为什么需要对乘员舱建模？高效的乘员舱建模对于新时代的电池电动汽车（BEVs）至关重要，每节省一点能量都能帮助增加电动汽车的续航里程。设计工程师的目标是在各种环境条件下，比如不同地理区域的热天或冷天，实现乘客舒适度和车辆能耗之间的最佳平衡。在最新发布的GT-SUITE v2025版本中，Gamma Technologies引入了一项新功能，可以从详细的3D乘员舱模型自动生成基于物理的、实时可行的降阶模型（ROM）。这个新功能将帮助用户快速探索各种乘员舱几何形状，并开发准确的乘员舱舒适度控制策略。

现代车辆空调系统的复杂性有所增加，制冷剂循环不仅要为乘员舱提供冷却和加热，还要帮助维持动力总成部件（电池、电机和电子设备）的温度。

一个典型的空调系统包括以下部件：

• 压缩机：将制冷剂压缩到冷凝器

• 冷凝器：释放从乘员舱空气中吸收的热量

• 膨胀阀（TXV/EXV）：将制冷剂节流到蒸发器

• 蒸发器：冷却乘员舱的热空气

• 空调风门：控制空气再循环率

• 风机：在系统中产生气流

• 加热器：加热乘员舱内冷空气

• 乘员舱：体现系统的热惯性

多物理场仿真平台GT-SUITE能够精确模拟这些部件在实际车辆中的相互作用。这些仿真允许工程师在单个部件级别和整个系统级别开发最优设计。图1展示了在GT-SUITE中的一个简单空调系统的示意图。

图1：GT-suite中一个简单的车辆HVAC系统

在GT-SUITE中，可以根据设计需求在不同层次上进行乘员舱建模。在图2的左下角，我们看到了使用单区域和多区域进行的0D/1D乘员舱建模能力。这是一种以系统为中心的方法。随着我们向图2的右侧移动，它变得更加注重舒适度，并提供高保真度的结果。

在GT-SUITE中，通过和GT-TAITherm的联合仿真，可以进行3D乘员舱舒适度建模。在这种方法中，GT-SUITE解决乘员舱内的流体域问题，而GT-TAITherm解决乘员舱和乘客舒适度的热固体结构问题。

图2: GT-SUITE乘员舱不同的建模保真度

GT-SUITE中的这些乘员舱建模方法比传统的3D CFD（计算流体力学）快得多，同时仍能提供设计高效、集成的空调系统所需的精度。GT-SUITE乘员舱建模和仿真的几个关键优势包括：

• 预测车辆中新组件是否能满足舒适度和能源使用目标

• 改善空调系统中的控制策略

• 评估新技术，如低辐射玻璃涂层和局部冷却/加热

• 优化全局和局部乘客舒适度

• 不同规格的组件，如压缩机、蒸发器、风机和加热器

• 研究不同的边界条件，如空气再循环率、风门位置和进口温度

如图2所示，这个新的简化工作流程可以自动从详细的3D GT-TAITherm乘员舱模型创建一个快速运行的1D降阶模型（ROM）。这个功能自动从3D模型中提取所有所需的属性，并使用流动和热力学单元生成ROM。它还可以根据3D模拟结果自动准备ROM进行校准，并自动创建图表以检查校准结果。这个快速运行的ROM可以轻松集成到系统级模型中，并应用于实时应用场景。

乘员舱通常由不同层的固体结构组成。如图3所示，乘员舱部件的每一层都被建模为一个集总热质量。乘员舱内的空气被表示为一个流动体积。基于物理的降阶模型（ROM）通过捕捉以下几种热传递模式来给出准确结果：

• 在所有固体的不同层之间进行的热传导

• 乘员舱固体与乘员舱内空气之间的对流热传递

• 乘员舱固体与周围环境之间的对流热传递

• 不同固体之间的辐射热传递

• 太阳热通量的影响

图3：从3D GT-TAITherm乘员舱模型

自动生成降阶模型（ROM）

为了研究乘员舱降阶模型（ROM）在加热和冷却场景中的表现，做如下案例研究。图4展示了用于这个案例研究的3D GT-TAITherm乘员舱模型。该乘员舱模型由代表固体结构的不同部件和一个人体模型组成。这个乘员舱模型中的每个固体结构都由多层组成。

图4：用于研究的GT-TAitherm乘员舱模型

图5展示了冷却场景的边界条件。环境温度为50摄氏度，冷风通过仪表板通风口吹入乘员舱。模拟的总持续时间为60分钟。

图5：冷却场景的边界条件

图6展示了3D模型和ROM对于挡风玻璃、车门、地板和乘员舱内空气的温度结果。ROM的固体结构温度和乘员舱内空气温度与3D结果非常接近。在这个工作流程中，工具会自动根据3D模拟结果准备ROM进行校准，以进一步提高准确性。在校准过程中，使用GT-SUITE中集成的设计优化器，调整了与固体材料属性和对流热传递系数（HTCs）相关的各种系数。优化的目标是尽量缩小3D模拟结果和ROM结果之间的差异，这包括三个量：乘员舱内空气温度、固体部件的乘员舱内、外侧温度。

图6：降阶温度结果

乘员舱模型阶数减少工作流程为用户带来的关键价值如下，并在图7中进行了展示：

• 自动从3D GT-TAITherm车辆乘员舱模型中提取数据

• 在几秒钟内自动创建基于物理的降阶模型（ROM），允许快速设置各种几何形状和细节级别的模型

• 根据3D结果自动准备ROM进行校准，并自动创建图表以检查校准结果

• 适用于冷却和加热两种场景

• 模拟速度比实时快100倍

• ROM与系统级模型的无缝集成

图7：乘员舱模型阶数减少工作流程带来的价值