CAE仿真在新能源汽车领域应用案例分析

在新能源汽车研发设计过程中，一般对整车结构刚强度、碰撞、NVH以及耐久等性能都有明确的要求，CAE仿真在新能源汽车研发应用领域涵盖了机械、流体动力学、热学、声学、电气和电磁等领域，主要解决电气传动系统单个部件：电池组、牵引电动机、电力电子器件等的开发问题，以及子系统之间的集成和电磁干扰、复杂电气传动系统的设计和研究，此外还有新能源汽车NVH特性、轻量化、安全性等性能分析优化。

CAE分析在新能源汽车研发中的作用概括如下：（1）增加设计功能，借助CAE分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；（2）缩短设计和分析的循环周期；（3）CAE分析起到的“虚拟样机”作用替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；（4）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；（5）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；（6）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；（7）进行机械事故仿真分析，查找事故原因。

本文将从以下6个案例介绍CAE仿真在新能源汽车研发中的应用。

1、电池组仿真分析

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。

利用CAE技术对动力电池组进行仿真分析主要包括以下几个方面：

（1）电池组热管理：建立虚拟的电池组和散热通道的三维模型，在此基础上分析散热效果并对不同方案进行对比和优化，取代了试验方法，大大提高了设计效率；

（2）电池的机械性能分析：仿真模拟碰撞，碾压，针刺对电池的影响；

（3）电池的电性能分析：研究过充/过放，大电流，充/放，外部短路对电池的影响；

（4）电池的结构力学分析：研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命。

2、电动机仿真分析

利用CAE技术对电动机进行仿真分析主要包括以下几个方面：（1）电磁设计优化：计算转矩曲线，优化电磁参数；（2）热分析：设计散热系统，防止热损耗；（3）振动分析：降低电机噪声；（4）系统集成：优化电动机及控制器；（5）结构耐久性分析。

基于CAE的电机仿真应用主要包括以下几个方面：

（1）性能评估与优化：模拟不同负载和工况下电机的运行情况，通过仿真分析电机的性能特点，优化设计参数和控制策略，以提高效率和稳定性。

（2）控制算法验证：提供了一个低成本、低风险的平台，用于测试不同控制策略，确保其在实际应用中的可靠性和稳定性。

（3）故障分析与预测：模拟电机在不同故障模式下的运行情况，分析了解故障产生的原因和影响，有助于制定更准确的维护计划，提前预防潜在问题。

3、电力电子器件仿真分析

在新能源汽车的电气传动系统中，电力电子器件精确地控制着蓄电池与牵引电动机、发电机之间的能量传输，并根据路况和驾驶员指令做出逻辑判断来调节电气传动系统。电力电子器件根据传感器监测到的位置、速度、温度等反馈信号，严格控制着蓄电池提供给牵引电动机的电能。

利用CAE技术对电力电子器件进行仿真分析主要包括以下几个方面：

（1）控制逻辑优化：在不同驱动工况下，优化电气 传动动力集成部件及系统；

（2）热管理：电磁损耗散热方式和路径设计；

（3）热应力分析：优化由热应力和电磁力产生的机械形变问题。

基于CAE的电力电子器件仿真应用如下：

（1）电力电子器件热分析：利用电子热流分析工具，指定电气传动系统中主要热源（电子控制器件和电机的载流部件）的几何尺寸，通过单独添加系统中关键点上的每个热源，同时还考虑空气流通量和传导热量的影响，以及参数化分析，可处理数据并生成等效热模型，利用这些热模型可确定电力电子器件整体温度分布以及温升性能参数，例如：从电池获得多少电能才能保证温度不超过影响某电子器件性能的限定值。

（2）汽车车灯CAE分析：主要包括车灯内的散热分析、结露分析和结构热应力分析、车灯振动强度分析及模具设计的注塑工艺分析等。

4、电磁兼容仿真分析

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。

在样机制造之前进行电磁兼容分析，减少电磁兼容的测试。主要对汽车电机、母排、控制器等重要部件的电磁兼容进行分析。

5、汽车轻量化仿真分析

轻量化一直是汽车研发中重要的一点，可以提升汽车动力性能和操控性、减少能源消耗和排放物。

基于轻量化仿真需求，通过将材料的各项特性准确的映射到结构分析CAE模型中，可提升计算结构CAE的求解精度，提高验证可靠性；降低产品重量，节约材料成本；降低产品厚度，加快生产效率。通过虚拟验证替代试验验证，缩短开发周期，节约大量开发成本，降低开发风险。

6、噪声仿真分析

（1）气动噪声仿真分析

仿真计算分析计算空调通风口、管道流动、换热风扇、车身外部气动噪声、排气管等气动噪声。车载空调对车内乘车环境有重要影响，传统的通风、温度控制等功能是汽车空调行业关注的重点。随着发动机、轮胎、气动等噪声源的降低，空调噪声对乘客舱内舒适性有越来越重要的影响。

（2）整车声学仿真分析

先对车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建模。CAE软件将吸声材料投射于车身以及车内空间模态基上，流固耦合并建立物理坐标与模态坐标的混合模型进行声学计算。

（3）内饰件声学仿真分析

CAE能够建立包含内饰件的汽车部件模型或整车模型，评价内饰件隔声、隔振效果，帮助工程师进行声学优化设计。

（4）轮胎噪声仿真分析

基于CAE的轮胎噪声分析包括：不同轮胎纹理噪声频谱特性分析、轮胎噪声喇叭口效应分析、低噪声路面对轮胎噪声影响分析、轮胎噪声耦合模型分析等。

CAE仿真技术在新能源汽车研发过程中将扮演着至关重要的角色，汽车工程师利用CAE仿真技术研究各设计参数对整车性能的影响效果，以及各参数之间相互影响规律，从而在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车。从而改进能源效率、减少碳排放、提高电池寿命和车辆性能，促进新能源汽车的创新和性能优化，降低开发成本。