超级跑车HVAC系统设计方案

学术界和产业界的密切协作不仅有助于学生提升基本技能，还在设计新系统、将其集成到创新产品中并将这些产品推向市场方面发挥着至关重要的作用。最近由 EMA Global Engineering、都灵理工大学和 MathWorks 协作完成的车辆暖通空调 (HVAC) 项目就是一个典范。

一家意大利汽车制造商需要一款 HVAC 系统的控制器，以用于下一代超级跑车。这款价值数百万美元的汽车配备定制发动机，能够快速加速到 230 英里/小时（370 公里/小时）以上。鉴于 EMA Global Engineering 在为面向利基市场的汽车制造商设计和开发系统方面具有丰富的专业知识，制造商聘请了他们来开发控制软件。

除了现代车辆 HVAC 系统自身的复杂结构和众多子系统外，该项目关键的挑战是开发在汽车或 HVAC 系统本身可用之前就需要开始。EMA Global Engineering 首席技术官 Mirko Zanotel 将本次挑战视为其工程团队扩展使用基于模型的设计的良机。具体来说，就是在做出硬件之前使用物理模型对控制器进行仿真和优化。

Zanotel 联系了 Massimo Violante 教授，提出进行协作。Violante 教授在附近的都灵理工大学讲授基于模型的设计相关课程。Violante 建议让他的研究生 Gianluca Aquaro 开发车辆 HVAC 系统的物理模型作为硕士论文的一部分。他认为让该协作成功的所有要素均已就位。“EMA Global Engineering 的问题能够清晰的被定义并通过基于模型的设计来解决，”他解释道。“Aquaro 本就有兴趣与一家公司协作来完成他在此领域的硕士论文，而且 MathWorks 也准备好了提供所有必要的支持。”

在接下来的几个月里，Aquaro 使用 Simulink 和 Simscape 开发了 HVAC 系统的详细模型。该模型涵盖六个不同物理域：气体、热液体、热、两相流体、湿气和机械。该模型让 EMA Global Engineering 能够在各种工作场景下通过仿真来标定、优化和实际测试 HVAC 控制系统的性能。这种方法不仅能够最大限度地减少系统在超级跑车上的测试时间，还能够缩短整体开发时间，从而使 EMA Global Engineering 能够快速响应制造商将来的改动请求，例如，为在异常炎热或寒冷气候下运行的车辆优化 HVAC 系统和控制参数。

通过参考示例快速开始模型开发

Aquaro 在入手此项目时，已从 Violante 教授的基于模型的设计课程和都灵理工大学的其他课程中获得了 MATLAB 和 Simulink 的使用经验。但是，他在物理建模和 Simscape 方面的经验相对较少。首先，Aquaro 研究了 Simscape 附带的车辆 HVAC 系统示例。该示例对潮湿空气流经再循环风门、风机、蒸发器、混合门和加热器，再返回车室的过程进行了建模（图 1）。

图 1. HVAC 系统的示例模型。

尽管此模型需要修改和扩展才能符合超级跑车的独特规范，但它可以作为论文和整个项目工作的重要起点。Violante 认为，有示例模型作为起点非常重要，因为学生从头开始开发这样的模型至少需要六个月的时间，这样就没有时间来完成实际论文工作。

模型增强

Aquaro 根据超级跑车制造商提供的风机、蒸发器、压缩机、管道和其他组件的数据表，从调整模型参数开始更新参考模型。他还以多种方式扩展和增强了模型，包括纳入其他物理域，并用更详细的、更能准确地反映制造商计划使用的组件的动态特性的替代方案替换单个子系统（图 2）。

图 2. 完整的顶层车辆 HVAC 模型。

更换蒸发器模块是 Aquaro 对原始模型进行的关键修改之一。此模块与压缩机和冷凝器模块一起用于制冷剂循环（图 3）。Aquaro 用一个完整子系统取代了最初仅基于冷却温度作为输入对蒸发器行为进行仿真的模块。该子系统考虑管道内的冷却空气，并使用两相液体域对超级跑车中使用的 R-1234yf 制冷剂的属性进行建模。

图 3. 制冷剂循环模型。

实现建模规范和测试框架

在 Violante 教授的鼓励下，Aquaro 在开发 HVAC 系统模型时采用了多种行业做法。例如，他遵循了 MathWorks Advisory Board 咨询委员会 (MAB) 建模规范以提高模型的可读性和可重用性，使 EMA Global Engineering 的其他工程师更容易理解其工作原理并将其改造用于其他项目。

Aquaro 还生成了一组测试框架，用于运行 HVAC 系统模型中组件的基于仿真的测试。Aquaro 使用 Simulink Test 生成这些框架，他还使用了该产品中的测试管理器来管理和执行各种场景下的模型测试（图 4）。作为测试计划的一部分，Aquaro 在 Simulink 中创建了一个简单的控制模型，然后他将其与在 Simscape 中开发的被控对象模型结合起来创建了系统级模型，用于运行闭环测试。他还使用 MATLAB 和 Simulink 工程在单一环境中组织所有这些模型以及测试和测试结果。

图 4. 为单个组件生成的测试框架（左）和测试管理器中显示的测试结果（右）。

作为测试模型的工作流的一部分，Aquaro 运行了大量仿真，重点验证加热、冷却和管道（气流）子系统的性能。然后，他使用 MATLAB 对仿真结果进行了后处理和可视化（图 5）。

图 5. R-1234yf 制冷剂属性的可视化。

车辆测试和后续步骤

当超级跑车制造商制造出可供测试的原型车时，EMA Global Engineering 的工程师已准备好立即测试他们根据 Simscape 模型调节的控制设计。汽车原型可用后，Aquaro 将模型的仿真结果与实际 HVAC 系统的测量结果进行了比较（图 6），并确定了影响仿真准确性的二阶效应，例如车速对管道中气温的影响。

图 6. 车辆行驶时冷却（上图）和加热（下图）子系统的测量温度和仿真温度的比较。

EMA Global Engineering 工程师根据这些车辆测试的结果对控制参数进行了微调，现在该控制系统已经在超级跑车生产版本的 ECU 上运行。获得硕士学位后，Aquaro 入职 EMA Global Engineering，继续在该公司从事模型和其他基于模型的设计项目工作。

展望未来，EMA Global Engineering 可以在以后推出的超级跑车版本中重用 HVAC 模型，只需根据需要在 Simulink 模型工作区中调整参数即可（图 7）。

图 7. 模型工作区中可修改的 HVAC 系统参数。

Zanotel 指出，除了模型本身，协作中使用的整套方法让公司处于领先地位。“此项目是 EMA Global Engineering 与 MathWorks 和都灵理工大学协作应用最先进的汽车工程方法的绝佳机会，我们现在可以继续沿袭这种方法。”

而在中国，面向全国高等学校开放的教育部产学合作协同育人项目——教学内容和课程体系改革（MATLAB 专题）已获批准通过。欢迎感兴趣的老师抓紧最后的时间，完成申请提交。

关于作者

Jordi Villar Venini 是 MathWorks 的应用工程师。

Massimo Violante 是意大利都灵理工大学控制和计算机工程系的副教授。他的研究兴趣包括任务和安全关键型应用的嵌入式系统设计，尤其是在航空航天和汽车行业。

Mirko Zanotel 是 EMA Global Engineering 的首席技术官。

Gianluca Aquaro 在都灵理工大学获得硕士学位，现在是 EMA Global Engineering 的软件开发人员。

审核编辑：汤梓红