自动驾驶电动车“研发圣经”：散热降噪除尘！

Posted 2021-04-27 SAEInternational

SAE International - 国际自动机工程师学会

仿真结果显示，改变车尾扩散器设计后，车辆附近的气体流动形态也同时发生改变。（图片来源：Exa公司）

近日，工程仿真软件公司 Exa （现属于法国达索系统公司）为一些有志加入电动汽车和自动汽车研发与生产，但本身并无相关经验的非传统汽车制造商提出了一些意见：

 

• 不要盲目打造原型车——这种措施成本高昂且缺乏远见，仅能提供有限测试结果，但无法解释背后的原因，而且一旦成型，基本很难再对产品进行重大变更。

 

• 着重优化空气动力学性能——数据显示，车辆的风阻系统每降低 10％，续航里程即可增加 5％。如今的电动汽车研发大多是“从无到有”，因此工程师大可以抓住这个机会，从一开始就将“优化车辆的空气动力学效率”谨记于心。

 

• 外形必须美观——请给设计师足够的时间，并提供必要的工具，让设计师毫无后顾之忧，拿出最美观的外观设计。

 

• 抓住热管理——很多情况下，电池热管理将直接决定新车开发的成败，因此请尽早开始测试新电池技术在极端温度下的表现。

 

• 注意降低噪音——电动汽车中没有发动机，因此无法用发动机的工作噪声“掩盖”来自轮胎、道路和风阻等方面的其他噪音。因此，请尽早确定可能影响车内噪音的外部因素，并在设计定稿前及时处理。

 

这些建议可能让一家新手公司望而生畏，但是对于仿真专家公司来说，这却代表着公司源源不断的业务量。

 

达索系统（Dassault Systèmes）本身也是一家提供模拟软件的产品工程专家公司，在 2017 年 11 月以 4 亿美元收购 Exa 公司。收购完成后，达索系统的3DEXPERIENCE 平台可为用户提供莱迪思玻尔兹曼（Lattice Boltzmann）流体仿真技术及 Exa 的各种完整工业化解决方案，如 PowerFLOW 等。这些解决方案可以解决汽车行业中有关多重物理量和多尺度模拟流体问题的挑战，具体包括空气动力学、气动声学和热量管理等每一位电动汽车研发人员都非常关心的问题。

 

在达索系统公司中，Exa 空气动力学应用总监 Brad Duncan 博士主要负责与全球汽车制造商紧密合作，满足后者的仿真模拟需求。Duncan 博士向《汽车工程》详细介绍了，在如今这个快速变化的汽车行业中，精密模拟工作可以发挥的重要作用。

 

Duncan 博士表示，“电气化和自动驾驶是引领汽车行业革命最重要的两种新兴技术。”

 

对于汽车厂商而言，伴随这些新兴技术一起出现的，还有造车新势力的加入。这些新竞争对手的汽车研发经验可能不足，但通常非常灵活，且“具有敏锐的技术意识”。此外，汽车厂商还必须面临更加严格的规定，他们提供的产品描述必须严格符合真实驾驶环境下的真实性能，否则将面临高昂的罚款和消费者的怒火。随着新技术的出现，消费者对汽车续航里程、可选功能和外观美观的需求都不断提高，而新的研发流程必须在降低原型需求的前提下，达成同等目标、提高流程效率，并整合新的平台。

Exa 公司的模拟仿真工具可对瞬时粒子的动态进行仿真模拟。

       

EV 优化仿真模拟

 

Duncan 博士强调，数字仿真在电动汽车技术持续改进中发挥着重要作用，这可以帮助工程师探索提高效率、节约能源和延长续航里程的新方法：“空气动力学、热力学和系统模拟可以在从设计初期到最终结束的完整项目周期中，准确衡量设计的性能。与原型验证的方式不同，仿真模拟可用于测试更多的参数，且在项目早期设计阶段即可开始。仿真模拟可以输出的数据和得出的结论更多，这有助于更好地追踪根源并分析影响。您可以查看多个属性，并针对这些属性进行优化，而且可以将这一切放在一个更为真实的现实环境中完成。”

 

Duncan 博士强调，举个例子，Exa 可以通过模拟仿真技术，演示如何针对电子衍生产品定制 ICE 设计。我们可以选择一个更为平滑的 EV 底板和新的仪表盘，并因此将车辆的风阻系数降低 0.025 cd，而后再改善车辆设计的其他方面，并最终继续将风阻系数降低 0.070 cd。

 

Duncan 博士解释说：“对于电动汽车车身底板设计而言，保证气流的快速、流畅通过至关重要，这将直接决定车头和车尾的设计。然而，与此同时，这也会给其他设计元素的设计带来更多挑战，比如气流将如何与车轮和轮胎相互作用。我们的客户不会停止对电动汽车底板的探索与研究，而仿真模拟工具允许他们以更低的成本，尝试不同的外观设计和气动装置，进而更加有效的管理轮胎尾流，并防止车轮周围的部件直接暴露在高速气流的冲击之下！

 

车轮尾流的变化也会对车头和车尾的污垢累积产生重大影响，Duncan 博士特别强调了一个最新出现的应用领域：“模拟仿真工具可以模拟外部摄像头和传感器在采用不同形状或安装至不同位置时的污染、灰尘和污水遮盖情况，进而允许工程师进行更具针对性的优化，从而为车辆提供更广阔的视野，推动自动驾驶的进步。

 

“最新版本的 Exa PowerFLOW 工具引入了新的追踪功能，可以直观显示颗粒与气流之间的相互作用，这有助于设计人员识别车辆污染的上游来源，尤其是在一些安装摄像头和传感器的关键区域。”

 

Exa 公司正在与制造商合作，帮助他们将传感器安装在更加不易受到污染的位置，从而尽最大可能确保自动驾驶系统可以发挥全面功能。Duncan 博士补充说，“我们相信，未来肯定会有针对传感器设计、布局和污染管理的监管法规推出。”

 

自动驾驶和 ADAS需要大量摄像头和传感器才能运行。无论是用于提供后视功能的替代摄像头，还是用于支持自动紧急制动和车道保持功能的传感器，这些设备正常工作的关键都在于保持清洁。

 

摄像头和激光雷达传感器必须首先保持清洁才能正常工作。在常见驾驶环境中，自动驾驶技术经常遭遇污垢、雨雪、泥浆、灰尘、轮胎碎屑和其他污染物，而当这些污染物沉积在摄像头或传感器等关键位置时，设备的性能将会受到影响。为了防止这种情况发生，这些设备必须安装在不易受到污染的位置，或采用某种形式的自动清洁系统。

仿真模拟可协助设计人员优化传感器的安装位置。

 

最佳传感器布局

 

Duncan 博士表示，我们的目标是通过仿真模拟技术，确定车辆传感器的最佳安装状态，从而尽最大可能减少污垢沉积，传感器也应放置在不会直接暴露在会接触到大颗雨滴的位置。他提到，“Exa PowerFLOW工具可以模拟雨滴的完整生命周期，也就是说从雨滴接触到车辆、飞溅开来、落在车体表面、汇集成流，而后在车辆表面沉积的完整过程，这可以帮助汽车制造商在设计早期阶段尽早确定传感器的安装位置，从而避免不得不在后期加装昂贵清洁设备的情况。

 

对于电动汽车/混合动力汽车来说，对噪声的管理可能非常具有挑战性，虽然没有内燃机噪声，电动汽车的电动驱动系统及其它噪声也会传递至车内环境。比如，低压安全轮胎的噪声问题，尤其是在其使用寿命达到三分之一后，可能会变得更加复杂。

 

Exa 公司声学专家 SivapalanSenthooran 博士澄清了一个常见的误解：“因为没有内燃机，所以电动汽车要比内燃机汽车更安静，但事实上情况并非如此。在正常的巡航速度下，风阻和轮胎噪音将逐步凸显，电动汽车也将承受与内燃机车型同样的噪声污染。此外，为了保证电池和电子设备处于正常工作温度，车辆还可能会采用额外的风扇降温系统，而这种做法事实上也可能给电动汽车带来额外的噪声。”

 

Senthooran 解释说，一旦设计人员发现原型车的噪声过大，此时最快的解决方案通常是“直接掩盖这些噪声”，具体途径包括：增加重型轮拱、地毯绝缘材料、层压玻璃、厚玻璃及额外的门饰和顶棚绝缘材料。这种做法不但会增加额外的制造成本，更严重的是，还会将车辆的重量增加高达 50 公斤，而这势必严重缩短车辆的续航里程。

 

Senthooran 补充说，“使用基于某种 CFD 的仿真驱动型设计，汽车制造商可以尽早识别可能的噪声源，并通过优化外部设计元素，在设计的早期阶段消除这些噪声源。”

 

大多数终端用户一提到热管理，通常会想到暖通空调和发动机冷却液等，但事实上，热管理是电动汽车研发中非常重要的一个组成部分。当被问及汽车行业在过去六年中已经取得了哪些相关进展时，Duncan 博士介绍了热管理的近期和中期发展，尤其是在低温/超低温环境下的车辆应用：

 

“锂离子电池的工作环境不能过冷，也不能过热，实现这种平衡非常具有挑战性，但仿真模拟可以帮助设计人员确保电池始终工作在合适的温度下。

 

电池的工作温度限制与环境空气温度或其他组件的温差很大。混合动力和电动汽车通常需要进行大量系统包装，因此车舱和货物空间都相对紧凑。电池本身可能就不得不“挤进”非常狭窄的空间内，因此留给冷却系统的空间则更小。”

 

Duncan 博士补充说，电池是一种快速发展的技术，每一代都有快速提升，但工程师面临的封装压力也在增加。

 

Duncan 博士警告说，传统的电池冷却的方法已经不再适用，模拟仿真已经被广泛视为现代电池技术的关键方面，可以用于评估电池、模块、封装和整车级别的散热性能。

 

仿真模拟可以对车辆温度分布进行二维呈现，并以电池的电流为函数输入，从而更准确地预测散热情况。Duncan 博士强调说：“在电池模块和电池组级别，对电池单体的详细模拟有助于准确显示冷却系统的运转情况，进而协助工程师针对冷却效率、最小峰值温度和最小温度梯度进行优化。这种分析可以扩展到整个车辆，从而评估电池与其他车上部件以及电池操作管理电子系统之间的热交互作用。”

 

但Duncan 博士警告说，自动驾驶汽车将带来额外的热量挑战。 例如，一些位于直接暴露在阳光照射位置的车辆传感器需要适当冷却才能确保可靠运行：“如今，用于自动驾驶系统的传感器和控制电子设备需要使用大量电力，以处理传感器信息，并做出车辆安全驾驶所需的决策。车辆设计必须限制这些电子部件的用电量，这又将是一个新的热管理挑战。”

 

来源：SAE《汽车工程》杂志

翻译：SAE中国办公室