优化赛车中的电池热管理

在一年内打造行业标准赛车

Ecurie Aix 成立于 1999 年，当时德国亚琛工业大学的学生有创建一支方程式学生队的想法。方程式学生大赛是一场全球比赛，根据汽车工程师学会（SE）或德国方程式学生联合会（FSG）的规定，500 多个学术团队自行建造自己的汽车。比赛的目标是让学生在一年内设计、制造和测试赛车。Ecurie Aix 团队于 1999 年开始建造气缸发动机（ICE）驱动汽车；2022 年夏天，团队采用第 10 辆全电动汽车进行比赛。

每个学生方程式事件由静态和动态学科组成。静态学科包括工程设计事件、成本事件和业务计划演示。动态学科包括耐力、效率、绕桩、加速、八字绕环和赛道驾驶。每个比赛中最重要的学科是耐力赛，长度为 22 公里（km），分为两部分（每部分 11 公里）。

Ecurie Aix 需要为电池组的热和电气特性寻找一种高效而可靠的方法，并且由于问题的复杂性，他们需要组合和集成多个学科。通过与 Siemens Digital Industries Software 合作，他们执行了 Batterie Aix 项目，其中高效组合了实验、系统仿真（SYS）和计算流体动力学（CFD），以优化电池热管理，同时考虑可扩展性、可重用性和未来增强功能。

使用西门子解决方案深入了解电池使用情况

电动出行是汽车行业最重要的挑战之一，最重要的方面之一是电池热管理——集成多个系统（冷却、电池等）的学科。它可实现电池组的理想安全使用，这对于赛车和乘用车而言势在必行。汽车原始设备制造商（OEM）必须测试并描述这些电池组的特性，才能将其安全地集成到汽车冷却系统中——他们需要信任这些特性。仿真实验在涵盖各种操作条件（如寿命和老化）方面发挥了重要作用。

在 Batterie Aix 项目中，学生们需要确定如何描述电池单元的特性，以理想方式集成车辆中的电池，以满足性能预期和续航里程要求，并实现适当的设计和正确的冷却系统尺寸标注。该项目背后的基本理念是使用实验协同仿真 SYS 和 CFD。“我们需要西门子的电池和热仿真解决方案：电池建模及其行为对我们来说是一个新的领域，”Ecurie Aix 的学生工程师托马斯·尼休斯说。

执行 Batterie Aix 方法

他们没有使用复杂的电池模型来生成数据，而是在亚琛工业大学的电力电子和电气驱动研究所（ISEA）进行真实世界实验。通过采用多学科方法进行电池组电气和热仿真，团队将实验、SYS 和 CFD 相结合，为电池使用情况提供宝贵见解。首先，他们使用 Simcenter™ Amesim™ 软件生成的不同电流分布运行电池测试。通过使用测试结果作为电池识别工具箱的输入，团队能够在 Simcenter Amesim 中完全识别等效电路模型的所有参数。此外，此完全参数化模型现在可用于在项目中执行进一步的步骤和增强功能。Simcenter 是 Siemens Xcelerator 这一综合性、集成式软硬件和服务产品组合的一部分。

接下来是功能样机接口（FMI）阶段，团队将完全符合特性的电池组导出为符合 FMI 标准的功能样机单元（FMU）。此步骤允许软件之间交换温度和热流。最后，他们运行 CFD 仿真，在其中导入了 FMU 和电池组的特性。在此阶段，他们使用耐力赛期间记录的当前曲线，解算了 Simcenter STAR-CCM+ ™ 软件中与时间相关的共轭传热仿真。FMI 和 FMU 标准均受解算方案支持，并使软件能够在没有任何混乱的情况下相互通信。此功能在项目期间通过软件实施，因此团队可以率先使用这些功能。

此外，西门子提供的技术支持是该项目的主要成功因素。西门子学术业务开发人员克劳迪奥·桑塔雷利（Claudio Santarelli）和西门子售前解决方案顾问克里斯托弗·赫尔比格（Christopher Helbig）指导了整个 Ecurie Aix 项目。作为西门子与全球学生竞赛团队互动的一部分，该团队还提供了在线学习材料和文档。尼休斯继续说，“我们遇到了一些问题，耦合软件，并首次使用它，但西门子的支持团队总能为我们提供解决方案。”该团队还可以访问西门子支持中心，该中心的常见问题解答（FAQ）和教程可供学生在项目期间随时访问。他们还可以使用西门子学习平台 Siemens Xcelerator Academy。

获得真实可靠的仿真模型

现在，通过设计更改来优化电池热管理，可以增强此仿真设置。通过使用西门子的解决方案，团队获得了更逼真、更可信的仿真模型，从而缩短了跟踪测试投入的时间和资源，并降低了成本。尼休斯说：“西门子的 Simcenter STAR-CCM+是 CFD 仿真领域先进的工具，尤其是空气动力学仿真。此外，仿真还允许团队访问无法通过跟踪测试访问的数据和信息。这为汽车的开发过程开辟了新路。“很难设计出完全符合特性的良好测试协议。通过使用西门子软件，这一切完全可以自动化 -- 我们只是查阅了文档，然后一切就很顺利，”Ecurie Aix 学生工程师法比安·伯姆说。

一旦正确模拟了电池冷却系统，团队就可以在汽车的开发过程中利用它。例如，减小冷却系统的大小和重量，让 Ecurie Aix 比其他团队具有优势。尼休斯继续说：“Simcenter Amesim 中的电池识别工具帮助我们节省了很多时间。只需将数据放入工具箱中，即可获得准确的电池模型。”

尼休斯说：“我们成功的关键是与西门子团队的合作。“他们使我们能够进入软件，并解决项目期间出现的任何问题。西门子团队的十足干劲让我至今仍记忆犹新。感觉他们就是我们团队的一员，好像有同样的目标一样。”Ecurie Aix 的学生工程师卢卡·利奥格兰德（Luca Leogrande）继续说：“作为一个团队，要加快新成员的速度，必须提高工作效率，我们与西门子合作开发的文档恰好可以赋能实现这一切。”伯姆总结道：“与西门子支持团队的合作是该项目背后的推动力。”

在实际测试方法中实施电池模型

团队期待将 Teamcenter® 软件用于文档和更改管理等多个方面。利奥格兰德解释道：“这两点是 Teamcenter 让我们感兴趣之处。”该团队还将在实际测试方法中实施电池模型，如软件在环（SiL）与硬件在环（HiL）相结合。预计未来工作包括将电池模型用于圈速仿真和实时控制器。