シミュレーションを活用して高効率な車両熱管理を実現

バッテリー電気自動車の販売促進要因の一つは航続距離であり、エンドユーザーにとっては1キロメートルが重要です。車両の総効率を向上させる方法はいくつかありますが、空力特性の改善や車両重量の減少などが挙げられます。しかし、主要な要因の一つは効率的な熱管理システム（VTMS）です。VTMSには多くの電力消費装置が含まれているため、エネルギー節約の可能性が大きいです。また、パワートレインコンポーネントを最適な温度に保つことで、安全性と耐久性の要素もあります。

現代のバッテリー電気自動車の典型的な熱管理システムは非常に複雑です。ほとんどの車両にはバッテリー冷却回路があり、電動モーターを冷却するためのオイルの温度を制御するためにも使用できます。また、キャビンとバッテリー専用の加熱回路も一般的です。冷媒システムは、乗客の快適性要求とバッテリーの快適性要求の両方に対応するために必要です。バッテリーの必要な温度レベルは非常に適度であるため、常に周囲を熱シンクとして頼ることはできません。これにより、冷媒回路を使用してバッテリーを冷却する必要があります。

冬の時期には、キャビンとバッテリーの十分な加熱を確保するために使用できる廃熱が不足しているため、冷媒回路はヒートポンプとして機能するか、電気ヒーターが使用されることがあります。搭載されているすべてのチップセットや処理ユニット（例：ADAS、DCU）も冷却が必要です。以下の図に示されているのは、現代の車両熱管理システムの例です。システムモデルは、必要なスタック構成、メディア供給コンポーネント、そのサイズ、配置、および過渡シミュレーションを実行するための制御に関する専門知識を必要とする要求の厳しいタスクです。

多数のシステムを搭載しているということは、多くのコンポーネントを考慮する必要があることを意味します。各システムにはポンプやコンプレッサーがあり、回路を接続して周囲に熱を放出する複数の熱交換器や多数のバルブがあります。車両の熱状態、現在の使用状況（充電、運転など）、および周囲の条件に応じて、熱管理システムは異なる構成になります。

以上のことから、熱管理システムを開発および最適化する際には、多くの変数と相互依存関係を考慮する必要があります。このため、初めから包括的なアプローチを取る必要があります。シミュレーションツールを使用することで、ほとんどの概念的な質問に迅速かつ費用対効果の高い方法で答えることができ、後の開発段階でも開発を支援することができます。

航続距離を最大化するためには、車両に搭載されているすべてのシステムを最適かつ効率的に統合することが重要です。これを達成するためには、統合プロセスをコンセプト段階から開始する必要があります。シミュレーションツールを使用することで、広範なテストやプロトタイピングを必要とせずに、開発プロセスの非常に早い段階でいくつかの概念的な質問に答えることができます。これにより、正しいコンセプトに開発の努力を集中させることが迅速かつ容易になります。そのためには、コンセプト段階で車両全体のシミュレーションモデルを開発する必要があります。

このようなモデルは、EM、バッテリー、冷却システム、HVACなど、さまざまなコンポーネントやシステム間の相互作用を捉えます。車両全体をシミュレートすることで、さまざまな条件や運転モード下での熱性能、安全性、効率に対する異なる設計選択の影響を評価することが可能です。この種のモデルは、コンポーネントの選択に非常に良い可能性を提供し、コンポーネントのバリエーションが迅速かつ容易に行えます。その結果、効率とコストなどの情報に基づいたトレードオフの決定を行うことができます。

すべてのコンポーネントが選択され、車両に関する情報が増えると、コンセプトモデルは新たに利用可能な情報で更新され、その精度が向上します。

高品質でリアルタイム対応のモデル、すなわちバーチャルツインを利用できることは、VTMS制御戦略を開発する際にも大きな利点です。バッテリー電気自動車には多数の回路、コンポーネント、およびVTMS構成があるため、制御戦略の開発には膨大な努力が必要です。カバーすべき運転シナリオは数十に及びます。開発と検証の努力の大部分をシミュレーション環境に移すことで、膨大な時間とコストの節約が可能になります。

車両システムの最適化された相互作用が車両効率にとって重要になるにつれ、すべてのシステムを同じシミュレーションモデルで考慮する必要性も高まりました。AVL CRUISE™ Mは、すべての関連システムをモデル化することができます。これには、電気ネットワーク、機械および熱システム、ならびに制御タスクのための汎用データおよび機能ネットワークが含まれます。これにより、コンポーネントレベルでの効率と熱損失を正確に予測し、個々のサブシステムおよび全体システムを詳細に最適化することができます。

詳細な車両熱管理システムモデルのセットアップはもちろん容易ではありません。エンジニアを支援し、モデリングの労力を軽減するために、CRUISE MはEfficiency Portalで利用可能な多くのパラメータ化ウィザードとジェネレーターを提供しています。

一般的に、コンセプト段階では熱交換器やバルブなどの主要コンポーネントの圧力損失特性のみが考慮されます。しかし、複雑な冷却システムには、システム曲線に影響を与え、システムの性能に影響を与えるさまざまな形状の多数のパイプやホースも含まれています。開発プロセスが十分に進んだ段階では、コンセプト段階で作成されたモデルを、曲がり、制限、オリフィス、チューブ、およびホースを追加して実際のシステムの挙動を反映するように更新する必要があります。このような配管システムの複雑さと基本的なモデリングの性質のため、シミュレーションエンジニアにとって非常に手間のかかる作業となります。したがって、インポートされたCADファイルに基づく配管システムの自動生成は非常に有益です。

CADインポーターを起動すると、CADデータをインポート、クリーンアップ、および操作するためのツールであるSHAPEが開きます。インポート時（ほとんどの一般的なフォーマット形式がサポートされています）、ジオメトリが自動的に分析され、CRUISE Mモデルの生成に必要なトポロジー要素が識別されます。これには、パイプ、曲がり、接合部、およびそれらの幾何学的特性の識別が含まれます。識別されたすべてのコンポーネントは専用のステージングリストに配置され、ユーザーがデータを検査し、モデルの一部を非表示/選択し、複数のパイプを1つのパイプグループに接続するなどして大きなアセンブリを作成し、対応するCRUISE Mモデルを生成する前に検査できるようになります。

冷却器、蒸発器、凝縮器などの冷媒コンポーネントのキャリブレーションは、これらのコンポーネントで発生する複雑な物理現象のために大きな課題となります。冷媒が相変化を起こすため、熱伝達と圧力損失は冷媒の状態によって大きく変動します。そのため、圧力損失と熱伝達を正しく記述するには、複雑で数値的に要求の高い計算が必要です。単相流と比較して、境界条件を定義することさえも、追加の変数（冷媒圧力）を考慮する必要があるため、より困難です。

必要な専門知識のレベルを下げ、キャリブレーションプロセスを迅速化するために、CRUISE Mは2種類の冷媒熱交換器のキャリブレーションウィザードを提供しています：

• MPET（マルチポート押出チューブ）熱交換器（蒸発器および従来の空冷凝縮器に一般的に使用される）
• プレート熱交換器（冷却器および液冷凝縮器に一般的に使用される）

ユーザーは熱交換器の形状と熱伝達および圧力損失のデータセット（複数の形式がサポートされています）を提供する必要があります。また、フィッティングを改善するために、複数の熱伝達および圧力損失の相関関係を選択することも可能です。キャリブレーションプロセスが完了すると、すべてのキャリブレーションされたパラメータが自動的に熱交換器コンポーネントに転送され、冷媒回路の一部として使用できます。

車両熱管理システムの開発プロセスの初期段階における課題の一つは、モデルを十分にパラメータ化するためのデータが不足していることです。これは通常、製造車両に搭載されるコンポーネント（例：メインラジエーター）がまだ選定されていないことが原因です。しかし、ラジエーターの設置スペースを推定し、標準的な熱伝達および圧力損失の相関関係を適用してその性能を推定することはほとんどの場合可能です。予測される熱損失に基づいて、このようなツールは限られたパッケージングスペースで熱伝達要件を満たすために必要な微細形状（例：フィンやルーバー）を決定するためにも使用できます。

エンジニアは、入力ページの一連のガイドを提供する熱交換器ウィザードを使用できます。

最初のページでは、熱交換器の全体サイズが定義され、次にチューブ、フィン、ルーバーの幾何学的詳細の構成が続きます。 次に、両媒体の圧力損失および熱伝達の相関関係を定義できます。ユーザーは、CRUISE Mのデフォルトの相関関係またはカスタムのヌッセル相関関係を選択できます。このページでは、流れの配置（並流、逆流、交差流など）も選択する必要があります。 3ページ目では、両ストリームの液体の種類と動作範囲（温度と流量）を定義する必要があります。 次の2ページでは、熱伝達、出口温度、レイノルズ数、効果など、計算された熱交換器の性能の概要が示されます。

ウィザードが完了すると、熱交換器がパラメータ化され、シミュレーションエンジニアがより大きなモデルで使用できるモデルトポロジーに配置されます。