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行業(yè)難題

 

新能源汽車系統(tǒng)組成復(fù)雜，涉及到到電、磁、控制、機械、流體等不同的物理域；以及總體、機械、氣動外形、電子電氣等不同設(shè)計部門。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)計部門中協(xié)調(diào)設(shè)計？上述問題涉及到橫向多域設(shè)計，又涉及縱向多層次設(shè)計，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提供扭力輸出，在仿真設(shè)計和研發(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。

 

新能源汽車動力電池是一個全新的部件，在設(shè)計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、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)計階段，則設(shè)計者需要付出更多的代價。

 

解決方案

 

針對新能源汽車的各個方面，安世亞太均提供統(tǒng)一、精準(zhǔn)的分析系統(tǒng)和解決方案。

 

1、鋰電池的散熱

 

ANSYS Fluent 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，并且其計算精度也能夠滿足工程要求。

 

 

ANSYS Fluent 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行簡化處理，并得到用于計算的模型。

 

二是求解器模型方面的優(yōu)勢，ANSYS Fluent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。

 

麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬

 

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

 

 電池模組風(fēng)道優(yōu)化案例

 

針對電池包還需要進行結(jié)構(gòu)強度分析，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。

 

鋰離子電池包跌落分析結(jié)果

 

2、電驅(qū)動系統(tǒng)分析

 

新能源汽車電機及驅(qū)動/控制系統(tǒng)設(shè)計包括電氣、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)計內(nèi)容，迫切需要引進新型電機設(shè)計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協(xié)同設(shè)計工具為一體的，糅合高性能計算技術(shù)和多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)的數(shù)字化研發(fā)環(huán)境。

 

• 電機本體設(shè)計

 

根據(jù)電機本體永磁化、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)，全面考慮了電機本體設(shè)計的各方面，包括：基于磁路法的電機快速設(shè)計、初始方案評估和優(yōu)化設(shè)計；基于瞬態(tài)電磁場有限元分析的電機精確分析和參數(shù)化/優(yōu)化設(shè)計；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；基于電磁、振動、噪聲自動化設(shè)計流程的耦合設(shè)計等。

 

通過快速優(yōu)化傳統(tǒng)的電機設(shè)計方案，實現(xiàn)高效節(jié)能化；通過高效探索和積累無刷及永磁電機設(shè)計經(jīng)驗，實現(xiàn)無刷化、永磁化；通過優(yōu)化設(shè)計電機在高速時的電磁和多物理場耦合特性，實現(xiàn)高速化。

電機電磁、結(jié)構(gòu)、熱等多物理場耦合設(shè)計

 

ANSYS統(tǒng)一平臺下多場耦合計算電機結(jié)構(gòu)，熱，聲場，電磁場分析

 

• 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)計瓶頸。以EV/HEV電驅(qū)動系統(tǒng)為例：牽引電機高速運行，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，影響整車運行性能，甚至造成故障和事故；如何有效地設(shè)計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)計問題。

 

ANSYS電磁系列軟件對不同部級進行分析，統(tǒng)一虛擬實驗環(huán)境