新能源汽车整车外气动与热优化设计关键技术马世虎 / Lead Application Engineer ANSYS 1 2017 ANSYS, Inc.
内容简介 电池热管理模拟方案 电机热管理模拟 驱动系统热模拟 整车外气动优化仿真技术 2 2017 ANSYS, Inc.
电池热管理模拟 CHT 三维共轭换热 V 1( t) V 2 ( t) 多维度多尺度 (MSMD) 热 - 电化学耦 R1 R2 R s I(t) 合模型 V ocv ( soc ) C1 C2 I(t) V (t) 系统级热模型 LTI 降阶模型 SVD 降阶模型 系统级热 - 电耦合模型 LTI ROM MSMD ECM Coupled with ROM SVD ROM 3 2017 ANSYS, Inc.
三维电池共轭换热分析 ANSYS Example GM Example Ford Example 4 2017 ANSYS, Inc.
Negative electrode Separator Positive electrode 多尺度多维 (MSMD) 电池电 - 热耦合仿真 Li + 电池的尺度 material electrode pair cell, pack 10-9 ~10-8 多尺度多维 (MSMD) 模型 - 并不求解极片结构 C t p T j 0 j 0 VC T k T p 10-6 ~10-4 10-2 ~10 0 q 不同区域构建独立的网格 每个网格作为一个 小 电池来处理 5 2017 ANSYS, Inc.
基于 NTGK 模型的计算结果 Contour of φ- Temperature Prismatic cell Cylindrical cell with discrete tabs 6 2017 ANSYS, Inc.
系统级模型的验证 - USO6 循环试验 7 2017 ANSYS, Inc.
系统级模型的验证 - USO6 循环试验 8 2017 ANSYS, Inc.
降阶模型 (ROM) 的目的 CFD 可以提供准确的结果. 但系统级的计算则颇为耗时 ROM 可以显著降低模型的运算规模和缩短时间. 9 2017 ANSYS, Inc.
降阶模型 热网络模型 需要计算和测试数据 准确性存疑 ANSYS 降阶模型 需要 CFD 计算数据 无需测试 和 CFD 一样准确 10 2017 ANSYS, Inc.
Stage 2 Stage 1 ROM 生成过程 ROM preparation Create the CFD/FEA model Input #1 (step input) Input #2 (step input) Input #n (step input) CFD/FEA solving CFD/FEA solving System response to input #1 System response to input #2 System response to input #n ROM simulation Actual inputs (for 1, 2, n) ROM ROM solving ROM solution to actual inputs 11 2017 ANSYS, Inc.
GM 电池模组的 ROM 模型 Heat Profile LTI ROM 计算时长 2s,CFD 计算时长 2 小时 X. Hu, S. Lin, S. Stanton, W. Lian, A Foster Network Thermal Model for HEV/EV Battery Modeling, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 47, NO. 4, JULY/AUGUST 2011 X. Hu, S. Lin, S. Stanton, W. Lian, A State Space Thermal Model for HEV/EV Battery Modeling", SAE 2011-01-1364 12 2017 ANSYS, Inc.
SVD ROM 模型 CFD (200 sec) CFD (400 sec) CFD (600 sec) CFD (800 sec) SVD ROM (200 sec) SVD ROM (400 sec) SVD ROM (600 sec) SVD ROM (800 sec) X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition, ECCE 2014. 13 2017 ANSYS, Inc.
SVD ROM 模型 CFD 计算的温度 计算资源 6CPU, 时长 7 小时 SVD ROM 模型的计算结果计算资源 1CPU, 时长 0.5 小时 14 2017 ANSYS, Inc.
系统级的电热耦合 ECM 与 ROM Voc = -1.031*exp(-35*(abs(IBatt.V/Vinit))) + 3.685 + 0.2156*(abs(IBatt.V/Vinit)) - 0.1178*(abs(IBatt.V/Vinit))^2 + 0.3201*(abs(IBatt.V/Vinit))^3 + 0.3/30.0*(U1.Temp_block_1-273) 15 2017 ANSYS, Inc.
整个驱动系统的模拟 三相电流 ( 左图 ) 与 IGBT 结温 ( 右图 ) 16 2017 ANSYS, Inc.
内容简介 电池热管理模拟方案 电机热管理模拟 驱动系统热模拟 整车外气动优化仿真技术 17 2017 ANSYS, Inc.
背景 电机运行时, 绕组损耗 铁心损耗 机械损耗转变为热量, 使电机各部件的温度升高, 当温度超过绝缘允许的温度时, 将导致绝缘乃至电机的损坏 新能源电机主要为永磁电机 当永磁体温度上升时, 其退磁特性发生偏移, 进而导致电机特性变差, 控制性能恶化, 并可能导致更加严重的温升和特性偏移 要将电机各部件的温度控制在允许范围内, 一方面要降低损耗, 减少电机的发热量, 另一方面要提高电机的冷却散热能力 18 2017 ANSYS, Inc.
ANSYS 电磁 流体 温度场耦合分析 从电磁场软件获得损耗 温度 流体 / 热分析软件 Fluent 损耗 几何模型 向其它软件传递数据 计算输出结果 电磁场分析软件 Maxwell 19 2017 ANSYS, Inc.
水冷电机案例 Parameter Type Speed Voltage Value PMSM 2500RPM 300voltage 20 2017 ANSYS, Inc.
损耗映射 21 2017 ANSYS, Inc.
水冷电机分析结果 Maxwell 向 Fluent 的损耗映射 22 2017 ANSYS, Inc.
水冷电机分析结果 23 2017 ANSYS, Inc.
冷却设计 乙二醇溶液 润滑油 24 2017 ANSYS, Inc.
油冷共轭换热的分析 润滑油流动模型 ( 瞬态 ) 共轭换热模型 ( 稳态 ) 壁面温度 壁面换热系数和当地流体温度 步骤 1: 假定初始壁面温度, 进行润滑油流动计算 步骤 2: 将计算获得的换热系数进行周向平均, 并将换热系数和当地流体温度传递给共轭换热模型 步骤 3: 对共轭换热模型进行计算, 再将壁面温度传输回润滑油流动模型迭代直至壁面温度不再发生变化 25 2017 ANSYS, Inc.
油冷共轭换热的分析结果 26 2017 ANSYS, Inc.
Prius 电机算例 FLUENT Maxwell 双向耦合 Mapped Loss Electromagnetics Temperatur e 27 2017 ANSYS, Inc.
温度收敛过程 经过三次耦合获得了收敛值 28 2017 ANSYS, Inc.
扭矩收敛过程 需要三次迭代步方可获得收敛解 29 2017 ANSYS, Inc.
单向耦合与双向耦合的比较 双向耦合颇有必要 扭矩对温度非常敏感 30 2017 ANSYS, Inc.
内容简介 电池热管理模拟方案 电机热管理模拟 驱动系统热模拟 整车外气动优化仿真技术 31 2017 ANSYS, Inc.
PCB 电热耦合分析 大电流通过 PCB 板时,PCB 本身成为一个重要的发热部件 焦耳热成为热分析不可忽略的因素 32 2017 ANSYS, Inc.
IGBT 热模型 CFD 三维仿真可提供精确的结果 进行瞬态仿真时, 运算量成为阻碍其工程应用最重要的因素 LTI ROM 可以获得和 CFD 相似的结果, 但运算时间却仅以秒计 计算只需数秒钟, 而 CFD 需要数个小时 33 2017 ANSYS, Inc.
系统级模型 3 相交流电和 IGBT 的结温 34 2017 ANSYS, Inc.
内容简介 电池热管理模拟方案 电机热管理模拟 驱动系统热模拟 整车外气动优化仿真技术 35 2017 ANSYS, Inc.
优化方法 36 2017 ANSYS, Inc.
Adjoint Solver 简介 Adjoint Solver 基于流动分析的结果, 进行敏感度分析 Adjoint Solver 可以分析任意系统输入参数和工程目标之间的依赖关系 一旦完成计算, 软件可基于该结果进行智能化的设计调整 辅以优化算法, 可自动完成流动系统的优化 37 2017 ANSYS, Inc.
工作流程 优化设计 (morphing) CFD 分析 优化途径 当地优化 10-3 x 5 x 4 qi 10-6 c j x 0 x 1 x 2 x 3 Adjoint Solver 伴随求导后处理 38 2017 ANSYS, Inc.
外气动优化 - Sedan 阻力系数相对于外形的敏感度 Adjoint pressure 39 2017 ANSYS, Inc.
外气动优化 - Sedan 40 2017 ANSYS, Inc.
VOLVO XC60 50:50:50 41 2017 ANSYS, Inc.
总结 ANSYS 提供了完善的电池热解决方案 从三维到零维 从极片 -> 单体 -> 整个系统 从单纯热到电热耦合 ANSYS 仿真分析可以涵盖目前所见的电机 / 驱动器热问题 电 / 磁 / 热耦合 水冷 / 油冷 ANSYS 提供的伴随求导器为气动优化提供了方向 42 2017 ANSYS, Inc.
感谢聆听 43 2017 ANSYS, Inc.