摘    要

有效的熱管理對(duì)車(chē)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(dòng)汽車(chē)（EV）對(duì)溫度變化極為敏感，鑒于客戶(hù)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(guò)增加車(chē)輛的續(xù)航里程和降低運(yùn)營(yíng)成本來(lái)惠及消費(fèi)者，同時(shí)也能為制造商帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和潛在的收益增長(zhǎng)。此外，高效的熱管理有助于在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內(nèi)最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。數(shù)字孿生因其能夠加速開(kāi)發(fā)同時(shí)最大限度地降低測(cè)試成本而在各個(gè)行業(yè)中獲得了突出地位。一些應(yīng)用程序已經(jīng)過(guò)渡到全面的三維模型，而另一些應(yīng)用程序則采用模型簡(jiǎn)化技術(shù)或結(jié)合不同建模方法的混合方法。未知工作機(jī)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(lái)的一些好處。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種車(chē)輛暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，該模型把在機(jī)艙和外部流量之間進(jìn)行的漫長(zhǎng)且計(jì)算昂貴的CFD模擬轉(zhuǎn)換為嵌入式應(yīng)用的快速、實(shí)時(shí)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(yùn)營(yíng)成本，并揭示新的系統(tǒng)行為，進(jìn)而促進(jìn)控制策略的進(jìn)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(duì)特定車(chē)型的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)了快速實(shí)施和適應(yīng)性。

01  前    言 

虛擬化和數(shù)字化的開(kāi)發(fā)與測(cè)試活動(dòng)能夠以快速且成本低廉的方式評(píng)估各種場(chǎng)景，進(jìn)而加深對(duì)系統(tǒng)的理解，揭示并滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，最終促成更優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。數(shù)字孿生作為關(guān)鍵性資產(chǎn)，保證了公司競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。然而，數(shù)字孿生的開(kāi)發(fā)和維護(hù)是有固有成本的。盡管如此，它們提供的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了多種技術(shù)的費(fèi)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(dòng)和項(xiàng)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(shí)間。數(shù)字孿生通常是多個(gè)團(tuán)隊(duì)和利益相關(guān)者的可靠單一信息來(lái)源。通過(guò)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中納入專(zhuān)業(yè)駕駛員的反饋，這一點(diǎn)得到了強(qiáng)調(diào)。這個(gè)集中的信息中心有助于項(xiàng)目規(guī)劃，簡(jiǎn)化新員工的入職流程，并降低與員工流動(dòng)和供應(yīng)鏈波動(dòng)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。在汽車(chē)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(kāi)發(fā)一個(gè)這樣的數(shù)字示例，并強(qiáng)調(diào)從整體（機(jī)艙內(nèi)外）角度來(lái)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(biāo)密切相關(guān)。在這項(xiàng)研究中，機(jī)艙和外部元素都被考慮在內(nèi)，如圖1所示。在開(kāi)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(duì)于氣流建模，我們使用一個(gè)名為OpenFoam的開(kāi)源CFD框架給冷凝器建模。對(duì)于機(jī)艙建模，納入了專(zhuān)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(chē)輛中給定冷凝器從周?chē)諝獾街评鋭┝黧w的有效傳熱系數(shù)。輸入為幾何形狀和材料特性、車(chē)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(guò)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(jī)艙內(nèi)需要兩個(gè)接口。第一個(gè)與機(jī)艙內(nèi)的條件有關(guān)，第二個(gè)與機(jī)艙與大氣之間的熱傳遞有關(guān)?？团搩?nèi)部條件是用來(lái)確定乘客區(qū)域和擋風(fēng)玻璃、窗戶(hù)和后擋風(fēng)玻璃（以及任何其他玻璃表面）周?chē)臏囟群惋L(fēng)速曲線(xiàn)。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(jī)艙內(nèi)的溫度和風(fēng)速曲線(xiàn)。車(chē)輛在空氣中行駛時(shí)，車(chē)輛與大氣的熱交換速率取決于許多因素，包括車(chē)輛速度。有必要對(duì)此進(jìn)行量化，以改進(jìn)控制策略。總之，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(chē)輛速度和方向、空氣熱力學(xué)特性、速度和方向，溫度和太陽(yáng)能負(fù)荷，輸出為車(chē)輛和大氣之間的有效傳熱系數(shù)。機(jī)艙模型如圖3所示。數(shù)字孿生模型能提供機(jī)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(gè)時(shí)間步都考慮硬耦合，不如采用一種不那么嚴(yán)格的方法來(lái)降低原本難以處理的計(jì)算成本。

圖3  用于控制算法開(kāi)發(fā)的機(jī)艙模型示意圖

圖4  CFD和熱管理模擬之間的耦合機(jī)制示意圖

數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)流

數(shù)字孿生中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是能夠與多個(gè)軟件進(jìn)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(lái)開(kāi)發(fā)和測(cè)試控制策略。對(duì)之前的Simulink模型進(jìn)行了許多修改，以適應(yīng)數(shù)字孿生的輸入，并通過(guò)自動(dòng)配置有效地運(yùn)行這兩個(gè)模型。為了促進(jìn)模型的集成并加快開(kāi)發(fā)階段，同時(shí)促進(jìn)模型的維護(hù)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(qiáng)調(diào)，數(shù)字孿生不僅能夠?yàn)橐痪S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(kāi)發(fā)的機(jī)艙模型示意圖

圖6 當(dāng)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(jì)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(dòng)機(jī)缸體到冷凝器（和中冷器）的熱傳遞，在低速可壓縮模擬中觀(guān)察到熱交換減少。然而，對(duì)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(jì)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?yàn)樗鼈兘沂玖瞬豢蓧嚎s模擬無(wú)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(jì)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(dòng)機(jī)缸體的熱量對(duì)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(jìn)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(guò)程啟動(dòng)后，不同時(shí)間點(diǎn)上，當(dāng)通風(fēng)口處于標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)，機(jī)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(guān)察到后排座椅和炎熱的車(chē)頂有明顯的再循環(huán)現(xiàn)象。正如預(yù)期的那樣，經(jīng)過(guò)靜態(tài)加熱處理后，空氣溫度達(dá)到了相對(duì)均勻的狀態(tài)。有趣的是，在冷卻過(guò)程接近尾聲時(shí)，在車(chē)輛后部的模擬中觀(guān)察到較冷的空氣包。機(jī)艙內(nèi)空氣的進(jìn)一步均勻化和氣流控制可能會(huì)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(guò)程中機(jī)艙內(nèi)表面的熱通量和溫度。據(jù)觀(guān)察，遠(yuǎn)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(jī)。最高溫度、最低溫度和平均溫度可以表明司機(jī)或乘客是否會(huì)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(guò)熱或過(guò)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(huì)給乘客帶來(lái)不適，也會(huì)縮短部件的使用壽命。圖18給出了車(chē)輛不同表面的更詳細(xì)圖片。特別是，應(yīng)注意確保與乘客接觸的表面不會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)或過(guò)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(guò)程中的溫度曲線(xiàn)與圖19所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果非常相似。這增強(qiáng)了我們對(duì)數(shù)字孿生預(yù)測(cè)的信心。

圖11 冷卻0s，車(chē)輛不同區(qū)域的客艙氣流和空氣溫度分布

圖12    冷卻180s，車(chē)輛不同區(qū)域的客艙氣流和空氣溫度分布

圖13 冷卻1800s，車(chē)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(shí)間變化的機(jī)艙空氣平均最低、最高和平均溫度

圖18 冷卻過(guò)程中機(jī)艙不同區(qū)域的平均溫度

圖19 冷卻過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

客艙外部分析

車(chē)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(duì)這一能量進(jìn)行了量化，并為不同速度和車(chē)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(chē)輛部件在各種車(chē)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(guò)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)增強(qiáng)的系統(tǒng)的結(jié)果。由于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬預(yù)測(cè)的對(duì)流增強(qiáng)，壓縮機(jī)需要以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行以滿(mǎn)足更高的冷卻需求。

圖20 車(chē)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(qiáng)（右）的系統(tǒng)行為比較

04  結(jié)論

我們對(duì)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)字孿生框架進(jìn)行了全面分析，特別關(guān)注冷凝器以及機(jī)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(qiáng)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(dòng)汽車(chē)的背景下，所有這些都對(duì)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(jìn)化，我們所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生也不例外。