一、未來汽車工業(yè)發(fā)展趨勢——新能源汽車

    中國汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，已形成完整的工業(yè)體系，并成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，我國汽車產(chǎn)銷量多次躍居世界汽車產(chǎn)銷量首位。然而，隨著汽車保有量的快速增長，由此帶來的環(huán)境和能源問題日益突出。全國各地地持續(xù)的霧霾天氣，關(guān)于PM2.5的討論讓廣大人民群眾對于治理大氣污染的呼聲日益高漲。石油資源逐漸短缺造成的能源危機(jī)也不容忽視，因此，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯(lián)系在一起，更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車——新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

    新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、太陽能電池汽車，以及生物燃料汽車和其它燃?xì)馄�車等�?/p>

    目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要集中在混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車上�；旌蟿恿ζ�車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生）與電動力源（電池與電動機(jī)）的汽車；純電動汽車（Electric Vehicle，EV）是指完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車；燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）則是以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī)驅(qū)動的汽車。

純電動汽車

    新能源汽車使用替代能源，減少了燃油的消耗和有害氣體的排放，滿足了汽車行業(yè)日益凸顯的節(jié)能與環(huán)保需求，因此成為世界各大汽車廠商研究的熱點(diǎn)，同時也得到了各國政府政策的大力支持。2012年國務(wù)院印發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，將節(jié)約和替代石油列為節(jié)能減排重點(diǎn)工程，發(fā)展節(jié)能汽車成為當(dāng)前落實國務(wù)院加強(qiáng)節(jié)能減排工作重要部署的重大舉措。新能源汽車是國務(wù)院確定的重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾�領(lǐng)域之一。近年來，特別是《中國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》發(fā)布以來，各地方節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。新能源汽車將逐漸取代純油耗汽車，成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的新趨勢。

二、新能源汽車研發(fā)中面臨的主要挑戰(zhàn)

    然而由于與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理上有巨大區(qū)別，在新能源汽車的設(shè)計研發(fā)環(huán)節(jié)，汽車工程師面臨著諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵部件包括動力電池組、牽引電動機(jī)及發(fā)電機(jī)、功率電子器件等，除了這些關(guān)鍵部件的設(shè)計中涉及到復(fù)雜的物理問題之外，還存在系統(tǒng)集成時電磁部件之間的電磁兼容/電磁干擾等問題。汽車NVH性能、輕量化、安全性研究也是新能源汽車研發(fā)時必須考慮的因素。

電動汽車透視圖

    1.電池組

    在混合動力汽車和純電動汽車中，電池組是車輛最主要的動力來源，同時也為眾多的電動輔助系統(tǒng)提供能量。因此電池組的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指標(biāo)將直接關(guān)系到車輛動力性能。在設(shè)計電池組的時候，在保證高水平容量和輸出功率的基礎(chǔ)上，工程師還必須考慮熱、結(jié)構(gòu)、電磁因素對電池組及電池單體的影響。

電動汽車電池組

    電池組在充、放電的時候會產(chǎn)生熱，長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將會縮短電池使用壽命、降低電池性能。電池組內(nèi)部單體之間溫度分布不均勻?qū)е聹夭钸^大，就會形成有害的電流回路也會縮短電池的壽命。要管理電池組發(fā)熱問題，就需要根據(jù)電池組內(nèi)部溫度場分布來設(shè)計一個風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，而設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)則涉及到傳熱學(xué)和流體動力學(xué)等知識。

    電池組的安裝位置、結(jié)構(gòu)分布會影響車內(nèi)空間大小，在一系列駕駛條件下，電池組不同的安裝位置還會影響其所受各種應(yīng)力，這時候需要考慮是否會引發(fā)安全問題，一旦電池結(jié)構(gòu)被破壞可能釋放出有毒酸液對乘客造成危險。在外加熱、過充、過放、針刺、重壓及外部短路等多種工況變化情況下，電池組能否安全保證工作性能也是需要研究的。

    2.電動機(jī)

    電動機(jī)是新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中必不可少的部分，它決定了將多少蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動車輛運(yùn)行，消費(fèi)者都期望汽車具有高燃油效率，它在很大程度上影響了消費(fèi)者的購買決策。而電動機(jī)工作效率與其電磁特性密切相關(guān)，因此研究電磁問題、設(shè)計出高效率的電動機(jī)是新能源汽車電氣傳動系統(tǒng)研發(fā)最重要的挑戰(zhàn)之一。

電動汽車電動機(jī)

    此外，混合動力和純電動汽車所用的牽引電動機(jī)可能面臨非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境，電動機(jī)持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下。在混合動力汽車中，電動機(jī)還受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。這些因素要求電動機(jī)必須具有很高的可靠性和安全性。

    3.電力電子器件

    在新能源汽車的電氣傳動系統(tǒng)中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動機(jī)、發(fā)電機(jī)之間的能量傳輸，并根據(jù)路況和駕駛員指令做出邏輯判斷來調(diào)節(jié)電氣傳動系統(tǒng)。電力電子器件根據(jù)傳感器監(jiān)測到的位置、速度、溫度等反饋信號，嚴(yán)格控制著蓄電池提供給牽引電動機(jī)的電能，為了保證汽車在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，電力電子系統(tǒng)必須具備良好的性能。

    與電池組一樣，熱管理也是新能源汽車電力電子設(shè)計所關(guān)注的一個主要問題。由電氣傳動系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動充入電池的所有能量都需要通過電力電子器件完成，因此即使電子器件極微小的功率損失也能產(chǎn)生大量的熱。不同工作環(huán)境下，電力電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量都需要嚴(yán)格控制并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。這需要對電力電子器件中的電磁損耗做精確計算并研究出相關(guān)的散熱方式。為了確保最有效的冷卻，還要根據(jù)電力電子系統(tǒng)具體情況進(jìn)行散熱路徑設(shè)計。

    除了熱管理，新能源汽車中電力電子控制邏輯也是需要嚴(yán)格設(shè)計的，在不同的驅(qū)動工況下對電氣傳動動力集成部件及系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

    4.電磁兼容

    電磁兼容性是指設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，而且不對該環(huán)境中其它任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾。新能源汽車中應(yīng)用了高壓和大電流的大功率電子變換裝置和驅(qū)動電機(jī)，而且車上的電子電氣設(shè)備繁多，設(shè)備的電磁敏感度也各不相同，整個車輛處于很復(fù)雜的電磁環(huán)境中。因此在新能源汽車中，各種電氣元件之間的電磁兼容性就成為一個重要的問題，如果不解決這些問題，電磁干擾就會破壞信號傳遞和檢測并影響電動機(jī)正常工作，甚至引發(fā)安全問題。

    為達(dá)到電磁兼容性的設(shè)計要求，要分析各種電磁干擾源，確定干擾路徑和耦合方式，然后根據(jù)具體情況采取有效的抑制干擾、消除干擾的措施。必須通過電磁學(xué)分析來仔細(xì)研究電氣元件之間的電磁干擾影響，在電氣傳動系統(tǒng)邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動機(jī)及其周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場，這些部件在工作時又是相互連通、耦合的，這對電磁兼容性分析、解決電磁干擾問題提出了更高的要求。

    5.其它挑戰(zhàn)

    NVH性能

    隨著收入水平的提高，消費(fèi)者越來越看重汽車NVH性能指標(biāo)（噪音Noise、振動Vibration、平穩(wěn)Harshness三項，即乘坐“舒適感”），而對于新能源汽車而言，由于其內(nèi)部布置、動力總成的結(jié)構(gòu)與振動特性與傳統(tǒng)汽車完全不同，不能通過已有經(jīng)驗和方法來研究其動力總成和底盤懸架的振動特性對NVH性能的影響。

    在噪音優(yōu)化方面，還需要分析電池組中電液流動噪聲、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和振動噪聲。

    汽車輕量化

    輕量化一直是汽車研發(fā)中重要的一點(diǎn)，可以提升汽車動力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對于新能源汽車更是如此，降低車重對于延長昂貴的蓄電池組使用壽命、提高能源轉(zhuǎn)換效率有著重大意義。然而受制于蓄電池的高質(zhì)量密度，新能源汽車的輕量化工作也具有一定難度。

    安全性

    安全性是汽車研發(fā)中不得不考慮的問題，新能源汽車的安全性同樣備受關(guān)注。但是在新能源汽車的安全性指標(biāo)上，除了要滿足常規(guī)的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)之外，還要考慮可能發(fā)生的電池燃燒、高壓漏電、電磁干擾帶來的安全隱患。

    傳統(tǒng)汽車使用的電池電壓只有幾十伏，而混合動力汽車或純電動汽車所用電池電壓少則100多伏，多則300多伏，一旦發(fā)生漏電對人體的傷害將是致命的。電磁干擾可能導(dǎo)致汽車操控系統(tǒng)失靈，電池燃燒也會導(dǎo)致爆炸，這些都給汽車安全分析提出了更高的要求。

三、CAE技術(shù)在新能源汽車研發(fā)中的應(yīng)用

    新能源汽車固然是未來汽車發(fā)展的趨勢，越來越多的汽車廠商也會投入更多到新能源汽車的研發(fā)制造當(dāng)中，越早推出產(chǎn)品越有利于占領(lǐng)市場。但與此同時原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商都面臨著研發(fā)難題，這對于先進(jìn)的公司是巨大的潛在利益，而對于落后的公司則是重大的挑戰(zhàn)，如果解決不好這些難題，將有缺陷、尚不完善的產(chǎn)品推向市場，則存在著巨大的商業(yè)風(fēng)險。在激烈的競爭環(huán)境中，要設(shè)計非常復(fù)雜可靠的下一代電氣傳動系統(tǒng)，使用緩慢和低效的、反復(fù)樣機(jī)試驗的研制方法已不能滿足快速設(shè)計的需求。

    為了能在最短周期內(nèi)研制出高質(zhì)量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車，工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)，來替代傳統(tǒng)的反復(fù)使用物理樣機(jī)驗證方法，幫助工程師在汽車物理樣機(jī)制造之前，就能夠有效地評估多個供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測車輛在實際駕駛情況下的性能，在前期就進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計，以避免在產(chǎn)品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問題。

    用于新能源汽車的CAE技術(shù)涵蓋了機(jī)械、流體動力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域，主要解決電氣傳動系統(tǒng)單個部件：電池組、牽引電動機(jī)、電力電子器件等的開發(fā)問題，以及子系統(tǒng)之間的集成和電磁干擾、復(fù)雜電氣傳動系統(tǒng)的設(shè)計和研究，此外還有新能源汽車NVH特性、輕量化、安全性等性能分析優(yōu)化。

    1.電池組仿真分析

    ●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(jī)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

    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)車對發(fā)動機(jī)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)。

    影響電池組在這些性能的一個最大因素就是溫度，化學(xué)電池只有在一定溫度范圍內(nèi)工作，才能保證其性能和壽命，而電池組在充、放電的時候會產(chǎn)生熱量，電池組周圍其他汽車部件工作時也會產(chǎn)生熱量，這時候需要建立電池組熱管理系統(tǒng)，來準(zhǔn)確測量和監(jiān)控電池組溫度，在電池組溫度過高時有效散熱和冷卻，保證電池組溫度場的均勻分布在最優(yōu)工作溫度范圍內(nèi)。

    在電池組熱管理系統(tǒng)中，合理的冷卻方式和散熱結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。對圓柱形電池單體通常采用風(fēng)冷策略，結(jié)合電池組外殼的形狀設(shè)計形成足夠的氣流以實現(xiàn)最佳的冷卻。對矩形電池單體，冷卻一般通過與電池單體相接觸的熱交換器中液體循環(huán)來實現(xiàn)。散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳統(tǒng)方法是試驗結(jié)合理論公式，來推導(dǎo)出最佳散熱結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)方法效率低，且局限于較簡單的電池組結(jié)構(gòu)。引入CAE技術(shù)之后，可以建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎(chǔ)上分析散熱效果并對不同方案進(jìn)行對比和優(yōu)化，取代了試驗方法，大大提高了設(shè)計效率。

    針對電池組的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及設(shè)計方案評估優(yōu)化，首先要根據(jù)電池電極反應(yīng)及生熱原理得到電池生熱量計算公式，由傳熱學(xué)的質(zhì)量、動量和能量守恒定律建立電池組三維非穩(wěn)態(tài)散熱模型。針對模型的熱源加載方式目前主要有兩種，將熱源加載到電池組內(nèi)部或直接加載到整個電池組區(qū)域。然后利用計算流體力學(xué)（CFD）工具，對電池組的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可以反應(yīng)電池組表面及周圍的溫度場分布信息。根據(jù)不同方案的溫度場分布信息找出最優(yōu)散熱系統(tǒng)，還可以繼續(xù)進(jìn)行電池組散熱系統(tǒng)最優(yōu)模型的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化。

電池組散熱系統(tǒng)模擬

    在研究過充、大電流充/放電、外部短路或其它電路問題對電池性能、穩(wěn)定性的影響時，優(yōu)秀的CAE軟件也能將涉及流體動力學(xué)和機(jī)械的三維物理模型無縫集成到控制電路中進(jìn)行聯(lián)合仿真。

    結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件可用于評估電池組結(jié)構(gòu)的完整性，分析電池組因不同的安裝位置影響其所受各種應(yīng)力，是否可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，以及如碰撞和異物穿透電池等事故造成的電池組結(jié)構(gòu)問題，以防止電液溢出以及可能造成的熱失控與電池爆炸。同樣還能分析研究電池組的振動、耐久性和疲勞壽命等。

    2.電動機(jī)仿真分析

    ●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(jī)噪聲

    ●系統(tǒng)集成：優(yōu)化電動機(jī)及控制器

    ●結(jié)構(gòu)耐久性分析

    在新能源汽車牽引電動機(jī)的研發(fā)中，設(shè)計者要重點(diǎn)考慮電動機(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)計指標(biāo)，在電子設(shè)計軟件中定義電動機(jī)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(jī)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(jī)的三維電磁場，計算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線。

電動機(jī)磁場仿真

    電動機(jī)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(jī)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。基于這些輸出結(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(jī)的性能與電動機(jī)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(jìn)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(jī)為主的驅(qū)動系統(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(jī)的熱管理問題，以確定電動機(jī)周圍的熱分布，優(yōu)化熱損耗問題。

    在進(jìn)行電動機(jī)仿真分析的時候，要同時兼顧電磁和機(jī)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(jī)電系統(tǒng)不同部件、不同學(xué)科之間的耦合仿真。

    3.電力電子器件仿真分析

    ●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(jī)械形變問題

    在對新能源汽車電力電子器件進(jìn)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(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。

電子器件散熱分析

    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(jī)的載流部件）的幾何尺寸，通過單獨(dú)添加系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)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(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。

    4.電磁兼容仿真分析

    ●在樣機(jī)制造之前進(jìn)行電磁兼容分析

    ●減少電磁兼容的測試

    ●電機(jī)、母排、控制器等部件的電磁兼容分析

    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(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(jìn)行電磁兼容分析。

    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(jìn)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(diǎn)上的電磁場強(qiáng)度以判斷是否符合國內(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(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試。

    5.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(jī)、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(dú)有的特征、屬性、強(qiáng)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(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(jī)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(jī)械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設(shè)計需求。

四、新能源汽車仿真分析主要解決方案

    由于與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理上有巨大區(qū)別，此處僅針對新能源汽車研發(fā)，列舉的仿真分析解決方案主要涉及電池組熱管理和電化學(xué)模擬、電動機(jī)和電子器件模擬、電磁場分析、電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

    1.ANSYS

    熱管理

    在解決電池?zé)峤M管理問題上，可以采用ANSYS的計算流體力學(xué)軟件FLUENT去檢查電化學(xué)，研發(fā)先進(jìn)的電池冷卻方案。其他熱管理應(yīng)用需要ANSYS的Icepak技術(shù)，該軟件可用于封裝、電路板及系統(tǒng)級CFD模擬，包括自然對流、強(qiáng)制對流和輻射傳熱。產(chǎn)品開發(fā)人員可以在模擬中并入封裝或電路基板的焦耳熱現(xiàn)象。并入焦耳熱有兩種方式：或者可以通過CFD求解器內(nèi)的近似計算，或者通過轉(zhuǎn)換配電數(shù)據(jù)，其中配電數(shù)據(jù)是通過功率和信號完整性的ANSYS工具SIwave模擬計算而得到的。

采用ANSYS Icepak的汽車電子熱管理

    結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)熱分析

    對于機(jī)械和熱模擬，ANSYS軟件提供了一個進(jìn)行結(jié)構(gòu)綜合分析的解決方案，包括ANSYS機(jī)械、機(jī)械可靠性分析和應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)程序包，該套件包含了一套完整的非線性及線性單元和一系列有限元性能和材料定義，ANSYS的疲勞軟件可用于模擬產(chǎn)品在預(yù)期循環(huán)加載條件下以及在產(chǎn)品預(yù)計的壽命范圍內(nèi)的性能。ANSYS軟件還提供了隱式和顯式求解器，使工程師能夠模擬機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，如通過顯式跌落模擬分析沖擊和振動。

    高頻電磁場分析

    對于高頻電磁的研究，ANSYS提供HFSS和Designer RF。工程師可以使用工具來進(jìn)行天線，全球定位系統(tǒng)，以及各種無線應(yīng)用的3-D電磁模擬和RF電路仿真。在信號、電源完整性（SI/PI）以及電磁干擾和兼容（EMI/EMC）分析的領(lǐng)域里，ANSYS提供了HFSS軟件、SIwave和DesignerSI技術(shù)，這些技術(shù)可以與電路和系統(tǒng)仿真相結(jié)合，在一個單獨(dú)設(shè)計平臺上做精密的電磁場領(lǐng)域分析。

    低頻和機(jī)電

    低頻和機(jī)電系統(tǒng)仿真工具應(yīng)用在電動汽車和混合動力電動汽車、電力電子、傳感器和執(zhí)行器等方面。為了解決固有的設(shè)計問題，ANSYS提供了低頻電磁場仿真工具M(jìn)axwell和機(jī)電系統(tǒng)仿真工具Simplorer。用戶可以把Simplorer和ANSYS 3-D電磁、機(jī)械和流體求解器結(jié)合起來去設(shè)計包括機(jī)電組件細(xì)部在內(nèi)的復(fù)雜汽車系統(tǒng)。

    更多：http://www.ansys.com/zh_cn/Industries/Electronics+&+Semiconductor

    2.LMS

    LMS Imagine.Lab機(jī)電系統(tǒng)解決方案能夠模擬機(jī)電元件，如平動作動器和電動馬達(dá)，從功能模擬到設(shè)計和驗證控制策略。此外，該解決方案可以從不同的層次分析電氣系統(tǒng)，如功耗估算、精確的瞬態(tài)響應(yīng)評估和熱效應(yīng)分析。LMS Imagine.Lab電系統(tǒng)解決方案能夠模擬復(fù)雜機(jī)電作動器的功能特性，機(jī)電和電液元件的設(shè)計者可以通過集成的平臺來模擬完整系統(tǒng)的響應(yīng)。并且，該解決方案可以考慮電、磁、機(jī)械、熱和流體現(xiàn)象的耦合。

    電氣系統(tǒng)解決方案

    LMS Imagine.Lab可以從不同的層次分析電氣系統(tǒng)，如功耗估算、精確的瞬態(tài)響應(yīng)評估和熱效應(yīng)分析�；�于LMS Imagine.Lab AMESim的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真方法，LMS Imagine.Lab電氣系統(tǒng)解決方案帶來了一整套綜合的電氣特性分析模型，可用于評估新的體系結(jié)構(gòu)，分析電力消耗以及對油耗的影響，設(shè)計和驗證控制策略。還提供了專門的車用電氣仿真庫用于汽車電氣網(wǎng)絡(luò)的快速設(shè)計，包含一套汽車常用的電氣元件模型：發(fā)電機(jī)、耗能元件以及面向應(yīng)用的參數(shù)化電池模型。通過該庫用戶可以快速的設(shè)計和確定包含汽車上完整的各種電氣消耗元件的電氣網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)（保險絲、儲能單元、發(fā)電機(jī)等）。

    LMS Imagine.Lab結(jié)果顯示電、磁和機(jī)械之間的耦合現(xiàn)象

機(jī)電元件解決方案

    LMS Imagine.Lab機(jī)電元件解決方案有助于仿真機(jī)電一體化系統(tǒng)，用于進(jìn)行元件選型、分析和機(jī)械結(jié)構(gòu)的相互作用以及控制策略的設(shè)計和驗證。多學(xué)科專業(yè)平臺的AMESim中包含含熱端口的電、磁方面的專用模型的一整套應(yīng)用庫，用于建立機(jī)電作動器，例如電磁鐵和力矩馬達(dá)等模型。LMS Imagine.Lab機(jī)電元件解決方案集成了兩種互補(bǔ)的方法：采用簡單單元例如：磁阻、氣隙（集中參數(shù)）等建立的磁通回路模型，或者采用FEM數(shù)表建模。通過考慮電/磁/機(jī)械之間的強(qiáng)耦合處理能力，可以確定元件的尺寸，并對動態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化。工程師可以設(shè)計多學(xué)科系統(tǒng)和子系統(tǒng)，并評估不同技術(shù)選擇的系統(tǒng)特性。該平臺快速的計算，可以進(jìn)行快速的分析和優(yōu)化。

    更多：http://www.lmschina.com/imagine/electromechanical

    3.CD-adapco

    電池模擬

    STAR-CCM+廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的CFD分析中，針對電動汽車電池模擬也開發(fā)出了專門的應(yīng)用模塊。電池模擬STAR-CCM+ 的電池建模技術(shù)將 STAR-CCM+ 的熱流模擬與電池設(shè)計工具Battery Design Studio（BDS）相結(jié)合，以進(jìn)行電池分析。BDS設(shè)計開發(fā)用于為單電池電化學(xué)系統(tǒng)和詳細(xì)幾何形狀的分析和設(shè)計提供模擬環(huán)境。為用戶提供三個電池性能模型，加強(qiáng)了與當(dāng)代電池設(shè)計相關(guān)的重大發(fā)展成果，如多種活性材料與粒徑。BDS通過其整合環(huán)境為其用戶提供更快的電池設(shè)計流程以及連接材料供應(yīng)商、電池設(shè)計方和電池用戶的標(biāo)準(zhǔn)平臺。STAR-CCM+電池模擬模塊(BSM)通過將BDS電化學(xué)求解器與STAR-CCM+流場&熱場求解器相結(jié)合，STAR-CCM+ BSM可以在多個長度標(biāo)尺上計算鋰離子電池的3D熱學(xué)性能、流體性能和電化學(xué)性能，從電池內(nèi)的有限體積/e-cell到整個電池組，包括熱導(dǎo)部件如高充電/放電率的金屬連接件。這一點(diǎn)可以通過緊密耦合的3D模擬來實現(xiàn)，該模擬將電化學(xué)和熱性能還原至電極和電池上。電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被考慮在內(nèi)，不需要獨(dú)立解決所有電池層，以保持計算量與適當(dāng)細(xì)節(jié)之間的平衡。

    電機(jī)模擬

    因為過多的熱載荷會制約電子設(shè)備最大性能的發(fā)揮，并大幅增加系統(tǒng)的能源足跡，所以組件和系統(tǒng)溫度控制仍然是電子系統(tǒng)設(shè)計所面臨的最重大的一項挑戰(zhàn)。STAR-CCM+與電機(jī)設(shè)計工具SPEED相結(jié)合，可作為創(chuàng)建電機(jī)虛擬樣機(jī)的一體化工具，具有綜合流體動力學(xué)和熱傳遞模擬技術(shù)的優(yōu)勢。SPEED基于電機(jī)深層次理論進(jìn)行高效計算，還能夠向STAR-CCM+提供幾何形狀和熱負(fù)載，從而對電氣設(shè)備進(jìn)行全面的流體與熱分析。STAR-CCM+擁有一個矢量磁位（Magnetic Vector Potential）求解器，能夠在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模式下工作，并與電磁問題的電勢求解器耦合。如果結(jié)合現(xiàn)有模型，即流體流動、熱傳遞和結(jié)構(gòu)力學(xué)，該項功能將可以實現(xiàn)在同一個模型中完成電機(jī)、熱和結(jié)構(gòu)分析，這可以讓分析工程師能夠以可視化形式呈現(xiàn)電機(jī)的全面性能。

感應(yīng)電機(jī)散熱模擬

    更多：http://www.cd-adapco.com/zh-hans/industries/%E7%94%B5%E6%9C%BA

    4.Mentor Graphics

    一維熱流體系統(tǒng)仿真設(shè)計平臺Flowmaster

    Flowmaster是一維流體系統(tǒng)仿真解算工具，與關(guān)注部件級流動與換熱特性的三維CFD軟件不同，F(xiàn)lowmaster關(guān)心的是系統(tǒng)尺度上所發(fā)生的事情，每個流體系統(tǒng)由許多的元件構(gòu)成，如泵、閥、管路、散熱器等等，F(xiàn)lowmaster可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如改變泵轉(zhuǎn)速、開/關(guān)閉閥門時等引起的系統(tǒng)各支路流量變化和各節(jié)點(diǎn)壓力的變化。Flowmaster可以對系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行精確的壓力、流量、溫度、流速分析。通過開展系統(tǒng)級分析，快速分析部件之間相互作用。

    同步CFD模擬軟件FloEFD

    FloEFD是一款完全嵌入在CAD環(huán)境中的三維CFD軟件，能與CREO、CATIA、NX、SolidWorks以及其他主流MCAD系統(tǒng)集成。此外還可自動識別流體計算域，在MCAD環(huán)境下完成分析工作，大大提高效率。

嵌入到CREO中的FloEFD

    結(jié)合1D Flowmaster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(xì)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(jìn)一步結(jié)合使用Flowmaster，系統(tǒng)工程師可以在有限的開發(fā)時間內(nèi)獲得最佳設(shè)計效率。

    更多：http://www.mentor.com/products/mechanical/products/floefd/

    5.MSC

    系統(tǒng)控制

    用于機(jī)械、電氣或控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)“建造與測試”方法和孤立的虛擬樣機(jī)工具忽視了各學(xué)科之間的重要相互作用，導(dǎo)致結(jié)果不完整或不準(zhǔn)確。MSC的多學(xué)科仿真解決方案能夠驗證、優(yōu)化完整的機(jī)電系統(tǒng)性能。EASY5 提供了使用簡單、交互操作的建模環(huán)境，用戶可從預(yù)定義的零部件庫進(jìn)行選擇來創(chuàng)建系統(tǒng)模型，這些零部件代表了復(fù)雜的實體元件。Adams 提供了三維機(jī)械系統(tǒng)多體動力學(xué)和運(yùn)動分析，能從大多數(shù)主流 CAD系統(tǒng)導(dǎo)入幾何體，也可以從無到有構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)的實體模型。Adams模型能與EASY5控制模型直接整合，或者通過協(xié)同仿真進(jìn)行全面的多學(xué)科分析。Adams中的控制插件能夠同時將復(fù)雜控制件與機(jī)械系統(tǒng)連到一起，這種同步方法便于在初期對復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)的非獨(dú)立相互作用進(jìn)行研究。Adams/Controls 與 EASY5 之間能通過來回傳遞狀態(tài)變量進(jìn)行通信，從而允許控制器以開環(huán)或閉環(huán)方式驅(qū)動Adams 模型。通過動態(tài)連接外部系統(tǒng)庫，Adams中的機(jī)電插件可將控制系統(tǒng)直接整合到機(jī)械模型中。不熟悉控制系統(tǒng)的人員也可以充分利用和重復(fù)使用控制模型�？刂葡到y(tǒng)參數(shù)可快速地調(diào)整以供評估，并將其納入到控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的實時優(yōu)化設(shè)計研究之中。

    汽車電子仿真

    汽車電子元件需要能夠承各種潛在的加載場景和環(huán)境條件，MSC軟件提供的CAE工具具有多物理功能，能夠仿真汽車電子的機(jī)械、熱及電磁行為。

電子散熱分析

    更多：http://www.mscsoftware.com/zh-hans/application/systems-controls

    6.Infolytica

    中低頻電磁場分析

    Infolytica的電磁場分析系列軟件包括具有2D/3D多自由度電磁場分析能力的MagNet，具有2D/3D瞬態(tài)電場分析能力的ElecNet，可與MagNet進(jìn)行電磁和熱的雙向耦合仿真的2D/3D熱場仿真分析軟件ThermNet，對電磁設(shè)備的電、磁和熱特性進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計工具OptiNet，能聯(lián)合多求解器的電磁和熱混合維數(shù)仿真工具M(jìn)ultiNet。

    Infolytica的2D/3D多運(yùn)動部件多自由度瞬態(tài)運(yùn)動求解器是支持六自由度的電磁求解器，可以求解磁懸浮電機(jī)、球形電機(jī)、多轉(zhuǎn)子電機(jī)等問題；2D/3D瞬態(tài)電場求解器可以求解HVDC極性反轉(zhuǎn)、交直流混合電壓等瞬態(tài)電場問題。Infolytica具有電磁和熱耦合仿真、混合維數(shù)電磁和熱耦合能力、全自動優(yōu)化設(shè)計、基于ActiveX的腳本編程、局部單元細(xì)化技術(shù)和求解過程中的單元自適應(yīng)剖分技術(shù)等功能。

    電機(jī)設(shè)計軟件MotorSolve

    MotorSolve自身結(jié)合了磁路法和有限元法的優(yōu)勢，還擁有磁熱雙向耦合功能，方便評估風(fēng)冷、對流、噴霧冷卻等不同的冷卻方法對電機(jī)性能的影響；擁有豐富的定轉(zhuǎn)子模板，方便工程師進(jìn)行高效設(shè)計；可導(dǎo)出*.rsm、*.vhdl格式，進(jìn)行聯(lián)合仿真。

電機(jī)電磁力計算

    更多：http://www.hikeytech.com/ProductDetail.aspx?id=43

五、結(jié)束語

    雖然新能源汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢，也得到了政府政策的大力支持，但是目前實際銷量與規(guī)劃銷量缺存在巨大差距。2012年新能源汽車銷量為12552輛，其中純電動汽車銷量為12411輛。即使以今后每年翻倍的速度增長，到2015年的銷量也不過是10萬輛左右，與國家規(guī)劃相差40萬輛左右，與各個地方規(guī)劃之和的差距就更大了。

    除了市場化程度低、運(yùn)營模式不清晰、公共配套設(shè)施不完善之外，涉及到產(chǎn)品本身的關(guān)鍵技術(shù)不成熟和質(zhì)量問題也是限制新能源汽車發(fā)展的重要原因。關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在電池組、電控系統(tǒng)、電氣傳動總成系統(tǒng)等方面，這些為新能源汽車開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。工程師需要借助CAE技術(shù)，來替代反復(fù)使用物理樣機(jī)試驗的方法，對電池組、電動機(jī)、電控器件、電磁兼容性等方面進(jìn)行多學(xué)科的仿真分析，不斷優(yōu)化，開發(fā)出安全可靠性好、性價比高的新能源汽車。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.oesoe.com/

本文標(biāo)題：CAE技術(shù)在新能源汽車研發(fā)中的應(yīng)用

本文網(wǎng)址：http://www.oesoe.com/html/support/11121513134.html