PowerFLOW优化电动汽车的电池续航里程和热舒适性
PowerFLOW优化电动汽车的电池续航里程和热舒适性
随着电动汽车在全球市场的快速普及，如何优化电池续航里程和提升车内热舒适性成为行业关注的焦点。达索系统通过先进的仿真技术，特别是计算流体动力学（CFD）和1D系统建模，为解决这一挑战提供了创新的解决方案。本文将详细介绍这一技术方法及其在实际应用中的效果。
电动汽车（EV）行业正在朝着可持续出行方向大踏步前进，不断突破清洁能源的可能性。尽管电动汽车销量目前占全球市场的16%左右，但预计到2035年底，电动汽车销量将急剧上升到50%（见图1），因为制造商正在努力克服重大挑战，例如制造挑战（如电池和电子元件的材料可用性，以及充电基础设施的可用性），以及电池续航里程和热舒适性等车辆热挑战。电动汽车的成本将与内燃机汽车相当、模型激增、多物理场工程开发、里程焦虑等。其中最紧迫的是电池效率和乘员舒适度，尤其是在不同的气候条件下。
图1：全球电动汽车销量预测来源：https://ev-volumes.com/news/ev/evs-forecast-to-account-for-two-thirds-of-global-light-vehicle-sales-in-2035
例如，在较冷的气候下，电动汽车缺乏内燃机的余热，否则这些余热将有助于加热机舱。这会导致气候系统功耗增加，进而降低电池续航里程。本博客探讨了达索系统采用尖端的仿真技术和先进的计算工具，例如计算流体动力学（CFD）以及1D系统建模，以准确仿真和优化这些复杂的交互，从而提高电动汽车的电池效率和座舱舒适度。
动机：为什么热管理是电动汽车的关键
热管理直接影响电动汽车的性能，因为它会影响电池的效率和乘客的舒适度。与内燃机汽车相比，电动汽车必须消耗额外的能量来加热车厢，这在炎热或寒冷的条件下会使续航里程减少15%以上，在极端天气条件下，续航里程最多可下降40%（见图2）。
图2：热门EV车型的冬季续航里程来源：recurrentauto.com
热舒适性对于在极端气候下依赖座椅加热器、机舱加热器和除霜器等气候控制功能的驾驶员尤其相关。这些功能消耗了电动汽车电池的很大一部分电量，从而在用于乘客舒适度的能量和可用于续航里程的能量之间进行了权衡。
电动汽车热管理领域的挑战
实际应用程序有其自身的一系列挑战。极端温度、复杂的热相互作用和波动的驾驶条件都会以需要不断改进EV设计的方式影响能源消耗。例如，城市走走停停的交通周期和高速高速公路驾驶对气流和冷却需求的影响不同，这意味着单一的HVAC配置不太可能适合所有场景。
除了舒适性之外，电动汽车设计人员还面临着平衡电池健康和效率的任务。电池在特定温度范围内表现最佳。过度加热或冷却会加速降解，影响长期性能和使用寿命。本研究中使用的高级仿真有助于确定电池保护和能源效率之间的最佳权衡。
高级仿真的作用：为了应对这一挑战，达索系统利用了一种协同仿真方法，将详细的3D CFD模型与系统级模型集成在一起。这种方法使工程师能够模拟热量如何在车辆中移动以及气候系统如何使用能源，从而有助于优化舒适度和效率。
方法：提高续航里程和舒适度的多尺度方法
特斯拉进行的一项研究表明，在电动汽车中，单独优化其中一个组件可使电驱动效率提高15-25%，而优化整个系统可将电驱动效率提高40%。续航里程是一个问题，不应通过系统中的单个组件来看待，而应将其视为整体车辆。
先进的虚拟孪生可以有效地帮助确定HVAC系统的最佳尺寸，同时能够对电池寿命、车辆续航里程和乘客舒适度进行早期预测。本研究利用了一种结合系统级CFD模型和3D CFD模型的协同仿真方法，即将3D热优化的结果合并到整个系统中，以优化捕获复杂、多尺度交互的效率并提高车辆的整体性能。通过将3D CFD与有限元分析（FEA）热模型集成，这种方法可以精确预测乘客的舒适度和电池温度分布。此外，通过整合Dymola系统行为模型，可以仿真所有车辆系统的真实驾驶场景。1D系统仿真使用迪莫拉确定换热器入口温度并作为3D CFD仿真的输入提供。下一步，使用PowerFLOW系列/PowerTHERM系列机舱出口温度作为输入反馈给1D系统模型，并重复循环（见图3）。这种方法受益于3D CFD分析提供的详细响应趋势，有助于通过1D模型进行快速调整以优化车辆性能。
图3：耦合3D CFD – 1D系统模型仿真过程
额外的3D CFD分析可评估引擎盖下的气流，使工程师能够描述外部空气在各种条件下如何影响HVAC热交换器。然后将这些气流数据应用于1D HVAC系统分析，以建立真实的边界条件。
图4：耦合3D CFD – 1D系统模型模拟
系统模型
第一步是使用HVAC系统的1D模型迪莫拉，它评估不同驾驶循环、车辆空气动力学变化和HVAC模式下的能耗、机舱温度和车辆续航里程。此模型有助于确定HVAC系统的尺寸和功率需求，以平衡热舒适性和电池效率。Dymola Modelica库提供了各种预定义的模型和库，使我们对系统模型进行建模时更加轻松，例如...
- 各种速度的真实驾驶循环（例如，高低WLTP驾驶循环）
- 电池库对续航里程、老化、充电时间和冷却进行建模
- HVAC库，用于对驾驶模式、流速和热交换进行建模
- 传动系统和底盘，用于模拟车辆的空气动力学特性
图5：EV的1D系统模型
用于局部热舒适性的3D CFD
使用CFD仿真，可以分析热量如何在机舱内移动，从而影响每位乘客的热感觉以及显示器、移动休息等电子元件的温度。这种细节水平提供了不同气候条件的不同模式和不同身体部位舒适度的真实视图，并有助于为最佳气流和热量分配的设计决策提供信息。
图6：电动汽车的3D CFD座舱仿真
引擎盖下冷却气流分析
单独的3D CFD模型模拟车辆热交换器周围的气流，热交换器是HVAC系统的一部分。该分析捕获了外部空气如何影响冷却和加热，允许真实的边界条件并确保所有HVAC组件高效运行。
第一步涉及使用详细的3D CFD分析来表征在各种车辆运行条件下到达HVAC系统热交换器前端的外部气流。应用特定于驾驶循环的实验设计（DoE）方法，根据出现频率选择全面代表这些条件的样本点。这个过程如图7所示，定义了表征引擎盖下气流的整个方法。
图7：引擎盖下冷却气流特性
接下来，对每个采样点进行CFD仿真，以确定换热器的入口质量、流量和背压。然后使用2D线性插值构建响应面模型，以估计这些采样点之间的值。该模型为1D HVAC系统分析提供了真实的边界条件，允许使用热交换器的准确输入进行进一步仿真。
实际应用：分析驱动循环和压缩机速度以实现最佳效率和舒适度
在紧凑型乘用车EV上进行了瞬态耦合1D-3D仿真。该车配备384个方形电池组，总容量为15.6 kWh。HVAC系统旨在在夏季为机舱降温，在冬季用作热泵。对于此分析，重点是寒冷天气场景，模拟在-10°C环境温度下驾驶30分钟的物理时间、驾驶员和乘客的人体舒适度模型以及60%面部、40%英尺HVAC分流模式。
使用了全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）驾驶循环，因为它反映了全球典型的城市和高速公路驾驶模式。仿真探讨了两种不同的驾驶循环速度，一种是常规驾驶循环，另一种是代表城市驾驶的附加低速WLTP循环，允许在可变条件下对HVAC系统进行真实评估。该研究分析了三种不同的压缩机速度高、中、低，特别关注HVAC系统的能耗，因为它直接影响乘客的舒适度。此外，通过分析电池在驾驶循环开始和结束时的充电状态，可以估计每种配置的预期续航里程。
图8：常规和低速WLTP驱动循环
结果
在所有三种情况下实现的热舒适水平具有可比性。10分钟后，乘员在每种情况下都会感到舒适。高压缩机速度场景在4.5分钟内达到舒适级别0，中速在6分钟内达到，低速在6.5分钟内达到舒适级别。10分钟后，低功耗场景提供与高功率场景相同的舒适度，同时能耗降低50%。进一步的分析表明，整体舒适度主要受身体呼吸感觉的舒适度的影响。与身体其他部位相比，这种呼吸感觉受三种速度之间设计变化的影响较小，因此整体舒适度的变化小于预期。
图9：（a）不同压缩机转速的总体舒适度
与低速相比，中高速压缩机消耗的能量分别增加33.5%和50.2%。此外，在低压缩机转速下，电池消耗更慢，在某些驾驶条件下可提供高达21%的续航里程增加。该测试表明，降低HVAC功率可以在不牺牲乘客舒适度的情况下显着提高续航里程。
图10：（a）节能（b）范围差异
- 高速：快速达到最大舒适度，但消耗更多能量。
- 中速：平衡舒适性和能源效率。
- 低速：消耗的能量最少，在达到最佳舒适度方面只有轻微的延迟。
结论：为更智能的EV设计铺平道路
随着电动汽车变得越来越重要，协同仿真等工具对于打造用户友好且具有竞争力的产品至关重要。通过将3D CFD与1D系统建模相结合，制造商可以优化车辆的热性能，并确保其满足消费者对续航里程和舒适性的期望。总之，这些仿真使工程师能够根据不同的驾驶循环微调车辆参数，例如压缩机速度。例如，降低HVAC系统中的压缩机速度可以显著节省能源，而不会严重影响舒适度。
这种整体方法有望带来一系列好处：
- 提高续航里程：战略性地调整HVAC可以延长电池寿命并延长行驶里程，减少里程焦虑。
- 增强的舒适度：精确的模拟确保乘客即使在极端气候下也能享受舒适的机舱体验。
- 能源效率：优化的HVAC系统可降低功耗，有助于实现能源目标。
随着仿真技术的进步，电动汽车设计师越来越能够在虚拟环境中预测真实世界的结果。通过采用这些方法，汽车行业有望使电动汽车不仅成为传统汽车的可行替代品，而且成为全球具有环保意识的驾驶员的首选。此处介绍的工作流程还体现了达索系统的方法模组集成建模和仿真，并支持公司的长期战略，以弥合设计师和仿真工程师之间的鸿沟，最终加快产品开发流程。