電動汽車設計中的CAE仿真技術應用

2019-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

電動汽車是由幾千個零部件組成的復雜產品,在設計和研發(fā)過程中涉及到流體、結構、溫度、電磁和控制等多個領域的復雜多物理場問題。

隨著CAE仿真技術的日趨成熟,企業(yè)完全可以將這種先進的研發(fā)手段與傳統(tǒng)的試驗和設計經驗相結合,形成互補,從而提升研發(fā)設計能力,有效指導新產品的研發(fā)設計,節(jié)省產品開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。

多物理場仿真技術在電動汽車設計中有著廣泛應用,主要領域包括:

1.新能源動力電池

2.電機及電驅動系統(tǒng)設計分析

3.電子系統(tǒng)SI/PI/EMC分析

4.空氣動力學分析

5.空調及熱管理

6.傳動系統(tǒng)

7.制動系統(tǒng)

8.汽車車燈

9.其它零部件及子系統(tǒng)

安世亞太新能源汽車解決方案

1.新能源動力電池

新能源動力電池是新能源汽車的三大核心技術之一。CFD數(shù)值模擬方法可以在電芯的電化學過程模擬、電池單體的發(fā)熱特性模擬、電池組及電池包的熱設計、PEMFC和SOFC燃料電池的研發(fā)等領域中發(fā)揮重要的作用。

電芯放電過程中瞬態(tài)電極鋰離子濃度分布

串聯(lián)電芯在固定倍率放電時的瞬態(tài)溫度結果

電池包散熱分析結果:電池單體表面的對流換熱系數(shù)分布

PEMFC燃料電池的仿真分析結果:表面溫度及H2濃度分布云圖

作為電動汽車能量供給的關鍵設備,電池包的結構設計應盡可能高效和輕便,并在保證存放空間合理布局的基礎上,滿足多變運行環(huán)境和行駛工況下的機械承受、工作安全性、可靠性及使用壽命要求。利用ANSYS Mechanical及LS DYNA可以對電池包的安全性和耐久性做充分驗證。

電池包振動分析

2.電機及電驅動系統(tǒng)設計分析

電機設計是一個復雜的多物理場問題,它涉及到電磁、結構、流體、溫度和控制等多個領域。ANSYS提供集成化設計解決方案和流程,主要包括:電機快速設計和方案優(yōu)選;電機電磁場有限元精確優(yōu)化設計;電驅動系統(tǒng)集成化設計;電機電磁、熱耦合分析;電機電磁、控制、振動、噪聲耦合分析。

ANSYS無縫集成的電機設計多物理場解決方案

電機的電磁、流體、熱耦合分析

基于Maxwell的電機齒槽轉矩、氣隙磁密、磁鋼大小多目標組合優(yōu)化

Toolkit可一鍵輸出的效率Map圖

電機電磁-振動-噪音分析

3.電子系統(tǒng)SI/PI/EMC分析

ANSYS電機設計解決方案可解決電驅動系統(tǒng)電磁兼容設計問題,包括:部件級、設備級和系統(tǒng)級的電磁干擾和電磁兼容設計問題。

ANSYS解決方案可以仿真分析能夠得到線纜間的串擾、線纜的輻射干擾等特性,并能夠得到任意位置的干擾電流和電壓,依此對系統(tǒng)內線纜布局方案進行優(yōu)化。

基于HFSS的線纜輻射干擾分析:不同繞制方式機箱周圍的三維電場分布圖

車門內的電纜輻射發(fā)射分析

基于HFSS場鏈接的IGBT輻射干擾源對整車系統(tǒng)的電磁干擾分析

ANSYS HFSS可解決電動汽車設計中常見的天線布局分析、天線裝配性能分析、靜電放電及雷擊浪涌問題、以及從部件到整車級的電磁兼容仿真分析。

天線裝配性能仿真

整車電磁兼容仿真

4.空氣動力學分析

氣動性能分析是從空氣動力學角度分析汽車動力性、經濟性和操作穩(wěn)定性,這是CFD數(shù)值模擬方法在汽車設計中最成熟的應用方向。

CFD數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)的風洞試驗相比,不再局限于測量有限個點處的空氣流動屬性,而是直接獲得整車附近完整空間的流動屬性,從而可以讓設計者獲知一些復雜的空氣流動現(xiàn)象,為氣動減阻、降噪等問題提供幫助。

車身附近的流線圖

車身表面的壓力分布云圖及車身附近的湍流動能等值面圖

后視鏡原始設計和改進設計的氣動噪聲結果

5.空調及熱管理

空調系統(tǒng)是汽車不可缺少的部分,好的空調系統(tǒng)不僅噪音低,制冷/制熱效果好,而且燃油消耗低,除霜除霧效果好。通過對空調系統(tǒng)進行CFD數(shù)值模擬分析,可以為優(yōu)化風道設計、改進除霜除霧性能以及提升乘員艙熱舒適性提供依據。

除霜分析:不同時刻的霜層厚度分布云圖

除霧分析:某時刻的霧層厚度分布云圖

乘員艙舒適性分析:艙內的流線圖

純電動汽車制冷循環(huán)熱管理-Flownex一維仿真系統(tǒng)及三維耦合

6.傳動系統(tǒng)

汽車動力傳動系統(tǒng)起著功率傳遞的功能,基本部件均屬高強度部件,其包含的零部件主要有:變速箱、離合器、萬向節(jié)、主減速器、差速器、半軸、液力耦合器與液力變矩器等。安世亞太的ANSYS以及MBD for ANSYS為解決齒輪的輪滑、傳動、強度、疲勞等評估提供了良好的工具。

差速器的潤滑仿真:實驗和仿真結果對比

差速器和潤滑油之間、潤滑油和箱體之間的換熱系數(shù)結果

基于MBD for ANSYS的齒輪傳動分析

7.制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)由操控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和助力系統(tǒng)組成,它是汽車上最主要的安全裝置之一。其整體性能對汽車的操作穩(wěn)定性及人員的安全性都有著直接的影響。制動系統(tǒng)的設計研發(fā)主要集中在制動器、調整臂、真空助力器、閥類控制及保護等部件,在CAE分析中通常需要關注這些結構的強度和變形分析、振動和噪聲分析、疲勞壽命分析、溫度場分析、熱應力分析等。