視角 | 仿真技術引領“再電氣化”發展趨勢
* 本文原刊登于智能制造媒體咨詢研究機構e-works：《推動能源革命，仿真技術引領 “再電氣化” 發展趨勢》
引言：進入新世紀以來，為了應對資源緊張、環境污染、氣候變化等挑戰，全球范圍迎來新一輪電氣化變革，即“再電氣化”進程。
電力在19世紀的發明和在20世紀的廣泛應用，極大促進了人類社會發展進程。進入新世紀以來，為了應對資源緊張、環境污染、氣候變化等挑戰，全球范圍迎來新一輪電氣化變革，即“再電氣化”進程。
隨著全球能源結構加速向綠色、低碳和智能的方向轉型，“再電氣化”已成為構建新型能源體系的必由之路。一方面，全球電力需求的快速增長，不斷催生著“再電氣化”進程發展；而另一方面，如何有效地進行技術創新、如何快速投向市場以及加速人才培養，正成為“再電氣化”進程中的攔路虎。
為洞察“再電氣化”領域的技術創新和應用前沿趨勢，e-works記者專訪到Ansys電氣化解決方案架構師、首席專家唐章俊博士。作為電氣化領域的資深專家，唐博士曾協助包括特斯拉、大眾、通用等全球知名的汽車企業梳理電氣化仿真業務、流程、提升能力。在唐博士看來，對于在電氣化領域工作的人來說，身處仿真技術蓬勃發展的時代，是無比令人興奮的事情——“再電氣化”促進著仿真技術的普及，仿真技術也正在加速“再電氣化”進程中的工程創新。
“再電氣化”推動全球能源革命
據中國社會科學院和國際能源安全研究中心預測，到2050年，全球發電量將達到47.9萬億千瓦時，年均增速2%，其中發電增量的72%來自非化石能源發電。
可以說，電氣化水平的不斷提高已成為全球能源轉型發展的重要標志，包括電動汽車、低碳或無碳化發電、高效工業電機等技術不斷普及是推動“再電氣化”水平提高的重要發展要素。伴隨著儲電技術及儲電能力的不斷完善，太陽能和風力發電技術的穩步提高，構建綠色、低碳、清潔的新型能源體系及“再電氣化”已成為不可逆轉的趨勢。
實際上，與傳統能源生產消費方式下的電氣化相比，“再電氣化”在本質上并無太大區別，而是在電能的生產、傳輸和再利用環節訴求“深度清潔”和“極致高效”。
從能源生產側來看，體現為清潔能源特別是新能源的大規模開發利用。2000～2016年，全球風電、太陽能、水電發電裝機年均增長22%、40%和3%。從能源消費側來看，體現為電能對終端化石能源的深度替代，最典型的就是電氣化交通的發展，涉及電動汽車、超級高鐵、多電飛機等諸多熱門領域。
電能作為清潔、高效的二次能源，能夠實現靈活調節和精確控制，促進終端能源利用效率提高。從這個意義上說，“再電氣化”對推動全球能源轉型、保護生態環境、提高經濟發展的效率效益具有重大意義。
“再電氣化”促進四大行業發展
隨著電能占終端能源消費的比重不斷提升，“再電氣化”進程正影響并促進著諸多行業領域的發展。在談到哪些行業的電氣化發展進程更為明顯時，唐博士認為以電動汽車、可再生能源、工業電機和多電飛機等四大行業為最。
首先是電動汽車。在全球售出的電動汽車中，約三分之二的電動汽車由電池發電，三分之一為混合動力汽車。隨著電氣化、移動化服務和車輛自動駕駛的相互作用，電動汽車充電行業正不斷興起，并對交通運輸領域產生深遠影響。
其次是可再生能源。《巴黎協定》將全球氣候治理的理念確定為低碳綠色發展，推動著能源消費朝著更加經濟、節能、環保的方向發展。這一供需結構的變化使得可再生能源發展越來越受重視，也將推動著電力市場發展更具靈活性、開放性和互動性。
第三是工業電機。有數據顯示，電機能耗約占整個工業能耗的60%-70%，隨著再電氣化進程的推進，將進一步促進高效工業電機、工業生產線、工業自動化設備及機械設備、工業機器人等領域的發展。
第四是多電和全電飛機。研發多電飛機意味著需要用更加智能、更加互聯、數字化程度更高、以及更多電氣化技術來替代飛機中的許多傳統系統。譬如波音787的發動機能夠產生1000kVA以上的電力，對飛機的發電系統、配電系統、電力推進系統、電控系統等都將產生重要影響。
來自第三方的研究顯示，“再電氣化”發展進程中，每年來自電動汽車、可再生能源、工業電機和多電飛機的技術研發投入將會超過450億美元。唐博士認為，傳統的工程方式越來越難滿足企業對于產品復雜性和上市周期的追求，而仿真技術正在成為幫助它們實現“再電氣化”的必然選擇。
仿真技術成“再電氣化”發展引擎
以電動汽車為例，來自行業新進入者和其他長期競爭對手的壓力，讓汽車企業必須保持對技術的專注。隨著產品越來越復雜、上市周期卻越來越短，傳統的工程方法無法及時滿足客戶需求，仿真技術就成了唯一選擇。
多電飛機的情況類似，如何生產和儲存長途飛行所需的充足能源，由此帶來的飛機減重、新材料、新工藝、傳統機械系統與更多電子組件的機電耦合以及用電量越來越大帶來的諧波和噪聲污染等一系列問題，都需要依賴仿真技術的支持。
歸根結底，電氣化領域的所有企業都需要設計出更好、更快、更便宜、更可靠的產品，要實現這個目標則面臨著電池開發、材料、電化學、電池/模塊/組件、熱管理、電熱耦合、BMS、功能安全、軟件等各個方面的難題。
唐博士指出，工程仿真技術在“再電氣化”進程中可以幫助各類企業減少物理原型和測試的數量，有助于加快開發周期和降低成本；仿真還可以幫助工程師對他們的產品有更深入的了解，以改進產品設計優化和質量；同時仿真也將有助于促進組織內以及OEM和供應商之間的團隊協作。唐博士強調，“Ansys是唯一一家擁有電氣化各方面技術的仿真公司，同時在各個領域都有專業知識，可以幫助客戶將所有的東西結合在一起?！?/strong>
鑒于眾多行業電氣化工程挑戰所及的廣度、深度與技術復雜性，工程仿真具有前所未有的重要意義。目前，Ansys仿真技術能夠解決與電氣化相關的四大關鍵領域的工程難題：電力電子、電機、電池以及系統集成。
針對電力電子領域，Ansys可以助力企業實現結構完整性/可靠性、熱管理等；在電機設計領域，則可以解決NVH、電磁設計、所用材料等難題；針對電池和燃料電池領域，可以提供涵蓋設計、熱管理以及從電池單品到系統級別的電池管理。唐博士表示，更獨特的是，Ansys所生成快速、高保真的仿真模型既可以描述三維實體，同時又可以被系統和軟件使用，實現機電系統集成、系統的設計與分析、控制軟件、功能性安全分析等功能。
Ansys攜手客戶推進 “再電氣化” 實踐落地
隨著“再電氣化”進程的加速發展，越來越多的企業借助仿真技術實現彎道超車。唐博士告訴e-works記者，除了各行業的頭部企業在加大仿真技術的投入以加速再電氣化進程，還有很多具有探索精神的企業進入這一領域，它們勇于借助工程仿真技術進行創新，并取得快速和積極進展。
總部位于西雅圖的Zunum Aero就是這樣一家致力于研發電動飛機的初創企業。借助仿真技術，Zunum Aero的工程師快速了解低壓風機、容錯電機和電動控制器如何作為一個系統在實際工況下運行，開發出連通小型機場的電動飛機。而如果不采用仿真技術，預計Zunum Aero飛機驗證工作需要多一倍的時間，在硬件測試方面更需要多花數百萬美元的資金成本。
Zunum Aero利用Ansys Startup Program獲得的Ansys軟件套件中多個產品對組件性能進行仿真。在具體應用中，Zunum Aero設計工程師采用Ansys Mechanical分析推進器組件的結構完整性，不僅使工程團隊能夠進行穩態仿真、模態仿真和結構動力學參數仿真，而且還可以幫助工程師了解各個組件的完整響應以及協同運行情況。另外，工程師采用Ansys CFD模擬了推進器內部和外部流動，以完成空氣動力學壓力損耗估算和設計優化。
由于熱量會直接影響產品可靠性，因此電氣組件的溫度必須保持在規定范圍內。Zunum Aero采用Ansys Fluent實現熱管理。工程師進行CFD流體流動與熱傳遞分析，以預測溫度變化與熱消耗，設計冷卻系統。
除此之外，基于Ansys仿真解決方案，Zunum Aero設計團隊得以在虛擬環境的概念驗證層面分析更多組件，并進行多物理場評估以加快設計優化。
意大利電機設計制造商Marelli Motori是另一家通過應用仿真技術獲益的公司。
外觀看似普通的電機，其旋轉磁性線圈在運行狀態下會導致熱量聚集，從而降低電機發電效率；經過優化設計的方案，工程師往往無法高效地電機制造出來；以及電機工作時產生的噪聲和振動，不同程度影響著用戶的體驗。
為滿足客戶需求，Marelli Motori采用Ansys Maxwell、Ansys Mechanical和Ansys CFX多物理場仿真技術，為客戶提供值得信賴的定制解決方案。
在Ansys多物理場仿真的幫助下，Marelli Motori工程師設計出適合定制電機和發電機的最佳組件，從而提高了其在全球市場的競爭力。與此同時，Marelli Motori研發團隊借助Ansys仿真技術實現了更高效率、更低成本、更短的研發時間和更高的可靠性。
值得一提的是，自Ansys Discovery Live發布后，Marelli Motori是最先采用該軟件的企業之一。通過實時改變產品幾何結構或工況得到變化后的仿真結果，從而大幅降低了設計時間。
唐博士表示，Ansys正在眾多行業攜手客戶一起推進‘再電氣化’的實踐與落地，Ansys技術最終目標就是幫助客戶加速產品設計和創新，幫助他們降低成本和提高質量，最終贏得電氣化革命的勝利。
關于受訪者
唐章?。╖ed Tang）
博士/IEEE高級會員，現任Ansys全球電氣化解決方案架構師，首席專家。唐博士曾協助包括特斯拉、大眾、通用等全球知名的汽車企業梳理電氣化仿真業務、流程、提升能力。本科畢業于哈爾濱工業大學電氣工程專業，2002年獲得克拉克森大學博士學位。
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