010-51280068
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新能源汽车
ANSYS fluent Maxwell simplorer
新能源汽车仿真设计 电池单体及电池包热管理 燃料电池仿真 电驱动系统
新能源汽车仿真设计

       新能源汽车是由几千个零部件组成的复杂产品,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。
       随着CAE仿真技术的日趋成熟,企业完全可以将这种先进的研发手段与传统的试验和设计经验相结合,形成互补,从而提升研发设计能力,有效指导新产品的研发设计,节省产品开发成本,缩短开发周期,从而大幅度提高企业的市场竞争力。

ANSYS仿真技术在新能源汽车设计中的主要应用领域包括:

  • 动力电池

  • 电驱动系统

  • 发动机及排气系统

  • 空调系统及乘员舱热舒适性

  • 发动机舱热管理

  • 外空气动力学及气动噪声

  • 底盘及悬挂系统

  • 刹车与轮轴

  • 动力传动系统

  • 安全型

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电池单体及电池包热管理

新能源动力电池是新能源汽车的三大核心技术之一,被誉为新能源汽车的心脏。按照电池的工作性质和贮存方式,可以划分为两大类:蓄电池和燃料电池。

蓄电池,又称为二次电池,即可充电电池,如铅酸蓄电池、镍基电池、锂电池、空气电池等;燃料电池,即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池,如氢氧燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

ANSYS CFD数值模拟方法可以在电池单体设计、电池包热设计等领域中发挥重要的作用。

电池单体及电池包热管理 

新能源汽车电池是新能源汽车的三大核心技术之一,被誉为新能源汽车的心脏。按照电池的工作性质和贮存方式,可以划分为两大类:蓄电池和燃料电池。

蓄电池,又称为二次电池,即可充电电池,如铅酸蓄电池、镍基电池、锂电池、空气电池等;燃料电池,即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池,如氢氧燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。 

锂离子电池仿真

ANSYS Fluent的电池模块可以自动探测电池连接模式(串/并联),流动、热和电化学完全耦合在一起进行计算,具有非常好的计算精度和稳健性。该模块内置三个电化学模型,既有基于经验的模型又有基于物理的模型,而且支持用户使用UDF自定义电化学模型。



ANSYS Fluent的电池模块

ANSYS公司在美国能源部的计算机辅助工程用于电动车电池设计(CAEBAT)项目中,联合通用汽车、国家可再生能源实验室、ESim,共同开发、测试、验证、完善了该电池模块。
对于具有复杂串、并联结构的电池模组,可以仿真在复杂充放电循环工况下的瞬态放热特性。



具有复杂串、并联结构的电池模组



电芯的结构



电芯表面温度分布



通用汽车圆柱型锂离子电池包结构



电池包内的流线及电芯表面的温度分布


 

燃料电池仿真

ANSYS Fluent的燃料电池模块能模拟质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池以及电解过程,该模块自带UDF来模拟电池内的电化学反应、电荷运输、气体扩散、水的运输、能量传递等,用户也可以根据自己的需要,通过UDF来修改其中的模型。



ANSYS Fluent的燃料电池模块

某用户使用ANSYS Fluent的燃料电池模块,仿真了一个质子交换膜燃料电池,对PEMFC内的温度、压力、浓度进行考察。



左:模型网格;   右:氢气的质量分数分布



左:气体的速度分布;    右:气体的温度分布


 

福特汽车和德尔福联合进行电池包热管理的分析

福特汽车和德尔福合作进行了电池包的热管理仿真,优化了电池包内的气流通道,提升了电池单体的温度均匀性。



左:电池包的正视图     右:截面速度云图



电池包内的气流组织及温度分布云图




电池包抗冲击及可靠性

电池包是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源,也是电动车辆整车成本的主要组成部分,其寿命直接影响电动车辆的使用。作为电动汽车能量供给的关键设备,电池包的结构设计应尽可能高效和轻便,并在保证存放空间合理布局的基础上,满足多变运行环境和行驶工况下的机械承受、工作安全性、可靠性及使用寿命要求。
CAE分析中,针对电池组常见的分析类型有:自重分析(评估电池包在自重载荷下,自身及连接结构的可靠性)、模态分析(确定电池包结构的固有频率,可以在设计时避开这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励,从而消除过度振动和噪声)、随机振动分析(评估电池包在复杂路况载荷下的有效性)、冲击及跌落分析(评估结构受冲击载荷下的动力性能)等。



ANSYS 模拟结果:电池包自重分析结构应力分布(参照标准 SAE J2380)



电池包振动方向 预应力一阶频率,ANSYS分析结果:z方向变形及1sigma应力分布(参照标准 SAE J2380)



电池包跌落测试(参照标准 SAE J2464)

 

燃料电池仿真

燃料电池仿真

燃料电池工作原理

       PEMFC的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池,阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应

H2 → 2H+ + 2e-

        该电极反应产生的电子经外电路到达阴极, H+则经电解质膜到达阴极。O2在阴极与H+及电子发生反应生成水

1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

生成的水不稀释电解质,而是通过电极随反应尾气排出。

22.png

工作原理示意图

 

ANSYS Fluent模拟

ANSYS Fluent的燃料电池模块能模拟质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池以及电解过程,该模块自带UDF来模拟电池内的电化学反应、电荷运输、气体扩散、水的运输、能量传递等,用户也可以根据自己的需要,通过UDF来修改其中的模型。

 


ANSYS Fluent的燃料电池模块

某用户使用ANSYS Fluent的燃料电池模块,仿真了一个质子交换膜燃料电池,对PEMFC内的温度、压力、浓度进行考察。

 


左:模型网格;   右:氢气的质量分数分布

 


左:气体的速度分布;    右:气体的温度分布

 

电驱动系统

 

根据电驱动系统数字化、集成化、智能化、高效节能化的发展趋势、研发需求和技术挑战,ANSYS集成化电机设计解决方案,不仅可以解决电机本体的电磁、结构、热、多物理场耦合设计问题,还可以解决电机、驱动电路、控制算法和代码开发、电驱动系统集成化设计、EMI/EMC分析等问题,实现虚拟的V模型设计和验证流程,以及虚拟样机制造和测试。通过便捷、自动生成电机控制代码,实现数字化;通过全面预测并优化电机及驱动/控制系统的电磁、热、结构、振动、噪声等多物理场耦合特性和EMI/EMC特性,实现集成化、高效节能化;通过有效预研电机与测控外设/系统的集成状态,实现智能化。



电驱动系统集成化设计


控制代码自动生成

针对国内外企业对电机控制系统的技术需求,ANSYS解决方案以SCADE Suite为电机控制系统设计平台,充分利用基于模型的图形化设计理念,完成模型级开发,模型级验证,自动代码生成,实现了开发流程的标准化与自动化,高效解决高安全性电机控制系统设计所面临的系统设计与安全问题。 

SCADE Suite提供如下图所示的控制软件开发环境,为高安全性嵌入式应用软件开发提供完整的解决方案。该解决方案对DO-178B、IEC61508、EN50128、IEC60880等高安全性应用领域的相关标准提供全面的支持,适用于各种不同的软件生命周期,适用于开发符合高安全性标准的软件,在相关领域中得到了广泛的应用,并且有大量的成功案例。


 


SCADE Suite 设计过程

SCADE Suite 代码生成器(KCG)

SCADE Suite KCG可以自动生成基于ISO C的嵌入式产品代码,并且它生成的代码满足一系列的安全性特征,有良好的可读性和标准的接口,具有和手写代码相当的大小和效率。



SCADE Suite模型核SCADE Suite KCG生成的C代码

相比其他代码生成器,它具有三个显著的特点:

1. SCADE Suite KCG所生成的代码是完全面向工程的产品代码,可以直接嵌入到产品中去而不需要做任何修改。 

2. SCADE Suite模型基于严格的数学理论,在环境一致的情况下它能够保证仿真的结果和最终平台上执行的结果完全一致。  

3. 它通过了军工及航空业的DO-178C标准TQL-1级认证、重工业及能源行业的IEC 61508标准SIL 3级认证、轨道交通行业的EN 50128标准SIL3/4级认证,汽车电子行业的ISO 26262标准认证等等。由于SCADE Suite KCG通过了一系列行业标准最高级别的鉴定,它不但使开发人员省去了繁琐的编码过程,还省略了一系列的验证活动。

EMI/EMC

电驱动系统电磁兼容设计所面临的技术难题包括:部件级电磁辐射(例如:电机、变压器、电感、IGBT等对外电磁辐射;PCB板级信号串扰和电磁辐射);设备级电磁干扰(例如:线缆、电机等各种电磁设备间的相互耦合);系统级电磁干扰(例如:电磁设备布局、屏蔽措施设计等电磁辐射问题;线缆、IGBT、母排、PCB关键路径走线等寄生参数引发的传导干扰问题等)。ANSYS解决方案相关产品既可以单独使用, 解决具体部件电磁兼容设计问题,又可以无缝集成为EMI/EMC仿真分析平台,便捷、高效解决部件级、设备级和系统级的电磁干扰和电磁兼容设计问题,并可与ANSYS的结构和流体分析工具(Mechanical和Fluent/Icepak)无缝集成,共享和交互仿真数据,构建多物理域电驱动系统电磁兼容集成化虚拟设计和仿真验证环境。

 


ANSYS 电磁干扰/电磁兼容设计流程

传导干扰分析:Simplorer可无缝集成Q3D提取的线缆、母排、IGBT、PCB关键路径等寄生参数模型,仿真电驱动系统的传导特性,以及添加滤波器件,改变线缆参数等措施的改进效果。Simplorer系统仿真的电流、功率等信号,可作为干扰源导入HFSS,分析其对系统的辐射干扰。

PCB板级串扰和辐射分析:电驱动系统PCB控制板中的高速数字信号在传输过程中会产生串扰和电磁辐射,对周边的连接器或线缆可能会产生影响,通过对PCB的电磁场仿真,能够得到整版的辐射特性,并可据此对PCB进行布局优化。

设备布局优化和机箱屏蔽效果分析:金属的机箱机柜通常能够实现良好的屏蔽性能,但是机箱上的散热孔、连接器接头缝隙均可能造成电磁泄露,HFSS可对机箱机柜的屏蔽效能进行仿真,并对机箱通风孔的布局进行优化设计。电驱动系统中IGBT、电磁部件、PCB等辐射仿真结果可作为干扰源,通过HFSS场源链接,分析其对整机系统的辐射影响,实现布局优化。

IGBT应用及封装设计

针对国内外企业IGBT应用及封装设计的技术需求,ANSYS电机设计解决方案以Workbench为电磁、热、结构、流体多物理场耦合设计平台,以Simplorer为器件特征化建模、开关特性测试、变流电路设计及传导干扰分析平台,通过单/双向的多物理场耦合技术和鲁棒性设计,以器件与系统的降价模型和协同仿真接口,来高效解决IGBT应用与封装设计所面临的多物理场耦合设计和高精度器件与电路、系统设计问题。



ANSYS IGBT应用及封装设计流程

特征化建模和开关特性测试:IGBT应用及封装设计用户都会面临一个问题,即如何在设计阶段精确考虑IGBT开关特性对电机驱动电路及系统性能的影响。Simplorer可根据供货商提供的datasheet实现特征化IGBT精确建模(包含各种特征参数和特性曲线),并可一键生成IGBT的半桥测试电路和系统仿真模型,高效解决IGBT高精度建模和开关特性测试问题。

寄生参数提取及传导特性分析:IGBT封装设计和部分电驱动系统设计用户都关注传导路径的寄生参数对IGBT开关特性和系统性能的影响,这就需要提取IGBT封装的寄生参数并集成到系统设计中。Q3D可直接通过电磁场求解输出其原始或降价RLCG矩阵,通过动态链接集成到驱动电路或系统设计中,精确分析寄生参数对IGBT开关特性和传导特性的影响。

均流特性分析和电流路径优化:IGBT封装设计和部分电驱动系统设计用户还关注IGBT的均流特性。Maxwell可通过静态或瞬态电磁场分析,精确评估IGBT在各种正常或故障工况电流激励下的电磁性能,有助于均流设计、传导路径优化,热设计、结构设计等。

电磁、热、结构耦合特性分析:IGBT封装和部分电驱动系统设计用户还需要考虑多物理场耦合设计问题,因为IGBT传递大电流时可能会产生不均匀分布的电磁损耗和电磁力,导致局部过热或应力形变过大而导致IGBT失效或损坏。Maxwell和Mechanical、Icepak可轻松解决单/双向的电磁与热、电磁与结构、热与结构、电磁与流体等多物理场耦合分析问题。

热模型提取及热特性分析:部分IGBT封装和电驱动系统设计用户需要考虑IGBT模块散热系统设计及其热特性对系统性能的影响。Icepak可便捷地实现IGBT模块散热系统建模,考虑功率损耗、风扇、散热片等作用下系统的热性能,并可直接提取其热模型,用于电驱动电路或系统设计。

辐射干扰分析:部分IGBT封装和电驱动系统设计用户需要考虑IGBT电磁辐射影响。Simplorer可直接输出IGBT电磁功率瞬态曲线和FFT频谱,结合HFSS可分析关注频率下IGBT信号所导致的空间电磁辐射干扰,将其作为干扰源再导入HFSS, 即可仿真IGBT电磁辐射对整机性能的影响。

集成化系统设计

Simplorer作为电驱动系统设计平台,不仅具有IGBT特征化建模、驱动电路、控制算法建模和仿真的功能,还能够和ANSYS电磁、结构、流体产品以及第三方产品实现降价模型接口和协同仿真接口,可以便捷地集成精确的电机电磁模型,IGBT模块热模型;电池电化学、传感器、继电器、电感、变压器等效电路模型等,SCADE嵌入式代码,线缆、母排、IGBT寄生参数模型,Simulink协同仿真代码等,实现高精度电驱动系统设计和传导干扰分析。



ANSYS IGBT应用及封装设计流程

高精度电机模型集成:Simplorer不仅可以无缝集成源自RMxprt磁路法设计的等效电路模型,还可以无缝集成源自Maxwell电磁场有限元分析的等效电路模型,甚至可以通过高层次场路耦合、瞬态协同仿真技术实现高精度电机瞬态有限元分析模型无缝集成。

高精度IGBT模型与驱动电路集成:Simplorer不仅可以根据IGBT Datasheet实现特征化建模,还可以实现各种整流和逆变电路设计、驱动和负载系统工况模拟分析,实现高精度IGBT和驱动系统集成。

高精度IGBT热模型集成:Simplorer可以无缝集成Icepak提取的IGBT模块热模型,仿真分析IGBT在各种工况下的损耗和特定散热系统下的温升,以及温升对IGBT及电驱动系统性能的影响。

高精度电磁部件模型集成:Simplorer可以无缝集成源自PExprt和Maxwell的电感、变压器、继电器、传感器、作动器等等效电路模型,仿真分析电磁部件真实的电磁特性对电驱动系统性能的影响。

高安全性嵌入式控制代码集成:Simplorer可以无缝集成源自SCADE SUITE的嵌入式控制代码,仿真分析电机、控制算法、驱动电路的相互影响和具有高安全性的、一键自动生成的控制代码对电驱动系统设计的影响。

IGBT、电缆、母排寄生参数模型集成:Simplorer可以无缝集成源自Q3D的IGBT、电缆、母排的寄生参数,仿真分析RLCG寄生参数对电驱动系统传导特性的影响。

 

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