摘    要

有效的熱管理對車輛至關(guān)重要，它影響了乘客的舒適性和安全性，以及整體能源效率。電動汽車（EV）對溫度變化極為敏感，鑒于客戶常常經(jīng)歷里程焦慮，提升熱管理系統(tǒng)的效率不僅能通過增加車輛的續(xù)航里程和降低運營成本來惠及消費者，同時也能為制造商帶來競爭優(yōu)勢和潛在的收益增長。此外，高效的熱管理有助于在車輛的整個生命周期內(nèi)最大限度地減少對環(huán)境的影響。數(shù)字孿生因其能夠加速開發(fā)同時最大限度地降低測試成本而在各個行業(yè)中獲得了突出地位。一些應(yīng)用程序已經(jīng)過渡到全面的三維模型，而另一些應(yīng)用程序則采用模型簡化技術(shù)或結(jié)合不同建模方法的混合方法。未知工作機制的發(fā)現(xiàn)、更高效和有效的控制系統(tǒng)是數(shù)字孿生帶來的一些好處。在這項研究中，我們提出了一種車輛暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，該模型把在機艙和外部流量之間進行的漫長且計算昂貴的CFD模擬轉(zhuǎn)換為嵌入式應(yīng)用的快速、實時模擬。我們所展示的數(shù)字孿生策略旨在為控制策略提供信息支持，以降低運營成本，并揭示新的系統(tǒng)行為，進而促進控制策略的進一步優(yōu)化。我們所提出的數(shù)字孿生方法最大限度地減少了對特定車型的依賴，實現(xiàn)了快速實施和適應(yīng)性。

01  前    言 

虛擬化和數(shù)字化的開發(fā)與測試活動能夠以快速且成本低廉的方式評估各種場景，進而加深對系統(tǒng)的理解，揭示并滿足客戶的需求，最終促成更優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)。數(shù)字孿生作為關(guān)鍵性資產(chǎn)，保證了公司競爭優(yōu)勢。然而，數(shù)字孿生的開發(fā)和維護是有固有成本的。盡管如此，它們提供的優(yōu)勢遠遠超過了多種技術(shù)的費用。它們的多域功能使其具有高度的適應(yīng)性，允許在各種活動和項目中重用。這種可重用性不僅降低了研發(fā)成本，還加快了上市時間。數(shù)字孿生通常是多個團隊和利益相關(guān)者的可靠單一信息來源。通過在開發(fā)過程中納入專業(yè)駕駛員的反饋，這一點得到了強調(diào)。這個集中的信息中心有助于項目規(guī)劃，簡化新員工的入職流程，并降低與員工流動和供應(yīng)鏈波動相關(guān)的風(fēng)險。在汽車熱管理領(lǐng)域，與用于建筑物熱管理的數(shù)字孿生相比，數(shù)字孿生更為稀缺。本文旨在開發(fā)一個這樣的數(shù)字示例，并強調(diào)從整體（機艙內(nèi)外）角度來看的好處。

02  建模方式

結(jié)構(gòu)

數(shù)字化的架構(gòu)至關(guān)重要，與其目標密切相關(guān)。在這項研究中，機艙和外部元素都被考慮在內(nèi)，如圖1所示。在開發(fā)數(shù)字孿生的初始階段，采用了兩種不同的建模方法。對于氣流建模，我們使用一個名為OpenFoam的開源CFD框架給冷凝器建模。對于機艙建模，納入了專有軟件TaiTherm的輸入。

圖1  數(shù)字孿生系統(tǒng)

冷凝器數(shù)字孿生模型

冷凝器的作用是將制冷劑流體中的熱量排放到大氣中，使冷劑流體的冷卻和冷凝。CFD模擬將確定車輛中給定冷凝器從周圍空氣到制冷劑流體的有效傳熱系數(shù)。輸入為幾何形狀和材料特性、車輛速度、空速、空氣特性（包括溫度和濕度）、制冷劑特性，輸出為每種條件下的有效傳熱系數(shù)。圖2顯示了冷凝器模型的示意圖，其中有效傳熱是通過CFD模擬獲得的。

 圖2  冷凝器數(shù)字孿生模型

客艙數(shù)字孿生模型

機艙內(nèi)需要兩個接口。第一個與機艙內(nèi)的條件有關(guān)，第二個與機艙與大氣之間的熱傳遞有關(guān)?？团搩?nèi)部條件是用來確定乘客區(qū)域和擋風(fēng)玻璃、窗戶和后擋風(fēng)玻璃（以及任何其他玻璃表面）周圍的溫度和風(fēng)速曲線。其輸入是幾何形狀和材料特性、通風(fēng)口的平均風(fēng)速、熱源，輸出的是機艙內(nèi)的溫度和風(fēng)速曲線。車輛在空氣中行駛時，車輛與大氣的熱交換速率取決于許多因素，包括車輛速度。有必要對此進行量化，以改進控制策略?？傊?，預(yù)期的輸入和輸出數(shù)據(jù)將是：輸入為幾何形狀和材料特性、車輛速度和方向、空氣熱力學(xué)特性、速度和方向，溫度和太陽能負荷，輸出為車輛和大氣之間的有效傳熱系數(shù)。機艙模型如圖3所示。數(shù)字孿生模型能提供機艙的熱質(zhì)量以及與環(huán)境的有效傳熱系數(shù)。傳熱模擬與CFD模型相結(jié)合，如圖4所示。與其在每個時間步都考慮硬耦合，不如采用一種不那么嚴格的方法來降低原本難以處理的計算成本。

圖3  用于控制算法開發(fā)的機艙模型示意圖

圖4  CFD和熱管理模擬之間的耦合機制示意圖

數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)流

數(shù)字孿生中一個關(guān)鍵點是能夠與多個軟件進行交互，以有效地執(zhí)行不同的任務(wù)。在這種特殊情況下，需要使用一維模擬來開發(fā)和測試控制策略。對之前的Simulink模型進行了許多修改，以適應(yīng)數(shù)字孿生的輸入，并通過自動配置有效地運行這兩個模型。為了促進模型的集成并加快開發(fā)階段，同時促進模型的維護和可用性，提出了如圖5所示的持續(xù)集成和持續(xù)部署（CI/CD）框架。數(shù)字孿生中考慮的數(shù)據(jù)流匯總?cè)鐖D6所示。重要的是要強調(diào)，數(shù)字孿生不僅能夠為一維模擬提供高質(zhì)量的輸入，而且還可以發(fā)現(xiàn)和量化某些難以獲得的行為。

圖5 用于控制算法開發(fā)的機艙模型示意圖

圖6 當前數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)流

   03  結(jié)果和討論  

圖7顯示了冷凝器根據(jù)原始數(shù)據(jù)使用不可壓縮和可壓縮CFD方法的數(shù)字孿生方法計算出的熱交換。CFD模擬提供的數(shù)據(jù)與預(yù)期熱交換的速度增加一致。如圖8、圖9和圖10所示，由于從發(fā)動機缸體到冷凝器（和中冷器）的熱傳遞，在低速可壓縮模擬中觀察到熱交換減少。然而，對于更高的速度，結(jié)果變得具有可比性。

圖7 不可壓縮和可壓縮CFD的模型冷凝器散熱模擬與數(shù)字孿生計算結(jié)果的比較

圖8 低速和高速下不可壓縮模擬的氣流速度和散熱結(jié)果（中冷器左，冷凝器右）

圖9 不可壓縮（左）和可壓縮（右）情況下的速度和熱量比較

圖10 低速下不可壓縮模擬的氣流速度和散熱結(jié)果（中冷器左，冷凝器右）

從上述結(jié)果可以推斷，在低速情況下，推薦采用可壓縮模擬，因為它們揭示了不可壓縮模擬無法捕捉的行為。然而，在更高速度下，浮力效應(yīng)變得微不足道，且由于計算工作量的減少，可壓縮模擬則更為適宜。在低速狀態(tài)下，發(fā)動機缸體的熱量對冷凝器整體傳熱能力的影響極為顯著。由于減少這種氣流可以顯著提升空調(diào)系統(tǒng)的效率，因此需要考慮進一步的研究工作。

客艙內(nèi)部分析

圖11、圖12和圖13展示了在冷卻過程啟動后，不同時間點上，當通風(fēng)口處于標準位置時，機艙內(nèi)不同縱向切面的風(fēng)速分布以及空氣溫度分布情況。觀察到后排座椅和炎熱的車頂有明顯的再循環(huán)現(xiàn)象。正如預(yù)期的那樣，經(jīng)過靜態(tài)加熱處理后，空氣溫度達到了相對均勻的狀態(tài)。有趣的是，在冷卻過程接近尾聲時，在車輛后部的模擬中觀察到較冷的空氣包。機艙內(nèi)空氣的進一步均勻化和氣流控制可能會導(dǎo)致更快的冷卻期，以提高乘客的舒適度。圖14、圖15和圖16顯示了冷卻過程中機艙內(nèi)表面的熱通量和溫度。據(jù)觀察，遠離駕駛員的區(qū)域具有顯著的冷卻效果而這些冷卻效果本可以導(dǎo)向司機。最高溫度、最低溫度和平均溫度可以表明司機或乘客是否會感到不適，這種不適可能是由于流體（空氣）的溫度，或者是由于他們接觸到的表面過熱或過冷。圖17顯示了平均溫度。重要的是要注意，最低和平均溫度衰減得很快，而最高溫度衰減得慢得多，這可能會給乘客帶來不適，也會縮短部件的使用壽命。圖18給出了車輛不同表面的更詳細圖片。特別是，應(yīng)注意確保與乘客接觸的表面不會達到危險或過于不舒服的溫度。最后，重要的是要注意，盡管模型中存在各種假設(shè)，但冷卻過程中的溫度曲線與圖19所示的實驗測量結(jié)果非常相似。這增強了我們對數(shù)字孿生預(yù)測的信心。

圖11 冷卻0s，車輛不同區(qū)域的客艙氣流和空氣溫度分布

圖12    冷卻180s，車輛不同區(qū)域的客艙氣流和空氣溫度分布

圖13 冷卻1800s，車輛不同區(qū)域的客艙氣流和空氣溫度分布

圖14 冷卻0s的溫度和熱通量分布

圖15 冷卻180s的溫度和熱通量分布

圖16 冷卻1800s的溫度和熱通量分布

圖17 隨時間變化的機艙空氣平均最低、最高和平均溫度

圖18 冷卻過程中機艙不同區(qū)域的平均溫度

圖19 冷卻過程的實驗數(shù)據(jù)

客艙外部分析

車輛與環(huán)境之間因?qū)α鞫粨Q的能量是不可忽視的。在數(shù)字孿生模型中，我們對這一能量進行了量化，并為不同速度和車輛不同表面提供了平均傳熱系數(shù)的數(shù)值。圖20展示了不同車輛部件在各種車輛速度下的各種邊界條件和傳熱系數(shù)。圖21比較了原始系統(tǒng)和通過數(shù)字孿生數(shù)據(jù)增強的系統(tǒng)的結(jié)果。由于計算流體動力學(xué)（CFD）模擬預(yù)測的對流增強，壓縮機需要以更高的轉(zhuǎn)速運行以滿足更高的冷卻需求。

圖20 車輛不同部位不同速度的邊界條件和有效傳熱系數(shù)

圖21 原始條件下（左）和用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)增強（右）的系統(tǒng)行為比較

04  結(jié)論

我們對應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)字孿生框架進行了全面分析，特別關(guān)注冷凝器以及機艙內(nèi)外的傳熱。這取得了許多積極成果，包括發(fā)現(xiàn)未知的工作模式、增強一維模型和控制器。此外，它還使我們能夠得出建模指南。特別是在電動汽車的背景下，所有這些都對乘客的舒適性、安全性和能源效率產(chǎn)生了積極的影響。數(shù)字孿生在自然界中不斷進化，我們所設(shè)計的數(shù)字孿生也不例外。