混合动力车与电动汽车的先进数值仿真设计

1、混合动力和电动汽车的高级数值模拟-通过无缝集成的多物理场仿真软件设计汽车行业的未来ANSYS 是全球唯一一家能够提供符合行业标准的结构、流体、电场和磁场多物理场分析的完整仿真软件提供商。 ANSYS 的设计工具无缝集成到 Workbench 平台中，广泛用于混合动力系统的开发，包括：Simplere多领域系统仿真软件，应用于集电气、热力、机械、机电、电磁、液压为一体的高性能系统设计、建模、分析和优化。Q3D Extractor计算电磁场求解软件，用于工程师设计印刷电路板、电子封装和电力电子设备时计算载流结构的频率相关电阻、电感、电容和电导参数。HFSS3D全波电磁场仿真软件，可提供电场、磁场、

2、电流、散射参数、远/近辐射场结果。该工具会根据特定的几何形状、材料属性和输出类型，自动生成合适、高效、准确的网格，以使用有限元方法解决问题。Maxwell低频电磁场仿真工具，采用有限元法计算静态、频域、时变电磁场和电场，可用于设计和分析机电和电磁设备，例如：电机、执行器、变压器、传感器和线圈。 RMxprt - 旋转电机（电动机和发电机）启动设计和程序优化软件。用户可以使用各种电机模板轻松构建模型、指定材料、计算电机性能、确定初始结构尺寸和设计方案，可在数秒内完成数百项参数化、优化设计和性能分析。NSYS Icepak - 用于电子系统热管理设计的计算流体动力学软件，预测组件、板或系统级别的热

3、流和热传递，以与稳态和瞬态热流和热传递计算（传导、对流、辐射）进行比较.Slwave用于整个PCB板和集成电路封装的信号完整性和电源完整性分析，覆盖从DC到超过10Gb/s的频率范围，可以直接从电路CAD设计布局频率相关提取信号完整性和电源完整性网络电路模型。ANSYS Mechanical - 综合力学分析软件，包括结构的线性、非线性和动态分析（应力、挠度和振动），为机械工程问题分析、热分析和声学提供一整套单元行为、材料模型、公式求解器，压电、热结构、热电和其他耦合物理问题分析。ANSYS CFD - 流体力学计算软件包，具有通用和特殊的流体建模和流动分析能力，其建模功能包括流体流动、湍流、

4、传热、层流-湍流、不可压缩-完全可压缩等温分析压缩问题建模固定或旋转安装的问题。ANSYS Multiphysic一个多物理场仿真模块，可以执行复杂的多物理场耦合分析。广泛使用的ANSYS多物理场求解器可以分析结构力学、传热、流体、电磁问题。随着空气污染和石油短缺问题的日益严重，混合动力和电动汽车替代传统的汽油和柴油汽车已成为人们面临的问题。世界各国政府都在推动对混合动力/电动汽车的研究。美国政府宣布了 24 亿美元的支出，用于资助电池组、电动机和其他部件的新设计，并设定了到 2015 年有 100 万辆混合动力汽车上路的目标。美国能源部预测，到 2030 年，新能源汽车将占整个轻型汽车和卡车

5、市场的 28%，比 2005 年增长 20%。为了满足对混合动力/电动汽车不断增长的需求，开发性能更好、价格更实惠的电动传动系统的竞争日益激烈。新型电动传动系统的开发具有巨大的商业回报潜力，但同时也存在将有缺陷、不合适和尚不完美的产品推向市场的商业风险。显然，汽车技术正在经历一场革命。引领这场革命的责任落在了汽车工程师的肩上，他们必须重新思考动力系统的设计方式。汽车制造商和零部件制造商的工程师都面临着在非常有限的时间内开发新一代动力系统的挑战。为了满足这些需求，具有混合动力/电动汽车创新能力的主要汽车公司正专注于仿真驱动的研发，而不是过时的试错法。事实上，先进数值模拟技术的有效实施有可能在下一

6、代电动传动系统的设计竞赛中将获胜者与不太熟练的竞争对手区分开来。有许多软件解决方案可用于动力总成开发中的各种性能分析，包括机械分析、电气分析、电磁分析、电化学分析、流体分析、热管理应用分析等。通常，这些独立的分析软件并不完全兼容，从而阻碍了工程师全面有效地优化电气传动系统的设计。本文讨论了行业领先、最先进的软件的价值，该软件在统一的集成环境中提供全面的多学科分析。混合动力系统设计师面临的主要挑战如今，汽车工程师经常面临必须从头开始设计电动传动系统的技术挑战，其关键部件包括：动力电池组、牵引电机和发电机以及电力电子设备。混合动力汽车部件的设计涉及复杂的物理问题和极具挑战性的系统集成问题。下面将讨

7、论单个组件开发中面临的挑战以及与系统集成时电磁组件之间的电磁兼容性/电磁干扰。电池组电池组为车辆提供主要动力，同时也为众多电动辅助系统供电。因此，电池组必须达到或超过与汽油动力汽车相同的可靠性、耐用性和经济性标准和期望。此外，车辆电池组必须提供比传统电池多几个数量级的能量。混合动力汽车电池组中单个电池单元的冷却液流动路径和温度分布在设计更大容量和更高输出的电池组时，工程师必须考虑热、结构和电磁因素对电池组和电池单体的影响。例如，当电池组在充放电过程中发热时，必须将电池模块中所有电芯之间的温差严格控制在几度以内，否则会在电池组中的电芯之间形成有害的电流回路，缩短电池。寿命。需要风冷或水冷冷却系统

8、来解决电池组发热问题，但有时会导致乘客舱周围的噪音增加，增加了一定的设计挑战，因为混合动力/电动汽车驾驶员期望超静音驾驶经验，与冷却系统的噪音格格不入。工程师在设计和模拟电池组时，还必须考虑电池安装位置和各种驾驶条件下的各种应力，以确保电池必须能够安全承受各种工作条件对其性能的影响，如：外加热、过充、过放、针刺、重压、外短路等。此外，电池的设计也考虑到了发生碰撞时电池的安全性，必须保护乘客免受车辆碰撞时电池释放的有毒酸液的危险。电动机/发电机多年来，由于燃气轮机的广泛使用，汽车制造商在电动机（牵引电动机/发电机）设计上投入的时间和金钱相对较少。传统发动机已经完善到他们想要的程度：完全满足消费者

9、的需求，排放法规不那么苛刻和难以实现，油价也不成问题。但现在这一切都发生了变化，在新发动机的巨大收益和市场压力的推动下，许多公司已经开始设计高效且具有成本效益的电动发动机。人才和资金不断涌入该行业，而电动马达和电池一样，在设计上面临着诸多挑战。混合动力汽车电池组中单个电池单元的冷却液流动路径和温度分布电动机/发电机在车辆驱动系统中是必不可少的，还通过再生制动为电池充电。与其他电动机不同，混合动力/电动汽车的牵引电动机必须在非常恶劣的环境中可靠运行。电动机必须在极端温度条件、剧烈振动、大工作周期和崎岖道路条件下持续运行；在混合动力汽车中，电动机也会受到发动机产生的高温的影响。设计电机时必须考虑上

10、述所有因素。对于汽车消费者来说，可靠性是汽车的关键卖点，而发动机性能不佳既增加了维修成本，又降低了汽车的品牌价值。由 Kato Engineering 提供的同轴电动发电机有限元网格化消费者期望混合动力/电动汽车具有高燃油效率。汽车的高燃油效率、低排放、安全性和动力性影响着消费者的购买决策，从而直接影响到汽车市场的成败。由于电动机的设计决定了有多少来自电池的电能转化为机械能以驱动车辆，因此设计节油电动机是当今混合动力/电动汽车动力总成工程师面临的最重要挑战之一。 电力电子电力电子设备是电动传动系统的心脏和大脑，它们必须精确控制电池和电机/发电机之间的能量传输，并根据路况和驾驶员指令做出合理的决

11、策来调整传动系统。为了在各种驱动条件下以最高效率运行，提供给牵引电机的电能需要根据位置、速度、温度等由传感器监测。严格控制。热管理是混合动力汽车电力电子设计中的一个主要问题。从动力传动系统传递到车轮的所有能量以及为电池充电的再生制动都需要通过电力电子设备完成。因此，即使电子设备中非常小的功率损失也会产生大量的热量。各种工作环境（如炎热的沙漠或冬季零下温度）的热量都需要严格管理和散发，以免对电子元件及其周边元件造成热损伤。因此，需要准确计算电力电子设备中的电气损耗，并确定和设计散热路径以确保有效冷却。电磁干扰/电磁兼容性电力电子发展的主要挑战之一是电磁干扰和电磁兼容性。由于提供给电机的能量是通过

12、高频开关功率器件的控制来传递的，因此各种电气元件之间的电磁干扰已成为一个重要问题。如果不考虑这些问题，电磁干扰会干扰信号的传输和检测，影响电机的正常运行。因此，在逻辑控制中必须仔细研究和考虑电磁干扰的影响，这就需要对电机、母线、周围的电磁元件和周围的电磁场进行全面的研究，并且这些元件是相互连接和耦合的。当他们工作时。电机控制器电子电路图IGBT 的 EMI/EMC 分析仿真技术的应用即使没有原型，工程师也可以使用多物理场仿真软件来研究产品在不同负载条件下的设计性能。不仅可以通过精确的仿真对固体和真实载荷工况进行建模，还可以对流体、力学、热物理、电化学和电磁力的影响及其相互作用进行建模，并且可以

13、使用仿真模型来调整设计。通过这种方式，产品设计可以更快，并且可以在设计早期进行性能优化，以避免产品开发后期出现意外和问题。混合动力/电动汽车的仿真工具涵盖了广泛的领域，包括机械、流体动力学、热学、电气和电磁学。这些工具可用于解决动力总成单个组件（电池组、牵引电机/发电机、电力电子设备等）的开发，以及由这些子系统集成的复杂动力总成的设计和研究。电池组模拟为了避免因过热而降低电池能效并缩短其使用寿命，电池热管理是混合动力/电动汽车发展的重中之重。对于圆柱形电池，工程师通常采用空气冷却策略，其中包括电池组外壳的形状、鼓风机和挡板以产生足够的气流以实现最佳冷却。对于矩形电池，冷却通常通过在与电池接触的

14、热交换器中循环液体来完成。电池热管理控制算法根据温度和充电器状态改变每个电池单元的负载。将参数化和实验设计方法与计算流体动力学求解器相结合，以分析复杂的 3D 冷却剂流动和多介质组合（固液）热传递，以评估和优化不同的热管理系统配置。为了评估电池组的长行驶周期性能，线性时不变方法可实现高效的实时仿真。工程师可以使用电路仿真技术来评估控制算法，以研究缩短电池寿命和导致电池爆炸的因素，例如过充电、大电流充电/放电、外部短路或其他电路问题。在研究此类算法时，将 3D 物理模型（流体动力学和力学）无缝集成到控制电路仿真中的软件显然是理想的选择。为解决因碰撞和异物侵入电池等事故引起的电池组结构问题，可使用

15、结构力学软件评估结构完整性，以防止电池组有毒物质外溢以及潜在的热失控和电池爆炸问题.身体伤害。这个虚拟原型软件也适用于研究振动、耐久性和疲劳寿命。电机/发电机模拟在电机/发电机开发中，设计人员必须关注电机的电磁方面。电子设计优化软件可以根据原始CAD图纸和总成的相关工程设计指标，定义电机/发电机的主要设计参数，包括永磁材料、绕组分布图、绕组匝数、气隙等。 ，同时提取寄生参数。可以使用工具来计算电机的电气特性。风冷圆柱形电池模块网格（左）和冷却液流程图（右）这些软件输出的模型和设计数据可以输入到电磁仿真软件中，该软件可以计算出电动机的扭矩曲线在电动模式下驾驶车辆时扭矩如何随时间上升；在电动模式下

16、驾驶车辆时的电阻扭矩；它如何随时间变化。在分析电动机/发电机的电磁性能时，还需要引入车辆的质量来确定各种条件下的加速时间和制动时间。基于这些输出，设计人员可以通过改变某些设计参数（例如，永磁体的尺寸）来调整设计，并通过参数化、优化设计，在电机性能和尺寸之间进行权衡。 、电机的重量或成本 选择、优化设计。电磁仿真输出的扭矩可以进一步输入结构力学软件，分析动力传动系统中其他部件（包括传动轴、齿轮等）的应力、载荷、变形和振动。人们一直希望电动汽车能够静音，因此对电动汽车的主要噪声源驱动系统进行振动分析非常重要。此外，流体动力学可用于研究热管理问题并分析损耗分布以确定电动机/发电机组的热分布。无缝集成

17、的多物理场设计软件贯穿整个电磁和机械开发过程，在计算不同负载条件下的性能和比较不同设计选项时，协调多个工具的动作并在不同工具之间交换数据。多物理场协同仿真程序帮助软件在统一环境中实现不同程序之间的平滑数据传输。电力电子仿真为了对混合动力汽车的电力电子器件进行热管理，工程师将IGBT器件模型放置在电力电子电路仿真软件的设计界面，并输入其特性（通断电压、电流波形等）、控制算法器件模型（IGBT on-off Logic）和电机/发电机器件模型等，建立电力电子器件系统的仿真分析模型，实现整个系统的虚拟设计和仿真分析。通过各种仿真数据，软件可以确定车辆在加速、巡航和制动过程中任意时刻整个系统电流的变化

18、情况。使用电子热流分析工具，工程师可以指定动力系统中主要热源（IGBT 和电动机/发电机的载流组件）的几何形状。通过在系统关键点单独添加每个热源，同时考虑气流和传导热的影响，以匹配参数分析，软件对数据进行处理并生成等效热模型进行系统仿真分析。使用这些热模型，工程师可以确定 IGBT 的整体温度分布和温升性能参数，例如可以从电池汲取多少功率以确保温度不超过影响 IGBT 性能的限制。根据温度分布，工程师可以使用有限元软件的耦合热结构分析功能来确定产生的热应力。电子设计分析工具也可用于计算电机/发电机各个部件上的电磁力，以确定变形量和机械应力分布。因此，工程师可以修改结构以消除应力集中和过度变形，

19、或者相反，减少由于过度设计而使用过多材料的区域。EMI/EMC 仿真在 HEV/EV 开发中，IGBT 以数十至数百 kHz 的速度开关，开启上升时间和关闭下降时间约为 50 至 100 纳秒 - 这可能导致两个主要电磁问题：传导发射（通过电流-承载结构）可能导致电源完整性问题或引起对逆变器和电机潜在有害的能量反射波。可能影响车辆中其他电子系统的辐射电磁场（通过空气）。必须充分考虑这两种干扰问题，工程师必须针对 EMC/EMI 设计车辆。为了准确描述IGBT等开关器件的性能，工程师可以使用参数化IGBT建模向导，可以在供应商提供的数据表中输入IGBT性能曲线和数据，自动提取所需的要求在建模向导

20、的指导下。参数以生成 IGBT 的半导体电路模型。整个建模过程非常简单，不需要手动完成。为了进行传导干扰分析，工程师需要将电源转换器的设计布局从CAD软件直接导入到寄生参数提取软件中，从而计算出导电路径的频率相关电阻、部分电感和电容，以及生成系统仿真使用的等效电路模型。功率变换器系统仿真的结果可用于测试辐射发射。工程师可以通过计算空间任意点的电磁场强度来判断逆变器封装是否符合国外相关标准。如果辐射超标，逆变器系统的电磁干扰和电磁兼容性可以追溯到设备设计布局上的问题根源。由此，对设计进行参数更改并获得一系列模拟结果，直到传导和辐射电磁发射水平都在可接受的范围内。系统集成系统集成可能是电气传动系统

21、设计中的最大挑战，因为必须考虑每个组件的独特特性、特性、强度和其他复杂性，以确保整个电气传动系统在宽负载范围内和各种驾驶条件下保持稳定.以获得最高的整体效率。由于子系统和组件是协同工作且紧密耦合的，它们不能完全独立开发，每个子系统的性能变化必须与所有其他子系统的性能变化相匹配。涵盖电磁、热、流体和结构问题的系统仿真为了成功仿真如此复杂的混合动力/电动汽车动力总成，仿真解决方案必须建立在无缝集成的设计平台上，该平台能够实现多维、多物理场、多尺度的仿真，以提供复杂的动力总成仿真多种机械、流体所需的技术、系统中的电气、电化学和电磁问题。多维性是指一个系统由子系统和组件组成，由混合的物理现象控制，它可

22、能是零维的（例如：逻辑电路和框图）、一维的（例如：建模长通道流动问题）、二维的维度（例如：壳应力）、3D（例如：建模复杂的 3D 通道流动问题）、4D（例如：考虑随时间变化的 3D 流体场、应力场、热场、磁场等）。多物理场是指一个系统或组件受到不止一种物理机制的影响，例如：电池组的性能受到流体流动、传热、电化学、结构应力/应变分布、电磁场等物理机制的影响.多尺度是指系统的重要物理现象发生在不同的物理尺度，例如：在电池组中，电化学反应发生在纳米尺度，而热传导和冷却发生在毫米尺度；电池控制器工作在pack级别，而电池组需要与动力总成的其他系统协同工作，所以是在车辆级别。仿真示例：丰田普锐斯的动力总

23、成为了证明电磁仿真方法的速度和准确性，一个 ANSYS 工程师团队使用橡树岭国家实验室发布的 Toyota Prius THSII 牵引电机的设计和性能数据进行了一项研究。电机瞬态有限元分析工程师首先创建了动力总成的有限元模型，包括电池、IGBT 逆变器、牵引电机和控制系统。然后，对模型进行参数化，并在 ANSYS Maxwell 软件中为模型添加不同的边界条件，例如电流、电压和转子位置。根据这些信息，Maxwell 可以计算出电机的多个输出参数，包括系统的扭矩、电感和机械损耗。同时，这些数据包含基于物理样机的电机模型求解结果，即在给定电参数输入条件下，电机在一系列测试点的输出性能。使用求解结果作为描述电机