說到豪華電動汽車的頭牌，自帶明星光環的Elon Musk算是把特斯拉做到家喻戶曉。Lucid Motors？相信很多人對這個品牌就稍顯陌生了，據悉，近日媒體報道Lucid Motors工廠將在2020年于美國亞利桑那州投產，而Lucid Motors旗下的Lucid Air也將正式量產，其為該品牌早在2016 年就推出的第一款車型，但由于資金等原因，遲遲沒有量產，此次官宣無疑也讓早有量產的傳聞塵埃落定。

毋庸置疑，電動汽車要在高端電動車市場中展開競爭，離不開仿真軟件，在考慮多種性能情況下制作數字原型，從而改善車輛子系統的運行，而使用綜合的工程仿真平臺至關重要，這有利于促進設計團隊在不同工程學科間開展協作，從而讓汽車和工程團隊共同實現顯著的績效提升。下文由Lucid Motors多物理場與優化經理Alberto Bassanese此前執筆的《車輛電氣化》。

ANSYS CFD可用于優化車輛空氣動力學

要在2-3年內從頭開始研發出一款新型高端電動車，Lucid Motors面臨著巨大的技術挑戰和復雜的監管環境，但作為一個新進者，Lucid擁有一些關鍵優勢，該公司開創了一種獨特的方法，讓參與到電動車設計的每個專業團隊，包括電磁、熱、結構、空氣動力學等都在一間房間里工作，從而在設計流程一開始就鼓勵協作。通過為大部分工程團隊成員提供通用仿真平臺，Lucid能夠促進團隊協作加快工程流程，在ANSYS Workbench環境中集成的ANSYS多物理場仿真軟件，可實現車輛各個子系統的同步優化，所用時間僅為傳統工程方法的幾分之一。

ANSYS Maxwell磁心損耗被映射到ANSYS Fluent中，以改善電機設計

減少阻力

Lucid空氣動力學工程師使用包含ANSYS伴隨求解器的 ANSYS Fluent，研發車體和新的進氣口和管道系統，以最大限度降低阻力系數。工程師充分利用ANSYS DesignXplorer，以幫助CFD軟件仿真多種類型的車輛形狀，從而確定空氣動力學性能。這些仿真能夠通過響應面、敏感性圖、帕累托圖和權衡圖詳細說明多種形狀參數對阻力的具體影響。根據這些信息，汽車外形設計人員和空氣動力學設計人員就能找到既滿足造型方案和其他約束條件，又具有最小阻力的車輛外形。

ANSYS Fluent流體油冷多相體積瞬態仿真

優化發動機

Lucid團隊使用ANSYS Maxwell設計和分析電機、制動器、傳感器、變壓器和其他電磁與機電設備。Maxwell能確定電機中的電磁損耗，同時通過ANSYS Workbench把這些損耗集成到ANSYS Fluent仿真中，用于確定整個電機上的溫度。電機采用兩個單獨的冷卻系統，第一個是電機殼上的水套；第二個系統將傳動油注入最熱的區域，即端繞組和轉子。工程師使用兩個耦合模型，一個油模型和一個水模型，來仿真這兩個冷卻系統。工程師使用流體體積模型開展多相瞬態仿真，在油模型中求解被油冷卻的區域，該模型求解出被油浸潤的表面的熱傳遞系數和局部油溫，工程師使用ANSYS Fluent中的水模型為水冷卻系統建模，并且使用穩態共軛熱傳遞預測電機固體組件的溫度。

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ANSYS Fluent共軛熱傳遞仿真等溫圖

然后將水模型預測得到的溫度與油模型結合使用，并再次運行仿真。得到的熱傳遞值被映射給水模型。這一迭代過程持續進行，直到兩個模型收斂為相同的溫度。在模型完成收斂后，ANSYS Workbench使工程師能夠方便地將固體對象的溫度集成到ANSYS Mechanical結構模型，以計算熱應力并開展疲勞度分析，從而確保電機能實現預期的使用壽命。使用仿真后，Lucid工程師將電機的功率密度和能效提高了12%，溫度預測值與物理測量的匹配度在3%的誤差范圍內。

電機設計的另一個重要方面是創建轉子磁通圖，該圖被嵌入到控制算法中，能夠最大限度減少轉子在不同工作條件下的損耗。工程師使用ANSYS Maxwell 和ANSYS Electric Machine設計工具套件計算電機的扭矩速度曲線、效率圖和其他性能曲線。他們修改了頻率、滑動條件和輸入電流等參數，以計算轉子磁通圖，并將其作為查找表嵌入到控制算法中。磁通被轉換為車輛運行過程中的脈寬調制（PWM）電壓，相比于常規方法是通過在功率計上的實驗生成轉子磁通圖，這一方法可將功率計的校準時間縮短80%。

冷卻逆變器

逆變器將低壓直流逆變為高壓交流，從而為車輛供電；這樣會產生大量的熱量，需要散熱才能避免超出逆變器的結溫，保護其免受損壞。工程師為逆變器創建了完全參數化的模型，并使用modeFRONTIER優化關鍵設計參數，例如翅片拓撲、在逆變器殼體內輸送水的通道的橫截面。然后他們使用ANSYS伴隨求解器 ，通過網格變形功能來優化與上下游管道連接的歧管的形狀，這一優化過程不僅使峰值溫度降低18攝氏度，而且還讓不同功率晶體管之間的溫度差保持在4攝氏度以內，與此同時，冷卻系統內的壓降減少了1/3，逆變器外殼的體積和重量降低了15%。

使用ANSYS CFD仿真逆變器冷卻系統

ANSYS CFD 管道優化 (壓降 vs. 最大IGBT 溫度)

 ANSYS CFD顯示不同IGBT之間的逆變器溫度呈均勻分布

延長電池使用壽命

此外，Lucid工程師還使用 ANSYS Mechanical為電池組創建電氣和熱模型，同時用ANSYS Fluent仿真電池充放電過程中的電極失效。通過在不同駕駛循環中了解可能出現電極失效的潛在狀況，工程師顯著延長了電池的使用壽命，仿真結果被濃縮為降階模型，可用于仿真各種駕駛循環中的電池性能。

工程師使用ANSYS Fluent和ANSYS Simplorer為紐伯格林賽道大獎賽行駛一圈的電池瞬態熱性能建模

仿真讓工程師能夠改善車輛的關鍵屬性。例如傳統方法是將電池堆疊放置在汽車下方的扁平面板里，這樣可以提高扭轉剛度，降低重心，但是會影響放腳空間。Lucid工程師使用仿真縮小了前逆變器-電機和暖通空調(HVAC)裝置的尺寸，從而釋放出空間，以增加該區域的電池組高度。這樣就能對電池組設計造型，將其降低至乘客艙下方，從而為乘客艙內部騰出更多放腳空間，提高乘客的舒適度。

利用造型電池組實現更寬敞的內部結構

Lucid Motors在整個設計周期中借助ANSYS通用仿真平臺廣泛開展仿真，加上他們專注于前期仿真，使這家公司有能力與知名電動車競爭對手一較高下。來自不同專業學科的工程師在ANSYS仿真平臺中利用ANSYS工具開展數字設計探索，并充分考慮設計的復雜多物理場性質。