Simcenter電驅(qū)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(dòng)力和電動(dòng)汽車行業(yè)中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)端到端設(shè)計(jì)流程的工程、仿真和分析挑戰(zhàn)。針對(duì)典型的“V”字形設(shè)計(jì)流程，從概念設(shè)計(jì)到原型機(jī)生產(chǎn)的每一個(gè)階段都進(jìn)行了討論。電驅(qū)系統(tǒng)主要的工程化目標(biāo)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(jìn)行新穎的集成設(shè)計(jì)和開發(fā)工作流程將在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)方面發(fā)揮核心作用。在本白皮書中，我們討論了先進(jìn)的Simcenter?軟件工具套件的核心優(yōu)勢(shì)，以及如何使用這些工具來應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。/zh-CN/SEMENS白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電驅(qū)市場(chǎng)預(yù)測(cè)電驅(qū)開發(fā)中的工程挑戰(zhàn)5Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)成設(shè)計(jì)及評(píng)估8電機(jī)選型及設(shè)計(jì)迭代電機(jī)電磁性能仿真驗(yàn)證及優(yōu)化15電驅(qū)散熱性能分析22電控系統(tǒng)散熱分析25電驅(qū)動(dòng)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(yàn)證33電驅(qū)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲及疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證36電驅(qū)系統(tǒng)基于模型的系統(tǒng)測(cè)試39總結(jié)西門子數(shù)字化工業(yè)軟件1白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)交通運(yùn)輸行業(yè)正在迅速轉(zhuǎn)型，這主要是由車輛電氣化、自動(dòng)駕駛的發(fā)展、工業(yè)4.0技術(shù)的應(yīng)用、不斷變化的消費(fèi)者數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性問題等推動(dòng)的。其中一些趨勢(shì)源于盡量減少溫室氣體排放水平，開發(fā)更安全的運(yùn)輸方式，降低運(yùn)營(yíng)成本并提供更好的產(chǎn)在眾多變化中，電氣化受到的關(guān)注最多。市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，未來幾十年對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車替代品的需求（圖1）將迅速增長(zhǎng)。全球大部分地區(qū)設(shè)定了雄心勃勃的目標(biāo)，即在2030年至2050年期間逐步停止內(nèi)燃機(jī)汽車的銷售。圖1內(nèi)燃機(jī)汽車、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的相對(duì)需求這些趨勢(shì)對(duì)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車行業(yè)的所有細(xì)分市場(chǎng)都有廣泛的影響，包括動(dòng)力系統(tǒng)零部件制造商、供應(yīng)商和集成商?；旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件是電池或燃料電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電力電子系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)。在本白皮書中，我們從行業(yè)趨勢(shì)、挑戰(zhàn)和解決方案的角度分析了電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和未來方向。其中一些關(guān)鍵問題包括：?開發(fā)新的和改進(jìn)的電驅(qū)動(dòng)的需求是否會(huì)隨著行業(yè)的整體增長(zhǎng)而增長(zhǎng)?下一代電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工程師面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和機(jī)遇是什么?有哪些關(guān)鍵的計(jì)算和仿真解決方案可以幫助當(dāng)今的設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)工程中所面臨的一個(gè)重要方面是目前的電驅(qū)動(dòng)無(wú)法滿足未來純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)不到下一代電驅(qū)設(shè)備所需的水平。這給主機(jī)廠和其他利益相關(guān)者帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。雖然本白皮書的主要重點(diǎn)是技術(shù)挑戰(zhàn)，但值得從一個(gè)對(duì)電驅(qū)動(dòng)行業(yè)產(chǎn)生巨大影響的非技術(shù)問題開始——稀土材料的供應(yīng)和價(jià)格波動(dòng)。這些材料用于制造高強(qiáng)度永磁體，并用于許多商用電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車（豐田普銳斯，日產(chǎn)聆風(fēng)，寶馬i3，特斯拉Model3等）驅(qū)動(dòng)電機(jī)。稀土材料的供應(yīng)問題導(dǎo)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(jī)替代品。自2012年以來，這個(gè)問題持續(xù)占據(jù)大部分圍繞下一代電驅(qū)動(dòng)開發(fā)的討論。因此，我們認(rèn)為開發(fā)不使用或減少使用稀土永磁體的高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)是下一代設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)之一。另一個(gè)重要挑戰(zhàn)是開發(fā)高效電機(jī)。為了應(yīng)對(duì)氣候變化和不斷增長(zhǎng)的人口對(duì)能源的需求，世界各國(guó)政府已強(qiáng)制要求降低車輛的排放水平。這反過來又增加了對(duì)高效電機(jī)的需求?？紤]到大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前以大約90%的效率運(yùn)行，開發(fā)更高效的電機(jī)是一個(gè)很有挑戰(zhàn)的問題。要改進(jìn)這一點(diǎn)，需要結(jié)合材料工程、穩(wěn)健性設(shè)計(jì)、制造工藝（例如，使用增材制造）和仿真技術(shù)的新技術(shù)進(jìn)步。對(duì)于給定的電池，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能在某個(gè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，該速度由其恒定功率與（基本）速比確定。這是影響電機(jī)類型、材料、齒輪傳動(dòng)比和其他動(dòng)力總成細(xì)節(jié)選擇的重要制約因素。大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍約為2.5至4，將此范圍擴(kuò)展到7到10是未來機(jī)器的目標(biāo)之一。如果可行，這將有助于大幅降低動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)的成本。通過確保穩(wěn)健性來降低成本是所有機(jī)器的另一個(gè)重要目標(biāo)。穩(wěn)健性的要素包括在制造不確定性和公差下保持機(jī)器性能，防止系統(tǒng)故障，確保在可變環(huán)境條件下運(yùn)行的能力等。仿真軟件工具是確保機(jī)器穩(wěn)健性的重要推動(dòng)因素。降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪音和振動(dòng)（NVH）水平是另一項(xiàng)重大技術(shù)挑戰(zhàn)。由于轉(zhuǎn)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(shù)挑戰(zhàn)外，對(duì)于整個(gè)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(qū)開發(fā)帶來的巨大的挑戰(zhàn)。面對(duì)這些問題，我們需要更加高效地利用仿真方法和工具實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正向開發(fā)。電磁設(shè)計(jì)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真的重要部分。除了電磁設(shè)計(jì)外，電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)還有其他幾個(gè)方面：傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，散熱或冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電力電子或驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，符合NVH標(biāo)準(zhǔn)并保持機(jī)器的結(jié)構(gòu)完整性，以及各種子系統(tǒng)和組件的系統(tǒng)級(jí)集成。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要電磁-熱耦合仿真。為此，需要基于各種保真度級(jí)別的模型來進(jìn)行電磁熱耦合仿真，從集總參數(shù)到基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的計(jì)算。對(duì)于電力電子驅(qū)動(dòng)，需要耦合電磁和功率器件仿真。結(jié)構(gòu)分析和NVH仿真需要結(jié)構(gòu)和電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，需要高保真其中每一項(xiàng)都帶來了重大挑戰(zhàn)。例如，在電磁、熱和機(jī)械仿真工具之間進(jìn)行有限元分析的仿真時(shí)，時(shí)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(jì)算成本可能會(huì)使某些問題在不使用高性能計(jì)算功能的情況下無(wú)法電驅(qū)的設(shè)計(jì)空間是高維的。此外，當(dāng)考慮到問題的多學(xué)科和多物理場(chǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束的數(shù)量通常也很高，這導(dǎo)致許多優(yōu)化方法無(wú)效。面對(duì)眾多選擇，工程師面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是為原型設(shè)計(jì)選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)候選方案。利用最先進(jìn)的流程集成和多目標(biāo)優(yōu)化算法可能會(huì)有所幫助。這是一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域，應(yīng)用新的技術(shù)創(chuàng)新對(duì)軟件工具開發(fā)人員來說既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。當(dāng)非線性很重要時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題通常需要使用計(jì)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(shí)。根據(jù)手頭的問題，可能需要數(shù)千次評(píng)估。在這些情況下，必須執(zhí)行基于降階模型的性能預(yù)測(cè)。開發(fā)高保真降階模型是一項(xiàng)重要的算西門子數(shù)字化工業(yè)軟件4白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)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(guān)。在本文中，我們將電驅(qū)動(dòng)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(yīng)面模型和基于有限元的模型都是機(jī)器數(shù)字孿生的示例。就目前而言，集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型可以實(shí)時(shí)更新，并允許在不同仿真平臺(tái)之間進(jìn)行無(wú)縫模型交換，以進(jìn)行多物理場(chǎng)和多領(lǐng)域分析。在上面的討論中，我們總結(jié)了當(dāng)今電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(yīng)對(duì)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(qū)開發(fā)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)如下圖2所示，涉及到諸多設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及其相互迭代的過程。通常來講，一個(gè)正向研發(fā)過程首先從整車需求指標(biāo)分解開始，明確電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后進(jìn)行部件級(jí)詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中包括：電磁方案以及動(dòng)力性能設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)及熱管理策略開發(fā)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH設(shè)計(jì)及優(yōu)化等。待各部件性能開發(fā)完畢，工程師利用多學(xué)科系統(tǒng)仿真平臺(tái)將表征電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的模型進(jìn)行集成，同時(shí)完成整車層面的設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證。在這個(gè)過程中，工程師需要不斷對(duì)各部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化調(diào)整，以此使整車綜合性能表現(xiàn)達(dá)到平衡。與此同時(shí)，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(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件級(jí)模型開始控制策略的虛擬標(biāo)定工作，包括：以能耗最低為目標(biāo)的基波電流幅值相位標(biāo)定、以輸出扭矩波動(dòng)最小為目標(biāo)的諧上述性能開發(fā)工作完成后，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)入樣件試制階段。軟件工程完成控制策略的程序?qū)崿F(xiàn)、硬件電路完成制版、元件焊接與基本功能調(diào)試、電機(jī)本體生產(chǎn)制造完成并與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一體化集成結(jié)構(gòu)完成裝配。測(cè)試階段根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證工作需要，依次完成軟件在環(huán)測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試、臺(tái)架測(cè)試與實(shí)車測(cè)試。工程師借助于開發(fā)階段所搭建的系統(tǒng)或部件級(jí)詳細(xì)模型，完成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合的測(cè)試過程。在此過程中，數(shù)字孿生中的實(shí)物部分將逐漸替代虛擬模型部分，從而使測(cè)試環(huán)境越來越接近于系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境。借助于數(shù)字孿生技術(shù)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)周期大幅度縮短，同時(shí)得益于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)計(jì)缺陷盡可能地暴露在早期驗(yàn)證階段，從而大大降低了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)成本。在以下各節(jié)中，我們將從設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程的每個(gè)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)差異是系統(tǒng)性能差異關(guān)鍵所在，不同系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)于所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本、性能之間的差異起著決定性的作用，不同驅(qū)動(dòng)方式形式的續(xù)航里程、系統(tǒng)可靠性也會(huì)有本質(zhì)的差別，組成更少的集中式電驅(qū)系統(tǒng)更容易獲得更高的可靠性，輪邊電機(jī)或者輪轂電機(jī)式驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車具有更高的加速性能，但同時(shí)成本也會(huì)更高，這些重要性能的決定因素就是系統(tǒng)架構(gòu)。不同架構(gòu)的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)也決定著子系統(tǒng)與零部件的設(shè)計(jì)，例如不同的驅(qū)動(dòng)形式?jīng)Q定著不同的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此合理的系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃有利于充分利用電動(dòng)車/混動(dòng)車的零部件特點(diǎn)和整車總體優(yōu)勢(shì)，例如成員艙空間、車身碰撞性能、更好的整車尺寸等，此外對(duì)于零部件選型和設(shè)在汽車設(shè)計(jì)概念階段，工程師通常根據(jù)直覺或以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總體架構(gòu)方案設(shè)計(jì)和整車性能指標(biāo)決策，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)固化從而限制架構(gòu)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(shè)定后由下游開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行子系統(tǒng)性能標(biāo)定，隨著越來越多的關(guān)鍵指標(biāo)的確定，設(shè)計(jì)固化的問題也越來越明顯，一旦一種或局限的幾種架構(gòu)方案被設(shè)定，我們可以通過仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，但此時(shí)已為時(shí)已晚，我們無(wú)法獲悉是否存在更好的架構(gòu)方案。面對(duì)上述問題，我們需要一個(gè)能夠幫助工程師進(jìn)行快速的架構(gòu)方案創(chuàng)成和評(píng)估的工具來進(jìn)行xEV架構(gòu)和配置方案的探索和尋優(yōu)，SimcenterStudio是Simcenter產(chǎn)品組合中的一個(gè)應(yīng)用，用于在早期概念階段生成和評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)。該軟件包含有專利技術(shù)，以便使工程師和數(shù)據(jù)科學(xué)家創(chuàng)建新穎的、拓?fù)渖喜煌南到y(tǒng)架構(gòu)。SimcenterStudio還將系統(tǒng)仿真、控制方法、以及建立在最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和科學(xué)計(jì)算堆棧之上強(qiáng)化學(xué)習(xí)合并在一起，以便對(duì)數(shù)百種此類架構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)仿真和評(píng)估。這種方法允許工程師和數(shù)據(jù)科學(xué)家在計(jì)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(gòu)和配置方案，SimcenterStudio與Amesim聯(lián)合仿真獲得各個(gè)需要評(píng)估的性能參數(shù)。Studio將Amesim中的仿真結(jié)果存儲(chǔ)于HDF5文件中，同時(shí)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理并可視化，形成包含了所有的架構(gòu)、不同架構(gòu)各參數(shù)分部圖、各種性能的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)以電驅(qū)系統(tǒng)為例，基于SimcenterStudio進(jìn)行架構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先基于功能分析建立電池、電機(jī)、變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)與車輛等；SimcenterStudio中可以對(duì)組件的數(shù)量進(jìn)行控制，例如我們可以選擇1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)電機(jī)對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用0或者1個(gè)齒輪箱來構(gòu)建系統(tǒng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可以設(shè)置某個(gè)接口必須與另外一個(gè)接口相連接或無(wú)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(gòu)。同時(shí)，SimcenterStudio可以設(shè)置各個(gè)組件減速器速比等等。基于上面設(shè)置的限制條件與組成設(shè)置、接口設(shè)置要求，SimcenterStudio基于AI技術(shù)最終可以自動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)Studio通過調(diào)用Amesim仿真計(jì)算可以獲得各種架構(gòu)和配置方案下汽車百公里加速時(shí)間，這是汽車動(dòng)力性能評(píng)估主要的指標(biāo)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(jì)算結(jié)果，結(jié)果中包含了所有的架構(gòu)、不同架構(gòu)各參數(shù)分部圖、各種性能的柱狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們通過性能的選擇，可以獲得滿足要求的系統(tǒng)架構(gòu)。圖6不同架構(gòu)所獲得的百公里加速時(shí)間及能耗結(jié)果西門子數(shù)字化工業(yè)軟件9白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初始階段，根據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)研、用戶反饋和對(duì)標(biāo)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(jí)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，例如：標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)循環(huán)工況下的續(xù)航里程，百公里加速時(shí)間、超車加速時(shí)間、最高車速、最大爬坡度等。如何根據(jù)這些整車級(jí)的性能指標(biāo)來定義電驅(qū)動(dòng)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(biāo)既包含了動(dòng)力方面，同時(shí)還包圖7整車需求分解與部件設(shè)計(jì)目標(biāo)確立我們尋求根據(jù)車輛類別、典型驅(qū)動(dòng)循環(huán)和約束、車輛性能指標(biāo)等來推導(dǎo)出要設(shè)計(jì)的電驅(qū)系統(tǒng)的目標(biāo)性能。在此階段，將執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)分析，在分析中組件尺寸和配置以及傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)淇赡軙?huì)發(fā)生變化。結(jié)果用于確定所需的電機(jī)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(gè)快速的1D系統(tǒng)仿真工具來考慮多種xEV動(dòng)力總成配置和組件尺寸變化。對(duì)于電機(jī)部件，需要不同電機(jī)類型的速度-扭矩-效率圖來計(jì)算到車輪的效率和其他性能參數(shù)，如能耗、加速時(shí)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(zhuǎn)換器開關(guān)策略、開關(guān)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(dòng)模式模擬的影響。最終，系統(tǒng)級(jí)仿真工具將促進(jìn)不同電機(jī)類型、傳動(dòng)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(jí)仿真的實(shí)用性不僅限于尺寸調(diào)整，它可以在設(shè)計(jì)的所有階段用于評(píng)估器件性能，以進(jìn)行熱、NVH和/或其他分析。從驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的角度來看，至關(guān)重要的是該工具不會(huì)將設(shè)計(jì)人員限制在任何特定的電機(jī)類型或配置上，并且可以不受限制地進(jìn)行設(shè)計(jì)探索。例如，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)，希望能夠縮放電機(jī)的效率圖。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該能夠考慮溫度對(duì)電機(jī)輸出的影響。這些是系統(tǒng)級(jí)仿真軟件在設(shè)計(jì)過程的迭代階段為牽引電機(jī)設(shè)計(jì)所期望的一些重要功能。SimcenterAmesim軟件專為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。它是多領(lǐng)域、多物理系統(tǒng)一維仿真的行計(jì)和其他特定領(lǐng)域的多物理場(chǎng)工具緊密結(jié)合，它使設(shè)計(jì)人員和分析人員能夠在開發(fā)過程的任何階段評(píng)估設(shè)計(jì)迭代的影響并優(yōu)化其設(shè)計(jì)。最強(qiáng)大的方面之一是內(nèi)置功能，用于在多個(gè)保真度級(jí)別表示可擴(kuò)展的牽引電機(jī)模型。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件10白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)SimcenterAmesim中電機(jī)表示的各種保真度級(jí)別包括線性化、完全非線性和溫度相關(guān)的模型。這些模型用于驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、熱系統(tǒng)以滿足整車動(dòng)力性的部件設(shè)計(jì)指標(biāo)的確立為例進(jìn)行說明。根據(jù)整車的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性需求，需要明確的部件參數(shù)包括：電機(jī)峰值/額定扭矩、峰值/額定功率、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速，減速比等。工程師可以借助SimcneterAmesim系統(tǒng)仿真平臺(tái)搭建整車性能仿真模型，該模型包括了電機(jī)、減速器、電池包、VCU、駕駛員、整車等電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。通過預(yù)設(shè)電機(jī)的外特性參數(shù)、電驅(qū)動(dòng)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。圖8基于模型的整車級(jí)需求分解與驗(yàn)證在此基礎(chǔ)上工程師根據(jù)現(xiàn)有不同產(chǎn)品選型，對(duì)滿足整車級(jí)指標(biāo)需求的多方案設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化，例如以電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體效率、動(dòng)力性能輸出為評(píng)價(jià)依據(jù)，綜合考慮電機(jī)外特性參數(shù)與減速比的匹配性設(shè)計(jì)，從而確定滿足系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)在確定給定應(yīng)用所需的電機(jī)外特性后，開始進(jìn)行電機(jī)初始化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)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(shè)計(jì)或滿足上一步得出的目標(biāo)性能標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)候選設(shè)計(jì)。除了獲得滿足性能目標(biāo)的候選設(shè)計(jì)外，確保最終設(shè)計(jì)與適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)兼容，并能在各種負(fù)載條件下保持結(jié)構(gòu)完整性也很重要。此階段的關(guān)鍵步驟是設(shè)計(jì)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(jié)果和性能計(jì)算至關(guān)重要。通過不同的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、繞組配置和材料來探索設(shè)計(jì)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(píng)估以了解這些變化對(duì)電機(jī)性能的影響。這意味著與探索各種選項(xiàng)相關(guān)的計(jì)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(jì)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(jī)探索的一些最有潛力的設(shè)計(jì)選項(xiàng)是基于增材制造工藝和新材料應(yīng)用產(chǎn)生的非常規(guī)拓?fù)洹Ｔ诖嗽O(shè)計(jì)步驟中使用的任何軟件都應(yīng)支持典型和非典型拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)探索。第三，探索實(shí)現(xiàn)下一代電驅(qū)動(dòng)目標(biāo)性能的主要途徑之一是與材料工程相關(guān)的創(chuàng)新。一個(gè)好的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)該包含廣泛的材料庫(kù)，包括電磁、熱和機(jī)械特性的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件中的求解器技術(shù)應(yīng)該能夠用于根據(jù)制造商提供的材料和損耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)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(jī)械應(yīng)力等引起的物理效應(yīng)而導(dǎo)致的材料性能變化。第四，驅(qū)動(dòng)由逆變器驅(qū)動(dòng)，逆變器會(huì)對(duì)電機(jī)性能和系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。設(shè)計(jì)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(píng)估開關(guān)損耗以及驅(qū)動(dòng)諧波對(duì)電機(jī)性能及其NVH特性的影響。在設(shè)計(jì)的這個(gè)階段，進(jìn)行詳細(xì)的多物理場(chǎng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)降低電機(jī)性能，或者更糟的是，導(dǎo)致災(zāi)難性故障。因此，能夠計(jì)算一些參數(shù)非常重要，這些參數(shù)將有助于確保電機(jī)安全在正常運(yùn)行下不會(huì)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(jī)的熱可靠性。同樣，在此階段不需要詳細(xì)的NVH分析。然而，評(píng)估組件界面之間的力分布、表面節(jié)點(diǎn)力分布、氣隙通量密度諧波含量和局部應(yīng)在Simcenter工具組合中提供了SimcenterSPEED和SimcenterMotorsolve工具，形成了一個(gè)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(jī)性能結(jié)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(jī)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(qū)動(dòng)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(jí)別的多個(gè)分析選項(xiàng)。其中包括電流和電壓驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)仿真等。SimcenterMotorsolve包括一個(gè)全面的磁性材料庫(kù)，涵蓋廣泛的軟磁和硬磁材料，冷卻材料等。同時(shí)軟件還包含一些其他擴(kuò)展功能：包括永磁體退磁預(yù)測(cè)、系統(tǒng)模型接口和電磁力計(jì)算、輸出節(jié)點(diǎn)力的能力、溫在單個(gè)軟件系列中實(shí)現(xiàn)如此全面的功能是獨(dú)一無(wú)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)上一步的主要目標(biāo)是獲得滿足系統(tǒng)級(jí)選型期間確定的性能標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)。另一個(gè)重要目標(biāo)是確保為這些選擇實(shí)施實(shí)用、經(jīng)濟(jì)高效。將其縮小到幾個(gè)候選者后，接下來進(jìn)行詳細(xì)分析。在此階段，可能會(huì)進(jìn)行基于二維和/或三維有限元分析的電磁仿真，以驗(yàn)證電機(jī)性能，改進(jìn)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(yù)測(cè)，靈敏度分析，耦合電磁熱仿真，結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。還評(píng)估了電機(jī)在各種負(fù)載條件（連續(xù)、峰值、應(yīng)該指出的是，其中一些分析實(shí)際上也可以在上一步中進(jìn)行，盡管是低保真水平。計(jì)算密集型的（3D有限元和多物理場(chǎng)）通常留給這個(gè)階段。需要注意的重要一點(diǎn)是，此階段使用的分析方法應(yīng)該是計(jì)算上可行的最準(zhǔn)確的。對(duì)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(guān)于所需功能可以說很多。但是，我們將重點(diǎn)關(guān)注與前面確定的工程和仿真挑戰(zhàn)直接相關(guān)的方面，從與高效電機(jī)開發(fā)相關(guān)的挑戰(zhàn)開始。準(zhǔn)確計(jì)算電驅(qū)動(dòng)效率有兩個(gè)主要要求：第一，獲得準(zhǔn)確的場(chǎng)求解器，第二，計(jì)算損耗。事實(shí)上，這些要求是相互關(guān)聯(lián)的。電機(jī)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(zhǔn)確計(jì)算。交流歐姆損耗需要基于時(shí)諧場(chǎng)或基于瞬態(tài)場(chǎng)的有限元仿真。計(jì)算鐵損困難的原因很復(fù)雜，包括模擬各種環(huán)境條件下的復(fù)雜材料行為、制造效應(yīng)、電機(jī)控制策略的效果等。另一個(gè)重大挑戰(zhàn)與多物理場(chǎng)仿真有關(guān)。在設(shè)計(jì)階段，一旦電磁性能得到驗(yàn)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(jī)的性能水平可以通過適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)保持。需要溫度升高對(duì)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(yàn)分析和/或基于CFD的計(jì)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(jié)合也將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。最終，電磁模型所需的保真度級(jí)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(yàn)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(gè)應(yīng)件。自成立以來，它在開發(fā)電磁設(shè)備設(shè)計(jì)問題的尖端仿真功能方面一直處于領(lǐng)先地位。最近，西門子為Sim個(gè)磁滯場(chǎng)求解器，它是提供精確場(chǎng)解決方案的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者?？紤]到前面討論的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們需要在設(shè)計(jì)周期中考慮高階效應(yīng)。SimcenterMAGNET中的磁滯求解器是實(shí)現(xiàn)術(shù)類型的一個(gè)例子。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)顯著提高了鐵損計(jì)算的準(zhǔn)確性。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件14白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)設(shè)計(jì)容錯(cuò)和魯棒設(shè)計(jì)是另外兩個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。電機(jī)故障的一些典型來源包括線圈和繞組短路、導(dǎo)致軸偏心的軸承退化、電壓波動(dòng)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?yè)p壞。此外，制準(zhǔn)。另外，對(duì)軸承退化導(dǎo)致偏心率的影響進(jìn)行建模需要耦合的六自由度機(jī)電仿真，這既耗時(shí)又困難。對(duì)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(duì)這些效應(yīng)（包括材料非線性）進(jìn)行建?？赡苄枰弑Ｕ婺Ｐ?。針對(duì)這些，我們可以使用Simcenter中的一些工具進(jìn)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(jìn)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(jī)械故障可以使用SimcenterMAGNET六自由度運(yùn)動(dòng)建模功能進(jìn)行分析。為了防止高壓組件之間的短路，可以使用SimcenterMAGNET電場(chǎng)求解器計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度。SimcenterMAGNET3D退磁仿真功能可用于識(shí)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(cuò)能力?？捎糜谶M(jìn)行靈敏度分析，多目標(biāo)優(yōu)化問題中的降維，相關(guān)空間研究等。響的區(qū)域，從而影響電機(jī)性能。這些類型的結(jié)果有助于保護(hù)電機(jī)性能免受系統(tǒng)故障的影響。圖10軸向永磁電機(jī)（左）及其高溫下的退磁預(yù)測(cè)場(chǎng)此外，在面對(duì)輪轂電機(jī)或者輪邊電機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)問題也是十分重要的方面。為了提升整車車輛動(dòng)力學(xué)特性，輪邊或者輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)要在滿足動(dòng)力學(xué)要求下盡可能減小重量。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，可以采用優(yōu)化軟件驅(qū)動(dòng)電磁場(chǎng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一個(gè)重大挑戰(zhàn)與多物理場(chǎng)仿真有關(guān)。其中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性及振動(dòng)噪聲是結(jié)構(gòu)方面主要關(guān)注的方面。對(duì)電驅(qū)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械分析和NVH分析，以防止結(jié)構(gòu)故障，以減少諧波的影響，避免共振并符合健康和安全標(biāo)準(zhǔn)。這一階段的分析是在詳細(xì)設(shè)計(jì)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(zhì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH仿真是典型的多物理場(chǎng)仿真的應(yīng)用。下面我們以其為例詳細(xì)說明。電驅(qū)振動(dòng)噪聲來源于電機(jī)電磁激勵(lì)及減速器的齒軸激勵(lì)。這些都會(huì)通過殼體振動(dòng)輻射到空間中產(chǎn)生噪聲。因此，系統(tǒng)的采樣多領(lǐng)域及多物理場(chǎng)仿真分析獲取準(zhǔn)確的載荷以及進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼駝?dòng)噪聲仿真分析是十分重要的。電磁仿真需要采用考慮運(yùn)動(dòng)的時(shí)域求解器，因此往往采用2D模型提高仿真分析效率。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)噪聲仿真之間電磁力處理的問題。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)NVH分析的載荷多體動(dòng)力學(xué)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(jiǎn)圖、各部件參數(shù)快速準(zhǔn)確的得到變速箱的多體動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)基于Simcenter3DMotion中原有的的齒輪接觸算法，TransmissionBuilder擴(kuò)展增加了齒輪嚙合力計(jì)算方法。在齒輪接觸檢測(cè)方面，增加了分片檢測(cè)的功能，從而可以考慮齒輪修形、齒輪不對(duì)中引起的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。對(duì)于齒輪嚙合力/嚙合剛度計(jì)算，軟件提供了基于ISO標(biāo)準(zhǔn)及用戶定義傳遞誤差；基于解析公式計(jì)算以及基于柔性接觸的高級(jí)算法三種方法。高級(jí)齒輪嚙合力計(jì)算方法用于模擬輪輻結(jié)構(gòu)剛度變化引起的齒輪嚙合力動(dòng)態(tài)效應(yīng)。同時(shí)結(jié)合有限元分析，可以對(duì)輪輻結(jié)構(gòu)剛度變化引起的齒輪嚙合力動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)行精確Simcenter3DMotion求解器基于時(shí)域進(jìn)行求解，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(qū)動(dòng)總成的時(shí)域多體動(dòng)力學(xué)模型載荷輸入可以由電磁場(chǎng)仿真得到的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)作為輸入進(jìn)行分析。在實(shí)際加載中可以考慮電機(jī)無(wú)論是結(jié)構(gòu)激勵(lì)還是電磁激勵(lì)，都會(huì)激勵(lì)起結(jié)構(gòu)殼體的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。因此，采用正確的方法和手段對(duì)殼體，尤其是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的裝配體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，獲取準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型用于振動(dòng)仿真分析是十分重要的。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證仿真模型。通過試驗(yàn)振型與仿真振型的相關(guān)系數(shù)MAC、試驗(yàn)傳函與仿真?zhèn)骱南嚓P(guān)系數(shù)FRAC、對(duì)仿真模型的置信度進(jìn)行評(píng)估。通過Simcenter3D模型修正，進(jìn)一步通過驅(qū)動(dòng)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(yàn)?zāi)Ｐ透右恢?。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件18白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)圖14結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)仿真相關(guān)性分析及模型修正在電磁激勵(lì)和齒軸激勵(lì)的共同激勵(lì)下，Simcenter3D可進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲分析。軟件支持模態(tài)法求解器和直接法求解器的結(jié)構(gòu)求解。對(duì)于剛度隨頻率變化不大的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，可以采用模態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲響應(yīng)分析，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度隨頻率變化的部分，如考慮減震系統(tǒng)的影響時(shí)，則需要采用直接法進(jìn)行振動(dòng)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▌?dòng)方程精確理論和聲學(xué)有限元/邊界元數(shù)值方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)求解器，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的聲學(xué)求解預(yù)測(cè)，并同時(shí)將最復(fù)雜的因素考慮進(jìn)來，使用得到企業(yè)驗(yàn)證的聲學(xué)有限元/邊界元分析技術(shù)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(qū)動(dòng)總成輻射噪聲寬頻段與高頻的噪聲特點(diǎn)，Simcenter3D中提供的多種快速求解技術(shù)幫助提高噪聲分析效率。FEM-PML/AML完美匹配層有限元技術(shù)在將有限元求解速度提高10+倍的同時(shí)，極大地拓展聲技術(shù)有些類似于無(wú)限元方法中的無(wú)反射邊界層概念，但理論上比無(wú)限元先進(jìn)，可以認(rèn)為是無(wú)限元的替代技術(shù)，可以大大減少聲學(xué)網(wǎng)格FEMAO自適應(yīng)階次聲學(xué)有限元求解器打破了原有六分之一波長(zhǎng)的網(wǎng)格尺寸劃分要求，可以從一個(gè)較粗的有限元網(wǎng)格進(jìn)行求解，并且隨著分析頻率的增大有自動(dòng)的進(jìn)行加密。這樣就使得每個(gè)分析頻率都可以采用一個(gè)較少的自由度進(jìn)行求解。從而使得該求解的速度相對(duì)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(duì)于電驅(qū)求解需要涵蓋幾百Hz到上萬(wàn)Hz的問題，采用自適應(yīng)求關(guān)，這意味著ATV技術(shù)特別適合于多工況分析，像電驅(qū)動(dòng)總成加減速工況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。該技術(shù)在載荷和設(shè)計(jì)參數(shù)變化的仿真計(jì)算中顯示出巨大的優(yōu)越性，因?yàn)橹灰桓淖冇邢拊Ｐ偷耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不需要重新運(yùn)行求解器。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與結(jié)構(gòu)計(jì)算相比，ATV計(jì)算頻帶更寬，因?yàn)锳TV是頻率的光滑函數(shù)。依據(jù)電驅(qū)動(dòng)總成的幾何結(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中另一個(gè)方向是采用先進(jìn)的仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。Simcenter3D創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效幫助用戶實(shí)現(xiàn)這統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案幾何模型，然后進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)綜合，從而篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、制造優(yōu)化甚至是規(guī)則驅(qū)動(dòng)的參數(shù)技術(shù)。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)（有時(shí)稱為仿生化）不能通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法相比，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)讓產(chǎn)品開發(fā)人員有機(jī)會(huì)探索更多設(shè)Simcenter3D創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，覆蓋產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)，包括模型設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、模型輕量化設(shè)計(jì)、模型驗(yàn)證、模型打印準(zhǔn)備、模型質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)，所有業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)都可以在統(tǒng)一的軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)，不需要切換軟件，不需要數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，這是西門子獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，幫助用戶對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行流程化，提高業(yè)務(wù)開展的效率。圖16創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)西門子數(shù)字化工業(yè)軟件20白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電機(jī)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的損耗，都會(huì)以熱量的方式表現(xiàn)出來?；旌蟿?dòng)力汽車或者純電新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)對(duì)散熱的要求極高，這是因?yàn)榇盆F在高溫的環(huán)境下是可以消磁的，若因電機(jī)散熱不佳導(dǎo)致消磁車輛失去動(dòng)力，這將新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)小、能量密度高的特點(diǎn)，會(huì)造成熱量更加集中，從而需要更加有效的散熱設(shè)計(jì)。而且，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速器集成化設(shè)計(jì)的需要，電驅(qū)和變速器的熱量都需要更小、更簡(jiǎn)單的冷卻方式，以有效滿足散熱設(shè)計(jì)。電驅(qū)散熱性能分析的目的在于獲得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同工況下的三維詳細(xì)溫度場(chǎng)，判斷冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足電驅(qū)散熱的需要，如果不滿足設(shè)計(jì)需要，則需要修改冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)冷卻系統(tǒng)性能以滿足散熱的需要。新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱主要有3種方式：風(fēng)冷、水冷、油冷，或者多種冷卻方式混合使用。風(fēng)冷是通過冷卻風(fēng)扇直接吹拂電機(jī)的方式進(jìn)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(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪音相對(duì)較大。這種冷卻方式適合于電機(jī)輸出功率不高的微型車。水冷則是用冷卻液充滿電機(jī)殼體內(nèi)部的水道，然后連接一個(gè)外部的散熱量，從而把電機(jī)的熱量帶走。這樣做的好處是電機(jī)和電池包可以共用一套冷卻系統(tǒng)。但是水冷方式的缺點(diǎn)也很明顯，由于電機(jī)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(wú)疑會(huì)影響散熱的效果。而且由于額外的水道，電機(jī)的體積也會(huì)增加。油冷的方式是把潤(rùn)滑油直接噴淋在定子繞組的端部，直接對(duì)高溫部件進(jìn)行冷卻，同時(shí)通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸開孔的方式，將冷卻液噴淋到轉(zhuǎn)子上。研究表明，在相同工況下，油冷電機(jī)的內(nèi)部各溫度比水冷電機(jī)的內(nèi)部溫度要低15%以上，油冷電機(jī)達(dá)到熱平衡的時(shí)間會(huì)更短。因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，繞組的端部往往是發(fā)熱最嚴(yán)重的區(qū)域，差不多能占到電機(jī)熱量的40%。而更深層的轉(zhuǎn)子深處的熱量也無(wú)法帶走，這就衍生出全新一代油冷散熱技術(shù)，直瀑油冷，不僅在繞組端部油液沁入散熱，更是在轉(zhuǎn)子整體做油液噴淋，使得整個(gè)電油冷方式可以把電驅(qū)和變速箱集成在一起，減小了設(shè)備尺寸，這是當(dāng)前新能源汽車電驅(qū)散熱研究的重點(diǎn)方式。但油冷電機(jī)散熱性能的分析存在著一些應(yīng)用的困難，這是因?yàn)椋?由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子較高的轉(zhuǎn)速（一般高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)），而且噴淋冷卻是典型的多相流（空氣相，潤(rùn)滑油相）應(yīng)用，因此西門子數(shù)字化工業(yè)軟件21白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)因此，如何解決這兩個(gè)相互矛盾的點(diǎn)，是油冷電機(jī)散熱性能分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)上基于有限體積方法進(jìn)行仿真分析，其計(jì)算時(shí)間通常需要數(shù)周，這在工程上是不經(jīng)濟(jì)的，也是不允許的。西門子Simcenter采用將流動(dòng)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(gè)模型耦合秀的、基于有限體積法的CFD軟件，其在復(fù)雜幾何處理、計(jì)算效率上相對(duì)于同類型軟件具有明顯優(yōu)勢(shì)。在耦合方案中，SimcenterSPHFlow計(jì)算瞬態(tài)液體噴淋以及對(duì)流換熱，將對(duì)流換熱系數(shù)傳遞給SimcenterSTAR-CCM+；SimcenterSTAR-CCM+進(jìn)行問題固體溫度場(chǎng)計(jì)算，將固體表面溫度傳遞給SimcenterSPHFlow。通過多次反復(fù)的耦合過程，直至達(dá)到溫度場(chǎng)“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(qū)動(dòng)系統(tǒng)油冷散熱分析周期從數(shù)周降低為數(shù)天，計(jì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)此外，電驅(qū)散熱性能分析中，可以使用HEEDS進(jìn)行優(yōu)化分析，通過HEEDS，可以優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)對(duì)于新能源汽車來說，電控系統(tǒng)相當(dāng)于整車的“大腦”，它的性能決定了車輛能耗、排放、動(dòng)力、舒適性等主要的性能指標(biāo)。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(fù)雜、集成度越來越高的發(fā)展趨勢(shì)，這意味著電控系統(tǒng)的散熱問題愈發(fā)凸顯。事實(shí)上，50%以上的電子系統(tǒng)失效都是由于溫度導(dǎo)致，所以必須采取高效的冷卻方式以及合理的散熱設(shè)計(jì)，才能保證電控系統(tǒng)的安全電驅(qū)電控系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)中最核心的部件是電驅(qū)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(fēng)冷或者液冷。在新能源汽車的集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主要以液冷設(shè)計(jì)為主，與電機(jī)、電池冷卻方式一致，結(jié)構(gòu)更為緊湊，便于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和管理。對(duì)于功率稍小的輔助控制器，也會(huì)根據(jù)安裝空間等條件，選擇被動(dòng)冷卻或風(fēng)冷的散熱方式。電控系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的首要目的是獲得關(guān)鍵功率器件結(jié)溫和控制器整體的三維溫度場(chǎng)，確認(rèn)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(shè)計(jì)和優(yōu)化冷板結(jié)構(gòu)，保證功率器件溫度的均勻性，同時(shí)盡量降低冷板壓降，減小流動(dòng)損耗。被動(dòng)冷卻或風(fēng)冷需要優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)扇選型和位置優(yōu)化，避免散熱路徑上出現(xiàn)導(dǎo)熱瓶頸或熱風(fēng)回流。電控散熱設(shè)計(jì)主要有三個(gè)難點(diǎn)：1，跨學(xué)科跨部門協(xié)作。電控系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)與電子電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密不可分，熱設(shè)計(jì)工程師應(yīng)用來自電子電氣工程師的EDA文件和來自結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的三維CAD模型進(jìn)行熱流仿真分析，在設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)需要及時(shí)同步模型數(shù)據(jù)。不同部門的工程師所用工具能否無(wú)縫集成，模型數(shù)據(jù)是否有統(tǒng)一真實(shí)的來源，決定了熱設(shè)計(jì)的效率。2.難以在設(shè)計(jì)早期定位潛在散熱問題。很多散熱問題在概念設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)存在了，只是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式通常先分別進(jìn)行電子電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，之后再進(jìn)行熱符合性驗(yàn)證，散熱問題發(fā)現(xiàn)得比較晚，導(dǎo)致大量的返工和重新設(shè)計(jì)。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(duì)于集成度高的電驅(qū)電控系統(tǒng)如三合一系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如果在傳統(tǒng)CFD工具中進(jìn)行整機(jī)熱流分析，幾何清理及網(wǎng)格劃分可能花費(fèi)數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間，影響整體開發(fā)進(jìn)度。故而很多時(shí)候，不得不將三合一系統(tǒng)拆分，分別進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。但電控模塊所處環(huán)境復(fù)雜，各部分的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)互相影響，分開分析很難給定準(zhǔn)確的邊界如何解決上述難題，是提高研發(fā)效率、加快設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重點(diǎn)。SimcenterFlotherm(XT)和FloEFD是西門子Simcenter解決方案中專為電子熱設(shè)計(jì)而開發(fā)的仿真工具，旨在幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)電控系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件24白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)建模庫(kù)，提供機(jī)箱、PCB、風(fēng)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(shè)計(jì)階段快速建立主控制器和功率電子器件的簡(jiǎn)化模型，從而在沒有詳細(xì)結(jié)構(gòu)和電子電氣設(shè)計(jì)的時(shí)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(jié)構(gòu)和電氣工程師提供設(shè)計(jì)建議。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作環(huán)境中完成全部的CFD前后處理和求解。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生改變時(shí)，CFD仿真設(shè)置也同步更新。FloEFD獨(dú)特的SmartCells網(wǎng)格技術(shù)能夠自動(dòng)識(shí)別流體域，使得工程師無(wú)需對(duì)復(fù)雜幾何模型做手動(dòng)簡(jiǎn)化和清理，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格加密和邊界層處理，能夠節(jié)省70%-80%的前處理時(shí)間，從而大幅提高散熱設(shè)計(jì)效率。通過FloEFD自帶的設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，或集成到HEEDS平臺(tái)，可以自動(dòng)優(yōu)化冷板、散熱器結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于功率電子模塊或電控系統(tǒng)整體的液冷散熱設(shè)計(jì)。西門子數(shù)字化工業(yè)軟件25白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)考慮到車載電子所處的高溫和振動(dòng)環(huán)境，工程師也可以從FloEFD中輸出多種格式的三維溫度場(chǎng)和流場(chǎng)結(jié)果，結(jié)合有限元工具進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)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(wú)關(guān)的降階模型，與一維系統(tǒng)仿真工具結(jié)合進(jìn)行1D-3D協(xié)同分析，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備預(yù)測(cè)溫度的功能，例如在液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮流量分配對(duì)IC結(jié)溫的實(shí)時(shí)影響，分析逆變器中IGBT溫度在真實(shí)駕駛循環(huán)中的瞬態(tài)變化，以及動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)對(duì)于電驅(qū)系統(tǒng)的仿真分析，傳統(tǒng)方法是將不同的結(jié)構(gòu)分割，然后再分領(lǐng)域的進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨(dú)立，系統(tǒng)級(jí)集成往往在后期階段完成。或者采用多物理場(chǎng)聯(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(jìn)行仿真分析，這些模型相對(duì)精度較高，但是其求解過程往往需要消耗大量的時(shí)間和計(jì)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(chǎng)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(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)仿真，同時(shí)兼顧電機(jī)和控制器的性能的方式應(yīng)運(yùn)而生。即在系統(tǒng)級(jí)采用一維模型，設(shè)計(jì)空間或者實(shí)時(shí)仿真。在部件級(jí)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)在其中，一維系統(tǒng)仿真往往都會(huì)采用SimcenterAmesim來搭建，不同層級(jí)的零部件模型會(huì)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(gè)包含各個(gè)層級(jí)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(gè)獨(dú)特的平臺(tái)，可用于探索傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的替代方案。同時(shí)Simcenter將整個(gè)過程做的更加自動(dòng)化、接口更加方便，以同時(shí)方便設(shè)計(jì)工程師和仿真工程師來使用。下面我們將舉幾個(gè)典型的案例予以說明。動(dòng)力性能迭代驗(yàn)證獲得電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)后，工程師利用SimcenterAmesim將這些參數(shù)導(dǎo)入整車及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)模型中，完成對(duì)電機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)的整車級(jí)迭代驗(yàn)證。驗(yàn)證內(nèi)容包括初始設(shè)計(jì)階段所述動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的各項(xiàng)指標(biāo)。該階段所用到的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型較初始階段的功能模型顆粒度更為精細(xì)，具體表現(xiàn)為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型對(duì)控制器和電機(jī)本體進(jìn)行區(qū)分，電機(jī)本體外特性不再采用用戶定義的方式，而是根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)部門給出的詳細(xì)參數(shù)計(jì)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(cè)中的半導(dǎo)體工作特性計(jì)算得到。綜上所述，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)動(dòng)力性能在這一階段得到了驗(yàn)證。圖22加載電機(jī)詳細(xì)電磁性能的整車級(jí)指標(biāo)驗(yàn)證散熱性能分析及熱管理策略電機(jī)內(nèi)部溫升過高不僅會(huì)縮短電機(jī)內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和運(yùn)行安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%~40%的永磁電機(jī)失效是由電機(jī)溫升過高引起的。因此，采用高效的散熱系統(tǒng)抑制電機(jī)溫升是電機(jī)向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關(guān)鍵。相較于風(fēng)冷散熱，液冷散熱具有更高的換熱效率，可以達(dá)到前者的50倍，適用于電機(jī)發(fā)熱量大，熱流密度高的散熱場(chǎng)合。因此，車用電機(jī)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(jié)構(gòu)是影響其冷卻效率的關(guān)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)流道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和增加冷卻水流量等方式可以有效提高冷卻效率，但同時(shí)也導(dǎo)致壓力損失明顯增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮水道換熱能力和壓力損失以設(shè)計(jì)合適的水道結(jié)構(gòu)。直接油冷散熱系統(tǒng)的冷卻油與電機(jī)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(jī)散熱難題的有效方案，目前正在被越來越多的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商所采納。但直接油冷循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度比水冷循環(huán)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要較為詳細(xì)的仿真驗(yàn)證與評(píng)估過程才能使系統(tǒng)散熱效率達(dá)到最佳。無(wú)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(jì)算，以及冷卻工質(zhì)和電機(jī)本體間的換熱計(jì)算。通常采用的方法是通過CFD和熱網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方式，利用CFD精細(xì)化的網(wǎng)格劃分計(jì)算得到電機(jī)液冷循環(huán)系統(tǒng)在典型工況下的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)以及換熱效果，然后通過離散化處理，在多學(xué)科系統(tǒng)仿真環(huán)境中得到電機(jī)本體、減速器、以及液冷循環(huán)系統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而加載動(dòng)態(tài)工況完成進(jìn)一步的散熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證。采用SimcenterAmesim可以幫助工程師快熱網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)，用戶可以在SimcenterAmesim環(huán)境下對(duì)該熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行任意調(diào)整已完成電機(jī)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(shí)，大大提升仿真閉環(huán)動(dòng)態(tài)工況下的仿真計(jì)算速度。圖23電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)法的仿真評(píng)估的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)流程西門子數(shù)字化工業(yè)軟件29白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)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(píng)估控制器功率模塊散熱設(shè)計(jì)控制器功率模塊為電機(jī)控制器的核心部件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)控制器功率模塊普遍采用的半導(dǎo)體技術(shù)，同時(shí)也是電機(jī)控制器的主要熱源，在處理波動(dòng)的功率流工作過程中，IGBT/SiC產(chǎn)生的功率損耗導(dǎo)致其結(jié)溫的升高與波動(dòng)，導(dǎo)致芯片性能衰減，甚至造成鍵合線斷裂等失效形式。因此，進(jìn)行結(jié)溫估算研究對(duì)于提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)熱控制及部件保護(hù)具有重要意義。目前常用的結(jié)溫估算模型例如Foster熱網(wǎng)絡(luò)法，需要通過熱阻測(cè)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(cè)量或計(jì)算得到功率模塊的降階熱網(wǎng)絡(luò)模型。該熱網(wǎng)絡(luò)模型可以直接導(dǎo)入SimcenterAmesim中與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其他部件模型集成，并應(yīng)用于動(dòng)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(jì)算耗時(shí)，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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)車用永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、氣隙磁通高以及轉(zhuǎn)矩慣性比高等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑度是衡量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而電機(jī)電流中的高次諧波是影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑度的主要因素。造成電機(jī)電流諧波因素主要有兩方面原因：1）電機(jī)本體方面，如齒槽效應(yīng)、繞組分布形式、磁路磁飽和效應(yīng)、轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)等引起的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)畸變；2）逆變器方面，如開關(guān)器件的死區(qū)時(shí)間、管壓降等非線性特性。同時(shí)，減速器齒輪的剛度和慣量也會(huì)引起電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸上的扭矩波動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)需要對(duì)各因素引起的輸出扭矩波動(dòng)進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。采用SimcenterAmesim多物理系統(tǒng)仿真平臺(tái)搭建的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車駕駛性模型，可以精確復(fù)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件引起的扭矩波動(dòng)。首先工程師將電機(jī)電磁仿真所獲得磁鏈及鐵損參數(shù)Map文件導(dǎo)入SimcenterAmesim，該參數(shù)文件用于精確計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子在不同角度與電流幅值相位下的電磁扭矩。同時(shí)SimcenterAmesim中搭建的詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)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(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩波動(dòng)的各階分量進(jìn)行跟蹤分析，同時(shí)開發(fā)用于抑制波動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)SimcenterAmesim提供了各種類型電機(jī)的本體模型及其常規(guī)控制算法，包括：直流有刷、直流無(wú)刷、永磁同步（凸極式/隱極式、三相/六相/九相）、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)。該平臺(tái)提供的整體解決方案適用于各類電傳動(dòng)部件的建模與仿真。例如：動(dòng)力總成中的主驅(qū)電機(jī)、啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，底盤中的轉(zhuǎn)向助力電機(jī)、線控制動(dòng)電機(jī)，熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)壓縮機(jī)、循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車身中的座椅調(diào)節(jié)電機(jī)、車窗升降電機(jī)等。以車用主驅(qū)電機(jī)中常見的高速永磁同步電機(jī)及其FOC控制、SVPWM調(diào)制技術(shù)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(yàn)證，控制電流的幅值/相位標(biāo)定，電流環(huán)跟蹤控制的PID參數(shù)整定，評(píng)估不同PWM調(diào)制技術(shù)、載波頻率、死區(qū)寬度對(duì)電流諧波成分的影響。圖28電機(jī)虛擬標(biāo)定及整車能耗評(píng)估工作流程西門子數(shù)字化工業(yè)軟件32白皮書–Simcenter電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)電機(jī)控制器軟件在環(huán)測(cè)試(SIL)上節(jié)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)系統(tǒng)控制算法開發(fā)過程中模型層面的驗(yàn)證，為了保證軟件實(shí)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(cè)試對(duì)控制程序代碼進(jìn)行功能驗(yàn)證。這部分工作主要分可為兩類：第一類只關(guān)注實(shí)現(xiàn)控制算法的應(yīng)用層軟件測(cè)試，目標(biāo)編譯平臺(tái)無(wú)需與控制器保持一致，該方法的優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單、測(cè)試迭代周期短；第二類測(cè)試方法需要將應(yīng)用層軟件（SWC）與符合AutoSAR架構(gòu)的基礎(chǔ)軟件（BSW）進(jìn)行集成，通過虛擬ECU完全模擬SWC與BSW在目標(biāo)處理器上的運(yùn)行環(huán)境，相較于前者該方式的優(yōu)勢(shì)在于控制軟件的測(cè)試范圍更加全面，更加符合軟件真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景。針對(duì)第一類即僅應(yīng)用層軟件的在環(huán)測(cè)試，SimcenterAmesim中的電驅(qū)系統(tǒng)被控對(duì)象模型可與應(yīng)用層算法軟件的C代碼通過聯(lián)合仿真進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，用戶程序代碼可運(yùn)行在VisualStudio等常用集成開發(fā)環(huán)境中。針對(duì)第二類與AutoSAR基礎(chǔ)軟件集成后的測(cè)試，西門子數(shù)字化工業(yè)軟件