汽车电动化应用方案

1、汽车电动化应用方案智能网联新能源车发展 Siemens AG 2018电动车型开发带来新的工程挑战里程焦虑每次充电公里数安全及耐久碰撞 | 失火 | 回收车辆工程热 | NVH | 能源整车布置设计平台工程Vehicle Electrification汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化NVH 分析EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPB

2、Torque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化NVH 分析EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电

3、气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通多属性优化兼顾车身刚度、操稳、耐久以及碰撞安全性能的车身 减重优化平衡车辆各 项性能兼顾经济性、排放、驾驶性以及低频NVH性能的新能 源车动力总成架构优化评估了近千种不同的动力总成 的变型5种不同的动力总成架构（见不同颜色）平衡经济性、动力性、驾 驶性以及低频NVH性能在保持车辆的车身刚度、操稳、耐久以及碰撞安全等性能的同时，最小化车 身重量，以获取更佳的动力性和更低的制造成本目标减重（减重20% )目标成本（降低10%）NVH碰撞安全操稳动力性经济性空气动力学耐久车身刚度BASELINE多目标优化混联式动力总成架构串联式复合动力架构Simcente

4、r ESSimcenter Data ManagementSimcenter STAR-CCM+Simcenter 3DSimcenter TestSimcenter AmesimOperating complex multi-domain analysesRenault通过Simcenter Amesim达到HEV的高能效“LMS Imagine.Lab Amesim enables us to get a deep insight on energy performance of hybrid architectures and helps us select optimal archit

5、ectures that fit our requirements early in the design process.”Eric Chauvelier, Method and Simulation ManagerBattery behavior simulationInternal combustion engine analysisFacilitate communication and decision-making thanks to a common platformImplement co-simulations to assess the energy synthesis o

6、f any hybrid configuration以合理的价格及时交付高质量的产品柔性的开发平台未来的项目缩短产品上市时间世界钢协EV样车在减重35%的同时保证NVH目标强化NVH性能帮助达到35%车身结构减重目标辨识和分析特定的NVH问题Simcenter Engineering services carried out the NVH simulation studies on the FSV project in close collaboration with the consortium performing the crash and rigidity studies.Cleve

7、r body design that balances low mass and acceptable NVH performancePursuing seemingly contradictory objectivesA comparison of EV- and ICE-powered class A/B car concept to enable target settingUse Simcenter Engineering capabilities to balance multiple performance attributes in parallelSimcenter 3D -

8、early in concept design需求捕捉及目标设定细化能量管理 需求着眼于下一代动力总成进行目标设定能量流对标能耗优化替代方案分析Climatic vehicle cell robot driver, dedicated instrumentation整车测试仿真物理模型控制多级复杂度多学科深入分析Integrating test and simulationSIMCENTERAmesimSIMCENTERES整车NVH开发（H）EVpa电机路噪风噪警示音空调整车NVH开发SIMCENTERAmesimSIMCENTERES汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同

9、、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化NVH 分析EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通工程师遇到的问题性能工程师，控制工程师电芯/电池包工程师如何根据动力电池性能指标，初步选择电池？还没有样件情况下，如何对电池的性能有初步的估计？如何预估老化对性

10、能的影响？如何优化电芯设计来达到能量密度目标？如何分析电芯/电池包安全性要求？如针刺，热失控等如何快速获取电池模型所需的参数？全面的多层级动力电池设计仿真解决方案电池建模专家纳米级到米级尺度的分析范围SIMCENTERAmesimSIMCENTERStar CCM+微观结构电化学虚拟的电子显微镜测试 生产的电机结构 新的导电体研究虚拟电芯设计和测试详细的几何描述 耦合性能模型流体，热&电化学分析研究详细的电芯，模组和电池包级的空间分布问 题电池包预设计，整车和控制集成下的验证整体系统设计 参数辨识电芯/电池包的电-热模块SIMCENTERBDS通过仿真进行电池预设计整车循环电池参数预定义Bat

11、tery Design StudioMaterialsPropertie s Character isationChemistr y SelectionDesign OptimisatoCost AnalysisCycling PulsesDrive cyclesAgingAbuse ModelingExtension to STAR- CCM+ BSMSystem Software Co-Sim内置的电池模型库电芯设计工具SIMCENTERAmesimSIMCENTER BDS评估关键问题电芯膨胀力预估通过电芯级参数的特征化，可以 评估电池包和单体本身的固定装 置的界面载荷热失控分析每个径向

12、位置的反应结果 不同的破坏性测试模拟Accelerated Rate Calorimetry (ARC) Differential Scaling Calorimetry (DSC) Oven Test老化模型日历老化、工况老化 经验，半经验老化模型 加速老化测试电池参数辨识工具提供准确的输入复杂的高阶模型，需要参数自动辨识简单的流程，只需要点击三次鼠标精心设计的工况降低试验负荷IFP Energies Nouvelles使用Amesim进行电池老化建模建立易于使用的，高保真的老化模型获取可靠的老化仿真数据在几小时中分析10年的老化特性“I strongly believe that LMS

13、Imagine.Lab Amesim will become a best-in-class battery modeling and simulation platform ()”Eric Prada, Electrochemical R&D EngineerValidated PHEV battery modelTowards a robust battery aging behavior modelCharging strategy influence on battery lifeEncapsulate fundamental physical phenomenaAnalyze ele

14、ctrochemical energy storage system behaviorSamsung R&D Institute 提高电池包性能Samsung R&D Institute delivers safer andmore efficient lithium-ion battery packs.90%accuracy validating the model against the experiment汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH

15、电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化NVH 分析EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通HybridHybrid pug-inElectric被动冷却驾驶舱冷空气驾驶舱冷空气，独立空调冷却液强化冷却直冷市场上不同的电池热管理方案工程师遇到的问题电池包热管理工程师整车热管理工程师控制工程师环境温度-30degC40degC电池可用容量电池包热管理的 理想目标：如何满足电池温度

16、要求？如何尽可能减轻重量？如何控制温度均匀性？冷却液进口条件如何设定？低温起动策略?热失控预警？Sox计算的参考温度点选取？环境控制及能量管理策略？如何满足电池包冷却介质进口条件需求？如何预估动态工况下的发热量？如何设计整车热管理架构，以平衡多种需求？如何优化热管理系统自身的能耗？电池包热管理完整的工具链及分析流程设定电池包动力 性能指标热 管理性能定义简单的电池包热模型； 确认草图方 案建立电池包电气模型； 输出性能， 热量电池包 电气参 数辨识 试验集成电池包电气模 型和热模型，进行 分析建立热管理系统模型；电 池包电气模型/电池包热模 型/热管理系统模型集成。Pack CFD分析BMS模

17、型实时化； 实时模型详细的CAD设计；零 部件参数确定。试验数据MI LHIL电池包 布置草 图BMS控制模型CAD冻结；样件制 作；电池包热Amesim/BDSAmesimAmesimSTAR- CCM+AmesimAmesimHeedsESESESAmesim电芯电化学体 系选型，方案 设计；电芯等 效模型建立BDS贯穿整个设计 流程的热管理 系统集成分析STAR-CCM+EngineeringServiceSIMCENTERAmesim模型验证电池包冷却水板优化COMPUTATION TIME: 1 WEEK FOR 70 DESIGNS SIMULATING A 600s DRIVE

18、CYCLE35% 重量降低30% 温度均匀性提高电气性能与CFD耦合计算电池包CFD分 析SimcetnerSTAR-CCM+SimcenterHEEDSVEM集成电池包热管理分析整车能量管理模型集成整车环境下进行能量平衡分析单体电池组成的电池包电气模 型：计算电池输出特性（电压，SOC，发热量）单体电池模型由电池参数 辨识工具辨识电池的OCV（SoC, Temp)，欧姆内阻（A,SoC, Temp), 扩散内 阻（A,SoC,Temp)通过电池的热端口将热量 和温度与电池包水冷热模 型耦合电池包水冷热模型：电池与水冷板的换热；电池与电池、墙体之间的自然对流和辐射换热；通过热平衡，得到电池单体

19、的温度，再返回给电池电气 模型；水冷流体管道模型计算流体的对流换热，还计算流体的 阻力损失；水冷管路与热管理系统连接。热管理系统模型：水泵，膨胀水箱，散热器，chiller，三通阀组成的热 管理系统；通过管路同水冷板连接；由热管理系统计算散热量，chiller需冷量，电池包进 水温度，电池包进水流量。控制模型：水泵控制，三通阀控制空调系统耦合空调制冷系统作为电池包的冷源，其制冷能力设计；Chiller设计能力；多区空调控制，压缩机转速（排量）控制，电子膨胀阀控制； 热管理控制策略；热泵 or PTC加热？制冷能力与需求功率，电池输出功率的平衡能量管理；Ford实现冷却系统、能耗的最佳匹配实现冷

20、却系统性能目标，并优化能耗能量管理与子系统多属性平衡温度车辆阻力，冷却液质量 流量21Simcenter AmesimSimcenter Star CCM+Teamcenter“An efficient thermal management system is required to maintain battery temperature in a narrow range for electric vehicles”Volvo Car电池包热管理分析准确的热负荷预估提高电池包的温度均匀性提高冷却介质流量均匀性Improving cooling system battery packTher

21、mal systems is critical for high performance and long battery back lifeSimulation helps maintain batteries in narrow temperature rangeIndividual cell model with BDS enabling prediction of charge rate and temperatureExamining tradeoff between pressure loss on coolant system to temperature uniformityA

22、R汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH合电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化 NVH 分析 EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通工程师遇到的问题电机的早期选型电机悬置的设计与布置OEM工程师电机的功能设计及性能优化电机NVH

23、问题分析及优化电机的冷却设计电机及驱动工程师功率电子的寿命电驱动总成的驾驶性分析Electric motorMountsTyresController电驱动总成驾 驶性分析SIMCENTERAmesim电机设计 多物理场问题3. 强度FCFCFCFCFCFC1. 电磁2. 热/CFD4. 振动-噪声SIMCENTER 3DSIMCENTERTestSIMCENTERSPEEDSIMCENTERSTAR-CCM+电流波形20018016014012010080604020010 20 30 40 50 60 70 80 90 100Rotor angle (deg)Current (A) Rpm

24、 = 1000 Rpm = 2000 Rpm = 3000 Rpm = 4000 Rpm = 5000 Rpm = 6000 Rpm = 7000Rpm = 8000电磁有限元定子力结构有限元辐射噪声定子变形1电磁2振动-噪声电机NVH分析流程Assembly FRF testAssembly ModelAcoustic modelNoise at field pointSimcenterAmesimSimcenterTestSimcetner3DSimcetner3DSimcetner3DPunch Powertrain缩短了50%的电驱总成开发周期降低至少50%的开发周期开发新一代的电机，

25、并具有更好的NVH 性能基于仿真的设计流程实施“Thanks to LMS Engineering and the optimization process they used with LMS Virtual.Lab, we are now working on a new generation of commercially competitive switched reluctance motors for automotive propulsion.”Diederik Brems, Mechanical EngineerNew motors generation for automot

26、ive propulsionCouple the vibro-acoustic model with the electromagnetic modelCombine test and simulation for the creation of validated simulation modelsDeveloping a powerful partnershipSwitched reluctance motors challenge NVH performanceMercedes-BenzSimcenter STAR-CCM+ 电机冷却分析准确的温度仿真确定位置和换热量Simulation

27、 enabled the comparison of heat loads in the electric motor to be compared between laboratory conditions to vehicle conditions showing rotor 18K warmer when applied in the vehicle condition.Calculating heat losses for an electric motor.88% of the total heat losses dissipated into the coolant62% of t

28、he rotor heat losses are dissipated by convection in the air pockets then into the housingTemperature and Heat Flux DistributionHeat transfer form full vehicle analysisAR电子元件热阻测试和寿命预测IGBT Field Lifetime EstimateNon-destructive Thermal CharacterizationMicRed Power Tester 600A scalable Power TesterCha

29、nge in structure function with cyclingDue to IGBT structure damageLifetime Testing under any Duty CycleThe application of this measurement in an endurance test has helped us to uncover weaknesses in the design affecting its lifetimeAnd we can reduce the prototyping costs by reducing the rework on ou

30、r designsHisao Nishimori , Engineering ManagerToyota Hybrid Vehicle Development GroupIGBT 可靠性测试SIMCENTERMicRedMicRed T3Ster汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化 NVH 分析 EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBT

31、orque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通汽车电动化解决方案基于模型电池管理系统BMS开发服务需求，架构，算法，V&VBMSDevelopmentEngineeringServiceSIMCENTERAmesimSIMCENTERESDPolarion模型驱动的嵌入式系统研发流程系统需求系统设计PCB布线投板焊接软件模块代码编写零部件加工制造系统集成产品发布AADL 导入数据字典物理单位定义模块 定义接口定义功能状态机与需求关联定义代码分析项定义模块单元测 试模块接口约束架构模型细化C代码编

32、写C代码导入执行模块单元测 试编码规范验证测试结果自动 与需求验证单元从需求触发测试Simulink模型导入软件实现 与单元测试软件架构工程师软件工程师、算法工程师测试工程师软件集成与集成测试软件功能分支管 理从需求触发 集成测试集成测试结果 与需求验证与被控对象模型 闭环验证系统架构创建创建系统架构ESDSimulink架构导入需求导入Polarion需求创建ESDAUTOSAR接口SysML导入系统工程师项目经理基于需求和约束完成软件开发全过程Tc System ModelerMentor GraphicsPolarion Simcenter ESD汽车电动化研发解决方案确保协同、数字化的

33、持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化 NVH 分析 EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通电气化部件及子系统设计电动执行器: EPS, EPB, iBooster, Ebooster基于模型，通过蒙特卡洛方法来分析公 差对EPB性能影响“Simcenter

34、 Amesim is a necessary toolfor decision-making processes since we must assess every system and concept as quickly as possible.It enabled to make savings or at least to prevent making huge losses”P. MenegazziSystems Simulation Manager VALEO通过模型评估从电动助力到线控转向 不同的技术最大化再生制动能力，同时保持踏板感验证电子助力器的性能，评估制动踏板感Engi

35、neeringServiceSIMCENTERAmesimReducing prototyping cost and time to design new technologyBrembo利用Simcenter Amesim开发线控制动基于仿真来做执行器参数研究研究生产阶段执行器部件误差分布的影 响增强内部的know-how“Since brake-by-wire technology requires sophisticated control strategies, a big step forward was the integration of the controls model a

36、nd multi-domain component models in a single simulation environment”Giulio Calamai, Simulation EngineerBraking architecture modelActuator components specificationStudy actuators dynamic responses, motor heating and battery current consumptionTake advantage of the Simcenter Amesim co-simulation capab

37、ilities汽车电动化研发解决方案 面向广泛的汽车电动化需求确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发校核&验证多属性优化VEM NVH电池电池性能预测 模组优化 参数辨识 老化模型热管理整车热管理电池包热管理电驱电机设计 悬置优化 NVH 分析 EMC电控VCU BMS软件开发电动执行器EPS EPBTorque vectoring Ibooster Ebooster电气架构整车线束端到端工具CAD-电气-热三电测试基于模型的测试 试验室互联互通端到端的电气系统设计方案Ideation Realization Utilizatio

38、n设计制造使用Process orchestrationCollaborationData traceabilityIntegrated BoMProduct ConfigurationIssues managementLifecycle ManagementComponent standardizationFunctional AnalysisDesign Rules ChecksHarness IntegrationTopology Harness fastening Harness protectionWiring IntegrationElectrical connectivity W

39、ire gauge optimization Grounding & FusingVerification & ValidationTopology feasibilityTesting automationHarness ManufacturingFormboard Factory automationRepairs & automationAssembly Process validationSpace ReservationIn-context Routing Bundle size reservation Interface connectionSystems DesignMulti-

40、domain constraintsSystem optimization Trade-offsCosting optimizationSystems ServicingWiring Diagnostics Troubleshooting Service manualsData visualizationHarness InstallationAssembly Process design Process sheets集成的电气化设计Ideation Realization - Utilization设计制造使用Process orchestrationCollaborationData tr

41、aceabilityIntegrated BoMProduct ConfigurationIssues managementTopology feasibilityTesting automationAssembly Process validationCosting optimizationFunctional AnalysisData visualizationDesign Rules ChecksHarnessIntegrationTopology Harness fastening Harness protectionWiringIntegrationElectrical connec

42、tivity Wire gauge optimization Grounding & FusingHarnessManufacturingFormboard Factory automationRepairs & automationSpaceReservationIn-context Routing Bundle size reservation Interface connectionSystemsDesignMulti-domain constraintsSystem optimization Trade-offsHarnessInstallationAssembly Process d

43、esign Process sheetsCapitalCapital + NXCapital + NXNX + TeamcenterSystems ServicingWiring Diagnostics Troubleshooting Service manuals Capital + TeamcenterVehicle Integration Systems Integration Component synergiesPowertrainChassisEE CoreBody ControlsR&DComponent standardizationVehicle Integration Sy

44、stems Integration Component synergiesLifecycle ManagementTeamcenter | Capital ManagerPowertrainChassisEE CoreBody ControlsR&DSafety Reliability QualityCapital + TeamcenterNX+ TeamcenterContinuous Verification & ValidationTeamcenter | Capital ManagerSafety & Reliability寻找最优的电气架构针对复杂电气架构的热、电磁干扰的集成Batt

45、eryEnclosure shieldingCable shieldingConvertorMBatteryConvertorM2 phase vs. 1 phase architectureGuarantee proper and compliant functioning of the ElectronicsSimcenter 3D RoadmapCapitalNXNXCapitalSimcenter3D客户的声音General MotorsCapital Products Compress Development Cycle Times And Boost Efficiency Of General Motors Vehicles“The Capital suites powerful asset re-use and correct-by-construction technology automatically generates optimized platform level wiring”Tesla MotorsTesla Boosts Production Capabilities With Mentor Graphics Electrical Design Softw