Simcenter電驅系統(tǒng)性能開發(fā) 2024

西門子數(shù)字化工業(yè)軟件內(nèi)容摘要本白皮書討論了混合動力和電動汽車行業(yè)中電驅動系統(tǒng)端到端設計流程的工程、仿真和分析挑戰(zhàn)。針對典型的“V”字形設計流程，從概念設計到原型機生產(chǎn)的每一個階段都進行了討論。電驅系統(tǒng)主要的工程化目標包括高功率密度、高效率、高可靠性和低成本。使用現(xiàn)代仿真工具進行新穎的集成設計和開發(fā)工作流程將在實現(xiàn)這些目標方面發(fā)揮核心作用。在本白皮書中，我們討論了先進的Simcenter?軟件工具套件的核心優(yōu)勢，以及如何使用這些工具來應對當前和未來的電驅動系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。/zh-CN/SEMENS白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電驅市場預測電驅開發(fā)中的工程挑戰(zhàn)5Simcenter電驅動系統(tǒng)解決方案電驅系統(tǒng)架構創(chuàng)成設計及評估8電機選型及設計迭代電機電磁性能仿真驗證及優(yōu)化15電驅散熱性能分析22電控系統(tǒng)散熱分析25電驅動系統(tǒng)性能集成化分析28電控系統(tǒng)策略開發(fā)與在環(huán)驗證33電驅系統(tǒng)振動噪聲及疲勞試驗驗證36電驅系統(tǒng)基于模型的系統(tǒng)測試39總結西門子數(shù)字化工業(yè)軟件1白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)交通運輸行業(yè)正在迅速轉型，這主要是由車輛電氣化、自動駕駛的發(fā)展、工業(yè)4.0技術的應用、不斷變化的消費者數(shù)據(jù)、經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)性問題等推動的。其中一些趨勢源于盡量減少溫室氣體排放水平，開發(fā)更安全的運輸方式，降低運營成本并提供更好的產(chǎn)在眾多變化中，電氣化受到的關注最多。市場趨勢預測，未來幾十年對內(nèi)燃機汽車替代品的需求（圖1）將迅速增長。全球大部分地區(qū)設定了雄心勃勃的目標，即在2030年至2050年期間逐步停止內(nèi)燃機汽車的銷售。圖1內(nèi)燃機汽車、混合動力和電動汽車的相對需求這些趨勢對混合動力和電動汽車行業(yè)的所有細分市場都有廣泛的影響，包括動力系統(tǒng)零部件制造商、供應商和集成商?；旌蟿恿碗妱悠嚨膭恿ο到y(tǒng)的主要部件是電池或燃料電池、驅動電機、電力電子系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)。在本白皮書中，我們從行業(yè)趨勢、挑戰(zhàn)和解決方案的角度分析了電驅動設計的現(xiàn)狀和未來方向。其中一些關鍵問題包括：?開發(fā)新的和改進的電驅動的需求是否會隨著行業(yè)的整體增長而增長?下一代電驅動設計工程師面臨的技術挑戰(zhàn)和機遇是什么?有哪些關鍵的計算和仿真解決方案可以幫助當今的設計人員應對未來的工程挑戰(zhàn)西門子數(shù)字化工業(yè)軟件2白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)工程中所面臨的一個重要方面是目前的電驅動無法滿足未來純電動和混合動力汽車的技術標準和性能要求。包括效率水平、功率密度、速度范圍、生命周期成本和其他方面都達不到下一代電驅設備所需的水平。這給主機廠和其他利益相關者帶來了機遇和挑戰(zhàn)。雖然本白皮書的主要重點是技術挑戰(zhàn)，但值得從一個對電驅動行業(yè)產(chǎn)生巨大影響的非技術問題開始——稀土材料的供應和價格波動。這些材料用于制造高強度永磁體，并用于許多商用電動和混合動力汽車（豐田普銳斯，日產(chǎn)聆風，寶馬i3，特斯拉Model3等）驅動電機。稀土材料的供應問題導致了巨大的研發(fā)投入，以開發(fā)不使用稀土永磁體或減少使用稀土永磁體的電機替代品。自2012年以來，這個問題持續(xù)占據(jù)大部分圍繞下一代電驅動開發(fā)的討論。因此，我們認為開發(fā)不使用或減少使用稀土永磁體的高功率密度驅動電機是下一代設計師面臨的主要挑戰(zhàn)之一。另一個重要挑戰(zhàn)是開發(fā)高效電機。為了應對氣候變化和不斷增長的人口對能源的需求，世界各國政府已強制要求降低車輛的排放水平。這反過來又增加了對高效電機的需求?？紤]到大多數(shù)驅動電機目前以大約90%的效率運行，開發(fā)更高效的電機是一個很有挑戰(zhàn)的問題。要改進這一點，需要結合材料工程、穩(wěn)健性設計、制造工藝（例如，使用增材制造）和仿真技術的新技術進步。對于給定的電池，電驅動系統(tǒng)只能在某個轉速下運行，該速度由其恒定功率與（基本）速比確定。這是影響電機類型、材料、齒輪傳動比和其他動力總成細節(jié)選擇的重要制約因素。大多數(shù)現(xiàn)代電機的恒功率轉速范圍約為2.5至4，將此范圍擴展到7到10是未來機器的目標之一。如果可行，這將有助于大幅降低動力總成傳動系統(tǒng)的成本。通過確保穩(wěn)健性來降低成本是所有機器的另一個重要目標。穩(wěn)健性的要素包括在制造不確定性和公差下保持機器性能，防止系統(tǒng)故障，確保在可變環(huán)境條件下運行的能力等。仿真軟件工具是確保機器穩(wěn)健性的重要推動因素。降低電驅動系統(tǒng)的噪音和振動（NVH）水平是另一項重大技術挑戰(zhàn)。由于轉子偏心、脈寬調(diào)制（PWM）的控制策略或者其他原因此外，除了技術挑戰(zhàn)外，對于整個產(chǎn)品研發(fā)周期的縮短以及產(chǎn)品多樣化的需求也給電驅開發(fā)帶來的巨大的挑戰(zhàn)。面對這些問題，我們需要更加高效地利用仿真方法和工具實現(xiàn)電驅動系統(tǒng)的正向開發(fā)。電磁設計是電驅動系統(tǒng)設計仿真的重要部分。除了電磁設計外，電驅動設計還有其他幾個方面：傳動系統(tǒng)設計，散熱或冷卻系統(tǒng)設計，電力電子或驅動設計，符合NVH標準并保持機器的結構完整性，以及各種子系統(tǒng)和組件的系統(tǒng)級集成。冷卻系統(tǒng)的設計需要電磁-熱耦合仿真。為此，需要基于各種保真度級別的模型來進行電磁熱耦合仿真，從集總參數(shù)到基于計算流體動力學（CFD）的計算。對于電力電子驅動，需要耦合電磁和功率器件仿真。結構分析和NVH仿真需要結構和電磁場進行耦合。對于系統(tǒng)級設計，需要高保真其中每一項都帶來了重大挑戰(zhàn)。例如，在電磁、熱和機械仿真工具之間進行有限元分析的仿真時，時間常數(shù)和網(wǎng)格要求的差異只是必須考慮的眾多方面中的一部分。此外，基于CFD的仿真的計算成本可能會使某些問題在不使用高性能計算功能的情況下無法電驅的設計空間是高維的。此外，當考慮到問題的多學科和多物理場時，設計目標和約束的數(shù)量通常也很高，這導致許多優(yōu)化方法無效。面對眾多選擇，工程師面臨的一個重要挑戰(zhàn)是為原型設計選擇優(yōu)化設計候選方案。利用最先進的流程集成和多目標優(yōu)化算法可能會有所幫助。這是一個廣闊的研究領域，應用新的技術創(chuàng)新對軟件工具開發(fā)人員來說既是挑戰(zhàn)也是機遇。當非線性很重要時，實驗設計和優(yōu)化問題通常需要使用計算量大的基于有限元的分析方法來建模求解，這些模擬可能很耗時。根據(jù)手頭的問題，可能需要數(shù)千次評估。在這些情況下，必須執(zhí)行基于降階模型的性能預測。開發(fā)高保真降階模型是一項重要的算西門子數(shù)字化工業(yè)軟件4白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)最后的建模挑戰(zhàn)與創(chuàng)建全面的數(shù)字孿生有關。在本文中，我們將電驅動系統(tǒng)的數(shù)字孿生稱為它們以各種形式集成化表征的模型。等效電路或集總參數(shù)表示、低階或降階模型、響應面模型和基于有限元的模型都是機器數(shù)字孿生的示例。就目前而言，集成化電驅動系統(tǒng)模型可以實時更新，并允許在不同仿真平臺之間進行無縫模型交換，以進行多物理場和多領域分析。在上面的討論中，我們總結了當今電驅動設計開發(fā)人員面臨的一些最重要的工程、仿真和分析挑戰(zhàn)。仿真工具將在應對和克服這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮核心作用。在下面章節(jié)中，我們將更深入地介紹在電驅開發(fā)設計過程，西門子Simcenter所提供的解決方案。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件5白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電驅動系統(tǒng)開發(fā)如下圖2所示，涉及到諸多設計、驗證及其相互迭代的過程。通常來講，一個正向研發(fā)過程首先從整車需求指標分解開始，明確電驅動系統(tǒng)的各部件的設計目標，然后進行部件級詳細設計，其中包括：電磁方案以及動力性能設計、傳動方案設計、電驅動系統(tǒng)散熱設計及熱管理策略開發(fā)、電驅動系統(tǒng)的NVH設計及優(yōu)化等。待各部件性能開發(fā)完畢，工程師利用多學科系統(tǒng)仿真平臺將表征電驅動系統(tǒng)各項性能的模型進行集成，同時完成整車層面的設計指標驗證。在這個過程中，工程師需要不斷對各部件的詳細設計進行局部優(yōu)化調(diào)整，以此使整車綜合性能表現(xiàn)達到平衡。與此同時，為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，控制工程師利用前期建立的電驅動系統(tǒng)部件級模型開始控制策略的虛擬標定工作，包括：以能耗最低為目標的基波電流幅值相位標定、以輸出扭矩波動最小為目標的諧上述性能開發(fā)工作完成后，電驅動系統(tǒng)研發(fā)進入樣件試制階段。軟件工程完成控制策略的程序實現(xiàn)、硬件電路完成制版、元件焊接與基本功能調(diào)試、電機本體生產(chǎn)制造完成并與電驅動系統(tǒng)一體化集成結構完成裝配。測試階段根據(jù)實際驗證工作需要，依次完成軟件在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試、臺架測試與實車測試。工程師借助于開發(fā)階段所搭建的系統(tǒng)或部件級詳細模型，完成電驅動系統(tǒng)虛實結合的測試過程。在此過程中，數(shù)字孿生中的實物部分將逐漸替代虛擬模型部分，從而使測試環(huán)境越來越接近于系統(tǒng)真實運行環(huán)境。借助于數(shù)字孿生技術，電驅動系統(tǒng)的開發(fā)周期大幅度縮短，同時得益于虛擬仿真技術的應用，使得設計缺陷盡可能地暴露在早期驗證階段，從而大大降低了電驅動系統(tǒng)的研發(fā)成本。在以下各節(jié)中，我們將從設計和性能開發(fā)工程師的角度討論所需的仿真工具功能。在設計過程的每個階段，我們將介紹西門子數(shù)字化工業(yè)軟件6白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電驅系統(tǒng)架構差異是系統(tǒng)性能差異關鍵所在，不同系統(tǒng)架構對于所設計產(chǎn)品的成本、性能之間的差異起著決定性的作用，不同驅動方式形式的續(xù)航里程、系統(tǒng)可靠性也會有本質的差別，組成更少的集中式電驅系統(tǒng)更容易獲得更高的可靠性，輪邊電機或者輪轂電機式驅動方式的電動汽車具有更高的加速性能，但同時成本也會更高，這些重要性能的決定因素就是系統(tǒng)架構。不同架構的總體系統(tǒng)設計也決定著子系統(tǒng)與零部件的設計，例如不同的驅動形式?jīng)Q定著不同的電驅動系統(tǒng)的拓撲結構，因此合理的系統(tǒng)架構規(guī)劃有利于充分利用電動車/混動車的零部件特點和整車總體優(yōu)勢，例如成員艙空間、車身碰撞性能、更好的整車尺寸等，此外對于零部件選型和設在汽車設計概念階段，工程師通常根據(jù)直覺或以往設計經(jīng)驗進行總體架構方案設計和整車性能指標決策，這將導致設計固化從而限制架構方案的創(chuàng)新和尋求優(yōu)化方案的可能性，整車性能參數(shù)被設定后由下游開發(fā)團隊進行子系統(tǒng)性能標定，隨著越來越多的關鍵指標的確定，設計固化的問題也越來越明顯，一旦一種或局限的幾種架構方案被設定，我們可以通過仿真進行設計優(yōu)化，但此時已為時已晚，我們無法獲悉是否存在更好的架構方案。面對上述問題，我們需要一個能夠幫助工程師進行快速的架構方案創(chuàng)成和評估的工具來進行xEV架構和配置方案的探索和尋優(yōu)，SimcenterStudio是Simcenter產(chǎn)品組合中的一個應用，用于在早期概念階段生成和評估系統(tǒng)架構。該軟件包含有專利技術，以便使工程師和數(shù)據(jù)科學家創(chuàng)建新穎的、拓撲上不同的系統(tǒng)架構。SimcenterStudio還將系統(tǒng)仿真、控制方法、以及建立在最先進的機器學習和科學計算堆棧之上強化學習合并在一起，以便對數(shù)百種此類架構進行自動仿真和評估。這種方法允許工程師和數(shù)據(jù)科學家在計算筆記本中創(chuàng)建用戶定義的程序，用于創(chuàng)成式工程。SimcenterStudio可以基于用戶定義的系統(tǒng)組成、接口數(shù)量與類型等生產(chǎn)各種可能的系統(tǒng)架構和配置方案，SimcenterStudio與Amesim聯(lián)合仿真獲得各個需要評估的性能參數(shù)。Studio將Amesim中的仿真結果存儲于HDF5文件中，同時對結果數(shù)據(jù)進行后處理并可視化，形成包含了所有的架構、不同架構各參數(shù)分部圖、各種性能的統(tǒng)計結果，我們通過性能的選擇，可以獲得滿足要求的系西門子數(shù)字化工業(yè)軟件7白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)以電驅系統(tǒng)為例，基于SimcenterStudio進行架構的設計，首先基于功能分析建立電池、電機、變速器、傳動系統(tǒng)與車輛等；SimcenterStudio中可以對組件的數(shù)量進行控制，例如我們可以選擇1個、2個、3個或4個電機對汽車進行驅動，采用0或者1個齒輪箱來構建系統(tǒng)。根據(jù)工程經(jīng)驗，可以設置某個接口必須與另外一個接口相連接或無法連接的限制連接或者指定連接條件，從而生成符合要求的系統(tǒng)架構。同時，SimcenterStudio可以設置各個組件減速器速比等等。基于上面設置的限制條件與組成設置、接口設置要求，SimcenterStudio基于AI技術最終可以自動生成滿足條件的西門子數(shù)字化工業(yè)軟件8白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)Studio通過調(diào)用Amesim仿真計算可以獲得各種架構和配置方案下汽車百公里加速時間，這是汽車動力性能評估主要的指標之一。Studio生成除了百公里加速外，其他如能耗、里程等方面的計算結果，結果中包含了所有的架構、不同架構各參數(shù)分部圖、各種性能的柱狀統(tǒng)計結果，我們通過性能的選擇，可以獲得滿足要求的系統(tǒng)架構。圖6不同架構所獲得的百公里加速時間及能耗結果西門子數(shù)字化工業(yè)軟件9白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電動汽車設計初始階段，根據(jù)市場需求調(diào)研、用戶反饋和對標車型的性能參數(shù)、工程師已經(jīng)拿到待研發(fā)車型的整車級動力性、經(jīng)濟性指標，例如：標準法規(guī)循環(huán)工況下的續(xù)航里程，百公里加速時間、超車加速時間、最高車速、最大爬坡度等。如何根據(jù)這些整車級的性能指標來定義電驅動系統(tǒng)的部件性能，是整車性能工程師面臨的首要問題。這些部件的性能指標既包含了動力方面，同時還包圖7整車需求分解與部件設計目標確立我們尋求根據(jù)車輛類別、典型驅動循環(huán)和約束、車輛性能指標等來推導出要設計的電驅系統(tǒng)的目標性能。在此階段，將執(zhí)行系統(tǒng)級分析，在分析中組件尺寸和配置以及傳動系統(tǒng)拓撲可能會發(fā)生變化。結果用于確定所需的電機性能特性。這些特性可能包括峰值和連續(xù)工作模式下的功率、速度范圍、效率水平等。從軟件角度來看，需要一個快速的1D系統(tǒng)仿真工具來考慮多種xEV動力總成配置和組件尺寸變化。對于電機部件，需要不同電機類型的速度-扭矩-效率圖來計算到車輪的效率和其他性能參數(shù)，如能耗、加速時間、車輛續(xù)航里程和爬坡能力。除了效率圖變化外，還可以研究改變電池類型和尺寸、逆變器/轉換器開關策略、開關損耗、電流或功率限制、單速或多速傳輸、冷卻方法、NVH特性和再生制動模式模擬的影響。最終，系統(tǒng)級仿真工具將促進不同電機類型、傳動系配置、電力電子仿真和齒輪配置的模型參數(shù)化。系統(tǒng)級仿真的實用性不僅限于尺寸調(diào)整，它可以在設計的所有階段用于評估器件性能，以進行熱、NVH和/或其他分析。從驅動電機設計的角度來看，至關重要的是該工具不會將設計人員限制在任何特定的電機類型或配置上，并且可以不受限制地進行設計探索。例如，對于驅動電機設計，希望能夠縮放電機的效率圖。同時，設計人員應該能夠考慮溫度對電機輸出的影響。這些是系統(tǒng)級仿真軟件在設計過程的迭代階段為牽引電機設計所期望的一些重要功能。SimcenterAmesim軟件專為應對這些挑戰(zhàn)而設計。它是多領域、多物理系統(tǒng)一維仿真的行計和其他特定領域的多物理場工具緊密結合，它使設計人員和分析人員能夠在開發(fā)過程的任何階段評估設計迭代的影響并優(yōu)化其設計。最強大的方面之一是內(nèi)置功能，用于在多個保真度級別表示可擴展的牽引電機模型。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件10白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)SimcenterAmesim中電機表示的各種保真度級別包括線性化、完全非線性和溫度相關的模型。這些模型用于驅動設計、熱系統(tǒng)以滿足整車動力性的部件設計指標的確立為例進行說明。根據(jù)整車的動力性經(jīng)濟性需求，需要明確的部件參數(shù)包括：電機峰值/額定扭矩、峰值/額定功率、最高轉速、額定轉速，減速比等。工程師可以借助SimcneterAmesim系統(tǒng)仿真平臺搭建整車性能仿真模型，該模型包括了電機、減速器、電池包、VCU、駕駛員、整車等電驅動系統(tǒng)及其相關系統(tǒng)的關鍵部件。通過預設電機的外特性參數(shù)、電驅動系統(tǒng)效率、減速比、電池單體容量以及成組方式，可以輕松獲得整車的動力性和經(jīng)濟性表現(xiàn)。圖8基于模型的整車級需求分解與驗證在此基礎上工程師根據(jù)現(xiàn)有不同產(chǎn)品選型，對滿足整車級指標需求的多方案設計進行綜合分析和優(yōu)化，例如以電驅動系統(tǒng)的總體效率、動力性能輸出為評價依據(jù)，綜合考慮電機外特性參數(shù)與減速比的匹配性設計，從而確定滿足系統(tǒng)級指標的最合適部件性能西門子數(shù)字化工業(yè)軟件11白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)在確定給定應用所需的電機外特性后，開始進行電機初始化設計，然后進行迭代。這是概念開發(fā)過程的主要步驟之一。在此期間，尋求可行的設計或滿足上一步得出的目標性能標準的幾個候選設計。除了獲得滿足性能目標的候選設計外，確保最終設計與適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)兼容，并能在各種負載條件下保持結構完整性也很重要。此階段的關鍵步驟是設計初始化、材料選擇、繞組模式選擇和幾何形狀的微調(diào)。從軟件工具的角度來看，需要許多重要的功能。首先，在此階段，快速獲得結果和性能計算至關重要。通過不同的電機拓撲結構、繞組配置和材料來探索設計只是尋找可能候選者的眾多參數(shù)中的一小部分。需要快速評估以了解這些變化對電機性能的影響。這意味著與探索各種選項相關的計算規(guī)模必須是最小的。理想情況下，在此階段需要使用模板化的快速（解析或半解析）計算方法。其次，必須具有創(chuàng)新的靈活性。正在為下一代高功率密度電機探索的一些最有潛力的設計選項是基于增材制造工藝和新材料應用產(chǎn)生的非常規(guī)拓撲。在此設計步驟中使用的任何軟件都應支持典型和非典型拓撲的設計探索。第三，探索實現(xiàn)下一代電驅動目標性能的主要途徑之一是與材料工程相關的創(chuàng)新。一個好的電機設計軟件應該包含廣泛的材料庫，包括電磁、熱和機械特性的綜合數(shù)據(jù)庫。軟件中的求解器技術應該能夠用于根據(jù)制造商提供的材料和損耗數(shù)據(jù)準確計算遲滯和渦流損耗。它還必須能夠支持分析由于溫度變化、機械應力等引起的物理效應而導致的材料性能變化。第四，驅動由逆變器驅動，逆變器會對電機性能和系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。設計工程師通常需要能夠考慮逆變器及其控制策略影響的分析功能。這包括評估開關損耗以及驅動諧波對電機性能及其NVH特性的影響。在設計的這個階段，進行詳細的多物理場冷卻系統(tǒng)設計或NVH分析并不重要。但是，重要的是要確保歐姆和其他損耗不會降低電機性能，或者更糟的是，導致災難性故障。因此，能夠計算一些參數(shù)非常重要，這些參數(shù)將有助于確保電機安全在正常運行下不會受到損害。理想情況下，可以使用基于集總參數(shù)或低維耦合電磁-熱耦合仿真來確保電機的熱可靠性。同樣，在此階段不需要詳細的NVH分析。然而，評估組件界面之間的力分布、表面節(jié)點力分布、氣隙通量密度諧波含量和局部應在Simcenter工具組合中提供了SimcenterSPEED和SimcenterMotorsolve工具，形成了一個出色的組合，可提供基于磁路的快速（~秒）和基于有限元的高精度（~秒/分鐘）電機性能結果。SimcenterSPEED軟件（1980年代后期發(fā)布）將分析磁路和基于模板的方法商業(yè)化，SimcenterMotorsolve軟件（2008年發(fā)布）為基于模板的電機有限元分析工具。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件12白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)這些工具的一些基本功能是提供各種保真度級別的多個分析選項。其中包括電流和電壓驅動仿真、基于等效電路的PWM分析、D軸和Q軸分析、完整的基于有限元的瞬態(tài)和運動仿真等。SimcenterMotorsolve包括一個全面的磁性材料庫，涵蓋廣泛的軟磁和硬磁材料，冷卻材料等。同時軟件還包含一些其他擴展功能：包括永磁體退磁預測、系統(tǒng)模型接口和電磁力計算、輸出節(jié)點力的能力、溫在單個軟件系列中實現(xiàn)如此全面的功能是獨一無二的。Simcenter旨在為解決前面提到的問題和挑戰(zhàn)提供解決方案。圖9顯示了西門子數(shù)字化工業(yè)軟件13白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)上一步的主要目標是獲得滿足系統(tǒng)級選型期間確定的性能標準的單個或多個設計選項。另一個重要目標是確保為這些選擇實施實用、經(jīng)濟高效。將其縮小到幾個候選者后，接下來進行詳細分析。在此階段，可能會進行基于二維和/或三維有限元分析的電磁仿真，以驗證電機性能，改進幾何形狀以優(yōu)化磁通分布并減少泄漏，分析系統(tǒng)故障，包括退磁預測，靈敏度分析，耦合電磁熱仿真，結構分析和設計優(yōu)化。還評估了電機在各種負載條件（連續(xù)、峰值、應該指出的是，其中一些分析實際上也可以在上一步中進行，盡管是低保真水平。計算密集型的（3D有限元和多物理場）通常留給這個階段。需要注意的重要一點是，此階段使用的分析方法應該是計算上可行的最準確的。對于大多數(shù)問題，這意味著將使用基于有限元的方法。從軟件的角度來看，與上一階段類似，關于所需功能可以說很多。但是，我們將重點關注與前面確定的工程和仿真挑戰(zhàn)直接相關的方面，從與高效電機開發(fā)相關的挑戰(zhàn)開始。準確計算電驅動效率有兩個主要要求：第一，獲得準確的場求解器，第二，計算損耗。事實上，這些要求是相互關聯(lián)的。電機中有兩種主要的電磁損耗源：歐姆（直流和交流）和鐵損（包括遲滯和渦流損耗）。直流歐姆損耗是眾所周知的，可以使用分析方法準確計算。交流歐姆損耗需要基于時諧場或基于瞬態(tài)場的有限元仿真。計算鐵損困難的原因很復雜，包括模擬各種環(huán)境條件下的復雜材料行為、制造效應、電機控制策略的效果等。另一個重大挑戰(zhàn)與多物理場仿真有關。在設計階段，一旦電磁性能得到驗證，就需要完全耦合的電磁-熱仿真，以確保在峰值和額定條件下，電機的性能水平可以通過適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)保持。需要溫度升高對材料的電性能和磁性的影響。理想情況下，需要基于有限元的電磁-熱仿真，其中傳熱系數(shù)基于經(jīng)驗分析和/或基于CFD的計算。在某些情況下，將基于有限元的2D電磁與基于3DCFD的熱分析相結合也將是一個不錯的選擇。最終，電磁模型所需的保真度級別取決于要解決的特定問題?，F(xiàn)在讓我們考慮一下Simcenter處理這些問題的解決方案。Simcenter包含電磁、熱（包括經(jīng)驗和基于CFD的求解器）仿真工具，例如SimcenterMAGNET軟件是通用2D/3D電磁分析工具。它是第一個應件。自成立以來，它在開發(fā)電磁設備設計問題的尖端仿真功能方面一直處于領先地位。最近，西門子為Sim個磁滯場求解器，它是提供精確場解決方案的行業(yè)領導者?？紤]到前面討論的設計挑戰(zhàn)，我們需要在設計周期中考慮高階效應。SimcenterMAGNET中的磁滯求解器是實現(xiàn)術類型的一個例子。與傳統(tǒng)方法相比，該技術顯著提高了鐵損計算的準確性。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件14白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)設計容錯和魯棒設計是另外兩個電機設計挑戰(zhàn)。電機故障的一些典型來源包括線圈和繞組短路、導致軸偏心的軸承退化、電壓波動引起的電流浪涌、過流或溫度浪涌引起的永磁體退磁和/或其他物理損壞。此外，制準。另外，對軸承退化導致偏心率的影響進行建模需要耦合的六自由度機電仿真，這既耗時又困難。對于軟鐵材料，磁性（B-H）特性和鐵損耗可能與制造商提供的數(shù)據(jù)有很大差異。對這些效應（包括材料非線性）進行建模可能需要高保真模型。針對這些，我們可以使用Simcenter中的一些工具進行分析。由于電氣和/或熱系統(tǒng)故障引起的故障條件可以使用SimcenterMAGNET進行模擬，包括使用耦合的電磁-熱分析功能。由于軸承退化引起的機械故障可以使用SimcenterMAGNET六自由度運動建模功能進行分析。為了防止高壓組件之間的短路，可以使用SimcenterMAGNET電場求解器計算電場強度。SimcenterMAGNET3D退磁仿真功能可用于識別永磁體中由于過流和/或高溫故障而容易退磁的局部區(qū)域。通常，SimcenterMAGNET可用于確保大多數(shù)電氣故障的容錯能力?？捎糜谶M行靈敏度分析，多目標優(yōu)化問題中的降維，相關空間研究等。響的區(qū)域，從而影響電機性能。這些類型的結果有助于保護電機性能免受系統(tǒng)故障的影響。圖10軸向永磁電機（左）及其高溫下的退磁預測場此外，在面對輪轂電機或者輪邊電機的設計時，電機的輕量化設計問題也是十分重要的方面。為了提升整車車輛動力學特性，輪邊或者輪轂電機的設計要在滿足動力學要求下盡可能減小重量。面對這樣的挑戰(zhàn)，可以采用優(yōu)化軟件驅動電磁場仿真在滿足性能前提西門子數(shù)字化工業(yè)軟件15白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)西門子數(shù)字化工業(yè)軟件16白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電驅動系統(tǒng)設計另一個重大挑戰(zhàn)與多物理場仿真有關。其中結構強度、可靠性及振動噪聲是結構方面主要關注的方面。對電驅動進行機械分析和NVH分析，以防止結構故障，以減少諧波的影響，避免共振并符合健康和安全標準。這一階段的分析是在詳細設計階Simcenter3D提供完整的有限元前后處理環(huán)境，包括幾何建模、清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質量檢查、網(wǎng)格編輯、材料與單元屬性定義、載荷與邊界條件定義、分析工況定義以及各類后處理功能。這可以支持用戶方便的進行結構強度分析。對于電驅動系統(tǒng)的NVH仿真是典型的多物理場仿真的應用。下面我們以其為例詳細說明。電驅振動噪聲來源于電機電磁激勵及減速器的齒軸激勵。這些都會通過殼體振動輻射到空間中產(chǎn)生噪聲。因此，系統(tǒng)的采樣多領域及多物理場仿真分析獲取準確的載荷以及進行恰當?shù)恼駝釉肼暦抡娣治鍪鞘种匾?。電磁仿真需要采用考慮運動的時域求解器，因此往往采用2D模型提高仿真分析效率。結構有限元模型往往為三維網(wǎng)格，求解采用頻域算法。電磁仿真的模型和結構仿真模型是兩套不同的模型網(wǎng)格。Simcenter3D中電磁力處理工具可以快速方便的解決從電磁仿真到振動噪聲仿真之間電磁力處理的問題。對于電驅動NVH分析的載荷多體動力學分析工程師來說，高效便捷的建模工具非常重要。Simcenter3DMotion提供專門的參數(shù)化變速箱建模工具箱TransmissionBuilder。如下圖13所示，基于該工具，用戶可以根據(jù)變速箱的原理簡圖、各部件參數(shù)快速準確的得到變速箱的多體動力學模型。對于變速箱而言，合理的輪齒微觀修形可以顯著提高其性能。在TB中提供了完備的輪齒微觀修形功能。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件17白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)基于Simcenter3DMotion中原有的的齒輪接觸算法，TransmissionBuilder擴展增加了齒輪嚙合力計算方法。在齒輪接觸檢測方面，增加了分片檢測的功能，從而可以考慮齒輪修形、齒輪不對中引起的動態(tài)效應。對于齒輪嚙合力/嚙合剛度計算，軟件提供了基于ISO標準及用戶定義傳遞誤差；基于解析公式計算以及基于柔性接觸的高級算法三種方法。高級齒輪嚙合力計算方法用于模擬輪輻結構剛度變化引起的齒輪嚙合力動態(tài)效應。同時結合有限元分析，可以對輪輻結構剛度變化引起的齒輪嚙合力動態(tài)效應進行精確Simcenter3DMotion求解器基于時域進行求解，可以對系統(tǒng)進行柔性化建模處理，包括殼體的柔性化、軸的柔性化及齒輪的柔性化。電驅動總成的時域多體動力學模型載荷輸入可以由電磁場仿真得到的轉矩波動作為輸入進行分析。在實際加載中可以考慮電機無論是結構激勵還是電磁激勵，都會激勵起結構殼體的振動，進而產(chǎn)生噪聲。因此，采用正確的方法和手段對殼體，尤其是對整個系統(tǒng)級的裝配體進行動力學建模，獲取準確的結構模型用于振動仿真分析是十分重要的。對于復雜結構來說最有效的方法是采用有限元模型修正的方法，通過試驗驗證仿真模型。通過試驗振型與仿真振型的相關系數(shù)MAC、試驗傳函與仿真?zhèn)骱南嚓P系數(shù)FRAC、對仿真模型的置信度進行評估。通過Simcenter3D模型修正，進一步通過驅動有限元求解器的優(yōu)化功能，可以完成優(yōu)化迭代過程，從而使仿真模型與試驗模型更加一致。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件18白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)圖14結構模態(tài)試驗仿真相關性分析及模型修正在電磁激勵和齒軸激勵的共同激勵下，Simcenter3D可進行電驅動總成振動噪聲分析。軟件支持模態(tài)法求解器和直接法求解器的結構求解。對于剛度隨頻率變化不大的系統(tǒng)和結構，可以采用模態(tài)法進行結構振動噪聲響應分析，對于結構剛度隨頻率變化的部分，如考慮減震系統(tǒng)的影響時，則需要采用直接法進行振動噪聲分析。Simcenter3D中提供的完整豐富的求解功能支持各種情況的求解?；诼暡ú▌臃匠叹_理論和聲學有限元/邊界元數(shù)值方法的工業(yè)標準級求解器，可以實現(xiàn)快速、準確的聲學求解預測，并同時將最復雜的因素考慮進來，使用得到企業(yè)驗證的聲學有限元/邊界元分析技術可以在保證求解速度、精度的前提下確保仿真分析的可信度?？紤]到電驅動總成輻射噪聲寬頻段與高頻的噪聲特點，Simcenter3D中提供的多種快速求解技術幫助提高噪聲分析效率。FEM-PML/AML完美匹配層有限元技術在將有限元求解速度提高10+倍的同時，極大地拓展聲技術有些類似于無限元方法中的無反射邊界層概念，但理論上比無限元先進，可以認為是無限元的替代技術，可以大大減少聲學網(wǎng)格FEMAO自適應階次聲學有限元求解器打破了原有六分之一波長的網(wǎng)格尺寸劃分要求，可以從一個較粗的有限元網(wǎng)格進行求解，并且隨著分析頻率的增大有自動的進行加密。這樣就使得每個分析頻率都可以采用一個較少的自由度進行求解。從而使得該求解的速度相對于傳統(tǒng)有限元得到了很大幅度的提升，并且需要很少的內(nèi)存。因此對于電驅求解需要涵蓋幾百Hz到上萬Hz的問題，采用自適應求關，這意味著ATV技術特別適合于多工況分析，像電驅動總成加減速工況和結構設計參數(shù)優(yōu)化。該技術在載荷和設計參數(shù)變化的仿真計算中顯示出巨大的優(yōu)越性，因為只要不改變有限元模型的拓撲結構就不需要重新運行求解器。另一個優(yōu)點是與結構計算相比，ATV計算頻帶更寬，因為ATV是頻率的光滑函數(shù)。依據(jù)電驅動總成的幾何結構，建議使用5Hz到25Hz寬的頻帶。使用大的頻帶可以節(jié)省聲西門子數(shù)字化工業(yè)軟件19白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)在結構設計中另一個方向是采用先進的仿真計算實現(xiàn)結構輕量化設計。Simcenter3D創(chuàng)成式優(yōu)化設計可以有效幫助用戶實現(xiàn)這統(tǒng)，生成潛在的可行性設計方案幾何模型，然后進行自動化設計綜合，從而篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。創(chuàng)成式優(yōu)化設計方法包括拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、制造優(yōu)化甚至是規(guī)則驅動的參數(shù)技術。這些優(yōu)化設計（有時稱為仿生化）不能通過傳統(tǒng)的設計方法完成，也不能使用傳統(tǒng)的減法制造方法生產(chǎn)。與傳統(tǒng)設計方法相比，創(chuàng)成式設計讓產(chǎn)品開發(fā)人員有機會探索更多設Simcenter3D創(chuàng)成式優(yōu)化設計軟件，覆蓋產(chǎn)品概念設計、詳細設計及驗證等各個環(huán)節(jié)，包括模型設計、拓撲優(yōu)化、模型輕量化設計、模型驗證、模型打印準備、模型質量檢查等環(huán)節(jié)，所有業(yè)務環(huán)節(jié)都可以在統(tǒng)一的軟件環(huán)境實現(xiàn)，不需要切換軟件，不需要數(shù)據(jù)格式轉化，這是西門子獨有的技術優(yōu)勢，幫助用戶對現(xiàn)有業(yè)務進行流程化，提高業(yè)務開展的效率。圖16創(chuàng)成式結構輕量化優(yōu)化設計西門子數(shù)字化工業(yè)軟件20白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電機在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的損耗，都會以熱量的方式表現(xiàn)出來?；旌蟿恿ζ嚮蛘呒冸娦履茉雌嚨尿寗与姍C采用的是永磁同步電機，永磁同步電機對散熱的要求極高，這是因為磁鐵在高溫的環(huán)境下是可以消磁的，若因電機散熱不佳導致消磁車輛失去動力，這將新能源汽車電驅動系統(tǒng)由于其結構小、能量密度高的特點，會造成熱量更加集中，從而需要更加有效的散熱設計。而且，由于驅動電機和變速器集成化設計的需要，電驅和變速器的熱量都需要更小、更簡單的冷卻方式，以有效滿足散熱設計。電驅散熱性能分析的目的在于獲得電驅動系統(tǒng)在不同工況下的三維詳細溫度場，判斷冷卻系統(tǒng)的設計是否滿足電驅散熱的需要，如果不滿足設計需要，則需要修改冷卻系統(tǒng)設計，預測冷卻系統(tǒng)性能以滿足散熱的需要。新能源汽車電驅動系統(tǒng)散熱主要有3種方式：風冷、水冷、油冷，或者多種冷卻方式混合使用。風冷是通過冷卻風扇直接吹拂電機的方式進行冷卻。這種冷卻方式的散熱不均勻，散熱效率低，散熱效果不好，風機運行的噪音相對較大。這種冷卻方式適合于電機輸出功率不高的微型車。水冷則是用冷卻液充滿電機殼體內(nèi)部的水道，然后連接一個外部的散熱量，從而把電機的熱量帶走。這樣做的好處是電機和電池包可以共用一套冷卻系統(tǒng)。但是水冷方式的缺點也很明顯，由于電機的高溫部分主要集中在定子繞組的端部，熱量要通過絕緣層、定子外殼和水道才能被冷卻液帶走，這無疑會影響散熱的效果。而且由于額外的水道，電機的體積也會增加。油冷的方式是把潤滑油直接噴淋在定子繞組的端部，直接對高溫部件進行冷卻，同時通過轉子旋轉軸開孔的方式，將冷卻液噴淋到轉子上。研究表明，在相同工況下，油冷電機的內(nèi)部各溫度比水冷電機的內(nèi)部溫度要低15%以上，油冷電機達到熱平衡的時間會更短。因為電機在運轉的過程中，繞組的端部往往是發(fā)熱最嚴重的區(qū)域，差不多能占到電機熱量的40%。而更深層的轉子深處的熱量也無法帶走，這就衍生出全新一代油冷散熱技術，直瀑油冷，不僅在繞組端部油液沁入散熱，更是在轉子整體做油液噴淋，使得整個電油冷方式可以把電驅和變速箱集成在一起，減小了設備尺寸，這是當前新能源汽車電驅散熱研究的重點方式。但油冷電機散熱性能的分析存在著一些應用的困難，這是因為：?由于電驅動系統(tǒng)的轉子較高的轉速（一般高達每分鐘數(shù)萬轉），而且噴淋冷卻是典型的多相流（空氣相，潤滑油相）應用，因此西門子數(shù)字化工業(yè)軟件21白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)因此，如何解決這兩個相互矛盾的點，是油冷電機散熱性能分析的重點和難點。傳統(tǒng)上基于有限體積方法進行仿真分析，其計算時間通常需要數(shù)周，這在工程上是不經(jīng)濟的，也是不允許的。西門子Simcenter采用將流動和換熱分離開來，分別建立各自的模型，流體采用瞬態(tài)模擬，固體采用穩(wěn)態(tài)模擬，將兩個模型耦合秀的、基于有限體積法的CFD軟件，其在復雜幾何處理、計算效率上相對于同類型軟件具有明顯優(yōu)勢。在耦合方案中，SimcenterSPHFlow計算瞬態(tài)液體噴淋以及對流換熱，將對流換熱系數(shù)傳遞給SimcenterSTAR-CCM+；SimcenterSTAR-CCM+進行問題固體溫度場計算，將固體表面溫度傳遞給SimcenterSPHFlow。通過多次反復的耦合過程，直至達到溫度場“穩(wěn)定”狀態(tài)。下圖說明了耦合的過程。使用Simcenter耦合方案，電驅動系統(tǒng)油冷散熱分析周期從數(shù)周降低為數(shù)天，計算效率提高了6倍，可以有效滿足產(chǎn)品開發(fā)周期的西門子數(shù)字化工業(yè)軟件22白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)此外，電驅散熱性能分析中，可以使用HEEDS進行優(yōu)化分析，通過HEEDS，可以優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設計，比如噴淋孔位置和流量，從西門子數(shù)字化工業(yè)軟件23白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)對于新能源汽車來說，電控系統(tǒng)相當于整車的“大腦”，它的性能決定了車輛能耗、排放、動力、舒適性等主要的性能指標。在節(jié)能減排的要求下，電控系統(tǒng)的整體呈現(xiàn)功能越來越復雜、集成度越來越高的發(fā)展趨勢，這意味著電控系統(tǒng)的散熱問題愈發(fā)凸顯。事實上，50%以上的電子系統(tǒng)失效都是由于溫度導致，所以必須采取高效的冷卻方式以及合理的散熱設計，才能保證電控系統(tǒng)的安全電驅電控系統(tǒng)散熱設計中最核心的部件是電驅主控制器和功率變換器（包括DC/DC變換器和DC/AC逆變器），冷卻方式可以采用風冷或者液冷。在新能源汽車的集成化電驅動系統(tǒng)中，主要以液冷設計為主，與電機、電池冷卻方式一致，結構更為緊湊，便于系統(tǒng)化設計和管理。對于功率稍小的輔助控制器，也會根據(jù)安裝空間等條件，選擇被動冷卻或風冷的散熱方式。電控系統(tǒng)散熱設計的首要目的是獲得關鍵功率器件結溫和控制器整體的三維溫度場，確認電子元件處于安全的工作溫度范圍。除此之外，液冷分析還需要根據(jù)分配的冷卻流量，通過設計和優(yōu)化冷板結構，保證功率器件溫度的均勻性，同時盡量降低冷板壓降，減小流動損耗。被動冷卻或風冷需要優(yōu)化散熱器結構，進行風扇選型和位置優(yōu)化，避免散熱路徑上出現(xiàn)導熱瓶頸或熱風回流。電控散熱設計主要有三個難點：1，跨學科跨部門協(xié)作。電控系統(tǒng)的散熱設計與電子電氣設計和結構設計密不可分，熱設計工程師應用來自電子電氣工程師的EDA文件和來自結構設計工程師的三維CAD模型進行熱流仿真分析，在設計發(fā)生變更時需要及時同步模型數(shù)據(jù)。不同部門的工程師所用工具能否無縫集成，模型數(shù)據(jù)是否有統(tǒng)一真實的來源，決定了熱設計的效率。2.難以在設計早期定位潛在散熱問題。很多散熱問題在概念設計階段就已經(jīng)存在了，只是傳統(tǒng)的設計方式通常先分別進行電子電氣和結構設計，之后再進行熱符合性驗證，散熱問題發(fā)現(xiàn)得比較晚，導致大量的返工和重新設計。3.汽車電控系統(tǒng)仿真前處理工作量大，影響研發(fā)周期。對于集成度高的電驅電控系統(tǒng)如三合一系統(tǒng)，整體結構非常復雜，如果在傳統(tǒng)CFD工具中進行整機熱流分析，幾何清理及網(wǎng)格劃分可能花費數(shù)天甚至數(shù)周的時間，影響整體開發(fā)進度。故而很多時候，不得不將三合一系統(tǒng)拆分，分別進行分析設計。但電控模塊所處環(huán)境復雜，各部分的流場和溫度場互相影響，分開分析很難給定準確的邊界如何解決上述難題，是提高研發(fā)效率、加快設計創(chuàng)新的重點。SimcenterFlotherm(XT)和FloEFD是西門子Simcenter解決方案中專為電子熱設計而開發(fā)的仿真工具，旨在幫助研發(fā)團隊應對電控系統(tǒng)熱設計中的挑戰(zhàn)。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件24白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)建模庫，提供機箱、PCB、風扇、散熱器、熱管、熱界面材料等模型和數(shù)據(jù)，以及功率電子和控制器芯片的常用封裝模型如BGA、QFN、TO等等，可直接在概念設計階段快速建立主控制器和功率電子器件的簡化模型，從而在沒有詳細結構和電子電氣設計的時候，提前發(fā)現(xiàn)潛在的散熱問題，論證散熱方案，優(yōu)化PCB布局，為結構和電氣工程師提供設計建議。結構設計工作環(huán)境中完成全部的CFD前后處理和求解。當設計發(fā)生改變時，CFD仿真設置也同步更新。FloEFD獨特的SmartCells網(wǎng)格技術能夠自動識別流體域，使得工程師無需對復雜幾何模型做手動簡化和清理，同時自動進行網(wǎng)格加密和邊界層處理，能夠節(jié)省70%-80%的前處理時間，從而大幅提高散熱設計效率。通過FloEFD自帶的設計優(yōu)化模塊，或集成到HEEDS平臺，可以自動優(yōu)化冷板、散熱器結構，廣泛應用于功率電子模塊或電控系統(tǒng)整體的液冷散熱設計。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件25白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)考慮到車載電子所處的高溫和振動環(huán)境，工程師也可以從FloEFD中輸出多種格式的三維溫度場和流場結果，結合有限元工具進行熱-結構耦合分析，如封裝焊球的蠕變和熱疲勞分析。Flotherm(XT)和FloEFD還可以輸出邊界無關的降階模型，與一維系統(tǒng)仿真工具結合進行1D-3D協(xié)同分析，使系統(tǒng)設計具備預測溫度的功能，例如在液冷系統(tǒng)設計中考慮流量分配對IC結溫的實時影響，分析逆變器中IGBT溫度在真實駕駛循環(huán)中的瞬態(tài)變化，以及動態(tài)溫度調(diào)控策略仿真等等。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件26白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)對于電驅系統(tǒng)的仿真分析，傳統(tǒng)方法是將不同的結構分割，然后再分領域的進行設計仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨立，系統(tǒng)級集成往往在后期階段完成?；蛘卟捎枚辔锢韴雎?lián)合仿真的方法，創(chuàng)建二維或者三維模型，采用有限元方法進行仿真分析，這些模型相對精度較高，但是其求解過程往往需要消耗大量的時間和計算資源。圖20傳統(tǒng)集成分析流程：順序仿真(上圖）和三維多物理場仿真(下圖)隨著開發(fā)周期壓縮的壓力和產(chǎn)品集成度的提高，采用集成化的方式進行系統(tǒng)級的設計仿真，同時兼顧電機和控制器的性能的方式應運而生。即在系統(tǒng)級采用一維模型，設計空間或者實時仿真。在部件級采用一維、二維和三維模型的混合模型。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件27白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)在其中，一維系統(tǒng)仿真往往都會采用SimcenterAmesim來搭建，不同層級的零部件模型會通過聯(lián)合仿真或者模型降階的方法與系統(tǒng)模型聯(lián)合，最終形成一個包含各個層級維度的系統(tǒng)模型。Simcenter中的工具及其直接和間接連接提供了一個獨特的平臺，可用于探索傳統(tǒng)設計方法的替代方案。同時Simcenter將整個過程做的更加自動化、接口更加方便，以同時方便設計工程師和仿真工程師來使用。下面我們將舉幾個典型的案例予以說明。動力性能迭代驗證獲得電機的詳細設計參數(shù)后，工程師利用SimcenterAmesim將這些參數(shù)導入整車及電驅動系統(tǒng)的詳細模型中，完成對電機詳細設計的整車級迭代驗證。驗證內(nèi)容包括初始設計階段所述動力性和經(jīng)濟性的各項指標。該階段所用到的電驅動系統(tǒng)模型較初始階段的功能模型顆粒度更為精細，具體表現(xiàn)為電驅動系統(tǒng)模型對控制器和電機本體進行區(qū)分，電機本體外特性不再采用用戶定義的方式，而是根據(jù)電機設計部門給出的詳細參數(shù)計算得到。同樣的，控制器功率單元的效率也能夠根據(jù)器件手冊中的半導體工作特性計算得到。綜上所述，電驅動系統(tǒng)的詳細動力性能在這一階段得到了驗證。圖22加載電機詳細電磁性能的整車級指標驗證散熱性能分析及熱管理策略電機內(nèi)部溫升過高不僅會縮短電機內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會降低電機的運行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機溫度進一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴重影響電機壽命和運行安全性。據(jù)統(tǒng)計，30%~40%的永磁電機失效是由電機溫升過高引起的。因此，采用高效的散熱系統(tǒng)抑制電機溫升是電機向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關鍵。相較于風冷散熱，液冷散熱具有更高的換熱效率，可以達到前者的50倍，適用于電機發(fā)熱量大，熱流密度高的散熱場合。因此，車用電機的多采用水冷或油冷這兩種液冷散熱方式。水冷散熱系統(tǒng)的流道結構是影響其冷卻效率的關鍵因素，工程師通過優(yōu)化西門子數(shù)字化工業(yè)軟件28白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)流道結構參數(shù)提高水冷散熱的冷卻效率。通過通過增加流道數(shù)量、在冷卻流道中添加擾流結構和增加冷卻水流量等方式可以有效提高冷卻效率，但同時也導致壓力損失明顯增大。因此，在實際應用中需要綜合考慮水道換熱能力和壓力損失以設計合適的水道結構。直接油冷散熱系統(tǒng)的冷卻油與電機內(nèi)部發(fā)熱部件直接接觸，具有極高的散熱效率，是解決高功率密度電機散熱難題的有效方案，目前正在被越來越多的電驅動系統(tǒng)供應商所采納。但直接油冷循環(huán)系統(tǒng)的設計復雜度比水冷循環(huán)的設計更加復雜，需要較為詳細的仿真驗證與評估過程才能使系統(tǒng)散熱效率達到最佳。無論是水冷散熱還是油冷散熱系統(tǒng)，都涉及到液冷循環(huán)回路的流量和壓力計算，以及冷卻工質和電機本體間的換熱計算。通常采用的方法是通過CFD和熱網(wǎng)絡法相結合的方式，利用CFD精細化的網(wǎng)格劃分計算得到電機液冷循環(huán)系統(tǒng)在典型工況下的穩(wěn)定流動狀態(tài)以及換熱效果，然后通過離散化處理，在多學科系統(tǒng)仿真環(huán)境中得到電機本體、減速器、以及液冷循環(huán)系統(tǒng)的熱網(wǎng)絡模型，進而加載動態(tài)工況完成進一步的散熱設計驗證。采用SimcenterAmesim可以幫助工程師快熱網(wǎng)絡模型，同時，用戶可以在SimcenterAmesim環(huán)境下對該熱網(wǎng)絡模型進行任意調(diào)整已完成電機本體、減速器、液冷循環(huán)系統(tǒng)的集成，從而在保持仿真精度的同時，大大提升仿真閉環(huán)動態(tài)工況下的仿真計算速度。圖23電機熱網(wǎng)絡法的仿真評估的自動化實現(xiàn)流程西門子數(shù)字化工業(yè)軟件29白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)圖24液冷循環(huán)系統(tǒng)的流量分配仿真評估控制器功率模塊散熱設計控制器功率模塊為電機控制器的核心部件，電機驅動系統(tǒng)的大容量控制需求，使功率模塊向高頻化、大功率化以及高度集成化方向發(fā)展。IGBT/SiC是目前車用電機控制器功率模塊普遍采用的半導體技術，同時也是電機控制器的主要熱源，在處理波動的功率流工作過程中，IGBT/SiC產(chǎn)生的功率損耗導致其結溫的升高與波動，導致芯片性能衰減，甚至造成鍵合線斷裂等失效形式。因此，進行結溫估算研究對于提高電驅動系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)精準熱控制及部件保護具有重要意義。目前常用的結溫估算模型例如Foster熱網(wǎng)絡法，需要通過熱阻測試儀，例如：T3STER，或基于CFD的專業(yè)電子散熱仿真工具，例如：SimcenterFloTherm，測量或計算得到功率模塊的降階熱網(wǎng)絡模型。該熱網(wǎng)絡模型可以直接導入SimcenterAmesim中與電驅動系統(tǒng)其他部件模型集成，并應用于動態(tài)閉環(huán)工況的仿真。工程師采用上述方法能夠大大縮減仿真計算耗時，從而加快功率模塊散西門子數(shù)字化工業(yè)軟件30白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)車用永磁同步電動機具有結構緊湊、功率密度高、氣隙磁通高以及轉矩慣性比高等優(yōu)點，電機輸出轉矩平滑度是衡量驅動系統(tǒng)性能的重要指標，而電機電流中的高次諧波是影響電機輸出轉矩平滑度的主要因素。造成電機電流諧波因素主要有兩方面原因：1）電機本體方面，如齒槽效應、繞組分布形式、磁路磁飽和效應、轉子磁極結構等引起的電機氣隙磁場畸變；2）逆變器方面，如開關器件的死區(qū)時間、管壓降等非線性特性。同時，減速器齒輪的剛度和慣量也會引起電驅動系統(tǒng)輸出軸上的扭矩波動。因此，在設計電驅動系統(tǒng)的時需要對各因素引起的輸出扭矩波動進行綜合考慮和優(yōu)化。采用SimcenterAmesim多物理系統(tǒng)仿真平臺搭建的電驅動系統(tǒng)及整車駕駛性模型，可以精確復現(xiàn)電驅動系統(tǒng)各部件引起的扭矩波動。首先工程師將電機電磁仿真所獲得磁鏈及鐵損參數(shù)Map文件導入SimcenterAmesim，該參數(shù)文件用于精確計算電機轉子在不同角度與電流幅值相位下的電磁扭矩。同時SimcenterAmesim中搭建的詳細的驅動電路模型可以體現(xiàn)由PWM脈寬調(diào)制所產(chǎn)生相電流高階諧波。工程師通過仿真可以對電驅動系統(tǒng)輸出扭矩波動的各階分量進行跟蹤分析，同時開發(fā)用于抑制波動的軟件控制策略，如西門子數(shù)字化工業(yè)軟件31白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)SimcenterAmesim提供了各種類型電機的本體模型及其常規(guī)控制算法，包括：直流有刷、直流無刷、永磁同步（凸極式/隱極式、三相/六相/九相）、感應電機、開關磁阻電機。該平臺提供的整體解決方案適用于各類電傳動部件的建模與仿真。例如：動力總成中的主驅電機、啟動發(fā)電一體機，底盤中的轉向助力電機、線控制動電機，熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)壓縮機、循環(huán)泵驅動電機，車身中的座椅調(diào)節(jié)電機、車窗升降電機等。以車用主驅電機中常見的高速永磁同步電機及其FOC控制、SVPWM調(diào)制技術為例，如下圖所示。工程師利用該模型可以快速地完成控制算法功能性驗證，控制電流的幅值/相位標定，電流環(huán)跟蹤控制的PID參數(shù)整定，評估不同PWM調(diào)制技術、載波頻率、死區(qū)寬度對電流諧波成分的影響。圖28電機虛擬標定及整車能耗評估工作流程西門子數(shù)字化工業(yè)軟件32白皮書–Simcenter電驅動系統(tǒng)性能開發(fā)電機控制器軟件在環(huán)測試(SIL)上節(jié)內(nèi)容實現(xiàn)了電驅系統(tǒng)控制算法開發(fā)過程中模型層面的驗證，為了保證軟件實現(xiàn)后的功能與算法模型保持一致，特別是在MCU硬件具備部署條件之前，或者已經(jīng)具備部署條件但由于軟件成熟度不足而可能造成調(diào)試過程中硬件損壞，可以通過軟件在環(huán)測試對控制程序代碼進行功能驗證。這部分工作主要分可為兩類：第一類只關注實現(xiàn)控制算法的應用層軟件測試，目標編譯平臺無需與控制器保持一致，該方法的優(yōu)點是流程簡單、測試迭代周期短；第二類測試方法需要將應用層軟件（SWC）與符合AutoSAR架構的基礎軟件（BSW）進行集成，通過虛擬ECU完全模擬SWC與BSW在目標處理器上的運行環(huán)境，相較于前者該方式的優(yōu)勢在于控制軟件的測試范圍更加全面，更加符合軟件真實運行場景。針對第一類即僅應用層軟件的在環(huán)測試，SimcenterAmesim中的電驅系統(tǒng)被控對象模型可與應用層算法軟件的C代碼通過聯(lián)合仿真進行閉環(huán)測試，用戶程序代碼可運行在VisualStudio等常用集成開發(fā)環(huán)境中。針對第二類與AutoSAR基礎軟件集成后的測試，西門子數(shù)字化工業(yè)軟件