法国汽车制造商使用 Simcenter Amesim 优化电池组并降低成本

引领电气化之路

2020 年是汽车行业的关键一年。针对汽车推出的种种新法规和二氧化碳 (CO2) 排放标准意味着电气化势在必行。这受到各种外部因素的综合影响，包括政府激励、日趋严格的法规和不断下降的电池价格。波士顿咨询公司 (BCG) 近期的全球汽车动力总成预测显示，电气化汽车 (xEV) 的销售速度甚至高于预期。据 BCG 称，到 2025 年，此类汽车将占据三分之一的市场；在汽车和交通业，标致雪铁龙集团这一法国汽车制造商使用 Simcenter Amesim 优化电池组，并将在 2030 年前降低 51% 的成本，从而使销量超过纯内燃机 (ICE) 汽车。

所有原始设备制造商 (OEM) 都在加快推行汽车电动化计划，标致雪铁龙集团也不例外。该集团致力于清洁的可持续出行已有相当长时间；受益于他们过去所做的选择，他们已经做好投身于能源转型的准备。标致雪铁龙集团的目标是到 2025 年实现其全线汽车的完全电气化。

电池是电气化的核心

电池是电气化汽车能否达到客户期望的关键组件。里程焦虑仍是有待解决的一大障碍。大多数电动汽车电池的保修期为 8 年或 16 万公里 (km)（10 万英里）行驶里程。因此，OEM 必须制定策略以减缓电池老化速度。最能影响电池老化的一项因素是电池所能承受的温度变化。尽管电池的容量在高温下较大，但其寿命将大幅缩短。要在任意行车条件下达到理想温度，电池热管理至关重要。这可以帮助用户确定容量和电池寿命之间的理想平衡。

在这种情况下，关键一点是保证电池冷却系统的设计能兼顾其他车辆性能属性并优化电池的容量与寿命。一方面，它不能过大，因为过重的系统将需要额外的资金来构建更复杂的系统并会降低车辆的空气动力学性能，从而影响车辆的整体性能。另一方面，它不能过小，因为这可能会损害车辆和驾乘人员的安全。除此之外，汽车的设计必须在舒适性、驾驶乐趣、性能和耐久性等相互冲突的属性之间达到理想平衡。

为了应对这些深具挑战性的设计要求，OEM 需要顺应新的开发重点，并围绕这些关键领域建立工程团队。标致雪铁龙集团必须在该方向采取战略举措。安杰洛·格雷科是电池系统建模和设计团队主管，主要负责功能设计分析和多物理场建模。电池设计和集成正处于创新的十字路口，需要满足各种挑战性需求以便为车辆定义正确的组件，这不仅需要满足市场需求，还要满足乘客安全和舒适性需求。

针对具体目标定义正确电池

“主要挑战是，如果不将电池集成到整车架构，我们就不能执行适当的电池设计分析和评估，”格雷科说。“这非常复杂，因为您必须考虑其多物理场性质，包括同一模型中的电气、热、冷却和控制零件。该任务并非易事，这就是我们选择 Simcenter Amesim 来解决这一工程挑战的原因。”

关键任务是在平衡成本、续航里程、热舒适性和耐久性的前提下打造优化的电池热管理系统设计和架构。制定决策时，不仅要考虑热安全性及其对耐久性的影响，更要考虑续航里程、性能以及座舱舒适度和电池温度。在评估架构设计对关键性能属性的影响以及预先准备控制策略验证时，多层次建模和多物理场仿真是其中的关键。

“除了这些工程限制之外，为在上市时间方面保持竞争力，我们还有严格的开发时间要求，”格雷科说。“我们必须保持高度的敏捷性。有时，我们必须在一周或一天内改完组件或模型，以满足供应商提出的新需求或数据。多物理场模型具有广泛的用途，是真实评估更改对预期性能水平影响的关键。这也是我们决定使用 Simcenter Amesim 进行多物理场分析的原因之一，因为它帮助我们保持敏捷性。”

根据 3D 设计开发电池系统模型

为了分析电池热管理，格雷科必须了解标致雪铁龙集团的供应商如何设计电池。通常，各级供应商根据最恶劣的使用条件开发电池模块并确定其尺寸，以确保电动汽车可在任何条件下正常行驶，并且电池寿命能达到八年保修期并符合法规要求。

然而，电池往往过大，冷却系统也是如此。因此，这需要更多开发时间，同时还降低了车辆的整体性能。格雷科说，“超大型电池组是安稳的选择，但它会拉高成本。这肯定是一个优化点。通过使用仿真，标致雪铁龙集团能够快速分析电池性能及其热管理。此外，我们还能够研究替代电池设计并加以虚拟验证，确保它们达到所需的性能水平而不影响安全性。我们还可以将需要的改进传达给电池供应商。”要达到理想的优化级别，只有使用多物理场和动态模型这一种方法，因为它兼具 3D 计算的精确性和 1D 仿真的灵活性。

“我们过去使用 3D 电池建模来进行静态评估和电池热流建模以评估电池热管理，”格雷科说。“这在开发周期中未免太晚，不能针对电池设计中的任何更改做好预先应对。因此，关键是找出一种方法将 3D 热和液压模型转换为 1D 模型以及电气零件，以便在开发周期中以可靠的方式尽早评估电池热管理。”

为了取得成功，格雷科开发了一种方法，可以使用节点网络并根据 3D 热模型开发电池的 1D 模型。他取得了与 3D 热-液压建模类似的结果，但运行时间更短。“我们使用 Simcenter Amesim 来开发这种方法，这不仅帮助我们节省了仿真运行时间，还有助于我们对电池动态热管理进行评估；在此之前，我们通常使用耦合到 3D CFD（冷却板）模型的 3D 电池热模型来进行静态评估。”

挑战供应商以获得更好的电池设计

格雷科主要负责轻度混合动力汽车和电动汽车的电池设计。“与传统过程相比，通过使用由 Simcenter Amesim 构建的模型，我们的研究运行速度平均可加快两倍，尤其是对电池组组件的模型开发和验证以及多物理场特征而言。实际上，根据供应商使用 3D 转为 1D 仿真方法所提供的电池模型，我能够证明电池的总热阻在最坏情况下可以达到 0.9K/W，而不是供应商所提设计的 1.8K/W。在相同冷却条件下，新设计 (0.9K/W) 的散热能力是供应商所提设计的两倍，可以提供技术规范所需的预期性能。”

格雷科在新型电动汽车开发周期的早期确定了该方法，这样他就能够选择“挑战性”设计。因此，格雷科解释说，“多物理场仿真和结果有助于我们预测性能，但也向电池供应商提出了挑战；这要求他们设计出与其提议的电池组同样高效的电池组，但需要一个更优化的热管理系统。”

改进仿真工程方法并节省时间

“开发出可对电池热管理进行建模的节点网络方法是一个巨大进步，该方法可以提出非常详细具体的电池设计需求并对供应商提出挑战，”格雷科解释说。

借助这种改进的方法，负责电池建模的团队可以及早在开发周期中制定决策并确定电池架构，帮助他们达到可靠性和安全性标准以实现优化的车辆整体性能。“借助 Simcenter Amesim，我们使用多物理场建模将某些项目的产品开发时间从数月缩短到数周。装配很简单，有时一下午就足已完成，因为 Simcenter Amesim 框架和理念符合我们的多物理场方法，很容易就能做到这点。”