新能源汽車與新能源電池行業(yè)仿真技術應用

來源：安世亞太

3D打印技術能夠實現高柔性和高復雜性的生產，這使得3D打印技術適用于電動車零部件生產，特別是制造一些對于產品性能和輕量化有著更高要求的部件。而電動汽車作為一種新的產物，也必將呼喚新的制造技術。

迄今，拿通過金屬3D打印加速汽車行業(yè)工業(yè)技術應用的頭部企業(yè)布加迪舉例，布加迪已經開發(fā)了3D打印的功能性零部件-制動鉗、擾流板支架、電機支架以及前橋差速器。布加迪采用選區(qū)激光熔化SLM 金屬3D打印技術，對電動機支架進行批量生產，電機支架已安裝在Chiron系列新型車輛中。

布加迪批量生產的電機支架。來源：SLM Solutions

從將產生更深層次的影響力度方面看，寶馬牽頭的IDAM聯(lián)合計劃目標正是推動“汽車領域的增材制造（AM）技術的工業(yè)化和數字化”。這個項目將要對3D打印產業(yè)化帶來的深遠影響。

新能源汽車形式上與傳統(tǒng)汽車相近，內部改變卻很多，由此產生巨大的優(yōu)化提升空間。在新興設計領域中高效使用高精度，高質量，全面，統(tǒng)一的輔助設計工具能為企業(yè)技術帶來持續(xù)的高速發(fā)展。本期谷.專欄通過安世亞太的《新能源汽車與新能源電池行業(yè)仿真技術應用》來呈現新能源汽車開發(fā)方面擁有統(tǒng)一、精準的分析系統(tǒng)和解決方案的必要性。

新能源汽車是高科技綜合性產品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術，有些節(jié)能措施比提高電池儲能能力還易于實現。新能源電動汽車需要全新車身結構，而決不僅僅是由電動驅動系統(tǒng)代替內燃機。汽車的電動化要求對整個車身進行大范圍的改進，因為電動驅動組件對結構空間有全新的要求。

對于新能源汽車而言，輕質結構設計意義重大。因為除電池電量外，汽車重量也是行駛距離的一個限制性因素。車輛越輕，允許裝備的電池也越多，行駛距離便越遠。3D打印技術無論是助力新能源汽車的研發(fā)，還是在全新的車身結構，輕質結構的實現，以及汽車內飾、智能互聯(lián)方面都有著巨大的潛力。

面向行業(yè)挑戰(zhàn)
新能源汽車系統(tǒng)組成復雜，涉及到到電、磁、控制、機械、流體等不同的物理域；以及總體、機械、氣動外形、電子電氣等不同設計部門。如何綜合考核各個關鍵部件的電磁、結構、溫升等性能；如何綜合評估系統(tǒng)與部件的匹配性；如何在各個設計部門中協(xié)調設計？

上述問題涉及到橫向多域設計，又涉及縱向多層次設計，甚至需要綜合考慮流程與數據管理等問題。

新能源汽車動力系統(tǒng)均由高性能牽引電機提供扭力輸出，在仿真設計和研發(fā)過程中涉及到流體、結構、溫度、電磁和控制等多個領域的復雜多物理場問題。

driveGKN和保時捷工程公司聯(lián)合開發(fā)的結構優(yōu)化的差速器殼體

新能源汽車動力電池是一個全新的部件，在設計階段主要考慮到試用過程的安全性以及使用壽命的管理。這兩者分別與汽車的碰撞安全性以及電池的熱管理最為相關。碰撞安全性涉及到電池的安全使用與否，而電池包的熱管理則很大程度影響電池包的整體壽命和續(xù)航里程。

整車級EMC測試標準主要限制定了車載發(fā)射器和車外輻射源工作時車輛的EMC性能。車內電子設備數量眾多，新能源汽車更甚，都有可能成為輻射干擾源或被干擾體，如電機、變流器、各種天線、ECU等，種類繁多、頻譜跨度廣、且安裝位置多樣。如果將EMC問題都壓縮在整車的最后設計階段，則設計者需要付出更多的代價。

統(tǒng)一的系統(tǒng)，精準的分析
針對新能源汽車的各個方面，ANSYS軟件提供了統(tǒng)一、精準的分析系統(tǒng)和解決方案。

鋰電池的散熱：
ANSYSFluent對單體鋰電池定制了MSMD模型，內置三個1D的電化學模型來計算電池內部的電流及熱量生成，用于也可以通過自定義的程序來求解電化學反應的過程。MSMD模型可以大大簡化單體電芯的熱分析過程，并且其計算精度也能夠滿足工程要求。

ANSYSFluent對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優(yōu)勢：

一是模型簡化處理方面的優(yōu)勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節(jié)，而熱分析中所需要的關鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復雜的結構下，需要提取出來以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專業(yè)且快捷的對幾何模型進行簡化處理，并得到用于計算的模型。

二是求解器模型方面的優(yōu)勢，ANSYSFluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。

麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬。來源：安世亞太

福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統(tǒng)設計。來源：安世亞太

電池模組風道優(yōu)化案例。來源：安世亞太

針對電池包還需要進行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。

從動畫及應力動畫可以看到，0~2ms是碰撞時間段，可以看到應力集中區(qū)域首先出現在加強筋-下箱體連接尖角處，出現條形分布高應力區(qū)域，然后是固定耳片也接觸到地面時，相應部位被擠壓產生塊狀分布高應力區(qū)域。應力最大約為258Mpa，位于應力集中區(qū)域。

電池模組風道優(yōu)化案例。來源：安世亞太

電驅動系統(tǒng)分析
新能源汽車電機及驅動/控制系統(tǒng)設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進新型電機設計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協(xié)同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術和多學科優(yōu)化技術的數字化研發(fā)環(huán)境。

電機本體設計
根據電機本體永磁化、無刷化、高速化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術挑戰(zhàn)，全面考慮了電機本體設計的各方面，包括：
- 基于磁路法的電機快速設計、初始方案評估和優(yōu)化設計；
- 基于瞬態(tài)電磁場有限元分析的電機精確分析和參數化/優(yōu)化設計；
- 基于有限元的熱、應力、形變分析；
- 基于有限容積法的流體熱分析和散熱系統(tǒng)優(yōu)化；
- 基于電磁、熱、結構單/雙向耦合的多物理場耦合設計；
- 基于電磁、振動、噪聲自動化設計流程的耦合設計等。

通過快速優(yōu)化傳統(tǒng)的電機設計方案，實現高效節(jié)能化；通過高效探索和積累無刷及永磁電機設計經驗，實現無刷化、永磁化；通過優(yōu)化設計電機在高速時的電磁和多物理場耦合特性，實現高速化。

電機電磁、結構、熱等多物理場耦合設計。來源：安世亞太

統(tǒng)一平臺下多場耦合計算電機結構，熱，聲場，電磁場分析。來源：安世亞太

EMC/EMI電磁兼容和干擾分析

在現代電驅動系統(tǒng)研發(fā)中，電磁兼容和干擾日益成為設計瓶頸。以EV/HEV電驅動系統(tǒng)為例：

- 牽引電機高速運行，大功率IGBT以幾十KHz頻率開關所導致的各種高低頻電磁干擾將直接影響各種控制信號檢測和傳導；

- 線纜、IGBT、母排、PCB關鍵路徑走線等寄生參數也會直接影響各種功率和控制信號的傳導；

- PCB控制板級信號串擾和電磁輻射干擾；

- 各種車載電磁設備分布在有限的車體空間內，相互之間也存在電磁干擾，影響設備的性能；

- 車載各種高低頻感應、輻射和傳導干擾不僅會影響電磁設備的性能，而且容易導致控制系統(tǒng)誤動作或失控，影響整車運行性能，甚至造成故障和事故；

如何有效地設計各種共模和差模濾波器，IGBT和控制器封裝、車載電磁設備布局、以及各種電磁屏蔽措施都變得至關重要。因此，研發(fā)高品質的電驅動系統(tǒng)，就必須解決電磁兼容設計問題。

ANSYS電磁系列軟件對不同部級進行分析，統(tǒng)一虛擬實驗環(huán)境。來源：安世亞太