专栏 l 新能源汽车与新能源电池行业仿真技术应用

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3D打印技术能够实现高柔性和高复杂性的生产,这使得3D打印技术适用于电动车零部件生产,特别是制造一些对于产品性能和轻量化有着更高要求的部件。而电动汽车作为一种新的产物,也必将呼唤新的制造技术。

迄今,拿通过金属3D打印加速汽车行业工业技术应用的头部企业布加迪举例,布加迪已经开发了3D打印的功能性零部件-制动钳、扰流板支架、电机支架以及前桥差速器。布加迪采用选区激光熔化SLM 金属3D打印技术,对电动机支架进行批量生产,电机支架已安装在Chiron系列新型车辆中。

Part_Auto_Bugatti布加迪批量生产的电机支架。来源:SLM Solutions

从将产生更深层次的影响力度方面看,宝马牵头的IDAM联合计划目标正是推动“汽车领域的增材制造(AM)技术的工业化和数字化”。这个项目将要对3D打印产业化带来的深远影响。

新能源汽车形式上与传统汽车相近,内部改变却很多,由此产生巨大的优化提升空间。在新兴设计领域中高效使用高精度,高质量,全面,统一的辅助设计工具能为企业技术带来持续的高速发展。本期.专栏通过安世亚太的《新能源汽车与新能源电池行业仿真技术应用》来呈现新能源汽车开发方面拥有统一、精准的分析系统和解决方案的必要性。

新能源汽车是高科技综合性产品,除电池、电动机外,车体本身也包含很多高新技术,有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。新能源电动汽车需要全新车身结构,而决不仅仅是由电动驱动系统代替内燃机。汽车的电动化要求对整个车身进行大范围的改进,因为电动驱动组件对结构空间有全新的要求。

对于新能源汽车而言,轻质结构设计意义重大。因为除电池电量外,汽车重量也是行驶距离的一个限制性因素。车辆越轻,允许装备的电池也越多,行驶距离便越远。3D打印技术无论是助力新能源汽车的研发,还是在全新的车身结构,轻质结构的实现,以及汽车内饰、智能互联方面都有着巨大的潜力。

block 面向行业挑战

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新能源汽车系统组成复杂,涉及到到电、磁、控制、机械、流体等不同的物理域;以及总体、机械、气动外形、电子电气等不同设计部门。如何综合考核各个关键部件的电磁、结构、温升等性能;如何综合评估系统与部件的匹配性;如何在各个设计部门中协调设计?

上述问题涉及到横向多域设计,又涉及纵向多层次设计,甚至需要综合考虑流程与数据管理等问题。

新能源汽车动力系统均由高性能牵引电机提供扭力输出,在仿真设计和研发过程中涉及到流体、结构、温度、电磁和控制等多个领域的复杂多物理场问题。

3D part_Auto_GKN_Electronic driveGKN和保时捷工程公司联合开发的结构优化的差速器壳体

新能源汽车动力电池是一个全新的部件,在设计阶段主要考虑到试用过程的安全性以及使用寿命的管理。这两者分别与汽车的碰撞安全性以及电池的热管理最为相关。碰撞安全性涉及到电池的安全使用与否,而电池包的热管理则很大程度影响电池包的整体寿命和续航里程。

整车级EMC测试标准主要限制定了车载发射器和车外辐射源工作时车辆的EMC性能。车内电子设备数量众多,新能源汽车更甚,都有可能成为辐射干扰源或被干扰体,如电机、变流器、各种天线、ECU等,种类繁多、频谱跨度广、且安装位置多样。如果将EMC问题都压缩在整车的最后设计阶段,则设计者需要付出更多的代价。

block 统一的系统,精准的分析

pera_global针对新能源汽车的各个方面,ANSYS软件提供了统一、精准的分析系统和解决方案。

锂电池的散热:

ANSYSFluent对单体锂电池定制了MSMD模型,内置三个1D的电化学模型来计算电池内部的电流及热量生成,用于也可以通过自定义的程序来求解电化学反应的过程。MSMD模型可以大大简化单体电芯的热分析过程,并且其计算精度也能够满足工程要求。

ANSYSFluent

ANSYSFluent对锂离子电池包热管理分析,最主要的问题是工作温度问题及电池温度均匀性问题,这个温度均匀性可以分为电池模组内的均匀性和模组之间的温度均匀性。在电池包的热分析中,ANSYS CFD有其巨大的优势:

一是模型简化处理方面的优势,电池包内部结构通常非常复杂,其中包含螺栓、支撑结构、铜片等细节,而热分析中所需要的关键部位,如换热流道、电芯等是包裹在这些复杂的结构下,需要提取出来以供CFD计算。使用ANSYS Space Claim几何建模及修复工具则可以较为专业且快捷的对几何模型进行简化处理,并得到用于计算的模型。

二是求解器模型方面的优势,ANSYSFluent中的流动方程耦合MSMD模型的电化学方程,可以得到更为准确的温度分布,以更为准确的指导换热设计。

Pera_麦格纳国际混合动力汽车电池包热管理模拟。来源:安世亚太

 Pera_1福特和德尔福合作的全混合电动车电池包散热系统设计。来源:安世亚太

Pera_2电池模组风道优化案例。来源:安世亚太

针对电池包还需要进行结构强度分析,比如翻转,冲击,跌落分析等。试用ANSYS分析软件,观察电池包在各种工况中结构表现情况,快速,安全,可行。

从动画及应力动画可以看到,0~2ms是碰撞时间段,可以看到应力集中区域首先出现在加强筋-下箱体连接尖角处,出现条形分布高应力区域,然后是固定耳片也接触到地面时,相应部位被挤压产生块状分布高应力区域。应力最大约为258Mpa,位于应力集中区域。

Pera_3电池模组风道优化案例。来源:安世亚太

电驱动系统分析

新能源汽车电机及驱动/控制系统设计包括电气、电磁、热、流体、结构、噪声、控制等多物理场、多层次、集成化设计内容,迫切需要引进新型电机设计解决方案,透过平台化的方法,形成集多物理场协同设计工具为一体的,糅合高性能计算技术和多学科优化技术的数字化研发环境。

电机本体设计

根据电机本体永磁化、无刷化、高速化、高效节能化的发展趋势、研发需求和技术挑战,全面考虑了电机本体设计的各方面,包括:

- 基于磁路法的电机快速设计、初始方案评估和优化设计;

- 基于瞬态电磁场有限元分析的电机精确分析和参数化/优化设计;

- 基于有限元的热、应力、形变分析;

- 基于有限容积法的流体热分析和散热系统优化;

- 基于电磁、热、结构单/双向耦合的多物理场耦合设计;

- 基于电磁、振动、噪声自动化设计流程的耦合设计等。

通过快速优化传统的电机设计方案,实现高效节能化;通过高效探索和积累无刷及永磁电机设计经验,实现无刷化、永磁化;通过优化设计电机在高速时的电磁和多物理场耦合特性,实现高速化。

Pera_4电机电磁、结构、热等多物理场耦合设计。来源:安世亚太

Pera_5ANSYS统一平台下多场耦合计算电机结构,热,声场,电磁场分析。来源:安世亚太

EMC/EMI电磁兼容和干扰分析

在现代电驱动系统研发中,电磁兼容和干扰日益成为设计瓶颈。以EV/HEV电驱动系统为例:

- 牵引电机高速运行,大功率IGBT以几十KHz频率开关所导致的各种高低频电磁干扰将直接影响各种控制信号检测和传导;

- 线缆、IGBT、母排、PCB关键路径走线等寄生参数也会直接影响各种功率和控制信号的传导;

- PCB控制板级信号串扰和电磁辐射干扰;

- 各种车载电磁设备分布在有限的车体空间内,相互之间也存在电磁干扰,影响设备的性能;

- 车载各种高低频感应、辐射和传导干扰不仅会影响电磁设备的性能,而且容易导致控制系统误动作或失控,影响整车运行性能,甚至造成故障和事故;

如何有效地设计各种共模和差模滤波器,IGBT和控制器封装、车载电磁设备布局、以及各种电磁屏蔽措施都变得至关重要。因此,研发高品质的电驱动系统,就必须解决电磁兼容设计问题。

Pera_6ANSYS电磁系列软件对不同部级进行分析,统一虚拟实验环境。来源:安世亚太

寻求更多仿真支持,请联系安世亚太。

关于3D打印在汽车领域的应用,请参考《3D打印与新能源汽车白皮书》-上篇,《3D打印与新能源汽车白皮书》-下篇。

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