簡單分析CAE技術(shù)在新能源汽車研發(fā)中的應(yīng)用

隨著新能源汽車在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)展，新能源汽車我國最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾I(lǐng)域之一。然而新能源汽車研發(fā)是一個及其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，汽車技術(shù)涉及到多種。而CAE仿真技術(shù)已成為汽車行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中不可缺少的技術(shù)手段。

CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程，小到螺栓預(yù)緊力分析，大到整車碰撞模擬和整車NVH（噪聲、振動和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動力學(xué)、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。新能源汽車研發(fā)中的CAE仿真技術(shù)應(yīng)用既具有延續(xù)性也有其獨特性。

今天小編就詳細和大家講講CAE技術(shù)在新能源汽車研發(fā)中的應(yīng)用

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結(jié)構(gòu)強度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于：

一是在汽車設(shè)計中對所有的結(jié)構(gòu)件、主要機械零部件的剛度、強度和穩(wěn)定性進行分析；二是在汽車的計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計中，用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具；三是在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時在計算機屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動模態(tài)，進一步計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，較真實地描繪出動態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計了提供方便。


2
噪聲、振動與不平順性(NVH)分析
有限元法除了廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)分析外，還可應(yīng)用于車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計，通過車身內(nèi)聲模態(tài)與整機模態(tài)的耦合，評價乘員感受的噪聲，并進行噪聲控制。


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疲勞壽命與可靠性分析
汽車產(chǎn)品設(shè)計已進入有限壽命設(shè)計階段，要求汽車在設(shè)計的使用期內(nèi)整車和零部件完好，不產(chǎn)生疲勞破壞； 而達到使用期后，零部件盡可能多地達到損傷。以求產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料和節(jié)省能源。


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碰撞與安全性分析
汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動安全性能。對于汽車被動安全性能的要求，一是在碰撞時，車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量，緩和沖擊； 二是發(fā)生事故時，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。


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氣動或流場分析
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展， 應(yīng)用計算流體力學(xué)(CFD)方法來預(yù)測汽車車身外部流場已成為可能。CFD 在汽車領(lǐng)域中的絕大部分應(yīng)用都集中于進行汽車外流場的數(shù)值模擬。在內(nèi)燃機的設(shè)計和開發(fā)中，CFD 已經(jīng)被作為一種重要而有效的工具加以利用。


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汽車的可操縱性分析
車輛的可操縱性分析是指利用整車多體動力學(xué)模型，在駕駛?cè)藛T采用不同駕駛方法的情況下，對車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進行仿真研究，還可以預(yù)測車輛在各種極限條件下的性能。


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整車性能的分析評價與預(yù)測
從整體的角度對汽車的各種性能進行分析和預(yù)測，包括汽車的空氣動力學(xué)特性、聲學(xué)特性、振動特性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、碰撞安全性等。


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電池組仿真分析
新能源汽車及其他設(shè)備所使用的電池主要分為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池三大類，由于技術(shù)限制現(xiàn)階段物理電池和生物電池并不能廣泛使用，所以目前新能源汽車主要用的是鉛酸蓄電池、鎳氫電池及鋰離子電池等。就像內(nèi)燃機車對發(fā)動機有各種要求，新能源汽車對電池組也有著苛刻的性能要求，包括安全性、穩(wěn)定性、成本、充放電效率、比功率、比能量等，這些直接關(guān)系到新能源車在電動驅(qū)動上的表現(xiàn)。
電池組熱管理：根據(jù)溫度場分布設(shè)計散熱系統(tǒng)
電池的機械性能分析：碰撞，碾壓，針刺對電池的影響
電池的電性能分析：過充/過放，大電流，充/放，外部短路對電池的影響
噪聲、振動和聲振粗糙度分析：流動噪聲，結(jié)構(gòu)振動
結(jié)構(gòu)的耐久性分析


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電動機仿真分析
主要為以下幾個方面：
電磁設(shè)計優(yōu)化：計算轉(zhuǎn)矩曲線，優(yōu)化電磁參數(shù)
熱分析：設(shè)計散熱系統(tǒng)，防止熱損耗
振動分析：降低電機噪聲
系統(tǒng)集成：優(yōu)化電動機及控制器
結(jié)構(gòu)耐久性分析

在新能源汽車牽引電動機的研發(fā)中，設(shè)計者要重點考慮電動機的電磁問題。首先根據(jù)最初的三維圖紙及裝配體的相關(guān)工程設(shè)計指標(biāo)，在電子設(shè)計軟件中定義電動機的主要設(shè)計參數(shù)，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數(shù)等，此外還要計算出電動機的電氣特性。然后將這些輸出的模型和設(shè)計數(shù)據(jù)輸入到電磁仿真軟件中，模擬電動機的三維電磁場，計算出電動機的轉(zhuǎn)矩曲線。

電動機的轉(zhuǎn)矩曲線可以反映出：在電動模式驅(qū)動車輛時轉(zhuǎn)矩如何隨時間上升；在停車制動模式時電氣阻力矩如何隨時間變化。電動機電磁性能分析時，還需要引入車輛的質(zhì)量以確定各種情況下的加速時間及制動時間?；谶@些輸出結(jié)果，設(shè)計者可以改變某些設(shè)計參數(shù)如永磁體的尺寸來調(diào)整設(shè)計，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，在電動機的性能與電動機的尺寸、重量、成本之間做出最優(yōu)匹配，優(yōu)選設(shè)計方案。
電磁仿真輸出的轉(zhuǎn)矩可進一步輸入到結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件中，用于分析電氣傳動系統(tǒng)中其它部件包括驅(qū)動軸、齒輪等的應(yīng)力、載荷、變形及振動。以電動機為主的驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車的主要噪聲源，為了進行噪聲優(yōu)化，驅(qū)動系統(tǒng)的振動分析也非常重要。此外，流體動力學(xué)可用于研究電動機的熱管理問題，以確定電動機周圍的熱分布，優(yōu)化熱損耗問題。

在進行電動機仿真分析的時候，要同時兼顧電磁和機械分析的多物理場，還要考慮兩者之間的耦合，在不同載荷情況的性能計算和不同設(shè)計方案比較時，要協(xié)調(diào)多個工具的動作，在不同工具之間交換數(shù)據(jù)。這要求仿真工具具有多物理場聯(lián)合仿真的能力，能夠在一個統(tǒng)一的環(huán)境中實現(xiàn)針對機電系統(tǒng)不同部件、不同學(xué)科之間的耦合仿真。


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電力電子器件仿真分析
在對新能源汽車電力電子器件進行熱分析的時候，工程師需要先通過電子電路仿真軟件建立電力電子器件系統(tǒng)仿真分析模型，通常包括控制算法器件模型、電動機器件模型、各器件模型的電力特性（如通斷電壓、電流波形等），以及器件模型之間的控制算法邏輯。通過電子電路仿真分析軟件確定出車輛在加速、巡航和制動等過程中任意給定時刻、整個系統(tǒng)內(nèi)電流的變化情況。
控制邏輯優(yōu)化：在不同驅(qū)動工況下，優(yōu)化電氣傳動動力集成部件及系統(tǒng)
熱管理：電磁損耗散熱方式和路徑設(shè)計
熱應(yīng)力分析：優(yōu)化由熱應(yīng)力和電磁力產(chǎn)生的機械形變問題

利用電子熱流分析工具，工程師可以指定電氣傳動系統(tǒng)中主要熱源（電子控制器件和電機的載流部件）的幾何尺寸，通過單獨添加系統(tǒng)中關(guān)鍵點上的每個熱源，同時還考慮空氣流通量和傳導(dǎo)熱量的影響，以及參數(shù)化分析，可處理數(shù)據(jù)并生成等效熱模型，用于熱分析。利用這些熱模型可確定電力電子器件整體溫度分布以及溫升性能參數(shù)，例如：從電池獲得多少電能才能保證溫度不超過影響某電子器件性能的限定值。

根據(jù)溫度分布，工程師可以利用有限元軟件的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能，確定由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。電子設(shè)計分析工具還可用于計算電動機各部分上的電磁力，從而確定形變量和機械應(yīng)力分布。由此，工程師可以通過修改結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中和過度變形，或者反之，減少那些由于過度設(shè)計而額外使用多余材料的區(qū)域。


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電磁兼容仿真分析
與傳統(tǒng)汽車研發(fā)不同，在新能源汽車設(shè)計中需要重點考慮大量機電器件的電磁兼容性（EMC），避免出現(xiàn)電磁干擾。主要存在兩類電磁干擾問題：通過載流結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電磁場引起的能量反射波對其它相連部件形成潛在威脅；通過空氣輻射的電磁場影響其它電子系統(tǒng)。這兩類電磁干擾問題都必須被充分考慮，工程師必須對車輛關(guān)鍵器件進行電磁兼容分析。
在樣機制造之前進行電磁兼容分析
減少電磁兼容的測試
電機、母排、控制器等部件的電磁兼容分析

為了精確分析器件的電磁兼容性能，工程師首先要建立電路模型。供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)手冊中有器件性能曲線和數(shù)據(jù)，從中提取出需要的參數(shù)來生成器件的半導(dǎo)體電路模型。為了進行傳導(dǎo)干擾分析，工程師需要將功率變換器的設(shè)計版圖從CAD軟件直接導(dǎo)入到寄生參數(shù)提取軟件中，從而計算導(dǎo)電通路的頻變電阻、部分電感和電容，并生成等效電路模型以備系統(tǒng)仿真使用。系統(tǒng)仿真的結(jié)果可用于檢驗輻射水平，工程師通過計算空間任意點上的電磁場強度以判斷是否符合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準。如果輻射超標(biāo)，電磁干擾和電磁兼容可溯源到器件設(shè)計版圖上的問題源。

由此，對設(shè)計做出參數(shù)更改，并獲得一系列仿真結(jié)果，直到傳導(dǎo)輻射和輻射電磁發(fā)射等級都在可接受的限值之內(nèi)。這樣就能在樣機制造之前保證新能源汽車部件間的電磁兼容性符合要求，避免出現(xiàn)電磁干擾問題，也取代了成本較高的電磁兼容測試。


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多物理場的系統(tǒng)集成仿真分析
在新能源汽車研發(fā)設(shè)計中，除了要解決電池組、電動機、電力電子等部件的問題之外，系統(tǒng)集成也是一個完整可靠的電氣傳動系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，必須考慮每個部件獨有的特征、屬性、強度和其它復(fù)雜因素等，以確保整個電氣傳動系統(tǒng)在寬負載范圍內(nèi)及各種行駛條件下都能獲得最高的整體效率。

由于子系統(tǒng)和部件協(xié)同工作，緊密耦合，它們的開發(fā)也不能完全獨立地進行，而且每個子系統(tǒng)性能的改變都必須與其它所有子系統(tǒng)相匹配。同時整個系統(tǒng)涉及機械、流體動力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域的研究，因此為了成功地仿真如此復(fù)雜的電氣傳動系統(tǒng)，仿真方案必須建立在一個可實現(xiàn)多物理場、無縫集成的設(shè)計平臺上，來平衡復(fù)雜的、相互依賴的、或相互矛盾的機械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設(shè)計需求。


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電池組熱分析
電池組熱分析通常重點考慮電池包風(fēng)道的不同布置，對電池包散熱系統(tǒng)的影響。同側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進入的冷卻氣流從電池包一側(cè)進入，通過內(nèi)部風(fēng)道進入電池模組之間的縫隙，最后在與進風(fēng)道同側(cè)位置的出風(fēng)道處將氣體排出。異側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進入的冷卻氣流從電池包一側(cè)，通過內(nèi)部風(fēng)道進入電池模組之間的縫隙，最后在與進風(fēng)道相反方向位置的出風(fēng)道處將氣體排出。


同側(cè)進出風(fēng)道方案，空氣從進氣管進入到電池組底部，到達右方后回流至左側(cè)，這種回流現(xiàn)象將導(dǎo)致熱循環(huán)，不利于電池上下部散熱。相對于同側(cè)進出風(fēng)道方案，異側(cè)進出風(fēng)道方案氣流從左側(cè)進口進入到電池組底部，直接到達右方，能夠減小電池?zé)嵫h(huán)程度，有利于降低電池上部的最高溫度；異側(cè)進出風(fēng)道底部流場流速分布更加均勻。

結(jié)合1D FloMaster和3D FloEFD可以對電動汽車電池組熱管理復(fù)雜系統(tǒng)開展設(shè)計分析。在部件級層次，F(xiàn)loEFD用于研究分析熱管理系統(tǒng)詳細的流動和換熱行為，確保電池組工作性能可靠。識別任何不可接受的設(shè)計，如不合理的流動布置或極端的溫度梯度。在系統(tǒng)層次，結(jié)合Flowmaster模擬整個電池冷卻系統(tǒng)，分析部件的相互影響，確保正確的系統(tǒng)性能。在早期CAD設(shè)計過程中同步使用FloEFD仿真，相比傳統(tǒng)CFD工具，模擬時間可以大大減少。進一步結(jié)合使用Flowmaster，系統(tǒng)工程師可以在有限的開發(fā)時間內(nèi)獲得最佳設(shè)計效率。




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IGBT模組熱分析
IGBT可以在上百安培的電流下運行并扮演極高開關(guān)速率的電子開關(guān)的角色。因此它也會產(chǎn)生大量的熱量。利用FloEFD和T3Ster熱測試儀進行功率模塊的熱特性優(yōu)化。FloEFD用于設(shè)計前的熱分析與評估。T3Ster使工程師可以了解散熱路徑的內(nèi)部信息，結(jié)構(gòu)函數(shù)清晰的給出了每一部分的熱阻，并且在耐久性測試之前和之后都可以進行測試來比較散熱的特性。