新能源汽車與新能源電池行業(yè)仿真技術(shù)應(yīng)用

來源：安世亞太

3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高柔性和高復(fù)雜性的生產(chǎn)，這使得3D打印技術(shù)適用于電動車零部件生產(chǎn)，特別是制造一些對于產(chǎn)品性能和輕量化有著更高要求的部件。而電動汽車作為一種新的產(chǎn)物，也必將呼喚新的制造技術(shù)。

迄今，拿通過金屬3D打印加速汽車行業(yè)工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的頭部企業(yè)布加迪舉例，布加迪已經(jīng)開發(fā)了3D打印的功能性零部件-制動鉗、擾流板支架、電機(jī)支架以及前橋差速器。布加迪采用選區(qū)激光熔化SLM 金屬3D打印技術(shù)，對電動機(jī)支架進(jìn)行批量生產(chǎn)，電機(jī)支架已安裝在Chiron系列新型車輛中。

布加迪批量生產(chǎn)的電機(jī)支架。來源：SLM Solutions

從將產(chǎn)生更深層次的影響力度方面看，寶馬牽頭的IDAM聯(lián)合計(jì)劃目標(biāo)正是推動“汽車領(lǐng)域的增材制造（AM）技術(shù)的工業(yè)化和數(shù)字化”。這個項(xiàng)目將要對3D打印產(chǎn)業(yè)化帶來的深遠(yuǎn)影響。

新能源汽車形式上與傳統(tǒng)汽車相近，內(nèi)部改變卻很多，由此產(chǎn)生巨大的優(yōu)化提升空間。在新興設(shè)計(jì)領(lǐng)域中高效使用高精度，高質(zhì)量，全面，統(tǒng)一的輔助設(shè)計(jì)工具能為企業(yè)技術(shù)帶來持續(xù)的高速發(fā)展。本期谷.專欄通過安世亞太的《新能源汽車與新能源電池行業(yè)仿真技術(shù)應(yīng)用》來呈現(xiàn)新能源汽車開發(fā)方面擁有統(tǒng)一、精準(zhǔn)的分析系統(tǒng)和解決方案的必要性。

新能源汽車是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動機(jī)外，車體本身也包含很多高新技術(shù)，有些節(jié)能措施比提高電池儲能能力還易于實(shí)現(xiàn)。新能源電動汽車需要全新車身結(jié)構(gòu)，而決不僅僅是由電動驅(qū)動系統(tǒng)代替內(nèi)燃機(jī)。汽車的電動化要求對整個車身進(jìn)行大范圍的改進(jìn)，因?yàn)殡妱域?qū)動組件對結(jié)構(gòu)空間有全新的要求。

對于新能源汽車而言，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意義重大。因?yàn)槌�電池電量外，汽車重量也是行駛距離的一個限制性因素。車輛越輕，允許裝備的電池也越多，行駛距離便越遠(yuǎn)。3D打印技術(shù)無論是助力新能源汽車的研發(fā)，還是在全新的車身結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以及汽車內(nèi)飾、智能互聯(lián)方面都有著巨大的潛力。

面向行業(yè)挑戰(zhàn)
新能源汽車系統(tǒng)組成復(fù)雜，涉及到到電、磁、控制、機(jī)械、流體等不同的物理域；以及總體、機(jī)械、氣動外形、電子電氣等不同設(shè)計(jì)部門。如何綜合考核各個關(guān)鍵部件的電磁、結(jié)構(gòu)、溫升等性能；如何綜合評估系統(tǒng)與部件的匹配性；如何在各個設(shè)計(jì)部門中協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)？

上述問題涉及到橫向多域設(shè)計(jì)，又涉及縱向多層次設(shè)計(jì)，甚至需要綜合考慮流程與數(shù)據(jù)管理等問題。

新能源汽車動力系統(tǒng)均由高性能牽引電機(jī)提供扭力輸出，在仿真設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中涉及到流體、結(jié)構(gòu)、溫度、電磁和控制等多個領(lǐng)域的復(fù)雜多物理場問題。

driveGKN和保時捷工程公司聯(lián)合開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的差速器殼體

新能源汽車動力電池是一個全新的部件，在設(shè)計(jì)階段主要考慮到試用過程的安全性以及使用壽命的管理。這兩者分別與汽車的碰撞安全性以及電池的熱管理最為相關(guān)。碰撞安全性涉及到電池的安全使用與否，而電池包的熱管理則很大程度影響電池包的整體壽命和續(xù)航里程。

整車級EMC測試標(biāo)準(zhǔn)主要限制定了車載發(fā)射器和車外輻射源工作時車輛的EMC性能。車內(nèi)電子設(shè)備數(shù)量眾多，新能源汽車更甚，都有可能成為輻射干擾源或被干擾體，如電機(jī)、變流器、各種天線、ECU等，種類繁多、頻譜跨度廣、且安裝位置多樣。如果將EMC問題都壓縮在整車的最后設(shè)計(jì)階段，則設(shè)計(jì)者需要付出更多的代價。

統(tǒng)一的系統(tǒng)，精準(zhǔn)的分析
針對新能源汽車的各個方面，ANSYS軟件提供了統(tǒng)一、精準(zhǔn)的分析系統(tǒng)和解決方案。

鋰電池的散熱：
ANSYSFluent對單體鋰電池定制了MSMD模型，內(nèi)置三個1D的電化學(xué)模型來計(jì)算電池內(nèi)部的電流及熱量生成，用于也可以通過自定義的程序來求解電化學(xué)反應(yīng)的過程。MSMD模型可以大大簡化單體電芯的熱分析過程，并且其計(jì)算精度也能夠滿足工程要求。

ANSYSFluent對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內(nèi)的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優(yōu)勢：

一是模型簡化處理方面的優(yōu)勢，電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常非常復(fù)雜，其中包含螺栓、支撐結(jié)構(gòu)、銅片等細(xì)節(jié)，而熱分析中所需要的關(guān)鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)下，需要提取出來以供CFD計(jì)算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復(fù)工具則可以較為專業(yè)且快捷的對幾何模型進(jìn)行簡化處理，并得到用于計(jì)算的模型。

二是求解器模型方面的優(yōu)勢，ANSYSFluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學(xué)方程，可以得到更為準(zhǔn)確的溫度分布，以更為準(zhǔn)確的指導(dǎo)換熱設(shè)計(jì)。

麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬。來源：安世亞太

福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。來源：安世亞太

電池模組風(fēng)道優(yōu)化案例。來源：安世亞太

針對電池包還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，比如翻轉(zhuǎn)，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結(jié)構(gòu)表現(xiàn)情況，快速，安全，可行。

從動畫及應(yīng)力動畫可以看到，0~2ms是碰撞時間段，可以看到應(yīng)力集中區(qū)域首先出現(xiàn)在加強(qiáng)筋-下箱體連接尖角處，出現(xiàn)條形分布高應(yīng)力區(qū)域，然后是固定耳片也接觸到地面時，相應(yīng)部位被擠壓產(chǎn)生塊狀分布高應(yīng)力區(qū)域。應(yīng)力最大約為258Mpa，位于應(yīng)力集中區(qū)域。

電池模組風(fēng)道優(yōu)化案例。來源：安世亞太

電驅(qū)動系統(tǒng)分析
新能源汽車電機(jī)及驅(qū)動/控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電氣、電磁、熱、流體、結(jié)構(gòu)、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設(shè)計(jì)內(nèi)容，迫切需要引進(jìn)新型電機(jī)設(shè)計(jì)解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協(xié)同設(shè)計(jì)工具為一體的，糅合高性能計(jì)算技術(shù)和多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)的數(shù)字化研發(fā)環(huán)境。

電機(jī)本體設(shè)計(jì)
根據(jù)電機(jī)本體永磁化、無刷化、高速化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，全面考慮了電機(jī)本體設(shè)計(jì)的各方面，包括：
- 基于磁路法的電機(jī)快速設(shè)計(jì)、初始方案評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)；
- 基于瞬態(tài)電磁場有限元分析的電機(jī)精確分析和參數(shù)化/優(yōu)化設(shè)計(jì)；
- 基于有限元的熱、應(yīng)力、形變分析；
- 基于有限容積法的流體熱分析和散熱系統(tǒng)優(yōu)化；
- 基于電磁、熱、結(jié)構(gòu)單/雙向耦合的多物理場耦合設(shè)計(jì)；
- 基于電磁、振動、噪聲自動化設(shè)計(jì)流程的耦合設(shè)計(jì)等。

通過快速優(yōu)化傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能化；通過高效探索和積累無刷及永磁電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)無刷化、永磁化；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)在高速時的電磁和多物理場耦合特性，實(shí)現(xiàn)高速化。

電機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)、熱等多物理場耦合設(shè)計(jì)。來源：安世亞太

統(tǒng)一平臺下多場耦合計(jì)算電機(jī)結(jié)構(gòu)，熱，聲場，電磁場分析。來源：安世亞太

EMC/EMI電磁兼容和干擾分析

在現(xiàn)代電驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)中，電磁兼容和干擾日益成為設(shè)計(jì)瓶頸。以EV/HEV電驅(qū)動系統(tǒng)為例：

- 牽引電機(jī)高速運(yùn)行，大功率IGBT以幾十KHz頻率開關(guān)所導(dǎo)致的各種高低頻電磁干擾將直接影響各種控制信號檢測和傳導(dǎo)；

- 線纜、IGBT、母排、PCB關(guān)鍵路徑走線等寄生參數(shù)也會直接影響各種功率和控制信號的傳導(dǎo)；

- PCB控制板級信號串?dāng)_和電磁輻射干擾；

- 各種車載電磁設(shè)備分布在有限的車體空間內(nèi)，相互之間也存在電磁干擾，影響設(shè)備的性能；

- 車載各種高低頻感應(yīng)、輻射和傳導(dǎo)干擾不僅會影響電磁設(shè)備的性能，而且容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)誤動作或失控，影響整車運(yùn)行性能，甚至造成故障和事故；

如何有效地設(shè)計(jì)各種共模和差模濾波器，IGBT和控制器封裝、車載電磁設(shè)備布局、以及各種電磁屏蔽措施都變得至關(guān)重要。因此，研發(fā)高品質(zhì)的電驅(qū)動系統(tǒng)，就必須解決電磁兼容設(shè)計(jì)問題。

ANSYS電磁系列軟件對不同部級進(jìn)行分析，統(tǒng)一虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。來源：安世亞太