Ô tô điện- Hướng tới tương lai

Theo Alberto Bassanese, Quản lý, Lucid Motors, Menlo Park, USA

Hãng xe Lucid đã cho ra mắt thiết kế mới của dòng xe điện (electric vehicle-EV) hạng sang để cạnh tranh với các “ông lớn” trong thị trường xe điện cao cấp. Các kĩ sư của Lucid đã tận dụng triệt để phần mềm mô phỏng ANSYS multiphysic để cải thiện hoạt động của hầu hết các hệ thống con trên xe. Họ tính toán một dải rộng các chỉ số hiệu suất nhằm tạo ra một nguyên mẫu số. Việc sử dụng nền tảng mô phỏng kỹ thuật đồng nhất là yếu tố chủ chốt để tạo điều kiện thuận lợi cho đội ngũ thiết kế có thể hợp tác trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau, giúp nâng cao hiệu suất làm việc - cho cả ôtô và đội ngũ kỹ sư.

ANSYS CFD được sử dụng để tối ưu hóa khí động học trong xe

Để có thể phát triển một mẫu EV cao cấp từ con số không, Lucid Motors đã phải đối mặt với nhiều thách thức về kỹ thuật, một môi trường pháp lý phức tạp và các đối thủ cạnh tranh với hàng trăm năm kinh nghiệm. Tuy nhiên, trở thành một thành viên mới cũng là một lợi thế quan trọng của Lucid vì công ty này đã có thể thực hiện những bước đi tốt nhất mà không bị cản trở bởi các phương pháp cũ đã lỗi thời. Lucid đi tiên phong trong việc thực hiện một phương pháp tiếp cận độc đáo, họ đưa các nhóm làm việc ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong đội ngũ thiết kế xe điện như điện từ, nhiệt, kết cấu, khí động học… cùng nhau làm việc trong một căn phòng nhằm thúc đẩy sự hợp tác ngay từ khi bắt đầu quá trình thiết kế. Lucid tiếp tục đẩy mạnh làm việc nhóm và xúc tiến quá trình thiết kế bằng cách trang bị cho đội kỹ sư với một nền tảng mô phỏng chung: phần mềm mô phỏng đa trường của ANSYS được tích hợp trong môi trường ANSYS Workbench, cho phép tối ưu hóa đồng thời tất cả các hệ thống con khác nhau của xe. Cách tiếp cận này giúp Lucid đáp ứng được các nhu cầu của khách hàng, giải quyết các vấn đề về kỹ thuật, tối ưu hoá các hệ thống con và các linh kiện cũng như đáp ứng các yêu cầu pháp lý. Hơn thế nữa, Lucid có thể đưa một chiếc xe đẳng cấp thế giới ra thị trường trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với cách tiếp cận thông thường, khi các kĩ sư làm việc với nhiều công cụ mô phỏng khác nhau ở các lĩnh vực riêng biệt.

Tổn hao điện từ trong ANSYS Maxwell được ánh xạ vào ANSYS Fluent nhằm cải tiến thiết kế motor

“Nền tảng mô phỏng ANSYS multiphysics giúp Lucid đáp ứng được nhu cầu của khách hàng, giải quyết các vấn đề kĩ thuật, tối ưu hoá các hệ thống con và các linh kiện, đáp ứng các yêu cầu pháp quy và đưa một chiếc xe đẳng cấp thế giới ra thị thường”

GIẢM LỰC CẢN GIÓ

Các kĩ sư khí động học của Lucid sử dụng phần mềm ANSYS Fluent - phần mềm tính toán động lực học chất lưu (CFD) trên nền tảng mô phỏng ANSYS - bao gồm ANSYS Adjoint Solver để thiết kế khung xe và một hệ thống dẫn khí mới nhằm tối thiểu hóa hệ số lực cản. Các kỹ sư đã sử dụng ANSYS DesignXplorer – một mô đun được tích hợp trong ANSYS, để điều khiển mô phỏng CFD và mô phỏng một loạt các mô hình xe nhằm xác định hiệu suất khí động học. Những mô phỏng này cung cấp định hướng chi tiết về các hiệu ứng cụ thể ảnh hưởng tới lực cản gây ra bởi nhiều thông số hình dạng khác nhau như bề mặt đáp ứng, biểu đồ độ nhạy, các đồ thị Pareto và sơ đồ điều hòa. Nắm chắc thông tin này, các nhà tạo mẫu và các kỹ sư khí động học đã xác định được hình dạng xe chịu lực cản gió thấp nhất trong khi vẫn đảm bảo kiểu dáng cũng như các ràng buộc khác.

Mô phỏng quá trình làm mát các miền thể tích dầu trong ANSYS Fluent

TỐI ƯU HÓA ĐỘNG CƠ

Lucid đã sử dụng ANSYS Maxwell - phần mềm mô phỏng điện từ trong nền tảng ANSYS để thiết kế và phân tích động cơ điện, thiết bị truyền động, cảm biến, máy biến áp, các thiết bị điện từ và cơ điện khác. Maxwell xác định tổn hao điện từ trong động cơ, và thông qua ANSYS Workbench - môi trường máy chủ và trao đổi dữ liệu chính trên nền mô phỏng ANSYS - tích hợp các tổn hao đó với mô phỏng ANSYS Fluent để xác định nhiệt độ động cơ. Có 2 hệ thống làm mát động cơ riêng biệt. Hệ thống thứ nhất là áo lót nước được đúc vào vỏ động cơ. Hệ thống thứ hai, dầu bôi trơn hộp số được đưa vào các khu vực nóng nhất – đầu dây cuốn và rôto. Các kỹ sư đã sử dụng hai mô hình đôi, một mô hình dầu và một mô hình nước để mô phỏng hai hệ thống làm mát này. Phân tích đa pha theo thời gian với thể tích của mô hình chất lỏng đã được sử dụng để phân tích miền làm mát bằng dầu trong mô hình dầu. Mô hình này tạo ra các hệ số truyền nhiệt của bề mặt bị ướt bởi dầu và nhiệt độ dầu cục bộ. Các kỹ sư đã mô hình hóa hệ thống làm mát với mô hình nước trong ANSYS Fluent, sử dụng bình ổn nhiệt kết hợp với sự trao đổi nhiệt nhằm tiên lượng nhiệt độ các thành phần rắn của động cơ.

Kết quá mô phỏng biểu đồ nhiệt độ và trao đổi nhiệt trong Ansys Fluent

Nhiệt độ được tiên lượng nhờ mô hình nước sau đó được sử dụng cho mô hình dầu và mô phỏng được chạy lại. Các giá trị truyền nhiệt tính được ánh xạ lại cho mô hình nước. Quá trình lặp này tiếp tục cho đến khi hai mô hình đồng quy tại cùng một nhiệt độ. Sau khi các mô hình đồng quy, ANSYS Workbench cho phép các kỹ sư dễ dàng nhập nhiệt độ của các chi tiết vào một mô hình kết cấu trong ANSYS Mechanical để tính toán ứng suất nhiệt và cuối cùng là thực hiện phân tích mỏi để đảm bảo rằng động cơ sẽ có khả năng hoạt động tốt như mong đợi. Sử dụng mô phỏng, các kĩ sư Lucid tăng mật độ năng lượng và hiệu quả năng lượng của động cơ thêm 12%. Nhiệt độ tiên lượng trùng khớp với phép đo vật lý trong phạm vi sai số 3%.

Một yếu tố quan trọng khác trong thiết kế động cơ là tạo biểu đồ thông lượng rotor được nhúng vào thuật toán điều khiển và được sử dụng để giảm thiểu tổn thất động cơ dưới nhiều điều kiện hoạt động khác nhau. Các kỹ sư đã sử dụng ANSYS Maxwell và bộ công cụ thiết kế ANSYS Electric, tính toán các đường cong tốc độ mô-men xoắn, biểu đồ hiệu suất và các đường cong hiệu suất khác cho máy điện. Họ thay đổi các thông số như tần số, dòng điện trượt và dòng điện đầu vào để tính toán biểu đồ thông lượng rotor và nhúng nó vào một thuật toán điều khiển như một bảng tra cứu. Các thông lượng được chuyển sang điện áp điều chế độ rộng xung (PWM) trong quá trình hoạt động của chiếc xe. So với cách tiếp cận bình thường để tạo biểu đồ thông lượng rotor với các thí nghiệm trên một máy đo lực, phương pháp này giảm thời gian hiệu chỉnh lực kế tới 80%.

LÀM MÁT BIẾN TẦN

Mô phỏng ANSYS CFD cho thiết kế biến tần

Biến tần chuyển điện áp thấp DC (một chiều) sang điện áp cao AC (xoay chiều) để trang bị cho xe; điều này tạo ra một nhiệt lượng lớn cần phải loại bỏ để tránh vượt quá nhiệt độ chuyển tiếp của các biến tần và phá hủy chúng. Các kỹ sư đã tạo ra một mô hình đầy đủ của các biến tần và sử dụng modeFRONTIER, một phần mềm tối ưu hóa của nhà cung cấp thứ ba hoạt động trên nền tảng ANSYS nhằm tối ưu hóa các thông số thiết kế chính như topo lá tản nhiệt và các mặt cắt ngang của các ống dẫn nước qua hộp biến tần. Sau đó, họ sử dụng ANSYS Adjoint Solver để tối ưu hóa bằng cách thay đổi hình dạng lưới của các liên kết tại khớp nối với đường ống thượng lưu và hạ lưu. Quá trình này làm giảm nhiệt độ cực đại xuống 18 độ C trong khi duy trì nhiệt độ của các tranzito công suất khác nhau ở mức 4 độ C mỗi chiếc. Trong khi đó, độ chênh lệch áp suất trong hệ thống làm mát được giảm đi 1/3, thể tích và khối lượng của hộp biến tần được giảm 15%.

Tối ưu hóa ống dẫn trong ANSYS CFD

(độ chênh lệch áp suất và nhiệt độ IGBT lớn nhất)

ANSYS CFD cho thấy rằng sự phân bố nhiệt độ biến tần đi qua các IGBT khác nhau

“ Mô phỏng cho phép các kỹ sư Lucid tăng mật độ năng lượng và hiệu suất năng lượng của động cơ thêm 12%”

TĂNG TUỔI THỌ NGUỒN ẮC QUY

Các kỹ sư của Lucid cũng đã tạo ra các mô hình phân tích điện và nhiệt của bình ắc quy bằng ANSYS Mechanical - bộ giải structural mechanics trong nền mô phỏng ANSYS và ANSYS Fluent kết hợp với ANSYS Workbench để mô phỏng sự suy biến của điện cực trong khi nạp và xả ắc quy. Nhờ nắm được các điều kiện tiềm năng có thể làm giảm các điện cực trong các chu kỳ khác nhau, các kỹ sư sẽ làm tăng đáng kể tuổi thọ của ắc quy. Các kết quả mô phỏng tập trung vào các mô hình bậc thấp được sử dụng để mô phỏng hiệu suất của ắc quy theo các chu trình điều khiển, tương tự như một vòng của đường phân bố Nürburgring.

Các kỹ sư mô phỏng nhiệt theo thời gian của bình ắc quy sử dụng ANSYS Fluent và ANSYS Simplorer trên các vòng lặp của Nürburgring Grand Prix.

“Nhờ sử dụng chuyên sâu mô phỏng trong suốt chu trình thiết kế cùng với sự cống hiến của các kĩ sư với mô phỏng trước đó, Lucid đã gặt hái được nhiều thành công”

Sử dụng bình ắc quy ẩn cho phép thiết kế nội thất rộng rãi hơn.

Mô phỏng cho phép các kỹ sư cải tiến các thuộc tính quan trọng nhất của xe. Ví dụ, cách tiếp cận thông thường là tạo hình bình ắc quy trong một tấm phẳng nằm dưới xe. Điều này làm tăng khả năng chịu xoắn và giảm trọng tâm, nhưng nó có ảnh hưởng tiêu cực tới khu vực để chân. Các kỹ sư của Lucid đã sử dụng mô phỏng để giảm kích thước của động cơ biến tần phía trước và cơ cấu điều hòa sưởi ấm (HVAC), giải phóng không gian để có thể tăng chiều cao của bình ắc quy trong khu vực này. Nhờ đó có thể đặt bình ắc quy ẩn giúp tăng diện tích dưới cabin hành khách, cung cấp thêm chỗ để chân bên trong cabin giúp hành khách thoải mái hơn. Việc sử dụng mô phỏng chuyên sâu với mô hình mô phỏng chung ANSYS trong suốt chu trình thiết kế, cùng với sự cống hiến của các kĩ sư mô phỏng trước đó đã giúp Lucid gặt hái thành công trước các đối thủ EV đã được thành lập lâu năm. Kỹ sư từ các ngành khác nhau sử dụng các công cụ ANSYS trong nền tảng mô phỏng ANSYS để thực hiện các dự án kỹ thuật số phức tạp phục vụ nghiên cứu mô phỏng đa trường trong thiết kế. Ví dụ, ngoại thất của chiếc Lucid Air mới chỉ lớn hơn một chút so với chiếc Mercedes E-class, nhưng chiếc xe mới này có không gian nội thất của một chiếc Mercedes S-Class lớn hơn. Lucid đang chuẩn bị cho chiếc Lucid Air, dự kiến sẽ được sản xuất tại một nhà máy trị giá 700 triệu USD ở bang Arizona (Hoa Kì) trong năm 2019, giúp định vị công ty cung cấp chiếc ô tô đẳng cấp nhất nhất trong một khoảng thời gian ngắn mà các đối thủ cạnh tranh yêu cầu.

 


Nguồn: ANSYS Advantage V11I2, 2017

Lược dịch: Nguyễn Công Đức - Cộng tác viên tại Advantech, Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail