刘西、蒲浩以及胡远志进行了基于的乘员舱降温性能的仿真分析。该分析成果发表于《重庆理工大学学报(自然科学)》2023 年第 37 卷第 03 期，其页码范围为 93 至 100 页。

摘 要：

根据某款新能源汽车的乘员舱及电池热管理回路，利用仿真软件搭建了一维仿真模型。针对全景天窗这种车顶状态，以及加装一层遮阳帘和加装两层遮阳帘这另外两种车顶状态，在低速工况、高速工况和怠速工况这三种不同工况下，对乘员舱的连续降温过程进行了仿真分析，并且进行了试验验证。结果表明，加装遮阳帘可以起到作用。它能够有效提升全景天窗车型在高温环境下的乘员舱降温性能。并且，这对实际的研发工作具有参考价值。

０ 引言

汽车工业经过了百余年的积累沉淀。它的动力性、经济性以及安全性等性能都获得了充分的发展。随着生活品质逐步提升，人们对汽车乘坐时的舒适性提出了越来越高的要求。在高温天气状况下，乘员舱空调的降温性能属于汽车舒适性的一项重要指标。文献[2]的研究显示，空调的广泛普及显著降低了热相关死亡率。对于那种密闭且狭小的汽车乘员舱来说，空调的降温性能显得更为重要。欧美国家在 20 世纪 70 年代就开始对乘员舱的热舒适性问题予以关注。在汽车设计开发过程中，通过试验来分析舱内流场，这种方式成本较高且周期较长。随着计算机技术不断完善，计算机辅助工程便成为了解决这一问题的最佳选择。国外在很早的时候就开始借助仿真技术来对 HVAC 系统设计进行研究。Yang 等人设计了一种能够控制局部区域温度的车载空调，从而提高了车辆的能量利用效率。另外，还有人提出了一种新的一维和三维联合仿真框架，通过对收割机乘员舱的 HVAC 系统进行仿真，分析并验证了该框架的有效性。

国内对乘员舱舒适性的研究起步较晚。孙学军等［７］借助二维数值模拟这一方式，通过对空调送风角度进行改变，对舱内温度场和速度场的变化展开了分析，从而为乘员舱气流组织设计的优化打下了基础；何青治等［８］运用三维模型仿真软件对乘员舱的降温过程进行了分析，借此反映出舱内不同区域的降温情况；高健［９］介绍了一种将一维和三维联合起来进行仿真的方法，这种方法能够提升乘员舱降温过程仿真的精度。

如今，汽车在驾驶性能方面追求极致，同时车主的审美要求也在不断提高。当下，全景天窗车型成为了汽车时尚的一种标志。全景天窗能提升汽车的美观，但在高温天气下，会导致乘员舱内头部温度过高。对此，可以通过贴膜、加装遮阳帘或者采用有色玻璃等方式来解决。本文针对一款带有全景天窗的车型，运用多领域一维仿真软件，先对其加装遮阳帘前的情况进行乘员舱降温仿真分析，接着再对加装遮阳帘后的情况进行乘员舱降温仿真分析。

１ 空调系统制冷负荷计算理论

1.1车身热平衡关系的建立

汽车空调能让乘员舱内的温度处于一个舒适的范围，也能让湿度和空气清新度保持在合适的状态。它的热负荷主要由内部产生的热量以及外部的热量这两部分构成。车身充当了这两部分传热的媒介，车身的传热部件如图 1 所示。

该车的总热负荷由传入车厢内的各部分热负荷总和构成。汽车车身热负荷主要包含车厢壁传热、经玻璃的太阳辐射热、新风热、乘员散热以及车内电器设备散热等。综合各类因素，车身热平衡的方程式可表达为如下形式［１２］：

1.2 通过车身壁面传入的热量 ＱＢ

车身壁面包含顶板、侧围、地板、前围以及后围等几个部分。也就是说，车身壁面的热负荷表达式是：

车身壁面大多属于均匀壁面。所以，它的传热能够依据多层均匀壁面传热来进行计算。计算公式为以下内容：

1.2.1车身壁面传热系数 Ｋｉ 的计算

传热系数 K 与车身内、外表面放热系数αH、αB 以及隔热层热阻存在关联。因为车身各壁面的条件有所不同，像壁面外表面温度以及车身隔热措施等存在很大差别，所以车身各壁面的传热系数 Ki 是不一样的。要分别对各部分的传热系数 Ki 进行计算，其计算公式如下：

1.2.2日照综合温度计算

因为太阳辐射的作用，车身壁面传入车内的热量包含对流换热和辐射换热这两部分。式（３）是指由于车内外空气存在温差，从而以表面对流换热的方式从大气传入车内的热量。而通过热辐射传入车内的热量的表达式为：

1.3 通过车窗玻璃传入车内的热量

车窗玻璃传入车内的热量由两部分组成，一部分是对流传热量，另一部分是辐射传热量。

1.4 通过换气新风传入车内的热量

1.5乘员人体散发的热量

车内乘员散发的热量与多种因素相关，包括年龄、性别、身体状况、周围空气环境以及衣着等。依据推荐数据，司机可按 522.5 kJ/h 来计算，乘员则按 /h 进行计算。通常情况下，直接按照每人发热 116W 来计算。

1.6 用电设备的发热量

用电设备的发热量 QM 主要是对鼓风机及音响等用电设备的散热量进行计算。按照设计车型的实际情况来计算这部分热量。这部分热量通常是比较小的，在某些特定的情况下还可以不进行计算。

２ 模型搭建

本文借助公司的 2019 搭建了空调系统和乘员舱模型，接着对乘员舱内的降温性能展开了仿真分析。这种一维仿真软件既能用于能量流方面的仿真，又能进行机电液一体化仿真，还能够精准地仿真空调能耗以及乘员舱的降温特性［１３］。杨英等［１４］通过该软件对影响发动机冷却系统的多个因素进行了仿真分析，从而说明了该软件在能量流仿真方面具有便捷性和准确性。本文依据实车的结构以及空调系统的热管理原理图，将仿真模型搭建了起来。

搭建仿真模型时，为精准模拟系统性能，需对空调系统的换热部件以及电池冷却液与空调冷媒换热的零件进行换热性能标定。仿真模型输入的物理性能参数是经过标定后的物理参数，此参数可能与零部件实际参数存在差别。

2.1空调系统热管理原理图

本文所仿真分析的车型是一款新能源车型。从空调系统和电池的热管理原理图（如图 2 所示）能够得知，空调制冷量一方面用于降低乘员舱的温度，另一方面还得兼顾对电池包进行冷却。

电池包的发热和降温是较为复杂的过程。本文在模拟电池包发热时，依据试验数据标定结果，在不同工况下为电池包设定一个不同的恒定发热功率来进行模拟。

2.2换热部件的标定

在软件中搭建空调系统的仿真模型时，大多数换热部件软件自带对应标定模型，能直接从 demo 中获取。输入已有的相关换热部件单体测试参数，借助自动标定功能，调整相关性能参数，让模型在设定的进风量及制冷剂流量下的换热功率接近单体测试值。以蒸发器的标定为例进行说明。

蒸发器的标定方面，无需自行搭建标定模型，因为软件自带蒸发器标定模型，就如同图 3 所展示的那样。

蒸发器标定的主要输入参数有：零件的几何尺寸；过风的面积；进风的速度；进风的温度；进风的相对湿度；制冷剂进口的焓值；制冷剂的流量；制冷剂进口的压力；以及在各个条件下的换热量和制冷剂压降。

中换热模型的标定需先对物理量进行无量纲化处理，接着依据单体参数以及不同工况下的实验数据，来标定经验公式中所需求解的无量纲系数。在标定模块中，有以下这些经验公式可用于参数的标定：

上式是用来计算空气侧的湿空气与换热壁面之间的热交换的，并且其中的相关参数全部都是湿空气的参数。

在标定模型里，ａ、ｂ、ｃ 被用来调整外部换热的参数，因为外部换热是壁温的函数，而壁温又由内部温度所决定。所以，在一些情况下，需要一并调整制冷剂侧的热交换系数ｋHeat。并且，制冷剂流过冷凝器管道之后会产生压降，压降与散热是一种耦合现象，因此需要标定制冷剂侧摩擦压降系数 kdP 。在标定界面输入相关参数并进行自动标定时，能够得到上述 ａ、ｂ、ｃ、ｋHeat、kdP５ 这 5 个参数的最优解，这些最优解可用于仿真模型的参数设置。本文中蒸发器用于标定的单体性能参数情况在表 1 中有展示。标定后的结果呈现于图 4 中。

2.3 乘员舱降温性能仿真模型

乘员舱的温度会因汽车行驶状态而受到影响。为模拟不同工况下车内的降温过程，需根据相关试验工况设定仿真工况。空调选择内循环模式，整车降温环境温度是 38℃，空气相对湿度为 50％，光照强度情况未提及。车速按照表 2 来呈现。主要是对低速工况下的降温性能、高速工况下的降温性能以及怠速工况下的降温性能这 3 种工况进行验证。

乘员舱降温性能的仿真模型如图 5 呈现。此模型主要由三大部分构成，分别是空调系统回路、乘员舱模型以及模拟电池包发热模型。模型的下半部分是电池包发热模型，从热管理原理图中能够得知，空调系统具备对电池包进行降温的功能。两回路的工作介质不一样，空调系统是以冷媒来制冷的，而电池包则是用冷却液进行换热的。正因如此，两者之间的热交换是借助换热零件来达成的，其中一侧处于电池冷却回路里，另一侧处在空调制冷剂回路中。在仿真模型里，依据试验数据标定的结果来设定电池包散热从空调制冷量中带走的那部分能量。当车速是 40km/h 的时候，这部分能量为 80W；当车速为 /h 时，这部分能量未提及；在怠速工况下，这部分能量是 30W。其右上半部分是乘员舱模型，在针对不同的乘员舱车顶状态进行仿真时，需要改变该模型的换热系数，并且这个换热系数是通过相近车型的环境舱试验数据标定后才得到的。模型的左上部分为空调系统回路模型。空调系统包含较多零部件，在搭建模型时，对零部件的单体参数有较多需求。尤其对于蒸发器和冷凝器，需要单体试验数据来对其进行标定。当所有参数设置完成后，按照仿真工况设置好仿真时间，就可以进行仿真了。

３ 仿真结果及试验验证

为了解决该车型全景天窗降温无法满足性能目标这一问题，针对全景天窗、加装一层遮阳帘以及加装两层遮阳帘这 3 种车顶状态，分别进行了降温性能的仿真和试验分析。3 种不同车顶状态的仿真模型，只需对乘员舱模型的相关换热系数进行更改，而试验工况与仿真工况保持相同。

3.1 试验验证方案

3.1.1 试验准备

试验前要依据试验规范来布置温度传感器，就如同图 ６所展示的那样。接着连接数据采集模块，然后接通电源，以此来检测传感器能否正常工作。按照试验车型的使用说明书以及相关技术条件的规定，对汽车进行技术方面的检查以及保养工作。把车辆准确无误地固定到试验舱转毂上，这样就能确保在试验过程中试验人员的安全。

模拟试验舱的温度被维持在（３８ ± １）℃，同时相对湿度处于（５０ ±５）％，太阳辐射强度为（1000 ± 25）W/m2。在试验过程中，对空调出风口的角度进行了调整，目的是让主要气流能够吹向温度传感器所在的位置。

3.1.2 试验方法

降温开始前，要先进行预热升温。在预热阶段 1 中，当试验舱环境达到试验准备中所描述的条件后，打开汽车门窗，将汽车迎面风速设置为 30km/h，以座椅导轨（金属材料）的温度作为参考值，一直等到其温度与环境温度相同。在预热阶段 2 中，保持试验舱环境条件不变，把汽车迎面风速设置为 5km/h，关闭汽车门窗，预热 30 分钟。试验舱环境条件保持不变。在升温阶段 3 中，将汽车迎面风速设定为 5km/h，同时关闭门窗。这样做的目的是使车内温度达到 60℃，或者让车内温度变化率不大于 1℃/。

预热升温结束后，整车开始施加满载滑行阻力曲线。接着，驾驶员进入车内，把温度调节开关调整到最大冷却模式的位置，并且打开了 A/C 开关，然后按照表 2 所规定的工况来进行降温试验，在整个过程中记录各个测试点的数据。

3.2 全景天窗降温

3.2.1 仿真结果

在进行乘员舱降温性能试验时，需依据相关试验规范。首先要对车内空气进行预热升温。仿真时能够直接设定乘员舱内空气的初始状态，当处于全景天窗状态下，前排头部的初始温度被设定为 60℃，后排头部温度也设为 60℃。由于试验工况有要求，所以仿真总时长为 。全景天窗状态下的降温仿真结果如图 7 所示。

从仿真结果能够看出，当车速是 40 千米每小时的时候，在行驶之后，前后排的头部温度都无法满足表 3 里的性能要求。

3.2.2 试验验证

全景天窗状态下，试验数据和仿真结果曲线呈现如图 8 的情况。车速为 40km/h 并行驶之后，前后排头部温度都不符合表 3 中的性能要求。对仿真和试验数据进行分析，二者的降温过程大致相同，在试验过程中降温速率比仿真过程的降温速率稍快，温度稳定后试验值比仿真值略高一些。

3.3 加装一层遮阳帘降温

3.3.1 仿真结果

全景天窗加装遮阳帘后，在预热升温阶段结束时，前排头部温度和后排头部温度会有差异。前排头部温度由于直接接受太阳辐射，并且车内空气流动性较弱，所以前排头部温度会比后排头部温度高。根据试验数据标定结果，在仿真时，将前排头部初始温度设置为 60℃，将后排头部初始温度设置为 45℃。设置乘员舱相关换热系数后，其他参数保持不变。加装一层遮阳帘后，乘员舱降温的仿真结果如图 9 所示。

仿真结果表明，在第二阶段车速以某一特定速度（未明确具体速度，仅以“/h”表示）行驶之后，后排头部的温度比表 3 中的性能目标值稍微高一些。

3.3.2 试验验证

加装一层遮阳帘后，试验数据变化曲线和仿真结果变化曲线如图 10。试验数据表明，当车速为 40km/h 行驶以及车速为某一特定速度（文中未明确给出具体速度）行驶后，后排头部温度高于表 3 中的性能目标值。对仿真和试验数据进行分析，发现两者在降温过程上基本一致，且仿真过程的降温速率比试验过程的降温速率略快。在温度稳定后，试验值比仿真值略高。

3.4 加装两层遮阳帘降温

3.4.1仿真结果

加装两层遮阳帘之后，对乘员舱相关换热系数按照试验标定数据进行了重新设置。前排头部的初始温度是 60℃，后排头部的初始温度是 45℃，而其余的参数保持不变。加装两层遮阳帘之后，乘员舱的降温仿真结果如图 11 所示。

仿真结果显示，加装了两层遮阳帘之后，在各个不同的工况结束时，其温度值都能够满足乘员舱的降温性能要求。

3.4.2试验验证

加装两层遮阳帘之后，试验数据和仿真结果的变化曲线如图 12 所示。试验数据表明，当车速为 40km/h 行驶之后，后排头部温度依然略高于表 3 中的性能目标值，这种情况可以通过更换隔热效果更好的遮阳帘来解决。对仿真和试验数据进行分析，两者在降温过程上基本是一致的，不过仿真过程的降温速率比试验过程的降温速率略快一些，而在温度稳定之后，试验值略高于仿真值。

乘员舱在 3 种不同车顶状态下的降温情况，通过仿真及试验得出的结果列于表 3 中。

因为部分零部件的参数没法全部收集到，所以就选用相近车型的零部件参数来代替，这会对仿真精度产生一定的影响。不过从仿真结果与试验数据的对比来看，它们的降温过程是基本一样的，在温度稳定之后，最大误差大概在 15%左右。仿真和试验的结果表明，加装遮阳帘可以有效地解决车内温度过高的问题，并且也验证了这个一维仿真模型具有较高的准确性。

４ 结论

新能源汽车整车热管理回路相互之间存在耦合。各回路的热量会依据具体的热量需求，在整车控制器的控制之下进行分配利用。存在电池回路和电机回路串联的情形，也有两回路并联的情况。与传统燃油车的整车热管理回路相比，它更加复杂。而能够对上述这些情况的能量流进行有效模拟仿真，还可以实现较为便捷地更改热管理回路中各零部件的参数，以对不同工况进行仿真。本文针对某全景天窗车型，在加装车顶遮阳帘前后，于相同工况下对乘员舱头部的降温性能进行了仿真分析，从而为相关科研工作提供了思路。

仿真及试验结果显示，加装遮阳帘之后，全景天窗车型在高温环境中乘员舱的头部温度得到了有效降低。在实际的研发过程里，我们可以选择加装多层遮阳帘，也可以选择加装一层隔热效果比较好的遮阳帘，这样就能避免全景天窗车型的乘员舱降温性能无法满足实用目标的要求。