模型研究
赵艺博
(上海市计量测试技术研究院上海201203)
摘要：该文对新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立进行了深入研究，该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模拟R134a、HFO、CO
2
、R290等新型制冷剂加注量。通过该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台的干湿球温度、部件进出口压力、空气流量、制冷量和制热量等技术指标。
关键词：新能源汽车热管理热力学模型温度场
中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1672-3791(2021)11(c)-0058-04 Study on Thermodyna
mic Model of New Energy Vehicle Thermal
Management System Test-bed
ZHAO Yibo
(Shanghai Institute of Metrology and Testing Technology,Shanghai,201203China)
Abstract:In this paper,the establishment of the thermodynamic model of the new energy vehicle thermal man‐agement system test bench is studied in depth.This model can support the refrigeration filling capacity condition, system refrigeration condition,system heating condition,system dehumidification condition and system defrosting
condition,and can simulate the filling capacity of new refrigerants such as R134a,HFO,CO
2
and R290.The model can quickly simulate and calculate the dry and wet bulb temperature,component inlet and outlet pressure,air flow, refrigeration capacity and heating capacity of the new energy vehicle thermal management system test-bed under different working conditions.
Key Words:New energy vehicle;Thermal management;Thermodynamic model;Temperature Field
1背景介绍
我国汽车产业发展迅速，近年来其产销量稳定在2800万辆，虽然传统汽车面临市场困境，但是新能源汽车产销量猛增，2018年产量达123万台，2020年达标产量为288万台，保有量达500万台。与传统燃油汽车相比，新能源汽车（特别是纯电动汽车）难以利用发动机余热作为制热源，只能通过高压电池产生热能，必须在保证安全性的前提下，尽可能提高热效率。因此，新能源汽车热管理系统的性能优劣直接关系到整车的可靠性、安全性和能耗水平。近年来，国内外自主汽车品牌（主要包括一汽、二汽、上汽、吉利、宝马、保时捷、大众、日产-雷诺、丰田、本田、现代、GM、Tesla）纷纷开始研发热泵型新能源汽车的热管理系统及其试验台，并计划量产推向市场[1]。通过前期调研发现，汽车厂家在研发过程中亟需完整体系的新能源汽车热管理系统试验台的检测方法与评价标准。
吉利博越论坛21世纪初，我国开始制定汽车热管理系统的各项标准[2]。国家机械工业局在2000年发布了11项汽车空调标准[3-4]，分别规定了传统汽车空调的冷气性能、暖风性能、除霜性能等性能指标的试验方法和评价要求。
DOI：10.16661/jki.1672-3791.2111-5042-0751
作者简介：赵艺博（1990—），男，博士，工程师，研究方向为在线检测。
目前，我国现行的汽车空调标准为GB/T21361-2017
《汽车用空调器》，其中制冷量采用空气焓差法进行测量，提出了温度、压力、流量的测量方法及制冷量的计算方法。但遗憾的是，上述标准仅根据传统汽车空调制定，一直没有涉及与新能源汽车热管理系统试验台相关的各项技术指标和检测方法，也未包含系统除湿和系统化霜等常用试验工况。
与传统汽车相比，新能源汽车的热管理系统采用了R134a、HFO、CO
2
、R290等一系列新型制冷剂，在制冷加注量、系统制冷、系统制热、系统除湿和系统化霜等试验工况下对其试验台的可靠性、安全性和准确性均提出了更高的要求[5]。目前，国内外各汽车企业大部分采用自编方法对新能源汽车热管理系统试验台的各项技术指标进行检测[6]，并没有形成统一的检测规范。
为了能够全面且深入地了解新能源汽车热管理系统试验台在不同工况下运行时的温度场、压力场和流场分布，并最大限度地节约试验时间，该文将对新能源汽车热管理系统试验台进行热力学建模。该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模
拟R134a、
HFO、CO
2
、R290等新型制冷剂加注量[7]。
2热力学模型建立
图1展示了新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立过程。
该模型需要对所述气体区域建立控制方程，方程具体如下。
连续性方程：
¶ρ
f
¶t
+Ñ×(ρf v⃗)=0（1）式（1）中：ρf和v⃗分别为气体的密度和速度，t为时间。
动量方程：
¶t
(ρf v⃗)+Ñ×(ρf v⃗v⃗)=-Ñp+Ñ×(-τˉ)（2）式（2）中：p为静压，-τˉ为压力张量。
能量方程：
¶t
(ρf E f)+Ñ×é
ë
v⃗(ρf E f+p)ùû=
Ñ×é
ëê
k
f
ÑT+(-τˉ×v⃗)ùûú（3）
式（3）中：k
f
为气体导热率，T为温度，E
f
为气体总能。
多孔介质区域建立控制方程[9]：
连续性方程：
¶ερ
f
¶t
+Ñ×(ερf v⃗)=0（4）式（4）中，ε为多孔介质的孔隙率。
动量方程：
¶t
(ερf v⃗)+Ñ×(ερf v⃗v⃗)=-εÑp+Ñ×(ε-τˉ)+S i（5）
孔隙率ε由丝网目数m和丝径d
w
确定：
ε=1-
πmd
w
4´0.0254
（6）
丝网的水力直径d
h
可以通过式（7）计算：
d
h
=
ε
1-ε
d
w
（7）
式（5）中，S
i
为动量方程中的源项，由粘性损失项
和惯性损失项两部分组成，对于各项同性介质，S
i
可以表达为：
S
i
=-(μαv⃗+C22ρf|v⃗|v⃗)（8）
式（8）中，μ为气体的动态粘度，α为渗透度，C
2
为
惯性阻力系数，α和C
2
可以通过以下方法计算：多孔介质区域的轴向压降可以表示为：
d p
d x
=-
f
osc
2d
h
ρ
f
v2（9）
式（9）中，f
osc
为摩擦因子，根据经验公式：
f
osc
=
129
R e
+2.91R e-0.103（10）式（10）中，R e为多孔介质区域内流体的雷诺数，可以表示为：
R e=
ρ
f
|
||
|
||v
⃗d h
μ
（11）结合式（9）、式（
10）和式（11），可以确定渗透度α
和惯性阻力系数C
2：
图1热力学模型建立过程
图1热交换器的温度场模拟
α=
d2
h
64.5
（12）
C
2=
2.91
d
h
R e-0.103（13）
能量方程：
¶¶t [ερf E f+(1-ε)ρs E s]+Ñ×é
ë
v⃗(ρf E f+p)ùû=Ñ×
éëêk
eff
ÑT+(-τˉ×v⃗)ùûú（14）
式（14）中，ρ
s 和E
s
分别为固体的密度和总能，k
eff
为
多孔介质的有效导热率。
由于接触热阻的影响，多孔介质的有效导热率k
eff 远远小于其平均导热率，可以进行如下修正：
k
eff
=k
f
ε+k
s
(1-ε)(k s k f)-0.835
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ê
ê
3()k s k f-ε+(2+k s k f)ε
3()
1-ε+(2+
k
s
k
f
)ε
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú
ú
ú(15)
式（15）中，k
s
和k
f
分别为固体和气体的导热率。
通过该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台的干湿球温度、部件进出口
压力、空气流量、制冷量和制热量等技术指标。
3模拟结果
根据上述步骤建立的新能源汽车热管理系统试验图2热交换器的流场模拟
台热力学模型，给定求解器控制参数、离散格式和残差收敛标准，初始化流场，开始进行数值求解：选用层流模型进行计算，求解器选择压力和速度耦合的PISO算法，离散格式采用二阶迎风格式，残差收敛标准能量项为10-6，其他参数均为10-3。当计算稳定后，通过对模拟结果的分析，可以预测新能源汽车热管理系统试验台中热交换器的温度场和流场模拟情况，具体见图1和图2。
4结语
为了推动建立和完善新能源汽车的产业计量标准，提高新能源汽车热管理系统试验台的计量检测能力，该文详细研究了新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立方法。该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模拟R134a、HFO、CO
2
、R290等新型制冷剂加注量。该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台中热交换器的温度场和流场情况。
参考文献
[1]WANG G,CHAO Y,CHEN Z.Promoting Developments of Hydrogen Powered Vehicle and Solar PV Hydrogen Production in China:A Study Based on Evolutionary Game Theory,Method[J].Energy,2021(237):121649.
[2]全国冷冻空调设备标准化技术委员会.汽车用空
调器:GB/T21361-2017[S].北京：中国标准出版社,2017.
[3]全国汽车标准化技术委员会.汽车空调制冷装置
性能要求:QC/T656-2000[S].北京：中国标准出版社,2001.
[4]全国汽车标准化技术委员会.汽车空调制冷装置
试验方法:QC/T657-2000[S].北京：中国标准出版社,2001.
[5]王俊倩.新能源汽车热泵空调技术研究与应用探讨
[J].内燃机与配件,2021(20):215-216.
[6]全国冷冻空调设备标准化技术委员会.汽车空调用
电动压缩机总成:GB/T22068-2018[S].北京：中国标准出版社,2018.
[7]F RANK D,CHAMPAGNE P,WILL E,et al.Extended Range of the Lockheed Martin Coaxial Micro Cryo⁃cooler[J].Cryogenics,2016(74):55-58.
[8]罗成志，王文斌，沈勇，等.基于阿里云的新能源汽车
空调状况监测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(1):46-49.
[9]DANG H Z,ZHAO Y B.CFD Modeling and Experimen⁃tal Verification of a Single-stage Coaxial Stirling-type Pulse Tube Cryocooler without Either Double-inlet or Multi-bypass Operating at30-35K Using Mixed Stain⁃less Steel Mesh Regenerator Matrices[J].Cryogenics, 2016(78):40-50.
（上接7页）
3.2港口装卸装备5G应用技术标准
当前大型集装箱港口纷纷以自动化和智能化码头作为发展方向。全自动化集装箱码头提出了人机分离
、智能化远程操控等理念，堆场作业采用自动化与人工相结合的模式。同时，随着港口装卸设备远程操控技术的日趋成熟，劳动力市场日趋紧张，促使传统码头的装卸设备操作方式改变的呼声日趋强力，为此，对于传统港口装卸设备的远程操作方式和作业流程也有了新的需求[6]。
随着5G网络建设并应用于港口装卸设备远程控制中，需要对相关系统进行规定，需提出符合码头装卸设备远程控制作业相符合系统和设备的相关技术规定，以提高远程控制机械的安全性、可靠性、经济性和作业效率，优化码头的工艺配置。
3.3港口水平运输车辆5G应用技术标准
随着智慧港口建设，自动驾驶集装箱卡车、智能闸口也成为了发展趋势，未来自动驾驶集卡上也将具有远程控制能力，当自动驾驶集卡在作业场中出现故障，操作人员可通过摄像头查看周边环境、进行故障判断，并可远程操作自动集卡退出故障区。该项目将开展港口水平运输车辆5G应用技术标准研究，并对相关系统进行规定。
3.4港口视频设备5G应用技术标准
作为港口业务应用的支撑部分之一的视频，越来越多的港口作业中需要监控、分析，应该针对视频设备5G应用提出要求，对视频网传输的功能和性能指标提出相关技术要求。
参考文献
[1]张宁，张翔宇，曹喆，等.面向数字未来的智慧港口建
设方案[J].百科论坛电子杂志,2021(5):2238.
[2]钟凯.日照港“智慧港口”建设信息化水平评价与改
进策略[D].青岛：山东科技大学,2020.
[3]工业和信息化部.5G应用“扬帆”行动计划(2021—
2023年)[EB/OL].(2021-07-13)[2021-09-01]. v/2021-07/13/c_1310058748.html. [4]耿增涛，汤雪，刘迅，等.港口综合业务管控系统设计
与应用——以青岛港(集团)有限公司为例[J].集装箱化,2019,30(11):15-20.
[5]李红，王大成，刘婷.我国智慧港口建设中的问题及
发展建议[J].水运管理,2020,42(1):23-25.
[6]黄祝佳.广州港智慧港口评价与建设研究[D].广州:
华南理工大学,2019.