法国汽车制造商使用 Simcenter Amesim 来优化汽车电池包并降低成本

法国汽车制造商使用 Simcenter Amesim 来优化汽车电池包并降低成本

借助西门子解决方案,标致雪铁龙集团能够将产品开发时间从数月缩短至数周

引领电气化之路

2020 年是汽车工业的关键一年。新的法规和汽车二氧化碳(CO2)排放标准都意味着电气化之路遍布荆棘。所有外部因素都在趋同,包括政府激励、更严格的监管和电池价格下跌。波士顿咨询公司(BCG)最新的全球汽车动力总成预测显示,电动汽车(xEV)的销售增长速度甚至超过预期。据 BCG 称,到 2025 年,电动汽车将占据三分之一的市场份额,法国汽车制造商标致雪铁龙集团使用 Simcenter Amesim 来优化汽车电池包,到 2030 年,可将成本降低 51%,预计其电动汽车销量将超过纯内燃机汽车(ICE)的销量。

 

所有的原始设备制造商(OEM)都在加快汽车电气化的计划落地,标致雪铁龙集团也不例外。该集团致力于清洁和可持续的移动性已经有一段时间了,因此,他们过去所做的努力能够在其能源转型过程中发挥作用。标致雪铁龙集团的目标是到 2025 年实现其系列车辆完全电气化。

多物理模型的多功能性是能够真实评估诸多变化对预期性能水平的影响的关键。这就是我们决定使用 Simcenter Amesim 进行多物理分析的原因之一,因为它有助于我们保持敏捷性。
Angelo Greco, 标致雪铁龙集团电池系统建模与设计团队负责人

电池是电气化的核心

电池是实现车辆电气化以满足客户期望的关键组件。里程焦虑仍然是电动汽车急需解决的一个重要障碍。大多数电动汽车电池有八年保修期或者 160,000 公里(100,000 英里)行驶里程限制。因此,OEM 必须制定相应策略来减缓电池老化。电池老化最有效的鉴别标准之一是它所能承受的温度变化。虽然高温下电池容量更大,但会大大缩短电池使用寿命。电池的热管理对于在任何驾驶条件下实现最佳电池温度至关重要。用户据此能够确定电池容量与使用寿命之间的完美平衡点。

 

在这种情况下,电池冷却系统必须平衡其他车辆性能属性,并优化电池容量和使用寿命。一方面,系统不能过大,不然会影响车辆的整体性能,本身过重,需要额外的投入来建造更复杂的系统,并且会降低车辆的空气动力学性能。另一方面,系统不能过小,不然会危及车辆、驾驶员和乘客的安全。最重要的是,设计出能够在舒适性、驾驶乐趣、性能和耐用性等相互冲突的属性之间达到最佳平衡的汽车才是关键。

 

为了应对这些具有挑战性的设计需求,OEM 需要适应新的开发重点,并围绕这些关键领域建立工程组织。标致雪铁龙集团不得不朝着这个方向迈出战略性的一步。Angelo Greco 是该集团电池系统建模与设计团队负责人,专注于功能设计分析和多物理建模。电池设计和集成正处于创新的十字路口,需要满足具有挑战性的各项需求,不仅是市场需求,还有乘客安全性和舒适性的需求,以确定车辆的正确组件。

针对特定目标确定合适的电池

“面临的主要挑战是,如果不将电池集成到整个车辆架构中,我们就无法进行适当的电池设计分析和评估,” Greco 说。“电池非常复杂,因为必须考量它的多物理特性,包括同一模型中的电气、热、冷却和控制部件。这并不是一项容易达成的任务,这就是为什么我们选择 Simcenter Amesim 来应对这一工程挑战。”

 

工程构建最佳的电池热管理系统设计和架构,同时平衡成本、范围、热舒适性和耐用性是一项关键任务。做出相关决策时,不仅需要考量热安全性及其对耐用性的影响,还要考量范围和性能、客舱舒适性和电池温度。多层次建模和多物理仿真已经成为评估架构设计对关键性能属性的影响和预测控制策略验证的关键。

 

“除了这些工程限制外,我们还有严格的开发时间要求,以达成有竞争力的车辆上市时间,” Greco 说。“我们必须保持非常敏捷。有时,我们必须在一周或一天内修改一个组件或模型,并适应供应商的新需求或数据。多物理模型的多功能性是能够真实评估诸多变化对预期性能水平的影响的关键。这就是我们决定使用 Simcenter Amesim 进行多物理分析的原因之一,因为它有助于我们保持敏捷性。”

利用三维设计开发电池系统模型

为了分析电池热管理,Greco 必须了解标致雪铁龙集团供应商是如何设计电池的。一级供应商通常通过考量最差的使用条件来确定和开发电池模块,以确保电动汽车在任何工况下都能行驶,并且电池使用寿命范围符合八年保修和法规要求。

 

然而,电池和冷却系统通常尺寸过大。因此,会花费更多的开发时间,但同时也降低了车辆的整体性能。根据 Greco 的说法,“设计过大的电池包是一种安全的做法,但会增加成本。而且这方面肯定是能够进行优化的。借助仿真平台,标致雪铁龙集团能够快速分析电池性能及其热管理。此外,该集团据此还能够研究替代电池设计,进行虚拟验证,并确保它们满足所需的性能水平,且不损害安全性。我们还可以将所需的改进传达给电池供应商。”达到最佳优化水平的唯一方法是合理利用具有三维计算精度和一维仿真灵活性的多物理和动态模型。

 

“我们过去利用三维电池建模来评估电池热管理,包括静态评估和电池热流建模,” Greco 说。“而这些往往会在开发周期的后期完成,无法预测电池设计的任何变化。因此,为了在开发周期的早期以可靠的方式评估电池热管理,找到一种方法能将三维热和液压模型转录成新增电气部件的一维模型至关重要。”

 

为了取得成功,Greco 开发了一种方法,使用节点网络并利用三维热模型来开发电池的一维模型。他利用这种方法获得了与三维热-液压建模相似的结果,但所用的运行时间更短。“我们使用 Simcenter Amesim 开发了这种方法,不仅帮助我们节省了仿真运行时间,而且还评估了电池的动态热管理,取代了我们通常结合使用三维电池热模型与三维 CFD(冷却板)模型来进行静态评估的方法。”

督促供应商提供更优的电池设计

Greco 主要致力于轻度混合动力和电动汽车的电池设计。“借助使用 Simcenter Amesim 构建的模型,我们能够以比传统经典程序平均快一倍的速度来开展我们的研究,进行电池包的模型开发和组件验证,并增加其多物理特性。事实上,从供应商利用三维到一维仿真方法提供的电池模型来看,我已经能够确定电池的总热阻为 0.9K/W(最差情况),而不是供应商拟定的 1.8K/W。在相同的冷却条件下,在提供技术规范中要求的预期性能的同时,新设计(0.9K/W)能够排出两倍于供应商拟定的热量。”

 

Greco 在新电动汽车开发周期的早期就建立了这种方法,使他能够选择“侵入式”设计。因此,Greco 解释说,“多物理仿真和结果有助于我们预测性能,也有助于督促电池供应商,使他们设计出与他们拟定的一样高效但需要更优化的热管理系统的电池包。”

由于改进了仿真工程方法,节省了大量时间

“我们开发了节点网络方法来仿真电池热管理,这是一个很大的进步,就此可以提出非常详细和具体的电池设计要求,并向供应商提出挑战,” Greco 解释说。

 

借助这种改进的方法,负责电池建模的团队能够在开发周期的早期做出决策,并定义电池架构,并且能够达到最佳整体车辆性能所需的可靠性和安全性标准。“借助 Simcenter Amesim,在一些项目中,我们使用多物理建模可将产品开发时间从数月缩短到数周。简化组装程序 — 有时仅需要一个下午的时间即可完成 — 因为 Simcenter Amesim 框架和理念与我们的多物理方法兼容,因此非常容易做到。”