Simcenter 車輛能量管理解決方案——使用虛擬原型設計加速創(chuàng)新

文章來源于：西門子官網(wǎng)

優(yōu)勢

使用虛擬原型設計加速創(chuàng)新

在性能和能效之間實現(xiàn)最佳平衡

限制物理原型數(shù)量

跟蹤從概念到后期改進階段的車輛能源效率

功能

為仿真解決方案提供單一套件，支持所有開發(fā)階段

提供數(shù)字連續(xù)性，跟蹤車輛節(jié)能情況

提供系統(tǒng)仿真、3D CAE、CFD 仿真工具和工程服務的組合

在整個開發(fā)過程中提前進行設計探索、驗證和集成

摘要

當前和未來的環(huán)境法規(guī)不僅促進了汽車制造商制造更潔凈、更安全的車輛，更加劇了該領域的競爭態(tài)勢。將這些挑戰(zhàn)與新的市場趨勢相結(jié)合，例如隨著聯(lián)網(wǎng)汽車數(shù)量的增加而帶來的數(shù)字化顛覆、城市化帶來的改變（共享、通勤等）以及越來越多的需求，使得汽車的設計比以往任何時候都更加復雜。由于優(yōu)先事項相互沖突，包括創(chuàng)新步伐和更高的能效要求與駕駛性能或舒適性等相反屬性的對比，制造商被迫徹底重新考慮自身的設計方法?？紤]到上述所有要求，不再可能通過物理測試來評估多種車輛架構(gòu)的性能，因此從物理原型設計轉(zhuǎn)向虛擬原型設計是減少開發(fā)時間和工程成本的關鍵。通過開發(fā)車輛及其子系統(tǒng)的數(shù)字孿生，可以在開發(fā)的早期階段虛擬定義車輛的架構(gòu)。它可以在性能和能效目標之間達到最佳平衡，并限制物理原型的數(shù)量。圖 1：提前仿真有助于降低成本。資料來源：凱澤斯勞滕大學虛擬產(chǎn)品工程研究所 Matin Eigner教授。

選擇集成式仿真流程

借助仿真驅(qū)動型開發(fā)方法，可以以數(shù)字方式探索各種架構(gòu)和配置，從而在原型出現(xiàn)之前以高效且經(jīng)濟的方式找到?jīng)_突屬性之間的最佳權(quán)衡。這種仿真驅(qū)動型開發(fā)方法由 Simcenter 產(chǎn)品組合提供支持，該產(chǎn)品組合是一套仿真和測試解決方案，支持開發(fā)周期的所有階段，并具有數(shù)字連續(xù)性，以跟蹤車輛節(jié)能情況。Simcenter 產(chǎn)品組合為仿真工程師提供了系統(tǒng)仿真、3D 計算機輔助工程（CAE）和計算流體動力學（CFD）仿真工具和工程服務的組合，以提供從能源管理的基準測試和目標設定、架構(gòu)規(guī)模和控制策略開發(fā)到設計探索等功能。構(gòu)建數(shù)字孿生需要擁有正確的工具，以便在開發(fā)周期的正確時間進行準確的分析。Siemens Digital Industries Software 開發(fā)了一種全車測量方法，并結(jié)合了可擴展的建模方法，因此用戶可以跟蹤從早期概念到后期改進階段的車輛燃油經(jīng)濟性。圖 2：在整個開發(fā)周期中的 Simcenter 產(chǎn)品組合。

加快多領域工程決策

借助 Simcenter 解決方案，可以通過在以下廣泛領域進行創(chuàng)新，輕松探索、設計、分析和改進車輛能源管理（VEM）和燃油效率：

• 動力總成設計
• 汽車電氣化和動力混合化
• 車輛隔熱
• 駕駛室駕駛員和熱舒適性
• 外部空氣動力學

動力總成設計

優(yōu)化動力總成系統(tǒng)和子系統(tǒng)的性能和排放是汽車制造商必須開始考慮的。Simcenter 解決方案會在各個開發(fā)階段提前進行設計探索、驗證和集成。此解決方案支持機電一體化系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的多屬性性能，從需求捕獲和目標設定、架構(gòu)選擇和評估、詳細的動力子系統(tǒng)工程，到動力系統(tǒng)集成和控件驗證，可謂無所不包。內(nèi)燃機 (ICE) 仍將是未來幾十年中傳統(tǒng)或混合動力汽車的重要動力來源以及增程器中的輔助能量來源。在許多情況下，傳統(tǒng)動力總成的創(chuàng)新意味著技術復雜性的增加，而替代技術則意味著迫切需要通過快速系統(tǒng)開發(fā)來消除不確定性。使用 Simcenter 解決方案，例如Simcenter Amesim 軟件和 Simcenter STAR-CCM+ 軟件，可以微調(diào)和優(yōu)化配氣和充電系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和排氣后處理，以滿足實際駕駛排放（RDE）標準和全球統(tǒng)一輕型車輛測試程序（WLTP）。改善車輛能源管理的另一種方法是專注于變速器設計。使用 Simcenter Amesim中的可擴展模型（從功能到高仿真度），可以準確再現(xiàn)高頻和非線性現(xiàn)象?？梢詫θ魏晤愋偷?a href="http://www.ttokpm.com/baike/qichedianzi/qichedianzijichuzh" target="_blank">變速箱進行建模，并與內(nèi)燃機和汽車模型相結(jié)合，以便用戶研究其交互并盡可能降低對駕駛舒適度的影響。

汽車電氣化和動力混合化

除了在傳統(tǒng)汽車中引入的各種改良外，混合化可以逐步解決達到節(jié)能減排監(jiān)管目標面臨的各種挑戰(zhàn)。為了應對有關混合動力和電氣化的所有問題，Simcenter 工具（Simcenter Amesim、Simcenter SPEED 軟件和Simcenter Battery Design Studio 軟件）支持工程師虛擬評估和驗證電池、燃料電池、電機和電力電子設計選擇。您可以輕松確定電池組的大小、設計冷卻子系統(tǒng)、優(yōu)化控制策略、降低燃料消耗或延長續(xù)航歷程。

車輛隔熱

設計部門需要在早期階段確保組件能在惡劣的操作條件下工作。系統(tǒng)分析可以幫助確定需要多少冷卻空氣或哪種冷卻液系統(tǒng)。隨著設計的成熟，測試需要確認每個組件在所需范圍內(nèi)運行。這包括測試數(shù)千個組件，這些組件在材料特性和關鍵操作條件下各不相同。在設計周期中，這些組件越早可以在具有代表性的環(huán)境中進行虛擬測試，保護組件的成本就越低。Simcenter STAR-CCM+ 提供的模板允許用戶快速將其計算機輔助設計（CAD）數(shù)據(jù)鏈接到仿真。此外，流體和固體在長時間的熱瞬變中緊密耦合（30 到 90分鐘，具體取決于具體情況）。這有助于在設計過程的早期完成對關鍵條件（如浸泡條件）的仿真。以前，大多數(shù)原始設備制造商（OEM）更多地依賴物理測試來確定熱故障，當故障發(fā)生在設計過程的后期時，成本會更高。通過獲得熱點信息，可以將氣流引導到關鍵區(qū)域，或者根據(jù)需要添加隔熱罩。它可以在優(yōu)化成本的同時確保隔熱。

駕駛室駕駛員和熱舒適性

熱管理不僅對于組件可靠性和系統(tǒng)安全性至關重要，而且對于性能（熱引擎、電機、電池等）、燃油消耗（在合適的溫度下可以實現(xiàn)最高效率）、排放（后處理設備）和乘客熱舒適度也非常關鍵。Simcenter Amesim 提供了一套全面的仿真模型，因此您可以輕松準確地仿真空調(diào)系統(tǒng)與各種冷卻系統(tǒng)和機艙之間的相互作用，尤其是在熱損失可以忽略不計的高效發(fā)動機或電動汽車的情況下。不同的分析功能可以幫助您根據(jù)特定操作條件下的熱/冷卻管理策略和汽車行駛工況詳細研究整個系統(tǒng)的行為。例如，您可以通過對每個子系統(tǒng)（如分置式冷卻系統(tǒng)、儲能罐、材料變化系統(tǒng)或電泵）的拓撲修改所帶來的影響進行仿真，實際研發(fā)更完善的引擎預熱策略。圖 3.Simcenter Amesim 有助于優(yōu)化后處理系統(tǒng)設計以減少排放。

從一開始，系統(tǒng)模型就可以與 3D 流體仿真相結(jié)合，無論是引擎蓋下的熱管理還是空氣動力學。在早期設計中，簡化的駕駛室可用于幫助在系統(tǒng)模型中提供改進的控制邏輯。可以通過 Simcenter Amesim 為用戶構(gòu)建和運行 CFD 模型，由其內(nèi)部的嵌入式 CFD 擴展模型。隨著設計的成熟，駕駛室的幾何體用于查看加熱和冷卻通風口的位置和設計。此外，乘客也包含在數(shù)字模型中，因此可以評估乘客的熱舒適度。此外，通風口還經(jīng)過數(shù)字測試，以確保汽車符合政府對擋風玻璃和后視鏡的除冰/除霧規(guī)定。3D細節(jié)乘客舒適度模型是使用 Simcenter STAR-CCM+ 完成的，包括乘客拒絕的太陽輻射、傳導、濕度和熱量。結(jié)果可以映射回系統(tǒng)模型，以改進控制系統(tǒng)的邏輯，從而滿足乘客的熱舒適性要求。對于電動汽車來說，為駕駛室舒適性而設計的子系統(tǒng)及其控制邏輯更加重要。例如，設計人員需要考慮乘客舒適度（加熱/冷卻）、電池系統(tǒng)熱管理和車輛續(xù)航里程之間的正確權(quán)衡。仿真使設計人員能夠改善這種權(quán)衡，同時最大限度地減少熱子系統(tǒng)的損耗（傳熱、壓降、機械效率等）。

外部空氣動力學

傳統(tǒng)上，外觀設計的美學決定了市場吸引力。但是，隨著政府對油耗的嚴格規(guī)定以及延長電動汽車續(xù)航里程的推動，外部空氣動力學已經(jīng)開始在減少能量損失和決定汽車吸引力方面發(fā)揮至關重要的作用。在高速公路上，空氣阻力是車輛最大的能量消耗因素。此外，車輛的空氣動力學需要驅(qū)動空氣來冷卻動力總成和關鍵部件，并保持前后輪之間的下壓力平衡，以改善車輛的操控性。圖 5.Simcenter Amesim 進行熱管理。圖 6.Simcenter STAR-CCM+ 提高車艙舒適度。為了生產(chǎn)節(jié)能汽車，設計師需要考慮風格、車輛阻力、冷卻性能和駕駛穩(wěn)定性之間的權(quán)衡。擁有進氣隔柵執(zhí)行器變得越來越普遍，以幫助減少高速行駛時的阻力。為此，了解空氣動力學設備打開和關閉時的控制邏輯變得至關重要。Simcenter Amesim 提供系統(tǒng)模型，該模型有助于運行長驅(qū)動周期的場景，并定義用于打開和關閉設備的控制邏輯。Simcenter STAR-CCM+ 根據(jù)主動流裝置的配置提供車輛阻力輸入。它還有助于評估駕駛過程中發(fā)動機周圍的熱環(huán)境，以確保足夠的冷卻空氣被驅(qū)動到正確的位置。

在性能屬性之間找到適當?shù)钠胶?/strong>

盡管各個性能部門專注于其領域的設計優(yōu)化并尋找一流的解決方案，但管理層仍面臨著為車輛提供整體平衡性能的需求。因此，我們專注于提供工具和流程，以支持用戶使用多屬性性能工程來平衡積極和消極的影響。采用平衡整車所有屬性的工程流程至關重要，這種調(diào)整工作的性質(zhì)和范圍在很大程度上取決于客戶的要求和偏好以及排放法規(guī)。例如，開車可以緩慢而平穩(wěn)，而不是快速而突然的急踩油門，同時密切關注其他屬性的性能。

圖 8.Simcenter 產(chǎn)品組合賦能用戶有效地找到考慮所有性能屬性的正確權(quán)衡架構(gòu)。Simcenter 產(chǎn)品組合賦能用戶有效地找到考慮所有性能屬性的正確權(quán)衡架構(gòu)。該軟件可在早期設計階段賦能創(chuàng)建續(xù)航里程和性能仿真模型以及車輛能源管理模型，包括發(fā)動機、電動動力總成、電池和供暖、通風和空調(diào)（HVAC）以及所有相關熱管理系統(tǒng)的預測性動態(tài)建模。最后，它可以賦能在整個開發(fā)周期中微調(diào)控制策略。