CAE技術在新能源汽車研發中的應用（一）

越來越多的汽車廠商投入更多到新能源汽車的研發制造當中，要設計非常復雜可靠的下一代電氣傳動系統，使用緩慢和低效的、反復樣機試驗的研制方法已不能滿足快速設計的需求。為了能在最短周期內研制出高質量、可靠穩定的新能源汽車，工程師在研發環節引入先進的CAE仿真技術，來替代傳統的反復使用物理樣機驗證方法，幫助工程師在汽車物理樣機制造之前，就能夠有效地評估多個供選方案，進行許多假設分析研究，預測車輛在實際駕駛情況下的性能。

一、未來汽車工業發展趨勢——新能源汽車

    中國汽車產業經過半個多世紀的努力，已形成完整的工業體系，并成為國民經濟的重要支柱產業，我國汽車產銷量多次躍居世界汽車產銷量首位。然而，隨著汽車保有量的快速增長，由此帶來的環境和能源問題日益突出。全國各地地持續的霧霾天氣，關于PM2.5的討論讓廣大人民群眾對于治理大氣污染的呼聲日益高漲。石油資源逐漸短缺造成的能源危機也不容忽視，因此，節能、環保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯系在一起，更節能、更環保、使用替代能源的新型汽車——新能源汽車產業呈現出強勁的發展勢頭。

    新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、太陽能電池汽車，以及生物燃料汽車和其它燃氣汽車等。

    目前新能源汽車產業發展主要集中在混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車上?；旌蟿恿ζ嚕℉ybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源（由傳統的汽油機或者柴油機產生）與電動力源（電池與電動機）的汽車；純電動汽車（Electric Vehicle，EV）是指完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車；燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV）則是以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學反應產生電流，依靠電機驅動的汽車。

 純電動汽車

    新能源汽車使用替代能源，減少了燃油的消耗和有害氣體的排放，滿足了汽車行業日益凸顯的節能與環保需求，因此成為世界各大汽車廠商研究的熱點，同時也得到了各國政府政策的大力支持。2012年國務院印發《節能減排“十二五”規劃》，將節約和替代石油列為節能減排重點工程，發展節能汽車成為當前落實國務院加強節能減排工作重要部署的重大舉措。新能源汽車是國務院確定的重要戰略性新興產業，是我國最具發展潛力的重要領域之一。近年來，特別是《中國節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020）》發布以來，各地方節能與新能源汽車產業蓬勃發展，呈現良好發展態勢。新能源汽車將逐漸取代純油耗汽車，成為未來汽車行業發展的新趨勢。

二、新能源汽車研發中面臨的主要挑戰

    然而由于與傳統汽車在結構和工作原理上有巨大區別，在新能源汽車的設計研發環節，汽車工程師面臨著諸多挑戰，關鍵部件包括動力電池組、牽引電動機及發電機、功率電子器件等，除了這些關鍵部件的設計中涉及到復雜的物理問題之外，還存在系統集成時電磁部件之間的電磁兼容/電磁干擾等問題。汽車NVH性能、輕量化、安全性研究也是新能源汽車研發時必須考慮的因素。

 電動汽車透視圖

    1.電池組

    在混合動力汽車和純電動汽車中，電池組是車輛最主要的動力來源，同時也為眾多的電動輔助系統提供能量。因此電池組的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指標將直接關系到車輛動力性能。在設計電池組的時候，在保證高水平容量和輸出功率的基礎上，工程師還必須考慮熱、結構、電磁因素對電池組及電池單體的影響。

 

電動汽車電池組

    電池組在充、放電的時候會產生熱，長時間工作在比較惡劣的熱環境中，將會縮短電池使用壽命、降低電池性能。電池組內部單體之間溫度分布不均勻導致溫差過大，就會形成有害的電流回路也會縮短電池的壽命。要管理電池組發熱問題，就需要根據電池組內部溫度場分布來設計一個風冷或水冷的冷卻系統，而設計高效的冷卻系統則涉及到傳熱學和流體動力學等知識。

    電池組的安裝位置、結構分布會影響車內空間大小，在一系列駕駛條件下，電池組不同的安裝位置還會影響其所受各種應力，這時候需要考慮是否會引發安全問題，一旦電池結構被破壞可能釋放出有毒酸液對乘客造成危險。在外加熱、過充、過放、針刺、重壓及外部短路等多種工況變化情況下，電池組能否安全保證工作性能也是需要研究的。

 2.電動機

    電動機是新能源汽車驅動系統中必不可少的部分，它決定了將多少蓄電池的電能轉化為機械能來驅動車輛運行，消費者都期望汽車具有高燃油效率，它在很大程度上影響了消費者的購買決策。而電動機工作效率與其電磁特性密切相關，因此研究電磁問題、設計出高效率的電動機是新能源汽車電氣傳動系統研發最重要的挑戰之一。

電動汽車電動機

    此外，混合動力和純電動汽車所用的牽引電動機可能面臨非常嚴苛的工作環境，電動機持續工作在極端溫度條件、劇烈振動、大工作循環及崎嶇路面條件下。在混合動力汽車中，電動機還受發動機產生的高溫影響。這些因素要求電動機必須具有很高的可靠性和安全性。

    3.電力電子器件

    在新能源汽車的電氣傳動系統中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動機、發電機之間的能量傳輸，并根據路況和駕駛員指令做出邏輯判斷來調節電氣傳動系統。電力電子器件根據傳感器監測到的位置、速度、溫度等反饋信號，嚴格控制著蓄電池提供給牽引電動機的電能，為了保證汽車在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，電力電子系統必須具備良好的性能。

    與電池組一樣，熱管理也是新能源汽車電力電子設計所關注的一個主要問題。由電氣傳動系統傳遞到車輪和再生制動充入電池的所有能量都需要通過電力電子器件完成，因此即使電子器件極微小的功率損失也能產生大量的熱。不同工作環境下，電力電子系統中產生的熱量都需要嚴格控制并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。這需要對電力電子器件中的電磁損耗做精確計算并研究出相關的散熱方式。為了確保最有效的冷卻，還要根據電力電子系統具體情況進行散熱路徑設計。

    除了熱管理，新能源汽車中電力電子控制邏輯也是需要嚴格設計的，在不同的驅動工況下對電氣傳動動力集成部件及系統進行優化。

    4.電磁兼容

    電磁兼容性是指設備或者系統在其電磁環境中能正常工作，而且不對該環境中其它任何事物構成不能承受的電磁騷擾。新能源汽車中應用了高壓和大電流的大功率電子變換裝置和驅動電機，而且車上的電子電氣設備繁多，設備的電磁敏感度也各不相同，整個車輛處于很復雜的電磁環境中。因此在新能源汽車中，各種電氣元件之間的電磁兼容性就成為一個重要的問題，如果不解決這些問題，電磁干擾就會破壞信號傳遞和檢測并影響電動機正常工作，甚至引發安全問題。

    為達到電磁兼容性的設計要求，要分析各種電磁干擾源，確定干擾路徑和耦合方式，然后根據具體情況采取有效的抑制干擾、消除干擾的措施。必須通過電磁學分析來仔細研究電氣元件之間的電磁干擾影響，在電氣傳動系統邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動機及其周圍電磁部件內和周邊的電磁場，這些部件在工作時又是相互連通、耦合的，這對電磁兼容性分析、解決電磁干擾問題提出了更高的要求。

    5.其它挑戰

    NVH性能

    隨著收入水平的提高，消費者越來越看重汽車NVH性能指標（噪音Noise、振動Vibration、平穩Harshness三項，即乘坐“舒適感”），而對于新能源汽車而言，由于其內部布置、動力總成的結構與振動特性與傳統汽車完全不同，不能通過已有經驗和方法來研究其動力總成和底盤懸架的振動特性對NVH性能的影響。

    在噪音優化方面，還需要分析電池組中電液流動噪聲、驅動電機和發電機的轉動和振動噪聲。

    汽車輕量化

    輕量化一直是汽車研發中重要的一點，可以提升汽車動力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對于新能源汽車更是如此，降低車重對于延長昂貴的蓄電池組使用壽命、提高能源轉換效率有著重大意義。然而受制于蓄電池的高質量密度，新能源汽車的輕量化工作也具有一定難度。

    安全性

    安全性是汽車研發中不得不考慮的問題，新能源汽車的安全性同樣備受關注。但是在新能源汽車的安全性指標上，除了要滿足常規的安全碰撞標準之外，還要考慮可能發生的電池燃燒、高壓漏電、電磁干擾帶來的安全隱患。

    傳統汽車使用的電池電壓只有幾十伏，而混合動力汽車或純電動汽車所用電池電壓少則100多伏，多則300多伏，一旦發生漏電對人體的傷害將是致命的。電磁干擾可能導致汽車操控系統失靈，電池燃燒也會導致爆炸，這些都給汽車安全分析提出了更高的要求。

三、CAE技術在新能源汽車研發中的應用

    新能源汽車固然是未來汽車發展的趨勢，越來越多的汽車廠商也會投入更多到新能源汽車的研發制造當中，越早推出產品越有利于占領市場。但與此同時原始設備制造商和供應商都面臨著研發難題，這對于先進的公司是巨大的潛在利益，而對于落后的公司則是重大的挑戰，如果解決不好這些難題，將有缺陷、尚不完善的產品推向市場，則存在著巨大的商業風險。在激烈的競爭環境中，要設計非常復雜可靠的下一代電氣傳動系統，使用緩慢和低效的、反復樣機試驗的研制方法已不能滿足快速設計的需求。

    為了能在最短周期內研制出高質量、可靠穩定的新能源汽車，工程師在研發環節引入先進的CAE仿真技術，來替代傳統的反復使用物理樣機驗證方法，幫助工程師在汽車物理樣機制造之前，就能夠有效地評估多個供選方案，進行許多假設分析研究，預測車輛在實際駕駛情況下的性能，在前期就進行快速優化設計，以避免在產品開發的后期發生意外和問題。

    用于新能源汽車的CAE技術涵蓋了機械、流體動力學、熱學、電氣和電磁等領域，主要解決電氣傳動系統單個部件：電池組、牽引電動機、電力電子器件等的開發問題，以及子系統之間的集成和電磁干擾、復雜電氣傳動系統的設計和研究，此外還有新能源汽車NVH特性、輕量化、安全性等性能分析優化。

    1.電池組仿真分析

    ●電池組熱管理：根據溫度場分布設計散熱系統

    ●電池的機械性能分析：碰撞，碾壓，針刺對電池的影響

    ●電池的電性能分析：過充/過放，大電流，充/放，外部短路對電池的影響

    ●噪聲、振動和聲振粗糙度分析：流動噪聲，結構振動

    ●結構的耐久性分析

    新能源汽車及其他設備所使用的電池主要分為化學電池、物理電池以及生物電池三大類，由于技術限制現階段物理電池和生物電池并不能廣泛使用，所以目前新能源汽車主要用的是鉛酸蓄電池、鎳氫電池及鋰離子電池等。就像內燃機車對發動機有各種要求，新能源汽車對電池組也有著苛刻的性能要求，包括安全性、穩定性、成本、充放電效率、比功率、比能量等，這些直接關系到新能源車在電動驅動上的表現。

    影響電池組在這些性能的一個最大因素就是溫度，化學電池只有在一定溫度范圍內工作，才能保證其性能和壽命，而電池組在充、放電的時候會產生熱量，電池組周圍其他汽車部件工作時也會產生熱量，這時候需要建立電池組熱管理系統，來準確測量和監控電池組溫度，在電池組溫度過高時有效散熱和冷卻，保證電池組溫度場的均勻分布在最優工作溫度范圍內。

    在電池組熱管理系統中，合理的冷卻方式和散熱結構顯得尤為重要。對圓柱形電池單體通常采用風冷策略，結合電池組外殼的形狀設計形成足夠的氣流以實現最佳的冷卻。對矩形電池單體，冷卻一般通過與電池單體相接觸的熱交換器中液體循環來實現。散熱結構設計的傳統方法是試驗結合理論公式，來推導出最佳散熱結構。傳統方法效率低，且局限于較簡單的電池組結構。引入CAE技術之后，可以建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎上分析散熱效果并對不同方案進行對比和優化，取代了試驗方法，大大提高了設計效率。

    針對電池組的散熱結構設計以及設計方案評估優化，首先要根據電池電極反應及生熱原理得到電池生熱量計算公式，由傳熱學的質量、動量和能量守恒定律建立電池組三維非穩態散熱模型。針對模型的熱源加載方式目前主要有兩種，將熱源加載到電池組內部或直接加載到整個電池組區域。然后利用計算流體力學（CFD）工具，對電池組的溫度場進行數值模擬，模擬結果可以反應電池組表面及周圍的溫度場分布信息。根據不同方案的溫度場分布信息找出最優散熱系統，還可以繼續進行電池組散熱系統最優模型的穩態和瞬態仿真分析，進一步優化。

 電池組散熱系統模擬

    在研究過充、大電流充/放電、外部短路或其它電路問題對電池性能、穩定性的影響時，優秀的CAE軟件也能將涉及流體動力學和機械的三維物理模型無縫集成到控制電路中進行聯合仿真。

    結構力學分析軟件可用于評估電池組結構的完整性，分析電池組因不同的安裝位置影響其所受各種應力，是否可能導致結構破壞，以及如碰撞和異物穿透電池等事故造成的電池組結構問題，以防止電液溢出以及可能造成的熱失控與電池爆炸。同樣還能分析研究電池組的振動、耐久性和疲勞壽命等。

 2.電動機仿真分析

    ●電磁設計優化：計算轉矩曲線，優化電磁參數

    ●熱分析：設計散熱系統，防止熱損耗

    ●振動分析：降低電機噪聲

    ●系統集成：優化電動機及控制器

    ●結構耐久性分析

    在新能源汽車牽引電動機的研發中，設計者要重點考慮電動機的電磁問題。首先根據最初的三維圖紙及裝配體的相關工程設計指標，在電子設計軟件中定義電動機的主要設計參數，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數等，此外還要計算出電動機的電氣特性。然后將這些輸出的模型和設計數據輸入到電磁仿真軟件中，模擬電動機的三維電磁場，計算出電動機的轉矩曲線。

電動機磁場仿真

    電動機的轉矩曲線可以反映出：在電動模式驅動車輛時轉矩如何隨時間上升；在停車制動模式時電氣阻力矩如何隨時間變化。電動機電磁性能分析時，還需要引入車輛的質量以確定各種情況下的加速時間及制動時間。基于這些輸出結果，設計者可以改變某些設計參數如永磁體的尺寸來調整設計，通過參數優化設計，在電動機的性能與電動機的尺寸、重量、成本之間做出最優匹配，優選設計方案。

    電磁仿真輸出的轉矩可進一步輸入到結構力學軟件中，用于分析電氣傳動系統中其它部件包括驅動軸、齒輪等的應力、載荷、變形及振動。以電動機為主的驅動系統是新能源汽車的主要噪聲源，為了進行噪聲優化，驅動系統的振動分析也非常重要。此外，流體動力學可用于研究電動機的熱管理問題，以確定電動機周圍的熱分布，優化熱損耗問題。

    在進行電動機仿真分析的時候，要同時兼顧電磁和機械分析的多物理場，還要考慮兩者之間的耦合，在不同載荷情況的性能計算和不同設計方案比較時，要協調多個工具的動作，在不同工具之間交換數據。這要求仿真工具具有多物理場聯合仿真的能力，能夠在一個統一的環境中實現針對機電系統不同部件、不同學科之間的耦合仿真。

    3.電力電子器件仿真分析

    ●控制邏輯優化：在不同驅動工況下，優化電氣傳動動力集成部件及系統

    ●熱管理：電磁損耗散熱方式和路徑設計

    ●熱應力分析：優化由熱應力和電磁力產生的機械形變問題

    在對新能源汽車電力電子器件進行熱分析的時候，工程師需要先通過電子電路仿真軟件建立電力電子器件系統仿真分析模型，通常包括控制算法器件模型、電動機器件模型、各器件模型的電力特性（如通斷電壓、電流波形等），以及器件模型之間的控制算法邏輯。通過電子電路仿真分析軟件確定出車輛在加速、巡航和制動等過程中任意給定時刻、整個系統內電流的變化情況。

電子器件散熱分析

    利用電子熱流分析工具，工程師可以指定電氣傳動系統中主要熱源（電子控制器件和電機的載流部件）的幾何尺寸，通過單獨添加系統中關鍵點上的每個熱源，同時還考慮空氣流通量和傳導熱量的影響，以及參數化分析，可處理數據并生成等效熱模型，用于熱分析。利用這些熱模型可確定電力電子器件整體溫度分布以及溫升性能參數，例如：從電池獲得多少電能才能保證溫度不超過影響某電子器件性能的限定值。

    根據溫度分布，工程師可以利用有限元軟件的熱-結構耦合分析功能，確定由此產生的熱應力。電子設計分析工具還可用于計算電動機各部分上的電磁力，從而確定形變量和機械應力分布。由此，工程師可以通過修改結構，消除應力集中和過度變形，或者反之，減少那些由于過度設計而額外使用多余材料的區域。

    4.電磁兼容仿真分析

    ●在樣機制造之前進行電磁兼容分析

    ●減少電磁兼容的測試

    ●電機、母排、控制器等部件的電磁兼容分析

    與傳統汽車研發不同，在新能源汽車設計中需要重點考慮大量機電器件的電磁兼容性（EMC），避免出現電磁干擾。主要存在兩類電磁干擾問題：通過載流結構傳導的電磁場引起的能量反射波對其它相連部件形成潛在威脅；通過空氣輻射的電磁場影響其它電子系統。這兩類電磁干擾問題都必須被充分考慮，工程師必須對車輛關鍵器件進行電磁兼容分析。

    為了精確分析器件的電磁兼容性能，工程師首先要建立電路模型。供應商提供的數據手冊中有器件性能曲線和數據，從中提取出需要的參數來生成器件的半導體電路模型。為了進行傳導干擾分析，工程師需要將功率變換器的設計版圖從CAD軟件直接導入到寄生參數提取軟件中，從而計算導電通路的頻變電阻、部分電感和電容，并生成等效電路模型以備系統仿真使用。系統仿真的結果可用于檢驗輻射水平，工程師通過計算空間任意點上的電磁場強度以判斷是否符合國內外相關標準。如果輻射超標，電磁干擾和電磁兼容可溯源到器件設計版圖上的問題源。由此，對設計做出參數更改，并獲得一系列仿真結果，直到傳導輻射和輻射電磁發射等級都在可接受的限值之內。這樣就能在樣機制造之前保證新能源汽車部件間的電磁兼容性符合要求，避免出現電磁干擾問題，也取代了成本較高的電磁兼容測試。

    5.多物理場的系統集成仿真分析

    在新能源汽車研發設計中，除了要解決電池組、電動機、電力電子等部件的問題之外，系統集成也是一個完整可靠的電氣傳動系統中至關重要的部分，必須考慮每個部件獨有的特征、屬性、強度和其它復雜因素等，以確保整個電氣傳動系統在寬負載范圍內及各種行駛條件下都能獲得最高的整體效率。

    由于子系統和部件協同工作，緊密耦合，它們的開發也不能完全獨立地進行，而且每個子系統性能的改變都必須與其它所有子系統相匹配。同時整個系統涉及機械、流體動力學、熱學、電氣和電磁等領域的研究，因此為了成功地仿真如此復雜的電氣傳動系統，仿真方案必須建立在一個可實現多物理場、無縫集成的設計平臺上，來平衡復雜的、相互依賴的、或相互矛盾的機械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設計需求。

四、新能源汽車仿真分析主要解決方案

    由于與傳統汽車在結構和工作原理上有巨大區別，此處僅針對新能源汽車研發，列舉的仿真分析解決方案主要涉及電池組熱管理和電化學模擬、電動機和電子器件模擬、電磁場分析、電機驅動控制系統等領域。

文章轉載自微信公眾號：CAE聯盟