Simcenter 车辆能量管理解决方案——使用虚拟原型设计加速创新

优势

使用虚拟原型设计加速创新

在性能和能效之间实现最佳平衡

限制物理原型数量

跟踪从概念到后期改进阶段的车辆能源效率

功能

为仿真解决方案提供单一套件，支持所有开发阶段

提供数字连续性，跟踪车辆节能情况

提供系统仿真、3D CAE、CFD 仿真工具和工程服务的组合

在整个开发过程中提前进行设计探索、验证和集成

摘要

当前和未来的环境法规不仅促进了汽车制造商制造更洁净、更安全的车辆，更加剧了该领域的竞争态势。将这些挑战与新的市场趋势相结合，例如随着联网汽车数量的增加而带来的数字化颠覆、城市化带来的改变（共享、通勤等）以及越来越多的需求，使得汽车的设计比以往任何时候都更加复杂。由于优先事项相互冲突，包括创新步伐和更高的能效要求与驾驶性能或舒适性等相反属性的对比，制造商被迫彻底重新考虑自身的设计方法。考虑到上述所有要求，不再可能通过物理测试来评估多种车辆架构的性能，因此从物理原型设计转向虚拟原型设计是减少开发时间和工程成本的关键。通过开发车辆及其子系统的数字孪生，可以在开发的早期阶段虚拟定义车辆的架构。它可以在性能和能效目标之间达到最佳平衡，并限制物理原型的数量。

图 1：提前仿真有助于降低成本。资料来源：凯泽斯劳滕大学虚拟产品工程研究所 Matin Eigner教授。

选择集成式仿真流程

借助仿真驱动型开发方法，可以以数字方式探索各种架构和配置，从而在原型出现之前以高效且经济的方式找到冲突属性之间的最佳权衡。这种仿真驱动型开发方法由 Simcenter 产品组合提供支持，该产品组合是一套仿真和测试解决方案，支持开发周期的所有阶段，并具有数字连续性，以跟踪车辆节能情况。Simcenter 产品组合为仿真工程师提供了系统仿真、3D 计算机辅助工程（CAE）和计算流体动力学（CFD）仿真工具和工程服务的组合，以提供从能源管理的基准测试和目标设定、架构规模和控制策略开发到设计探索等功能。构建数字孪生需要拥有正确的工具，以便在开发周期的正确时间进行准确的分析。Siemens Digital Industries Software 开发了一种全车测量方法，并结合了可扩展的建模方法，因此用户可以跟踪从早期概念到后期改进阶段的车辆燃油经济性。

图 2：在整个开发周期中的 Simcenter 产品组合。

加快多领域工程决策

借助 Simcenter 解决方案，可以通过在以下广泛领域进行创新，轻松探索、设计、分析和改进车辆能源管理（VEM）和燃油效率：

• 动力总成设计

• 汽车电气化和动力混合化

• 车辆隔热

• 驾驶室驾驶员和热舒适性

• 外部空气动力学

动力总成设计

优化动力总成系统和子系统的性能和排放是汽车制造商必须开始考虑的。Simcenter 解决方案会在各个开发阶段提前进行设计探索、验证和集成。此解决方案支持机电一体化系统在不同开发阶段的多属性性能，从需求捕获和目标设定、架构选择和评估、详细的动力子系统工程，到动力系统集成和控件验证，可谓无所不包。内燃机 (ICE) 仍将是未来几十年中传统或混合动力汽车的重要动力来源以及增程器中的辅助能量来源。在许多情况下，传统动力总成的创新意味着技术复杂性的增加，而替代技术则意味着迫切需要通过快速系统开发来消除不确定性。使用 Simcenter 解决方案，例如Simcenter Amesim 软件和 Simcenter STAR-CCM+ 软件，可以微调和优化配气和充电系统、燃烧系统和排气后处理，以满足实际驾驶排放（RDE）标准和全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）。改善车辆能源管理的另一种方法是专注于变速器设计。使用 Simcenter Amesim中的可扩展模型（从功能到高仿真度），可以准确再现高频和非线性现象。可以对任何类型的变速箱进行建模，并与内燃机和汽车模型相结合，以便用户研究其交互并尽可能降低对驾驶舒适度的影响。

汽车电气化和动力混合化

除了在传统汽车中引入的各种改良外，混合化可以逐步解决达到节能减排监管目标面临的各种挑战。为了应对有关混合动力和电气化的所有问题，Simcenter 工具（Simcenter Amesim、Simcenter SPEED 软件和Simcenter Battery Design Studio 软件）支持工程师虚拟评估和验证电池、燃料电池、电机和电力电子设计选择。您可以轻松确定电池组的大小、设计冷却子系统、优化控制策略、降低燃料消耗或延长续航历程。

车辆隔热

设计部门需要在早期阶段确保组件能在恶劣的操作条件下工作。系统分析可以帮助确定需要多少冷却空气或哪种冷却液系统。随着设计的成熟，测试需要确认每个组件在所需范围内运行。这包括测试数千个组件，这些组件在材料特性和关键操作条件下各不相同。在设计周期中，这些组件越早可以在具有代表性的环境中进行虚拟测试，保护组件的成本就越低。Simcenter STAR-CCM+ 提供的模板允许用户快速将其计算机辅助设计（CAD）数据链接到仿真。此外，流体和固体在长时间的热瞬变中紧密耦合（30 到 90分钟，具体取决于具体情况）。这有助于在设计过程的早期完成对关键条件（如浸泡条件）的仿真。以前，大多数原始设备制造商（OEM）更多地依赖物理测试来确定热故障，当故障发生在设计过程的后期时，成本会更高。通过获得热点信息，可以将气流引导到关键区域，或者根据需要添加隔热罩。它可以在优化成本的同时确保隔热。

驾驶室驾驶员和热舒适性

热管理不仅对于组件可靠性和系统安全性至关重要，而且对于性能（热引擎、电机、电池等）、燃油消耗（在合适的温度下可以实现最高效率）、排放（后处理设备）和乘客热舒适度也非常关键。Simcenter Amesim 提供了一套全面的仿真模型，因此您可以轻松准确地仿真空调系统与各种冷却系统和机舱之间的相互作用，尤其是在热损失可以忽略不计的高效发动机或电动汽车的情况下。不同的分析功能可以帮助您根据特定操作条件下的热/冷却管理策略和汽车行驶工况详细研究整个系统的行为。例如，您可以通过对每个子系统（如分置式冷却系统、储能罐、材料变化系统或电泵）的拓扑修改所带来的影响进行仿真，实际研发更完善的引擎预热策略。

图 3.Simcenter Amesim 有助于优化后处理系统设计以减少排放。

从一开始，系统模型就可以与 3D 流体仿真相结合，无论是引擎盖下的热管理还是空气动力学。在早期设计中，简化的驾驶室可用于帮助在系统模型中提供改进的控制逻辑。可以通过 Simcenter Amesim 为用户构建和运行 CFD 模型，由其内部的嵌入式 CFD 扩展模型。随着设计的成熟，驾驶室的几何体用于查看加热和冷却通风口的位置和设计。此外，乘客也包含在数字模型中，因此可以评估乘客的热舒适度。此外，通风口还经过数字测试，以确保汽车符合政府对挡风玻璃和后视镜的除冰/除雾规定。3D细节乘客舒适度模型是使用 Simcenter STAR-CCM+ 完成的，包括乘客拒绝的太阳辐射、传导、湿度和热量。结果可以映射回系统模型，以改进控制系统的逻辑，从而满足乘客的热舒适性要求。对于电动汽车来说，为驾驶室舒适性而设计的子系统及其控制逻辑更加重要。例如，设计人员需要考虑乘客舒适度（加热/冷却）、电池系统热管理和车辆续航里程之间的正确权衡。仿真使设计人员能够改善这种权衡，同时最大限度地减少热子系统的损耗（传热、压降、机械效率等）。

外部空气动力学

传统上，外观设计的美学决定了市场吸引力。但是，随着政府对油耗的严格规定以及延长电动汽车续航里程的推动，外部空气动力学已经开始在减少能量损失和决定汽车吸引力方面发挥至关重要的作用。在高速公路上，空气阻力是车辆最大的能量消耗因素。此外，车辆的空气动力学需要驱动空气来冷却动力总成和关键部件，并保持前后轮之间的下压力平衡，以改善车辆的操控性。

图 5.Simcenter Amesim 进行热管理。

图 6.Simcenter STAR-CCM+ 提高车舱舒适度。为了生产节能汽车，设计师需要考虑风格、车辆阻力、冷却性能和驾驶稳定性之间的权衡。拥有进气隔栅执行器变得越来越普遍，以帮助减少高速行驶时的阻力。为此，了解空气动力学设备打开和关闭时的控制逻辑变得至关重要。Simcenter Amesim 提供系统模型，该模型有助于运行长驱动周期的场景，并定义用于打开和关闭设备的控制逻辑。Simcenter STAR-CCM+ 根据主动流装置的配置提供车辆阻力输入。它还有助于评估驾驶过程中发动机周围的热环境，以确保足够的冷却空气被驱动到正确的位置。

在性能属性之间找到适当的平衡

尽管各个性能部门专注于其领域的设计优化并寻找一流的解决方案，但管理层仍面临着为车辆提供整体平衡性能的需求。因此，我们专注于提供工具和流程，以支持用户使用多属性性能工程来平衡积极和消极的影响。采用平衡整车所有属性的工程流程至关重要，这种调整工作的性质和范围在很大程度上取决于客户的要求和偏好以及排放法规。例如，开车可以缓慢而平稳，而不是快速而突然的急踩油门，同时密切关注其他属性的性能。

图 8.Simcenter 产品组合赋能用户有效地找到考虑所有性能属性的正确权衡架构。Simcenter 产品组合赋能用户有效地找到考虑所有性能属性的正确权衡架构。该软件可在早期设计阶段赋能创建续航里程和性能仿真模型以及车辆能源管理模型，包括发动机、电动动力总成、电池和供暖、通风和空调（HVAC）以及所有相关热管理系统的预测性动态建模。最后，它可以赋能在整个开发周期中微调控制策略。