基于CAE仿真在新能源汽车中的应用

马 岩，王伟军，郑英杰，张 辉

(吉林化工学院，吉林吉林，132000)

1 新能源汽车行业背景

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的发展新趋势将为我国汽车工业的跨越式发展提供了前所未有的机遇与挑战。

新能源汽车研发是一个及其复杂的系统工程，汽车技术涉及到多种学科，例如电气和电子工程、机械工程、汽车工程以及化学工程等。而科学技术的全面快速发展，要求汽车设计过程要尽可能的灵活、即时和低成本。未来汽车产品质量和技术水平的竞争将变得更为激烈。在激烈的市场竞争与严格的政策规定下，提高自主创新能力、实现转型升级成为国内汽车厂商生存与发展的必然选择。而CAE 仿真技术已成为汽车行业产品研发过程中不可缺少的技术手段。汽车研发工程师在研发环节引入先进的 CAE 仿真技术开展产品辅助设计与分析工作，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。

作为新型产品，新能源汽车研发经验与理论尚未成熟以前，汽车工程师利用CAE 仿真技术研究各设计参数对整车性能的影响效果以及各参数之间相互影响规律，从而在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车。因此，CAE仿真技术将在新能源汽车研发过程中将扮演着至关重要的作用。

2 CAE仿真为新能源汽车应用带来 的便利

(1)降低产品成本。可以应用更低价的材料达到同样的设计性能要求。

(2)产品认证。国内外企业如国轩、力神、天能、航盛电子、比克电池产品都要求提供CAE仿真报告。在提供的材料参数和工作情况完全准确的情况下，仿真的可靠性能高达90% 。

(3)缩短产品开发周期。在产品开模之前，提前发现并解决设计问题。无需调动工程和产线人员反复制样，改模。应用CAE提前发现问题并优化，能够让新产品1-2次开模便可通过设计标准，大大缩短产品研发周期，如图1所示。

图1 产品开发流程

(4)提高产品性能及可靠性。CAE仿真能模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改，并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性。

3 CAE仿真在新能源领域的应用案例

以新能源汽车为例，CAE仿真在新能源汽车研发应用领域涵盖了机械、流体动力学、热学、声学、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

1)电池组热管理：根据温度场分布设计散热系统；

2)电池的机械性能分析：碰撞，碾压，针刺对电池的影响；

3)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；

4)噪声、振动和声振粗糙度分析：流动噪声，结构振动；

5)结构的耐久性分析。

热仿真模型(根据经验在不影响仿真结果的情况下几何模型做了一定的简化)

图2 热仿真模型

注：材料的导热率设定，如果是单一材料部件，如外壳等，根据部件所使用的实际材料的导热率给定；如果是复合材料部件或多种材料组合的部件，而在3D模型中是通过简化模型绘制的，则材料导热率，按照集总参数法，根据经验给定当量导热系数，如电芯等。

(2)电动机仿真分析

1)电磁设计优化：计算转矩曲线，优化电磁参数；

2)热分析：设计散热系统，防止热损耗；

3)振动分析：降低电机噪声；

4)系统集成：优化电动机及控制器；

5)结构耐久性分析。

图3 电动机仿真模型

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，如图3所示。

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。

(3)电力电子器件仿真分析

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。

1)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；

2)热管理：电磁损耗散热方式和路径设计；

3)热应力分析：优化由热应力和电磁力产生的机械形变问题。

(4)电磁兼容仿真分析

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，如图4所示。

1)在样机制造之前进行电磁兼容分析；

2)减少电磁兼容的测试；

3)电机、母排、控制器等部件的电磁兼容分析。

图4 电磁兼容仿真模型

(5)汽车轻量化仿真分析

基于轻量化仿真需求，通过将材料的各项特性准确的映射到结构分析CAE模型中，可提升计算结构CAE的求解精度，提高验证可靠性；降低产品重量，节约材料成本；降低产品厚度，加快生产效率。通过欧特克所提供的异步仿真分析，优化传统开发流程，将产品力学问题在设计阶段解决。通过虚拟验证替代试验验证，缩短开发周期，节约大量开发成本，降低开发风险。强大的Nastran求解器拓扑结构优化设计功能，基于给定的约束和载荷工况，自动获得最佳的产品几何结构，真正实现以仿真驱动设计的变革，将优化设计贯穿整个设计过程。

(6)汽车风挡声学性能仿真分析

图5 风挡声学性能仿真

挡风玻璃对乘客舱内振动与声学特性影响显著。宝马公司使用CAE仿真分别研究风挡的振动与隔声性能。实验装置中将风挡悬挂，使用点力激励，测量风挡的振动加速度响应。CAE仿真计算，可以完全模拟风挡三层结构：玻璃-PVB-玻璃结构，模型包含三层风挡结构以及乘客舱内部空间。CAE中可以施加扩散声场、湍流边界层、脉动压力等激励方式，获得风挡振动响应以及车内声场分布，如图5所示。

(7)气动噪声仿真分析

图6 空调通风仿真

CAE被汽车企业用于计算空调通风口、管道流动、换热风扇、车身外部气动噪声、排气管等气动噪声。车载空调对车内乘车环境有重要影响，传统的通风、温度控制等功能是汽车空调行业关注的重点。随着发动机、轮胎、气动等噪声源的降低，空调噪声对乘客舱内舒适性有越来越重要的影响。CAE仿真软件可模拟空调通风情况，如图6所示。

(8)整车声学仿真分析

对高阻尼或多孔部件的模拟(这些部件一般被称为Trim部件)。这些部件可以通过CAE在物理坐标下进行模拟，并和整体结构的模态模型进行耦合，如图7所示。

图7 整车声学仿真

本田汽车整车分析中，首先对车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建模。CAE软件将吸声材料投射于车身以及车内空间模态基上，流固耦合并建立物理坐标与模态坐标的混合模型进行声学计算。本田使用CAE计算了从发动机排气管到乘客舱人耳位置的传递函数，并且针对汽车内饰与车窗进行隔声优化设计。

(9)内饰件声学仿真分析

为了提高汽车的隔声、隔振性能，车身设计中通常加入一层多孔介质材料，如玻璃棉、岩棉、地毡等。这种用于绝热处理的材料对车辆内部隔绝外部噪音、降低振动有着重要影响。

CAE能够建立包含内饰件的汽车部件模型或整车模型，评价内饰件隔声、隔振效果，帮助工程师进行声学优化设计，如图8所示。

图8 内饰件声学仿真

边界条件对结构隔声性能有重要影响，通常声学软件只能设定固支、简支等简化边界条件。这样给结构声学性能评价带来很大的不确定性，低频段声振特性更是难以取信。为了解决边界条件定义问题，CAE软件支持超单元应用，将整车模态信息加载于结构边界节点上作为边界条件，这样计算结果更贴近真实工况。

(10)轮胎噪声仿真分析

在干燥路面上，当汽车时速达到 100 公里时，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其它噪声成为最主要的噪声源。众多轮胎企业如固特异、米其林等使用 ACTRAN 软件进行声学设计。轮胎振动与轮胎的刚度和阻尼有关，刚度增大(例如轮胎帘布层数目增加)，阻尼减少，轮胎的振动就会增大，噪声也随之增加。要降低轮胎的噪声，胎面可采用多种花纹节距，采用高阻尼橡胶材料，调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动等，如图9所示。

CAE在轮胎噪声分析应用包含以下几方面：

1)不同轮胎纹理噪声频谱特性分析；

2)轮胎噪声喇叭口效应分析；

3)低噪声路面对轮胎噪声影响分析；

4)轮胎噪声耦合模型分析。

图9 轮胎噪声仿真

4 结论

汽车企业应用 CAE 仿真进行车型开发已有多年的历史，积累了大量的实践经验，逐渐形成一套行之有效的仿真技术体系。新能源汽车的使用已经越来越受欢迎并逐渐成为社会发展的必然趋势，迎合世界新能源汽车产业发展趋势，以新技术研发为核心，抢占新能源汽车发展制高点，提升自主创新能力，是我国新能源汽车领域未来的发展方向。借助CAE仿真技术替代反复使用物理样机试验，工程师可以充分利用CAE仿真技术对产品进行模流、铸造、电子散热、声场、连接器多方面多学科的仿真分析，更快开发出安全可靠性好、性价比高的新能源汽车产品。