混合動力車與電動汽車的先進數(shù)值仿真設計

1、混合動力和電動汽車的高級數(shù)值模擬-通過無縫集成的多物理場仿真軟件設計汽車行業(yè)的未來ANSYS 是全球唯一一家能夠提供符合行業(yè)標準的結(jié)構(gòu)、流體、電場和磁場多物理場分析的完整仿真軟件提供商。 ANSYS 的設計工具無縫集成到 Workbench 平臺中，廣泛用于混合動力系統(tǒng)的開發(fā)，包括：Simplere多領域系統(tǒng)仿真軟件，應用于集電氣、熱力、機械、機電、電磁、液壓為一體的高性能系統(tǒng)設計、建模、分析和優(yōu)化。Q3D Extractor計算電磁場求解軟件，用于工程師設計印刷電路板、電子封裝和電力電子設備時計算載流結(jié)構(gòu)的頻率相關電阻、電感、電容和電導參數(shù)。HFSS3D全波電磁場仿真軟件，可提供電場、磁場、

2、電流、散射參數(shù)、遠/近輻射場結(jié)果。該工具會根據(jù)特定的幾何形狀、材料屬性和輸出類型，自動生成合適、高效、準確的網(wǎng)格，以使用有限元方法解決問題。Maxwell低頻電磁場仿真工具，采用有限元法計算靜態(tài)、頻域、時變電磁場和電場，可用于設計和分析機電和電磁設備，例如：電機、執(zhí)行器、變壓器、傳感器和線圈。 RMxprt - 旋轉(zhuǎn)電機（電動機和發(fā)電機）啟動設計和程序優(yōu)化軟件。用戶可以使用各種電機模板輕松構(gòu)建模型、指定材料、計算電機性能、確定初始結(jié)構(gòu)尺寸和設計方案，可在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)百項參數(shù)化、優(yōu)化設計和性能分析。NSYS Icepak - 用于電子系統(tǒng)熱管理設計的計算流體動力學軟件，預測組件、板或系統(tǒng)級別的熱

3、流和熱傳遞，以與穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱流和熱傳遞計算（傳導、對流、輻射）進行比較.Slwave用于整個PCB板和集成電路封裝的信號完整性和電源完整性分析，覆蓋從DC到超過10Gb/s的頻率范圍，可以直接從電路CAD設計布局頻率相關提取信號完整性和電源完整性網(wǎng)絡電路模型。ANSYS Mechanical - 綜合力學分析軟件，包括結(jié)構(gòu)的線性、非線性和動態(tài)分析（應力、撓度和振動），為機械工程問題分析、熱分析和聲學提供一整套單元行為、材料模型、公式求解器，壓電、熱結(jié)構(gòu)、熱電和其他耦合物理問題分析。ANSYS CFD - 流體力學計算軟件包，具有通用和特殊的流體建模和流動分析能力，其建模功能包括流體流動、湍流、

4、傳熱、層流-湍流、不可壓縮-完全可壓縮等溫分析壓縮問題建模固定或旋轉(zhuǎn)安裝的問題。ANSYS Multiphysic一個多物理場仿真模塊，可以執(zhí)行復雜的多物理場耦合分析。廣泛使用的ANSYS多物理場求解器可以分析結(jié)構(gòu)力學、傳熱、流體、電磁問題。隨著空氣污染和石油短缺問題的日益嚴重，混合動力和電動汽車替代傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車已成為人們面臨的問題。世界各國政府都在推動對混合動力/電動汽車的研究。美國政府宣布了 24 億美元的支出，用于資助電池組、電動機和其他部件的新設計，并設定了到 2015 年有 100 萬輛混合動力汽車上路的目標。美國能源部預測，到 2030 年，新能源汽車將占整個輕型汽車和卡車

5、市場的 28%，比 2005 年增長 20%。為了滿足對混合動力/電動汽車不斷增長的需求，開發(fā)性能更好、價格更實惠的電動傳動系統(tǒng)的競爭日益激烈。新型電動傳動系統(tǒng)的開發(fā)具有巨大的商業(yè)回報潛力，但同時也存在將有缺陷、不合適和尚不完美的產(chǎn)品推向市場的商業(yè)風險。顯然，汽車技術(shù)正在經(jīng)歷一場革命。引領這場革命的責任落在了汽車工程師的肩上，他們必須重新思考動力系統(tǒng)的設計方式。汽車制造商和零部件制造商的工程師都面臨著在非常有限的時間內(nèi)開發(fā)新一代動力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。為了滿足這些需求，具有混合動力/電動汽車創(chuàng)新能力的主要汽車公司正專注于仿真驅(qū)動的研發(fā)，而不是過時的試錯法。事實上，先進數(shù)值模擬技術(shù)的有效實施有可能在下一

6、代電動傳動系統(tǒng)的設計競賽中將獲勝者與不太熟練的競爭對手區(qū)分開來。有許多軟件解決方案可用于動力總成開發(fā)中的各種性能分析，包括機械分析、電氣分析、電磁分析、電化學分析、流體分析、熱管理應用分析等。通常，這些獨立的分析軟件并不完全兼容，從而阻礙了工程師全面有效地優(yōu)化電氣傳動系統(tǒng)的設計。本文討論了行業(yè)領先、最先進的軟件的價值，該軟件在統(tǒng)一的集成環(huán)境中提供全面的多學科分析。混合動力系統(tǒng)設計師面臨的主要挑戰(zhàn)如今，汽車工程師經(jīng)常面臨必須從頭開始設計電動傳動系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，其關鍵部件包括：動力電池組、牽引電機和發(fā)電機以及電力電子設備?；旌蟿恿ζ嚥考脑O計涉及復雜的物理問題和極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)集成問題。下面將討

7、論單個組件開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)以及與系統(tǒng)集成時電磁組件之間的電磁兼容性/電磁干擾。電池組電池組為車輛提供主要動力，同時也為眾多電動輔助系統(tǒng)供電。因此，電池組必須達到或超過與汽油動力汽車相同的可靠性、耐用性和經(jīng)濟性標準和期望。此外，車輛電池組必須提供比傳統(tǒng)電池多幾個數(shù)量級的能量?；旌蟿恿ζ囯姵亟M中單個電池單元的冷卻液流動路徑和溫度分布在設計更大容量和更高輸出的電池組時，工程師必須考慮熱、結(jié)構(gòu)和電磁因素對電池組和電池單體的影響。例如，當電池組在充放電過程中發(fā)熱時，必須將電池模塊中所有電芯之間的溫差嚴格控制在幾度以內(nèi)，否則會在電池組中的電芯之間形成有害的電流回路，縮短電池。壽命。需要風冷或水冷冷卻系統(tǒng)

8、來解決電池組發(fā)熱問題，但有時會導致乘客艙周圍的噪音增加，增加了一定的設計挑戰(zhàn)，因為混合動力/電動汽車駕駛員期望超靜音駕駛經(jīng)驗，與冷卻系統(tǒng)的噪音格格不入。工程師在設計和模擬電池組時，還必須考慮電池安裝位置和各種駕駛條件下的各種應力，以確保電池必須能夠安全承受各種工作條件對其性能的影響，如：外加熱、過充、過放、針刺、重壓、外短路等。此外，電池的設計也考慮到了發(fā)生碰撞時電池的安全性，必須保護乘客免受車輛碰撞時電池釋放的有毒酸液的危險。電動機/發(fā)電機多年來，由于燃氣輪機的廣泛使用，汽車制造商在電動機（牽引電動機/發(fā)電機）設計上投入的時間和金錢相對較少。傳統(tǒng)發(fā)動機已經(jīng)完善到他們想要的程度：完全滿足消費者

9、的需求，排放法規(guī)不那么苛刻和難以實現(xiàn)，油價也不成問題。但現(xiàn)在這一切都發(fā)生了變化，在新發(fā)動機的巨大收益和市場壓力的推動下，許多公司已經(jīng)開始設計高效且具有成本效益的電動發(fā)動機。人才和資金不斷涌入該行業(yè)，而電動馬達和電池一樣，在設計上面臨著諸多挑戰(zhàn)?；旌蟿恿ζ囯姵亟M中單個電池單元的冷卻液流動路徑和溫度分布電動機/發(fā)電機在車輛驅(qū)動系統(tǒng)中是必不可少的，還通過再生制動為電池充電。與其他電動機不同，混合動力/電動汽車的牽引電動機必須在非常惡劣的環(huán)境中可靠運行。電動機必須在極端溫度條件、劇烈振動、大工作周期和崎嶇道路條件下持續(xù)運行；在混合動力汽車中，電動機也會受到發(fā)動機產(chǎn)生的高溫的影響。設計電機時必須考慮上

10、述所有因素。對于汽車消費者來說，可靠性是汽車的關鍵賣點，而發(fā)動機性能不佳既增加了維修成本，又降低了汽車的品牌價值。由 Kato Engineering 提供的同軸電動發(fā)電機有限元網(wǎng)格化消費者期望混合動力/電動汽車具有高燃油效率。汽車的高燃油效率、低排放、安全性和動力性影響著消費者的購買決策，從而直接影響到汽車市場的成敗。由于電動機的設計決定了有多少來自電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能以驅(qū)動車輛，因此設計節(jié)油電動機是當今混合動力/電動汽車動力總成工程師面臨的最重要挑戰(zhàn)之一。 電力電子電力電子設備是電動傳動系統(tǒng)的心臟和大腦，它們必須精確控制電池和電機/發(fā)電機之間的能量傳輸，并根據(jù)路況和駕駛員指令做出合理的決

11、策來調(diào)整傳動系統(tǒng)。為了在各種驅(qū)動條件下以最高效率運行，提供給牽引電機的電能需要根據(jù)位置、速度、溫度等由傳感器監(jiān)測。嚴格控制。熱管理是混合動力汽車電力電子設計中的一個主要問題。從動力傳動系統(tǒng)傳遞到車輪的所有能量以及為電池充電的再生制動都需要通過電力電子設備完成。因此，即使電子設備中非常小的功率損失也會產(chǎn)生大量的熱量。各種工作環(huán)境（如炎熱的沙漠或冬季零下溫度）的熱量都需要嚴格管理和散發(fā)，以免對電子元件及其周邊元件造成熱損傷。因此，需要準確計算電力電子設備中的電氣損耗，并確定和設計散熱路徑以確保有效冷卻。電磁干擾/電磁兼容性電力電子發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一是電磁干擾和電磁兼容性。由于提供給電機的能量是通過

12、高頻開關功率器件的控制來傳遞的，因此各種電氣元件之間的電磁干擾已成為一個重要問題。如果不考慮這些問題，電磁干擾會干擾信號的傳輸和檢測，影響電機的正常運行。因此，在邏輯控制中必須仔細研究和考慮電磁干擾的影響，這就需要對電機、母線、周圍的電磁元件和周圍的電磁場進行全面的研究，并且這些元件是相互連接和耦合的。當他們工作時。電機控制器電子電路圖IGBT 的 EMI/EMC 分析仿真技術(shù)的應用即使沒有原型，工程師也可以使用多物理場仿真軟件來研究產(chǎn)品在不同負載條件下的設計性能。不僅可以通過精確的仿真對固體和真實載荷工況進行建模，還可以對流體、力學、熱物理、電化學和電磁力的影響及其相互作用進行建模，并且可以

13、使用仿真模型來調(diào)整設計。通過這種方式，產(chǎn)品設計可以更快，并且可以在設計早期進行性能優(yōu)化，以避免產(chǎn)品開發(fā)后期出現(xiàn)意外和問題?；旌蟿恿?電動汽車的仿真工具涵蓋了廣泛的領域，包括機械、流體動力學、熱學、電氣和電磁學。這些工具可用于解決動力總成單個組件（電池組、牽引電機/發(fā)電機、電力電子設備等）的開發(fā)，以及由這些子系統(tǒng)集成的復雜動力總成的設計和研究。電池組模擬為了避免因過熱而降低電池能效并縮短其使用壽命，電池熱管理是混合動力/電動汽車發(fā)展的重中之重。對于圓柱形電池，工程師通常采用空氣冷卻策略，其中包括電池組外殼的形狀、鼓風機和擋板以產(chǎn)生足夠的氣流以實現(xiàn)最佳冷卻。對于矩形電池，冷卻通常通過在與電池接觸的

14、熱交換器中循環(huán)液體來完成。電池熱管理控制算法根據(jù)溫度和充電器狀態(tài)改變每個電池單元的負載。將參數(shù)化和實驗設計方法與計算流體動力學求解器相結(jié)合，以分析復雜的 3D 冷卻劑流動和多介質(zhì)組合（固液）熱傳遞，以評估和優(yōu)化不同的熱管理系統(tǒng)配置。為了評估電池組的長行駛周期性能，線性時不變方法可實現(xiàn)高效的實時仿真。工程師可以使用電路仿真技術(shù)來評估控制算法，以研究縮短電池壽命和導致電池爆炸的因素，例如過充電、大電流充電/放電、外部短路或其他電路問題。在研究此類算法時，將 3D 物理模型（流體動力學和力學）無縫集成到控制電路仿真中的軟件顯然是理想的選擇。為解決因碰撞和異物侵入電池等事故引起的電池組結(jié)構(gòu)問題，可使用

15、結(jié)構(gòu)力學軟件評估結(jié)構(gòu)完整性，以防止電池組有毒物質(zhì)外溢以及潛在的熱失控和電池爆炸問題.身體傷害。這個虛擬原型軟件也適用于研究振動、耐久性和疲勞壽命。電機/發(fā)電機模擬在電機/發(fā)電機開發(fā)中，設計人員必須關注電機的電磁方面。電子設計優(yōu)化軟件可以根據(jù)原始CAD圖紙和總成的相關工程設計指標，定義電機/發(fā)電機的主要設計參數(shù)，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數(shù)、氣隙等。 ，同時提取寄生參數(shù)?？梢允褂霉ぞ邅碛嬎汶姍C的電氣特性。風冷圓柱形電池模塊網(wǎng)格（左）和冷卻液流程圖（右）這些軟件輸出的模型和設計數(shù)據(jù)可以輸入到電磁仿真軟件中，該軟件可以計算出電動機的扭矩曲線在電動模式下駕駛車輛時扭矩如何隨時間上升；在電動模式下

16、駕駛車輛時的電阻扭矩；它如何隨時間變化。在分析電動機/發(fā)電機的電磁性能時，還需要引入車輛的質(zhì)量來確定各種條件下的加速時間和制動時間?；谶@些輸出，設計人員可以通過改變某些設計參數(shù)（例如，永磁體的尺寸）來調(diào)整設計，并通過參數(shù)化、優(yōu)化設計，在電機性能和尺寸之間進行權(quán)衡。 、電機的重量或成本 選擇、優(yōu)化設計。電磁仿真輸出的扭矩可以進一步輸入結(jié)構(gòu)力學軟件，分析動力傳動系統(tǒng)中其他部件（包括傳動軸、齒輪等）的應力、載荷、變形和振動。人們一直希望電動汽車能夠靜音，因此對電動汽車的主要噪聲源驅(qū)動系統(tǒng)進行振動分析非常重要。此外，流體動力學可用于研究熱管理問題并分析損耗分布以確定電動機/發(fā)電機組的熱分布。無縫集成

17、的多物理場設計軟件貫穿整個電磁和機械開發(fā)過程，在計算不同負載條件下的性能和比較不同設計選項時，協(xié)調(diào)多個工具的動作并在不同工具之間交換數(shù)據(jù)。多物理場協(xié)同仿真程序幫助軟件在統(tǒng)一環(huán)境中實現(xiàn)不同程序之間的平滑數(shù)據(jù)傳輸。電力電子仿真為了對混合動力汽車的電力電子器件進行熱管理，工程師將IGBT器件模型放置在電力電子電路仿真軟件的設計界面，并輸入其特性（通斷電壓、電流波形等）、控制算法器件模型（IGBT on-off Logic）和電機/發(fā)電機器件模型等，建立電力電子器件系統(tǒng)的仿真分析模型，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的虛擬設計和仿真分析。通過各種仿真數(shù)據(jù)，軟件可以確定車輛在加速、巡航和制動過程中任意時刻整個系統(tǒng)電流的變化

18、情況。使用電子熱流分析工具，工程師可以指定動力系統(tǒng)中主要熱源（IGBT 和電動機/發(fā)電機的載流組件）的幾何形狀。通過在系統(tǒng)關鍵點單獨添加每個熱源，同時考慮氣流和傳導熱的影響，以匹配參數(shù)分析，軟件對數(shù)據(jù)進行處理并生成等效熱模型進行系統(tǒng)仿真分析。使用這些熱模型，工程師可以確定 IGBT 的整體溫度分布和溫升性能參數(shù)，例如可以從電池汲取多少功率以確保溫度不超過影響 IGBT 性能的限制。根據(jù)溫度分布，工程師可以使用有限元軟件的耦合熱結(jié)構(gòu)分析功能來確定產(chǎn)生的熱應力。電子設計分析工具也可用于計算電機/發(fā)電機各個部件上的電磁力，以確定變形量和機械應力分布。因此，工程師可以修改結(jié)構(gòu)以消除應力集中和過度變形，

19、或者相反，減少由于過度設計而使用過多材料的區(qū)域。EMI/EMC 仿真在 HEV/EV 開發(fā)中，IGBT 以數(shù)十至數(shù)百 kHz 的速度開關，開啟上升時間和關閉下降時間約為 50 至 100 納秒 - 這可能導致兩個主要電磁問題：傳導發(fā)射（通過電流-承載結(jié)構(gòu)）可能導致電源完整性問題或引起對逆變器和電機潛在有害的能量反射波。可能影響車輛中其他電子系統(tǒng)的輻射電磁場（通過空氣）。必須充分考慮這兩種干擾問題，工程師必須針對 EMC/EMI 設計車輛。為了準確描述IGBT等開關器件的性能，工程師可以使用參數(shù)化IGBT建模向?qū)?，可以在供應商提供的?shù)據(jù)表中輸入IGBT性能曲線和數(shù)據(jù)，自動提取所需的要求在建模向?qū)?/p>

20、的指導下。參數(shù)以生成 IGBT 的半導體電路模型。整個建模過程非常簡單，不需要手動完成。為了進行傳導干擾分析，工程師需要將電源轉(zhuǎn)換器的設計布局從CAD軟件直接導入到寄生參數(shù)提取軟件中，從而計算出導電路徑的頻率相關電阻、部分電感和電容，以及生成系統(tǒng)仿真使用的等效電路模型。功率變換器系統(tǒng)仿真的結(jié)果可用于測試輻射發(fā)射。工程師可以通過計算空間任意點的電磁場強度來判斷逆變器封裝是否符合國外相關標準。如果輻射超標，逆變器系統(tǒng)的電磁干擾和電磁兼容性可以追溯到設備設計布局上的問題根源。由此，對設計進行參數(shù)更改并獲得一系列模擬結(jié)果，直到傳導和輻射電磁發(fā)射水平都在可接受的范圍內(nèi)。系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成可能是電氣傳動系統(tǒng)

21、設計中的最大挑戰(zhàn)，因為必須考慮每個組件的獨特特性、特性、強度和其他復雜性，以確保整個電氣傳動系統(tǒng)在寬負載范圍內(nèi)和各種駕駛條件下保持穩(wěn)定.以獲得最高的整體效率。由于子系統(tǒng)和組件是協(xié)同工作且緊密耦合的，它們不能完全獨立開發(fā)，每個子系統(tǒng)的性能變化必須與所有其他子系統(tǒng)的性能變化相匹配。涵蓋電磁、熱、流體和結(jié)構(gòu)問題的系統(tǒng)仿真為了成功仿真如此復雜的混合動力/電動汽車動力總成，仿真解決方案必須建立在無縫集成的設計平臺上，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)多維、多物理場、多尺度的仿真，以提供復雜的動力總成仿真多種機械、流體所需的技術(shù)、系統(tǒng)中的電氣、電化學和電磁問題。多維性是指一個系統(tǒng)由子系統(tǒng)和組件組成，由混合的物理現(xiàn)象控制，它可

22、能是零維的（例如：邏輯電路和框圖）、一維的（例如：建模長通道流動問題）、二維的維度（例如：殼應力）、3D（例如：建模復雜的 3D 通道流動問題）、4D（例如：考慮隨時間變化的 3D 流體場、應力場、熱場、磁場等）。多物理場是指一個系統(tǒng)或組件受到不止一種物理機制的影響，例如：電池組的性能受到流體流動、傳熱、電化學、結(jié)構(gòu)應力/應變分布、電磁場等物理機制的影響.多尺度是指系統(tǒng)的重要物理現(xiàn)象發(fā)生在不同的物理尺度，例如：在電池組中，電化學反應發(fā)生在納米尺度，而熱傳導和冷卻發(fā)生在毫米尺度；電池控制器工作在pack級別，而電池組需要與動力總成的其他系統(tǒng)協(xié)同工作，所以是在車輛級別。仿真示例：豐田普銳斯的動力總

23、成為了證明電磁仿真方法的速度和準確性，一個 ANSYS 工程師團隊使用橡樹嶺國家實驗室發(fā)布的 Toyota Prius THSII 牽引電機的設計和性能數(shù)據(jù)進行了一項研究。電機瞬態(tài)有限元分析工程師首先創(chuàng)建了動力總成的有限元模型，包括電池、IGBT 逆變器、牽引電機和控制系統(tǒng)。然后，對模型進行參數(shù)化，并在 ANSYS Maxwell 軟件中為模型添加不同的邊界條件，例如電流、電壓和轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)這些信息，Maxwell 可以計算出電機的多個輸出參數(shù)，包括系統(tǒng)的扭矩、電感和機械損耗。同時，這些數(shù)據(jù)包含基于物理樣機的電機模型求解結(jié)果，即在給定電參數(shù)輸入條件下，電機在一系列測試點的輸出性能。使用求解結(jié)果作為描述電機