QUẢN LÝ NHIỆT CHO XE ĐIỆN VỚI SIMCENTER

Sử dụng Simcenter để quản lý nhiệt cho xe điện

Mở rộng các mô hình cấp hệ thống 1D với các mô hình ROM 3D

Cuộc chiến giữa Động cơ đốt trong truyền thống (ICE) và xe điện sẽ là một điều đáng nhớ. Do mức độ đột phá cao về công nghệ trong cộng đồng ô tô và sự gia tăng nhanh chóng của các nhà sản xuất xe điện. Trong khi khách hàng chú ý đến hiệu suất giữa ICE và xe điện thì các yếu tố chính không chỉ là tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc. Phạm vi, hiệu suất, độ bền và các đặc tính lái xe thường được quan tâm hàng đầu.

Để đảm bảo sự thành công của một chiếc xe điện trên thị trường, cần giảm sự chậm trễ và nâng cao năng suất giữa các đội kỹ thuật khác nhau (chẳng hạn như cơ khí, nhiệt, điện, điều khiển và phần mềm). Các mô hình thứ tự giảm từ các công cụ CFD 3D có thể được thay thế cho các mô hình Mô phỏng hệ thống 1D để cung cấp kết quả chính xác và chi tiết hơn. Do đó, các nhóm có thể đưa ra lựa chọn thiết kế đúng đắn và sáng suốt hơn.

Mô hình thứ tự giảm (ROM) là sự đơn giản hóa mô hình tĩnh hoặc mô hình động có độ trung thực cao nhằm duy trì trạng thái thiết yếu và các hiệu ứng có ưu thế, nhằm mục đích giảm thời gian xử lý hoặc lưu trữ dung lượng cần thiết cho mô hình phức tạp hơn.

Các bước điển hình cho quy trình làm việc BCI-ROM (Mô hình thứ tự giảm – Độc lập với điều kiện biên) được minh họa bên dưới và nêu bật cách người dùng có thể trực tiếp hưởng lợi từ các mô hình CFD 3D có độ trung thực cao từ Simcenter FLOEFD để tích hợp chúng vào mô hình Mô phỏng Hệ thống 1D với quy mô rộng hơn trong Simcenter Amesim.

Các bước điển hình cho quy trình làm việc BCI-ROM (Mô hình thứ tự giảm – Độc lập với điều kiện biên)

Độ chính xác của kết quả được giữ nguyên trong khi CPU được tăng tốc đáng kể để thực hiện các chu kỳ lái xe dài hơn và nhanh hơn.

Tản nhiệt bằng điện tử

Ngay cả khi Porsche đã sử dụng hệ thống tản nhiệt bằng không khí cho các xe ICE của họ trước đây, thì chúng cũng không phải là giải pháp hoàn hảo cho các biến tần lực kéo hiện đại do mật độ công suất cao. Do đó, không hiếm trường hợp biến tần ô tô được tản nhiệt bằng chất lỏng.

Việc lắp ráp PCB (Bảng mạch in) có thể được gắn trên một coldplate, điều này giúp cho việc quản lý nhiệt của các bộ phận sử dụng nhiều năng lượng trở nên dễ dàng. Coldplate có các ống dẫn cho dòng chảy chất lỏng đi qua, tốc độ dòng chảy của khối lượng và nhiệt độ chất lỏng có thể được điều khiển thông qua một máy bơm và bộ tản nhiệt bằng quạt.

Mô hình coldplate PCB (Bảng mạch in) trong Simcenter FLOEFD

Mô phỏng hệ thống 1D

Simcenter Amesim là một nền tảng mô phỏng hệ thống tích hợp, có thể mở rộng cho phép các kỹ sư mô phỏng hệ thống ảo đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống cơ điện tử. Nó được sử dụng cho Xe điện hoàn chỉnh ngoại trừ coldplate PCB. Nhóm đầu tiên bao gồm longitudinal vehicle, Vehicle Control Unit (VCU) và driver models cho phép xác định các thông số cơ bản, chẳng hạn như khối lượng xe (phụ thuộc vào khối lượng của bộ pin), hệ số lăn, khí động học, kích thước bánh xe, tỷ số truyền và chu trình truyền động (SFTP-US06).

Nhóm điện tử công suất bao gồm Máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), biến tần 3 pha trung bình (do đó các hiệu ứng chuyển mạch có thể được mô hình hóa theo thứ tự cường độ nhanh hơn), pin điện áp cao và thấp, cảm biến và bộ điều khiển. Bơm làm mát, bộ tản nhiệt, quạt, bình giãn nở và các cảm biến tạo nên hệ thống tản nhiệt.

Mô hình xe điện Simcenter Amesim

Simcenter Amesim hoàn toàn phù hợp để tạo và kiểm tra các mô hình cấp hệ thống. Tuy nhiên, để cung cấp phương tiện thực hiện các tính toán Mô phỏng hệ thống 1D, đôi khi việc sử dụng lại các mô hình 3D lại phù hợp hơn khi nói đến điện tử và quản lý nhiệt với một số cân nhắc 3D, điều này khá khó nắm bắt với cách tiếp cận 1D. Một ví dụ có liên quan là bộ nghịch lưu 3 pha. Để phân tích hiệu suất của nó, nhiệt độ của IGBT và đi-ốt phải được theo dõi để tránh sự quá nhiệt và điều chỉnh nhiệt cho phù hợp.

BCI-ROM của một biến tần từ Simcenter FLOEFD được nhập vào Simcenter Amesim dưới dạng FMU

Mô hình lắp ráp 3D

Simcenter FLOEFD là một giải pháp CAD-embedded cho phép bạn thực hiện các mô phỏng đa vật lý trong giai đoạn thiết kế ban đầu, giúp các kỹ sư loại bỏ các tùy chọn thiết kế không mong muốn. Nó hoàn toàn phù hợp để thực hiện mô phỏng CFD 3D đầy đủ của biến tần kéo để tính toán phân bố nhiệt độ trong thiết bị, cũng như mô hình dòng chảy. Tuy nhiên, do độ phức tạp cao của mô hình và các yêu cầu về tính toán, sẽ không khả thi để vận hành đồng thời các mô hình hệ thống CFD 3D và 1D.

Để khắc phục hạn chế này, Simcenter FLOEFD cho phép bạn trích xuất Mô hình thứ tự giảm (ROM) giúp xử lý mô hình nhanh (nhanh hơn tới 40.000 lần so với mô hình CFD 3D truyền thống). Các mô hình như vậy cũng độc lập với điều kiện biên, cho phép bạn thay đổi môi trường nhiệt của mô hình (tức là Hệ số truyền nhiệt ngoại vi) mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của giải pháp. BCI ROM có thể được xuất dưới dạng Đơn vị mô phỏng chức năng (FMU), có thể di động và dễ dàng nhúng vào các công cụ khác.

BCI-ROM Export trong Simcenter FLOEFD

1D-3D CAE: Kết hợp các mô hình hệ thống và lắp ráp

Simcenter Amesim là một trong hơn 100 công cụ hỗ trợ nhập và xuất FMU. Khi FMU của biến tần được nhập vào Simcenter Amesim, hệ thống có thể được xử lý. Trong quá trình xử lý, vòng lặp hệ thống tản nhiệt sẽ cung cấp các giá trị HTC tạm thời và nhiệt độ chất lỏng cho FMU, trong khi thông lượng nhiệt của coldplate và nhiệt độ của chi tiết và coldplate sẽ được gửi trở lại hệ thống.

Vì hệ thống tản nhiệt là một phần quan trọng của xe điện nên nhiệt độ biến tần được tính toán cẩn thận sẽ ảnh hưởng tối thiểu đến hiệu suất của xe, chẳng hạn như phạm vi và nhiệt độ làm mát.

Kết quả của đầu dò nhiệt độ được kết nối với một trong các IGBT của BCI-ROM FMU được hiển thị trong Simcenter Amesim

Biểu đồ Simcenter Amesim cho thấy hiệu suất của xe và của biến tần

Các công việc tiếp theo có thể bao gồm thử nghiệm các thiết kế biến tần khác nhau, thay thế IGBT cho MOSFETS, v.v. để xem những thành phần nào có ảnh hưởng quan trọng đến toàn bộ hệ thống.

Kết nối hai chiều

Thiết kế cấp độ hệ thống 1D và cấp độ lắp ráp 3D thường khác nhau về mục đích, yêu cầu về điện năng và thời gian của mô phỏng. Việc mở rộng hệ thống 1D với các mô hình 3D chính xác nhưng xử lý nhanh chóng cho phép các nhóm kỹ sư tạo ra các mô phỏng thực tế hơn ở các giai đoạn thiết kế trước đó, cuối cùng giúp bạn giảm thời gian đưa ra thị trường. Có một số lợi ích khi sử dụng Simcenter FLOEFD BCI-ROMs với tốc độ thực thi cực nhanh trong Simcenter Amesim:

Các lợi ích chính cho người dùng với phương pháp tiếp cận ROM (Mô hình Thứ tự Giảm)

Nguồn: Siemens

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.