一种汽车车窗能耗优化方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及汽车车窗能耗优化方法及系统。

背景技术

根据国标要求，“汽车能源消耗标识”增加高温开空调，低温开暖风两种工况标识，因此减少整车能耗已成为汽车主机厂关重点。目前用户对纯电动车辆的低温续航里程衰退的抱怨的更多，同时技术难度更大，当前，降低低温法规工况下的整车能耗，可以通过热管理系统优化或减少整车的漏热量实现。车窗玻璃作为整车与环境的最重要的热交互边界，其漏热量多少直接关系到整车的能耗水平，但是盲目提高其隔热效果，成本无法控制，主机厂难以接受。

现有技术提出了一种被动式恒温超低能耗汽车保温方法，通过在汽车各个部位设置高效隔热保温材料层、高气密性围护结构、多玻温屏节能中空玻璃车窗、防紫外线保温镀膜或贴膜等方式，有效地解决了汽车停驶中夏季车内炎热，冬季车内寒冷的保温需求，以极少的能源消耗保持车内恒温、恒湿、恒氧、恒净、低噪、健康和舒适的行车环境。

现有技术中用于解决冬季能耗的主要方式为采用节能车窗、天窗和前后挡风玻璃，所述的节能车窗、天窗和前后挡风玻璃采用温屏多玻中空玻璃，然而该方案未考虑不同车窗的漏热量高低问题、车窗成本问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种汽车车窗能耗优化方法，以解决现有技术盲目提高其隔热效果，成本无法控制的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种汽车车窗能耗优化方法，

建立整车车窗几何模型，将内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布设定为玻璃内层的物理属性，将外层玻璃的对流换热系数分布设定为玻璃外层的物理属性，在设定环境边界后，形成整车车窗仿真模型；

根据玻璃物性参数设定选定因子，基于所述整车车窗仿真模型，得到各选定因子与漏热量之间的传递函数；

基于玻璃物性参数与成本之间的关系函数，得到各选定因子与成本之间的传递函数；

获得成本目标值和漏热量目标值，基于选定因子与漏热量之间的传递函数以及选定因子与成本之间的传递函数，得到各选定因子的最优值。

根据上述技术手段，通过建立整车车窗几何模型计算漏热量，然后根据玻璃物性参数确定选定因子后，计算各选定因子与漏热量之间的传递函数以及各选定因子与成本之间的传递函数，在结合两个传递函数，在确定成本目标值和漏热量目标值后，得到各选定因子的最优值，在改善玻璃漏热量的同时兼顾成本，进而通过该方法提供具有高玻璃隔热性和低成本相结合的具有性价比的方案。

进一步，所述选定因子与漏热量之间的传递函数或者选定因子与成本之间的传递函数的计算方法为：

根据所述整车车窗仿真模型或者玻璃物性参数与成本之间的关系函数，计算得到每组玻璃物性参数所对应的漏热量或者成本；

拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系；

计算的得到所有选定因子的主效应，若存在主效应大于目标参数的选定因子，则删除主效应最大的选定因子，然后重新进行所述拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系，直至所有的选定因子的主效应均小于等于目标参数。

进一步，所述选定因子包括玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度以及上述参数的两两组合。

进一步，计算所述外层玻璃的对流换热系数分布的方法在于：

建立整车外流场计算域的几何模型，所述整车外流场几何模型的边界包括车身表面、车窗、车轮、底盘、模拟环境进风面和出风面，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

针对整车外流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述外层玻璃的对流换热系数分布。

进一步，计算所述内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布的方法为：

建立整车内流场计算域的几何模型，所述整车内流场几何模型的边界包括仪表台、中控、吹面出风口、除霜出风口、车窗、座椅、门内饰板和地毯，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

对整车内流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布。

一种汽车车窗能耗优化系统，包括：

第一模型分析模块，配置为建立整车车窗几何模型，将内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布设定为玻璃内层的物理属性，将外层玻璃的对流换热系数分布设定为玻璃外层的物理属性，在设定环境边界后，形成整车车窗仿真模型；

传递函数计算模块，配置为根据玻璃物性参数设定选定因子，基于所述整车车窗仿真模型，得到各选定因子与漏热量之间的传递函数；基于玻璃物性参数与成本之间的关系函数，得到各选定因子与成本之间的传递函数；

优化模块，配置为获得成本目标值和漏热量目标值，基于选定因子与漏热量之间的传递函数以及选定因子与成本之间的传递函数，得到各选定因子的最优值。

进一步，所述选定因子与漏热量之间的传递函数或者选定因子与成本之间的传递函数的计算方法为：

根据所述整车车窗仿真模型或者玻璃物性参数与成本之间的关系函数，计算得到每组玻璃物性参数所对应的漏热量或者成本；

拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系；

计算的得到所有选定因子的主效应，若存在主效应大于目标参数的选定因子，则删除主效应最大的选定因子，然后重新进行所述拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系，直至所有的选定因子的主效应均小于等于目标参数。

进一步，所述选定因子包括玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度以及上述参数的两两组合。

进一步，还包括第二模型分析模块，配置为根据下述方法计算所述外层玻璃的对流换热系数分布，具体的：

建立整车外流场几何模型，所述整车外流场几何模型的边界包括车身表面、车窗、车轮、底盘、模拟环境进风面和出风面，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

针对整车外流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述外层玻璃的对流换热系数分布。

进一步，还包括第三模型分析模块，配置为根据下述方法计算所述内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布，具体的：

建立整车内流场几何模型，所述整车内流场几何模型的边界包括仪表台、中控、吹面出风口、除霜出风口、车窗、座椅、门内饰板和地毯，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

对整车内流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布。

本发明的有益效果：

本发明综合考虑了整车所有车窗在整个低温法规工况中的漏热分布，利用传递函数求解得到成本最低，能耗收益最大的整车车窗物性参数设定方法，实现了整车车窗隔热性能提升，为冬季低温续航问题提供了最具性价比的解决办法，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明车窗外流场参数获取流程图；

图3为本发明车窗内流场参数获取流程图；

图4为本发明车窗能耗获取流程图；

图5为本发明车窗能耗优化流程图；

图6为本发明具体实施例传递函数示意图；

图7为本发明汽车车窗能耗优化系统结构图。

其中，1-第一模型分析模块；2-传递函数计算模块；3-优化模块；4-第二模型分析模块；5-第三模型分析模块。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明技术方案的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例提出了一种汽车车窗能耗优化方法，综合考虑成本、重量，即通过调整整车所有玻璃参数，包括玻璃密度、导热系数、比热容、玻璃组成等，从而降低整车能耗，同时成本重量可控的分析方法。

本实施例通过计算流体仿真软件，首先基于低温法规工况，分别对内外流场进行建模，获取全工况下的整车外流场关键参数和采暖时的内流场关键参数，然后对所有车窗单独建模，减少计算量的同时，提高计算精度，将外流场关键参数和内流场关键参数赋值到车窗模型中，调整车窗玻璃的物性参数，获取不同车窗物性对应的车窗漏热量、成本、重量等项目重点关心的响应值。最后，基于最小二乘法对车窗漏热量、成本、重量进行数值拟合，获取对应传递函数，通过传递函数得到该项目预定目标下，所需的玻璃物性参数，实现漏热性能达标，成本重量可控。

首先，对整车外流场进行建模分析，模型边界包括整车外CAS（车身表面、车窗、车轮、底盘、模拟环境进风面、出风面等）、通过创建整车外流场计算域的几何模型后，在STARCCM+软件中划分计算域体网格，采用Realizable K-Epsilon湍流模型对流场进行仿真，其中控制方程采用有限体积法离散，在离散方程中，动量方程、湍流扩散方程均采用二阶差分离散格式，模型中环境边界与低温法规工况保持一致，待计算完成后输出外层玻璃对流换热系数分布。

然后，对整车内流场进行建模分析，模型边界包括整车内CAS（仪表台、中控、吹面出风口、除霜出风口、车窗、座椅、门内饰板、地毯等），通过创建整车内流场计算域的几何模型后，在STARCCM+软件中采用上述相同方法，计算低温法规工况下开展试验时，内层玻璃对流换热系数、温度分布。

其次，对整车车窗进行单独建模分析，创建整车内流场计算域的几何模型后，在STARCCM+软件中划分计算域体网格，并将模型中玻璃内层边界的物理属性设定为内流场模型中计算得到的对流换热系数、温度，将模型中玻璃外层边界的物理属性设定为外流场模型中计算得到的对流换热系数，温度设定为低温法规工况规定值，计算完成后，输出整车玻璃漏热量，重量和成本等项目组要求的指标。

上述三个模型中均包含有整车车窗玻璃，具体分为前挡玻璃、前门两侧玻璃、后门两侧玻璃、后挡玻璃、天窗。但是三个模型中所用玻璃面不同，其中外流场模型采用玻璃外层面，内流场模型采用玻璃内层面，整车车窗模型同时包含内、外层玻璃。

最后，基于JMP PRO软件进行整车漏热量优化：将玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度设定为因子，将漏热量、重量、成本设定为响应，通过JMP PRO软件中的定制设计功能，给定玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度的取值上下限，即可生成大量不同因子组合，其组合数量满足对漏热量等响应的拟合。基于这些组合，创建内流场模型、外流场模型和车窗模型，记录所有漏热量，重量，成本的求解结果。基于最小二乘法，选定因子为不同玻璃的厚度、导热系数、比热容、密度以及它们之间的两两组合，选定响应为漏热量，重量，成本，分别进行拟合，筛选出主效应P值满足设定目标参数的因子后，输出漏热量，重量，成本的传递函数；最后根据传递函数得到项目组所需漏热量，重量，成本等目标下，玻璃的厚度、导热系数、比热容、密度的最优解。

为了实现上述步骤的具体实现方式如图1所示，具体的：

S1：计算整车外层玻璃的对流换热系数分布，具体步骤如图2所示。

S101，创建整车外流场计算域的几何模型；

S102，划分计算域体网格；

S103，采用Realizable K-Epsilon湍流模型对流场进行仿真，其中控制方程采用有限体积法离散，在离散方程中，动量方程、湍流扩散方程均采用二阶差分离散格式；

S104，输出外层玻璃对流换热系数分布H1(x,y,z)。

S2：计算整车内层玻璃的对流换热系数分布和内层玻璃的温度分布，具体如图3所示。

S201，创建整车内流场计算域的几何模型；

S202，划分计算域体网格；

S203，采用Realizable K-Epsilon湍流模型对流场进行仿真，其中控制方程采用有限体积法离散，在离散方程中，动量方程、湍流扩散方程均采用二阶差分离散格式；

S204，输出内层玻璃对流换热系数H2(x,y,z)、温度分布T(x,y,z)。

S3：建立整车车窗几何模型，将内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布设定为玻璃内层的物理属性，将外层玻璃的对流换热系数分布设定为玻璃外层的物理属性，在设定环境边界后，形成整车车窗仿真模型，计算得到漏热量Q0。具体如图4所示。

S301，创建整车车窗几何模型；

S302，划分计算域体网格，将玻璃内层的物理属性设定为H2(x,y,z)，T(x,y,z)，将玻璃外层的物理属性设定为H1(x,y,z)，形成整整车车窗仿真模型。

S303，采用Realizable K-Epsilon湍流模型对流场进行仿真，其中控制方程采用有限体积法离散，在离散方程中，动量方程、湍流扩散方程均采用二阶差分离散格式；

S304，输出玻璃的漏热量Q0。

S101、S201、S301步骤中建模主要基于整车内饰（仪表台、中控、吹面出风口、除霜出风口、车窗、座椅、门内饰板、地毯等）、外饰（车身表面、车窗、车轮、底盘、模拟环境进风面、出风面等），可以发现，三个模型中均包含有整车车窗玻璃，包括前挡玻璃、前门两侧玻璃、后门两侧玻璃、后挡玻璃、天窗。但是所用玻璃面不同，其中S101中外流场模型采用玻璃外层面，S201中内流场模型采用玻璃内层面，S301中整车车窗模型同时包含内、外层玻璃。

S102和S202步骤中待计算域划分完成后，根据低温法规工况试验环境设定模型中的边界条件，环境温度-7℃。

内、外流场模型所用计算物理模型为气体，主要是对热对流进行求解，车窗模型所用计算物理模型为固体，主要是对热传导进行求解。

S304中输出得到的整车玻璃漏热量Q0，在整车车窗几何模型中需要设置玻璃物性参数，本实施例中的玻璃物性参数包括玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容和玻璃密度。重量M0与玻璃物性参数有关，成本C0由玻璃单位面积的价格乘以面积获取，其中单价由玻璃物性参数（厚度、导热系数、比热容和密度）决定，玻璃物性参数与玻璃单价之间的关系函数为现有技术，根据所定制的玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容和玻璃密度具体值可直接获得玻璃的单价；玻璃面积通过整车模型计算得到，根据单价和面积，计算得到成本C0。

S4：如图5所示，根据玻璃物性参数设定选定因子，基于整车车窗仿真模型，得到各选定因子与漏热量之间的传递函数；基于玻璃物性参数与成本之间的关系函数，得到各选定因子与成本之间的传递函数；

S401，将玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度设定为变量，将漏热量、重量、成本设定为响应，定制设计m个组合；

S402，重复步骤S301-S304，得到每个设计组合的漏热量Q(m)，重量M(m)，成本C(m)；

S403，基于最小二乘法，令选定因子为不同玻璃的厚度、导热系数、比热容、密度以及它们之间的两两组合；

S404，选定响应为漏热量Q(m)，重量M(m)，成本C(m)，分别进行拟合；

S405，计算得到所有选定因子的主效应，判断是否存在选定因子的主效应P值大于设定目标参数，如存在，则进行步骤S406后，重复步骤S404-S405，如所有选定因子均大于设定参数，则进行步骤S407；

S406，删除P值最大的选定因子，重新进行最小二乘法拟合；

S407，输出筛选后的选定因子与漏热量Q(m)、筛选后的选定因子与重量M(m)和筛选后的选定因子与成本C(m)的传递函数；

S5，获得用户输入的成本目标值、漏热量目标值以及重量目标值，根据传递函数得到玻璃的厚度、导热系数、比热容、密度最优解。

S5中的输入目标为项目组对整车漏热量，重量，成本的设计需求，通常要求漏热量相比整车初始状态降低对应期望值、成本减少或者维持不变、重量减低或者不变。

实施例2

本实施例基于实施例1的发明思路，现结合具体实施例进一步阐述本发明专利中，求解选定因子最优解部分：

首先通过内、外流场模型和车窗计算得到某车型初始状态下的整车车窗漏热量Q1和成本C1，其中车窗包括前挡风玻璃、后挡风玻璃、前车门车窗、后车门车窗；

选定玻璃导热系数和厚度作为选定因子，其中前挡风玻璃又分为前挡内层、前挡外层和前挡夹层，总计12个分析因子，基于市场调研确定12个分析因子高、中、低三个水平；

选定漏热量变化量和成本变化量为分析响应，其中漏热量变化量为分析组合所得漏热量与初始漏热量Q1的差值，成本量为分析组合所得成本与初始成本C1的差值；

基于JMP PRO软件，将12个分析因子的高、中、低三个水平进行设计组合，确保所有的主效应显著，同时考虑资源的有限性，共选择出84个设计组合。

分别计算84个设计组合对应的漏热量变化量和成本变化量，并进行最小二乘法拟合，其中响应为漏热量变化量和成本变化量，因子为12个分析因子及其两两乘积组合，通过对响应分别拟合后，得到所有因子的效应显著结果（若P值<0.05，则该因子显著，需保留），逐步删除不显著因子（P值>0.05）后，得到漏热量变化量和成本变化量的传递函数，如图6所示（左侧为漏热量变化量的传递函数、右侧为成本变化量的传递函数）。

根据项目目标，设定漏热量变化量望目，成本变化量望小，根据传递函数，得到满足项目目标的12个分析因子的最优解，完成整车能耗优化。

综上所述，本发明所提供的整车能耗优化方法，综合考虑了整车所有车窗在整个低温法规工况中的漏热分布，利用传递函数求解得到成本最低，能耗收益最大的整车车窗物性参数设定方法，具有推广应用价值。

实施例3

本实施例提出了一种汽车车窗能耗优化系统，如图7所示，基于实施例1和实施例2，包括：

第一模型分析模块1，配置为建立整车车窗几何模型，将内层玻璃的对流换热系数分布和内层玻璃的温度分布设定为玻璃内层的物理属性，将外层玻璃的对流换热系数分布设定为玻璃外层的物理属性，在设定环境边界后，形成整车车窗仿真模型；

传递函数计算模块2，配置为根据玻璃物性参数设定选定因子，基于整车车窗仿真模型，得到各选定因子与漏热量之间的传递函数；基于玻璃物性参数与成本之间的关系函数，得到各选定因子与成本之间的传递函数；

优化模块3，配置为获得成本目标值和漏热量目标值，基于选定因子与漏热量之间的传递函数以及选定因子与成本之间的传递函数，得到各选定因子的最优值。

选定因子与漏热量之间的传递函数或者选定因子与成本之间的传递函数的计算方法为：

根据整车车窗仿真模型或者玻璃物性参数与成本之间的关系函数，计算得到每组玻璃物性参数所对应的漏热量或者成本；

拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系；

计算的得到所有选定因子的主效应，若存在主效应大于目标参数的选定因子，则删除主效应最大的选定因子，然后重新进行所述拟合得到选定因子与漏热量的函数关系或者选定因子与成本的函数关系，直至所有的选定因子的主效应均小于等于目标参数。

选定因子包括玻璃厚度、玻璃导热系数、玻璃比热容、玻璃密度以及上述参数的两两组合。

还包括第二模型分析模块4，配置为根据下述方法计算外层玻璃的对流换热系数分布，具体的：

建立整车外流场几何模型，所述整车外流场几何模型的边界包括车身表面、车窗、车轮、底盘、模拟环境进风面和出风面，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

针对整车外流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述外层玻璃的对流换热系数分布。

还包括第三模型分析模块5，配置为根据下述方法计算内层玻璃的对流换热系数分布和内层玻璃的温度分布，具体的：

建立整车内流场几何模型，所述整车内流场几何模型的边界包括仪表台、中控、吹面出风口、除霜出风口、车窗、座椅、门内饰板和地毯，环境边界与所述整车车窗几何模型的环境边界相同；

对整车内流场几何模型进行仿真分析，计算得到所述内层玻璃的对流换热系数分布和所述内层玻璃的温度分布。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。