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1、. . . . 混合动力车与电动汽车的先进数值仿真-利用无缝集成的多物理域仿真软件工程化汽车工业的未来ANSYS 是全球唯一能提供行业标准的，集结构、流体、电场、磁场等多物理场分析于一体的完整仿真软件供应商。ANSYS 无缝集成于Workbench? 平台的设计工具被广泛地应用于混合动力传动系统的研发中，包括： Simplore多领域系统仿真软件，应用于集电气、热、机械、机电、电磁与液压等于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，在工程师设计印刷电路板、电子封装与电力电子设备时，用于计算载流结构的频变电阻、电感、电容和电导参数。 HFSS三维全波
2、电磁场仿真软件，可提供电场、磁场、电流、散射参数、远/ 近辐射场结果。根据特定的几何形状、材料特性、输出类型，该工具会自动生成合适的、高效的、准确的网格，利用有限元法求解问题。 Maxwell低频电磁场仿真工具，利用有限元方法计算静态、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：电动机、作动器、变压器、传感器和线圈等。 RMxprt旋转电机（电动机和发电机）开始设计和方案优选软件。用户可以利用各种电机的模板轻松地建立模型，指定材料，计算电机性能，确定初始结构尺寸和设计方案，并可在数秒完成数百次参数化、优化设计和性能分析。 NSYS Icepak计算流体动力学软件，可用于电子系
3、统热管理设计，预测元件、电路板或系统级的热流量和热传递，以与稳态和瞬态的热流与传热计算（传导、对流、辐射）。 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，频率围覆盖直流到超过10Gb/s，可直接从电路CAD 设计版图中抽取信号完整性和电源完整性网络的频变电路模型。 ANSYS Mechanical一款全面的机械分析软件，包括结构的线性、非线性与动态分析（应力、挠曲和振动），可提供完整的一套单元行为、材料模型、公式求解器用于机械工程问题分析、热分析与声学、压电、热- 结构、热- 电等耦合物理问题分析。 ANSYS CFD流体力学计算软件包，具有通用与专用的流体建模与
4、流动分析能力，其建模功能包括对流体流动、紊流、热传递、层流- 紊流、不可压缩- 完全可压缩问题的建模，以与对固定或旋转装置等温问题的分析。 ANSYS Multiphysic多物理场仿真模块，可以进行复杂的多物理耦合分析，应用广泛的ANSYS 多物理场求解器可在开发的、自适应的Ansys Workbench 框架下对结构力学、热传递、流体、电磁问题进行分析。 随着空气污染与石油短缺问题的日益严重，利用混合动力车和电动汽车替代传统汽油车和柴油车已成为摆在人们面前的问题。世界各国政府都在推动混合动力/ 纯电动汽车的研究。美国政府已宣布财政支出24 亿美元用于资助电池组、电机与其它零部件的全新设计，
5、并制订了在2015 年前路上有100 万辆混合动力车的目标。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市场28% 的份额，这将比2005 年增加20%。 为满足对混合动力/ 纯电动汽车不断增长的需求，研发性能更好、价格更经济的电气传动系统的竞争日益激烈。研发新的电气传动系统具有巨大的商业回报潜力，但与此同时，将有缺陷的、不适合市场的、尚不完善的产品推向市场也存在着商业风险。 显然，汽车技术正在经历一场革命。领导这一革命的重任已落在汽车工程师的肩上，他们必须重新思考如何进行动力传动系统的设计。无论是整车生产企业的工程师还是零部件生产企业的工程师都面临着一项挑战，即如何在一个
6、非常有限的时间，研发出新一代的动力传动系统。 为了满足上述需求，具有混合动力车/电动汽车创新能力的主要汽车公司集中全力于仿真驱动式的研发，而不是过时的反复样机试验法。事实上，在下一代电气传动系统的设计竞赛中，能否有效实施先进的数值仿真技术有可能将优胜者与不精于此道的竞争者区别开来。 有许多软件解决方案可用于动力系统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、热管理应用方面的分析等。通常，这些独立的分析软件不能完全兼容，因而妨碍工程师全面、有效地实现电气传动系统的优化设计。本文对一款业界领先的、可在统一集成环境下实现多学科全面分析的一流软件的价值做了论述。混合动
7、力系统设计者面临的主要挑战 当前，汽车工程师通常面临必须从头开始设计电气传动系统的技术挑战，其关键部件包括：动力电池组、牵引电动机与发电机、功率电子器件。混合动力汽车部件的设计涉与到复杂的物理问题和极具挑战性的系统集成问题，其单个部件开发过程中面临的挑战以与系统集成时电磁部件之间的电磁兼容/ 电磁干扰问题将在下文进行探讨。 电池组 电池组为车辆提供主动力，同时也为众多的电动辅助系统提供能量。因此，电池组必须符合与燃油汽车一样的可靠性、耐久性和经济性标准和期望值，甚至超过这些标准和期望值。此外，车用电池组还必须提供比常规电池高几个数量级的能量。混合动力车电池组的冷却液流动路径与各个电池单体的温度
8、分布 在设计更大容量和更大输出功率电池组的时候，工程师必须考虑热、结构、电磁因素对电池组与电池单体的影响。例如，当充、放电时电池组产生热，电池模块中所有电池单体之间的温差必须严格控制在几度之，否则，电池组部单体之间就会形成有害的电流回路而缩短电池的寿命。要解决电池组发热问题，就需要一个风冷或水冷的冷却系统，但有时候却会导致乘客车仓周围噪声增加，从而增加了一定的设计挑战，因为混合动力/ 纯电动汽车的驾驶员都期望有一个超静音的驾驶体验，冷却系统的噪声与之不谐调。 工程师在对电池组进行设计和仿真分析时，还必须考虑到一系列驾驶条件下电池的安装位置和各种应力，以与电池必须能够安全承受多种工况变化对其性能
9、的影响，例如：外加热、过充、过放、针刺、重压与外部短路。此外，电池设计时还要考虑在碰撞情况下电池的安全性，必须保护乘客在车辆碰撞中免受电池释放出的有毒酸液的危险。 电动机/ 发电机 多年来，由于燃机的广泛应用，汽车制造商在电机（牵引电动机/ 发电机）设计上投入的时间和资金相对较少。传统发动机已经被完善到了随心所欲的程度：完全满足消费者的需求，排放法规也不再那么严峻地不可达到，石油价格也不成问题。但现在一切都已发生改变，在新式发动机的巨大收益和市场压力的驱使下，很多公司开始进行高效率和高效益的电气发动机设计。人才和资金不断的流向这个行业，电动机和电池一样，其设计也面临着一系列挑战。混合动力车电池
10、组的冷却液流动路径与各个电池单体的温度分布 电动机/ 发电机在汽车驱动系统中必不可少，同时也可以通过再生制动给蓄电池充电。与其它电动机不同，混合动力/ 纯电动汽车用牵引电动机必须可靠地工作在非常严苛的环境中。电动机必须持续工作在极端温度条件、剧烈振动、大工作循环与崎岖路面条件下；在混合动力汽车中，电动机也受发动机产生的高温影响。上述所有的因素在电动机设计的时候都必须考虑。对汽车消费者来说，可靠性是汽车的关键卖点，而且差的发动机性能既增加了维修成本，又降低了汽车的品牌价值。Courtesy Kato 工程公司共轴电机发电机有限元网格剖分图 消费者都期望混合动力/ 纯电动汽车具有高的燃油效率。汽车
11、的高燃油效率、低排放、安全性和动力性等方面影响着消费者的购买决策，因此直接影响汽车市场的成功与否。由于电动机的设计决定了将多少蓄电池的电能转化为机械能驱动车辆，设计高燃油效率的电动机就成为当今混合动力/ 纯电动汽车动力传动系统工程师面临的最重要挑战之一。 电力电子 电力电子相当于电气传动系统的心脏与大脑，它们必须精确地控制蓄电池与电动机/ 发电机之间的能量传输，并根据路况和驾驶员指令做出逻辑判断来调节动力传动系统。为了在各种驾驶条件下都能以最高效率工作，供给牵引电动机的电能需要根据传感器监测到的位置、速度、温度等反馈信号，通过高频开关器件（如绝缘栅双极型晶体管，IGBT）严格控制。 热管理是混
12、合动力汽车电力电子设计所关注的一个主要问题。由动力传动系统传递到车轮和再生制动充入电池的所有能量都需要通过电力电子器件完成。因此，即使电子器件极微小的功率损失也能产生大量的热。各种工作环境下（如炎热的沙漠或者冬天零度以下）的热量都需要严格管理并做好散热，避免电子元器件与其周边部件的热损坏。因此，需要对电力电子中的电气损耗做精确计算，为了确保有效的冷却，还要确定和设计散热通路。 电磁干扰/ 电磁兼容 电力电子开发中的主要挑战之一是电磁干扰与电磁兼容。由于供给电动机的能量通过高频开关功率器件的控制进行传递，因此各种电气元件之间的电磁干扰就成为一个重要的问题。如果不考虑这些问题，电磁干扰就会破坏信号
13、传递和检测并影响电动机正常工作。因此，电磁干扰的影响必须仔细研究并在逻辑控制中有所考虑，这就需要全面地研究电动机、母线与周围电磁部件和周边的电磁场，且这些部件工作时是相互连通、相互耦合的。电机控制器电子电路图IGBT 的电磁干扰/ 电磁兼容分析仿真技术的应用 即使在没有样机的条件下，工程师也可以使用多物理仿真软件研究不同载荷条件下产品的设计性能。不仅实体和真实载荷情况可以通过准确的仿真而建模，而且流体、机械、热物理、电化学、电磁力的影响与其相互之间的作用也可以模拟，并且可以通过仿真模型来调整设计。这样，产品设计可以更快，并且可以在设计的前期进行性能优化，以避免在产品开发的后期发生意外和问题。
14、用于混合动力/ 纯电动汽车的仿真工具涵盖围宽，包括机械、流体动力学、热学、电气和电磁等领域。这些工具既可以用于解决动力传动系统单个部件开发的问题电池组、牵引电动机/ 发电机、电力电子等，也可以用于由这些子系统集成的、复杂动力传动系统的设计和研究。电池组仿真 为了避免过热造成电池能效降低以与使用寿命缩短，电池热管理是混合动力/ 纯电动汽车开发的重中之重。对圆柱形电池单体，工程师通常采用风冷策略，其中包括电池组外壳的形状设计，由鼓风机和导流片形成足够的气流以实现最佳的冷却。对矩形电池单体，冷却一般通过与电池单体相接触的热交换器中液体循环来实现。电池热管理的控制算法则根据温度和充电器状态来改变每个电
15、池单体的负荷。 将参数化法和实验设计法与计算流体力学求解器相结合，可分析复杂的三维冷却液流动和多媒质联合（从固体到液体）传热，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驾驶循环性能，线性时不变法可实现高效的实时仿真。 工程师可以借助电路仿真技术评估控制算法，来研究降低电池寿命和导致电池爆炸的影响因素，如过充、大电流充/ 放电、外部短路或其它的电路问题。研究此类算法时，采用能够将三维物理模型（流体动力学和机械）无缝集成到控制电路仿真中的软件显然是最理想的。 为了解决如碰撞和异物穿透电池等事故造成的电池组结构问题，结构力学软件可用于评估结构的完整性，以防止电池组有毒容物的溢出以与可能造成热失控与电池爆炸问题的单体损坏。这种虚拟样机设计软件也同样适用于研究振动，耐久性和疲劳寿命。电动机/ 发电机仿真 在电动机/ 发电机研发中，设计者必须重点考虑电机的电磁问题。根据最初的CAD 图纸与装配体的相关工程设计指标，电子设计优化软件可定义电动机/ 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，而寄生参数提取工具则可用于计算电动机的电气特性。
