电动汽车设计中的CAE仿真技术应用

电动汽车是由几千个零部件组成的复杂产品，在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。

多物理场仿真技术在电动汽车设计中有着广泛应用，主要领域包括：

1.新能源动力电池

2.电机及电驱动系统设计分析

3.电子系统SI/PI/EMC分析

4.空气动力学分析

5.空调及热管理

6.传动系统

7.制动系统

8.汽车车灯

9.其它零部件及子系统


安世亚太新能源汽车解决方案

1.新能源动力电池

新能源动力电池是新能源汽车的三大核心技术之一。CFD数值模拟方法可以在电芯的电化学过程模拟、电池单体的发热特性模拟、电池组及电池包的热设计、PEMFC和SOFC燃料电池的研发等领域中发挥重要的作用。

电芯放电过程中瞬态电极锂离子浓度分布




串联电芯在固定倍率放电时的瞬态温度结果







电池包散热分析结果：电池单体表面的对流换热系数分布







PEMFC燃料电池的仿真分析结果：表面温度及H2浓度分布云图

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。利用ANSYS Mechanical及LS DYNA可以对电池包的安全性和耐久性做充分验证。


电池包振动分析

2.电机及电驱动系统设计分析

电机设计是一个复杂的多物理场问题，它涉及到电磁、结构、流体、温度和控制等多个领域。ANSYS提供集成化设计解决方案和流程，主要包括：电机快速设计和方案优选；电机电磁场有限元精确优化设计；电驱动系统集成化设计；电机电磁、热耦合分析；电机电磁、控制、振动、噪声耦合分析。


ANSYS无缝集成的电机设计多物理场解决方案


电机的电磁、流体、热耦合分析

基于Maxwell的电机齿槽转矩、气隙磁密、磁钢大小多目标组合优化




Toolkit可一键输出的效率Map图


电机电磁-振动-噪音分析

3.电子系统SI/PI/EMC分析

ANSYS电机设计解决方案可解决电驱动系统电磁兼容设计问题，包括：部件级、设备级和系统级的电磁干扰和电磁兼容设计问题。

ANSYS解决方案可以仿真分析能够得到线缆间的串扰、线缆的辐射干扰等特性，并能够得到任意位置的干扰电流和电压，依此对系统内线缆布局方案进行优化。

基于HFSS的线缆辐射干扰分析：不同绕制方式机箱周围的三维电场分布图


车门内的电缆辐射发射分析




基于HFSS场链接的IGBT辐射干扰源对整车系统的电磁干扰分析

ANSYS HFSS可解决电动汽车设计中常见的天线布局分析、天线装配性能分析、静电放电及雷击浪涌问题、以及从部件到整车级的电磁兼容仿真分析。


天线装配性能仿真


                    整车电磁兼容仿真

4.空气动力学分析

气动性能分析是从空气动力学角度分析汽车动力性、经济性和操作稳定性，这是CFD数值模拟方法在汽车设计中最成熟的应用方向。

CFD数值模拟方法与传统的风洞试验相比，不再局限于测量有限个点处的空气流动属性，而是直接获得整车附近完整空间的流动属性，从而可以让设计者获知一些复杂的空气流动现象，为气动减阻、降噪等问题提供帮助。


车身附近的流线图


车身表面的压力分布云图及车身附近的湍流动能等值面图



后视镜原始设计和改进设计的气动噪声结果

5.空调及热管理

空调系统是汽车不可缺少的部分，好的空调系统不仅噪音低，制冷/制热效果好，而且燃油消耗低，除霜除雾效果好。通过对空调系统进行CFD数值模拟分析，可以为优化风道设计、改进除霜除雾性能以及提升乘员舱热舒适性提供依据。


除霜分析：不同时刻的霜层厚度分布云图


   除雾分析：某时刻的雾层厚度分布云图

      乘员舱舒适性分析：舱内的流线图


纯电动汽车制冷循环热管理-Flownex一维仿真系统及三维耦合

6.传动系统

汽车动力传动系统起着功率传递的功能，基本部件均属高强度部件，其包含的零部件主要有：变速箱、离合器、万向节、主减速器、差速器、半轴、液力耦合器与液力变矩器等。安世亚太的ANSYS以及MBD for ANSYS为解决齿轮的轮滑、传动、强度、疲劳等评估提供了良好的工具。


差速器的润滑仿真：实验和仿真结果对比


差速器和润滑油之间、润滑油和箱体之间的换热系数结果


基于MBD for ANSYS的齿轮传动分析

7.制动系统

制动系统由操控系统、液压系统和助力系统组成，它是汽车上最主要的安全装置之一。其整体性能对汽车的操作稳定性及人员的安全性都有着直接的影响。制动系统的设计研发主要集中在制动器、调整臂、真空助力器、阀类控制及保护等部件，在CAE分析中通常需要关注这些结构的强度和变形分析、振动和噪声分析、疲劳寿命分析、温度场分析、热应力分析等。


制动尖叫仿真分析


制动器温度场分布


制动器空气流场分布

8.汽车车灯

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。


来源于灯泡的入射辐射


内外表面的灯体温度分布


车灯结露过程（蓝色为结露区）

9.其它零部件及子系统





轮胎承压分析

汽车悬挂刚分析


整车碰撞性能分析