如何从软件角度优化汽车热管理？西门子数字化工业软件方志刚博士给出解答

新能源汽车的发展，给汽车热管理带来机遇的同时也带来更多挑战。相比传统燃油汽车的热管理，新能源汽车热管理更复杂也更重要，关乎整车的核心性能，涉及到续驶里程、驾乘舒适度等这类日常出行都会遇到的问题，重要性和成本比重日益提升，因此，车企对整车热管理越来越重视。

西门子数字化工业软件大中华区副总裁兼首席技术官方志刚博士

新能源汽车热管理需从系统角度设计

对于新能源汽车，尤其是当下市场份额较大的混合动力汽车，其热管理的难度与挑战成倍增加，关键涉及到两大热源管理：一是发动机燃烧的热量及散热冷却；二是电池包的热管理。

与传统燃油汽车热管理最大差异是，新能源汽车热管理的对象和策略的变化。

在结构紧凑的空间布置中，如何选择子部件如热交换器、冷却风扇、水泵、电池模块等的冷却水道及进出口水管设计，采用何种合理的温度控制策略以保证电池在合理的环境温度下工作，提高电池的能量效率，以及其它的热部件如电机、电控在提高散热性能的前提下，如何兼顾减少尺寸、减轻质量和降低制造成本……这些都是热管理亟需解决的重要问题。

方志刚博士指出，“对于新能源汽车的热管理，功率和热负载的管理与优化尤其重要”。

有研究数据表明，在没有进行优化的情况下，仅仅是车载电子元件耗电就会消耗车辆35%的续驶里程。因此，对于点滴电量都十分关键的新能源汽车而言，有效的热管理可以发挥巨大作用。

总体而言，新能源汽车热管理是从系统集成和整体角度出发，统筹热量与动力总成及整车之间的关系。在设计周期早期，就应考虑利用一个集成的优化平台，来实现结构、热量、疲劳寿命等耦合，以保证各零部件和子系统在最佳温度范围内稳定可靠地运行，降低整车能耗，提高车辆舒适性、续驶里程。

西门子数字化工业软件提供从子部件、子系统到整车的热管理解决方案

应对新能源汽车热管理面临的挑战，西门子数字化工业软件拥有Simcenter?软件解决方案，可以帮助汽车工程师充分利用信息丰富的计算流体动力学（CFD）技术，生成高度精确的动力总成、处理器、传感器，以及其它推动下一代自动驾驶电动汽车（AEV）设计的关键支持技术的热数字化双胞胎仿真，实现以设计为中心的热仿真。

具体而言，西门子数字化工业软件拥有Simcenter Amesim先进的电池热管理模块和传统的燃油发动机散热匹配模块，搭建传统发动机的一维匹配模型和电池温度控制模型，精准预测热力输出和能量转化功率。

同时，采用一维Simcenter Amesim和三维Simcenter STAR-CCM+实时瞬态耦合的方法进行热能管理，实时输出各部件的瞬态温度特性。

此外，Simcenter HEEDS 集成化的优化平台，可以将各性能分析工具进行集成优化，获取满足结构和疲劳寿命要求下热性能更佳的设计。

Simcenter?还提供与电子设计自动化工具和CAD设计平台的无缝连接，帮助工程师在开发过程最初阶段轻松解决电子、电气和机械领域之间的协同设计。

针对新能源汽车不同的技术路线，西门子数字化工业软件在产品开发方面都有相应布局。方志刚博士表示：“我们的开发理念是建立一套覆盖电池从小到大各种尺寸的热管理仿真计算方法。”

从子部件到子系统到整车系统的热管理，西门子数字化工业软件致力于开发集流动、传热、电化学于一体的整体解决方案。例如，从动力电池单个电芯内部的电化学性能计算软件Simcenter BDS（Battery Design Studio），得到电池单体精确的热源分布，然后到电池模组，冷却系统的布置设计管理Simcenter BSM（Battery System Management），再到整个电池包的流固耦合换热分析Simcenter STAR-CCM+，最后到整车级的能量管理，与一维系统匹配工具SimcenterAmesim耦合。

众所周知，温度对新能源汽车电池的影响显著，尤其是在夏季和冬季，汽车的续航能力会大幅下降，如何更好地控制温度呢？

能够精确控制电池温度是新能源汽车电池热管理系统设计的重要指标，温度过高或过低对电池都会产生负面影响。因此，在设计电池时，首先要考虑电池温度的合理性，同时，还要考虑电芯温差的合理性。基于此考量，电池结构和外围系统设计都需要在前期确定清楚，然后进行热管理系统设计，例如换热器规格、空调系统设计等。此外，还需对系统组件和控制策略进一步优化，降低热管理系统功耗。

——方志刚博士

另一方面，不同季节，驾乘人员对空调的需求也不同，尤其是冬季还需增加PTC加热器或热泵等，此时，各个子系统之间的匹配问题就需重视。方志刚博士表示：“较为合理的办法是通过一维仿真软件搭建一维模型，对相关参数进行计算和匹配，制定相应的控制策略，同时满足电池包、乘员舱及其它系统冷却或加热的需求。”

优化平台助力客户快速找到最佳设计方案

不得不说，如今从事设计的工程师所面临的问题变得越来越具有挑战性：设计变量众多、集成趋势明显、跨学科问题融合……新能源汽车的热管理更是如此。

新能源汽车热管理十分复杂，设计的变量越来越多，如何从众多的设计变量找到对产品性能影响最大的参数，如何从复杂的设计空间中快速找到最优解，如何将跨学科的问题在同一平台上进行自动化的流程分析，正成为困惑CAE分析师和客户的重要问题。

而优化工具的出现正是解答这类问题的答案。

Simcenter?产品组合中有一个面向设计分析工程师的优化平台——HEEDS。它可以帮助用户进行两方面的工作：一是设计分析流程自动化。HEEDS同众多三维设计软件、一维系统分析软件、三维CAE分析软件等有直接的接口，可以帮助客户轻松搭建自动化设计分析流程，实现快速多工况迭代分析。二是设计参数优化。HEEDS拥有强大的优化算法，可以帮助客户实现单目标和多目标优化、鲁棒性和可靠性分析。

此外，HEEDS还可以进行分布式计算，充分利用客户的软硬件计算资源，帮助客户快速找到最佳设计方案，实现性能优化、设计轻量化和产品创新。