優勢

使用虛擬原型設計加速創新

在性能和能效之間實現最佳平衡

限制物理原型數量

跟蹤從概念到后期改進階段的車輛能源效率

功能

為仿真解決方案提供單一套件，支持所有開發階段

提供數字連續性，跟蹤車輛節能情況

提供系統仿真、3D CAE、CFD 仿真工具和工程服務的組合

在整個開發過程中提前進行設計探索、驗證和集成

摘要

當前和未來的環境法規不僅促進了汽車制造商制造更潔凈、更安全的車輛，更加劇了該領域的競爭態勢。將這些挑戰與新的市場趨勢相結合，例如隨著聯網汽車數量的增加而帶來的數字化顛覆、城市化帶來的改變（共享、通勤等）以及越來越多的需求，使得汽車的設計比以往任何時候都更加復雜。由于優先事項相互沖突，包括創新步伐和更高的能效要求與駕駛性能或舒適性等相反屬性的對比，制造商被迫徹底重新考慮自身的設計方法。考慮到上述所有要求，不再可能通過物理測試來評估多種車輛架構的性能，因此從物理原型設計轉向虛擬原型設計是減少開發時間和工程成本的關鍵。通過開發車輛及其子系統的數字孿生，可以在開發的早期階段虛擬定義車輛的架構。它可以在性能和能效目標之間達到最佳平衡，并限制物理原型的數量。

圖 1：提前仿真有助于降低成本。資料來源：凱澤斯勞滕大學虛擬產品工程研究所 Matin Eigner教授。

選擇集成式仿真流程

借助仿真驅動型開發方法，可以以數字方式探索各種架構和配置，從而在原型出現之前以高效且經濟的方式找到沖突屬性之間的最佳權衡。這種仿真驅動型開發方法由 Simcenter 產品組合提供支持，該產品組合是一套仿真和測試解決方案，支持開發周期的所有階段，并具有數字連續性，以跟蹤車輛節能情況。Simcenter 產品組合為仿真工程師提供了系統仿真、3D 計算機輔助工程（CAE）和計算流體動力學（CFD）仿真工具和工程服務的組合，以提供從能源管理的基準測試和目標設定、架構規模和控制策略開發到設計探索等功能。構建數字孿生需要擁有正確的工具，以便在開發周期的正確時間進行準確的分析。Siemens Digital Industries Software 開發了一種全車測量方法，并結合了可擴展的建模方法，因此用戶可以跟蹤從早期概念到后期改進階段的車輛燃油經濟性。

圖 2：在整個開發周期中的 Simcenter 產品組合。

加快多領域工程決策

借助 Simcenter 解決方案，可以通過在以下廣泛領域進行創新，輕松探索、設計、分析和改進車輛能源管理（VEM）和燃油效率：

• 動力總成設計

• 汽車電氣化和動力混合化

• 車輛隔熱

• 駕駛室駕駛員和熱舒適性

• 外部空氣動力學

動力總成設計

優化動力總成系統和子系統的性能和排放是汽車制造商必須開始考慮的。Simcenter 解決方案會在各個開發階段提前進行設計探索、驗證和集成。此解決方案支持機電一體化系統在不同開發階段的多屬性性能，從需求捕獲和目標設定、架構選擇和評估、詳細的動力子系統工程，到動力系統集成和控件驗證，可謂無所不包。內燃機 (ICE) 仍將是未來幾十年中傳統或混合動力汽車的重要動力來源以及增程器中的輔助能量來源。在許多情況下，傳統動力總成的創新意味著技術復雜性的增加，而替代技術則意味著迫切需要通過快速系統開發來消除不確定性。使用 Simcenter 解決方案，例如Simcenter Amesim 軟件和 Simcenter STAR-CCM+ 軟件，可以微調和優化配氣和充電系統、燃燒系統和排氣后處理，以滿足實際駕駛排放（RDE）標準和全球統一輕型車輛測試程序（WLTP）。改善車輛能源管理的另一種方法是專注于變速器設計。使用 Simcenter Amesim中的可擴展模型（從功能到高仿真度），可以準確再現高頻和非線性現象。可以對任何類型的變速箱進行建模，并與內燃機和汽車模型相結合，以便用戶研究其交互并盡可能降低對駕駛舒適度的影響。

汽車電氣化和動力混合化

除了在傳統汽車中引入的各種改良外，混合化可以逐步解決達到節能減排監管目標面臨的各種挑戰。為了應對有關混合動力和電氣化的所有問題，Simcenter 工具（Simcenter Amesim、Simcenter SPEED 軟件和Simcenter Battery Design Studio 軟件）支持工程師虛擬評估和驗證電池、燃料電池、電機和電力電子設計選擇。您可以輕松確定電池組的大小、設計冷卻子系統、優化控制策略、降低燃料消耗或延長續航歷程。

車輛隔熱

設計部門需要在早期階段確保組件能在惡劣的操作條件下工作。系統分析可以幫助確定需要多少冷卻空氣或哪種冷卻液系統。隨著設計的成熟，測試需要確認每個組件在所需范圍內運行。這包括測試數千個組件，這些組件在材料特性和關鍵操作條件下各不相同。在設計周期中，這些組件越早可以在具有代表性的環境中進行虛擬測試，保護組件的成本就越低。Simcenter STAR-CCM+ 提供的模板允許用戶快速將其計算機輔助設計（CAD）數據鏈接到仿真。此外，流體和固體在長時間的熱瞬變中緊密耦合（30 到 90分鐘，具體取決于具體情況）。這有助于在設計過程的早期完成對關鍵條件（如浸泡條件）的仿真。以前，大多數原始設備制造商（OEM）更多地依賴物理測試來確定熱故障，當故障發生在設計過程的后期時，成本會更高。通過獲得熱點信息，可以將氣流引導到關鍵區域，或者根據需要添加隔熱罩。它可以在優化成本的同時確保隔熱。

駕駛室駕駛員和熱舒適性

熱管理不僅對于組件可靠性和系統安全性至關重要，而且對于性能（熱引擎、電機、電池等）、燃油消耗（在合適的溫度下可以實現最高效率）、排放（后處理設備）和乘客熱舒適度也非常關鍵。Simcenter Amesim 提供了一套全面的仿真模型，因此您可以輕松準確地仿真空調系統與各種冷卻系統和機艙之間的相互作用，尤其是在熱損失可以忽略不計的高效發動機或電動汽車的情況下。不同的分析功能可以幫助您根據特定操作條件下的熱/冷卻管理策略和汽車行駛工況詳細研究整個系統的行為。例如，您可以通過對每個子系統（如分置式冷卻系統、儲能罐、材料變化系統或電泵）的拓撲修改所帶來的影響進行仿真，實際研發更完善的引擎預熱策略。

圖 3.Simcenter Amesim 有助于優化后處理系統設計以減少排放。

從一開始，系統模型就可以與 3D 流體仿真相結合，無論是引擎蓋下的熱管理還是空氣動力學。在早期設計中，簡化的駕駛室可用于幫助在系統模型中提供改進的控制邏輯。可以通過 Simcenter Amesim 為用戶構建和運行 CFD 模型，由其內部的嵌入式 CFD 擴展模型。隨著設計的成熟，駕駛室的幾何體用于查看加熱和冷卻通風口的位置和設計。此外，乘客也包含在數字模型中，因此可以評估乘客的熱舒適度。此外，通風口還經過數字測試，以確保汽車符合政府對擋風玻璃和后視鏡的除冰/除霧規定。3D細節乘客舒適度模型是使用 Simcenter STAR-CCM+ 完成的，包括乘客拒絕的太陽輻射、傳導、濕度和熱量。結果可以映射回系統模型，以改進控制系統的邏輯，從而滿足乘客的熱舒適性要求。對于電動汽車來說，為駕駛室舒適性而設計的子系統及其控制邏輯更加重要。例如，設計人員需要考慮乘客舒適度（加熱/冷卻）、電池系統熱管理和車輛續航里程之間的正確權衡。仿真使設計人員能夠改善這種權衡，同時最大限度地減少熱子系統的損耗（傳熱、壓降、機械效率等）。

外部空氣動力學

傳統上，外觀設計的美學決定了市場吸引力。但是，隨著政府對油耗的嚴格規定以及延長電動汽車續航里程的推動，外部空氣動力學已經開始在減少能量損失和決定汽車吸引力方面發揮至關重要的作用。在高速公路上，空氣阻力是車輛最大的能量消耗因素。此外，車輛的空氣動力學需要驅動空氣來冷卻動力總成和關鍵部件，并保持前后輪之間的下壓力平衡，以改善車輛的操控性。

圖 5.Simcenter Amesim 進行熱管理。

圖 6.Simcenter STAR-CCM+ 提高車艙舒適度。為了生產節能汽車，設計師需要考慮風格、車輛阻力、冷卻性能和駕駛穩定性之間的權衡。擁有進氣隔柵執行器變得越來越普遍，以幫助減少高速行駛時的阻力。為此，了解空氣動力學設備打開和關閉時的控制邏輯變得至關重要。Simcenter Amesim 提供系統模型，該模型有助于運行長驅動周期的場景，并定義用于打開和關閉設備的控制邏輯。Simcenter STAR-CCM+ 根據主動流裝置的配置提供車輛阻力輸入。它還有助于評估駕駛過程中發動機周圍的熱環境，以確保足夠的冷卻空氣被驅動到正確的位置。

在性能屬性之間找到適當的平衡

盡管各個性能部門專注于其領域的設計優化并尋找一流的解決方案，但管理層仍面臨著為車輛提供整體平衡性能的需求。因此，我們專注于提供工具和流程，以支持用戶使用多屬性性能工程來平衡積極和消極的影響。采用平衡整車所有屬性的工程流程至關重要，這種調整工作的性質和范圍在很大程度上取決于客戶的要求和偏好以及排放法規。例如，開車可以緩慢而平穩，而不是快速而突然的急踩油門，同時密切關注其他屬性的性能。

圖 8.Simcenter 產品組合賦能用戶有效地找到考慮所有性能屬性的正確權衡架構。Simcenter 產品組合賦能用戶有效地找到考慮所有性能屬性的正確權衡架構。該軟件可在早期設計階段賦能創建續航里程和性能仿真模型以及車輛能源管理模型，包括發動機、電動動力總成、電池和供暖、通風和空調（HVAC）以及所有相關熱管理系統的預測性動態建模。最后，它可以賦能在整個開發周期中微調控制策略。