電動(dòng)汽車(EV)行業(yè)正朝著可持續(xù)的移動(dòng)性邁出大步,在清潔能源的可行性方面取得突破。雖然電動(dòng)汽車的銷量目前約占全球市場(chǎng)的16%,但預(yù)計(jì)到2035年底,銷量將大幅上升到50%(見圖1),因?yàn)橹圃焐膛朔恍┲卮筇魬?zhàn),例如電池和電器部件的材料供應(yīng)以及充電基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)等制造方面的挑戰(zhàn),以及諸如電池范圍和熱舒適性、電動(dòng)汽車的成本與冰車相同、模型擴(kuò)散、多物理工程開發(fā)、射程焦慮等方面的挑戰(zhàn)。其中最緊迫的是電池效率和居住舒適性,特別是在不同的氣候條件下。

 

來(lái)源：HTPS：三分之二的全球輕型車輛的銷售額

 

例如，在寒冷的氣候中,電動(dòng)汽車缺乏內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢熱,而這些廢熱本來(lái)會(huì)有助于加熱機(jī)艙。這導(dǎo)致氣候系統(tǒng)的耗電量增加,從而降低了電池范圍。本文章探討如何? Dassault Systèmes 采用先進(jìn)的模擬技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算工具,例如? Computational Fluid Dynamics (CFD) 用1d系統(tǒng)建模來(lái)精確模擬和優(yōu)化這些復(fù)雜的相互作用,從而提高電動(dòng)汽車的電池效率和艙內(nèi)舒適性。

 

動(dòng)機(jī)：為什么熱管理是電動(dòng)車的關(guān)鍵

熱管理直接影響電動(dòng)汽車的性能,因?yàn)樗绊戨姵氐男屎统丝偷氖孢m性。與冰車相比,電動(dòng)車必須消耗額外的能量來(lái)加熱駕駛艙,這可以在冷熱條件下減少15%以上的范圍,在極端天氣條件下可以減少40%的范圍(見圖2)。

 

圖2：流行電動(dòng)車型號(hào)的冬季范圍

 

熱舒適性對(duì)于極端氣候條件下的駕駛員來(lái)說(shuō)尤為重要,因?yàn)樗麄円揽康氖菤夂蚩刂乒δ?比如座位加熱器、小木屋加熱器和解壓器。這些功能消耗了電動(dòng)汽車電池能量的很大一部分,在乘客舒適性所需的能量和范圍內(nèi)所需的能量之間做了權(quán)衡。

 

電動(dòng)汽車熱管理領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用都有自己的挑戰(zhàn)。極端的溫度、復(fù)雜的熱相互作用和波動(dòng)的駕駛條件都以需要不斷改進(jìn)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的方式影響能源消耗。例如,城市的停停-通行循環(huán)和高速公路駕駛對(duì)氣流和冷卻需求的影響是不同的,這意味著單一的空調(diào)空調(diào)配置不太可能適合每一種情況。

除了舒適性,電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)師還面臨著平衡電池健康和效率的任務(wù)。電池在特定溫度范圍內(nèi)的最佳性能。過(guò)熱或冷卻會(huì)加速退化,影響長(zhǎng)期性能和壽命。像本研究中使用的那些先進(jìn)的模擬,有助于確定電池保護(hù)和能源效率之間的最佳權(quán)衡。先進(jìn)模擬的作用 ：為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),達(dá)索系統(tǒng)利用了一種聯(lián)合模擬方法,將詳細(xì)的3DCFD模型與系統(tǒng)級(jí)模型結(jié)合起來(lái)。這種方法使工程師能夠模擬熱量在車輛中的移動(dòng),以及氣候系統(tǒng)如何使用能量,從而幫助優(yōu)化舒適性和效率。

方法：一種多尺度的方法,以改善范圍和舒適性

Tesla進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明,在電動(dòng)汽車中,單獨(dú)優(yōu)化其中一個(gè)部件,可以提高15-25%的電子驅(qū)動(dòng)效率,而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng),可以提高40%的電子驅(qū)動(dòng)效率。范圍是一個(gè)問(wèn)題,不應(yīng)該通過(guò)系統(tǒng)中的單個(gè)組件來(lái)看待,而應(yīng)該作為一個(gè)整體來(lái)看待。

 

先進(jìn)的虛擬雙星可以有效地幫助確定暖通空調(diào)系統(tǒng)的最佳尺寸,同時(shí)能夠?qū)﹄姵貕勖④囕v射程和乘客舒適性進(jìn)行早期預(yù)測(cè)。本研究采用系統(tǒng)層面與三維CFD模型相結(jié)合的共模擬方法。通過(guò)將3d熱優(yōu)化的結(jié)果合并到整體系統(tǒng)中,以優(yōu)化捕捉復(fù)雜、多尺度的相互作用和提高整體車輛性能的效率。通過(guò)將三維CFD與有限元分析(FEA)熱模型相結(jié)合,該方法為乘客舒適度和電池溫度分布提供了精確的預(yù)測(cè)。此外,通過(guò)納入DYOMORA系統(tǒng)行為模型,可以模擬所有車輛系統(tǒng)的實(shí)際駕駛場(chǎng)景。進(jìn)行1D系統(tǒng)模擬并對(duì)換熱器的進(jìn)口溫度進(jìn)行了測(cè)定,為三維CFD模擬提供了投入。下一步,三維CFD模擬 PowerFLOW / PowerTHERM  并將艙內(nèi)出口溫度作為輸入和循環(huán)重復(fù)提供給1D系統(tǒng)模型(見圖3)。這一方法得益于3DCFD分析提供的詳細(xì)響應(yīng)趨勢(shì),便于通過(guò)1D模型進(jìn)行快速調(diào)整,以優(yōu)化車輛性能。

 

圖3：耦合三維CFD-1D系統(tǒng)模型模擬過(guò)程

 另外的3D CFD分析評(píng)估了下風(fēng)口氣流,使工程師能夠描述外部空氣是如何影響暖通空調(diào)熱交換器在不同條件下。然后將該氣流數(shù)據(jù)應(yīng)用于1D系統(tǒng)分析,建立實(shí)際的邊界條件。 

圖4：耦合三維CFD-1D系統(tǒng)模型模擬

 

系統(tǒng)模型

第一步是利用空調(diào)系統(tǒng)的1D模型 ,評(píng)估不同駕駛周期下的耗能量、艙內(nèi)溫度及車輛范圍、車輛航空變化及暖通空調(diào)模式。這個(gè)模型幫助確定尺寸和功率需要的暖通空調(diào)系統(tǒng)平衡熱舒適與電池效率。戴莫拉模型庫(kù)提供了各種各樣的預(yù)先定義的模型和庫(kù),使我們的生活更容易建模系統(tǒng)模型,如…

l各種速度的實(shí)際驅(qū)動(dòng)循環(huán)(例如：,高及低WLTP驅(qū)動(dòng)循環(huán))

l電池庫(kù)到模型范圍,老化,充電和冷卻時(shí)間

l高壓空調(diào)庫(kù),用于建模驅(qū)動(dòng)模式、流量和熱交換

l為模擬車輛的空氣動(dòng)力特性而設(shè)計(jì)傳動(dòng)線和底盤

 

圖5：電動(dòng)汽車的1d系統(tǒng)模型

 

用于局部熱舒適的3D CFD

通過(guò)CFD模擬,人們可以分析熱如何通過(guò)機(jī)艙,影響每個(gè)乘客的熱感覺與電子元件如顯示器,移動(dòng)休息等的溫度。這種程度的細(xì)節(jié)提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的觀點(diǎn),代表不同氣候條件下的不同模式和不同身體區(qū)域的舒適性,并有助于為最佳氣流和加熱分布的設(shè)計(jì)決策提供參考。

 

圖6：電動(dòng)汽車的三維CFD艙模擬

 

下蓋冷卻氣流分析

一個(gè)單獨(dú)的3DCFD模型模擬車輛換熱器周圍的氣流,這些換熱器是暖通空調(diào)系統(tǒng)的一部分。這一分析反映了外部空氣如何影響冷卻和加熱,考慮到現(xiàn)實(shí)的邊界條件,并確保所有暖通空調(diào)組件高效運(yùn)行。

 

最初的步驟是利用詳細(xì)的3DCFD分析來(lái)描述在各種車輛運(yùn)行條件下,達(dá)到暖通空調(diào)系統(tǒng)換熱器前端的外部氣流的特性。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)生頻率,采用特定驅(qū)動(dòng)周期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法來(lái)選擇能夠綜合描述這些條件的采樣點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程,如圖7所示,定義了描述引擎蓋下氣流的整個(gè)方法。

 

圖7：下蓋冷卻氣流特性

 

然后,對(duì)每個(gè)樣品點(diǎn)進(jìn)行CFD模擬,以確定換熱器的入口質(zhì)量流量和背壓。然后利用二維線性插值建立了響應(yīng)面模型,以估計(jì)這些采樣點(diǎn)之間的值。該模型為1DHVAC系統(tǒng)分析提供了實(shí)際的邊界條件,使換熱器的進(jìn)一步模擬具有準(zhǔn)確的輸入。

 

現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用：分析驅(qū)動(dòng)周期和壓縮機(jī)速度,以實(shí)現(xiàn)最佳效率和舒適性

在緊湊型乘客電動(dòng)車上進(jìn)行了瞬態(tài)耦合1d-3D仿真。這款車配備了由384個(gè)棱鏡電池組組成的電池組,總?cè)萘繛?5.6千瓦小時(shí)。暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了在夏季給船艙降溫,并在冬季用作熱泵。在本分析中,重點(diǎn)是一個(gè)低溫天氣情景,模擬在-10℃環(huán)境溫度下行駛30分鐘的物理時(shí)間,駕駛員和乘客的人類舒適度模型和60%的臉,40%英尺的暖通空調(diào)流量分裂模式。

 

采用了全球協(xié)調(diào)的輕型車輛測(cè)試程序(WLTP)驅(qū)動(dòng)周期,因?yàn)樗从沉巳虻湫偷某鞘泻凸否{駛模式。通過(guò)仿真,探索了兩種不同的驅(qū)動(dòng)周期速度,一種是正常的驅(qū)動(dòng)周期,另一種是代表城市驅(qū)動(dòng)的低轉(zhuǎn)速WLTP循環(huán),從而能夠?qū)Σ煌瑮l件下的暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的評(píng)價(jià)。研究中分析了三種不同的壓縮機(jī)的高、中、低速度,特別注意了暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗,因?yàn)樗苯佑绊懙匠丝偷氖孢m性。此外,通過(guò)分析電池在驅(qū)動(dòng)周期開始和結(jié)束時(shí)的充電狀態(tài),估計(jì)了每個(gè)配置的預(yù)期范圍。

 

圖8：常規(guī)和低速WLTP驅(qū)動(dòng)器循環(huán)

 

結(jié)果

所達(dá)到的熱舒適度在所有三種情況下都是可比的。十分鐘后,每一個(gè)人都覺得舒服。在高壓縮機(jī)速度的情況下,4.5分鐘達(dá)到0的舒適水平,6分鐘達(dá)到中速度,6.5分鐘達(dá)到低速度。10分鐘后,低功率的場(chǎng)景提供了與高功率場(chǎng)景相同的舒適度,同時(shí)減少了50%的能源消耗。進(jìn)一步的分析表明,整體舒適性主要受身體呼吸感覺的舒適程度的影響。與其他身體部位相比,三種速度之間的設(shè)計(jì)變化對(duì)呼吸感覺的影響較小,導(dǎo)致整體舒適性的變化比預(yù)期的小。

 

圖9：(a)不同壓縮機(jī)速度的整體舒適性

 

中、高壓縮機(jī)速度比低轉(zhuǎn)速消耗了33.5%和50.2%的能量。此外,在低壓縮機(jī)速度下,電池的耗電速度較慢,在某些驅(qū)動(dòng)條件下,范圍增加高達(dá)21%。試驗(yàn)結(jié)果表明,降低暖通空調(diào)功率可以在不影響乘客舒適性的情況下顯著提高距離。

 

圖10：(a)節(jié)能(b)幅度差異

 

l高速的 快速達(dá)到最大的舒適,但消耗更多的能量。

l中速 ：平衡舒適性和能源效率。

l低速度 ：消耗最少的能源,在實(shí)現(xiàn)最佳舒適性方面僅略有延遲。

 

結(jié)論：為智能電動(dòng)車設(shè)計(jì)鋪平道路

隨著電動(dòng)汽車變得越來(lái)越突出,共同模擬等工具對(duì)于打造一個(gè)方便用戶和有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品至關(guān)重要。通過(guò)將3DCFD與1D系統(tǒng)建模相結(jié)合,制造商可以優(yōu)化車輛的熱性能,并確保它滿足消費(fèi)者對(duì)范圍和舒適性的期望。通過(guò)這些模擬,工程師可以根據(jù)不同的駕駛周期對(duì)車輛參數(shù)(如壓縮機(jī)速度)進(jìn)行微調(diào)。例如,降低暖通空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)速度可以在不嚴(yán)重影響舒適度的情況下節(jié)省大量能源。

 

這種整體辦法帶來(lái)了一系列好處：

l改進(jìn)幅度 ：戰(zhàn)略性的空調(diào)空調(diào)調(diào)整可以保持電池壽命,延長(zhǎng)練習(xí)范圍,減少練習(xí)范圍的焦慮。

l增強(qiáng)舒適性 ：精確模擬確保乘客享受舒適的艙內(nèi)體驗(yàn),即使在極端氣候。

l能源效益 優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng),降低能耗,有助于實(shí)現(xiàn)能源目標(biāo)。

 

隨著模擬技術(shù)的進(jìn)步,電動(dòng)車設(shè)計(jì)師越來(lái)越能夠預(yù)測(cè)虛擬環(huán)境中的現(xiàn)實(shí)世界結(jié)果。通過(guò)采用這些方法,汽車工業(yè)準(zhǔn)備使電動(dòng)汽車不僅成為傳統(tǒng)汽車的可行替代品,而且成為全世界環(huán)保駕駛者的首選選擇。這里介紹的工作流也是達(dá)索學(xué)校對(duì)MODSIM ,整合建模和模擬,支持公司的長(zhǎng)期戰(zhàn)略,彌合設(shè)計(jì)師和模擬工程師之間的鴻溝,最終加快產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程。