電動汽車(EV)行業(yè)正朝著可持續(xù)的移動性邁出大步,在清潔能源的可行性方面取得突破。雖然電動汽車的銷量目前約占全球市場的16%,但預計到2035年底,銷量將大幅上升到50%(見圖1),因為制造商努力克服一些重大挑戰(zhàn),例如電池和電器部件的材料供應以及充電基礎設施的供應等制造方面的挑戰(zhàn),以及諸如電池范圍和熱舒適性、電動汽車的成本與冰車相同、模型擴散、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,電動汽車缺乏內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢熱,而這些廢熱本來會有助于加熱機艙。這導致氣候系統(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 采用先進的模擬技術和先進的計算工具,例如? Computational Fluid Dynamics (CFD) 用1d系統(tǒng)建模來精確模擬和優(yōu)化這些復雜的相互作用,從而提高電動汽車的電池效率和艙內(nèi)舒適性。

 

動機：為什么熱管理是電動車的關鍵

熱管理直接影響電動汽車的性能,因為它影響電池的效率和乘客的舒適性。與冰車相比,電動車必須消耗額外的能量來加熱駕駛艙,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：流行電動車型號的冬季范圍

 

熱舒適性對于極端氣候條件下的駕駛員來說尤為重要,因為他們依靠的是氣候控制功能,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衡。

 

電動汽車熱管理領域的挑戰(zhàn)

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

除了舒適性,電動汽車設計師還面臨著平衡電池健康和效率的任務。電池在特定溫度范圍內(nèi)的最佳性能。過熱或冷卻會加速退化,影響長期性能和壽命。像本研究中使用的那些先進的模擬,有助于確定電池保護和能源效率之間的最佳權衡。先進模擬的作用 ：為了應對這一挑戰(zhàn),達索系統(tǒng)利用了一種聯(lián)合模擬方法,將詳細的3DCFD模型與系統(tǒng)級模型結合起來。這種方法使工程師能夠模擬熱量在車輛中的移動,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進行的一項研究表明,在電動汽車中,單獨優(yōu)化其中一個部件,可以提高15-25%的電子驅動效率,而優(yōu)化整個系統(tǒng),可以提高40%的電子驅動效率。范圍是一個問題,不應該通過系統(tǒng)中的單個組件來看待,而應該作為一個整體來看待。

 

先進的虛擬雙星可以有效地幫助確定暖通空調系統(tǒng)的最佳尺寸,同時能夠對電池壽命、車輛射程和乘客舒適性進行早期預測。本研究采用系統(tǒng)層面與三維CFD模型相結合的共模擬方法。通過將3d熱優(yōu)化的結果合并到整體系統(tǒng)中,以優(yōu)化捕捉復雜、多尺度的相互作用和提高整體車輛性能的效率。通過將三維CFD與有限元分析(FEA)熱模型相結合,該方法為乘客舒適度和電池溫度分布提供了精確的預測。此外,通過納入DYOMORA系統(tǒng)行為模型,可以模擬所有車輛系統(tǒng)的實際駕駛場景。進行1D系統(tǒng)模擬并對換熱器的進口溫度進行了測定,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分析提供的詳細響應趨勢,便于通過1D模型進行快速調整,以優(yōu)化車輛性能。

 

圖3：耦合三維CFD-1D系統(tǒng)模型模擬過程

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

圖4：耦合三維CFD-1D系統(tǒng)模型模擬

 

系統(tǒng)模型

第一步是利用空調系統(tǒng)的1D模型 ,評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模式。這個模型幫助確定尺寸和功率需要的暖通空調系統(tǒng)平衡熱舒適與電池效率。戴莫拉模型庫提供了各種各樣的預先定義的模型和庫,使我們的生活更容易建模系統(tǒng)模型,如…

l各種速度的實際驅動循環(huán)(例如：,高及低WLTP驅動循環(huán))

l電池庫到模型范圍,老化,充電和冷卻時間

l高壓空調庫,用于建模驅動模式、流量和熱交換

l為模擬車輛的空氣動力特性而設計傳動線和底盤

 

圖5：電動汽車的1d系統(tǒng)模型

 

用于局部熱舒適的3D CFD

通過CFD模擬,人們可以分析熱如何通過機艙,影響每個乘客的熱感覺與電子元件如顯示器,移動休息等的溫度。這種程度的細節(jié)提供了一個現(xiàn)實的觀點,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計決策提供參考。

 

圖6：電動汽車的三維CFD艙模擬

 

下蓋冷卻氣流分析

一個單獨的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)實的邊界條件,并確保所有暖通空調組件高效運行。

 

最初的步驟是利用詳細的3DCFD分析來描述在各種車輛運行條件下,達到暖通空調系統(tǒng)換熱器前端的外部氣流的特性。本文根據(jù)實驗的發(fā)生頻率,采用特定驅動周期的實驗設計(DOE)方法來選擇能夠綜合描述這些條件的采樣點。這個過程,如圖7所示,定義了描述引擎蓋下氣流的整個方法。

 

圖7：下蓋冷卻氣流特性

 

然后,對每個樣品點進行CFD模擬,以確定換熱器的入口質量流量和背壓。然后利用二維線性插值建立了響應面模型,以估計這些采樣點之間的值。該模型為1DHVAC系統(tǒng)分析提供了實際的邊界條件,使換熱器的進一步模擬具有準確的輸入。

 

現(xiàn)實世界應用：分析驅動周期和壓縮機速度,以實現(xiàn)最佳效率和舒適性

在緊湊型乘客電動車上進行了瞬態(tài)耦合1d-3D仿真。這款車配備了由384個棱鏡電池組組成的電池組,總容量為15.6千瓦小時。暖通空調系統(tǒng)的設計是為了在夏季給船艙降溫,并在冬季用作熱泵。在本分析中,重點是一個低溫天氣情景,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%英尺的暖通空調流量分裂模式。

 

采用了全球協(xié)調的輕型車輛測試程序(WLTP)驅動周期,因為它反映了全球典型的城市和公路駕駛模式。通過仿真,探索了兩種不同的驅動周期速度,一種是正常的驅動周期,另一種是代表城市驅動的低轉速WLTP循環(huán),從而能夠對不同條件下的暖通空調系統(tǒng)進行現(xiàn)實的評價。研究中分析了三種不同的壓縮機的高、中、低速度,特別注意了暖通空調系統(tǒng)的能耗,因為它直接影響到乘客的舒適性。此外,通過分析電池在驅動周期開始和結束時的充電狀態(tài),估計了每個配置的預期范圍。

 

圖8：常規(guī)和低速WLTP驅動器循環(huán)

 

結果

所達到的熱舒適度在所有三種情況下都是可比的。十分鐘后,每一個人都覺得舒服。在高壓縮機速度的情況下,4.5分鐘達到0的舒適水平,6分鐘達到中速度,6.5分鐘達到低速度。10分鐘后,低功率的場景提供了與高功率場景相同的舒適度,同時減少了50%的能源消耗。進一步的分析表明,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,三種速度之間的設計變化對呼吸感覺的影響較小,導致整體舒適性的變化比預期的小。

 

圖9：(a)不同壓縮機速度的整體舒適性

 

中、高壓縮機速度比低轉速消耗了33.5%和50.2%的能量。此外,在低壓縮機速度下,電池的耗電速度較慢,在某些驅動條件下,范圍增加高達21%。試驗結果表明,降低暖通空調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,在實現(xiàn)最佳舒適性方面僅略有延遲。

 

結論：為智能電動車設計鋪平道路

隨著電動汽車變得越來越突出,共同模擬等工具對于打造一個方便用戶和有競爭力的產(chǎn)品至關重要。通過將3DCFD與1D系統(tǒng)建模相結合,制造商可以優(yōu)化車輛的熱性能,并確保它滿足消費者對范圍和舒適性的期望。通過這些模擬,工程師可以根據(jù)不同的駕駛周期對車輛參數(shù)(如壓縮機速度)進行微調。例如,降低暖通空調系統(tǒng)中的壓縮機速度可以在不嚴重影響舒適度的情況下節(jié)省大量能源。

 

這種整體辦法帶來了一系列好處：

l改進幅度 ：戰(zhàn)略性的空調空調調整可以保持電池壽命,延長練習范圍,減少練習范圍的焦慮。

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

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

 

隨著模擬技術的進步,電動車設計師越來越能夠預測虛擬環(huán)境中的現(xiàn)實世界結果。通過采用這些方法,汽車工業(yè)準備使電動汽車不僅成為傳統(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索學校對MODSIM ,整合建模和模擬,支持公司的長期戰(zhàn)略,彌合設計師和模擬工程師之間的鴻溝,最終加快產(chǎn)品開發(fā)過程。