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(guó)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(gè)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(guò)程中不可缺少的技術(shù)手段。

CAE技術(shù)分析貫穿了汽車開發(fā)的全過(guò)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(dòng)和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)和作用。CAE技術(shù)分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī)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(dú)特性。

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

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jì)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析；
二是在汽車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過(guò)程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)了提供方便。

噪聲、振動(dòng)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(jì)，通過(guò)車身內(nèi)聲模態(tài)與整機(jī)模態(tài)的耦合，評(píng)價(jià)乘員感受的噪聲，并進(jìn)行噪聲控制。

疲勞壽命與可靠性分析

汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)已進(jìn)入有限壽命設(shè)計(jì)階段，要求汽車在設(shè)計(jì)的使用期內(nèi)整車和零部件完好，不產(chǎn)生疲勞破壞； 而達(dá)到使用期后，零部件盡可能多地達(dá)到損傷。以求產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料和節(jié)省能源。

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(dòng)安全性能。對(duì)于汽車被動(dòng)安全性能的要求，一是在碰撞時(shí)，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(shí)，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對(duì)乘員的保護(hù)功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車外救助和脫險(xiǎn)。

氣動(dòng)或流場(chǎng)分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法來(lái)預(yù)測(cè)汽車車身外部流場(chǎng)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(jìn)行汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬。在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)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。

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(dòng)力學(xué)模型，在駕駛?cè)藛T采用不同駕駛方法的情況下，對(duì)車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行仿真研究，還可以預(yù)測(cè)車輛在各種極限條件下的性能。

整車性能的分析評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

從整體的角度對(duì)汽車的各種性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，包括汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性、聲學(xué)特性、振動(dòng)特性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、碰撞安全性等。

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(jī)車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有各種要求，新能源汽車對(duì)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(dòng)驅(qū)動(dòng)上的表現(xiàn)。

電池組熱管理：根據(jù)溫度場(chǎng)分布設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)
電池的機(jī)械性能分析：碰撞，碾壓，針刺對(duì)電池的影響
電池的電性能分析：過(guò)充/過(guò)放，大電流，充/放，外部短路對(duì)電池的影響
噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度分析：流動(dòng)噪聲，結(jié)構(gòu)振動(dòng)

結(jié)構(gòu)的耐久性分析

電動(dòng)機(jī)仿真分析

主要為以下幾個(gè)方面：
電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化：計(jì)算轉(zhuǎn)矩曲線，優(yōu)化電磁參數(shù)
熱分析：設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，防止熱損耗
振動(dòng)分析：降低電機(jī)噪聲
系統(tǒng)集成：優(yōu)化電動(dòng)機(jī)及控制器
結(jié)構(gòu)耐久性分析

在新能源汽車牽引電動(dòng)機(jī)的研發(fā)中，設(shè)計(jì)者要重點(diǎn)考慮電動(dòng)機(jī)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(jì)指標(biāo)，在電子設(shè)計(jì)軟件中定義電動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)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(jì)算出電動(dòng)機(jī)的電氣特性。然后將這些輸出的模型和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電磁仿真軟件中，模擬電動(dòng)機(jī)的三維電磁場(chǎng)，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線。

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

在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)仿真分析的時(shí)候，要同時(shí)兼顧電磁和機(jī)械分析的多物理場(chǎng)，還要考慮兩者之間的耦合，在不同載荷情況的性能計(jì)算和不同設(shè)計(jì)方案比較時(shí)，要協(xié)調(diào)多個(gè)工具的動(dòng)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(chǎng)聯(lián)合仿真的能力，能夠在一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)不同部件、不同學(xué)科之間的耦合仿真。

電力電子器件仿真分析

在對(duì)新能源汽車電力電子器件進(jìn)行熱分析的時(shí)候，工程師需要先通過(guò)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(dòng)機(jī)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(guò)電子電路仿真分析軟件確定出車輛在加速、巡航和制動(dòng)等過(guò)程中任意給定時(shí)刻、整個(gè)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(dòng)工況下，優(yōu)化電氣傳動(dòng)動(dòng)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(jì)
熱應(yīng)力分析：優(yōu)化由熱應(yīng)力和電磁力產(chǎn)生的機(jī)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(dòng)系統(tǒng)中主要熱源（電子控制器件和電機(jī)的載流部件）的幾何尺寸，通過(guò)單獨(dú)添加系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)上的每個(gè)熱源，同時(shí)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(guò)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(jì)分析工具還可用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)各部分上的電磁力，從而確定形變量和機(jī)械應(yīng)力分布。由此，工程師可以通過(guò)修改結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中和過(guò)度變形，或者反之，減少那些由于過(guò)度設(shè)計(jì)而額外使用多余材料的區(qū)域。

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(jì)中需要重點(diǎn)考慮大量機(jī)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(guò)載流結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電磁場(chǎng)引起的能量反射波對(duì)其它相連部件形成潛在威脅；通過(guò)空氣輻射的電磁場(chǎng)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(duì)車輛關(guān)鍵器件進(jìn)行電磁兼容分析。

在樣機(jī)制造之前進(jìn)行電磁兼容分析
減少電磁兼容的測(cè)試
電機(jī)、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(cè)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(lái)生成器件的半導(dǎo)體電路模型。為了進(jìn)行傳導(dǎo)干擾分析，工程師需要將功率變換器的設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)輻射水平，工程師通過(guò)計(jì)算空間任意點(diǎn)上的電磁場(chǎng)強(qiáng)度以判斷是否符合國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)版圖上的問題源。

由此，對(duì)設(shè)計(jì)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(jí)都在可接受的限值之內(nèi)。這樣就能在樣機(jī)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(cè)試。

多物理場(chǎng)的系統(tǒng)集成仿真分析

在新能源汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中，除了要解決電池組、電動(dòng)機(jī)、電力電子等部件的問題之外，系統(tǒng)集成也是一個(gè)完整可靠的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，必須考慮每個(gè)部件獨(dú)有的特征、屬性、強(qiáng)度和其它復(fù)雜因素等，以確保整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在寬負(fù)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(dú)立地進(jìn)行，而且每個(gè)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(shí)整個(gè)系統(tǒng)涉及機(jī)械、流體動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，仿真方案必須建立在一個(gè)可實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)、無(wú)縫集成的設(shè)計(jì)平臺(tái)上，來(lái)平衡復(fù)雜的、相互依賴的、或相互矛盾的機(jī)械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設(shè)計(jì)需求。

電池組熱分析

電池組熱分析通常重點(diǎn)考慮電池包風(fēng)道的不同布置，對(duì)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(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè)進(jìn)入，通過(guò)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙，最后在與進(jìn)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(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè)，通過(guò)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙，最后在與進(jìn)風(fēng)道相反方向位置的出風(fēng)道處將氣體排出。



同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案，空氣從進(jìn)氣管進(jìn)入到電池組底部，到達(dá)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(duì)于同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案，異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案氣流從左側(cè)進(jìn)口進(jìn)入到電池組底部，直接到達(dá)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(jìn)出風(fēng)道底部流場(chǎng)流速分布更加均勻。

結(jié)合1D FloMaster和3D FloEFD可以對(duì)電動(dòng)汽車電池組熱管理復(fù)雜系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)分析。在部件級(jí)層次，F(xiàn)loEFD用于研究分析熱管理系統(tǒng)詳細(xì)的流動(dòng)和換熱行為，確保電池組工作性能可靠。識(shí)別任何不可接受的設(shè)計(jì)，如不合理的流動(dòng)布置或極端的溫度梯度。在系統(tǒng)層次，結(jié)合Flowmaster模擬整個(gè)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(jì)過(guò)程中同步使用FloEFD仿真，相比傳統(tǒng)CFD工具，模擬時(shí)間可以大大減少。進(jìn)一步結(jié)合使用Flowmaster，系統(tǒng)工程師可以在有限的開發(fā)時(shí)間內(nèi)獲得最佳設(shè)計(jì)效率。



IGBT模組熱分析



IGBT可以在上百安培的電流下運(yùn)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(huì)產(chǎn)生大量的熱量。利用FloEFD和T3Ster熱測(cè)試儀進(jìn)行功率模塊的熱特性優(yōu)化。FloEFD用于設(shè)計(jì)前的熱分析與評(píng)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(cè)試之前和之后都可以進(jìn)行測(cè)試來(lái)比較散熱的特