抢占先机 “电车”话风云 | 达索系统百世慧®

海龙哥

前言

电动汽车销售逐年俱增，多个国家和地区已承诺在未来几十年逐步淘汰化石燃料汽车。电力驱动转型将成为汽车产业历史上最重大的转型之一。在电动汽车领域抢占先机的公司有望快速发展，并在竞争激烈的市场上赢得优势。
汽车的电驱化彻底颠覆了众多汽车设计的基本假设场景，在这个领域抢占领先地位，需要变革性的深度见解。仿真可帮助工程师从设计流程的最初阶段起分析并优化电动汽车的概念，发现提升车辆性能、效率、驾驶体验和审美。
达索系统的3DEXPERIENCE平台可为电动汽车设计提供一体化的解决方案。它综合了系统工程、建模、仿真和项目管理工具，实现协同工作并让开发流程更加顺畅。本白皮书主要介绍达索系统旗下品牌SIMULIA为各种电动汽车应用提供的仿真工具，包括电力驱动仿真工具和电池工程仿真工具。在3DEXPERIENCE平台上集成来自CATIA等其他达索系统品牌的多种仿真工具和产品，可以创建3DEXPERIENCE孪生模型。这是一种复杂车辆系统的虚拟再现，有助于快速灵活地评估和优化性能。这种方法能在设计与验证流程中轻松地利用仿真，并能在保证质量的前提下节省开发时间和成本。
介绍

在环保因素和经济因素的双重作用下，电动汽车市场正呈现迅猛增长的态势。政府补贴和碳排放税引导消费者选择更环保的出行方式。物流公司和交通运输公司也发现电池型电动汽车在许多路线上都有使用价值。据德勤报告预测，内燃机汽车的销量将在2025年左右陷入停滞并开始下降，到2030年电动汽车将占到汽车市场20%的份额。
目前市场上的大多数电动汽车都瞄准高端市场，主要是跑车和豪车，但随着电池成本和电机成本的降低，这些技术也能应用到其他细分市场。对汽车行业来说，这构成一个重要的转折点。能在电动汽车市场上立足的企业，将在未来占据主导地位。
从内燃机汽车向电池型电动汽车转型，同时带来新的挑战和新的机遇。去除发动机组，能为汽车腾出大量的空间，实现以其他方式无法做到的车身概念。密闭前格栅能改善汽车的空气动力学性能。电动机的噪声远低于发动机，而且需要采用不同的散热战略。
其他挑战还包括将体积重量大的电池布局在车内并使其始终保持温度合适，提供消费者期待的续航里程，为习惯使用柴汽油车的司机和乘客提供令人满意的体验。耐用性与电池退化仿真可模拟电动汽车组件在整个生命周期上的行为，从而可以在几个小时内对数年的使用情况进行分析。
最后，驾驶员与乘客的体验在汽车行业中也越来越至关重要。当前许多电动汽车的买家都期待豪华轿车或跑车的体验与性能，甚至当其他细分市场走向电驱化之际，提供最舒适、最愉悦驾驶体验的小汽车将拥有最强劲的竞争优势。达索系统长期以来一直都非常清楚消费者体验的重要性，其仿真工具可用于优化电动汽车的观感、舒适度、噪声水平和驾驶性能，确保电动汽车在速度、加速能力和续航里程等性能特征上具有完整的竞争力。
仿真的助益

仿真可用于快速低成本地构建虚拟原型。无需实际制作和测试原型与概念车，使用计算机就能设计、分析和测试。CAD数据能轻松地直接转换成仿真模型，在虚拟环境下再现逼真的测试运行场景。这样不仅可以减少所需的物理原型数量，降低测试过程中与真实测试有关的成本，节省成本与开发时间，还能在设计过程中提前测试创新与颠覆性设计概念。
此外，仿真还可以再现实验室中无法建模的现实环境。例如，道路上行驶的车辆的空气动力学可能与风洞极为不同，因为道路表面和周边环境会影响空气流。另外它还能揭示用其他方式不能觉察的效应，例如电池内的温度分布以发现热点，或电机周围的电磁波传播以发现干扰问题的根源。仿真所能提供的工程深度信息是单纯通过测量无法获取的。
为获得广泛采用，电池型电动汽车需要在续航里程和性能等指标媲美内燃机汽车。由仿真提供支持的自动优化能在相互冲突的因素间权衡出最佳取舍的设计。
此外，仿真还有助于保障质量，避免成本高昂、影响商誉的召回或质保索赔。电机需要使用多年，电池需要承受数千次的充电周期。



电动力传动系统仿真

电池工程

技术的快速发展正在不断提高电动汽车电池的容量，加快充电速度，延长使用寿命，然而电池始终都是电动汽车中体积最大、成本最高昂的电气组件。充电过程中电池要承受很大的充电电流，驾驶过程中要提供很大的放电电流。这样会产生需要安全耗散的庞大热量。
此外，电池还需要承受各种结构应力和振动。电池同时也需要耐碰撞，避免泄漏和火灾风险。我们需要了解电池的总使用寿命，以避免安全问题或质保索赔。
SIMULIA软件可提供解决电池工程与布局挑战的仿真工具。可以使用流体动力学仿真来分析液冷系统和气冷系统。可以仿真各种不同天气条件和驾驶条件下随时间推移的温度变化。穿过电池模块和电池包的气流可以可视化，以发现潜在的热点，评估不同散热策略和散热风扇设计优化，在最大限度降低噪声的同时满足散热要求。
结构考量因素，例如道路振动的影响或电池不发生破裂能承受的变形程度，也可以考虑进来。冲击仿真不仅可以虚拟地测试电池模块和电池包的耐碰撞能力，而且还避免了制作大量碰撞测试原型的成本。电池单元经过优化后，既能保障结构的完整性，也能最大限度地减轻重量。
电子电池控制系统是电动汽车系统的重要组成部分。电磁仿真可对电池和电池周边的电气组件和电子组件内的电流和物理场进行建模。可以识别和减轻功率电子产生的干扰风险，也能可视化乘客在高功率电场下的暴露情况。电磁仿真与热仿真间的关联也有助于准确预测电子装置和电缆的热情况。
电池绝非孤立的存在，而是深度嵌入在车辆中的子系统中。系统级仿真将电池模型与其他组件相连，以分析它们之间的相互作用。工程师能确保电池与车辆的其他组件协调运行，并且核验电池在不同使用场景下的行为方式。
如果要开展更完善的分析，可以在工作流程中加入其他达索系统品牌产品，如BIOVIA用于化学建模，CATIA用于电芯分析和系统级分析。3DEXPERIENCE平台跨各品牌集成达索系统软件产品，方便用户分享数据，在一个项目上综合使用不同的设计与仿真工具。



电力驱动的电磁仿真

电力驱动工程设计

电动汽车要成为主流，需要低成本、可靠且轻量化的高扭矩、高效率电机。电机是高度多物理的产品，涉及多专业领域间的相互作用：电磁、热、强度、耐用性、噪声与振动、流体与多体仿真都有发挥作用的一席之地。
电磁仿真是了解并最大化电机性能的关键。电机内的物理场和电流不但能够实现可视化，磁铁、线圈和其他组件的尺寸、布局和几何结构也能自动地进行优化。能在运动中模拟电机的旋转行为，分析齿槽转矩等瞬态效应。另外，仿真还能生成效率图，显示不同速度和转矩下的电机效率，其可用于提高电机效率和车辆续航里程。
电流和摩擦是电机发热的主要原因。电力驱动一般采用液冷，冷却系统需要在严苛的气候条件下为高转速的电机散热。仿真能计算电机内的产热量，以便工程师寻获重量和尺寸最佳权衡取舍的理想冷却系统。
润滑是另一个问题。为了让电力驱动以最高效率运行，电机内部的表面必须正确润滑，但同时应最大限度地降低润滑油导致的机械功率损耗。先进的流体动力学仿真能模拟电机内的润滑油流动，包括溅射等效应。工程师可以使用该数据优化所需的油量，这样不仅能最大限度地降低功率损耗，还能缩小驱动装置的尺寸和降低重量。
与同等功率的内燃机汽车相比，电动汽车产生的噪声要小得多，但是这两类车产生的噪声的特征迥异。电机噪声频率特征明显，而不是分散在广阔的频谱上。噪声与振动仿真特征化电机噪声，以识别不同类型噪声的来源。通过改进电机或让座舱隔绝这些频率，就能改善乘坐体验。
最后，综合不同的仿真领域，开展强度和耐用性仿真。电磁数据和热数据与电机组件结构仿真相互结合，计算出施加在电机组件上的应力。对所有不同的轴、齿轮和轴承进行建模，需要用到多体仿真。耐用性分析可计算这些应力下电机的疲劳寿命，从而帮助制造商减少质保索赔风险。
其他汽车仿真应用

仿真在电动汽车设计中所起的作用远不止电气组件。在许多设计方面，可照搬为常规汽车开发的工作流程来仿真电动汽车。这其中包括空气动力学、耐碰撞性、悬挂、车舱舒适度和轮胎工程。如欲了解有关这些课题的更多信息和白皮书，敬请访问http://3ds.com网站上的车辆电驱化趋势页面。
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