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第四章. 组件和热电厂子系统发展模型
上述冷却系统的部件可按照功用分为热源、散热部件和燃料传输部件。
热能模型建立在接近单一集中的热质量——把所有的部件和本身包含的所有子分量视为一个单一均衡性能的同类材料且假设其温度相同。从模型的角度来看，这说明每个部件的温度代表了系统的平均温度。
图4-1说明了热量大致沿着冷却环流动，冷却环由热源部件、散热部件和连接两者的管道组成
将整个热源部件视为可控的量，控制面试部件的几何表面，整个部件块被视为一个等温的物体。运用能量守恒定律到热源部件得到式（4.1）。部件温度将会升高或降低，这依赖于热量是否在部件内部生成或者流入的热量是否比流出的热量多
(4.1)
首先，TCOMP,I（0）代表周围的温度。这个公式每经历一个时间间隔t，TCOMP,I（t-Delta;t）可以从之前的时间间隔获得，TCOMP,o（t）需要求出。若假设TCOMP（t）= TCOMP,o（t），因此可以通过公式（1）求出两者。这个假设必须存在，因为只有一个未知量可以通过一个简单方程求出。
在散热部件方面，NTU方法被用来计算热交换的速率，这将会在散热部件的章节详细介绍。
（4.2）
在图4的右半部分，部件出口处冷却液的温度与热交换器的入口处的冷却液温度不同，导致热量通过管道流失。式（4.3）给出了简单有出入口结合在一起管道的解决方法。
(4.3)
4.1 热源部件
热源部件由混合燃料发动机、电子转换系统、电动机和微控制单元四部分组成。
先前的作品展示了有关传动部件大量数字模型的细节。但是，目前综合的车辆模型很少用于专注在系统级别的部件温度。每个部件产生的热量构造出工厂模型内部的可用信息。
发动机传出的热量就是燃料的化学能减去产生的机械能，被迫传送到空气中和耗费的热量。由于基于脉谱图的性能模型被用来获得燃料的化学能；机械能是发动机的转速和转矩的方程，即早已存在PTTR车辆模型。耗尽的热量假设是恒定不变的部分化学能。
（4.4）
因为电子转换系统放在汽车的后备箱中与外部的空气隔绝，所以热量在电子转换系统与周围空气之间的传递可以忽略不计。而电子转换系统定向的热量移动是主要的，因为其热量由电池内部电阻产生：
(4.5)
被电动机和微控制单元移动的目标热量可以通过他们传递的能量和效率减去被强制传送给热转换器的能量。
当发动机在转动时：
(4.6)
(4.7)
当发动机在发电时：
(4.8)
(4.9)
4.1.1 热对流模型
Boglietti和Cavagnino聚集了有效的热对流公式，该公式能成功应用在动力传递部件的热量分析。证实过的热传导基本几何模型的无量纲的数字被用来预测热传导系数。
层流：
(4.10)
湍流：
(4.11)
对发动机来说，当车辆以常见可变的速度移动时，强制的对流导致了发动机舱气体流动以及在热源部件和周围的物体之间温度梯度差造成的自对流也必须计算在内。而对于电子转换系统来说，由于其放置在汽车的行李箱内，自然而然想到自然的对流是主要的原因。
发动机组是简化的三维立方体，有4个垂直的平滑的表面和一个水平的顶平面。因为发动机的底面被液体覆盖，底部平面的热传导可以忽略不计。电动机可以看做是一个有限长度的水平圆筒。微控制单元是理想的三维长方体，并且其表面假设为隔热平面。值得强调的是这只是一个粗略的近似估计，都知道电路在线仿真器、电机和微控制单元都有一前一后的表面垂直于流动方向。
在Ng和Watkins推荐用来理解对流分析的实验中，气体流速被用来估计公式，实验结果气体的穿过铁栅、空气阻尼器和风扇以及在不同车速下的平均流速如图4-2所示。虽然电机和微控制单元放置在后面的隔离区，图4-2呈现出他们经历了相同的气体流动归咎于缺少明确的实验研究。
最终部件表面之间的热传导可以抽象为：
(4.12)
4.2 散热部件
4.2.1 散热器
散热器是一种热交换器，作用是将冷却管的热量消散到环境中。简易的横向对流百叶窗热交换器被用来拟建如图4-3所示的冷却构思，这个模型可以通过给出的气体流动和冷却液流动解决综合热交换器系数，因此可以预测散热器的散热能力。
在热量从冷却液散失到空气的过程中有三种主要的热阻抗。首先是从冷却液与物体内表面的传导，下一个传导是穿过物体壁厚，最后是从物体外表面的传递加上从风扇传递到空气中的传导。典型的工程学接近系统级别的传导问题是分开决定冷却液和气体方面的传导系数。再者，独特的阻抗是抽象的，综合的热转换系数和热交换效率可以计算得出。
空气方面的热传导系数可通过直接使用Kays和London创建的翅片扁管应用测试的到得数据计算得出结果。如图4-3所示，实际的散热片是非常狭窄的正弦波状。但是，可以假设其为直的矩形状散热片，如图4-4所示，为了有效的利用来自Kays和London的研究数据。“2”这个修正因数被使用在模型里，百叶窗的尺寸几乎是对流的表面区域的两倍。
热交换器的特性是将Colburn因数j和Reynolds因数相关联在一起。
热交换器结果是将Colburn因数j和Reynolds因数相关联在一起，如图4-5所示。感谢相似性，散热片的几何规格数据被用来计算散热片的相关参数，如表4-1所示。
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散热管规格 |
数值 |
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散热片间距 |
381/m |
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自由流动面积/正面面积 |
sigma;=0.697 |
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总热交换面积/总体积 |
а=751m2/m3 |
|
散热面积/总面积 |
0.975 |
由Reynolds的外流动无量纲系数可以通过以下式子获得：
（4.13）
(4.14)
把表4-1中的自由流动面积和正面面积的比值带入式4.14
容积流动速率和空气速度的转换有下式给出：
(4.15)
空气质量流动速率的计算由下式得出：
(4.16)
jH因数与热交换系数的相关系数定义如下式所示：
(4.17)
给出的散热管的内表面不是片状的，散热片效率的计算值仅仅包含空气方面。综合的散热片效率可定义如下式：
(4.18)
当散热器的所有量测量出来后就可以根据表4-1中的а值求出总的散热面积。同时，也可以使用表4-1中提供的散热面积与总面积的比值求出散热面积。
Park和Jung以及Assanis已经把散热器效率公式应用在他们的研究中。其假设散热器的中心是隔热的，这意味着散热管之间传导的热量是可以忽略不计的。那么散热器的效率可以由这个隔热的提示计算出来：
（4.19）
而且对于简易的热交换器应用，其宽度远远大于其厚度，m近似于：
(4.20)
热交换器的传导系数在冷却液方面可以通过相同的几何结构的保热能力获得。在Olsson和Sunden的论文里调查出车辆里10个真实的散热器的热交换特性，包含了流动平顺的散热管，并且使用到他们的研究中。平顺流动的散热管的热交换数据也代表了Colburn因数j和Reynolds因数的相关联系性，如图4-6所示。
j相关系数计算如下式：
（4.21）
当散热管有非圆截面时,水压直径应该这样计算：
(4.22)
Reynolds无量纲因数基于水压直径的表达为：
(4.23)
在模型中，容积流率与冷却液流速之间的转换关系为：
(4.24)
冷却液的质量流率可以用下式计算：
(4.25)
继冷却液和空气的热交换系数解决之后，所创建的热交换器模型的综合热交换系数可以用以下式子来计算：
(4.26)
UA的计算并不要求是否基于空气或者冷却液方面的决定，但是，综合的热交换系数U却需要，因为空气和冷却液的总面积并不相同，所以相应的U值也不同。
最终散热器的热交换速率可以按下式计算：
(4.27)
交换器单元的数量带来的影响NTU可以计算出来：
(4.28)
(4.29)
因此，冷却液和空气的热容率中较小的被定义为Cmin而较大的就被定义为Cmax。Cgamma;是散热器的容量：
(4.30)
4.2.1.1 散热器模型的性能
散热器模型是根据之前的工程学方法建立的，如图4-7所示。其先于集成之前在底线工作状况下测试，如表4-2列出。散热器的性能在依赖两种热流体时变得十分强悍。研究表明在其维持几何结构和温度级别在底线工作状况时，大范围流动的散热器的性能。在设计温度下的热性能可以从热性能章节部分找到。
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气体入口处温度（0C） |
25 |
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气体流速（m/s） |
5 |
10 |
15 |
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冷却液成分 |
水/乙二醇（50/50） |
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冷却液入口温度（0C） |
100 |
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冷却液流速（LPM） |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
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图4-8表明热交换器的散热器容量随着空气和冷却液流动而增加。曲线代表性的显示了对于气体流速强烈的依赖性，因为气体有最高的热阻抗。总体趋势和大小与Oliet和Oliva的参数研究所报道的结果不谋而合。温度的差异是热交换器性能的衍生物，其随着冷却液流速的增加而单调递减。
4.2.2 油水混合型热交换器
就散热器而言,一种油水混合型的热交换器被使用在电机或者微控制单元的冷却系统当中以构成两个冷却环。如图6中所示，冷却水从内部冷却管道穿过，而冷却油流经外部的散热管道。一张模型的性能脉谱图作为冷却油和冷却水的流速和温度的函数在基于经制造商提供的热交换器和降压特性的情况下被创建出来。最佳工况如表4-3总结出。图4-10呈现性能结果。
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冷却油液 |
自动变速器油液 |
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油温（0C） |
80 |
||||||
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油液流速（LPM） |
4 |
8 |
12 |
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冷却水 |
水/乙二醇（50/50） |
||||||
|
冷却水温度（0C） |
60 |
||||||
|
冷却水流速（LPM） |
4 |
8 |
12 |
16 |
20 |
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4.3 液体输送部件
4.3.1 冷却液管
冷却系统应该将从冷却液管中流失的热量计算在内。考虑到标准的冷却液管有
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