达索系统：新能源汽车热管理仿真

达索系统MBSE高级业务经理魏周君表示，热管理模型与传统车型不同，除了客舱外，还有电池机舱。在未来设计中，将关注车辆的能量管理和控制，不仅仅是电池控制，还包括客舱和机舱控制。这些控制交互在一起，可以带来的好处是能在早期进行系统优化，确定能量管理目标，通过仿真手段指导后续选型，来达到新技术的添加。

魏周君|达索系统MBSE高级业务经理

(资料图片)

同时他还表示，用新技术激励模型替代原有技术激励模型，并优化设计方向或设计目标，可以进行相应的台架和现场实验，通过实验数据的返回，从而标定模型。这样“虚实”的结合，可以加速迭代，完成降低成本等目标。

以下为演讲内容整理：

热管理模型与传统车型不同，除了客舱外还包括电池机舱。在未来设计中，关注整个车辆的能量管理和控制，将不仅仅局限于电池控制，还包括客舱控制和机舱控制。这些控制交互在一起，就能在早期进行系统优化，确定能量管理目标，通过仿真手段指导后续选型，以及新技术添加。添加后，新技术激励模型就可以替代原有技术激励模型，并优化设计方向或设计目标，然后就可以进行相应的台架和现场实验。通过返回的实验数据标定模型，以便更好地表现现实情况。通过虚实结合，将设计与实车紧密结合，帮助产品完成加速迭代，优化设计，降低成本等目标。这也是均匀仿真的最大初衷。

电池热分析

图源：嘉宾演讲材料

先来看电池包的热管理。从图上可以看出分为三层，每个环节通过前期的调整和后期仿真情况来调整前面的参数，实际上是一个循环迭代过程。现在主流设计师会利用模型进行早期设计。

其中电池单元包含三合一的老化模型、热模型和电学模型。

在电学模型中，会先设计电池单元等效电路，然后对早期电池产生的测试数据进行标定，形成电池模拟电路。同时，将不同时间的频率模拟，进行多种组合放置，并与测量数据进行特性参数（SDF数据）拟合，分析循环工况下的电池单元电学特性，形成电池单元的电学模型。

通过研究电池单元的热模型，了解电池产生的不同形状问题。热模型与几何形状、材料决定了总体热特性，通过分子量级的建模手段对材料特性进行结合后，提取出热特性，并将其放入一维电学热模型中进行进一步建模。

最后一步是电池单元老化模型。在这个模型中，通过初步介入的模型进行一些数据参数的比对。同时在循环工况设计过程中，可以逐步获取实验测量数据并添加进行对比修正。其中输入参数包括电流、电压、温度、SOC、开路电压等，输出包括SOS和内阻。达索已经在主机厂进行了深入的电池老化建模实践，对动力电池的老化行为描述非常准确。在这个基础上，达索会将基础电源模块和电芯模块变成电池包，包含电池单元的几何排布。在排布过程中，初始分布不均匀性会引起SOC的初始值产生偏差，并考虑到电池包中对电池温度的影响因子，在电池包的基础上，进行不同的连接。包括热连接和电连接。首先是几何排布，几何布置不等于电连接也不等于热连接，与其都无关。实际上，在建模过程中的同一个几何排布上，热设计与产品制造、散热设计及电连接设计有关，而非与三维设计或几何设计完全相关。需要通过模型方法表现出实际的传热、导热、导电工况或机理形式，在此基础上，达索会对电池包进行相应驱动。例如，在没有冷却的充放电10分钟过程中，使用主动冷却的方式将其添加进去，那么在整个充放电过程中，电池包循环工况都会持续保持在需要的温度下。当然，所有冷却方式都会有相应的模型库来帮助大家进行初步搭建。

图源：嘉宾演讲材料

在新技术切入之后，可以在原有模型库基础上，将其所表现出的机理模型添加进去，然后再来观察在原有电信包上的新技术或机理作用如何产生好的效果。实际测试的数据效果如何，还需要最后与实际台架测试和路试达到的相应数据进行比对和校准模型。

图源：嘉宾演讲材料

整个电池控制与客舱、机舱会有回路设计，运用模型方法来进行设计就会变得很方便。例如图中左边是整个电池控制模型，中间与其他机舱、客舱相关的器件进行交互，将共同器件模型放在另一个系统里，让它们产生共同激励作用。

客舱HVAC分析

接下来将展开客舱相应的分析模型。

图源：嘉宾演讲材料

将客舱的空调系统整体设计分为三层，首先是对客舱内的关键部件，如蒸发器、冷凝器、压缩机和 TxV等进行相应的选择。实际上，达索的库可以帮助搭建所有器件表现出的行为，通过调节参数或实验设计方式优化参数，以便在早期进行零件验证和选择。在有零件的基础上，加入相应的控制逻辑，使不同器件组合在一起后，结合控制方法和逻辑，查找整个系统的控制瓶颈，针对最典型工况，进行充注量验证和高COP优化设计，通过节能、补偿等策略进行充足量验证。在此基础上，用新的模型来开发热泵系统，可以与原有系统结合，例如三维环境厂数据和一维机理数据，以及整个机舱的升温、降温。从整体设计来看，机舱内的热负载、AC系统匹配、客舱流场对空调提出的要求，达索会进行早期仿真。

首先是零部件验证，在压缩机冷凝器等设备上，达索有相应的零部件模型。根据需要，可以对零部件的主要参数进行验证和选取。然后将零部件组合在一起，观察控制逻辑的注入，再考虑加入多少冷凝剂，如何优化控制逻辑等问题，以便进一步设计。接下来，需要将电池冷却耦合与空调系统相结合，达索会通过蒸发器，Chiller，电子膨胀阀，压缩机等设备将电池仓与客舱进行耦合，以便查看效果。同时，达索还会关注前端模块的进气设备提供的实际流程信息，在设计过程中，需要更好地结合这些信息。整个客舱舒适度变化涉及到客舱升温模型，达索会在原有模型基础上进行细化搭建，将这些参数与人体舒适度感知工况、感受参数结合，包括降温和升温等，通过不同的策略提高客户舒适度感知能力。例如PTC控制策略等。现在已有的座椅和方向盘的加热与其他方式结合在一起时，需要进行控制策略的调整，将所有因素耦合起来，进行人为把控。

接下来是客舱舒适度的优化设计，达索会提供两个维度模型，一维的热控制模型包括从电池到客舱的热交互过程，以及客舱里的三维气流模型，包括玻璃天窗和封闭天窗两种车型。

图源：嘉宾演讲材料

机舱热分析

实际上，机舱是一个更复杂的PHEV热管理策略。将相关片区设计与电池仓的交互或功能情况进行耦合设计，形成电池仓机舱设计中的一维模型。机舱的重要部分来自于前端进气，达索通过仿真手段获取布局或外观数据，并用仿真方法对前端进气分析。

图源：嘉宾演讲材料

要将机舱内的数据和机舱内机理信息与电子仓信息结合起来，构建冷却回路。同时，需要分析电池包中的热元和需求，并添加工况信息。通过这些信息，我们可以了解整车内的能量损耗设备和部件，以及与之相关联的控制策略，并用模型方式进行整合。这样在设计早期就可以对整车热度有一个较好的分析，并整体把握时间变化。

因此，达索会用模型、仿真方法或虚拟方法进行操作。首先，需要通过流程仿真获取车内外流场和内流场的CFD模型等仿真数据；其次，将其用于控制逻辑，这两部分在实际设计过程中是分阶段进行的。将整车热管理的一维模型作为载体，表现出整个热场的能量传输、能量分布及在不同流程中的关键输入。我们要做的关键是将流程模型、控制策略、算法与热管理的一维模型结合起来，在早期形成一个面向机舱、客舱和电池舱的联合分析环境，帮助我们进行早期的匹配、分析和优化。

图源：嘉宾演讲材料

应用案例中表明，模型是从概念阶段到详细阶段，再到整车验证，一步步进行迭代，而不是一次形成的。通过项目建设和培育模型，使其变得成熟。在这个过程中，进行了整体布置验证、关键器件选型、流程优化、极限工况匹配策略的验证、舒适性、控制策略的选定以及电池转化策略的定义，节省了一半多的研发费用和开发周期。

达索尽量将前期的辅助性或基础性工作使用仿真实验的虚拟方法完成，将人力投入到最重要的事情上，为新能源汽车热管理做出实际的贡献。

（以上内容来自达索系统MBSE高级业务经理魏周君于2023年7月6日在2023新能源汽车热管理论坛发表的《新能源汽车热管理仿真》主题演讲。）

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