Tesla Model S整车热管理模型通过Simscape+Fluids工具构建，详细展示了纯电动车冷却架构的建模过程。文章从理解案例模型出发，介绍了关键模块的使用，并探讨了如何在Simulink中集成和扩展模型。模型依据不同物理域划分，通过三通阀、四通阀等控制冷却回路，以适应不同热负载需求。文章还详细解释了Simscape与Simulink的耦合方式，展示了如何通过控制命令和传感器模块实现闭环控制。此外，还介绍了暖风回路、空调制冷回路的建模方法，以及如何利用Simscape提供的模块库和实验数据来搭建和验证模型。
接下来先基于这个纯电车冷却架构的热管理案例模型，来讨论热管理建模的解决方案。
首先理解这个案例模型，然后理解关键模块的具体使用，在此基础上搭建和扩展自己的模型。
原热管理模型地址：ElectricVehicleThermalManagement-MATLAB&Simulink(mathworks.com)
首先解释一下这个模型涉及到的主要工具：Simscape+Fluids。
如果我们所关心的冷却系统涉及到各种不同物理域的话，对应Fluids/Simscape不同的下一级子模块库。
比如，
整个模型按照物理域来划分，如下图：
当然，所有的模型本质都是数学方程，既然如此，那用Simulink建模也是可以实现的。
冷却回路通常会通过不同的工作模式来满足不同的热负载需求。控制图示中的三通阀、四通阀不同的连通方式得到不同的冷却回路，比如：
Case1：
在环境以及电池低温，电池不需要散热甚至需要加热的时候，不需要Radiator，不需要Chiller。
Case2:
工作一段时间后，电池温度升高，但散热需求不大时：
Case3:
当环境或者电池的散热需求更大时，
很多人都问过Simscape是怎么和Simulink耦合的。
如果把上图的“冷却系统”当做一个整体，外界需要给定：
在这个例子里热负载是Simulink模型计算出来的，通过HeatFlowSource为接口，输入热模型模拟部件发热量，如下图：
和刚刚的热负载类似，控制命令一般是通过源模块来施加影响，比如下图的电池泵转速命令cmd_battery_pump连接到一个转速源模块IdealAngularVelocitySource。
同时通过对应物理域提供的传感器模块测出反馈信号，下图的热流温度传感器TemperatureSensor测出电池入口冷却液温度，反馈回Simulink模型控制算法。
开环
热负载来自于整车工况。单独测试热管理模型时，可以根据驾驶循环做简化查表得到热负载，包括典型工况与极端工况测试。
比如这个例子里从速度-电流-发热量做了一个查表计算(或者也可以直接输入车速以及通过整车仿真得到的热负载Q曲线作为工况)。
总之，这里的驾驶场景本质上就是条各种工况的速度曲线。当然，还有环境场景，比如温度、压力、湿度等等。
如果需要写一些自动化仿真的脚本以及数据后处理代码，案例里额提供的这些可以作为参考，如何通过脚本设置模型参数、如何获取仿真结果等等：
查看模型的仿真结果：
以及系统各零部件能耗：
这种方式下，热管理系统是在既定热负载的前提下工作的。因为没有整车模型，温度信息并没有反馈到整车来进一步分析热管理对整车性能和油耗的影响。
后面简单介绍一下这里的回路，如果需要后面再介绍具体的模块。
如果没有进一步的细化要求，所有的热负载都可以通过以下方式表现在模型里。
因为这里是和Simulink模型集成，所以：
所有负载均如此：
从软件使用角度，上图的热负载模型也可以把发热本体模型也包括进来，这里以电池为例。
其它的比如Motor,Inverter,DCDC等等也类似，如果需要以后再专门介绍。
这个案例里里面正好只用到三通阀和四通阀的功能模型，所以直接用对应的模块就是了。
下图是冷却回路的4-WayValve四通阀，控制信号cmd_parallel_serial控制阀芯位移S，使得三位四通阀可以位于左位-中位-右位，实现串联并联的切换。
两位三通阀也是类似：
但如果涉及到复杂的多路多通阀，更多地还是用节流口模块组装一下。
暖风回路用到了MoistAir子库里提供的模块。如果把暖风回路的风扇拆开，它其实是右图这个样子。
除了Evaporator之外，所有的模块都来自SimscapeMoistAir子库，也就是湿空气；
循环泵直接使用的是MoistAir里的Source模块，可以选择理想流量源或者理想压力源。
案例模型里使用的是理想体积流量源，相当于是有足够的能量能维持这条支路的流量为指定体积流量。
循环风门控制内循环或者外循环，本质上就是通过控制信号S改变内、外循环通道的过流面积大小，你开我关，你关我开。
至于表达方式用Simscape的计算模块还是Simulink的计算模块，影响都不是很大。如果有Simscape反馈信号的话，一般会建议使用Simscape的计算模块以减少代数环的发生。
下图模型就是用Simulink实现的计算过程，里加了一个响应时间环节。
至于PTC或者说加热器，可以很简单粗暴的把加热功率计算出来，通过左下角的heatsource模块描述它带给整个系统的热量。
这里把PTC到循环空气的传热路径抽象为热对流，所以用了一个ConvectiveHeatTransfer模块来描述。
这里的暖风回路的控制回路比较简单，风扇控制是PI控制，而PTC则是开关控制。
当前案例模型里乘员舱内部空间没有进行分区，把内部当做一个质点模型来看待，计算乘员舱内部的温度、压力、湿度、二氧化碳含量。所以用一个腔体模块ConstantVolumeChamber模拟乘员舱内部的平均状态，也就是下图标识的【腔体】。
【腔体】的ABC各个端口的压力和腔体内部相同，只是ABC端口温度取决于端口的气体流向，和它的上游相同。
模拟驾驶舱内部人类呼出的二氧化碳、水蒸气以及释放的热量。
说白了就是把人产生的这些东西(热量、水蒸气、二氧化碳)量化，使用MoistAir的source模块添加到腔体模块里。
传热本质上就是在计算每秒从A到B节点传输了多少W热量。只是为了方便区分不同物理现象，我们把它分成了不同的传热方式，用不同的参数化方程来描述。
Simscape里提供了一些典型的热传递模块。
温差detK*ThermalconductivityW/(K*m)*Area(m^2)/Thickness(m)=W
温差detK*HeattransfercoefficientW/(K*m^2)*Area(m^2)=W
这部分模型搭建很“自由”，模型如何搭建完全取决于我们如何去抽象车舱和外界的热传递路线。
比如下图：
所以，模型实现起来很简单，就是往上面挂模块就是了。只是，给定或者说标定这里的参数，才是重点。
空调制冷回路用到了Two-Phase库的模块，这个循环的典型回路包括：冷凝器、蒸发器、膨胀阀、压缩机。
这里的冷凝器Condenser布置在散热器Radiator的后方，所以车辆行驶时，气流会先穿过散热器然后穿过冷凝器，最后风扇安装在冷凝器后方。
这个气流流过各个器件的顺序在模型里如何表达的呢？参考下图：横线上方是Radiator子系统，横线下方是Condensor子系统，通过模块端口的连接顺序来体现气流流过各部件的顺序。
这里是热力膨胀阀，所以直接使用了库里的热力膨胀阀模块。膨胀阀可以通过定义典型工况点，也可以输入象限曲线数据。
控制端连接到换热器的出口。下方的红圈类似于Simulink里面的Bus，没什么特别用意，只是为了连线“好看”。
如果是电子膨胀阀，则可以使用基本的可变节流口模块，受控逻辑则使用信号计算的方式来表达。
换热器，顾名思义其实和刚刚说的传热没什么本质区别，换热器模型就是计算从A到B传递了多少热量。那传热速率显然的跟温差有关系。
只不过这里通常是两种互相“隔离”的物质之间的换热，那我们会假设这个换热速率SD跟换热物质的流速也有关系：
所以，如果有相关的换热实验数据，直接就可以表达这个换热器的数学本质。
实现任何两种不同流体之间的换热关系(模型)，管路模块则计算热量对管路内流体状态的影响。
不过实际上，SimscapeFluid提供了一个换热器模块库，直接选择合适的模块用就是了。
因为有时候我们可能得不到实验数据，或者在设计前期也没有实验数据，那么可以根据散热器关键尺寸信息，近似计算它的特性。
或者我们前期在设计系统时，往往只有设计工况点，所以也可以借用System-level级别的散热器模型，来实现具有指定工况点特性的散热器模型。
两相流库提供了一下常用制冷剂数据，可以直接选择。
如果是其它特别的制冷剂特性数据，也可以使用Simscape提供的API从第三方软件导入进来。
图中红圈都是控制环节，包括风扇、各泵、各阀以及各加热器，就是通过控制它们来完成了“热量搬运”的任务。备注：Condenser其实是圈在这个子系统里面的风扇(这里把风扇模块放入了Condenser子系统内部)。
控制算法本身用Simulink实现应该没什么问题，它是通用控制算法工具，可以参考官方提供的其它教程去学习。
比如，这里的Radiator和Chiller的旁通阀控制都是01控制。
Inverter出口水温(紫线)始终高于25度，根据算法cmd_rad_bypass(红线)都等于0，Radiator基本上都在工作，
环境温度(左二蓝线)很低-10degC。
Chiller的旁通阀控制就不赘述了。
那么，通过仿真，我们就可以观察系统特性，检查控制效果，优化能耗。
以上内容希望能帮助对整车热管理建模感兴趣的朋友更快的了解这个纯电车的案例模型。
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