整车热系统仿真模型介绍
1. What — 模型简介
本模型为整车热管理系统（TMS, Thermal Management System）的高精度仿真模型，专为TMS控制器HIL（硬件在环）测试设计。模型基于Simulink/Simscape模块的高效数学建模方法，拥有丰富的新能源汽车热管理项目经验和案例，能够精准复现整车热系统在制冷、制热、除霜等多种工况下的动态响应特性。
2. Model — 模型结构
模型采用基于Simscape的物理建模方法，根据热管理原理图，收集各零部件的关键参数，将相应参数填入对应的Simscape Fluid/Thermal模块中，即可方便高效地搭建整车热管理模型。模型部件与实际部件一一对应，可识别度高，简化了对热力学复杂公式的推导。
2.1 制冷剂回路模型（两相流库）
制冷剂回路基于Simscape Two-Phase Fluid库搭建，涵盖热管理系统的核心制冷循环组件：
• 压缩机：模拟压缩机对制冷剂的压缩做功过程，包含容积效率、等熵效率等关键参数
• 冷凝器：模拟高温高压气态制冷剂向环境散热、冷凝为液态的换热过程
• 蒸发器：模拟低温低压液态制冷剂吸收乘员舱热量、蒸发为气态的吸热过程
• 膨胀阀：模拟制冷剂节流降压过程，实现从高压侧到低压侧的压力骤降
• 制冷剂：支持R134a、R1234yf等主流制冷剂的物性参数配置
图2：压缩机Simscape模型
图3：冷凝器子系统模型
2.2 冷却液回路模型（热流库）
冷却液回路基于Simscape Thermal/Fluid库搭建，用于模拟整车热管理中的液冷回路：
• 电子水泵：模拟冷却液循环动力源，支持转速-流量特性曲线配置
• 冷却液：支持乙二醇水溶液等常见冷却介质的物性参数配置
• 水阀（节温器）：模拟冷却液流向切换与流量调节逻辑，实现大/小循环切换
图4：冷却水泵模型
2.3 乘员舱热环境模型（基础热库）
乘员舱热环境基于Simscape基础热库搭建，用于模拟车内热力学环境及与外界的换热过程：
• 湿空气：模拟乘员舱内空气的温湿度特性，支持湿空气热力学计算
• 风扇：模拟乘员舱内循环风扇及车外进风风扇的送风特性
• 恒容室（乘员舱）：模拟乘员舱空间的容积热容与温度均匀性假设
• 热源：模拟太阳辐射热、乘员散热、电子设备发热等热源输入
• 热传导/热对流/热辐射：模拟车身结构传热、空气对流换热及辐射换热
图5：乘员舱基础热库模型
3. How — 建模原理
本模型摒弃了纯经验公式的简化方法，采用基于Simscape的物理建模（Physics-Based Modeling）方法，以热力学基本定律为基础，通过各零部件的模块化封装与互联，构建高保真的整车热管理系统仿真模型。
3.1 Simscape物理建模方法
模型基于Simulink/Simscape模块搭建，利用Simscape Fluid库中的两相流模块模拟制冷剂回路，利用Simscape Thermal/Fluid库中的热流模块模拟冷却液回路，利用Simscape基础热库模拟乘员舱热环境。根据热管理原理图，收集各零部件的关键参数，将相应参数填入对应的Simscape模块中，即可方便高效地搭建整车热管理模型，简化了对热力学复杂公式的推导，模型部件与实际部件对应，可识别度高。
3.2 制冷剂两相流建模
制冷剂回路采用两相流库（Two-Phase Fluid Library）进行建模，核心组件包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等。压缩机模块根据输入转速和进出口压力差计算质量流量和排气温度；冷凝器和蒸发器模块基于管内流动沸腾/冷凝传热模型，计算制冷剂与冷却介质（空气/冷却液）之间的换热过程；膨胀阀模块采用节流模型，假设等焓过程计算制冷剂从高压侧到低压侧的节流降压。
3.3 冷却液回路建模
冷却液回路基于Simscape热流库搭建，电子水泵模块根据转速-流量特性曲线计算冷却液流量；水阀（节温器）模块根据开度指令调节冷却液流通截面积，实现大/小循环的切换逻辑；冷却液物性参数（比热容、导热系数、粘度等）可根据乙二醇浓度进行配置。
3.4 乘员舱热环境建模
乘员舱热环境基于Simscape基础热库搭建，将乘员舱简化为恒容室模型，考虑湿空气的温湿度耦合特性。热源模块整合太阳辐射透过车窗的得热、乘员人体散热、车内电子设备发热等热源；热传导模块模拟车身结构（玻璃、金属、隔热层）的导热传热；热对流模块模拟舱内空气与内饰表面、蒸发器出风口之间的对流换热；热辐射模块模拟太阳辐射及长波辐射换热。
3.5 TMS HIL闭环仿真架构
模型基于Simulink搭建，支持TMS控制器的HIL闭环测试。完整的HIL闭环架构包含以下模块：
• IO及总线板卡配置模块：配置硬件IO通道及采样率
• 电源控制模型：模拟整车电源系统供电特性
• 热管理及车辆模型：整车热系统仿真模型主体
• CAN&LIN总线通讯模型：模拟控制器与ECU之间的总线通信
• IO模型：模拟传感器信号输入与执行器驱动输出
• 被测控制器信号映射模型：将真实TMS控制器与仿真模型进行信号对接
图6：TMS HIL闭环仿真模型架构
4. Why — 核心优势
4.1 建模技术优势
• 基于Simulink/Simscape模块的高效数学建模：计算周期≥1ms，满足实时仿真要求
• 100%白盒模型，无License绑定，无加密狗加密，方便用户二次修改与深度定制
• 采用半定制化模式，根据用户需求灵活开展模型开发
• 模型部件与实际部件一一对应，可识别度高，便于调试与验证
4.2 模型覆盖范围
• 完整的制冷剂回路：压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、制冷剂物性库
• 完整的冷却液回路：电子水泵、冷却液、水阀（节温器）
• 乘员舱热环境：湿空气模型、风扇、恒容室、热源、热传导/对流/辐射
• TMS HIL闭环架构：IO板卡、CAN/LIN总线、电源控制、信号映射
4.3 实测验证
模型已在实际TMS控制器HIL测试项目中得到验证，支持乘员舱制冷工况等典型工况的仿真。以下为空调回路P-H图及乘员舱制冷工况的仿真结果：
图7：TMS HIL闭环仿真运行界面
图8：空调回路P-H图
图9：乘员舱制冷工况仿真波形
