西门子工程咨询服务团队基于Simcenter的整车能量管理

前言//

当前和未来的环境法规不仅鼓励汽车制造商生产更清洁、更安全的车辆，而且还会加速竞争。将这些挑战与新的市场趋势相结合，例如数字化颠覆与越来越多的联网汽车、城市化使用场景的变化（共享、通勤等）和越来越多的要求，使得设计车辆比以往任何时候都更加复杂。

由于优先的属性不可避免的存在相互冲突，包括创新步伐和提高能效要求与驾驶性能或舒适性等相反属性，OEM被迫大幅重新思考他们的设计方法。

考虑到上述所有要求，不再可能通过单独的物理测试来评估多种车辆架构的性能，因此完全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。

开发车辆及其子系统的数字双胞胎能够在开发的早期阶段虚拟定义车辆的架构。它使达到最佳状态成为可能，在性能和能效目标之间取得平衡，并限制物理原型的数量。

选择集成了一体化仿真的方式

借助于仿真驱动的开发方法，可以基于数字化探索各种架构和配置，甚至在车辆原型出现之前就以高效且经济高效的方式在冲突属性之间找到最佳平衡点。

西门子工程服务团队，基于西门子Simcenter的一整套仿真与测试的联合解决方案，支持开发周期内的所有阶段，具有数字化连续性的跟踪车辆的节能情况。并为仿真工程师提供了相应的系统仿真，CAE和CFD工具及工程服务组合，以提供从能量管理的基准测试和目标设定以及到设计部分的探索与研究。

利用高效的一体化的仿真+测试整体解决方案，并结合了可扩展的建模方法，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。

加速多个领域的工程决策

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

1.       动力总成设计

2.       汽车电气化和混合动力

3.       车辆热保护

4.       驾驶舱及热舒适性

5.        外部空气动力学

01、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和要面对的问题。Simcenter 解决方案使在整个开发过程中预先进行设计探索、验证和集成成为可能。它支持机电系统在不同开发阶段的多属性性能的工程设计，从需求捕获和目标设定、架构选择和评估以及动力总成子系统的详细工程到动力总成集成和控制验证。

虽然近年来乘用车电气化趋势愈发明显，但内燃机 (ICE) 在未来几十年仍将发挥重要作用，无论是作为传统或混合动力汽车的主要动力来源的一部分，还是作为增程器的辅助能源。在许多情况下，传统动力系统的创新意味着技术复杂性的增加，而替代技术意味着迫切需要使用快速系统开发来消除不确定性。使用Amesim软件和STAR-CCM+软件等 Simcenter 解决方案，可以微调和优化空气路径和充电系统、燃烧系统和排气后处理，以满足实际驾驶排放标准 (RDE) ) 和全球统一轻型车辆测试程序 (WLTP)。

改善车辆能量管理的另一种方法是聚焦于变速器设计。在Amesim 中使用可扩展模型使能够准确地再现高频和非线性现象。任何类型的变速器都可以建模并与 ICE 和车辆模型相结合，因此用户可以研究相互作用并将对驾驶舒适性的影响降至最低。

02、车辆电气化与混合动力

除了对传统车辆进行改进外，混合动力也越来越多地解决了实现排放和油耗监管目标的挑战。为了回答有关混合动力和电气化的所有问题，Simcenter 工具可以以虚拟方式支持工程师评估和验证电池、燃料电池、电机和电力电子设计选择。可以轻松调整电池组尺寸、设计冷却子系统、优化控制策略、减少燃料消耗或最大化范围。

03、车辆热保护

设计部门需要确保部件在早期阶段能够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系统。而随着设计的成熟，测试需要确认每个组件都在要求的范围内运行。这包括测试数千个组件，这些组件的材料特性和关键操作条件各不相同。在设计周期中越早在具有代表性环境中对这些组件进行虚拟测试，成本就越低。

此外，对于长时间的热瞬变（30至90分钟视情况而定）。这有助于在设计过程的早期完成对临界条件（例如浸泡条件）的模拟。以前，大多数OEM更多地依赖于纯物理测试来确定热故障，当故障发生在设计过程的后期时，这种方法的成本更高时间也更长。通过获取有关热点的信息，可以将气流引导到关键区域，或者可以根据需要添加隔热罩。它允许在优化成本的同时确保热保护。

04、驾驶舱及热舒适性

热管理不仅对部件可靠性和系统安全性至关重要，而且对性能（热机、电机、电池等）、油耗（最佳温度下的最高效率）、排放（后处理装置）和乘客热舒适性也至关重要 . 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。不同的分析功能使能够根据特定操作条件下的加热/冷却策略和驱动循环详细研究整个系统的行为。例如，可以通过模拟每个子系统（如分体冷却、储能罐、材料变化或电动泵）的拓扑修改的影响，虚拟地开发增强的发动机预热策略。

对于电动汽车而言，为驾驶室舒适度而设计的子系统及其控制逻辑变得更加关键。例如，设计人员需要权衡乘客舒适度（加热/冷却）、电池系统热管理和车辆行驶里程之间的正确权衡。仿真使设计人员能够改进这种权衡，同时最大限度地减少热子系统损失（热传递、压降、机械效率等）。

05、外部空气动力学

传统上，外部设计的美感决定了市场吸引力。但随着政府对油耗的严格监管以及延长电动汽车行驶里程的努力，外部空气动力学开始在减少能量损失和决定汽车吸引力方面发挥重要作用。在高速行驶时，空气阻力是车辆最大的能源消耗。此外，车辆的空气动力学特性需要驱动空气来冷却动力总成和关键部件，同时保持前后轮之间的下压力平衡以改善车辆操控性。

为了设计生产更为节能汽车，设计师需要权衡设计风格、汽车阻力、冷却性能和驾驶稳定性。格栅百叶窗正变得越来越普遍，以帮助减少高速行驶时的阻力。为此，了解空气动力学装置打开和关闭时的控制逻辑变得至关重要。西门子Amesim 提供了一个系统模型，可帮助运行长驾驶周期的场景，并定义用于打开和关闭设备的控制逻辑。 Simcenter STAR-CCM+ 提供车辆阻力输入，具体取决于主动流设备的配置。它还有助于评估驾驶过程中发动机周围的热环境，以确保将足够的冷却空气驱动到正确的位置。

总结

Summary

整车能量管理（VEM）作为复杂的系统工程，涉及到了多个诸如能耗，热管理，空气动力学等多个领域。西门子工程服务团队借助西门子Simcenter强大而高效的工具，融合多年的工程服务经验，通过一体化的解决方案从整车到零部件再到多属性平衡，围绕实际需求建立仿真思路及测试方法，并不断的优化方案，为OEM及零部件供应商找到一个高效的平衡点。