新材料讓電動汽車走得更遠

眾所周知，汽車原廠委託製造商 (OEMs) 正在積極開發電動汽車 (EV)。他們在向消費者銷售技術時面臨的阻力包括價格和車輛續航里程。此事毫不驚訝，因為兩者之間存在直接關聯——2021 年，對於任何價格低於 40,000 美元的電動汽車，平均車輛行駛里程為 187 英里，而任何內燃機 (ICE) 車輛的最低行駛里程為 240 英里。

在理想的充電和放電條件下，EV 電池每年也會退化 2% 到 3%，從而進一步影響車輛使用壽命期間的續航里程。為了克服這些障礙，製造商正在尋求將新材料集成到他們的設計中，以幫助電動汽車走得更遠。特用化學品和功能材料領域的全球領導者Kuraray正在與 Ansys 合作以支持這些目標。

一個關鍵的重點領域是輕量化—通過材料和設計選擇使車輛更輕。電動汽車的電池及其相關系統很重，因此製造商正試圖以任何可能的方式減輕車輛的重量。配備內燃機的車輛也很重，但與電動汽車不同，內燃機動力車輛的續航里程對其質量的減少不太敏感。

“目前賣車的關鍵是續航里程，”Ansys 研發總監Andrew Miller說。 “如果你的電動汽車能比你的競爭對手行駛 50 英里或更多，那麼你就贏了。當然，你可以讓電池更好，或者讓電機更有效率。但增加續航里程最簡單的方法就是讓整車更輕。” 

將汽車聚合物特性引入設計

GENESTAR™ 是Kuraray開發的聚醯胺樹脂的品牌名稱。這些 PA9T 系列材料是均衡的長鏈聚鄰苯二甲醯胺 (PPA)，在廣泛的溫度範圍內兼具低吸水性和高機械性能，從而在表面安裝過程中實現尺寸穩定性和抗起泡性。這些材料可實現電動汽車電池的輕量化設計和部件小型化，以提高效率，同時確保高壓應用的安全性。它們的低滲透特性顯著延長了電動汽車電池冷卻液管和電池部件的壽命和耐久性，可承受大範圍的溫度和濕度變化。

這些聽起來都很吸引工程師，在他們可能正在開發的車輛部件的下一次模擬中要考慮這些特性，但是有成千上萬的聚合物，你如何找到你需要的信息？

Kuraray和 Ansys 聯手提供有關 GENESTAR™ PA9T 系列材料的詳細材料信息，可直接在 Ansys 求解器中使用。數據包括非線性機械特性，例如應力-應變和蠕變曲線，以及一定溫度範圍內的熱和電特性。 Ansys 應用了其在材料模型方面的專業知識，以確保所有數據均已“模擬就緒”，並可在其全球聚合物材料庫中為 Ansys Granta MI 和 Ansys Granta Selector 的使用者提供。從那裡，它可以導出到範圍廣泛的 Ansys 模擬工具中，包括 Ansys Mechanical 和 Ansys Workbench。

通過這種方式，Ansys 正在與 Kuraray 等公司建立合作夥伴關係，Ansys 在這些公司獲取其材料產品的數據並將其發佈在 Ansys 生態系統中。這個想法是通過為模擬準備數據來增加數據的價值，因此稱為“模擬就緒”。基本上，Ansys 為客戶提供材料數據，他們可以通過 Ansys 工具（例如 Mechanical 和 Ansys Discovery）直接在模擬中使用這些數據。Kuraray和其他材料生產商獲得的是增加了在市場上的曝光率，因為與 Ansys 的關係有助於他們的材料獲得一些頂級工程公司的准入，同時提高產品質量。

選擇合適的汽車材料

對於對特定材料感興趣的客戶，Ansys 材料數據庫提供了他們需要的所有數據。但仍由每個客戶決定他們是否為他們的電動汽車應用找到了正確的材料選擇。 Ansys 提供了一個龐大的數據庫，其中包含來自眾多公司的不同聚合物；然而，在 Granta MI 中，搜索模擬就緒材料可根據重要特性將列表縮減至 2000 種聚合物。它是 Ansys 模擬用戶（包括尋求材料解決方案以應對其輕量化挑戰的原廠委託製造商）可用的獨家材料數據子集。

與溫度相關的數據，是與電動汽車設計直接相關的該子集的一個重要元素。通常，原廠委託製造商使用非常高性能的聚合物來解決電池組和高壓線附近的高溫問題，或者在車輛內部或外部暴露在直射陽光下很容易使溫度升高到 50 攝氏度（120 華氏度）以上。擁有具有正確熱特性的數據可以準確模擬一系列溫度，從而實現更好的熱管理。

聚合物表現出高度非線性行為，要準確模擬該行為，您需要使用非線性材料模型。這些非線性模型通常需要應力-應變數據，因此如果您沒有這些數據，您將無法使用這些模型，而且您的模擬精度也會受到影響。利用 Granta MI 提供的溫度相關和非線性材料數據，原廠委託製造商可以使用 Ansys 技術的全部範圍運行多個模擬，並期望獲得良好的結果。

“如果沒有像 Granta MI 這樣的工具，就會浪費大量時間來搜索模擬所需的數據，”Miller 說。 “客戶會線上搜尋並翻閱舊文件來找到它或重新創建它以支持他們的模擬，最終讓他們容易出錯。我們將這些數據提供給他們，準備好直接導入到他們的模擬中，並由 Ansys 驗證，這相當於節省了大量時間。而且由於我們為他們提供與溫度相關的非線性數據，因此用戶可以期待準確的模擬結果。”

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References

1. Internal Combustion Engines vs. Electric Vehicles (EV), Engine Builder Magazine, October 14, 2021.