提高电动汽车电池仿真的准确性和速度

开发更加安全、可靠的 EV 电池

准确预测电动汽车 (EV) 电池的热性能或许是汽车原始设备制造商 (OEM) 面临的最关键挑战。电池需要在合适的温度区间内运行才能避免故障。如果温度超出此区间，就可能会缩短电池的使用寿命，甚至危及乘员的安全。

因此，作为全球知名的高端汽车品牌，奥迪组建了一支高度专业化的团队，专门负责高压电池系统概念的开发。奥迪的愿景是设计未来的出行方式，并确保卓越的数字化、电动化和可持续的驾乘体验。对此，该德国团队的贡献至关重要。

提高热模型的准确性

概念开发工程师乔华·莎拉·李 (Joohwa Sarah Lee) 是该团队的一员，专门研究电池的热性能。

“构建准确的热仿真模型是我团队工作的一个重要方面，”李说。“这些模型本身非常重要，因为它们直接关系到我们优化电池热性能的目标。”

在 2021 年，李和她的团队发现，在某些情况下，仿真的输出与测试的测量值不符。因此，李着手提高这些仿真模型的质量。李和她的团队选择了 Siemens Digital Industries Software 的
Simcenter™ 工程和咨询服务团队作为开发合作伙伴。

“我们选择 Simcenter 的原因是，他们的工具不仅可以无缝连接 1D 和 3D 模型，还可以连接第三方工具，”李说。“Simcenter 工程服务团队提供了技术知识和支持，帮助我们设置这些集成并确保尽可能高的准确性。”

综合使用 1D 与 3D 仿真

传统上，模块和电池组的几何建模使用 3D 计算流体动力学 (CFD) 热仿真完成。这种方法的计算成本很高，而且可能需要数天或数周才能完成。此外，生成准确的 3D 模型需要广泛的参数知识和 3D 仿真经验。而执行 1D 系统仿真则要快很多，但要根据 3D 模型生成 1D 模型而又不影响准确性往往很难。

Simcenter 工程服务团队着手创建更快、更准确的电池组热模型，以支持奥迪的电池管理系统，涵盖从初始策略开发到验证其他车辆子系统的各个环节。这些模型需要考虑多个参数，包括电流、冷却液温度变化、与 1D 电气模型的连通性以及与 MATLAB/Simulink 的集成。李和她的团队为 Simcenter 团队提供了各种场景的测试用例和边界条件。

定制的工作流程

Simcenter STAR-CCM+™ 软件和 Simcenter Amesim™ 软件均为 Siemens Xcelerator 软硬件和服务平台的重要组成。通过综合使用这两个软件，Simcenter 工程服务团队的专家开发了一套半自动化的工作流程，以便根据 3D Simcenter STAR-CCM+ 模型在 Simcenter Amesim 中生成 1D 系统级模型。此工作流程的目的是确保奥迪的 1D 仿真用户既能从 3D 模型提供的高水平细节中受益，又能保持 1D 仿真的速度。

通过使用指定的输入，用户使用 Simcenter STAR-CCM+ 来计算涵盖所选设计空间的几个稳态条件，例如入口冷却液温度、流速和电流。然后，用户可以利用这些数据推导出 1D 电热模型以研究整个电池组的瞬态场景。

减少时间，提高准确性

由 Simcenter 工程服务团队专家开发的工作流程将电池热仿真的计算时间缩短为几分钟。一个生动的例子是模拟从 10% 电量到 80% 电量的 EV 电池充电场景。

“作为我们与 Simcenter 工程服务团队所合作项目的成果，我们能够将充电场景的仿真时间从几乎一整天缩短到不到一分钟，”李说。“这是计算时间上的巨大差异。我们还看到仿真结果有了显著改进，尤其是在热行为研究方面。

“我们探索了用于此问题的其他解决方案，但其他公司提供的工具互联性都达不到西门子的水平。通过综合使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的详细 3D 模型、Simcenter Amesim 的速度和效率以及 Simcenter 工程服务团队支持的第三方工具，我们获得了关键性优势。我们也很高兴能够探索 Simcenter 产品组合的其他方面，包括 Simcenter Battery Design Studio。”

李和她的团队对与 Simcenter 工程服务团队合作的未来持乐观态度。

“我们将继续应用我们的新工具和方法来应对未来的挑战，李说。“我们感谢 Simcenter 工程服务团队提供的支持，以及他们帮助我们解决难题的意愿和能力。”