基于CAE仿真在新能源汽車中的應(yīng)用

馬 巖，王偉軍，鄭英杰，張 輝

(吉林化工學(xué)院，吉林吉林，132000)

1 新能源汽車行業(yè)背景

近年來，特別是《中國(guó)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》發(fā)布以來，各地方節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。新能源汽車將逐漸取代純油耗汽車的發(fā)展新趨勢(shì)將為我國(guó)汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

新能源汽車研發(fā)是一個(gè)及其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，汽車技術(shù)涉及到多種學(xué)科，例如電氣和電子工程、機(jī)械工程、汽車工程以及化學(xué)工程等。而科學(xué)技術(shù)的全面快速發(fā)展，要求汽車設(shè)計(jì)過程要盡可能的靈活、即時(shí)和低成本。未來汽車產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的競(jìng)爭(zhēng)將變得更為激烈。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)與嚴(yán)格的政策規(guī)定下，提高自主創(chuàng)新能力、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)成為國(guó)內(nèi)汽車廠商生存與發(fā)展的必然選擇。而CAE 仿真技術(shù)已成為汽車行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中不可缺少的技術(shù)手段。汽車研發(fā)工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進(jìn)的 CAE 仿真技術(shù)開展產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)與分析工作，在前期就進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，以避免在產(chǎn)品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問題。

作為新型產(chǎn)品，新能源汽車研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與理論尚未成熟以前，汽車工程師利用CAE 仿真技術(shù)研究各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)整車性能的影響效果以及各參數(shù)之間相互影響規(guī)律，從而在最短周期內(nèi)研制出高質(zhì)量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車。因此，CAE仿真技術(shù)將在新能源汽車研發(fā)過程中將扮演著至關(guān)重要的作用。

2 CAE仿真為新能源汽車應(yīng)用帶來 的便利

(1)降低產(chǎn)品成本。可以應(yīng)用更低價(jià)的材料達(dá)到同樣的設(shè)計(jì)性能要求。

(2)產(chǎn)品認(rèn)證。國(guó)內(nèi)外企業(yè)如國(guó)軒、力神、天能、航盛電子、比克電池產(chǎn)品都要求提供CAE仿真報(bào)告。在提供的材料參數(shù)和工作情況完全準(zhǔn)確的情況下，仿真的可靠性能高達(dá)90% 。

(3)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。在產(chǎn)品開模之前，提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)問題。無需調(diào)動(dòng)工程和產(chǎn)線人員反復(fù)制樣，改模。應(yīng)用CAE提前發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化，能夠讓新產(chǎn)品1-2次開模便可通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品開發(fā)流程

(4)提高產(chǎn)品性能及可靠性。CAE仿真能模擬產(chǎn)品在未來工作環(huán)境的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為，在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷、并對(duì)其修改，并證實(shí)未來工程、產(chǎn)品性能的可行性和可靠性。

3 CAE仿真在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用案例

以新能源汽車為例，CAE仿真在新能源汽車研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了機(jī)械、流體動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域，主要解決電氣傳動(dòng)系統(tǒng)單個(gè)部件：電池組、牽引電動(dòng)機(jī)、電力電子器件等的開發(fā)問題，以及子系統(tǒng)之間的集成和電磁干擾、復(fù)雜電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，此外還有新能源汽車NVH特性、輕量化、安全性等性能分析優(yōu)化。

(1)電池組仿真分析

1)電池組熱管理：根據(jù)溫度場(chǎng)分布設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)；

2)電池的機(jī)械性能分析：碰撞，碾壓，針刺對(duì)電池的影響；

3)電池的電性能分析：過充/過放，大電流，充/放，外部短路對(duì)電池的影響；

4)噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度分析：流動(dòng)噪聲，結(jié)構(gòu)振動(dòng)；

5)結(jié)構(gòu)的耐久性分析。

熱仿真模型(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在不影響仿真結(jié)果的情況下幾何模型做了一定的簡(jiǎn)化)

圖2 熱仿真模型

注：材料的導(dǎo)熱率設(shè)定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據(jù)部件所使用的實(shí)際材料的導(dǎo)熱率給定；如果是復(fù)合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡(jiǎn)化模型繪制的，則材料導(dǎo)熱率，按照集總參數(shù)法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，如電芯等。

(2)電動(dòng)機(jī)仿真分析

1)電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化：計(jì)算轉(zhuǎn)矩曲線，優(yōu)化電磁參數(shù)；

2)熱分析：設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，防止熱損耗；

3)振動(dòng)分析：降低電機(jī)噪聲；

4)系統(tǒng)集成：優(yōu)化電動(dòng)機(jī)及控制器；

5)結(jié)構(gòu)耐久性分析。

圖3 電動(dòng)機(jī)仿真模型

在新能源汽車牽引電動(dòng)機(jī)的研發(fā)中，設(shè)計(jì)者要重點(diǎn)考慮電動(dòng)機(jī)的電磁問題。首先根據(jù)最初的三維圖紙及裝配體的相關(guān)工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，在電子設(shè)計(jì)軟件中定義電動(dòng)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)等，此外還要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的電氣特性。然后將這些輸出的模型和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電磁仿真軟件中，模擬電動(dòng)機(jī)的三維電磁場(chǎng)，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，如圖3所示。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線可以反映出：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)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)如永磁體的尺寸來調(diào)整設(shè)計(jì)，通過參數(shù)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、成本之間做出最優(yōu)匹配，優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。

(3)電力電子器件仿真分析

在對(duì)新能源汽車電力電子器件進(jìn)行熱分析的時(shí)候，工程師需要先通過電子電路仿真軟件建立電力電子器件系統(tǒng)仿真分析模型，通常包括控制算法器件模型、電動(dòng)機(jī)器件模型、各器件模型的電力特性(如通斷電壓、電流波形等)，以及器件模型之間的控制算法邏輯。通過電子電路仿真分析軟件確定出車輛在加速、巡航和制動(dòng)等過程中任意給定時(shí)刻、整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)電流的變化情況。

1)控制邏輯優(yōu)化：在不同驅(qū)動(dòng)工況下，優(yōu)化電氣傳動(dòng)動(dòng)力集成部件及系統(tǒng)；

2)熱管理：電磁損耗散熱方式和路徑設(shè)計(jì)；

3)熱應(yīng)力分析：優(yōu)化由熱應(yīng)力和電磁力產(chǎn)生的機(jī)械形變問題。

(4)電磁兼容仿真分析

與傳統(tǒng)汽車研發(fā)不同，在新能源汽車設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮大量機(jī)電器件的電磁兼容性(EMC)，避免出現(xiàn)電磁干擾。主要存在兩類電磁干擾問題：通過載流結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的電磁場(chǎng)引起的能量反射波對(duì)其它相連部件形成潛在威脅；通過空氣輻射的電磁場(chǎng)影響其它電子系統(tǒng)。這兩類電磁干擾問題都必須被充分考慮，工程師必須對(duì)車輛關(guān)鍵器件進(jìn)行電磁兼容分析，如圖4所示。

1)在樣機(jī)制造之前進(jìn)行電磁兼容分析；

2)減少電磁兼容的測(cè)試；

3)電機(jī)、母排、控制器等部件的電磁兼容分析。

圖4 電磁兼容仿真模型

(5)汽車輕量化仿真分析

基于輕量化仿真需求，通過將材料的各項(xiàng)特性準(zhǔn)確的映射到結(jié)構(gòu)分析CAE模型中，可提升計(jì)算結(jié)構(gòu)CAE的求解精度，提高驗(yàn)證可靠性；降低產(chǎn)品重量，節(jié)約材料成本；降低產(chǎn)品厚度，加快生產(chǎn)效率。通過歐特克所提供的異步仿真分析，優(yōu)化傳統(tǒng)開發(fā)流程，將產(chǎn)品力學(xué)問題在設(shè)計(jì)階段解決。通過虛擬驗(yàn)證替代試驗(yàn)驗(yàn)證，縮短開發(fā)周期，節(jié)約大量開發(fā)成本，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。強(qiáng)大的Nastran求解器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，基于給定的約束和載荷工況，自動(dòng)獲得最佳的產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)以仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的變革，將優(yōu)化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

(6)汽車風(fēng)擋聲學(xué)性能仿真分析

圖5 風(fēng)擋聲學(xué)性能仿真

擋風(fēng)玻璃對(duì)乘客艙內(nèi)振動(dòng)與聲學(xué)特性影響顯著。寶馬公司使用CAE仿真分別研究風(fēng)擋的振動(dòng)與隔聲性能。實(shí)驗(yàn)裝置中將風(fēng)擋懸掛，使用點(diǎn)力激勵(lì)，測(cè)量風(fēng)擋的振動(dòng)加速度響應(yīng)。CAE仿真計(jì)算，可以完全模擬風(fēng)擋三層結(jié)構(gòu)：玻璃-PVB-玻璃結(jié)構(gòu)，模型包含三層風(fēng)擋結(jié)構(gòu)以及乘客艙內(nèi)部空間。CAE中可以施加擴(kuò)散聲場(chǎng)、湍流邊界層、脈動(dòng)壓力等激勵(lì)方式，獲得風(fēng)擋振動(dòng)響應(yīng)以及車內(nèi)聲場(chǎng)分布，如圖5所示。

(7)氣動(dòng)噪聲仿真分析

圖6 空調(diào)通風(fēng)仿真

CAE被汽車企業(yè)用于計(jì)算空調(diào)通風(fēng)口、管道流動(dòng)、換熱風(fēng)扇、車身外部氣動(dòng)噪聲、排氣管等氣動(dòng)噪聲。車載空調(diào)對(duì)車內(nèi)乘車環(huán)境有重要影響，傳統(tǒng)的通風(fēng)、溫度控制等功能是汽車空調(diào)行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、氣動(dòng)等噪聲源的降低，空調(diào)噪聲對(duì)乘客艙內(nèi)舒適性有越來越重要的影響。CAE仿真軟件可模擬空調(diào)通風(fēng)情況，如圖6所示。

(8)整車聲學(xué)仿真分析

對(duì)高阻尼或多孔部件的模擬(這些部件一般被稱為Trim部件)。這些部件可以通過CAE在物理坐標(biāo)下進(jìn)行模擬，并和整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型進(jìn)行耦合，如圖7所示。

圖7 整車聲學(xué)仿真

本田汽車整車分析中，首先對(duì)車內(nèi)聲空間與車身剛體結(jié)構(gòu)使用結(jié)構(gòu)軟件提取模態(tài)，對(duì)于高阻尼與吸聲材料，使用物理坐標(biāo)建模。CAE軟件將吸聲材料投射于車身以及車內(nèi)空間模態(tài)基上，流固耦合并建立物理坐標(biāo)與模態(tài)坐標(biāo)的混合模型進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。本田使用CAE計(jì)算了從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管到乘客艙人耳位置的傳遞函數(shù)，并且針對(duì)汽車內(nèi)飾與車窗進(jìn)行隔聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(9)內(nèi)飾件聲學(xué)仿真分析

為了提高汽車的隔聲、隔振性能，車身設(shè)計(jì)中通常加入一層多孔介質(zhì)材料，如玻璃棉、巖棉、地氈等。這種用于絕熱處理的材料對(duì)車輛內(nèi)部隔絕外部噪音、降低振動(dòng)有著重要影響。

CAE能夠建立包含內(nèi)飾件的汽車部件模型或整車模型，評(píng)價(jià)內(nèi)飾件隔聲、隔振效果，幫助工程師進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8 內(nèi)飾件聲學(xué)仿真

邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲性能有重要影響，通常聲學(xué)軟件只能設(shè)定固支、簡(jiǎn)支等簡(jiǎn)化邊界條件。這樣給結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能評(píng)價(jià)帶來很大的不確定性，低頻段聲振特性更是難以取信。為了解決邊界條件定義問題，CAE軟件支持超單元應(yīng)用，將整車模態(tài)信息加載于結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點(diǎn)上作為邊界條件，這樣計(jì)算結(jié)果更貼近真實(shí)工況。

(10)輪胎噪聲仿真分析

在干燥路面上，當(dāng)汽車時(shí)速達(dá)到 100 公里時(shí)，輪胎噪聲成為整車噪聲的重要噪聲源。而在濕路面上，即使車速低，輪胎噪聲也會(huì)蓋過其它噪聲成為最主要的噪聲源。眾多輪胎企業(yè)如固特異、米其林等使用 ACTRAN 軟件進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)。輪胎振動(dòng)與輪胎的剛度和阻尼有關(guān)，剛度增大(例如輪胎簾布層數(shù)目增加)，阻尼減少，輪胎的振動(dòng)就會(huì)增大，噪聲也隨之增加。要降低輪胎的噪聲，胎面可采用多種花紋節(jié)距，采用高阻尼橡膠材料，調(diào)整好輪胎的負(fù)載平衡以減少自激振動(dòng)等，如圖9所示。

CAE在輪胎噪聲分析應(yīng)用包含以下幾方面：

1)不同輪胎紋理噪聲頻譜特性分析；

2)輪胎噪聲喇叭口效應(yīng)分析；

3)低噪聲路面對(duì)輪胎噪聲影響分析；

4)輪胎噪聲耦合模型分析。

圖9 輪胎噪聲仿真

4 結(jié)論

汽車企業(yè)應(yīng)用 CAE 仿真進(jìn)行車型開發(fā)已有多年的歷史，積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，逐漸形成一套行之有效的仿真技術(shù)體系。新能源汽車的使用已經(jīng)越來越受歡迎并逐漸成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，迎合世界新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，以新技術(shù)研發(fā)為核心，搶占新能源汽車發(fā)展制高點(diǎn)，提升自主創(chuàng)新能力，是我國(guó)新能源汽車領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。借助CAE仿真技術(shù)替代反復(fù)使用物理樣機(jī)試驗(yàn)，工程師可以充分利用CAE仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模流、鑄造、電子散熱、聲場(chǎng)、連接器多方面多學(xué)科的仿真分析，更快開發(fā)出安全可靠性好、性價(jià)比高的新能源汽車產(chǎn)品。