电机控制器水套的结构参数、换热面积、容积、流阻数据等，膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力，低温散热器的结构数据、容积、流阻数据和换热特性数据。
26.(6)混合动力汽车动力电池热管理系统一维仿真建模。动力电池热管理系统的部件包括但不限于电芯单体、电池模组、电池整包、电池水冷板、导热硅胶、电子水泵、电池冷却器(chiller)、ptc加热器、三通电磁阀、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。首先建立上述各个部件的模型，然后根据各个部件模型组合成电池热管理系统模型。
27.建立动力电池热管理系统模型时，动力电池热管理系统模拟参数包括：电芯单体的结构数据、质量、材料物性数据、电芯充放电过程中电压和内阻随soc、温度及电流的变化关系；电池模组中电芯的数量、电芯之间和模组之间的连接关系；电池整包中电池模组的数量、安装布局、电池箱体的材料物性、箱体尺寸、换热面积等；水冷板材料的密度、导热系数、比热容、容积、质量、流通截面积、换热面积、流阻数据和换热特性数据等；导热硅胶的密度、导热系数、比热容、厚度、导热接触面积等；电子水泵的叶轮尺寸、水腔容积以及水泵的转速-流量-扬程特性数据；电池冷却器(chiller)内部换热通道的结构数据、单体换热性能试验数据；ptc电热器的电加热功率特性；三通电磁阀的流通截面积、流阻随开度和流量的变化关系；膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力；各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度。
28.(7)混合动力汽车空调系统一维仿真建模。空调系统的部件包括但不限于冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、电子膨胀阀、压缩机、储液罐及连接管路等。首先建立上述各个部件的模型，然后根据各部件模型组合成空调系统模型。
29.建立空调系统模型时，空调系统模拟参数包括：制冷剂的类型、物性参数和充注量；冷凝器芯体、翅片和扁管的结构数据，单体换热性能试验数据；蒸发器芯体、翅片和扁管的结构数据，单体换热性能试验数据；热力膨胀阀在不同开度下的制冷剂压力和流量特性数据；电子膨胀阀在不同开度下的制冷剂压力和流量特性数据；压缩机类型、排量、不同转速和压比下的体积效率、等熵效率和机械效率；储液罐的容积、入口和出口高度及气液初始比例；空调连接管路的管径、长度等。
30.(8)混合动力汽车乘员舱一维仿真建模。乘员舱的部件包括但不限于顶棚、地板、仪表盘、座椅、车门、车窗、后围、侧围等。首先建立上述各个部件的模型，然后根据各部件模型组合成乘员舱模型。
31.建立乘员舱模型时，乘员舱模拟参数包括：乘员舱各组成部件材料的密度、导热系数、比热容、质量、厚度、换热面积以及与水平面的夹角等；车窗玻璃的密度、导热系数、比热容、车窗与水平面的夹角、玻璃投影面积、玻璃的太阳光透射率等；乘员舱组成部件与外部空气的对流换热系数，乘员舱组成部件与内部空气的对流换热系数；乘员舱部件与车身外
部空气和内部空气的热辐射换热数据等。
32.(9)混合动力汽车热管理系统控制仿真建模。进行仿真模拟的混合动力汽车热管理系统控制包括但不限于发动机冷却控制、电机电控冷却控制、动力电池热管理控制、空调系统控制、乘员舱热舒适性控制以及各种阀门开启关闭或开度的控制等。发动机冷却控制包括：节温器开度-温度控制、风扇转速控制等；电机电控冷却控制包括：电子水泵转速控制，风扇转速控制等；动力电池热管理控制包括：电子水泵转速控制，电子膨胀阀开启温度控制，ptc电加热功率控制等；空调系统控制包括：电动压缩机转速控制，电子膨胀阀开度控制，风扇转速控制等；乘员舱热舒适性控制包括：鼓风机转速控制，内外循环风比例控制等。
33.(10)混合动力汽车整车能量管理与热管理系统一维集成仿真建模。对前述整车动力驱动系统、电气系统、热管理系统和控制系统仿真模型进行关联和集成。
34.发动机冷却系统与车辆动力驱动系统中的发动机模型相关联，根据车辆动力驱动模型计算出的发动机转速和扭矩，查发动机热平衡试验数据map表得到发动机水套的散热量。
35.动力电池热管理系统与电气系统和动力驱动系统模型相关联，通过车辆动力驱动模型计算出动力电池需要输出的电压和电流等，进而确定动力电池的发热量和温度。
36.动力电池热管理系统还与空调系统通过chiller相关联，根据动力电池的冷却需求确定空调系统压缩机转速和电子膨胀阀开度等。
37.电机电控冷却系统与电气系统和整车动力驱动系统模型相关联，通过车辆动力驱动模型计算出驱动电机需要输出的转速和扭矩，根据电机与电机控制器的效率map确定电机电控冷却系统的发热量和散热量需求。
38.空调系统与乘员舱模型相关联，通过空调系统模型计算出蒸发器出口冷空气温度和流量，为乘员舱模型提供温度和流量等仿真边界条件。
39.车辆控制器vcu模型与整车动力驱动系统模型相关联，为车辆动力性能模拟提供运行模式切换、轮端需求功率和扭矩、换挡控制策略、制动能量回收策略等。
40.热管理控制系统模型与热管理各子系统相应的控制执行器相关联，为电子水泵、电子风扇、压缩机、电子膨胀阀、阀门、鼓风机、内外循环风门、ptc加热器等电控部件提供控制信号。
41.(11)在采用仿真软件建立混合动力汽车能量管理与热管理系统集成仿真模型时，为降低参数输入时出错的概率，将各系统和部件仿真模型中的相同参数设为全局变量，并通过自定义字符代替此全局变量，仿真时赋予该字符相对应的数值。各系统或模块的模型关联时需要传输大量的参数和信息，为了避免仿真模型图混乱繁杂，更加简洁和美观，采用了大量无需线条连接的信号发送和接收元件。本发明整车能量管理与热管理一维集成仿真模型非常复杂，为了使图像区的仿真模型看起来更加简洁和美观，可将一些关联性较强的元件合并成一个新的复合元件，用新的元件图标代替，但整体功能不变。
42.(12)集成仿真模型可以进行稳态和瞬态模拟，稳态模拟针对不同恒定的车速工况、爬坡度、环境温度等条件和运行要求仿真，瞬态模拟针对不同车速循环工况、不同道路爬坡度变化、不同环境温度变化等条件和运行要求仿真。
43.本发明的有益效果是：本发明提供的一种混合动力汽车热管理系统一维仿真建模方法，利用仿真软件对混合动力汽车涉及能量管理的动力驱动系统、电气系统和热管理系
统等一维建模，通过对各系统、部件相关联和集成，充分考虑了热管理与整车能量管理之间的实际联系及相互影响，进行能量管理和热管理的联合仿真，实现了混合动力汽车动力模型、电模型、热模型、流动模型、控制模型的耦合，仿真模型更全面，也更接近真实的混合动力汽车运行状态。通过该一维能量管理集成热管理仿真，能够系统全面地模拟混合动力汽车在瞬态工况和不同环境条件下化学能、动能、电能、热能之间的相互转化，车辆运行模式的切换、换挡、功率和扭矩的分配以及制动能量回收，热管理系统或部件的热状态、能耗及续驶里程预测等。实现发动机、变速箱、驱动电机、电气部件、动力电池等热源的产热量模拟；实现对发动机冷却系统、电池热管理系统、电机与电控冷却系统、空调系统等内部流体的流量、压力、温度、各主要部件的压力损失等流动状态的模拟分析，同时能够实现各部件固体温度的模拟分析；实现乘员舱与内部空气、乘员舱与外界环境以及乘员舱与空调系统之间的传热等模拟。仿真过程能够通过批处理方式对某一个或多个敏感性参数以及一组或多组敏感性参数进行仿真和分析对比，并最终确定较优的单个方案或多个方案的组合。一维能量管理集成热管理联合仿真方法能够与优化软件结合，通过对单一或多个参数的分析，实现对热管理系统单一目标或多目标的最优化设计。本发明实现了混合动力汽车能量管理和热管理多个系统及部件的一维集成仿真，各系统能独立运行，集成方式简洁，集成仿真分析更全面、更贴合汽车实际运行工况。
44.本发明集成仿真可以进行稳态和瞬态模拟，稳态模拟针对不同恒定的车速、坡度、环境温度仿真，瞬态模拟针对不同的环境温度和行驶工况要求仿真，如整车高低温热平衡仿真、驾驶室采暖或降温仿真等。通过该联合仿真模型，真正实现整车能量管理和热管理的深度耦合，可以预测热管理系统内部流体和固体部件的温度、热管理系统部件的能耗等随车辆行驶工况和时间的变化以及整车能量流的分布等，准确定位关键部件的性能缺陷，识别热管理系统匹配问题，优化整车能量管理和热管理的控制策略，最终实现混合动力汽车从整体到局部的能量流综合管控，改善混合动力汽车燃油经济性、动力性、热安全性、热舒适性的效果。
附图说明
45.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
46.图1为本发明混合动力汽车热管理系统仿真开发流程图。
47.图2为本发明基于能量管理的混合动力汽车集成热管理仿真模型的拓扑图。
48.图3为本发明混合动力汽车动力驱动系统和电气系统的原理图。
49.图4为本发明混合动力汽车热管理系统的原理图。
50.图5为本发明混合动力汽车一维集成热管理系统仿真方法流程图。
51.图6为本发明混合动力汽车能量管理和热管理集成一维仿真模型。
52.图7为图6中动力驱动系统和电气系统一维仿真模型的放大示意图。
53.图8为图6中发动机冷却系统一维仿真模型的放大示意图。
54.图9为图6中电机电控冷却系统一维仿真模型的放大示意图。
55.图10为图6中空调、电池与乘员舱一维仿真模型的放大示意图。
56.图11为图6中整车能量管理和热管理控制仿真模型的放大示意图。
具体实施方式
57.现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
58.如图1和图2所示，本发明的一种混合动力汽车热管理系统一维仿真建模方法，包括以下建模过程：
59.(一)建立混合动力汽车整车能量管理一维仿真模型
60.(1)混合动力汽车整车能量管理一维模型主要包括动力驱动系统模型和电气系统模型，既可以模拟分析整车的动力性和经济性，还可以模拟整车能量流分布，同时为热管理模型提供车辆运行工况、功率和扭矩分配、电气部件电量需求、动力总成的转速等仿真的输入边界。混合动力汽车动力驱动系统包括但不限于驾驶员、车辆、发动机、传动机构、驱动电机、车辆控制器vcu等。混合动力汽车电气系统包括高压电气部件和低压电气部件两部分，高压电气部件包括动力电池、dc/dc转换器、驱动电机、ptc加热器、电动压缩机等，低压电气部件包括低压蓄电池、电子水泵电机、电子风扇电机、鼓风机电机以及其它汽车用电设备(如灯光、仪器仪表、娱乐、多媒体、雨刮器等)的供电和控制装置。
61.(2)混合动力汽车动力驱动系统模拟参数包括，驾驶员模拟参数：加速和制动信号、车辆循环工况、换挡策略等；车辆模拟参数：环境参数、整车质量、整车风阻、迎风面积、轮胎参数及制动力等；发动机模拟参数：发动机的冲程、排量、缸数、外特性数据、油耗数据、ecu控制单元数据等；传动机构模拟参数：齿轮的结构参数、传动比、传动效率、离合器性能数据等；驱动电机模拟参数：电机类型、电机输入最大电流和扭矩、电机和电机控制器的效率map数表等；车辆控制器vcu模拟参数：车辆运行模式切换策略、功率和扭矩分配策略、制动能量回收策略等。
62.(3)混合动力汽车电气系统模拟参数包括，动力电池的电压和内阻随soc、温度及电流的变化关系，dc/dc转换器效率，ptc输入电压、电流和效率，低压蓄电池的开路电压和内阻，电子水泵、电子风扇、鼓风机、压缩机及其它电气负载工作时的电压、电流和效率等。
63.(4)按照图3所示的混合动力汽车驱动系统的组成和连接原理图搭建整车动力驱动系统模型(见图7)。首先将车辆、发动机、动力电池、驱动电机和传动机构等部件按照能量流传递路线连接起来，搭建整车能量管理模拟基础平台。驾驶员模型利用信号元件将车辆循环工况、加速和制动信号以及换挡策略等发送给车辆控制器vcu、发动机、驱动电机等部件。车辆控制器vcu模型接收驾驶员模型决策得到的油门或制动踏板开度信号，对驾驶员的操作意图进行解析，结合整车其它部件的状态信号，根据整车能量管理策略(如功率和扭矩分配策略、制动能量回收策略)确定车辆最佳的运行模式，如ev纯电动驱动模式、发动机驱动模式、混合动力驱动模式、制动能量回收模式，最后向发动机、动力电池、驱动电机等部件输出相应的控制信号。
64.(5)按照图3所示的混合动力汽车电气系统的组成和连接原理图搭建整车电气系统模型(见图7)。在电气系统模型中采用电压、电流信号元件代替实际的高低压线束，将各高压和低压电气部件进行关联，模拟电流从动力电池、低压蓄电池、dc/dc转换器等向各种电气负载的流动。
65.(6)将动力驱动系统模型和电气系统模型进行关联和集成，搭建混合动力汽车整车能量管理模型。选择各组成部件的数学模型，数学模型主要根据收集的模型输入数据类
型，以及需要解决或关注的具体问题来选择相应的数学模型。例如，驾驶员模型有自动变速器、自动手动变速器、手动变速器等子模型，发动机模型有发动机类型、基于试验数据的数表模型以及不同维度的燃烧模型等，动力电池模型有简单r-c等效电路模型、准稳态电池模型、动态电池模型以及电池电化学模型等，电机模型有电机类型、电机模拟方法等可供选择。
66.(7)完成数学模型选择之后，进入参数输入环节。驾驶员模型输入参数包括：车速随时间的变化，加速和制动对应的油门踏板信号，换挡控制策略等。车辆模型输入参数包括：环境温度和压力、整车质量、风阻、迎风面积、轮胎参数、滑行阻力特性、前后车轮的制动力等。发动机模型输入参数包括：发动机的冲程、排量、缸数等结构参数，外特性数据，油耗数据，ecu控制单元数据等。动力电池模型输入参数包括：结构数据、动力电池的电压和内阻随soc、温度及电流的变化关系。传动机构模型输入参数包括：传动齿轮的结构参数、传动比、传动效率、离合器的最大摩擦力矩等。驱动电机模型输入参数包括：电机类型、电机最大电流和电压、电机和电机控制器的效率map等；车辆控制器vcu模型输入参数包括：车辆运行模式切换策略、功率和扭矩分配策略、制动能量回收策略等。
67.(8)参数设置完成后，通过迭代计算，求解相应的动量方程、能量方程，最终得到并确认整车能量管理模型仿真结果在合理的范围。
68.(二)建立混合动力汽车热管理系统一维仿真模型
69.如图4所示，按照该图构建混合动力汽车热管理系统一维仿真模型。本发明混合动力汽车热管理系统一维仿真模型包括：
70.(1)建立混合动力汽车发动机冷却系统一维仿真模型
71.①
发动机冷却系统的部件包括但不限于发动机水套、水泵、节温器、散热器、机油冷却器、涡轮增压器水套、暖风芯体、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。发动机冷却系统模拟参数包括：冷却液类型及物性数据，各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度，水泵的叶轮尺寸、水腔容积以及水泵的转速-流量-扬程特性数据，膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力，散热器、机油冷却器及暖风芯体的结构数据、容积、流阻数据、换热特性数据，发动机水套和涡轮增压器水套的结构数据、换热面积、容积和流阻数据等，节温器的开度与冷却液温度关系及节温器的流阻数据。
72.②
如图4所示，按照热管理系统原理图构建发动机冷却系统一维模型(见图8)。本发明优选实施例，发动机驱动的离心式水泵驱动冷却液流入发动机缸体和缸盖水套，同时水泵出口处有通道连接到发动机油冷器和传动机构油冷器，冷却液经过发动机油冷器后回流到散热器前进水管路，冷却液经过传动机构油冷器后回流到节温器总成的进水管路。从发动机缸体水套上引出一个支路，冷却液流经涡轮增压器水套后回流到水泵前的进水管路，水套出口处连接着膨胀水壶、暖风芯体、散热器。暖风芯体和散热器的冷却液回水最终都连接到节温器总成的进水管路，节温器根据冷却液温度高低，打开或关闭冷却液通向散热器的通道。当冷却液温度足够高时，节温器阀门打开，来自散热器的冷却液经节温器流回到水泵入口。
73.③
完成发动机冷却系统仿真模型搭建后，根据仿真模型中冷却部件的类型及输入数据等选择相应的数学模型，然后进入参数输入环节。发动机冷却系统各连接管路尺寸以实物为准，同时需要设定各冷却部件的流动阻力数据，如输入恒定的压力损失系数、等效流
通截面积、换热面积或者压力损失与冷却液流量的关系数据。本发明所涉及仿真方法优选案例中需要设定发动机水套、涡轮增压器水套、发动机油冷器、传动机构油冷器、暖风芯体、水散热器、节温器等部件的压力损失与冷却液流量的关系数据。发动机油冷器、传动机构油冷器、暖风芯体及水散热器等换热元件需要定义换热特性数据，如输入换热系数，换热器的换热量与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式，或者输入各换热器的换热量随液侧(如冷却液、润滑油)流量&空气侧流速的试验数据。本发明仿真方法优选案例优先选择换热器的换热特性试验数据作为输入。节温器可以通过输入开度(升程)随冷却液温度的变化数据，以及节温器在不同冷却液温度和开度下压力损失随冷却液流量的变化数据，模拟节温器的热特性和流阻特性。水泵特性数据选择水泵的转速-流量-扬程试验数据作为输入。
74.参数设置完成后，通过不同工况的迭代计算，求解连续性方程、动量方程和能量方程，最终得到并确认发动机冷却系统不同部件的流量、压力、温度、散热量等结果在合理范围。
75.(2)建立电机电控冷却系统一维仿真模型
76.①
电机电控冷却系统的部件包括但不限于电机水套、电机控制器水套、dc/dc&充电机水套、电子水泵、低温散热器、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。电机电控冷却系统模拟参数包括：各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度，电子水泵的叶轮尺寸、水腔容积以及水泵的转速-流量-扬程特性数据，电机和电机控制器水套的结构参数、换热面积、容积、流阻数据等，膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力，低温散热器的结构数据、流阻数据和换热特性数据。
77.②
电机电控冷却系统中各部件一般为串联关系，冷却液由电子水泵驱动依次流经电机控制器水套、dc/dc&充电机水套、电机水套、膨胀水壶、低温散热器。按照电机电控冷却系统组成构建一维模型(见图9)，仿真模型搭建完成后，需要选择各组成部件的数学模型，方法同发动机冷却系统部件数学模型的选择。
78.③
完成电机电控冷却系统一维仿真数学模型的选择后，进入参数输入环节。冷却系统各连接管路尺寸以实物为准，同时需要设定各冷却部件的流动阻力数据，如输入恒定的压力损失系数、等效流体截面积、换热面积或者压力损失与冷却液流量的关系数据。需要设定电机水套、电机控制器水套、dc/dc&充电机水套、低温散热器等部件的压力损失与冷却液流量的关系数据。低温散热器需要定义换热特性数据，如输入换热系数，换热器的换热量与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式，或者输入各换热器的换热量随冷却液流量&空气侧流速的试验数据。本发明仿真方法优选案例优先选择换热器的换热特性试验数据作为输入。电子水泵特性数据选择水泵的转速-流量-扬程试验数据作为输入。
79.参数设置完成后，通过不同工况的迭代计算，求解连续性方程、动量方程和能量方程，最终得到并确认电机电控冷却系统不同部件的流量、压力、温度和散热量结果在合理范围。
80.(3)建立动力电池热管理系统一维仿真模型
81.①
动力电池热管理系统的部件包括但不限于电芯单体、电池模组、电池整包、电池水冷板、导热硅胶、电子水泵、chiller、ptc加热器、三通电磁阀、膨胀水壶以及各部件之间的连接管路等。动力电池热管理系统模拟参数包括：电芯单体的结构参数、质量、材料物性参数、充放电发热特性等；电池模组中电芯的数量、电芯之间和模组之间的连接关系；电池
整包中电池模组的数量、安装布局、电池箱体的材料物性、箱体尺寸、换热面积等；水冷板材料的密度、导热系数、比热容、容积、质量、流通截面积、换热面积、流阻数据和换热特性；导热硅胶的导热系数、比热容、导热接触面积、厚度等；电子水泵的叶轮尺寸、水腔容积以及水泵的转速-流量-扬程特性数据；chiller内部换热通道的结构数据、流阻数据及单体换热性能试验数据等；ptc的电加热功率特性；膨胀水壶的尺寸、容积、压力盖泄压压力；各部件之间连接管路的管径、管长、弯度及管道内壁粗糙度。
82.②
根据图4所示的热管理系统原理图构建动力电池热管理系统一维模型(见图10)。本发明优选实施例中，通过一个三通电磁阀实现余热利用，当低温下电池需要加热时，三通电磁阀连通电池热管理回路和电机电控冷却回路，利用电机电控冷却回路的热量加热动力电池，进而减少ptc加热器的使用，降低系统的电耗；当高温下电池需要冷却时，三通电磁阀切换到chiller冷却器一端，利用chiller将冷却液和空调冷媒进行热交换，达到电池冷却的目的。动力电池的热管理模型包括两部分，一是电池包产热模型，二是电池包传热模型。本发明以液冷电池包为例，产热模型可以模拟电芯单体、电池模组或电池整包的瞬态发热量，为传热模型提供发热量边界；传热模型涉及到电池电芯与导热硅胶间的导热，导热硅胶与水冷板间的导热，水冷板与冷却液间的对流换热，以及电池箱体与空气之间的对流换热和热辐射等。根据实际仿真需要，设置电池包中的电芯、水冷板、导热硅胶、电池模组、电池箱体等组成部分的集中热质量块，模拟电池包本体热容和温度。
83.③
动力电池热管理系统仿真模型搭建完成后，需要选择各组成部件的数学模型。数学模型主要根据模型的复杂程度，收集的动力电池热管理系统输入数据类型，以及需要解决或关注的具体问题来选择相应的数学模型。本发明优选实施例中，动力电池的产热模型包括但不限于简单r-c等效电路产热模型、电池准稳态产热模型、电池动态产热模型以及电池电化学产热模型，本发明仿真方法优选案例优先选择电池动态产热模型。
84.④
完成动力电池热管理系统仿真数学模型的选择后，进入参数输入环节。电池热管理系统各连接管路尺寸以实物为准。电池包内部水冷板的输入参数包括，水冷板的材料属性、密度、导热系数、比热容、储液容积、质量、流通截面积、换热面积、流阻数据等，水冷板的换热系数与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式。chiller作为动力电池的关键换热元件，需要定义结构数据和换热特性数据，结构数据包括chiller内部冷却液侧和制冷剂侧流道的流通截面积、换热面积、容积等，换热特性数据包括chiller的换热系数与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式，其中关联公式通过chiller单体性能试验数据进行标定后确认。传热模型中的导热模型需要输入不同导热材料的密度、质量、比热容、导热系数、热传导距离及导热接触面积等。电池包与空气之间的对流换热和辐射换热需要输入对流和辐射换热面积，冷却空气的温度和流速，辐射吸收因子以及换热系数与空气的努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式。电子水泵特性数据选择水泵的转速-流量-扬程试验数据作为输入。
85.参数设置完成后，通过不同工况的迭代计算，求解连续性方程、动量方程和能量方程，最终得到并确认动力电池热管理系统的流量、压力、温度和换热量结果在合理范围。
86.(4)建立混合动力汽车空调系统一维仿真模型
87.①
空调系统的部件包括但不限于冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、电子膨胀阀、压缩机、储液罐及连接管路等。空调系统模拟参数包括：制冷剂的类型、物性参数和充注量；冷凝
器芯体、翅片和扁管的几何结构数据，单体换热性能试验数据；蒸发器芯体、翅片和扁管的几何结构数据，单体换热性能试验数据；热力膨胀阀在不同开度下的制冷剂压力和流量特性；电子膨胀阀在不同开度下的制冷剂压力和流量特性；压缩机类型、排量、不同转速和压比下的体积效率、等熵效率和机械效率等；储液罐的容积、入口和出口高度及气液初始比例；空调连接管路的管径、长度等。
88.②
根据图4所示的热管理系统原理图，按照空调系统的组成部件及连接关系构建空调系统一维模型(见图10)。本发明优选实施例中，空调回路包括，电动压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、电子膨胀阀、蒸发器、储液罐和连接管路。通过热力膨胀阀控制空调系统主回路内制冷剂的流量和压力；通过电子膨胀阀控制进入电池冷却器chiller内制冷剂的流量和压力。空调系统和电池热管理系统通过chiller进行耦合，并实现热交换。
89.③
空调系统仿真模型搭建完成后，需要选择各组成部件的数学模型。本发明优选实施例中，热力膨胀阀选择用四象限图信息数表描述的子模型；压缩机选择电控变排量压缩机类型；电子膨胀阀可以用一个等效可变节流孔加控制器来模拟；冷凝器、蒸发器、和储液罐等部件的结构和类型确定之后，相应的数学模型便随之确定。
90.④
完成空调系统仿真数学模型的选择后，进入参数输入环节。空调系统各连接管路尺寸以实物为准。热力膨胀阀模型输入数据包括，制冷剂饱和压力-温度曲线及充注特性曲线，参考温度下蒸发器出口压力与阀门开度的关系曲线，质量流量与阀门开度的关系曲线，质量流量与蒸发器出口温度的关系曲线。电子膨胀阀是按照预设控制策略调节进入chiller制冷剂流量的节流元件，将电子膨胀阀的开度与制冷剂流量和压力的关系以数表map的形式输入电子膨胀阀控制器。冷凝器、蒸发器和chiller作为空调系统的重要换热部件，换热过程存在相变，制冷剂从气态变为液态或者从液态变为气态，输入换热部件的结构参数只是建模的第一步，还需要利用部件的单体性能试验数据，基于仿真软件的标定工具对冷凝器、蒸发器和chiller的换热特性进行标定，进而确定换热部件的换热系数与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式。储液罐所需参数包括容积、入口和出口高度，以及气液初始比例等。
91.参数设置完成后，通过不同工况的迭代计算，求解连续性方程、动量方程和能量方程，最终得到并确认空调系统的流量、压力、温度和制冷量等结果在合理范围。
92.(5)建立混合动力汽车乘员舱一维仿真模型
93.①
乘员舱的部件包括但不限于车门、地板、仪表盘、座椅、车窗、顶棚、后围、侧围等。乘员舱模拟参数包括：乘员舱各组成部件材料的物性参数(密度、导热系数、比热容)、质量、换热面积、厚度、与水平面的夹角等；车窗玻璃的与水平面的夹角、投影面积、太阳光透射率；乘员舱组成部件与外部空气的对流换热系数，乘员舱组成部件与内部空气的对流换热系数；乘员舱部件与外部空气和内部空气的热辐射参数。
94.②
乘员舱传热模型搭建采用集中参数法，将乘员舱各主要组成部件以热容质量的方式作为仿真模型的元件。乘员舱主要热容质量包括：车门、地板、仪表盘、座椅、车窗、顶棚、后围、侧围等。根据需要可以将乘员舱模型建的更细，例如可以将车门分为前车门、后车门、车门上部、车门下部等区域。乘员舱各热容质量之间、热容质量与乘员舱内部空气和外部空气都存在着相应的导热、对流或辐射换热关系。乘员舱内部空腔可以用两个湿空气容腔表示乘员舱内的前舱和后舱，可以模拟乘员舱内空气与座椅、仪表盘、车窗玻璃、车身内
饰、地板等接触面的对流换热，仿真得到乘员舱前、后排座椅对应两个空腔的平均温度。建模时乘员舱主要部件的换热方式参照如表1所示的换热方式搭建模型。
95.表1乘员舱主要部件的换热方式
[0096][0097][0098]
③
顶棚(不含天窗)从外往内主要有三种材料构成，外钢板、pu板以及内饰的针织面料。顶棚的外钢板主要考虑与太阳的辐射换热以及与车身外部空气的对流换热，同时需要考虑外钢板与pu板之间空气层的换热，pu板与内饰材料之间为热传导，内饰材料与乘员舱内部空气的对流换热。如果顶棚包含天窗部分，还需要考虑太阳光通过天窗透射到乘员舱后与前后排座椅的换热。
[0099]
④
地板从下往上主要有三种材料构成，地板钢板、减震垫、地毯等。地板钢板与汽车底部空气对流换热，地板钢板与减震垫、减震垫与地毯之间存在热传导，地毯与乘员舱内的空气进行对流换热。
[0100]
⑤
车窗玻璃包括前后挡风玻璃、前后车门玻璃和角窗玻璃等部分，车窗玻璃建模主要考虑玻璃与车外部空气和舱内湿空气的对流换热，同时考虑与空气的热辐射以及太阳光照对玻璃的热辐射。
[0101]
⑥
仪表盘由多层不同材料组成，如玻璃钢、塑料、皮革等，由于仪表盘的换热对乘员舱的整体换热影响较小，因此将整个仪表盘简化等效成一个热容质量，主要考虑仪表盘与前挡风玻璃的透射换热以及与前舱空气的对流换热。
[0102]
⑦
前后排座椅主要由皮革、织物等构成，由于座椅的换热对乘员舱的整体换热影响较小，每个座椅分别用一个等效热容质量模拟，主要考虑座椅与乘员舱内空气的对流换热以及太阳光通过不同位置车窗玻璃射之后的透射换热。
[0103]
⑧
车门从外到内依次为外钢板、内钢板、吸音棉及内饰等组成，在外钢板和内钢板之间以及吸音棉与内饰之间均有空气层。外钢板需要考虑太阳的热辐射以及与车外空气的对流换热，外钢板与内钢板通过空气层的对流换热，内钢板与吸音棉之间的热传导，吸音棉与内饰之间空气层的对流换热，内饰与乘员舱内部湿空气进行的对流换热。
[0104]
⑨
后围主要由外钢板、内钢板和内饰构成，侧围主要由外钢板和内饰构成，侧围的外钢板与内饰之间有空气层。侧围的外钢板与太阳进行热辐射换热，与外部空气对流换热，内饰与乘员舱内空气对流换热。后围的外钢板与太阳进行热辐射换热，与外部空气对流换热，外钢板、内钢板及内饰之间均为热传导，内饰与乘员舱内空气对流换热。
[0105]
⑩
乘员舱一维仿真模型搭建完成后(见图10)，需要选择乘员舱各主要部件的换热
数学模型，根据乘员舱部件之间以及部件与汽车内外部空气的换热方式选择对应的数学模型。完成数学模型选择后，进入参数输入环节。输入参数主要包括乘员舱组成部件的结构参数、物性参数及换热相关的参数。例如：乘员舱各组成部件材料的密度、导热系数、比热容等物性参数以及质量、换热面积、厚度、与地平面的夹角等；车窗玻璃的与地平面的夹角、换热面积、水平面上的投影面积、太阳光的透射率等；乘员舱组成部件与外部空气和内部空气的对流换热关联式，各部件之间的导热热阻，乘员舱部件与外部空气和内部空气的热辐射参数。
[0106]
参数设置完成后，通过不同采暖及降温工况的模拟计算，利用实车乘员舱采暖与降温试验数据对乘员舱一维仿真模型进行标定，最终得到并确认乘员舱内空气温度和换热量等结果在合理范围。
[0107]
(6)建立混合动力汽车热管理控制系统仿真模型
[0108]
①
混合动力汽车热管理系统控制主要包括发动机、电机电控、动力电池等总成部件的冷却控制以及空调系统相关部件的控制。被控制对象主要包括电子风扇、电子水泵、电控节温器、电子膨胀阀、三通电磁阀、电动压缩机、ptc加热器、鼓风机、空调箱内外循环风门等。控制目标主要包括发动机的出口冷却液温度、动力电池的进出口冷却液温度和电芯温度、电机的进出口冷却液温度及电机和电控部件的本体温度、蒸发器出风温度和空调系统的最高压力等。本发明优选实施例中，热管理系统的控制对象、控制方式和控制目标参照表2。
[0109]
表2热管理控制对象、控制方式及控制目标
[0110][0111]
②
本发明所述的整车热管理系统的控制实现方式包括但不限于采用matlab/simulink或仿真软件中的控制元件。本发明优选实施例中，热管理控制模型采用仿真软件自带的控制信号元件搭建(见图11)，通过连接到热管理系统各关键部件的信号采集元件，采集热管理系统的冷却液温度和压力以及冷却风扇、电子水泵、电动压缩机、鼓风机等控制部件的转速等信息，根据当前热管理系统的温度、压力和转速等信息，结合目标控制温度和压力，可以通过查阅预先设定好的各个控制对象的占空比控制策略表map，利用控制信号发送元件向各个热管理控制对象输出相应的控制占空比信号。本发明中，热管理仿真模型和控制模型相对独立但又高度集成，热管理控制模型在不同车速、环境温度、动力传动总成和空调系统运行工况下，跟踪监测热管理系统各关键部位的温度、压力等信息，实现热管理实时闭环控制。
[0112]
(三)建立混合动力汽车整车能量管理与热管理系统一维集成仿真模型
[0113]
按照图5所示的方法构建混合动力汽车整车能量管理与热管理系统一维集成仿真模型(见图6)。
[0114]
(1)对前述整车动力驱动系统、电气系统、热管理系统及相关部件的仿真模型进行关联，进行集成仿真。将各系统、部件仿真模型相关联时所涉及的参数为：整车动力驱动系统和电气系统模型传给发动机冷却系统模型、电机电控冷却系统模型、动力电池热管理模型的发动机转速和扭矩、电机转速和扭矩、电池电量和电压需求以及相关部件的产热量等；发动机通过水套传给冷却液的热量，动力电池通过冷板传给冷却液的热量，电机电控部件通过水套传给冷却液的热量；热管理各子系统、空调系统和乘员舱模型中各关键部位的温度、压力。
[0115]
(2)发动机冷却系统与车辆动力驱动系统中的发动机模型相关联，根据车辆动力学模型计算出的发动机转速和扭矩，查发动机热平衡数据表得到发动机水套的散热量。动力电池热管理系统与电气系统和整车动力驱动系统模型相关联，通过车辆动力学模型计算出动力电池需要输出的电压、电流和功率等，进而确定动力电池的发热量和温度。动力电池热管理系统与空调系统通过chiller相关联，根据动力电池的冷却需求确定空调系统压缩机转速和电子膨胀阀开度等。电机电控冷却系统与电气系统和整车动力驱动系统模型相关联，通过车辆动力学模型计算出驱动电机需要输出的转速和扭矩，进而确定电机电控冷却系统的散热量需求。空调系统与乘员舱模型相关联，通过空调系统模型计算出蒸发器出口冷空气温度和流量，为乘员舱模型提供温度和流量等仿真边界条件。车辆控制器vcu模型与整车动力驱动系统模型相关联，为车辆动力性能模拟提供ev模式切换、轮端需求功率和扭矩、换挡控制策略、制动能量回收策略等。热管理系统控制模型与热管理各子系统相应的控制执行器相关联，为电子风扇、电子水泵、电动压缩机、三通电磁阀、鼓风机、电子膨胀阀、ptc电加热、空调箱内外循环风门等电控部件提供控制信号。
[0116]
(3)在采用仿真软件建立混合动力汽车整车能量管理与热管理系统集成仿真模型时，为降低参数输入时出错的概率，将各系统和部件仿真模型中的相同参数设为全局变量，并通过自定义字符代替此全局变量，仿真时赋予该字符相对应的数值。各系统或模块的模型关联时需要传输大量的参数和信息，为了避免仿真模型图混乱繁杂，更加简洁和美观，采用了大量无需线条连接的信号发送和接收元件。本发明整车能量管理与热管理一维集成仿真模型非常复杂，为了使图像区的仿真模型看起来更加简洁和美观，可将一些关联性较强的元件合并成一个新的复合元件，仅产生新图标，整体功能不变。
[0117]
(4)整车能量管理与热管理仿真模型集成完并设置好仿真边界参数后，进行集成仿真计算，求解连续性方程、动量方程和能量方程，最终得到不同车辆行驶工况下热管理系统不同部件各部位的冷却液流量、压力、温度，发动机散热器和低温散热器的传热量和出风温度等，相关总成部件热容质量块的温度，空调系统冷凝器和蒸发器的换热量和出风温度、冷媒压力，乘员舱内空气的平均温度，整车各系统及部件的功耗和电耗量以及能量流分布状况，并确认这些结果在合理的范围内。
[0118]
(5)本发明整车能量管理和热管理一维集成仿真方法，仿真模型不局限于本优选案例的仿真模型，各组成系统和部件的仿真模型还可以更加细化，例如建立含发动机进排气系统在内的完整的燃烧模型，可以根据不同需求能够开展不同环境条件下的模拟，如低
温环境下热管理系统温升过程和乘员舱采暖，高温环境下整车热管理相关系统的热状态。
[0119]
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。