IDAJ针对新能源汽车的模拟全面解决方案

艾迪捷信息科技（上海）有限公司（简称IDAJ）是亚太地区最大的流体分析、仿真技术咨询和综合CAE/CFD软件供应商之一，长期与多所全球知名的高校和科研机构合作，具有丰富的汽车行业咨询经验。其拥有200多位经验丰富的技术工程师，每年完成近500件以汽车行业为中心的咨询案例。

IDAJ针对新能源汽车的模拟提供了全面的解决方案。下面对IDAJ系列产品在新能源汽车模拟解决方案中的应用进行介绍。

•  新能源电池一维、三维模拟分析

不管是混合动力汽车还是纯电动车，都需要电池提供动力源。而电池组的热管理、冷却系统设计分析，电池启动性能、输出性能、可靠性和安全性等，都直接影响电动车的整体性能；因此对电池和电池组进行相关的模拟分析就非常必要，Autolion即可对上述问题进行很好的分析。

Autolion专门针对电动车用锂离子电池的电化学动力学和传热进行建模，可以对电池的电化学反应、电池组温度分布的均匀性和输出性能、循环寿命以及安全性等进行模拟分析和评估。

1. 单电池模拟

    电动车所用的锂离子电池，为大尺度电池，电极面积很大，因此其表面的电流密度、温度和锂离子浓度等分布的均匀性会对电池性能产生很大影响。Autolion中的锂离子电池模块可以很好模拟单电池的电流密度、电势、温度以及锂离子浓度分布规律等。图1给出了一锂离子电池电极表面在不同时刻的电流密度分布。 

图1 锂离子电池结构（左）和电极表面电流密度分布（上：t=100s，下：t=3500s）

 AutoLion具有四种电池老化机理模型，可以对电池寿命进行准确模拟。图2给出了两个电池寿命衰减预测与实验结果对比的案例。

图2 电池寿命衰减预测与实验结果的对比案

2. 电池组模拟

    对于由若干个单电池组成的电池组而言，单电池输出性能的差异以及电池组的热管理是非常重要的，它们直接影响电池组的整体输出性能。图3 给出了电池系统某个电池组中各个单电池的温度分布、不同时刻的电流密度分布以及锂离子的浓度分布差异。

图3 锂离子电池组的性能模拟

 3. 安全性分析

    实际电池在电动车上运行时，由于工况的不确定性，由意外导致的电池损伤不可避免。而这种损伤，可能会给汽车带来严重的危险。IDAJ的锂离子电池模块可以模拟由尖锐物体刺入电池导致的短路过程极其危害。图4给出了一个这样的案例展示。

图4 针刺导致的短路模拟

4. 电池封装热管理

对于由电池系统组成的动力舱而言，其热管理不但影响电动车性能，还具有安全性的考量。Autolion-3D/Fluent可以很方便地对电池系统进行散热分析和冷却系统的优化设计。

• 新能源电机性能模拟

电池输出电能后，必须由电机带动传动系统汽车才会正常运转。因此电机的性能，也直接决定了汽车的运转性能。而JMAG软件可以提供电动汽车应用中电机的全方位的，系统的解决方案。包括永磁电机的充磁分析、电枢反应退磁分析、交直轴电感分析、cogging torque分析、铁耗分析、效率分析、温升分析以及振动和噪声分析等。

JMAG软件是由日本JSOL公司开发的，自1983年商业化以来，在日本的市场占有率始终保持第一的位置。在日本电机领域分析了大量各种类型的电机，经历了时间和实践的检验。日本汽车在新能源领域一直保持领先的发展与JMAG持续提高的电磁分析能力也有着很大的关系.，目前JMAG在国内也有着非常高的知名度，尤其是在新能源汽车的应用领域，已成功的国内知名汽车公司的新能源部门建立了良好的合作关系，越来越多的汽车厂商开始把JMAG作为新能源汽车中电机的最重要的电磁分析工具。

JMAG软件在电动汽车应用领域最大的优势就是可以非常精确的计算电机的损耗， 从而可以非常有效的提高所设计电机的效率。

JMAG电磁分析软件可以提供输入铁磁材料的各种不同频率下的损耗曲线，然后根据此损耗曲线来计算电机实际工作状态下的具体铁耗，如图5所示：

当我们建立好模型，完成各种材料设置，完成电机的运动设置和网格设置之后，经过对电机进行瞬态仿真，分析出电机的磁密分布和磁矢量图，如图6所示：

 图7给出了电机的转矩和功率：

同时JMAG软件可以直接通过软件计算出电机绕组的铜耗， 计算出电机定、转子的铁耗，我们把电机的铁耗计算工具直接融合在软件中， 可以非常容易，快速，精确的得到各种损耗的计算结果，如图8所示：

另外除了可以计算出电机的损耗总值之外， 还可以计算出电机的定、转子铁耗的分布云图，如图9所示：

 图9 铁耗分布云图

当清楚的计算出电机的转矩、功率、各个损耗以及损耗分布之后，我们可以很好的判断电机的性能是否达标， 损耗是否很小，在某些地方是否达到磁饱和，在局部是否形成很小的磁回路，等等。相信JMAG软件在我们电动汽车的整体解决方案中一定可以通过大量的优化设计为我们提供一款高效率、小体积的优质电动机。

•  新能源电机一维、三维散热分析

    由于对电机的要求越来越高，由于是新能源汽车所普遍采用的永磁同步电机，要求电机的功率密度尽量做到更高，这样就带来了一个问题：电机散热。电机温度过高会破坏电机的绝缘，也容易使永磁材料发生退磁。这些都会降低电机的可靠性和性能，因此需要对电机及其系统进行散热分析和散热结构的设计优化。传统的热路法，由于散热结构比较复杂，很多参数难于准确得到，所以计算精度不高。利用有限元软件对电机进行散热分析，可以准确得到电机的温升状况，校核电机的散热能力，保证电机的性能和可靠性。

• 新能源混合动力/纯电动车的整体和分系统性能分析

上面介绍了电池和电动机的模拟分析工具和方法。而整个电动车要达到良好的运行效果，必须是各个系统整合的结果。因此需要对电动车的系统/分系统的性能和响应特性进行仿真分析。在这方面，GT-SUITE软件是非常好的选择。GT-SUITE是一个完整的、自成体系的发动机/整车开发平台，应用涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、润滑系统、空调系统、机舱热管理、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构、整车液压系统和HIL仿真等多个方面。

GT-SUITE在新能源汽车上的典型应用包括以下内容：循环行驶工况、爬坡性能分析、稳态行驶性能分析、各挡性能计算、最高车速计算、全负荷加速性能计算、各挡最大加速度计算、原地起步连续换档加速性能计算、超车加速性能计算、最大牵引力计算及巡航行驶工况计算和制动/滑行/反拖性能分析。

下面给出了GT-SUITE在混合动力汽车方面的两个应用案例：

1.       多种配置的混合动力汽车（HEV）评估与优化

大众汽车公司为了分析不同的配置的混合动力汽车的优缺点，在同一GT-SUITE建立的模型中，通过控制体现各种配置方案，并非常的方便在不同配置之间的相互转换。简化了分析工程师建模强度，提高效率，减少模型的数量，规范了建模与分析的流程，并有效的实现多个部门之间的模型共享。

下图10所示，在一个模型中就能实现三种不同的配置方式，并在每一种配方式中进行相应的评估、优化与对比。

目的：比较与优化多种配置方式

1.   功率分离的混合动力汽车研究

详细建立特定的HEV模型，并分析车辆运行特定的NEDC循环时，能量的实际消耗情况，并与传统的车辆进行能耗对比，得出能量的节省情况，以及节省能量中相应的能量分布情况，为各HEV的控制策略、系统配置等的优化提供参考。如图11所示。

目的：研究HEV的功率分析需求

• 优化分析

    上述软件工具可以实现单组参数（或几组参数）的模拟分析，但若涉及多组、多变量甚至多目标的优化问题时，单靠人工的选择计算已经不能满足实际的设计需求。因此在实际汽车系统的设计当中，多目标优化软件同上述软件的结合，就成为一种必要。

modeFRONTIER是意大利ESTECO公司开发并在全球推广的多目标优化软件。该软件可以集成多种CAD、CAE、CFD软件。在新产品仿真探索优化方面有着良好的应用价值。modeFRONTIER在产品设计初期使用DOE功能对新产品进行探索，在新产品性能指标约束范围内探索出新产品的设计方案。进而应用modeFRONTIER的强大的集成功能和优化功能，对新产品的学科性能进行分析与优化。新产品总体设计方案中应用modeFRONTIER的强大的(MCDM)多准则决策功能,形成最终的新产品方案。

    通过DOE探索出影响主要性能的变量因子。对该变量因子进行稳健性仿真分析。在modeFRONTIER通过仿真分析与优化后车辆的平顺性和操控性能更加灵活稳定。大量的DOE数据分析完成后应用modeFRONTIER丰富的响应面技术，拟合出响应面近似方程。在仿真设计初期大大减少了仿真次数。

实例应用：电机驱动控制系统复合领域的最优化。

在电机设计中，电机的损失是必须关心的部分，由于电机的损失有很多种，其中电磁钢板的铁损是非常重要的组成部分，而降低铁损往往会带来成本的提高，本例主要通过modeFRONTIER+JMAG+SIMULINK耦合优化异步电机的控制系统，通过改变载波频率和电磁钢板材料，在保持电机输出扭矩的基础上降低异步电机的铁损，最小化电机成本。整个优化流程非常简洁，通过计算节点，modeFRONTIER驱动JMAG，SIMULINK软件进行计算，采用FMOGA-II算法首先进行初略优化，然后再采用NSGA-II优化算法对目标进行更精细化优化。最终集成模型如图12所示，图13为目标结果的离散点图，其中圆圈的颜色代表价格指数的大小，红色为最高。通过优化找到了最适合我们要求的设计参数，增强了设计，提高了产品竞争力。

IDAJ利用最新的CAE仿真软件和前沿的技术实力，已形成混合动力、纯电动车全面的解决方案，如需要进一步信息，欢迎联系marketing@idaj.cn