“  隨著新能源汽車的普及，作為新能源汽車的標配，對于充電樁如何保證快速充電以及提高充電過程安全性可靠性一直是行業研究的重點 。 ”

01

行業痛點

• 為提高充電速率，采用高頻變壓器，如何設計變壓器減小其損耗并降低其發熱。

• 合理的設計電磁鎖，保證安全性的同時減小動作時間，減小通電電流和線圈發熱帶來的安全隱患。

02

解決方案

• 針對電磁鎖及變壓器進行電磁仿真，通過仿真驅動設計，減少試制驗證帶來的損失。

• 針對安全性問題進行電磁-熱耦合仿真，對熱可靠性問題有更直觀的認識。

• 軟件功能：電磁場分析、流體和熱分析、結構強度分析等。

• 應用場景：新能源汽車充電樁，變壓器、電磁鎖、箱體散熱及結構安全等。

• 方案價值：實現仿真驅動設計，通過仿真輸出結果對前期方案設計可能帶來的結果有更加直觀的認識，減少后期驗證帶來的風險和損失。

變壓器電磁分析

隨著充電速度的提高，充電電壓和功率越來越高，隨之而來的是變壓器頻率不斷提高。然而隨著頻率和功率增加，變壓器的損耗越大。因此如何設計變壓器，在提高頻率的同時降低損耗和發熱顯得尤為重要。

• Ansys Maxwell

- 2D/3D電磁有限元分析

- 穩態分析（直流和頻域分析）

- 瞬態分析（時域分析）求解渦流效應

• 優化/參數化/魯棒性設計

- 優化幾何外形及材料參數

- 設計方案評估

• 高性能計算（HPC）

- 采用更多核數提高計算效率

• Ansys多物理場分析

- 與Icepak AEDT雙向熱耦合分析

• Simplorer電路分析

- 與Maxwell鏈接進行系統分析

- 復雜電路控制

電磁鎖仿真分析

實際電磁鎖（磁力鎖），其設計和電制動器類似。是利用電生磁的原理，當電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產生強大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達到鎖止的效果。

• Ansys Maxwell

- 簡化為2D軸對稱模型進行分析

- 幾何模型簡單，節省建模時間

- 可通過3D建模分析提高分析精度

• 快速建模

- 通過Maxwell直接建模

- 通過外部CAD工具導入

• 分析方法

- 穩態分析：獲取電磁力大小，得出其沖程、電流曲線

- 瞬態分析（需要驅動電路）：獲取瞬態的電磁力、電流及位移曲線，求解渦流及磁耗散效應

• 分析優化

- 參數優化/幾何外形優化

- 設計方案評估

機箱散熱分析

對于充電樁機箱內部電子元器件布局，應用CFD與熱耦合分析，快速進行散熱分析。

• Ansys Icepak

- 從芯片級到系統級的工程應用

- 快速建模（MCAD及ECAD）

- 靈活的自動網格生成工具

- 針對復雜曲面的高精度貼體網格

- 針對復雜裝配快速網格生成的并發網格設置

• 求解器

- 以Fluent為求解核心，有著大量成熟的工程應用、適用范圍廣

- 快速數值收斂

- 可通過Ansys HPC并行計算

• 后處理

- 云圖/矢量圖/流線圖/截面及動畫等

- 輸出分析報告（HTML）

• 材料庫

- 可調用自帶的大量標準材料及部件模型，避免手動輸入參數

- 可建立用戶自己的材料庫

電池包仿真分析

對充電過程中電池包的熱點耦合情況進行仿真分析，確保電池包充電安全。

Ansys Fluent

• 模塊熱分析

- 模塊共軛傳熱模型

根據電池模塊中已知的熱源仿真溫度場，評估模塊的冷卻設計策略。

- 模塊電熱耦合熱模型

使用Ansys Fluent中的子模型（例如電池等效電路 <ECM>），根據電池模塊中計算得到的熱源仿真溫度場，評估電池模塊的冷卻設計策略。

- 電池熱降階模型

需要為電池或模塊仿真許多不同的瞬態載荷條件。使用完整CFD模型可能會非常耗時，而ROM解決方案則比較有優勢；典型用例是在系統模型中使用這樣的ROM，例如與BMS結合使用；ROM可通過功能模型單元（FMU）導出第三方工具。

- 電池模塊熱濫用模型

仿真模塊中的熱濫用傳播

• 電池熱分析

- 電池共軛傳熱和電熱耦合

根據電池中已知或計算得到的熱源仿真溫度場，使用Ansys Fluent中的電池等效電路（ECM）進行熱計算，估單個電池的冷卻設計策略。

- 電池熱濫用模型

同時使用Fluent和Twin Builder在耐熱試驗條件下仿真畢奧數小的電池熱濫用，使用TwinBuilder作為模板檢查熱濫用參數集。

結構強度分析

充電樁使用環境的復雜，不同部位的外殼材料有相對應的選材要求，既要達到性能要求，也要經濟適用。

Ansys Mechanical

• 與Workbench綁定的工作流程

• 調用Mesh模塊快速建模

• 易用的接觸調試工具

- 快速調試模型接觸問題

• 靈活的梁單元工作流程

- 在Mechanical中創建、編輯、復制線體單元的截面屬性

- 利用截面工具對未定義截面屬性的線體進行截面屬性定義

• 多物理場耦合

- 支持更多的導入載荷類型

- 實現更廣的多物理耦合分析場景

• 后處理及二次開發

- 支持ACT的二次開發

- 直接可編輯和運行多行腳本文件

碰撞安全分析

對于充電樁受到沖擊碰撞等工況，傳統的驗證手段破壞性大、成本較高，采用Ansys進行仿真可以快速得到驗證結果，縮短周期并且降低驗證成本。

Ansys Explicit Dynamics

• 典型應用

- 跌落

- 碰撞和穿透

• 行業領域

- 消費電子產品（跌落失效）

- 航空航天（鳥撞）、汽車產品

- 核電安全、國防領域

……

• 與Ansys Workbench流程綁定

- 幾何導入

- 網格建模

- 初始環境

- 加載和約束

- 分析設置

- 求解信息

疲勞耐久分析

對于由循環載荷引起的疲勞耐久失效，傳統驗證方法需要經過較長的時間進行驗證，采用仿真手段可以快速得出疲勞分析結果，縮短開發周期，從而更好地指導設計。

• Ansys nCode DesignLife

- 通過仿真手段預測疲勞破壞效果

- 在整個設計周期內進行評估

- 通過多重載荷形式實現累積破壞效果

• 疲勞分析通過5個關鍵步驟建立

  

  
  

• 疲勞分析方法

- Stress-life（SN）：通過彈性應力和應力-疲勞失效曲線（SN曲線）

累積應力引起的失效

只能應用于很高的循環次數（＞100000）

- Strain-life（EN）：通過彈-塑性應變和應變壽命關系方程

累積塑性應變引起的失效

- 采用雨點法來統計SN和EN循環

- 采用邁因納定理來計算SN及EN的累積破壞效果

多學科優化

采用參數優化、拓撲優化等優化方法對充電樁重要結構件進行優化，在維持原性能參數不變前提下實現輕量化，并進一步提高結構可靠性。

Ansys optiSLang

• 連接設計和仿真工具

- Ansys/PLM/第三方工具等

CAx流程管理

- 組合循環/流程/條件框架

- 試驗設計（DOE）及優化

• 開放架構

- 插件（CAx工具/算法/PLM/數據庫）

- 接口（批處理/腳本/移動終端）

• 對標仿真和試驗測試

• 通過optiSLang敏感度模型了解設計

• 強大的元建模模塊

• 強大的魯棒性/可靠性模塊

• 允許用戶進行魯棒性設計優化、不測定度測量及六西格碼設計

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