新能源汽車(chē)與新能源電池行業(yè)仿真技術(shù)應用

3D打印技術(shù)能夠實(shí)現高柔性和高復雜性的生產(chǎn)，這使得3D打印技術(shù)適用于電動(dòng)車(chē)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(zhù)更高要求的部件。而電動(dòng)汽車(chē)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(guò)金屬3D打印加速汽車(chē)行業(yè)工業(yè)技術(shù)應用的頭部企業(yè)布加迪舉例，布加迪已經(jīng)開(kāi)發(fā)了3D打印的功能性零部件-制動(dòng)鉗、擾流板支架、電機支架以及前橋差速器。布加迪采用選區激光熔化SLM 金屬3D打印技術(shù)，對電動(dòng)機支架進(jìn)行批量生產(chǎn)，電機支架已安裝在Chiron系列新型車(chē)輛中。



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布加迪批量生產(chǎn)的電機支架。來(lái)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)合計劃目標正是推動(dòng)“汽車(chē)領(lǐng)域的增材制造（AM）技術(shù)的工業(yè)化和數字化”。這個(gè)項目將要對3D打印產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)的深遠影響。新能源汽車(chē)形式上與傳統汽車(chē)相近，內部改變卻很多，由此產(chǎn)生巨大的優(yōu)化提升空間。在新興設計領(lǐng)域中高效使用高精度，高質(zhì)量，全面，統一的輔助設計工具能為企業(yè)技術(shù)帶來(lái)持續的高速發(fā)展。

新能源汽車(chē)是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動(dòng)機外，車(chē)體本身也包含很多高新技術(shù)，有些節能措施比提高電池儲能能力還易于實(shí)現。新能源電動(dòng)汽車(chē)需要全新車(chē)身結構，而決不僅僅是由電動(dòng)驅動(dòng)系統代替內燃機。汽車(chē)的電動(dòng)化要求對整個(gè)車(chē)身進(jìn)行大范圍的改進(jìn)，因為電動(dòng)驅動(dòng)組件對結構空間有全新的要求。

對于新能源汽車(chē)而言，輕質(zhì)結構設計意義重大。因為除電池電量外，汽車(chē)重量也是行駛距離的一個(gè)限制性因素。車(chē)輛越輕，允許裝備的電池也越多，行駛距離便越遠。3D打印技術(shù)無(wú)論是助力新能源汽車(chē)的研發(fā)，還是在全新的車(chē)身結構，輕質(zhì)結構的實(shí)現，以及汽車(chē)內飾、智能互聯(lián)方面都有著(zhù)巨大的潛力。



面向行業(yè)挑戰

新能源汽車(chē)系統組成復雜，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(dòng)外形、電子電氣等不同設計部門(mén)。如何綜合考核各個(gè)關(guān)鍵部件的電磁、結構、溫升等性能；如何綜合評估系統與部件的匹配性；如何在各個(gè)設計部門(mén)中協(xié)調設計？

上述問(wèn)題涉及到橫向多域設計，又涉及縱向多層次設計，甚至需要綜合考慮流程與數據管理等問(wèn)題。

新能源汽車(chē)動(dòng)力系統均由高性能牽引電機提供扭力輸出，在仿真設計和研發(fā)過(guò)程中涉及到流體、結構、溫度、電磁和控制等多個(gè)領(lǐng)域的復雜多物理場(chǎng)問(wèn)題。



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GKN和保時(shí)捷工程公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的結構優(yōu)化的差速器殼體



新能源汽車(chē)動(dòng)力電池是一個(gè)全新的部件，在設計階段主要考慮到試用過(guò)程的安全性以及使用壽命的管理。這兩者分別與汽車(chē)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航里程。

整車(chē)級EMC測試標準主要限制定了車(chē)載發(fā)射器和車(chē)外輻射源工作時(shí)車(chē)輛的EMC性能。車(chē)內電子設備數量眾多，新能源汽車(chē)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(xiàn)、ECU等，種類(lèi)繁多、頻譜跨度廣、且安裝位置多樣。如果將EMC問(wèn)題都壓縮在整車(chē)的最后設計階段，則設計者需要付出更多的代價(jià)。



統一的系統，精準的分析

針對新能源汽車(chē)的各個(gè)方面，ANSYS軟件提供了統一、精準的分析系統和解決方案。

鋰電池的散熱：

ANSYSFluent對單體鋰電池定制了MSMD模型，內置三個(gè)1D的電化學(xué)模型來(lái)計算電池內部的電流及熱量生成，用于也可以通過(guò)自定義的程序來(lái)求解電化學(xué)反應的過(guò)程。MSMD模型可以大大簡(jiǎn)化單體電芯的熱分析過(guò)程，并且其計算精度也能夠滿(mǎn)足工程要求。



ANSYSFluent



ANSYSFluent對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問(wèn)題是工作溫度問(wèn)題及電池溫度均勻性問(wèn)題，這個(gè)溫度均勻性可以分為電池模組內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(jiǎn)化處理方面的優(yōu)勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節，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雜的結構下，需要提取出來(lái)以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專(zhuān)業(yè)且快捷的對幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)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，ANSYSFluent中的流動(dòng)方程耦合MSMD模型的電化學(xué)方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。



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麥格納國際混合動(dòng)力汽車(chē)電池包熱管理模擬。來(lái)源：安世亞太

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福特和德?tīng)柛：献鞯娜旌想妱?dòng)車(chē)電池包散熱系統設計。來(lái)源：安世亞太

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電池模組風(fēng)道優(yōu)化案例。來(lái)源：安世亞太

     

針對電池包還需要進(jìn)行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀(guān)察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。從動(dòng)畫(huà)及應力動(dòng)畫(huà)可以看到，0~2ms是碰撞時(shí)間段，可以看到應力集中區域首先出現在加強筋-下箱體連接尖角處，出現條形分布高應力區域，然后是固定耳片也接觸到地面時(shí)，相應部位被擠壓產(chǎn)生塊狀分布高應力區域。應力最大約為258Mpa，位于應力集中區域。



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電池模組風(fēng)道優(yōu)化案例。來(lái)源：安世亞太



電驅動(dòng)系統分析

新能源汽車(chē)電機及驅動(dòng)/控制系統設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場(chǎng)、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進(jìn)新型電機設計解決方案，透過(guò)平臺化的方法，形成集多物理場(chǎng)協(xié)同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術(shù)和多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)的數字化研發(fā)環(huán)境。



電機本體設計

根據電機本體永磁化、無(wú)刷化、高速化、高效節能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術(shù)挑戰，全面考慮了電機本體設計的各方面，包括：

- 基于磁路法的電機快速設計、初始方案評估和優(yōu)化設計；

- 基于瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析的電機精確分析和參數化/優(yōu)化設計；

- 基于有限元的熱、應力、形變分析；

- 基于有限容積法的流體熱分析和散熱系統優(yōu)化；

- 基于電磁、熱、結構單/雙向耦合的多物理場(chǎng)耦合設計；

- 基于電磁、振動(dòng)、噪聲自動(dòng)化設計流程的耦合設計等。

通過(guò)快速優(yōu)化傳統的電機設計方案，實(shí)現高效節能化；通過(guò)高效探索和積累無(wú)刷及永磁電機設計經(jīng)驗，實(shí)現無(wú)刷化、永磁化；通過(guò)優(yōu)化設計電機在高速時(shí)的電磁和多物理場(chǎng)耦合特性，實(shí)現高速化。



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電機電磁、結構、熱等多物理場(chǎng)耦合設計。來(lái)源：安世亞太

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ANSYS統一平臺下多場(chǎng)耦合計算電機結構，熱，聲場(chǎng)，電磁場(chǎng)分析。來(lái)源：安世亞太



EMC/EMI電磁兼容和干擾分析

在現代電驅動(dòng)系統研發(fā)中，電磁兼容和干擾日益成為設計瓶頸。以EV/HEV電驅動(dòng)系統為例：

- 牽引電機高速運行，大功率IGBT以幾十KHz頻率開(kāi)關(guān)所導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；

- 線(xiàn)纜、IGBT、母排、PCB關(guān)鍵路徑走線(xiàn)等寄生參數也會(huì )直接影響各種功率和控制信號的傳導；

- PCB控制板級信號串擾和電磁輻射干擾；

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

- 車(chē)載各種高低頻感應、輻射和傳導干擾不僅會(huì )影響電磁設備的性能，而且容易導致控制系統誤動(dòng)作或失控，影響整車(chē)運行性能，甚至造成故障和事故；

如何有效地設計各種共模和差模濾波器，IGBT和控制器封裝、車(chē)載電磁設備布局、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)的電驅動(dòng)系統，就必須解決電磁兼容設計問(wèn)題。



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ANSYS電磁系列軟件對不同部級進(jìn)行分析，統一虛擬實(shí)驗環(huán)境。來(lái)源：安世亞太