ANSYS 是全球唯一能提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多物理場(chǎng)分析于一體的完整仿真軟件供應(yīng)商。ANSYS 無(wú)縫集成于Workbench? 平臺(tái)的設(shè)計(jì)工具被廣泛地應(yīng)用于混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)中，包括：

　　●Simplore——多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件，應(yīng)用于集電氣、熱、機(jī)械、機(jī)電、電磁及液壓等于一體的高性能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模、分析和優(yōu)化。

　　●Q3D Extractor——計(jì)算電磁場(chǎng)求解軟件，在工程師設(shè)計(jì)印刷電路板、電子封裝及電力電子設(shè)備時(shí)，用于計(jì)算載流結(jié)構(gòu)的頻變電阻、電感、電容和電導(dǎo)參數(shù)。

　　●HFSS——三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件，可提供電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流、散射參數(shù)、遠(yuǎn)/ 近輻射場(chǎng)結(jié)果。根據(jù)特定的幾何形狀、材料特性、輸出類型，該工具會(huì)自動(dòng)生成合適的、高效的、準(zhǔn)確的網(wǎng)格，利用有限元法求解問(wèn)題。

　　●Maxwell——低頻電磁場(chǎng)仿真工具，利用有限元方法計(jì)算靜態(tài)、頻域、時(shí)變電磁場(chǎng)和電場(chǎng)，可用于設(shè)計(jì)和分析機(jī)電和電磁設(shè)備，例如：電動(dòng)機(jī)、作動(dòng)器、變壓器、傳感器和線圈等。

　　●RMxprt——旋轉(zhuǎn)電機(jī)(電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī))開始設(shè)計(jì)和方案優(yōu)選軟件。用戶可以利用各種電機(jī)的模板輕松地建立模型，指定材料，計(jì)算電機(jī)性能，確定初始結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)方案，并可在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)百次參數(shù)化、優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析。

　　●NSYS Icepak——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，可用于電子系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)元件、電路板或系統(tǒng)級(jí)的熱流量和熱傳遞，以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱流及傳熱計(jì)算(傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射)。

　　●Slwave——用于整個(gè)PCB 板和集成電路封裝的信號(hào)完整性和電源完整性分析，頻率范圍覆蓋直流到超過(guò)10Gb/s，可直接從電路CAD 設(shè)計(jì)版圖中抽取信號(hào)完整性和電源完整性網(wǎng)絡(luò)的頻變電路模型。

　　●ANSYS Mechanical——一款全面的機(jī)械分析軟件，包括結(jié)構(gòu)的線性、非線性及動(dòng)態(tài)分析(應(yīng)力、撓曲和振動(dòng))，可提供完整的一套單元行為、材料模型、公式求解器用于機(jī)械工程問(wèn)題分析、熱分析與聲學(xué)、壓電、熱- 結(jié)構(gòu)、熱- 電等耦合物理問(wèn)題分析。

　　●ANSYS CFD——流體力學(xué)計(jì)算軟件包，具有通用及專用的流體建模及流動(dòng)分析能力，其建模功能包括對(duì)流體流動(dòng)、紊流、熱傳遞、層流- 紊流、不可壓縮- 完全可壓縮問(wèn)題的建模，以及對(duì)固定或旋轉(zhuǎn)裝置等溫問(wèn)題的分析。

　　●ANSYS Multiphysic——多物理場(chǎng)仿真模塊，可以進(jìn)行復(fù)雜的多物理耦合分析，應(yīng)用廣泛的ANSYS 多物理場(chǎng)求解器可在開發(fā)的、自適應(yīng)的Ansys Workbench 框架下對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱傳遞、流體、電磁問(wèn)題進(jìn)行分析。

　　隨著空氣污染及石油短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，利用混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)汽油車和柴油車已成為擺在人們面前的問(wèn)題。世界各國(guó)政府都在推動(dòng)混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的研究。美國(guó)政府已宣布財(cái)政支出24 億美元用于資助電池組、電機(jī)及其它零部件的全新設(shè)計(jì)，并制訂了在2015 年前路上有100 萬(wàn)輛混合動(dòng)力車的目標(biāo)。美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，到2030 年，新能源汽車將占整個(gè)輕型汽車和卡車市場(chǎng)28% 的份額，這將比2005 年增加20%。

　　為滿足對(duì)混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車不斷增長(zhǎng)的需求，研發(fā)性能更好、價(jià)格更經(jīng)濟(jì)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。研發(fā)新的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有巨大的商業(yè)回報(bào)潛力，但與此同時(shí)，將有缺陷的、不適合市場(chǎng)的、尚不完善的產(chǎn)品推向市場(chǎng)也存在著商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

　　顯然，汽車技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命。領(lǐng)導(dǎo)這一革命的重任已落在汽車工程師的肩上，他們必須重新思考如何進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。無(wú)論是整車生產(chǎn)企業(yè)的工程師還是零部件生產(chǎn)企業(yè)的工程師都面臨著一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即如何在一個(gè)非常有限的時(shí)間內(nèi)，研發(fā)出新一代的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

　　為了滿足上述需求，具有混合動(dòng)力車/電動(dòng)汽車創(chuàng)新能力的主要汽車公司集中全力于仿真驅(qū)動(dòng)式的研發(fā)，而不是過(guò)時(shí)的反復(fù)樣機(jī)試驗(yàn)法。事實(shí)上，在下一代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，能否有效實(shí)施先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)有可能將優(yōu)勝者與不精于此道的競(jìng)爭(zhēng)者區(qū)別開來(lái)。

　　有許多軟件解決方案可用于動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)中的各種性能分析，包括機(jī)械分析、電氣分析、電磁分析、電化學(xué)分析、流體分析、熱管理應(yīng)用方面的分析等。通常，這些獨(dú)立的分析軟件不能完全兼容，因而妨礙工程師全面、有效地實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文對(duì)一款業(yè)界領(lǐng)先的、可在統(tǒng)一集成環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多學(xué)科全面分析的一流軟件的價(jià)值做了論述。

　　混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的主要挑戰(zhàn)

　　當(dāng)前，汽車工程師通常面臨必須從頭開始設(shè)計(jì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵部件包括：動(dòng)力電池組、牽引電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)、功率電子器件。混合動(dòng)力汽車部件的設(shè)計(jì)涉及到復(fù)雜的物理問(wèn)題和極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)集成問(wèn)題，其單個(gè)部件開發(fā)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)以及系統(tǒng)集成時(shí)電磁部件之間的電磁兼容/ 電磁干擾問(wèn)題將在下文進(jìn)行探討。

　　●電池組

　　電池組為車輛提供主動(dòng)力，同時(shí)也為眾多的電動(dòng)輔助系統(tǒng)提供能量。因此，電池組必須符合與燃油汽車相同的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和期望值，甚至超過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)和期望值。此外，車用電池組還必須提供比常規(guī)電池高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的能量。

　　混合動(dòng)力車電池組的冷卻液流動(dòng)路徑及各個(gè)電池單體的溫度分布

　　在設(shè)計(jì)更大容量和更大輸出功率電池組的時(shí)候，工程師必須考慮熱、結(jié)構(gòu)、電磁因素對(duì)電池組及電池單體的影響。例如，當(dāng)充、放電時(shí)電池組產(chǎn)生熱，電池模塊中所有電池單體之間的溫差必須嚴(yán)格控制在幾度之內(nèi)，否則，電池組內(nèi)部單體之間就會(huì)形成有害的電流回路而縮短電池的壽命。要解決電池組發(fā)熱問(wèn)題，就需要一個(gè)風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，但有時(shí)候卻會(huì)導(dǎo)致乘客車倉(cāng)周圍噪聲增加，從而增加了一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的駕駛員都期望有一個(gè)超靜音的駕駛體驗(yàn)，冷卻系統(tǒng)的噪聲與之不諧調(diào)。

　　工程師在對(duì)電池組進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析時(shí)，還必須考慮到一系列駕駛條件下電池的安裝位置和各種應(yīng)力，以及電池必須能夠安全承受多種工況變化對(duì)其性能的影響，例如：外加熱、過(guò)充、過(guò)放、針刺、重壓及外部短路。此外，電池設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮在碰撞情況下電池的安全性，必須保護(hù)乘客在車輛碰撞中免受電池釋放出的有毒酸液的危險(xiǎn)。

　　●電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)

　　多年來(lái)，由于內(nèi)燃機(jī)的廣泛應(yīng)用，汽車制造商在電機(jī)(牽引電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī))設(shè)計(jì)上投入的時(shí)間和資金相對(duì)較少。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被完善到了隨心所欲的程度：完全滿足消費(fèi)者的需求，排放法規(guī)也不再那么嚴(yán)峻地不可達(dá)到，石油價(jià)格也不成問(wèn)題。但現(xiàn)在一切都已發(fā)生改變，在新式發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大收益和市場(chǎng)壓力的驅(qū)使下，很多公司開始進(jìn)行高效率和高效益的電氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。人才和資金不斷的流向這個(gè)行業(yè)，電動(dòng)機(jī)和電池一樣，其設(shè)計(jì)也面臨著一系列挑戰(zhàn)。

　　混合動(dòng)力車電池組的冷卻液流動(dòng)路徑及各個(gè)電池單體的溫度分布

　　電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)在汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必不可少，同時(shí)也可以通過(guò)再生制動(dòng)給蓄電池充電。與其它電動(dòng)機(jī)不同，混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車用牽引電動(dòng)機(jī)必須可靠地工作在非常嚴(yán)苛的環(huán)境中。電動(dòng)機(jī)必須持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動(dòng)、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下;在混合動(dòng)力汽車中，電動(dòng)機(jī)也受發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。上述所有的因素在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候都必須考慮。對(duì)汽車消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，可靠性是汽車的關(guān)鍵賣點(diǎn)，而且差的發(fā)動(dòng)機(jī)性能既增加了維修成本，又降低了汽車的品牌價(jià)值。

　　Courtesy Kato 工程公司共軸電機(jī)—發(fā)電機(jī)有限元網(wǎng)格剖分圖

　　消費(fèi)者都期望混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車具有高的燃油效率。汽車的高燃油效率、低排放、安全性和動(dòng)力性等方面影響著消費(fèi)者的購(gòu)買決策，因此直接影響汽車市場(chǎng)的成功與否。由于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)決定了將多少蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輛，設(shè)計(jì)高燃油效率的電動(dòng)機(jī)就成為當(dāng)今混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工程師面臨的最重要挑戰(zhàn)之一。

　　●電力電子

　　電力電子相當(dāng)于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的心臟與大腦，它們必須精確地控制蓄電池與電動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。為了在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，供給牽引電動(dòng)機(jī)的電能需要根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的位置、速度、溫度等反饋信號(hào)，通過(guò)高頻開關(guān)器件(如絕緣柵雙極型晶體管，IGBT)嚴(yán)格控制。

　　熱管理是混合動(dòng)力汽車電力電子設(shè)計(jì)所關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動(dòng)充入電池的所有能量都需要通過(guò)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。各種工作環(huán)境下(如炎熱的沙漠或者冬天零度以下)的熱量都需要嚴(yán)格管理并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。因此，需要對(duì)電力電子中的電氣損耗做精確計(jì)算，為了確保有效的冷卻，還要確定和設(shè)計(jì)散熱通路。

　　●電磁干擾/ 電磁兼容

　　電力電子開發(fā)中的主要挑戰(zhàn)之一是電磁干擾及電磁兼容。由于供給電動(dòng)機(jī)的能量通過(guò)高頻開關(guān)功率器件的控制進(jìn)行傳遞，因此各種電氣元件之間的電磁干擾就成為一個(gè)重要的問(wèn)題。如果不考慮這些問(wèn)題，電磁干擾就會(huì)破壞信號(hào)傳遞和檢測(cè)并影響電動(dòng)機(jī)正常工作。因此，電磁干擾的影響必須仔細(xì)研究并在邏輯控制中有所考慮，這就需要全面地研究電動(dòng)機(jī)、母線及周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場(chǎng)，且這些部件工作時(shí)是相互連通、相互耦合的。

　　電機(jī)控制器電子電路圖

　　IGBT 的電磁干擾/ 電磁兼容分析

　　仿真技術(shù)的應(yīng)用

　　即使在沒(méi)有樣機(jī)的條件下，工程師也可以使用多物理仿真軟件研究不同載荷條件下產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能。不僅實(shí)體和真實(shí)載荷情況可以通過(guò)準(zhǔn)確的仿真而建模，而且流體、機(jī)械、熱物理、電化學(xué)、電磁力的影響及其相互之間的作用也可以模擬，并且可以通過(guò)仿真模型來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)。這樣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以更快，并且可以在設(shè)計(jì)的前期進(jìn)行性能優(yōu)化，以避免在產(chǎn)品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問(wèn)題。

　　用于混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的仿真工具涵蓋范圍寬，包括機(jī)械、流體動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域。這些工具既可以用于解決動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)單個(gè)部件開發(fā)的問(wèn)題——電池組、牽引電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)、電力電子等，也可以用于由這些子系統(tǒng)集成的、復(fù)雜動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

　　電池組仿真

　　為了避免過(guò)熱造成電池能效降低以及使用壽命縮短，電池?zé)峁芾硎腔旌蟿?dòng)力/ 純電動(dòng)汽車開發(fā)的重中之重。對(duì)圓柱形電池單體，工程師通常采用風(fēng)冷策略，其中包括電池組外殼的形狀設(shè)計(jì)，由鼓風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流片形成足夠的氣流以實(shí)現(xiàn)最佳的冷卻。對(duì)矩形電池單體，冷卻一般通過(guò)與電池單體相接觸的熱交換器中液體循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電池?zé)峁芾淼目刂扑惴▌t根據(jù)溫度和充電器狀態(tài)來(lái)改變每個(gè)電池單體的負(fù)荷。

　　將參數(shù)化法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法與計(jì)算流體力學(xué)求解器相結(jié)合，可分析復(fù)雜的三維冷卻液流動(dòng)和多媒質(zhì)聯(lián)合(從固體到液體)傳熱，以評(píng)估和優(yōu)化不同的熱管理系統(tǒng)配置。為了評(píng)估電池組的長(zhǎng)駕駛循環(huán)性能，線性時(shí)不變法可實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)仿真。

　　工程師可以借助電路仿真技術(shù)評(píng)估控制算法，來(lái)研究降低電池壽命和導(dǎo)致電池爆炸的影響因素，如過(guò)充、大電流充/ 放電、外部短路或其它的電路問(wèn)題。研究此類算法時(shí)，采用能夠?qū)⑷S物理模型(流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械)無(wú)縫集成到控制電路仿真中的軟件顯然是最理想的。

　　為了解決如碰撞和異物穿透電池等事故造成的電池組結(jié)構(gòu)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件可用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性，以防止電池組有毒內(nèi)容物的溢出以及可能造成熱失控與電池爆炸問(wèn)題的單體損壞。這種虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)軟件也同樣適用于研究振動(dòng)，耐久性和疲勞壽命。

　　電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)仿真

　　在電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)研發(fā)中，設(shè)計(jì)者必須重點(diǎn)考慮電機(jī)的電磁問(wèn)題。根據(jù)最初的CAD 圖紙及裝配體的相關(guān)工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，電子設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件可定義電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(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)、氣隙等，而寄生參數(shù)提取工具則可用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電氣特性。

　　風(fēng)冷圓柱型電池模塊網(wǎng)格(左)及冷卻液流速圖(右)

　　這些軟件輸出的模型和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以輸入到電磁仿真軟件中，從而可計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線——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)/ 發(fā)電機(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)(例如：永磁體的尺寸)來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)化、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、重量或成本之間做出折中選擇，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，用于分析動(dòng)力傳動(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)。人們總是希望電動(dòng)汽車可以靜音，因而對(duì)電動(dòng)汽車的主要噪聲源，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)分析就變得非常重要了。此外，流體動(dòng)力學(xué)可用于研究熱管理問(wèn)題，分析損耗的分布，以確定電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)組的熱分布。

　　無(wú)縫集成的多物理場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件縱貫整個(gè)電磁和機(jī)械開發(fā)過(guò)程，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)，可協(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)。多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真程序有助于軟件在一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不同程序之間順暢的數(shù)據(jù)傳遞。

　　電力電子仿真

　　為了對(duì)混合動(dòng)力汽車電力電子器件進(jìn)行熱管理，工程師在電力電子電路仿真軟件的設(shè)計(jì)界面上放置IGBT 器件模型并輸入其特性(通斷電壓，電流波形等)，控制算法器件模型(IGBT 的通斷邏輯)和電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)器件模型等，以建立電力電子器件系統(tǒng)仿真分析模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析。通過(guò)各種仿真數(shù)據(jù)，軟件可確定出車輛在加速、巡航和制動(dòng)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。

　　利用電子熱流分析工具，工程師可以指定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中主要熱源(IGBT 和電機(jī)/ 發(fā)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，軟件可處理數(shù)據(jù)并生成等效熱模型，用于系統(tǒng)仿真分析。工程師利用這些熱模型可確定IGBT 的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IGBT 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)/ 發(fā)電機(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。

　　電磁干擾/ 電磁兼容仿真

　　在混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的開發(fā)中，IGBT 的開關(guān)速度從幾十到幾百千赫，導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間大約為50 到100 納秒——這可能會(huì)導(dǎo)致兩大電磁問(wèn)題：傳導(dǎo)發(fā)射(通過(guò)載流結(jié)構(gòu))可能會(huì)導(dǎo)致電源完整性問(wèn)題或引起對(duì)逆變器和電動(dòng)機(jī)存在潛在危害的能量反射波。輻射電磁場(chǎng)(通過(guò)空氣)，可能影響車上其它電子系統(tǒng)。這兩類干擾問(wèn)題都必須被充分考慮，工程師必須對(duì)車輛的電磁兼容/ 電磁干擾進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　為了精確描述IGBT 等開關(guān)器件的性能，工程師可以采用參數(shù)化的IGBT 建模向?qū)В迷撓驅(qū)Э奢斎牍?yīng)商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的IGBT性能曲線和數(shù)據(jù)，在建模向?qū)У闹敢伦詣?dòng)提取需要的參數(shù)來(lái)生成IGBT 的半導(dǎo)體電路模型。整個(gè)建模過(guò)程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需手動(dòng)完成。

　　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。

　　功率變換器系統(tǒng)仿真的結(jié)果可用于檢驗(yàn)輻射發(fā)射，工程師通過(guò)計(jì)算空間任意點(diǎn)上的電磁場(chǎng)強(qiáng)度以判斷逆變器封裝是否符合國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如果輻射超標(biāo)，逆變器系統(tǒng)的電磁干擾和電磁兼容可溯源到器件設(shè)計(jì)版圖上的問(wèn)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)為止。

　　系統(tǒng)集成

　　系統(tǒng)集成可能是電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨毧紤]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。

　　涵蓋電磁、熱、流體和結(jié)構(gòu)問(wèn)題的系統(tǒng)仿真

　　為了成功地仿真如此復(fù)雜的混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，仿真方案必須建立在一個(gè)可實(shí)現(xiàn)多維、多物理、多尺度仿真的、無(wú)縫集成的設(shè)計(jì)平臺(tái)上，從而可提供復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中多個(gè)機(jī)械、流體、電氣、電化學(xué)和電磁問(wèn)題仿真所需要的技術(shù)。

　　多維數(shù)表示一個(gè)系統(tǒng)由子系統(tǒng)和部件組成，受多種物理現(xiàn)象混合控制，它可能是零維(例如：邏輯電路和框圖)，一維(例如：對(duì)長(zhǎng)通道內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題的建模)，二維(例如：殼應(yīng)力)，三維(例如：復(fù)雜三維通道內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題的建模)，四維(例如：考慮時(shí)間變化的三維流體場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熱、磁場(chǎng)等)。

　　多物理表示一個(gè)系統(tǒng)或部件受多于一個(gè)物理機(jī)制影響，例如：一個(gè)電池組的性能受流體流動(dòng)、熱傳遞、電化學(xué)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力/ 應(yīng)變分布、電磁場(chǎng)等物理機(jī)制影響。

　　多尺度表示一個(gè)系統(tǒng)重要的物理現(xiàn)象發(fā)生在不同物理尺度上，例如：電池組中，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在納米級(jí)，而熱傳導(dǎo)和冷卻發(fā)生在毫米級(jí);電池控制器工作在電池組級(jí)，而電池組需要與動(dòng)力傳動(dòng)的其它系統(tǒng)共同工作，因此其處于整車級(jí)。

　　仿真實(shí)例：豐田普銳斯的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

　　為了證明電磁仿真方法的速度和精度，ANSYS 的工程師團(tuán)隊(duì)采用Oak Ridge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的豐田普銳斯THSII 牽引電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能數(shù)據(jù)做了一個(gè)研究。

　　電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)有限元分析

　　工程師首先創(chuàng)建了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型，包括電池、IGBT 逆變器、牽引電機(jī)和控制系統(tǒng)。然后，將模型參數(shù)化，在ANSYS Maxwell軟件中給模型添加不同邊界條件，如電流、電壓及轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)這些信息，Maxwell 可以計(jì)算出電機(jī)的多個(gè)輸出參數(shù)，包括轉(zhuǎn)矩、電感和系統(tǒng)的機(jī)械損耗。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)包含一個(gè)基于物理原型的電機(jī)模型求解結(jié)果，即在給定電參數(shù)輸入條件下一系列測(cè)試點(diǎn)上電機(jī)的輸出性能。

　　將求解結(jié)果作為描述電機(jī)性能的查詢表，ANSYS 工程師在Simplorer 軟件中建立了基于電動(dòng)機(jī)等效電路模型的參數(shù)化系統(tǒng)級(jí)仿真模型，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩和其它輸出參數(shù)。系統(tǒng)級(jí)方法的仿真結(jié)果與公布的電動(dòng)機(jī)輸出數(shù)據(jù)吻合得很好，這表明了該方法的準(zhǔn)確性。

　　系統(tǒng)級(jí)仿真方法的優(yōu)點(diǎn)是可在瞬間預(yù)測(cè)電機(jī)的輸出性能，并與有限元模型具有相同的精度，而有限元模型的網(wǎng)格劃分和求解卻需要幾個(gè)小時(shí)。這種方法已被多個(gè)汽車開發(fā)團(tuán)隊(duì)用于快速評(píng)估和優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作中，并替代了數(shù)個(gè)樣機(jī)的試驗(yàn)周期，加速了整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)程。因此，仿真預(yù)測(cè)特別有利于在電動(dòng)機(jī)開發(fā)的早期階段，在多種控制策略、軸尺寸、永磁材料類型等組合中快速確定優(yōu)化方案。

　　競(jìng)爭(zhēng)中的先驅(qū)

　　混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的發(fā)展速度快得驚人，與此同時(shí)，原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商都面臨著具有挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)需求，這對(duì)于先進(jìn)的公司是巨大的潛在利益，而對(duì)于落后的公司則是重大的風(fēng)險(xiǎn)。在激烈的環(huán)境中，汽車工程師們面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的下一代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，使用緩慢和低效的、反復(fù)樣機(jī)試驗(yàn)的研制方法已不能滿足快速設(shè)計(jì)的需求。因此，必須采用以多物理場(chǎng)為基礎(chǔ)的仿真驅(qū)動(dòng)式研發(fā)模式來(lái)平衡復(fù)雜的、相互依賴的、間或相互矛盾的機(jī)械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設(shè)計(jì)需求。

　　通過(guò)多物理域仿真，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠有效地評(píng)估涉及多個(gè)領(lǐng)域的數(shù)百個(gè)供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測(cè)車輛在實(shí)際駕駛情況下的性能，快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，使工程師能夠開發(fā)最佳的電池、電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)、電力電子及其他各種部件，并將各部件無(wú)縫集成在一起實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

　　對(duì)于一個(gè)最佳的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是以多物理為基礎(chǔ)的仿真解決方案，它能將不同功能的計(jì)算程序無(wú)縫集成為一體，按同樣的方式工作，而僅僅將零散的或獨(dú)立而往往不兼容的程序簡(jiǎn)單地拼湊在一起的解決方案根本滿足不了如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求。隨著混合動(dòng)力/ 純電動(dòng)汽車的需求持續(xù)增長(zhǎng)，有一定廣度和深度的多物理域仿真方案不僅具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且是那些想在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的企業(yè)必不可少的設(shè)計(jì)工具競(jìng)爭(zhēng)籌碼。