简单分析CAE技术在新能源汽车研发中的应用

越来越多的汽车厂商投入更多到新能源汽车的研发制造当中，要设计非常复杂可靠的下一代电气传动系统，使用缓慢和低效的、反复样机试验的研制方法已不能满足快速设计的需求。为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车，工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术，来替代传统的反复使用物理样机验证方法，帮助工程师在汽车物理样机制造之前，就能够有效地评估多个供选方案，进行许多假设分析研究，预测车辆在实际驾驶情况下的性能。

一、未来汽车工业发展趋势——新能源汽车

中国汽车产业经过半个多世纪的努力，已形成完整的工业体系，并成为国民经济的重要支柱产业，我国汽车产销量多次跃居世界汽车产销量首位。然而，随着汽车保有量的快速增长，由此带来的环境和能源问题日益突出。全国各地地持续的雾霾天气，关于PM2.5的讨论让广大人民群众对于治理大气污染的呼声日益高涨。石油资源逐渐短缺造成的能源危机也不容忽视，因此，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起，更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车——新能源汽车产业呈现出强劲的发展势头。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、太阳能电池汽车，以及生物燃料汽车和其它燃气汽车等。



目前新能源汽车产业发展主要集中在混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上。混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车；纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）是指完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车；燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）则是以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。

新能源汽车使用替代能源，减少了燃油的消耗和有害气体的排放，满足了汽车行业日益凸显的节能与环保需求，因此成为世界各大汽车厂商研究的热点，同时也得到了各国政府政策的大力支持。2012年国务院印发《节能减排“十二五”规划》，将节约和替代石油列为节能减排重点工程，发展节能汽车成为当前落实国务院加强节能减排工作重要部署的重大举措。新能源汽车是国务院确定的重要战略性新兴产业，是我国最具发展潜力的重要领域之一。近年来，特别是《中国节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020）》发布以来，各地方节能与新能源汽车产业蓬勃发展，呈现良好发展态势。新能源汽车将逐渐取代纯油耗汽车，成为未来汽车行业发展的新趋势。

二、新能源汽车研发中面临的主要挑战

然而由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别，在新能源汽车的设计研发环节，汽车工程师面临着诸多挑战，关键部件包括动力电池组、牵引电动机及发电机、功率电子器件等，除了这些关键部件的设计中涉及到复杂的物理问题之外，还存在系统集成时电磁部件之间的电磁兼容/电磁干扰等问题。汽车NVH性能、轻量化、安全性研究也是新能源汽车研发时必须考虑的因素。



1.电池组

在混合动力汽车和纯电动汽车中，电池组是车辆最主要的动力来源，同时也为众多的电动辅助系统提供能量。因此电池组的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指标将直接关系到车辆动力性能。在设计电池组的时候，在保证高水平容量和输出功率的基础上，工程师还必须考虑热、结构、电磁因素对电池组及电池单体的影响。


电动汽车电池组

电池组在充、放电的时候会产生热，长时间工作在比较恶劣的热环境中，将会缩短电池使用寿命、降低电池性能。电池组内部单体之间温度分布不均匀导致温差过大，就会形成有害的电流回路也会缩短电池的寿命。要管理电池组发热问题，就需要根据电池组内部温度场分布来设计一个风冷或水冷的冷却系统，而设计高效的冷却系统则涉及到传热学和流体动力学等知识。

电池组的安装位置、结构分布会影响车内空间大小，在一系列驾驶条件下，电池组不同的安装位置还会影响其所受各种应力，这时候需要考虑是否会引发安全问题，一旦电池结构被破坏可能释放出有毒酸液对乘客造成危险。在外加热、过充、过放、针刺、重压及外部短路等多种工况变化情况下，电池组能否安全保证工作性能也是需要研究的。

2.电动机

电动机是新能源汽车驱动系统中必不可少的部分，它决定了将多少蓄电池的电能转化为机械能来驱动车辆运行，消费者都期望汽车具有高燃油效率，它在很大程度上影响了消费者的购买决策。而电动机工作效率与其电磁特性密切相关，因此研究电磁问题、设计出高效率的电动机是新能源汽车电气传动系统研发最重要的挑战之一。


电动汽车电动机

此外，混合动力和纯电动汽车所用的牵引电动机可能面临非常严苛的工作环境，电动机持续工作在极端温度条件、剧烈振动、大工作循环及崎岖路面条件下。在混合动力汽车中，电动机还受发动机产生的高温影响。这些因素要求电动机必须具有很高的可靠性和安全性。

3.电力电子器件

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，为了保证汽车在各种驾驶条件下都能以最高效率工作，电力电子系统必须具备良好的性能。

与电池组一样，热管理也是新能源汽车电力电子设计所关注的一个主要问题。由电气传动系统传递到车轮和再生制动充入电池的所有能量都需要通过电力电子器件完成，因此即使电子器件极微小的功率损失也能产生大量的热。不同工作环境下，电力电子系统中产生的热量都需要严格控制并做好散热，避免电子元器件及其周边部件的热损坏。这需要对电力电子器件中的电磁损耗做精确计算并研究出相关的散热方式。为了确保最有效的冷却，还要根据电力电子系统具体情况进行散热路径设计。
除了热管理，新能源汽车中电力电子控制逻辑也是需要严格设计的，在不同的驱动工况下对电气传动动力集成部件及系统进行优化。

4.电磁兼容

电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作，而且不对该环境中其它任何事物构成不能承受的电磁骚扰。新能源汽车中应用了高压和大电流的大功率电子变换装置和驱动电机，而且车上的电子电气设备繁多，设备的电磁敏感度也各不相同，整个车辆处于很复杂的电磁环境中。因此在新能源汽车中，各种电气元件之间的电磁兼容性就成为一个重要的问题，如果不解决这些问题，电磁干扰就会破坏信号传递和检测并影响电动机正常工作，甚至引发安全问题。

为达到电磁兼容性的设计要求，要分析各种电磁干扰源，确定干扰路径和耦合方式，然后根据具体情况采取有效的抑制干扰、消除干扰的措施。必须通过电磁学分析来仔细研究电气元件之间的电磁干扰影响，在电气传动系统逻辑控制中也要考虑。这就需要全面地研究电动机及其周围电磁部件内和周边的电磁场，这些部件在工作时又是相互连通、耦合的，这对电磁兼容性分析、解决电磁干扰问题提出了更高的要求。

5.其它挑战

NVH性能

随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车NVH性能指标（噪音Noise、振动Vibration、平稳Harshness三项，即乘坐“舒适感”），而对于新能源汽车而言，由于其内部布置、动力总成的结构与振动特性与传统汽车完全不同，不能通过已有经验和方法来研究其动力总成和底盘悬架的振动特性对NVH性能的影响。
在噪音优化方面，还需要分析电池组中电液流动噪声、驱动电机和发电机的转动和振动噪声。

汽车轻量化

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。对于新能源汽车更是如此，降低车重对于延长昂贵的蓄电池组使用寿命、提高能源转换效率有着重大意义。然而受制于蓄电池的高质量密度，新能源汽车的轻量化工作也具有一定难度。

安全性

安全性是汽车研发中不得不考虑的问题，新能源汽车的安全性同样备受关注。但是在新能源汽车的安全性指标上，除了要满足常规的安全碰撞标准之外，还要考虑可能发生的电池燃烧、高压漏电、电磁干扰带来的安全隐患。

传统汽车使用的电池电压只有几十伏，而混合动力汽车或纯电动汽车所用电池电压少则100多伏，多则300多伏，一旦发生漏电对人体的伤害将是致命的。电磁干扰可能导致汽车操控系统失灵，电池燃烧也会导致爆炸，这些都给汽车安全分析提出了更高的要求。

三、CAE技术在新能源汽车研发中的应用

新能源汽车固然是未来汽车发展的趋势，越来越多的汽车厂商也会投入更多到新能源汽车的研发制造当中，越早推出产品越有利于占领市场。但与此同时原始设备制造商和供应商都面临着研发难题，这对于先进的公司是巨大的潜在利益，而对于落后的公司则是重大的挑战，如果解决不好这些难题，将有缺陷、尚不完善的产品推向市场，则存在着巨大的商业风险。在激烈的竞争环境中，要设计非常复杂可靠的下一代电气传动系统，使用缓慢和低效的、反复样机试验的研制方法已不能满足快速设计的需求。

为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车，工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术，来替代传统的反复使用物理样机验证方法，帮助工程师在汽车物理样机制造之前，就能够有效地评估多个供选方案，进行许多假设分析研究，预测车辆在实际驾驶情况下的性能，在前期就进行快速优化设计，以避免在产品开发的后期发生意外和问题。

用于新能源汽车的CAE技术涵盖了机械、流体动力学、热学、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。

1.电池组仿真分析

●电池组热管理：根据温度场分布设计散热系统
●电池的机械性能分析：碰撞，碾压，针刺对电池的影响
●电池的电性能分析：过充/过放，大电流，充/放，外部短路对电池的影响
●噪声、振动和声振粗糙度分析：流动噪声，结构振动
●结构的耐久性分析

新能源汽车及其他设备所使用的电池主要分为化学电池、物理电池以及生物电池三大类，由于技术限制现阶段物理电池和生物电池并不能广泛使用，所以目前新能源汽车主要用的是铅酸蓄电池、镍氢电池及锂离子电池等。就像内燃机车对发动机有各种要求，新能源汽车对电池组也有着苛刻的性能要求，包括安全性、稳定性、成本、充放电效率、比功率、比能量等，这些直接关系到新能源车在电动驱动上的表现。

影响电池组在这些性能的一个最大因素就是温度，化学电池只有在一定温度范围内工作，才能保证其性能和寿命，而电池组在充、放电的时候会产生热量，电池组周围其他汽车部件工作时也会产生热量，这时候需要建立电池组热管理系统，来准确测量和监控电池组温度，在电池组温度过高时有效散热和冷却，保证电池组温度场的均匀分布在最优工作温度范围内。

在电池组热管理系统中，合理的冷却方式和散热结构显得尤为重要。对圆柱形电池单体通常采用风冷策略，结合电池组外壳的形状设计形成足够的气流以实现最佳的冷却。对矩形电池单体，冷却一般通过与电池单体相接触的热交换器中液体循环来实现。散热结构设计的传统方法是试验结合理论公式，来推导出最佳散热结构。传统方法效率低，且局限于较简单的电池组结构。引入CAE技术之后，可以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。

针对电池组的散热结构设计以及设计方案评估优化，首先要根据电池电极反应及生热原理得到电池生热量计算公式，由传热学的质量、动量和能量守恒定律建立电池组三维非稳态散热模型。针对模型的热源加载方式目前主要有两种，将热源加载到电池组内部或直接加载到整个电池组区域。然后利用计算流体力学（CFD）工具，对电池组的温度场进行数值模拟，模拟结果可以反应电池组表面及周围的温度场分布信息。根据不同方案的温度场分布信息找出最优散热系统，还可以继续进行电池组散热系统最优模型的稳态和瞬态仿真分析，进一步优化。


电池组散热系统模拟

在研究过充、大电流充/放电、外部短路或其它电路问题对电池性能、稳定性的影响时，优秀的CAE软件也能将涉及流体动力学和机械的三维物理模型无缝集成到控制电路中进行联合仿真。

结构力学分析软件可用于评估电池组结构的完整性，分析电池组因不同的安装位置影响其所受各种应力，是否可能导致结构破坏，以及如碰撞和异物穿透电池等事故造成的电池组结构问题，以防止电液溢出以及可能造成的热失控与电池爆炸。同样还能分析研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命等。

2.电动机仿真分析

●电磁设计优化：计算转矩曲线，优化电磁参数
●热分析：设计散热系统，防止热损耗
●振动分析：降低电机噪声
●系统集成：优化电动机及控制器
●结构耐久性分析

在新能源汽车牵引电动机的研发中，设计者要重点考虑电动机的电磁问题。首先根据最初的三维图纸及装配体的相关工程设计指标，在电子设计软件中定义电动机的主要设计参数，包括永磁材料、绕组分布图、绕组匝数等，此外还要计算出电动机的电气特性。然后将这些输出的模型和设计数据输入到电磁仿真软件中，模拟电动机的三维电磁场，计算出电动机的转矩曲线。


电动机磁场仿真

电动机的转矩曲线可以反映出：在电动模式驱动车辆时转矩如何随时间上升；在停车制动模式时电气阻力矩如何随时间变化。电动机电磁性能分析时，还需要引入车辆的质量以确定各种情况下的加速时间及制动时间。基于这些输出结果，设计者可以改变某些设计参数如永磁体的尺寸来调整设计，通过参数优化设计，在电动机的性能与电动机的尺寸、重量、成本之间做出最优匹配，优选设计方案。

电磁仿真输出的转矩可进一步输入到结构力学软件中，用于分析电气传动系统中其它部件包括驱动轴、齿轮等的应力、载荷、变形及振动。以电动机为主的驱动系统是新能源汽车的主要噪声源，为了进行噪声优化，驱动系统的振动分析也非常重要。此外，流体动力学可用于研究电动机的热管理问题，以确定电动机周围的热分布，优化热损耗问题。

在进行电动机仿真分析的时候，要同时兼顾电磁和机械分析的多物理场，还要考虑两者之间的耦合，在不同载荷情况的性能计算和不同设计方案比较时，要协调多个工具的动作，在不同工具之间交换数据。这要求仿真工具具有多物理场联合仿真的能力，能够在一个统一的环境中实现针对机电系统不同部件、不同学科之间的耦合仿真。

3.电力电子器件仿真分析

●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
●热管理：电磁损耗散热方式和路径设计
●热应力分析：优化由热应力和电磁力产生的机械形变问题

在对新能源汽车电力电子器件进行热分析的时候，工程师需要先通过电子电路仿真软件建立电力电子器件系统仿真分析模型，通常包括控制算法器件模型、电动机器件模型、各器件模型的电力特性（如通断电压、电流波形等），以及器件模型之间的控制算法逻辑。通过电子电路仿真分析软件确定出车辆在加速、巡航和制动等过程中任意给定时刻、整个系统内电流的变化情况。


电子器件散热分析

利用电子热流分析工具，工程师可以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，用于热分析。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。

根据温度分布，工程师可以利用有限元软件的热-结构耦合分析功能，确定由此产生的热应力。电子设计分析工具还可用于计算电动机各部分上的电磁力，从而确定形变量和机械应力分布。由此，工程师可以通过修改结构，消除应力集中和过度变形，或者反之，减少那些由于过度设计而额外使用多余材料的区域。

4.电磁兼容仿真分析

●在样机制造之前进行电磁兼容分析
●减少电磁兼容的测试
●电机、母排、控制器等部件的电磁兼容分析

与传统汽车研发不同，在新能源汽车设计中需要重点考虑大量机电器件的电磁兼容性（EMC），避免出现电磁干扰。主要存在两类电磁干扰问题：通过载流结构传导的电磁场引起的能量反射波对其它相连部件形成潜在威胁；通过空气辐射的电磁场影响其它电子系统。这两类电磁干扰问题都必须被充分考虑，工程师必须对车辆关键器件进行电磁兼容分析。

为了精确分析器件的电磁兼容性能，工程师首先要建立电路模型。供应商提供的数据手册中有器件性能曲线和数据，从中提取出需要的参数来生成器件的半导体电路模型。为了进行传导干扰分析，工程师需要将功率变换器的设计版图从CAD软件直接导入到寄生参数提取软件中，从而计算导电通路的频变电阻、部分电感和电容，并生成等效电路模型以备系统仿真使用。系统仿真的结果可用于检验辐射水平，工程师通过计算空间任意点上的电磁场强度以判断是否符合国内外相关标准。如果辐射超标，电磁干扰和电磁兼容可溯源到器件设计版图上的问题源。由此，对设计做出参数更改，并获得一系列仿真结果，直到传导辐射和辐射电磁发射等级都在可接受的限值之内。这样就能在样机制造之前保证新能源汽车部件间的电磁兼容性符合要求，避免出现电磁干扰问题，也取代了成本较高的电磁兼容测试。

5.多物理场的系统集成仿真分析

在新能源汽车研发设计中，除了要解决电池组、电动机、电力电子等部件的问题之外，系统集成也是一个完整可靠的电气传动系统中至关重要的部分，必须考虑每个部件独有的特征、属性、强度和其它复杂因素等，以确保整个电气传动系统在宽负载范围内及各种行驶条件下都能获得最高的整体效率。

由于子系统和部件协同工作，紧密耦合，它们的开发也不能完全独立地进行，而且每个子系统性能的改变都必须与其它所有子系统相匹配。同时整个系统涉及机械、流体动力学、热学、电气和电磁等领域的研究，因此为了成功地仿真如此复杂的电气传动系统，仿真方案必须建立在一个可实现多物理场、无缝集成的设计平台上，来平衡复杂的、相互依赖的、或相互矛盾的机械、电气、电磁、流体和热管理等多种设计需求。

四、新能源汽车仿真分析主要解决方案

由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别，此处仅针对新能源汽车研发，列举的仿真分析解决方案主要涉及电池组热管理和电化学模拟、电动机和电子器件模拟、电磁场分析、电机驱动控制系统等领域。

1.ANSYS

热管理

在解决电池热组管理问题上，可以采用ANSYS的计算流体力学软件FLUENT去检查电化学，研发先进的电池冷却方案。其他热管理应用需要ANSYS的Icepak技术，该软件可用于封装、电路板及系统级CFD模拟，包括自然对流、强制对流和辐射传热。产品开发人员可以在模拟中并入封装或电路基板的焦耳热现象。并入焦耳热有两种方式：或者可以通过CFD求解器内的近似计算，或者通过转换配电数据，其中配电数据是通过功率和信号完整性的ANSYS工具SIwave模拟计算而得到的。


采用ANSYS Icepak的汽车电子热管理

结构和结构热分析

对于机械和热模拟，ANSYS软件提供了一个进行结构综合分析的解决方案，包括ANSYS机械、机械可靠性分析和应力分析的结构程序包，该套件包含了一套完整的非线性及线性单元和一系列有限元性能和材料定义，ANSYS的疲劳软件可用于模拟产品在预期循环加载条件下以及在产品预计的寿命范围内的性能。ANSYS软件还提供了隐式和显式求解器，使工程师能够模拟机械应力和应变，如通过显式跌落模拟分析冲击和振动。

高频电磁场分析

对于高频电磁的研究，ANSYS提供HFSS和Designer RF。工程师可以使用工具来进行天线，全球定位系统，以及各种无线应用的3-D电磁模拟和RF电路仿真。在信号、电源完整性（SI/PI）以及电磁干扰和兼容（EMI/EMC）分析的领域里，ANSYS提供了HFSS软件、SIwave和DesignerSI技术，这些技术可以与电路和系统仿真相结合，在一个单独设计平台上做精密的电磁场领域分析。

低频和机电

低频和机电系统仿真工具应用在电动汽车和混合动力电动汽车、电力电子、传感器和执行器等方面。为了解决固有的设计问题，ANSYS提供了低频电磁场仿真工具Maxwell和机电系统仿真工具Simplorer。用户可以把Simplorer和ANSYS 3-D电磁、机械和流体求解器结合起来去设计包括机电组件细部在内的复杂汽车系统。

2.LMS

LMS Imagine.Lab机电系统解决方案能够模拟机电元件，如平动作动器和电动马达，从功能模拟到设计和验证控制策略。此外，该解决方案可以从不同的层次分析电气系统，如功耗估算、精确的瞬态响应评估和热效应分析。LMS Imagine.Lab电系统解决方案能够模拟复杂机电作动器的功能特性，机电和电液元件的设计者可以通过集成的平台来模拟完整系统的响应。并且，该解决方案可以考虑电、磁、机械、热和流体现象的耦合。

电气系统解决方案

LMS Imagine.Lab可以从不同的层次分析电气系统，如功耗估算、精确的瞬态响应评估和热效应分析。基于LMS Imagine.Lab AMESim的多领域系统仿真方法，LMS Imagine.Lab电气系统解决方案带来了一整套综合的电气特性分析模型，可用于评估新的体系结构，分析电力消耗以及对油耗的影响，设计和验证控制策略。还提供了专门的车用电气仿真库用于汽车电气网络的快速设计，包含一套汽车常用的电气元件模型：发电机、耗能元件以及面向应用的参数化电池模型。通过该库用户可以快速的设计和确定包含汽车上完整的各种电气消耗元件的电气网络的技术参数（保险丝、储能单元、发电机等）。

LMS Imagine.Lab结果显示电、磁和机械之间的耦合现象


机电元件解决方案

LMS Imagine.Lab机电元件解决方案有助于仿真机电一体化系统，用于进行元件选型、分析和机械结构的相互作用以及控制策略的设计和验证。多学科专业平台的AMESim中包含含热端口的电、磁方面的专用模型的一整套应用库，用于建立机电作动器，例如电磁铁和力矩马达等模型。LMS Imagine.Lab机电元件解决方案集成了两种互补的方法：采用简单单元例如：磁阻、气隙（集中参数）等建立的磁通回路模型，或者采用FEM数表建模。通过考虑电/磁/机械之间的强耦合处理能力，可以确定元件的尺寸，并对动态特性进行优化。工程师可以设计多学科系统和子系统，并评估不同技术选择的系统特性。该平台快速的计算，可以进行快速的分析和优化。

3.CD-adapco

电池模拟

STAR-CCM+广泛应用于汽车工业的CFD分析中，针对电动汽车电池模拟也开发出了专门的应用模块。电池模拟STAR-CCM+ 的电池建模技术将 STAR-CCM+ 的热流模拟与电池设计工具Battery Design Studio（BDS）相结合，以进行电池分析。BDS设计开发用于为单电池电化学系统和详细几何形状的分析和设计提供模拟环境。为用户提供三个电池性能模型，加强了与当代电池设计相关的重大发展成果，如多种活性材料与粒径。BDS通过其整合环境为其用户提供更快的电池设计流程以及连接材料供应商、电池设计方和电池用户的标准平台。STAR-CCM+电池模拟模块(BSM)通过将BDS电化学求解器与STAR-CCM+流场&热场求解器相结合，STAR-CCM+ BSM可以在多个长度标尺上计算锂离子电池的3D热学性能、流体性能和电化学性能，从电池内的有限体积/e-cell到整个电池组，包括热导部件如高充电/放电率的金属连接件。
这一点可以通过紧密耦合的3D模拟来实现，该模拟将电化学和热性能还原至电极和电池上。电池的内部结构被考虑在内，不需要独立解决所有电池层，以保持计算量与适当细节之间的平衡。

电机模拟

因为过多的热载荷会制约电子设备最大性能的发挥，并大幅增加系统的能源足迹，所以组件和系统温度控制仍然是电子系统设计所面临的最重大的一项挑战。STAR-CCM+与电机设计工具SPEED相结合，可作为创建电机虚拟样机的一体化工具，具有综合流体动力学和热传递模拟技术的优势。SPEED基于电机深层次理论进行高效计算，还能够向STAR-CCM+提供几何形状和热负载，从而对电气设备进行全面的流体与热分析。STAR-CCM+拥有一个矢量磁位（Magnetic Vector Potential）求解器，能够在稳态和瞬态模式下工作，并与电磁问题的电势求解器耦合。如果结合现有模型，即流体流动、热传递和结构力学，该项功能将可以实现在同一个模型中完成电机、热和结构分析，这可以让分析工程师能够以可视化形式呈现电机的全面性能。



感应电机散热模拟

4.Mentor Graphics

一维热流体系统仿真设计平台Flowmaster

Flowmaster是一维流体系统仿真解算工具，与关注部件级流动与换热特性的三维CFD软件不同，Flowmaster关心的是系统尺度上所发生的事情，每个流体系统由许多的元件构成，如泵、阀、管路、散热器等等，Flowmaster可以监视系统的运行情况，如改变泵转速、开/关闭阀门时等引起的系统各支路流量变化和各节点压力的变化。Flowmaster可以对系统中的各个环节进行精确的压力、流量、温度、流速分析。通过开展系统级分析，快速分析部件之间相互作用。

同步CFD模拟软件FloEFD

FloEFD是一款完全嵌入在CAD环境中的三维CFD软件，能与CREO、CATIA、NX、SolidWorks以及其他主流MCAD系统集成。此外还可自动识别流体计算域，在MCAD环境下完成分析工作，大大提高效率。


嵌入到CREO中的FloEFD

结合1D Flowmaster和3D FloEFD可以对电动汽车电池组热管理复杂系统开展设计分析。在部件级层次，FloEFD用于研究分析热管理系统详细的流动和换热行为，确保电池组工作性能可靠。识别任何不可接受的设计，如不合理的流动布置或极端的温度梯度。在系统层次，结合Flowmaster模拟整个电池冷却系统，分析部件的相互影响，确保正确的系统性能。在早期CAD设计过程中同步使用FloEFD仿真，相比传统CFD工具，模拟时间可以大大减少。进一步结合使用Flowmaster，系统工程师可以在有限的开发时间内获得最佳设计效率。

5.MSC

系统控制

用于机械、电气或控制系统的传统“建造与测试”方法和孤立的虚拟样机工具忽视了各学科之间的重要相互作用，导致结果不完整或不准确。MSC的多学科仿真解决方案能够验证、优化完整的机电系统性能。EASY5 提供了使用简单、交互操作的建模环境，用户可从预定义的零部件库进行选择来创建系统模型，这些零部件代表了复杂的实体元件。Adams 提供了三维机械系统多体动力学和运动分析，能从大多数主流 CAD系统导入几何体，也可以从无到有构建机械系统的实体模型。Adams模型能与EASY5控制模型直接整合，或者通过协同仿真进行全面的多学科分析。Adams中的控制插件能够同时将复杂控制件与机械系统连到一起，这种同步方法便于在初期对复杂系统内的非独立相互作用进行研究。Adams/Controls 与 EASY5 之间能通过来回传递状态变量进行通信，从而允许控制器以开环或闭环方式驱动Adams 模型。通过动态连接外部系统库，Adams中的机电插件可将控制系统直接整合到机械模型中。不熟悉控制系统的人员也可以充分利用和重复使用控制模型。控制系统参数可快速地调整以供评估，并将其纳入到控制系统和机械系统的实时优化设计研究之中。

汽车电子仿真

汽车电子元件需要能够承各种潜在的加载场景和环境条件，MSC软件提供的CAE工具具有多物理功能，能够仿真汽车电子的机械、热及电磁行为。


电子散热分析

6.Infolytica

中低频电磁场分析

Infolytica的电磁场分析系列软件包括具有2D/3D多自由度电磁场分析能力的MagNet，具有2D/3D瞬态电场分析能力的ElecNet，可与MagNet进行电磁和热的双向耦合仿真的2D/3D热场仿真分析软件ThermNet，对电磁设备的电、磁和热特性进行优化的设计工具OptiNet，能联合多求解器的电磁和热混合维数仿真工具MultiNet。

Infolytica的2D/3D多运动部件多自由度瞬态运动求解器是支持六自由度的电磁求解器，可以求解磁悬浮电机、球形电机、多转子电机等问题；2D/3D瞬态电场求解器可以求解HVDC极性反转、交直流混合电压等瞬态电场问题。Infolytica具有电磁和热耦合仿真、混合维数电磁和热耦合能力、全自动优化设计、基于ActiveX的脚本编程、局部单元细化技术和求解过程中的单元自适应剖分技术等功能。

电机设计软件MotorSolve

MotorSolve自身结合了磁路法和有限元法的优势，还拥有磁热双向耦合功能，方便评估风冷、对流、喷雾冷却等不同的冷却方法对电机性能的影响；拥有丰富的定转子模板，方便工程师进行高效设计；可导出*.rsm、*.vhdl格式，进行联合仿真。


电机电磁力计算

五、总结

虽然新能源汽车已成为汽车产业未来发展的趋势，也得到了政府政策的大力支持，但是目前实际销量与规划销量缺存在巨大差距。2012年新能源汽车销量为12552辆，其中纯电动汽车销量为12411辆。即使以今后每年翻倍的速度增长，到2015年的销量也不过是10万辆左右，与国家规划相差40万辆左右，与各个地方规划之和的差距就更大了。

除了市场化程度低、运营模式不清晰、公共配套设施不完善之外，涉及到产品本身的关键技术不成熟和质量问题也是限制新能源汽车发展的重要原因。关键技术主要体现在电池组、电控系统、电气传动总成系统等方面，这些为新能源汽车开发带来了挑战。工程师需要借助CAE技术，来替代反复使用物理样机试验的方法，对电池组、电动机、电控器件、电磁兼容性等方面进行多学科的仿真分析，不断优化，开发出安全可靠性好、性价比高的新能源汽车。