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汽车未来:混合动力及电动车的先进数值仿真

机电商报网 综合报道

  随着空气污染及石油短缺问题的日益严重,利用混合动力车和电动汽车替代传统汽油车和柴油车已成为摆在人们面前的问题。世界各国政府都在推动混合动力/纯电动汽车的研究。美国政府已宣布财政支出24亿美元用于资助电池组、电机及其它零部件的全新设计,并制订了在2015年前路上有100万辆混合动力车的目标。美国能源部预测,到2030年,新能源汽车将占整个轻型汽车和卡车市场28%的份额,这将比2005年增加20%。

  呼唤新一代的动力传动系统

  为满足对混合动力/纯电动汽车不断增长的需求,研发性能更好、价格更经济的电气传动系统的竞争日益激烈。ANSYS机电产品技术总监Scott Stanton先生在接受作者采访时表示,”研发新的电气传动系统具有巨大的商业回报潜力,但与此同时,将有缺陷的、不适合市场的、尚不完善的产品推向市场也存在着商业风险。”

  显然,汽车技术正在经历一场革命。领导这一革命的重任已落在汽车工程师的肩上,他们必须重新思考如何进行动力传动系统的设计。无论是整车生产企业的工程师还是零部件生产企业的工程师都面临着一项挑战,即如何在一个非常有限的时间内,研发出新一代的动力传动系统。

  为了满足上述需求,具有混合动力车/电动汽车创新能力的主要汽车公司集中全力于仿真驱动式的研发,而不是过时的反复样机试验法。”事实上,在下一代电气传动系统的设计竞赛中,能否有效实施先进的数值仿真技术有可能将优胜者与不精于此道的竞争者区别开来。”Scott Stanton说。

  Scott Stanton认为,有许多软件解决方案可用于动力系统开发中的各种性能分析,包括机械分析、电气分析、电磁分析、电化学分析、流体分析、热管理应用方面的分析等。”通常,这些独立的分析软件不能完全兼容,因而妨碍工程师全面、有效地实现电气传动系统的优化设计。”

  先进的工程仿真技术不仅可以帮助工程师深入研究复杂元件和系统的性能,还可以通过虚拟样机设计和测试,来加快和改进动力传动系统的研发。Scott Stanton表示,”ANSYS 仿真技术能够帮助工程师在原型样机制造之前,就了解系统在各种工况下的性能。这种先进的CAE 技术必将帮助厂商在传统的动力传动系统技术竞争中脱颖而出。”

  电动和混合动力汽车的动力传动是一个非常复杂的系统,其系统、子系统以及零部件必须连贯、紧密配合地运行,以保证汽车的效率和性能最优化。

  汽车的电传系统可以在同一个集成化的仿真平台上精确仿真,开发者可以在上面评估每一个零部件、子系统以及系统机上他们之间的相互影响。由于在真实的环境中,零部件会受多个物理域的影响,所以仿真工具必须能准确地预测多方面的外力对它的影响,包括结构力学、动力学、流体动力学、热物理学、电磁学、电化学、电磁辐射以及电磁干扰/电磁兼容等。同时,动力传动系统的设计必须能够将这些复杂的部件模型处理成为降阶模型,并用他们来建立系统和子系统模型,最终用于优化子系统或整个电传动系统的性能。

  倡导仿真驱动的产品研发

  混合动力/纯电动汽车的电池组给车辆提供主要的动力,同时也为众多电动辅助系统提供能量。因此,电池组必须达到普通燃料车在市场设定的可靠性、耐用性以及经济性的标准。除此之外,他们还要提供比传统电池更大数量级的能量。

  电池热管理是电动和混合动力汽车开发的重中之重,需要避免由于电池过热带来的电池效率降低和使用寿命缩短。因此需要有一种基于温度和充电状态的控制算法,来描述不同负荷下的不同电池性能。”为了评估和优化不同热管理模式的性能,必须采用参数化、DOE 等方法,并结合ANSYS CFD 求解器来对复杂的冷却流动和共轭传热进行分析。为考察电池组循环使用性能,需要结合ANSYS CFD 和Simplorer 技术,采用线性时不变(LTI)模型快速实时仿真。”Scott Stanton说。

  据Scott Stanton介绍,工程师可以借助Simplorer 来评估控制算法,研究过度充电、大电流充放电、外部短路以及其他电气故障对电池寿命降低和电池爆炸的影响。”这个软件能够紧密集成三维实体模型到控制电路仿真,是理想的研究软件。由于Simplorer 能将三维实体模型紧密集成到控制电路仿真中,所以他是研究这种算法的理想工具。”

  仿真还必须要考虑电池组的排列、安装位置以及各种路况下电池组的受力情况。电池必须能应对各种故障工况,例如外部受热、过充、过放、针刺、碰撞及外部短路等。在发生碰撞的情况下,还必须保证乘客不会受到电池释放的有毒酸性液体的伤害。”ANSYS软件不仅用于评估整车结构的完整性,也用于研究振动、耐久性和疲劳寿命等。”Scott Stanton说。

  ANSYS倡导仿真驱动的产品研发。ANSYS能够为用户提供样机模型,建立虚拟样机,为消费者节省时间和金钱。”虚拟样机利用多物理场的融合,比如说像流体、电磁、电力以及热力这些融合在一起,以一种无缝集成的方式对这些性能进行仿真。从非常复杂的模型中提取出仿真模型,用这种技术就可以仿真复杂系统。我们拥有非常好的前景和愿景,以及非常优异的技术和支持。我们相信可以为用户提供更好的市场支持,使他们的产品在市场上拥有更多的优势。”Scott Stanton自信满满地说。(编辑/李艳娇)

 

来源:机电商报网

作者:综合报道

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