内容摘要
对电动、混合动力和内燃机(ICE)车辆来说，实现妥善的能量管理和热管理是重要的课题。这一点对于电动汽车来说更为重要，因为这些因素会显著影响续航里程。设计既要保证电池和发动机等组件的能量和热管理适当到位，又要兼顾座舱的舒适性，无疑对效率提出了更高要求。
本文提出了一种集成式工程策略，旨在优化整个开发生命周期中的能效和热性能。它集成了高级仿真和测试，以数字化方式探索车辆架构和配置。它支持工程师在制作物理原型之前找到正确的折衷方案，并为高效、高性能的电动汽车做出理想设计决策。
内容议程
序言
VEM基准化分析和目标设定
定义车辆架构
选型和系统开发
详细组件工程设计
- 电池热管理和安全性
- 动力总成热管理
- 车辆隔热
- 座舱热舒适度
整车集成
结语
序言
有效的能量管理和热管理是电动、混合动力或内燃机汽车的工程设计不可或缺的要素。发动机产生的过多热量会加热汽车的其余部分，因此必须小心谨慎。为防止组件过热，散热冷却工作必须执行到位。
使用Simcenter软件解决方案可帮助制造商做出明智的设计决策，从而开发出高效、高性能的电动汽车。这个软件还可应用到基准测试和目标设定、车辆架构定义、选型和系统开发以及组件工程，从而准确预测和管理电池热行为。工程师还可以运用此方案防止热失控，用于复杂的动力总成热负荷、车辆隔热或座舱热舒适性。
Simcenter解决方案集成到简化的工作流程中，为优化整个车辆开发生命周期的能效和热性能提供优质的工具和服务。这些解决方案有助于工程师充分理解子系统之间复杂的交互作用，并做出正确的设计决策。
深圳市和粒科技有限公司（Shenzhen Holly Technology Limited），西门子工业软件代理商、西门子EDA、Altair、耐驰仪器授权代理商，提供工业仿真EDA/CAE软件与可靠性热测试、热分析仪器。
VEM基准化分析和目标设定
厂商通常希望改进现有车辆或设计性能优于竞争对手的新车。在法国自由城的Simcenter整车能量管理(VEM)工厂，现有车辆安装了传感器，以识别流经车辆的所有机械能、电能和热能。在这里，日常驾驶、冷启动、热启动和充电等各种场景都会进行测试，全方位捕捉车辆在各种条件下的完整行为。
图1.在Simcenter VEM测试工厂观察车辆水平行为。
测试中提取的数据用于将数据馈送到一维系统模型中，以通过功能控制逻辑建模复制以下各种模块的物理场，包括动力传动系统扭矩流、热量生成/使用、电池状态、暖通空调(HVAC)、流体回路、前端换热器(HEX)、座舱容积和整体控制器。这些数据形成了一个数字孪生，可反复对其进行修改以探索潜在的改进之处。在此阶段，车辆的任何方面都可以通过虚拟方式更改，例如电池的尺寸或类型、暖通空调系统、动力总成架构或行驶工况。接下来才是运行仿真，了解这对整体性能的影响。
定义车辆架构
在车辆架构定义阶段，重点工作是确定总体系统需求和初始选型，以满足所需的性能、效率和成本目标。
这包括：
定义动力总成架构（例如，电动、混合动力、内燃）
确定热管理系统架构（例如，热泵、冷却板等）
确定电动机、电池和其他关键组件的选型
估算动力总成、电子设备和座舱的冷却和加热需求
在这个早期阶段，汽车主机厂(OEM)可以利用供应商提供的数据和模型或基准测试活动来验证初始选型并开始规划热管理策略。这样他们就能够发现潜在的集成挑战，并在推进到更详细的系统开发之前对架构进行必要的调整。
在这些供应商数据基础上，主机厂就能合理设计动力总成和座舱的热管理系统，并不断优化设计以兼顾性能、效率和舒适性。这种基于数据驱动的迭代设计方法有利于主机厂从一开始就制定集成式热策略，而不是在开发后期被动地应对热挑战。
主机厂还可以将供应商的意见无缝整合到车辆架构定义中，从而加快设计流程，并确保事先全面考虑到热管理，这是实现高性能、高能效电动汽车的关键要素。
图2.将Simcenter Studio用于热管理系统架构的创成式工程设计。
选型与系统开发
在开发过程中，重心将逐渐往后转移到：
开始在始终不变的综合环境中实施和验证能源管理控制策略。
图3.使用Simcenter Amesim从一开始就采用整体的系统级方法，可确保在整个车辆开发过程中全面考虑热管理问题，而不是被动地加以解决。
详细组件工程设计
高效的热管理系统设计需要尽可能减少电机、电池或逆变器等组件的热损失，并确保这些组件的有效冷却，以保证可靠运行。
系统工程是大多数主机厂的常见做法，用于支持各种系统的本地开发。然而，对于完整的能量管理来说，强大的系统仿真必不可少，因为它是仿真的主干。
在早期设计阶段，它有助于确定组件和车辆架构的初始尺寸选型。随着设计的推进，这些组件要进行更新以实现更高的保真度，并且要创建3D虚拟原型以更准确地呈现组件。这些先进的系统模型可用于更智能的控制算法或诊断已投产车辆的问题，有助于从设计阶段开始就减少或防止问题的发生。
有效的热管理使内燃机汽车和电动汽车(EV)能够高效、安全地运行。在设计、分析和改进车辆能量管理时，了解热系统性能是至关重要的第一步。这涉及到各个领域的创新，例如（电动）动力总成、电池、车辆隔热和座舱热舒适性。
图4.使用Simcenter Amesim在早期设计阶段对热管理进行仿真。
电池热管理和安全性
适宜的电池工作温度通常约为20摄氏度(°C)或68华氏度(°F)。然锂离子电池有内置系统来调节电池温度，一般来说是安全的，但锂离子电池也会过热，可能起火或爆炸。这是因为电解质具有易燃性，并存在热失控风险。热失控会造成恶性循环：失控的电芯升温，排出易燃电解质，点燃并升高温度。这种快速升温会蔓延到附近电池，导致电池组起火，释放有毒烟雾，甚至可能爆炸。
Simcenter解决方案是Siemens Xcelerator软件、硬件和服务业务平台的一部分，可帮助设计师和工程师通过高级仿真预测电池热行为，例如温度分布/热点以及颗粒喷射、变形和熔化等失控现象。此外，我们的解决方案还有助于开发高效的热管理架构，确定组件尺寸并通过快节奏的系统级模型验证控制策略。这样做有助于在电池寿命、快速充电能力、车辆续航里程和安全性之间实现微妙的平衡。
图5.使用Simcenter STAR-CCM+模拟失控事件期间的热蔓延。
动力总成热管理
内燃机仍然是传统和混合动力总成的关键组件。工程师需要通过建模来模拟气缸内燃烧过程产生的热量，以及从气缸到防冻液水箱的热量传导，根据防冻液水箱在车辆中的位置来评估冷却性能的影响。系统仿真和计算流体力学(CFD)之间的紧密耦合有利于在减少有害排放的同时设计出更强大的发动机。系统建模提供逼真的边界条件，例如歧管中的进气和防冻液，可以更准确地预测燃烧过程中的温度和热量释放。
对于混合动力汽车，系统建模不仅与内燃发动机的驱动力有关。要了解完整套件，工程师还要灵活捕捉发动机、电池组和电池发动机的冷却系统。
Simcenter利用先进的热仿真工具，帮助工程师预测和分析热量/冷却分布。这有助于工程师设计和改进动力总成热系统，以大限度地减少能量损失、提高燃油效率、减少排放并延长车辆部件的使用寿命，同时探索各种动力总成配置的属性和要求。然后将最终的动力总成模型集成到整个车辆环境中，以确保整体性能不会因不同系统协同运行而降低。这是在系统层面进行的，目的是了解行驶里程/能耗，而3D仿真则可以捕获发动机的热辐射或对流换热问题。
图6.利用Simcenter STAR-CCM+预测和分析发动机中的热量分布。
建立从电磁组件到共轭换热的复杂电动机冷却模型是一项工程挑战。Simcenter STAR-CCM+仿真简化了工程领域之间的工作流程，让工程师可以快速完成任务，专注于重要的战略事项：探索工程设计的可能性。
车辆隔热
虽然车辆隔热是车辆整体热管理系统不可或缺的一部分，但它要应对的挑战却截然不同，其中涉及车辆各部件的隔热以及免受热源的影响。每个子系统都要完成适当的冷却设计，但与内燃机发动机一样，最后一步是研究全面集成的车辆。
排气歧管/催化剂会导致局部组件受到高辐射热的影响。电动汽车电池组的温度不高，但对组件的局部环境更敏感。当今汽车中的电子设备（激光雷达系统、摄像头、信息娱乐中心）越来越多，它们对安装环境也高度敏感。
图7.运用Simcenter STAR-CCM+对从排气系统到动力总成的高温进行详细的数字可视化。
运用Simcenter的先进热仿真工具，在紧密连接客户的产品生命周期管理系统(PLM)之后，数千组件的建模可从过去的数周或数月缩短至短短几天。它们还可以捕捉整车的热传导、辐射和对流。
座舱热舒适度
对于当今的车辆，尤其是豪华车型和电动汽车而言，为乘客提供座舱热舒适度的重要性日益凸显。尽量提高性能，同时降低暖通空调系统的能耗一直是关键一环。电动汽车更是如此，毕竟能耗越多，续航里程就越少。
对于内燃机汽车来说，发动机产生的大量多余热量可以回收用于加热座舱，但在气温偏高地区，仍要设法实现高效回收和冷却。电动汽车的余热较少，因此在能源使用方式上始终需要权衡取舍。
为了设计和优化乘客热舒适度的控制系统，工程师需要快速了解控制算法的变化对系统的影响。这需要考虑座舱的详细3D信息，例如太阳辐射、辐射加热器、暖通空调设备对流和座舱环境传导的影响。工程师可以通过评估行驶工况的舒适度，找到创新的节能方法并更好地了解整体能耗。通过无缝集成1D系统仿真和3D CFD仿真，可以增强此流程。
Simcenter提供先进的热舒适度模型，包括等效均匀温度(EHT)、预测不满意百分比(PPD)、预测平均得票数(PMV)行业标准和伯克利舒适度指数。它可以建立非常细致的共轭换热(CHT)模型，捕捉座舱内太阳负载、加热表面和辐射加热器的热效应。客户可运用Simcenter Star CCM+的热仿真功能创建人体生理反应的高保真表示，即使在实时瞬态仿真中也是如此。
对于能量管理，高保真CFD解决方案可以嵌入系统模型，提供近乎实时的座舱仿真运行。随着设计日臻成熟，高保真CFD模型可以训练降阶模型(ROM)并将其用于系统仿真。这就使得行驶工况的系统仿真实时性提高了5倍以上。
集成式工作流程是充分理解车辆子系统之间权衡的关键。这样，工程师就可以分析为提高乘客舒适度而增加的能源使用量（例如座舱加热和冷却）对电池和电机冷却的可用能源产生的影响，进而影响车辆的整体续航里程。反过来，它也揭示了优化热管理系统如何影响乘客舒适度。这种全面的系统级方法对于开发高效、高性能的电动汽车至关重要。
图8.使用Simcenter STAR-CCM+设计来自暖通空调系统的座舱气流，以保证乘客舒适度。
整车集成
集成式的整体系统方法对于现代汽车开发至关重要，因为许多交互作用可能会影响能量和热管理。这种整体方法避免了在高级开发阶段进行昂贵而复杂的改动，并确保了不同性能之间的理想权衡。
以数字主线形式组织的流程和数据管理可确保正确/最新模型可随时用于评估集成系统的性能。
图9.工程专家通过复制车辆的运行行为来平衡性能属性。
结语
运用Simcenter通过一种集成式的系统级方法跨整个开发生命周期优化车辆能量管理和热管理。这一整体框架涵盖了关键领域，例如VEM基准化分析、车辆架构定义、选型和系统开发、详细的组件工程以及从车辆集成层面了解子系统之间的复杂交互。
通过将高级仿真和测试相结合，Simcenter集成工具和服务有助于制造商全面了解开发高效、高性能电动汽车所需的复杂子系统交互，从而在可用能源、适当的热管理和乘客舒适度之间取得平衡。
深圳市和粒科技有限公司（Shenzhen Holly Technology Limited）总部位于深圳，在上海、苏州、北京、武汉、成都、佛山设有办事处，是西门子工业软件中国区代理商（具备西门子专业技术认证）、西门子EDA代理商、Altair软件授权代理商、耐驰（NETZSCH）仪器中国代理商。可提供Star-ccm+、Flotherm、Floefd、Amesim、Flomaster、Simcenter 3D、Calibre、Questa、Hypermesh、Hyperworks、Optistruct、RapidMiner、Simsolid等工业软件；同时供应T3Ster SI热阻测试仪、POWERTESTER功率循环测试设备、LMS振动噪声测试系统、TMA热机械分析仪、DMA动态热机械分析仪、DSC差示扫描量热仪、STA同步热分析仪、TGA热重分析仪、旋转流变仪、LFA闪射法导热仪、热流法导热系数测量仪，面向汽车电子、消费电子、电力电子、新能源、材料领域，提供软件方案、测试仪器、系统集成、设备调试与工程咨询服务。