CAE技術在新能源汽車研發中的應用（二）

 1.ANSYS

    熱管理

    在解決電池熱組管理問題上，可以采用ANSYS的計算流體力學軟件FLUENT去檢查電化學，研發先進的電池冷卻方案。其他熱管理應用需要ANSYS的Icepak技術，該軟件可用于封裝、電路板及系統級CFD模擬，包括自然對流、強制對流和輻射傳熱。產品開發人員可以在模擬中并入封裝或電路基板的焦耳熱現象。并入焦耳熱有兩種方式：或者可以通過CFD求解器內的近似計算，或者通過轉換配電數據，其中配電數據是通過功率和信號完整性的ANSYS工具SIwave模擬計算而得到的。

 采用ANSYS Icepak的汽車電子熱管理

    結構和結構熱分析

    對于機械和熱模擬，ANSYS軟件提供了一個進行結構綜合分析的解決方案，包括ANSYS機械、機械可靠性分析和應力分析的結構程序包，該套件包含了一套完整的非線性及線性單元和一系列有限元性能和材料定義，ANSYS的疲勞軟件可用于模擬產品在預期循環加載條件下以及在產品預計的壽命范圍內的性能。ANSYS軟件還提供了隱式和顯式求解器，使工程師能夠模擬機械應力和應變，如通過顯式跌落模擬分析沖擊和振動。

    高頻電磁場分析

    對于高頻電磁的研究，ANSYS提供HFSS和Designer RF。工程師可以使用工具來進行天線，全球定位系統，以及各種無線應用的3-D電磁模擬和RF電路仿真。在信號、電源完整性（SI/PI）以及電磁干擾和兼容（EMI/EMC）分析的領域里，ANSYS提供了HFSS軟件、SIwave和DesignerSI技術，這些技術可以與電路和系統仿真相結合，在一個單獨設計平臺上做精密的電磁場領域分析。

    低頻和機電

    低頻和機電系統仿真工具應用在電動汽車和混合動力電動汽車、電力電子、傳感器和執行器等方面。為了解決固有的設計問題，ANSYS提供了低頻電磁場仿真工具Maxwell和機電系統仿真工具Simplorer。用戶可以把Simplorer和ANSYS 3-D電磁、機械和流體求解器結合起來去設計包括機電組件細部在內的復雜汽車系統。

    2.LMS

    LMS Imagine.Lab機電系統解決方案能夠模擬機電元件，如平動作動器和電動馬達，從功能模擬到設計和驗證控制策略。此外，該解決方案可以從不同的層次分析電氣系統，如功耗估算、精確的瞬態響應評估和熱效應分析。LMS Imagine.Lab電系統解決方案能夠模擬復雜機電作動器的功能特性，機電和電液元件的設計者可以通過集成的平臺來模擬完整系統的響應。并且，該解決方案可以考慮電、磁、機械、熱和流體現象的耦合。

    電氣系統解決方案

    LMS Imagine.Lab可以從不同的層次分析電氣系統，如功耗估算、精確的瞬態響應評估和熱效應分析。基于LMS Imagine.Lab AMESim的多領域系統仿真方法，LMS Imagine.Lab電氣系統解決方案帶來了一整套綜合的電氣特性分析模型，可用于評估新的體系結構，分析電力消耗以及對油耗的影響，設計和驗證控制策略。還提供了專門的車用電氣仿真庫用于汽車電氣網絡的快速設計，包含一套汽車常用的電氣元件模型：發電機、耗能元件以及面向應用的參數化電池模型。通過該庫用戶可以快速的設計和確定包含汽車上完整的各種電氣消耗元件的電氣網絡的技術參數（保險絲、儲能單元、發電機等）。

    LMS Imagine.Lab結果顯示電、磁和機械之間的耦合現象

機電元件解決方案

    LMS Imagine.Lab機電元件解決方案有助于仿真機電一體化系統，用于進行元件選型、分析和機械結構的相互作用以及控制策略的設計和驗證。多學科專業平臺的AMESim中包含含熱端口的電、磁方面的專用模型的一整套應用庫，用于建立機電作動器，例如電磁鐵和力矩馬達等模型。LMS Imagine.Lab機電元件解決方案集成了兩種互補的方法：采用簡單單元例如：磁阻、氣隙（集中參數）等建立的磁通回路模型，或者采用FEM數表建模。通過考慮電/磁/機械之間的強耦合處理能力，可以確定元件的尺寸，并對動態特性進行優化。工程師可以設計多學科系統和子系統，并評估不同技術選擇的系統特性。該平臺快速的計算，可以進行快速的分析和優化。

3.CD-adapco

    電池模擬

    STAR-CCM+廣泛應用于汽車工業的CFD分析中，針對電動汽車電池模擬也開發出了專門的應用模塊。電池模擬STAR-CCM+ 的電池建模技術將 STAR-CCM+ 的熱流模擬與電池設計工具Battery Design Studio（BDS）相結合，以進行電池分析。BDS設計開發用于為單電池電化學系統和詳細幾何形狀的分析和設計提供模擬環境。為用戶提供三個電池性能模型，加強了與當代電池設計相關的重大發展成果，如多種活性材料與粒徑。BDS通過其整合環境為其用戶提供更快的電池設計流程以及連接材料供應商、電池設計方和電池用戶的標準平臺。STAR-CCM+電池模擬模塊(BSM)通過將BDS電化學求解器與STAR-CCM+流場&熱場求解器相結合，STAR-CCM+ BSM可以在多個長度標尺上計算鋰離子電池的3D熱學性能、流體性能和電化學性能，從電池內的有限體積/e-cell到整個電池組，包括熱導部件如高充電/放電率的金屬連接件。這一點可以通過緊密耦合的3D模擬來實現，該模擬將電化學和熱性能還原至電極和電池上。電池的內部結構被考慮在內，不需要獨立解決所有電池層，以保持計算量與適當細節之間的平衡。

    電機模擬

    因為過多的熱載荷會制約電子設備最大性能的發揮，并大幅增加系統的能源足跡，所以組件和系統溫度控制仍然是電子系統設計所面臨的最重大的一項挑戰。STAR-CCM+與電機設計工具SPEED相結合，可作為創建電機虛擬樣機的一體化工具，具有綜合流體動力學和熱傳遞模擬技術的優勢。SPEED基于電機深層次理論進行高效計算，還能夠向STAR-CCM+提供幾何形狀和熱負載，從而對電氣設備進行全面的流體與熱分析。STAR-CCM+擁有一個矢量磁位（Magnetic Vector Potential）求解器，能夠在穩態和瞬態模式下工作，并與電磁問題的電勢求解器耦合。如果結合現有模型，即流體流動、熱傳遞和結構力學，該項功能將可以實現在同一個模型中完成電機、熱和結構分析，這可以讓分析工程師能夠以可視化形式呈現電機的全面性能。

                                   

  

感應電機散熱模擬

    4.Mentor Graphics

    一維熱流體系統仿真設計平臺Flowmaster

    Flowmaster是一維流體系統仿真解算工具，與關注部件級流動與換熱特性的三維CFD軟件不同，Flowmaster關心的是系統尺度上所發生的事情，每個流體系統由許多的元件構成，如泵、閥、管路、散熱器等等，Flowmaster可以監視系統的運行情況，如改變泵轉速、開/關閉閥門時等引起的系統各支路流量變化和各節點壓力的變化。Flowmaster可以對系統中的各個環節進行精確的壓力、流量、溫度、流速分析。通過開展系統級分析，快速分析部件之間相互作用。

    同步CFD模擬軟件FloEFD

    FloEFD是一款完全嵌入在CAD環境中的三維CFD軟件，能與CREO、CATIA、NX、SolidWorks以及其他主流MCAD系統集成。此外還可自動識別流體計算域，在MCAD環境下完成分析工作，大大提高效率。

 嵌入到CREO中的FloEFD

    結合1D Flowmaster和3D FloEFD可以對電動汽車電池組熱管理復雜系統開展設計分析。在部件級層次，FloEFD用于研究分析熱管理系統詳細的流動和換熱行為，確保電池組工作性能可靠。識別任何不可接受的設計，如不合理的流動布置或極端的溫度梯度。在系統層次，結合Flowmaster模擬整個電池冷卻系統，分析部件的相互影響，確保正確的系統性能。在早期CAD設計過程中同步使用FloEFD仿真，相比傳統CFD工具，模擬時間可以大大減少。進一步結合使用Flowmaster，系統工程師可以在有限的開發時間內獲得最佳設計效率。

5.MSC

    系統控制

    用于機械、電氣或控制系統的傳統“建造與測試”方法和孤立的虛擬樣機工具忽視了各學科之間的重要相互作用，導致結果不完整或不準確。MSC的多學科仿真解決方案能夠驗證、優化完整的機電系統性能。EASY5 提供了使用簡單、交互操作的建模環境，用戶可從預定義的零部件庫進行選擇來創建系統模型，這些零部件代表了復雜的實體元件。Adams 提供了三維機械系統多體動力學和運動分析，能從大多數主流 CAD系統導入幾何體，也可以從無到有構建機械系統的實體模型。Adams模型能與EASY5控制模型直接整合，或者通過協同仿真進行全面的多學科分析。Adams中的控制插件能夠同時將復雜控制件與機械系統連到一起，這種同步方法便于在初期對復雜系統內的非獨立相互作用進行研究。Adams/Controls 與 EASY5 之間能通過來回傳遞狀態變量進行通信，從而允許控制器以開環或閉環方式驅動Adams 模型。通過動態連接外部系統庫，Adams中的機電插件可將控制系統直接整合到機械模型中。不熟悉控制系統的人員也可以充分利用和重復使用控制模型。控制系統參數可快速地調整以供評估，并將其納入到控制系統和機械系統的實時優化設計研究之中。

    汽車電子仿真

    汽車電子元件需要能夠承各種潛在的加載場景和環境條件，MSC軟件提供的CAE工具具有多物理功能，能夠仿真汽車電子的機械、熱及電磁行為。

電子散熱分析

    6.Infolytica

    中低頻電磁場分析

    Infolytica的電磁場分析系列軟件包括具有2D/3D多自由度電磁場分析能力的MagNet，具有2D/3D瞬態電場分析能力的ElecNet，可與MagNet進行電磁和熱的雙向耦合仿真的2D/3D熱場仿真分析軟件ThermNet，對電磁設備的電、磁和熱特性進行優化的設計工具OptiNet，能聯合多求解器的電磁和熱混合維數仿真工具MultiNet。

    Infolytica的2D/3D多運動部件多自由度瞬態運動求解器是支持六自由度的電磁求解器，可以求解磁懸浮電機、球形電機、多轉子電機等問題；2D/3D瞬態電場求解器可以求解HVDC極性反轉、交直流混合電壓等瞬態電場問題。Infolytica具有電磁和熱耦合仿真、混合維數電磁和熱耦合能力、全自動優化設計、基于ActiveX的腳本編程、局部單元細化技術和求解過程中的單元自適應剖分技術等功能。

    電機設計軟件MotorSolve

    MotorSolve自身結合了磁路法和有限元法的優勢，還擁有磁熱雙向耦合功能，方便評估風冷、對流、噴霧冷卻等不同的冷卻方法對電機性能的影響；擁有豐富的定轉子模板，方便工程師進行高效設計；可導出*.rsm、*.vhdl格式，進行聯合仿真。

 電機電磁力計算

五、結束語

    雖然新能源汽車已成為汽車產業未來發展的趨勢，也得到了政府政策的大力支持，但是目前實際銷量與規劃銷量缺存在巨大差距。2012年新能源汽車銷量為12552輛，其中純電動汽車銷量為12411輛。即使以今后每年翻倍的速度增長，到2015年的銷量也不過是10萬輛左右，與國家規劃相差40萬輛左右，與各個地方規劃之和的差距就更大了。

    除了市場化程度低、運營模式不清晰、公共配套設施不完善之外，涉及到產品本身的關鍵技術不成熟和質量問題也是限制新能源汽車發展的重要原因。關鍵技術主要體現在電池組、電控系統、電氣傳動總成系統等方面，這些為新能源汽車開發帶來了挑戰。工程師需要借助CAE技術，來替代反復使用物理樣機試驗的方法，對電池組、電動機、電控器件、電磁兼容性等方面進行多學科的仿真分析，不斷優化，開發出安全可靠性好、性價比高的新能源汽車。

文章轉載自微信公眾號：CAE聯盟