仿真結(jié)果顯示，改變車尾擴(kuò)散器設(shè)計后，車輛附近的氣體流動形態(tài)也同時發(fā)生改變。

近日，工程仿真軟件公司 Exa （現(xiàn)屬于法國達(dá)索系統(tǒng)公司）為一些有志加入電動汽車和自動汽車研發(fā)與生產(chǎn)，但本身并無相關(guān)經(jīng)驗的非傳統(tǒng)汽車制造商提出了一些意見：

不要盲目打造原型車——這種措施成本高昂且缺乏遠(yuǎn)見，僅能提供有限測試結(jié)果，但無法解釋背后的原因，而且一旦成型，基本很難再對產(chǎn)品進(jìn)行重大變更。

著重優(yōu)化空氣動力學(xué)性能——數(shù)據(jù)顯示，車輛的風(fēng)阻系統(tǒng)每降低 10％，續(xù)航里程即可增加 5％。如今的電動汽車研發(fā)大多是“從無到有”，因此工程師大可以抓住這個機(jī)會，從一開始就將“優(yōu)化車輛的空氣動力學(xué)效率”謹(jǐn)記于心。

外形必須美觀——請給設(shè)計師足夠的時間，并提供必要的工具，讓設(shè)計師毫無后顧之憂，拿出最美觀的外觀設(shè)計。

抓住熱管理——很多情況下，電池?zé)峁芾韺⒅苯記Q定新車開發(fā)的成敗，因此請盡早開始測試新電池技術(shù)在極端溫度下的表現(xiàn)。

注意降低噪音——電動汽車中沒有發(fā)動機(jī)，因此無法用發(fā)動機(jī)的工作噪聲“掩蓋”來自輪胎、道路和風(fēng)阻等方面的其他噪音。因此，請盡早確定可能影響車內(nèi)噪音的外部因素，并在設(shè)計定稿前及時處理。

這些建議可能讓一家新手公司望而生畏，但是對于仿真專家公司來說，這卻代表著公司源源不斷的業(yè)務(wù)量。

達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systèmes）本身也是一家提供模擬軟件的產(chǎn)品工程專家公司，在 2017 年 11 月以 4 億美元收購 Exa 公司。收購?fù)瓿珊?，達(dá)索系統(tǒng)的3DEXPERIENCE 平臺可為用戶提供萊迪思玻爾茲曼（Lattice Boltzmann）流體仿真技術(shù)及 Exa 的各種完整工業(yè)化解決方案，如 PowerFLOW 等。這些解決方案可以解決汽車行業(yè)中有關(guān)多重物理量和多尺度模擬流體問題的挑戰(zhàn)，具體包括空氣動力學(xué)、氣動聲學(xué)和熱量管理等每一位電動汽車研發(fā)人員都非常關(guān)心的問題。

在達(dá)索系統(tǒng)公司中，Exa 空氣動力學(xué)應(yīng)用總監(jiān) Brad Duncan 博士主要負(fù)責(zé)與全球汽車制造商緊密合作，滿足后者的仿真模擬需求。Duncan 博士向《汽車工程》詳細(xì)介紹了，在如今這個快速變化的汽車行業(yè)中，精密模擬工作可以發(fā)揮的重要作用。

Duncan 博士表示，“電氣化和自動駕駛是引領(lǐng)汽車行業(yè)革命最重要的兩種新興技術(shù)。”

對于汽車廠商而言，伴隨這些新興技術(shù)一起出現(xiàn)的，還有造車新勢力的加入。這些新競爭對手的汽車研發(fā)經(jīng)驗可能不足，但通常非常靈活，且“具有敏銳的技術(shù)意識”。此外，汽車廠商還必須面臨更加嚴(yán)格的規(guī)定，他們提供的產(chǎn)品描述必須嚴(yán)格符合真實駕駛環(huán)境下的真實性能，否則將面臨高昂的罰款和消費者的怒火。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，消費者對汽車?yán)m(xù)航里程、可選功能和外觀美觀的需求都不斷提高，而新的研發(fā)流程必須在降低原型需求的前提下，達(dá)成同等目標(biāo)、提高流程效率，并整合新的平臺。

Exa 公司的模擬仿真工具可對瞬時粒子的動態(tài)進(jìn)行仿真模擬。

EV 優(yōu)化仿真模擬

Duncan 博士強(qiáng)調(diào)，數(shù)字仿真在電動汽車技術(shù)持續(xù)改進(jìn)中發(fā)揮著重要作用，這可以幫助工程師探索提高效率、節(jié)約能源和延長續(xù)航里程的新方法：“空氣動力學(xué)、熱力學(xué)和系統(tǒng)模擬可以在從設(shè)計初期到最終結(jié)束的完整項目周期中，準(zhǔn)確衡量設(shè)計的性能。與原型驗證的方式不同，仿真模擬可用于測試更多的參數(shù)，且在項目早期設(shè)計階段即可開始。仿真模擬可以輸出的數(shù)據(jù)和得出的結(jié)論更多，這有助于更好地追蹤根源并分析影響。您可以查看多個屬性，并針對這些屬性進(jìn)行優(yōu)化，而且可以將這一切放在一個更為真實的現(xiàn)實環(huán)境中完成?！?/p>

Duncan 博士強(qiáng)調(diào)，舉個例子，Exa 可以通過模擬仿真技術(shù)，演示如何針對電子衍生產(chǎn)品定制 ICE 設(shè)計。我們可以選擇一個更為平滑的 EV 底板和新的儀表盤，并因此將車輛的風(fēng)阻系數(shù)降低 0.025 cd，而后再改善車輛設(shè)計的其他方面，并最終繼續(xù)將風(fēng)阻系數(shù)降低 0.070 cd。

Duncan 博士解釋說：“對于電動汽車車身底板設(shè)計而言，保證氣流的快速、流暢通過至關(guān)重要，這將直接決定車頭和車尾的設(shè)計。然而，與此同時，這也會給其他設(shè)計元素的設(shè)計帶來更多挑戰(zhàn)，比如氣流將如何與車輪和輪胎相互作用。我們的客戶不會停止對電動汽車底板的探索與研究，而仿真模擬工具允許他們以更低的成本，嘗試不同的外觀設(shè)計和氣動裝置，進(jìn)而更加有效的管理輪胎尾流，并防止車輪周圍的部件直接暴露在高速氣流的沖擊之下！

車輪尾流的變化也會對車頭和車尾的污垢累積產(chǎn)生重大影響，Duncan 博士特別強(qiáng)調(diào)了一個最新出現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域：“模擬仿真工具可以模擬外部攝像頭和傳感器在采用不同形狀或安裝至不同位置時的污染、灰塵和污水遮蓋情況，進(jìn)而允許工程師進(jìn)行更具針對性的優(yōu)化，從而為車輛提供更廣闊的視野，推動自動駕駛的進(jìn)步。

“最新版本的 Exa PowerFLOW 工具引入了新的追蹤功能，可以直觀顯示顆粒與氣流之間的相互作用，這有助于設(shè)計人員識別車輛污染的上游來源，尤其是在一些安裝攝像頭和傳感器的關(guān)鍵區(qū)域。”

Exa 公司正在與制造商合作，幫助他們將傳感器安裝在更加不易受到污染的位置，從而盡最大可能確保自動駕駛系統(tǒng)可以發(fā)揮全面功能。Duncan 博士補(bǔ)充說，“我們相信，未來肯定會有針對傳感器設(shè)計、布局和污染管理的監(jiān)管法規(guī)推出。”

自動駕駛和 ADAS需要大量攝像頭和傳感器才能運行。無論是用于提供后視功能的替代攝像頭，還是用于支持自動緊急制動和車道保持功能的傳感器，這些設(shè)備正常工作的關(guān)鍵都在于保持清潔。

攝像頭和激光雷達(dá)傳感器必須首先保持清潔才能正常工作。在常見駕駛環(huán)境中，自動駕駛技術(shù)經(jīng)常遭遇污垢、雨雪、泥漿、灰塵、輪胎碎屑和其他污染物，而當(dāng)這些污染物沉積在攝像頭或傳感器等關(guān)鍵位置時，設(shè)備的性能將會受到影響。為了防止這種情況發(fā)生，這些設(shè)備必須安裝在不易受到污染的位置，或采用某種形式的自動清潔系統(tǒng)。

仿真模擬可協(xié)助設(shè)計人員優(yōu)化傳感器的安裝位置。

最佳傳感器布局

Duncan 博士表示，我們的目標(biāo)是通過仿真模擬技術(shù)，確定車輛傳感器的最佳安裝狀態(tài)，從而盡最大可能減少污垢沉積，傳感器也應(yīng)放置在不會直接暴露在會接觸到大顆雨滴的位置。他提到，“Exa PowerFLOW工具可以模擬雨滴的完整生命周期，也就是說從雨滴接觸到車輛、飛濺開來、落在車體表面、匯集成流，而后在車輛表面沉積的完整過程，這可以幫助汽車制造商在設(shè)計早期階段盡早確定傳感器的安裝位置，從而避免不得不在后期加裝昂貴清潔設(shè)備的情況。

對于電動汽車/混合動力汽車來說，對噪聲的管理可能非常具有挑戰(zhàn)性，雖然沒有內(nèi)燃機(jī)噪聲，電動汽車的電動驅(qū)動系統(tǒng)及其它噪聲也會傳遞至車內(nèi)環(huán)境。比如，低壓安全輪胎的噪聲問題，尤其是在其使用壽命達(dá)到三分之一后，可能會變得更加復(fù)雜。

Exa 公司聲學(xué)專家 SivapalanSenthooran 博士澄清了一個常見的誤解：“因為沒有內(nèi)燃機(jī)，所以電動汽車要比內(nèi)燃機(jī)汽車更安靜，但事實上情況并非如此。在正常的巡航速度下，風(fēng)阻和輪胎噪音將逐步凸顯，電動汽車也將承受與內(nèi)燃機(jī)車型同樣的噪聲污染。此外，為了保證電池和電子設(shè)備處于正常工作溫度，車輛還可能會采用額外的風(fēng)扇降溫系統(tǒng)，而這種做法事實上也可能給電動汽車帶來額外的噪聲?！?/p>

Senthooran 解釋說，一旦設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)原型車的噪聲過大，此時最快的解決方案通常是“直接掩蓋這些噪聲”，具體途徑包括：增加重型輪拱、地毯絕緣材料、層壓玻璃、厚玻璃及額外的門飾和頂棚絕緣材料。這種做法不但會增加額外的制造成本，更嚴(yán)重的是，還會將車輛的重量增加高達(dá) 50 公斤，而這勢必嚴(yán)重縮短車輛的續(xù)航里程。

Senthooran 補(bǔ)充說，“使用基于某種 CFD 的仿真驅(qū)動型設(shè)計，汽車制造商可以盡早識別可能的噪聲源，并通過優(yōu)化外部設(shè)計元素，在設(shè)計的早期階段消除這些噪聲源?！?/p>

大多數(shù)終端用戶一提到熱管理，通常會想到暖通空調(diào)和發(fā)動機(jī)冷卻液等，但事實上，熱管理是電動汽車研發(fā)中非常重要的一個組成部分。當(dāng)被問及汽車行業(yè)在過去六年中已經(jīng)取得了哪些相關(guān)進(jìn)展時，Duncan 博士介紹了熱管理的近期和中期發(fā)展，尤其是在低溫/超低溫環(huán)境下的車輛應(yīng)用：

“鋰離子電池的工作環(huán)境不能過冷，也不能過熱，實現(xiàn)這種平衡非常具有挑戰(zhàn)性，但仿真模擬可以幫助設(shè)計人員確保電池始終工作在合適的溫度下。

電池的工作溫度限制與環(huán)境空氣溫度或其他組件的溫差很大?；旌蟿恿碗妱悠囃ǔＰ枰M(jìn)行大量系統(tǒng)包裝，因此車艙和貨物空間都相對緊湊。電池本身可能就不得不“擠進(jìn)”非常狹窄的空間內(nèi)，因此留給冷卻系統(tǒng)的空間則更小。”

Duncan 博士補(bǔ)充說，電池是一種快速發(fā)展的技術(shù)，每一代都有快速提升，但工程師面臨的封裝壓力也在增加。

Duncan 博士警告說，傳統(tǒng)的電池冷卻的方法已經(jīng)不再適用，模擬仿真已經(jīng)被廣泛視為現(xiàn)代電池技術(shù)的關(guān)鍵方面，可以用于評估電池、模塊、封裝和整車級別的散熱性能。

仿真模擬可以對車輛溫度分布進(jìn)行二維呈現(xiàn)，并以電池的電流為函數(shù)輸入，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測散熱情況。Duncan 博士強(qiáng)調(diào)說：“在電池模塊和電池組級別，對電池單體的詳細(xì)模擬有助于準(zhǔn)確顯示冷卻系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況，進(jìn)而協(xié)助工程師針對冷卻效率、最小峰值溫度和最小溫度梯度進(jìn)行優(yōu)化。這種分析可以擴(kuò)展到整個車輛，從而評估電池與其他車上部件以及電池操作管理電子系統(tǒng)之間的熱交互作用。”

但Duncan 博士警告說，自動駕駛汽車將帶來額外的熱量挑戰(zhàn)。例如，一些位于直接暴露在陽光照射位置的車輛傳感器需要適當(dāng)冷卻才能確保可靠運行：“如今，用于自動駕駛系統(tǒng)的傳感器和控制電子設(shè)備需要使用大量電力，以處理傳感器信息，并做出車輛安全駕駛所需的決策。車輛設(shè)計必須限制這些電子部件的用電量，這又將是一個新的熱管理挑戰(zhàn)。”