基于ANSYS混合动力车及电动汽车的先进数值仿真

　　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、电磁及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、电子封装及电力电子设备时，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，并可在数秒内完成数百次参数化、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，以及稳态和瞬态的热流及传热计算(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，频率范围覆盖直流到超过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、非线性及动态分析(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，具有通用及专用的流体建模及流动分析能力，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，以及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。

　　随着空气污染及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、电机及其它零部件的全新设计，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，即如何在一个非常有限的时间内，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、牵引电动机及发电机、功率电子器件。混合动力汽车部件的设计涉及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及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相同的可靠性、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及各个电池单体的温度分布

　　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、电磁因素对电池组及电池单体的影响。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内，否则，电池组内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，以及电池必须能够安全承受多种工况变化对其性能的影响，例如：外加热、过充、过放、针刺、重压及外部短路。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，由于内燃机的广泛应用，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。

　　混合动力车电池组的冷却液流动路径及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、大工作循环及崎岖路面条件下;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，避免电子元器件及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及电磁兼容。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、母线及周围电磁部件内和周边的电磁场，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、电磁力的影响及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。

　　用于混合动力/ 纯电动汽车的仿真工具涵盖范围宽，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及使用寿命缩短，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，以防止电池组有毒内容物的溢出以及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 图纸及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。

　　风冷圆柱型电池模块网格(左)及冷却液流速图(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，从而可计算电动机的转矩曲线——在电动模式驱动车辆时，转矩如何随时间上升;在停车制动模式时，电气阻力矩如何随时间变化。电动机/ 发电机电磁性能分析时，还需要引入车辆的质量以确定各种情况下的加速时间及制动时间。基于这些输出结果，设计者可以改变某些设计参数(例如：永磁体的尺寸)来调整设计，通过参数化、优化设计，在电动机的性能与电动机的尺寸、重量或成本之间做出折中选择，优选设计方案。

　　电磁仿真输出的转矩可进一步输入到结构力学软件中，用于分析动力传动系统中其它部件(包括驱动轴、齿轮等)的应力、载荷、变形及振动。人们总是希望电动汽车可以静音，因而对电动汽车的主要噪声源，驱动系统进行振动分析就变得非常重要了。此外，流体动力学可用于研究热管理问题，分析损耗的分布，以确定电动机/ 发电机组的热分布。

　　无缝集成的多物理场设计软件纵贯整个电磁和机械开发过程，在不同载荷情况的性能计算和不同设计方案比较时，可协调多个工具的动作，在不同工具之间交换数据。多物理场联合仿真程序有助于软件在一个统一的环境中实现不同程序之间顺畅的数据传递。

　　电力电子仿真

　　为了对混合动力汽车电力电子器件进行热管理，工程师在电力电子电路仿真软件的设计界面上放置IGBT 器件模型并输入其特性(通断电压，电流波形等)，控制算法器件模型(IGBT 的通断逻辑)和电动机/ 发电机器件模型等，以建立电力电子器件系统仿真分析模型，实现整个系统的虚拟设计和仿真分析。通过各种仿真数据，软件可确定出车辆在加速、巡航和制动过程中任意给定时刻、整个系统内电流的变化情况。

　　利用电子热流分析工具，工程师可以指定动力传动系统中主要热源(IGBT 和电机/ 发电机的载流部件)的几何尺寸。通过单独添加系统中关键点上的每个热源，同时还考虑空气流通量和传导热量的影响，以及参数化分析，软件可处理数据并生成等效热模型，用于系统仿真分析。工程师利用这些热模型可确定IGBT 的整体温度分布以及温升性能参数，例如：从电池获得多少电能才能保证温度不超过影响IGBT 性能的限定值。

　　根据温度分布，工程师可以利用有限元软件的热- 结构耦合分析功能，确定由此产生的热应力。电子设计分析工具还可用于计算电动机/ 发电机各部分上的电磁力，从而确定形变量和机械应力分布。由此，工程师可以通过修改结构，消除应力集中和过度变形，或者反之，减少那些由于过度设计而额外使用多余材料的区域。

　　电磁干扰/ 电磁兼容仿真

　　在混合动力/ 纯电动汽车的开发中，IGBT 的开关速度从几十到几百千赫，导通上升时间和关断下降时间大约为50 到100 纳秒——这可能会导致两大电磁问题：传导发射(通过载流结构)可能会导致电源完整性问题或引起对逆变器和电动机存在潜在危害的能量反射波。辐射电磁场(通过空气)，可能影响车上其它电子系统。这两类干扰问题都必须被充分考虑，工程师必须对车辆的电磁兼容/ 电磁干扰进行设计。

　　为了精确描述IGBT 等开关器件的性能，工程师可以采用参数化的IGBT 建模向导，利用该向导可输入供应商提供的数据手册中的IGBT性能曲线和数据，在建模向导的指引下自动提取需要的参数来生成IGBT 的半导体电路模型。整个建模过程非常简单，无需手动完成。

　　为了进行传导干扰分析，工程师需要将功率变换器的设计版图从CAD 软件直接导入到寄生参数提取软件中，从而计算导电通路的频变电阻、部分电感和电容，并生成等效电路模型以备系统仿真使用。

　　功率变换器系统仿真的结果可用于检验辐射发射，工程师通过计算空间任意点上的电磁场强度以判断逆变器封装是否符合国内外相关标准。如果辐射超标，逆变器系统的电磁干扰和电磁兼容可溯源到器件设计版图上的问题源。由此，对设计做出参数更改，并获得一系列仿真结果，直到传导辐射和辐射电磁发射等级都在可接受的限值之内为止。

　　系统集成

　　系统集成可能是电气传动系统设计中最大的挑战，因为必须考虑每个部件独有的特征、属性、强度和其它复杂因素等，以确保整个电气传动系统在宽负载范围内及各种行驶条件下都能获得最高的整体效率。由于子系统和部件协同工作，紧密耦合，它们的开发也不能完全独立地进行，而且每个子系统性能的改变都必须与其它所有子系统相匹配。

　　涵盖电磁、热、流体和结构问题的系统仿真

　　为了成功地仿真如此复杂的混合动力/ 纯电动汽车动力传动系统，仿真方案必须建立在一个可实现多维、多物理、多尺度仿真的、无缝集成的设计平台上，从而可提供复杂的动力传动系统中多个机械、流体、电气、电化学和电磁问题仿真所需要的技术。

　　多维数表示一个系统由子系统和部件组成，受多种物理现象混合控制，它可能是零维(例如：逻辑电路和框图)，一维(例如：对长通道内流动问题的建模)，二维(例如：壳应力)，三维(例如：复杂三维通道内流动问题的建模)，四维(例如：考虑时间变化的三维流体场、应力场、热、磁场等)。

　　多物理表示一个系统或部件受多于一个物理机制影响，例如：一个电池组的性能受流体流动、热传递、电化学、结构应力/ 应变分布、电磁场等物理机制影响。

　　多尺度表示一个系统重要的物理现象发生在不同物理尺度上，例如：电池组中，电化学反应发生在纳米级，而热传导和冷却发生在毫米级;电池控制器工作在电池组级，而电池组需要与动力传动的其它系统共同工作，因此其处于整车级。

　　仿真实例：丰田普锐斯的动力传动系统

　　为了证明电磁仿真方法的速度和精度，ANSYS 的工程师团队采用Oak Ridge 国家实验室发布的丰田普锐斯THSII 牵引电动机的设计和性能数据做了一个研究。

　　电动机瞬态有限元分析

　　工程师首先创建了动力传动系统的有限元模型，包括电池、IGBT 逆变器、牵引电机和控制系统。然后，将模型参数化，在ANSYS Maxwell软件中给模型添加不同边界条件，如电流、电压及转子位置。根据这些信息，Maxwell 可以计算出电机的多个输出参数，包括转矩、电感和系统的机械损耗。同时，这些数据包含一个基于物理原型的电机模型求解结果，即在给定电参数输入条件下一系列测试点上电机的输出性能。

　　将求解结果作为描述电机性能的查询表，ANSYS 工程师在Simplorer 软件中建立了基于电动机等效电路模型的参数化系统级仿真模型，计算电机转矩和其它输出参数。系统级方法的仿真结果与公布的电动机输出数据吻合得很好，这表明了该方法的准确性。

　　系统级仿真方法的优点是可在瞬间预测电机的输出性能，并与有限元模型具有相同的精度，而有限元模型的网格划分和求解却需要几个小时。这种方法已被多个汽车开发团队用于快速评估和优化电动机的设计工作中，并替代了数个样机的试验周期，加速了整个设计进程。因此，仿真预测特别有利于在电动机开发的早期阶段，在多种控制策略、轴尺寸、永磁材料类型等组合中快速确定优化方案。

　　竞争中的先驱

　　混合动力/ 纯电动汽车的发展速度快得惊人，与此同时，原始设备制造商和供应商都面临着具有挑战性的市场需求，这对于先进的公司是巨大的潜在利益，而对于落后的公司则是重大的风险。在激烈的环境中，汽车工程师们面临的挑战是设计非常复杂的下一代电气传动系统，使用缓慢和低效的、反复样机试验的研制方法已不能满足快速设计的需求。因此，必须采用以多物理场为基础的仿真驱动式研发模式来平衡复杂的、相互依赖的、间或相互矛盾的机械、电气、电磁、流体和热管理等多种设计需求。

　　通过多物理域仿真，设计团队能够有效地评估涉及多个领域的数百个供选方案，进行许多假设分析研究，预测车辆在实际驾驶情况下的性能，快速优化设计，使工程师能够开发最佳的电池、电动机/ 发电机、电力电子及其他各种部件，并将各部件无缝集成在一起实现协同工作。

　　对于一个最佳的动力传动系统设计，其关键是以多物理为基础的仿真解决方案，它能将不同功能的计算程序无缝集成为一体，按同样的方式工作，而仅仅将零散的或独立而往往不兼容的程序简单地拼凑在一起的解决方案根本满足不了如此复杂的设计需求。随着混合动力/ 纯电动汽车的需求持续增长，有一定广度和深度的多物理域仿真方案不仅具有竞争优势，而且是那些想在竞争中获胜的企业必不可少的设计工具竞争筹码。