流体动力学（CFD）优化电动车辆的电池范围和热舒适性

电动汽车(EV)行业正朝着可持续的移动性迈出大步,在清洁能源的可行性方面取得突破。虽然电动汽车的销量目前约占全球市场的16%,但预计到2035年底,销量将大幅上升到50%(见图1),因为制造商努力克服一些重大挑战,例如电池和电器部件的材料供应以及充电基础设施的供应等制造方面的挑战,以及诸如电池范围和热舒适性、电动汽车的成本与冰车相同、模型扩散、多物理工程开发、射程焦虑等方面的挑战。其中最紧迫的是电池效率和居住舒适性,特别是在不同的气候条件下。

 

来源：HTPS：三分之二的全球轻型车辆的销售额

 

例如，在寒冷的气候中,电动汽车缺乏内燃机产生的废热,而这些废热本来会有助于加热机舱。这导致气候系统的耗电量增加,从而降低了电池范围。本文章探讨如何  Dassault Systèmes 采用先进的模拟技术和先进的计算工具,例如  Computational Fluid Dynamics (CFD) 用1d系统建模来精确模拟和优化这些复杂的相互作用,从而提高电动汽车的电池效率和舱内舒适性。

 

动机：为什么热管理是电动车的关键

热管理直接影响电动汽车的性能,因为它影响电池的效率和乘客的舒适性。与冰车相比,电动车必须消耗额外的能量来加热驾驶舱,这可以在冷热条件下减少15%以上的范围,在极端天气条件下可以减少40%的范围(见图2)。

 

图2：流行电动车型号的冬季范围

 

热舒适性对于极端气候条件下的驾驶员来说尤为重要,因为他们依靠的是气候控制功能,比如座位加热器、小木屋加热器和解压器。这些功能消耗了电动汽车电池能量的很大一部分,在乘客舒适性所需的能量和范围内所需的能量之间做了权衡。

 

电动汽车热管理领域的挑战

现实世界的应用都有自己的挑战。极端的温度、复杂的热相互作用和波动的驾驶条件都以需要不断改进电动汽车设计的方式影响能源消耗。例如,城市的停停-通行循环和高速公路驾驶对气流和冷却需求的影响是不同的,这意味着单一的空调空调配置不太可能适合每一种情况。

除了舒适性,电动汽车设计师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的最佳性能。过热或冷却会加速退化,影响长期性能和寿命。像本研究中使用的那些先进的模拟,有助于确定电池保护和能源效率之间的最佳权衡。先进模拟的作用 ：为了应对这一挑战,达索系统利用了一种联合模拟方法,将详细的3DCFD模型与系统级模型结合起来。这种方法使工程师能够模拟热量在车辆中的移动,以及气候系统如何使用能量,从而帮助优化舒适性和效率。

方法：一种多尺度的方法,以改善范围和舒适性

Tesla进行的一项研究表明,在电动汽车中,单独优化其中一个部件,可以提高15-25%的电子驱动效率,而优化整个系统,可以提高40%的电子驱动效率。范围是一个问题,不应该通过系统中的单个组件来看待,而应该作为一个整体来看待。

 

先进的虚拟双星可以有效地帮助确定暖通空调系统的最佳尺寸,同时能够对电池寿命、车辆射程和乘客舒适性进行早期预测。本研究采用系统层面与三维CFD模型相结合的共模拟方法。通过将3d热优化的结果合并到整体系统中,以优化捕捉复杂、多尺度的相互作用和提高整体车辆性能的效率。通过将三维CFD与有限元分析(FEA)热模型相结合,该方法为乘客舒适度和电池温度分布提供了精确的预测。此外,通过纳入DYOMORA系统行为模型,可以模拟所有车辆系统的实际驾驶场景。进行1D系统模拟并对换热器的进口温度进行了测定,为三维CFD模拟提供了投入。下一步,三维CFD模拟 PowerFLOW / PowerTHERM  并将舱内出口温度作为输入和循环重复提供给1D系统模型(见图3)。这一方法得益于3DCFD分析提供的详细响应趋势,便于通过1D模型进行快速调整,以优化车辆性能。

 

图3：耦合三维CFD-1D系统模型模拟过程

 另外的3D CFD分析评估了下风口气流,使工程师能够描述外部空气是如何影响暖通空调热交换器在不同条件下。然后将该气流数据应用于1D系统分析,建立实际的边界条件。 

图4：耦合三维CFD-1D系统模型模拟

 

系统模型

第一步是利用空调系统的1D模型 ,评估不同驾驶周期下的耗能量、舱内温度及车辆范围、车辆航空变化及暖通空调模式。这个模型帮助确定尺寸和功率需要的暖通空调系统平衡热舒适与电池效率。戴莫拉模型库提供了各种各样的预先定义的模型和库,使我们的生活更容易建模系统模型,如…

l各种速度的实际驱动循环(例如：,高及低WLTP驱动循环)

l电池库到模型范围,老化,充电和冷却时间

l高压空调库,用于建模驱动模式、流量和热交换

l为模拟车辆的空气动力特性而设计传动线和底盘

 

图5：电动汽车的1d系统模型

 

用于局部热舒适的3D CFD

通过CFD模拟,人们可以分析热如何通过机舱,影响每个乘客的热感觉与电子元件如显示器,移动休息等的温度。这种程度的细节提供了一个现实的观点,代表不同气候条件下的不同模式和不同身体区域的舒适性,并有助于为最佳气流和加热分布的设计决策提供参考。

 

图6：电动汽车的三维CFD舱模拟

 

下盖冷却气流分析

一个单独的3DCFD模型模拟车辆换热器周围的气流,这些换热器是暖通空调系统的一部分。这一分析反映了外部空气如何影响冷却和加热,考虑到现实的边界条件,并确保所有暖通空调组件高效运行。

 

最初的步骤是利用详细的3DCFD分析来描述在各种车辆运行条件下,达到暖通空调系统换热器前端的外部气流的特性。本文根据实验的发生频率,采用特定驱动周期的实验设计(DOE)方法来选择能够综合描述这些条件的采样点。这个过程,如图7所示,定义了描述引擎盖下气流的整个方法。

 

图7：下盖冷却气流特性

 

然后,对每个样品点进行CFD模拟,以确定换热器的入口质量流量和背压。然后利用二维线性插值建立了响应面模型,以估计这些采样点之间的值。该模型为1DHVAC系统分析提供了实际的边界条件,使换热器的进一步模拟具有准确的输入。

 

现实世界应用：分析驱动周期和压缩机速度,以实现最佳效率和舒适性

在紧凑型乘客电动车上进行了瞬态耦合1d-3D仿真。这款车配备了由384个棱镜电池组组成的电池组,总容量为15.6千瓦小时。暖通空调系统的设计是为了在夏季给船舱降温,并在冬季用作热泵。在本分析中,重点是一个低温天气情景,模拟在-10℃环境温度下行驶30分钟的物理时间,驾驶员和乘客的人类舒适度模型和60%的脸,40%英尺的暖通空调流量分裂模式。

 

采用了全球协调的轻型车辆测试程序(WLTP)驱动周期,因为它反映了全球典型的城市和公路驾驶模式。通过仿真,探索了两种不同的驱动周期速度,一种是正常的驱动周期,另一种是代表城市驱动的低转速WLTP循环,从而能够对不同条件下的暖通空调系统进行现实的评价。研究中分析了三种不同的压缩机的高、中、低速度,特别注意了暖通空调系统的能耗,因为它直接影响到乘客的舒适性。此外,通过分析电池在驱动周期开始和结束时的充电状态,估计了每个配置的预期范围。

 

图8：常规和低速WLTP驱动器循环

 

结果

所达到的热舒适度在所有三种情况下都是可比的。十分钟后,每一个人都觉得舒服。在高压缩机速度的情况下,4.5分钟达到0的舒适水平,6分钟达到中速度,6.5分钟达到低速度。10分钟后,低功率的场景提供了与高功率场景相同的舒适度,同时减少了50%的能源消耗。进一步的分析表明,整体舒适性主要受身体呼吸感觉的舒适程度的影响。与其他身体部位相比,三种速度之间的设计变化对呼吸感觉的影响较小,导致整体舒适性的变化比预期的小。

 

图9：(a)不同压缩机速度的整体舒适性

 

中、高压缩机速度比低转速消耗了33.5%和50.2%的能量。此外,在低压缩机速度下,电池的耗电速度较慢,在某些驱动条件下,范围增加高达21%。试验结果表明,降低暖通空调功率可以在不影响乘客舒适性的情况下显著提高距离。

 

图10：(a)节能(b)幅度差异

 

l高速的 快速达到最大的舒适,但消耗更多的能量。

l中速 ：平衡舒适性和能源效率。

l低速度 ：消耗最少的能源,在实现最佳舒适性方面仅略有延迟。

 

结论：为智能电动车设计铺平道路

随着电动汽车变得越来越突出,共同模拟等工具对于打造一个方便用户和有竞争力的产品至关重要。通过将3DCFD与1D系统建模相结合,制造商可以优化车辆的热性能,并确保它满足消费者对范围和舒适性的期望。通过这些模拟,工程师可以根据不同的驾驶周期对车辆参数(如压缩机速度)进行微调。例如,降低暖通空调系统中的压缩机速度可以在不严重影响舒适度的情况下节省大量能源。

 

这种整体办法带来了一系列好处：

l改进幅度 ：战略性的空调空调调整可以保持电池寿命,延长练习范围,减少练习范围的焦虑。

l增强舒适性 ：精确模拟确保乘客享受舒适的舱内体验,即使在极端气候。

l能源效益 优化暖通空调系统,降低能耗,有助于实现能源目标。

 

随着模拟技术的进步,电动车设计师越来越能够预测虚拟环境中的现实世界结果。通过采用这些方法,汽车工业准备使电动汽车不仅成为传统汽车的可行替代品,而且成为全世界环保驾驶者的首选选择。这里介绍的工作流也是达索学校对MODSIM ,整合建模和模拟,支持公司的长期战略,弥合设计师和模拟工程师之间的鸿沟,最终加快产品开发过程。