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yabo亚博娱乐场致力于新能源汽车研发中CAE技术的应用

2018-11-22 10:24

越来越多的汽车厂商投入更多到新能源汽车的研发制造当中,要设计非常复杂可靠的下一代电气传动系统,使用缓慢和低效的、反复样机试验的研制方法已不能满足快速设计的需求。

为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车,工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术,来替代传统的反复使用物理样机验证方法,帮助工程师在汽车物理样机制造之前,就能够有效地评估多个供选方案,进行许多假设分析研究,预测车辆在实际驾驶情况下的性能。

一、未来汽车工业发展趋势——新能源汽车

中国汽车产业经过半个多世纪的努力,已形成完整的工业体系,并成为国民经济的重要支柱产业,我国汽车产销量多次跃居世界汽车产销量首位。然而,随着汽车保有量的快速增长,由此带来的环境和能源问题日益突出。

全国各地地持续的雾霾天气,关于PM2.5的讨论让广大人民群众对于治理大气污染的呼声日益高涨。石油资源逐渐短缺造成的能源危机也不容忽视,因此,节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起,更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车——新能源汽车产业呈现出强劲的发展势头。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、太阳能电池汽车,以及生物燃料汽车和其它燃气汽车等。

目前新能源汽车产业发展主要集中在混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上。

混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle,HEV)是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车;

纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)是指完全由可充电电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力源的汽车;

燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle,FCV)则是以氢气、甲醇等为燃料,通过化学反应产生电流,依靠电机驱动的汽车。

新能源汽车使用替代能源,减少了燃油的消耗和有害气体的排放,满足了汽车行业日益凸显的节能与环保需求,因此成为世界各大汽车厂商研究的热点,同时也得到了各国政府政策的大力支持。

2012年国务院印发《节能减排“十二五”规划》,将节约和替代石油列为节能减排重点工程,发展节能汽车成为当前落实国务院加强节能减排工作重要部署的重大举措。新能源汽车是国务院确定的重要战略性新兴产业,是我国最具发展潜力的重要领域之一。

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,成为未来汽车行业发展的新趋势。

二、新能源汽车研发中面临的主要挑战

然而由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别,在新能源汽车的设计研发环节,汽车工程师面临着诸多挑战,关键部件包括动力电池组、牵引电动机及发电机、功率电子器件等,除了这些关键部件的设计中涉及到复杂的物理问题之外,还存在系统集成时电磁部件之间的电磁兼容/电磁干扰等问题。

汽车NVH性能、轻量化、安全性研究也是新能源汽车研发时必须考虑的因素。

电动汽车透视图

1.电池组

在混合动力汽车和纯电动汽车中,电池组是车辆最主要的动力来源,同时也为众多的电动辅助系统提供能量。因此电池组的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指标将直接关系到车辆动力性能。在设计电池组的时候,在保证高水平容量和输出功率的基础上,工程师还必须考虑热、结构、电磁因素对电池组及电池单体的影响。

电动汽车电池组

电池组在充、放电的时候会产生热,长时间工作在比较恶劣的热环境中,将会缩短电池使用寿命、降低电池性能。电池组内部单体之间温度分布不均匀导致温差过大,就会形成有害的电流回路也会缩短电池的寿命。要管理电池组发热问题,就需要根据电池组内部温度场分布来设计一个风冷或水冷的冷却系统,而设计高效的冷却系统则涉及到传热学和流体动力学等知识。

电池组的安装位置、结构分布会影响车内空间大小,在一系列驾驶条件下,电池组不同的安装位置还会影响其所受各种应力,这时候需要考虑是否会引发安全问题,一旦电池结构被破坏可能释放出有毒酸液对乘客造成危险。在外加热、过充、过放、针刺、重压及外部短路等多种工况变化情况下,电池组能否安全保证工作性能也是需要研究的。

2.电动机

电动机是新能源汽车驱动系统中必不可少的部分,它决定了将多少蓄电池的电能转化为机械能来驱动车辆运行,消费者都期望汽车具有高燃油效率,它在很大程度上影响了消费者的购买决策。而电动机工作效率与其电磁特性密切相关,因此研究电磁问题、设计出高效率的电动机是新能源汽车电气传动系统研发最重要的挑战之一。

电动汽车电动机

此外,混合动力和纯电动汽车所用的牵引电动机可能面临非常严苛的工作环境,电动机持续工作在极端温度条件、剧烈振动、大工作循环及崎岖路面条件下。在混合动力汽车中,电动机还受发动机产生的高温影响。这些因素要求电动机必须具有很高的可靠性和安全性。

3.电力电子器件

在新能源汽车的电气传动系统中,电力电子器件精确地控制着蓄电池与牵引电动机、发电机之间的能量传输,并根据路况和驾驶员指令做出逻辑判断来调节电气传动系统。电力电子器件根据传感器监测到的位置、速度、温度等反馈信号,严格控制着蓄电池提供给牵引电动机的电能,为了保证汽车在各种驾驶条件下都能以最高效率工作,电力电子系统必须具备良好的性能。

与电池组一样,热管理也是新能源汽车电力电子设计所关注的一个主要问题。由电气传动系统传递到车轮和再生制动充入电池的所有能量都需要通过电力电子器件完成,因此即使电子器件极微小的功率损失也能产生大量的热。

不同工作环境下,电力电子系统中产生的热量都需要严格控制并做好散热,避免电子元器件及其周边部件的热损坏。这需要对电力电子器件中的电磁损耗做精确计算并研究出相关的散热方式。为了确保最有效的冷却,还要根据电力电子系统具体情况进行散热路径设计。

除了热管理,新能源汽车中电力电子控制逻辑也是需要严格设计的,在不同的驱动工况下对电气传动动力集成部件及系统进行优化。

4.电磁兼容

电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作,而且不对该环境中其它任何事物构成不能承受的电磁骚扰。新能源汽车中应用了高压和大电流的大功率电子变换装置和驱动电机,而且车上的电子电气设备繁多,设备的电磁敏感度也各不相同,整个车辆处于很复杂的电磁环境中。

因此在新能源汽车中,各种电气元件之间的电磁兼容性就成为一个重要的问题,如果不解决这些问题,电磁干扰就会破坏信号传递和检测并影响电动机正常工作,甚至引发安全问题。

为达到电磁兼容性的设计要求,要分析各种电磁干扰源,确定干扰路径和耦合方式,然后根据具体情况采取有效的抑制干扰、消除干扰的措施。必须通过电磁学分析来仔细研究电气元件之间的电磁干扰影响,在电气传动系统逻辑控制中也要考虑。这就需要全面地研究电动机及其周围电磁部件内和周边的电磁场,这些部件在工作时又是相互连通、耦合的,这对电磁兼容性分析、解决电磁干扰问题提出了更高的要求。

5.其它挑战

NVH性能

随着收入水平的提高,消费者越来越看重汽车NVH性能指标(噪音Noise、振动Vibration、平稳Harshness三项,即乘坐“舒适感”),而对于新能源汽车而言,由于其内部布置、动力总成的结构与振动特性与传统汽车完全不同,不能通过已有经验和方法来研究其动力总成和底盘悬架的振动特性对NVH性能的影响。

在噪音优化方面,还需要分析电池组中电液流动噪声、驱动电机和发电机的转动和振动噪声。

汽车轻量化

轻量化一直是汽车研发中重要的一点,可以提升汽车动力性能和操控性、减少能源消耗和排放物。对于新能源汽车更是如此,降低车重对于延长昂贵的蓄电池组使用寿命、提高能源转换效率有着重大意义。然而受制于蓄电池的高质量密度,新能源汽车的轻量化工作也具有一定难度。

安全性

安全性是汽车研发中不得不考虑的问题,新能源汽车的安全性同样备受关注。但是在新能源汽车的安全性指标上,除了要满足常规的安全碰撞标准之外,还要考虑可能发生的电池燃烧、高压漏电、电磁干扰带来的安全隐患。

传统汽车使用的电池电压只有几十伏,而混合动力汽车或纯电动汽车所用电池电压少则100多伏,多则300多伏,一旦发生漏电对人体的伤害将是致命的。电磁干扰可能导致汽车操控系统失灵,电池燃烧也会导致爆炸,这些都给汽车安全分析提出了更高的要求。

三、CAE技术在新能源汽车研发中的应用

新能源汽车固然是未来汽车发展的趋势,越来越多的汽车厂商也会投入更多到新能源汽车的研发制造当中,越早推出产品越有利于占领市场。但与此同时原始设备制造商和供应商都面临着研发难题,这对于先进的公司是巨大的潜在利益,而对于落后的公司则是重大的挑战,如果解决不好这些难题,将有缺陷、尚不完善的产品推向市场,则存在着巨大的商业风险。在激烈的竞争环境中,要设计非常复杂可靠的下一代电气传动系统,使用缓慢和低效的、反复样机试验的研制方法已不能满足快速设计的需求。

为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车,工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术,来替代传统的反复使用物理样机验证方法,帮助工程师在汽车物理样机制造之前,就能够有效地评估多个供选方案,进行许多假设分析研究,预测车辆在实际驾驶情况下的性能,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。

用于新能源汽车的CAE技术涵盖了机械、流体动力学、热学、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。

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