【汽车空调】基于SIMULINK的某MPV车载空调制冷能耗仿真
【摘要】 针对传统能源车型在开启空调制冷时能耗大幅增加，我国最近实施了一系列促进车载空调节能减排的法规，但是依规进行实车能耗测试耗时费力，所以文章参考最新国标的测试流程，以某MPV样车为研究对象，建立整车热负荷和空调系统制冷 SIMULINK 模型，并联合整车模型，仿真车载空调制冷的能耗水平。随后与整车试验结果对比，验证模型的仿真合理性。最后理论分析某些可能影响整车能耗和热负荷的典型因素，为后续车型能耗开发提供参考。在高温肆虐的夏季，车载空调是提升乘用车座舱舒适性最重要的系统，然而开启空调制冷会导致乘用车的燃料消耗量和温室气体排放量大幅增加，引起普通消费者和政府机构的广泛关注。为了引导全产业链开发更加节能环保的乘用车，2021 年我国实施了多项有关车载空调的能耗法规，其中国标GB/T 19233−2020提供了乘用车在试验室环境仓中，开启空调制冷状态下燃料消耗量的试验方法。但是根据法规完整评测一款乘用车开启空调制冷的燃料消耗量，较常温工况试验耗时费力，而建立合理的虚拟仿真模型将有效降低此项试验成本。鉴于当前鲜有基于最新国标工况的乘用车开启空调制冷的能耗仿真研究，本文以某MPV样车作为研究对象，分析车辆在该测试工况中的热负荷，搭建 SIMULINK 空调降温模型，仿真车辆在国标规则下开启空调制冷的能耗表现，为车辆的能耗开发提供参考，节省试验成本。根据国标 GB/T 19233−2020 附录 B 的测试方法，试验车辆在30 ℃试验室环境仓中经过热车和在 850 W/m2 全光谱阳光模拟装置浸车环节后，启动车辆运行CLTC工况，开启车载空调制冷并记录舱内呼吸点降温速度，当呼吸点温度在 15 min 内降温至23 ℃以下时，判定试验有效，记录车辆此次试验的燃料消耗量。随后再进行关闭阳光模拟和空调制冷的对照组试验，两次试验结果的差值即本轮试验的车载空调燃料消耗量［1］ ，一轮完整试验流程见图1 ［2］ 。本模型环境温度设为30 ℃，模拟光照热源功率为850 W/m2 ，由于一般乘用车经过图1中30 min模拟光照浸车后，乘员舱内温度至少会升至45 ℃，所以乘员舱降温的起始温度设为45 ℃，运行模型时的舱内降温速度应满足国标最低要求。由于车辆测试的试验室内温度和阳光辐射强度保持稳定，仅流经车身和玻璃表面的空气速度随CLTC循环车速变化而变化，可以将乘用车座舱视作一个较为规则的立方体围护结构，借鉴建筑空调热负荷的计算方法，将全车的工况热负荷Q分成五大部分计算，可表示为Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5（1）式中：Q1为从车身不透明围护结构传入的热量，主要来自车身钣金结构，见图2实线方框；Q2为从车身透明结构传入热量，来自全车的车窗玻璃，传热途径包括热传导和热辐射，见图2中虚线方框；Q3为驾驶工况中驾驶员单人散发热量；Q4为舱内低压负载散热量；Q5为热量修正，主要来自舱室与外界的其他气体和热量交换。其中，Q1和Q2是整车热负荷的主要组成部分，根据车体结构、尺寸和稳态传热理论公式可得Q=SKA（Ftw-tn ）（2）式中：AF为车体围护结构传热面积，单位为m2 ；tw和tn分别为围护结构外侧和内侧的空气温度，单位为℃；K为围护部分的传热系数，单位为W/（m·2 ℃），当车体的围护结构复杂并非由单一材料构成时，由以下公式计算（3）式中：αn 为舱内内表面的传热系数，本案舱室内空气平均流速较慢，取值 10 W/（m2 ·℃）；αw 为乘用车外表面的传热系数，一般与车速 v（单位 m/s）有 关 ，根 据 经 验 公 式 αw = 1. 163(4 + 12 v ) 计算，单位为 W/（m2 ·℃）；δi 为座舱结构的各层材料壁厚，单位为 m；λi 为围护结构各层材料的对应热导率，单位为 W/（m·℃）［3-4］。Q3、Q4和 Q5根据实测和经验数据输入模型参与计算。最终将全车热负荷 Q 作为 SIMULINK 模型中座舱热负荷的输入条件。当开启车载空调制冷时，系统管路中的冷媒经过压缩机压缩和驱动，流经冷凝器、膨胀阀和蒸发器后再回到压缩机，经过压力、相态循环变化，不断将舱内热量交换至舱外，达到舱内降温的效果。理论上单位时间内冷媒的循环量越大，系统制冷越迅速，其动力源空调压缩机需求的驱动能量越多。由于本模型的仿真目标在于模拟空调降温对于整车运行CLTC工况的能耗影响，所以将模型简化为计算空调制冷时压缩机的功耗，叠加冷凝器风扇、蒸发器鼓风机的低压功耗对整车能耗的影响［5］ 。本案空调系统装载了一台变排量压缩机，由发动机通过皮带驱动，转速随发动机转速变化而变化，根据标定文件，当舱内温度与目标温度相差较大时，调节控制阀使压缩机大排量输出冷媒，与外界快速交换热量，使舱内空气和部分内饰结构迅速降温，当温度差缩小时，适当降低压缩机排量，减少制冷量。所以根据压缩机控制逻辑，建立模型中车载空调制冷量的计算部分，输出空调制冷量和压缩机功率、扭矩等结果，模型结构如图3所示。假设空调使乘用车座舱均匀降温，将座舱实时温度作为制冷模型的输出，同时作为计算全车热负荷和空调制冷量的输入，模拟闭环控制，直至CLTC工况结束。当座舱实时温度的输出结果符合国标的降温要求时，将车载空调降温模型的其他输出数据①−⑥，输入整车能耗SIMULINK 模型联合仿真，得到该车运行国标工况的空调制冷能耗仿真结果，并与无空调制冷的仿真结果作差，得到车载空调制冷的燃料消耗量。为了验证该仿真的可信度，选取某款浅色原型MPV样车作为案例，参数见表1将该车置于装备全光谱阳光模拟的试验室中，参考国标附录B中的测试方法，进行多次开启和关闭空调制冷的对照试验，选取典型试验数据与适配原车参数的仿真数据进行验证，其中降温和燃料消耗量状态对比如图4和图5所示。通过解析数据发现：（1）仿真中由透明结构传入舱内的热负荷远超不透明结构，说明车窗和天窗面积较大的MPV车型，玻璃传热大于由钣金传入的热量；（2）仿真中的空调压缩机在起始阶段功率较高，制冷迅速，舱内温度在工况开始10 min后达到降温目标23 ℃，随后降温曲线趋于平缓，见图4中虚线，此时压缩机功率基本维持在1 kW左右；（3）实测车辆处于 CLTC 循环的怠速阶段时，车速为0，换热效率降低，降温速度放缓，而仿真中的空调系统全负荷工作，与实测数据略有差异；（4）仿真中能耗结果与实测数据误差小于4%，且趋势基本一致，所以仿真模型合理可信。在热负荷计算和能耗仿真模型搭建中，有很多可能影响整车能耗和热负荷的典型因素，如车重配置、车漆颜色、玻璃面积等，调试模型理论分析这些因素对乘用车开启空调制冷的能耗影响。一般来说，某车型上市会推出同一动力总成的多种车型配置，从基础车型到顶配车型的整备质量相差几十到几百公斤，而配置越高，整备质量越大，相应的燃料消耗量也越大。为了分析开启空调制冷对于不同配置车型的能耗影响，选取测试质量为2 250 kg的MPV模型作为基础，假设该车型各个配置的工况测试质量各相差50 kg，外形尺寸一致，且经过阳光模拟照射后的舱内温度均为45 ℃，调试模型分析这5种配置车型，开启空调制冷运行CLTC工况的能耗状态见表2和图6。仿真结果表明：在上述前提下，不同测试质量，即不同配置的车型，基于国标测试的空调制冷燃料消耗量差异小于2%，且变化趋势不明朗。所以空调制冷对于不同配置车型的能耗影响并不明显。大部分市售车型会推出不同颜色的车漆供消费者选购，有研究表明：车身外观颜色变化主要影响车体表面对太阳辐射的吸收系数，颜色越深的车漆会吸收更多的光照能量，因此车载空调制冷时就需要耗费更多的燃料［6］ 。为了模拟分析不同颜色的车漆对车辆开启空调制冷工况能耗的影响，选取测试质量为 2 250 kg 的 MPV 模型，假设在运行工况前，经过阳光模拟照射后的舱内起始温度同为45℃，调试并运行模型，分析空调制冷对于不同颜色车型的能耗影响，结果如表3和图7所示。仿真结果表明：在上述前提下，车载空调制冷耗费的燃料随车漆颜色变深而上升；白色车型较黑色（深色）车型运行国标工况可以节省约 6. 6%的燃料消耗量。所以消费者选购白色（浅色）车漆的车型，可以有效降低后续车载空调的使用成本。近年来乘用车的造型设计趋势是整车使用更大面积的天窗以及更大面积的车窗。在没有隔热技术加持下，由于玻璃热阻小、导热率高，更大面积的车窗玻璃会导致热负荷变高，车载空调制冷需要耗费更多燃料［7］ 。为了研究空调制冷对于不同车窗面积车型的能耗影响，假设在不同造型下，车窗玻璃面积变化不会导致整车外形尺寸和风阻系数变化，选取测试质量为2 250 kg的MPV模型，并将其造型和车窗玻璃面积作为基础，定为方案3，其余造型方案的玻璃面积以方案3的面积为准，等比例依次缩小或扩大5%，设为方案1、2和4、5。假设运行工况前，各方案模型经过阳光模拟照射后的舱内起始温度同为45 ℃，仿真分析车窗面积变化所导致的燃料消耗量变化，结果如表4和图8所示。仿真结果表明：基于以上假设，每扩大5%的车窗玻璃面积，会使整车在工况中接收阳光辐射能量增加约120 W，导致车载空调燃料消耗量上升3%。建议后续车型在选取更大面积透明玻璃的造型方案时，配置隔热技术，以避免整车在高温环境中接收更多热能，节省车载空调制冷的燃料消耗量。本文以某 MPV 样车作为研究对象，分析计算了车辆在国标测试工况中的热负荷，并搭建空调降温SIMULINK模型，可以快速准确地预估车载空调制冷的能耗水平，有效缩减车辆开发的试验成本。随后本文研究了可能影响整车能耗和热负荷的典型因素，发现车载空调制冷耗能对于车重变化不敏感，与车漆颜色由浅变深、透明玻璃面积变大等因素正相关，为消费者选购新车、整车企业开发新车提供了参考。
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