ANSYS 是全球唯一能提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場等多物理場分析于一體的完整仿真軟件供應(yīng)商。ANSYS 無縫集成于Workbench? 平臺的設(shè)計工具被廣泛地應(yīng)用于混合動力傳動系統(tǒng)的研發(fā)中，包括：

　　●Simplore——多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件，應(yīng)用于集電氣、熱、機(jī)械、機(jī)電、電磁及液壓等于一體的高性能系統(tǒng)設(shè)計、建模、分析和優(yōu)化。

　　●Q3D Extractor——計算電磁場求解軟件，在工程師設(shè)計印刷電路板、電子封裝及電力電子設(shè)備時，用于計算載流結(jié)構(gòu)的頻變電阻、電感、電容和電導(dǎo)參數(shù)。

　　●HFSS——三維全波電磁場仿真軟件，可提供電場、磁場、電流、散射參數(shù)、遠(yuǎn)/ 近輻射場結(jié)果。根據(jù)特定的幾何形狀、材料特性、輸出類型，該工具會自動生成合適的、高效的、準(zhǔn)確的網(wǎng)格，利用有限元法求解問題。

　　●Maxwell——低頻電磁場仿真工具，利用有限元方法計算靜態(tài)、頻域、時變電磁場和電場，可用于設(shè)計和分析機(jī)電和電磁設(shè)備，例如：電動機(jī)、作動器、變壓器、傳感器和線圈等。

　　●RMxprt——旋轉(zhuǎn)電機(jī)(電動機(jī)和發(fā)電機(jī))開始設(shè)計和方案優(yōu)選軟件。用戶可以利用各種電機(jī)的模板輕松地建立模型，指定材料，計算電機(jī)性能，確定初始結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計方案，并可在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)百次參數(shù)化、優(yōu)化設(shè)計和性能分析。

　　●NSYS Icepak——計算流體動力學(xué)軟件，可用于電子系統(tǒng)熱管理設(shè)計，預(yù)測元件、電路板或系統(tǒng)級的熱流量和熱傳遞，以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱流及傳熱計算(傳導(dǎo)、對流、輻射)。

　　●Slwave——用于整個PCB 板和集成電路封裝的信號完整性和電源完整性分析，頻率范圍覆蓋直流到超過10Gb/s，可直接從電路CAD 設(shè)計版圖中抽取信號完整性和電源完整性網(wǎng)絡(luò)的頻變電路模型。

　　●ANSYS Mechanical——一款全面的機(jī)械分析軟件，包括結(jié)構(gòu)的線性、非線性及動態(tài)分析(應(yīng)力、撓曲和振動)，可提供完整的一套單元行為、材料模型、公式求解器用于機(jī)械工程問題分析、熱分析與聲學(xué)、壓電、熱- 結(jié)構(gòu)、熱- 電等耦合物理問題分析。

　　●ANSYS CFD——流體力學(xué)計算軟件包，具有通用及專用的流體建模及流動分析能力，其建模功能包括對流體流動、紊流、熱傳遞、層流- 紊流、不可壓縮- 完全可壓縮問題的建模，以及對固定或旋轉(zhuǎn)裝置等溫問題的分析。

　　●ANSYS Multiphysic——多物理場仿真模塊，可以進(jìn)行復(fù)雜的多物理耦合分析，應(yīng)用廣泛的ANSYS 多物理場求解器可在開發(fā)的、自適應(yīng)的Ansys Workbench 框架下對結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱傳遞、流體、電磁問題進(jìn)行分析。

　　隨著空氣污染及石油短缺問題的日益嚴(yán)重，利用混合動力車和電動汽車替代傳統(tǒng)汽油車和柴油車已成為擺在人們面前的問題。世界各國政府都在推動混合動力/ 純電動汽車的研究。美國政府已宣布財政支出24 億美元用于資助電池組、電機(jī)及其它零部件的全新設(shè)計，并制訂了在2015 年前路上有100 萬輛混合動力車的目標(biāo)。美國能源部預(yù)測，到2030 年，新能源汽車將占整個輕型汽車和卡車市場28% 的份額，這將比2005 年增加20%。

　　為滿足對混合動力/ 純電動汽車不斷增長的需求，研發(fā)性能更好、價格更經(jīng)濟(jì)的電氣傳動系統(tǒng)的競爭日益激烈。研發(fā)新的電氣傳動系統(tǒng)具有巨大的商業(yè)回報潛力，但與此同時，將有缺陷的、不適合市場的、尚不完善的產(chǎn)品推向市場也存在著商業(yè)風(fēng)險。

　　顯然，汽車技術(shù)正在經(jīng)歷一場革命。領(lǐng)導(dǎo)這一革命的重任已落在汽車工程師的肩上，他們必須重新思考如何進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計。無論是整車生產(chǎn)企業(yè)的工程師還是零部件生產(chǎn)企業(yè)的工程師都面臨著一項挑戰(zhàn)，即如何在一個非常有限的時間內(nèi)，研發(fā)出新一代的動力傳動系統(tǒng)。

　　為了滿足上述需求，具有混合動力車/電動汽車創(chuàng)新能力的主要汽車公司集中全力于仿真驅(qū)動式的研發(fā)，而不是過時的反復(fù)樣機(jī)試驗法。事實上，在下一代電氣傳動系統(tǒng)的設(shè)計競賽中，能否有效實施先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)有可能將優(yōu)勝者與不精于此道的競爭者區(qū)別開來。

　　有許多軟件解決方案可用于動力系統(tǒng)開發(fā)中的各種性能分析，包括機(jī)械分析、電氣分析、電磁分析、電化學(xué)分析、流體分析、熱管理應(yīng)用方面的分析等。通常，這些獨立的分析軟件不能完全兼容，因而妨礙工程師全面、有效地實現(xiàn)電氣傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。本文對一款業(yè)界領(lǐng)先的、可在統(tǒng)一集成環(huán)境下實現(xiàn)多學(xué)科全面分析的一流軟件的價值做了論述。

　　混合動力系統(tǒng)設(shè)計者面臨的主要挑戰(zhàn)

　　當(dāng)前，汽車工程師通常面臨必須從頭開始設(shè)計電氣傳動系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵部件包括：動力電池組、牽引電動機(jī)及發(fā)電機(jī)、功率電子器件。混合動力汽車部件的設(shè)計涉及到復(fù)雜的物理問題和極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)集成問題，其單個部件開發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)以及系統(tǒng)集成時電磁部件之間的電磁兼容/ 電磁干擾問題將在下文進(jìn)行探討。

　　●電池組

　　電池組為車輛提供主動力，同時也為眾多的電動輔助系統(tǒng)提供能量。因此，電池組必須符合與燃油汽車相同的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和期望值，甚至超過這些標(biāo)準(zhǔn)和期望值。此外，車用電池組還必須提供比常規(guī)電池高幾個數(shù)量級的能量。

　　混合動力車電池組的冷卻液流動路徑及各個電池單體的溫度分布

　　在設(shè)計更大容量和更大輸出功率電池組的時候，工程師必須考慮熱、結(jié)構(gòu)、電磁因素對電池組及電池單體的影響。例如，當(dāng)充、放電時電池組產(chǎn)生熱，電池模塊中所有電池單體之間的溫差必須嚴(yán)格控制在幾度之內(nèi)，否則，電池組內(nèi)部單體之間就會形成有害的電流回路而縮短電池的壽命。要解決電池組發(fā)熱問題，就需要一個風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，但有時候卻會導(dǎo)致乘客車倉周圍噪聲增加，從而增加了一定的設(shè)計挑戰(zhàn)，因為混合動力/ 純電動汽車的駕駛員都期望有一個超靜音的駕駛體驗，冷卻系統(tǒng)的噪聲與之不諧調(diào)。

　　工程師在對電池組進(jìn)行設(shè)計和仿真分析時，還必須考慮到一系列駕駛條件下電池的安裝位置和各種應(yīng)力，以及電池必須能夠安全承受多種工況變化對其性能的影響，例如：外加熱、過充、過放、針刺、重壓及外部短路。此外，電池設(shè)計時還要考慮在碰撞情況下電池的安全性，必須保護(hù)乘客在車輛碰撞中免受電池釋放出的有毒酸液的危險。

　　●電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)

　　多年來，由于內(nèi)燃機(jī)的廣泛應(yīng)用，汽車制造商在電機(jī)(牽引電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī))設(shè)計上投入的時間和資金相對較少。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)已經(jīng)被完善到了隨心所欲的程度：完全滿足消費者的需求，排放法規(guī)也不再那么嚴(yán)峻地不可達(dá)到，石油價格也不成問題。但現(xiàn)在一切都已發(fā)生改變，在新式發(fā)動機(jī)的巨大收益和市場壓力的驅(qū)使下，很多公司開始進(jìn)行高效率和高效益的電氣發(fā)動機(jī)設(shè)計。人才和資金不斷的流向這個行業(yè)，電動機(jī)和電池一樣，其設(shè)計也面臨著一系列挑戰(zhàn)。

　　混合動力車電池組的冷卻液流動路徑及各個電池單體的溫度分布

　　電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)在汽車驅(qū)動系統(tǒng)中必不可少，同時也可以通過再生制動給蓄電池充電。與其它電動機(jī)不同，混合動力/ 純電動汽車用牽引電動機(jī)必須可靠地工作在非常嚴(yán)苛的環(huán)境中。電動機(jī)必須持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下;在混合動力汽車中，電動機(jī)也受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。上述所有的因素在電動機(jī)設(shè)計的時候都必須考慮。對汽車消費者來說，可靠性是汽車的關(guān)鍵賣點，而且差的發(fā)動機(jī)性能既增加了維修成本，又降低了汽車的品牌價值。

　　Courtesy Kato 工程公司共軸電機(jī)—發(fā)電機(jī)有限元網(wǎng)格剖分圖

　　消費者都期望混合動力/ 純電動汽車具有高的燃油效率。汽車的高燃油效率、低排放、安全性和動力性等方面影響著消費者的購買決策，因此直接影響汽車市場的成功與否。由于電動機(jī)的設(shè)計決定了將多少蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動車輛，設(shè)計高燃油效率的電動機(jī)就成為當(dāng)今混合動力/ 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)工程師面臨的最重要挑戰(zhàn)之一。

　　●電力電子

　　電力電子相當(dāng)于電氣傳動系統(tǒng)的心臟與大腦，它們必須精確地控制蓄電池與電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)之間的能量傳輸，并根據(jù)路況和駕駛員指令做出邏輯判斷來調(diào)節(jié)動力傳動系統(tǒng)。為了在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，供給牽引電動機(jī)的電能需要根據(jù)傳感器監(jiān)測到的位置、速度、溫度等反饋信號，通過高頻開關(guān)器件(如絕緣柵雙極型晶體管，IGBT)嚴(yán)格控制。

　　熱管理是混合動力汽車電力電子設(shè)計所關(guān)注的一個主要問題。由動力傳動系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動充入電池的所有能量都需要通過電力電子器件完成。因此，即使電子器件極微小的功率損失也能產(chǎn)生大量的熱。各種工作環(huán)境下(如炎熱的沙漠或者冬天零度以下)的熱量都需要嚴(yán)格管理并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。因此，需要對電力電子中的電氣損耗做精確計算，為了確保有效的冷卻，還要確定和設(shè)計散熱通路。

　　●電磁干擾/ 電磁兼容

　　電力電子開發(fā)中的主要挑戰(zhàn)之一是電磁干擾及電磁兼容。由于供給電動機(jī)的能量通過高頻開關(guān)功率器件的控制進(jìn)行傳遞，因此各種電氣元件之間的電磁干擾就成為一個重要的問題。如果不考慮這些問題，電磁干擾就會破壞信號傳遞和檢測并影響電動機(jī)正常工作。因此，電磁干擾的影響必須仔細(xì)研究并在邏輯控制中有所考慮，這就需要全面地研究電動機(jī)、母線及周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場，且這些部件工作時是相互連通、相互耦合的。

　　電機(jī)控制器電子電路圖

　　IGBT 的電磁干擾/ 電磁兼容分析

　　仿真技術(shù)的應(yīng)用

　　即使在沒有樣機(jī)的條件下，工程師也可以使用多物理仿真軟件研究不同載荷條件下產(chǎn)品的設(shè)計性能。不僅實體和真實載荷情況可以通過準(zhǔn)確的仿真而建模，而且流體、機(jī)械、熱物理、電化學(xué)、電磁力的影響及其相互之間的作用也可以模擬，并且可以通過仿真模型來調(diào)整設(shè)計。這樣，產(chǎn)品設(shè)計可以更快，并且可以在設(shè)計的前期進(jìn)行性能優(yōu)化，以避免在產(chǎn)品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問題。

　　用于混合動力/ 純電動汽車的仿真工具涵蓋范圍寬，包括機(jī)械、流體動力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域。這些工具既可以用于解決動力傳動系統(tǒng)單個部件開發(fā)的問題——電池組、牽引電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)、電力電子等，也可以用于由這些子系統(tǒng)集成的、復(fù)雜動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計和研究。

　　電池組仿真

　　為了避免過熱造成電池能效降低以及使用壽命縮短，電池?zé)峁芾硎腔旌蟿恿? 純電動汽車開發(fā)的重中之重。對圓柱形電池單體，工程師通常采用風(fēng)冷策略，其中包括電池組外殼的形狀設(shè)計，由鼓風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流片形成足夠的氣流以實現(xiàn)最佳的冷卻。對矩形電池單體，冷卻一般通過與電池單體相接觸的熱交換器中液體循環(huán)來實現(xiàn)。電池?zé)峁芾淼目刂扑惴▌t根據(jù)溫度和充電器狀態(tài)來改變每個電池單體的負(fù)荷。

　　將參數(shù)化法和實驗設(shè)計法與計算流體力學(xué)求解器相結(jié)合，可分析復(fù)雜的三維冷卻液流動和多媒質(zhì)聯(lián)合(從固體到液體)傳熱，以評估和優(yōu)化不同的熱管理系統(tǒng)配置。為了評估電池組的長駕駛循環(huán)性能，線性時不變法可實現(xiàn)高效的實時仿真。

　　工程師可以借助電路仿真技術(shù)評估控制算法，來研究降低電池壽命和導(dǎo)致電池爆炸的影響因素，如過充、大電流充/ 放電、外部短路或其它的電路問題。研究此類算法時，采用能夠?qū)⑷S物理模型(流體動力學(xué)和機(jī)械)無縫集成到控制電路仿真中的軟件顯然是最理想的。

　　為了解決如碰撞和異物穿透電池等事故造成的電池組結(jié)構(gòu)問題，結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件可用于評估結(jié)構(gòu)的完整性，以防止電池組有毒內(nèi)容物的溢出以及可能造成熱失控與電池爆炸問題的單體損壞。這種虛擬樣機(jī)設(shè)計軟件也同樣適用于研究振動，耐久性和疲勞壽命。

　　電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)仿真

　　在電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)研發(fā)中，設(shè)計者必須重點考慮電機(jī)的電磁問題。根據(jù)最初的CAD 圖紙及裝配體的相關(guān)工程設(shè)計指標(biāo)，電子設(shè)計優(yōu)化軟件可定義電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數(shù)、氣隙等，而寄生參數(shù)提取工具則可用于計算電動機(jī)的電氣特性。

　　風(fēng)冷圓柱型電池模塊網(wǎng)格(左)及冷卻液流速圖(右)

　　這些軟件輸出的模型和設(shè)計數(shù)據(jù)可以輸入到電磁仿真軟件中，從而可計算電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線——在電動模式驅(qū)動車輛時，轉(zhuǎn)矩如何隨時間上升;在停車制動模式時，電氣阻力矩如何隨時間變化。電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)電磁性能分析時，還需要引入車輛的質(zhì)量以確定各種情況下的加速時間及制動時間。基于這些輸出結(jié)果，設(shè)計者可以改變某些設(shè)計參數(shù)(例如：永磁體的尺寸)來調(diào)整設(shè)計，通過參數(shù)化、優(yōu)化設(shè)計，在電動機(jī)的性能與電動機(jī)的尺寸、重量或成本之間做出折中選擇，優(yōu)選設(shè)計方案。

　　電磁仿真輸出的轉(zhuǎn)矩可進(jìn)一步輸入到結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件中，用于分析動力傳動系統(tǒng)中其它部件(包括驅(qū)動軸、齒輪等)的應(yīng)力、載荷、變形及振動。人們總是希望電動汽車可以靜音，因而對電動汽車的主要噪聲源，驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行振動分析就變得非常重要了。此外，流體動力學(xué)可用于研究熱管理問題，分析損耗的分布，以確定電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)組的熱分布。

　　無縫集成的多物理場設(shè)計軟件縱貫整個電磁和機(jī)械開發(fā)過程，在不同載荷情況的性能計算和不同設(shè)計方案比較時，可協(xié)調(diào)多個工具的動作，在不同工具之間交換數(shù)據(jù)。多物理場聯(lián)合仿真程序有助于軟件在一個統(tǒng)一的環(huán)境中實現(xiàn)不同程序之間順暢的數(shù)據(jù)傳遞。

　　電力電子仿真

　　為了對混合動力汽車電力電子器件進(jìn)行熱管理，工程師在電力電子電路仿真軟件的設(shè)計界面上放置IGBT 器件模型并輸入其特性(通斷電壓，電流波形等)，控制算法器件模型(IGBT 的通斷邏輯)和電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)器件模型等，以建立電力電子器件系統(tǒng)仿真分析模型，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的虛擬設(shè)計和仿真分析。通過各種仿真數(shù)據(jù)，軟件可確定出車輛在加速、巡航和制動過程中任意給定時刻、整個系統(tǒng)內(nèi)電流的變化情況。

　　利用電子熱流分析工具，工程師可以指定動力傳動系統(tǒng)中主要熱源(IGBT 和電機(jī)/ 發(fā)電機(jī)的載流部件)的幾何尺寸。通過單獨添加系統(tǒng)中關(guān)鍵點上的每個熱源，同時還考慮空氣流通量和傳導(dǎo)熱量的影響，以及參數(shù)化分析，軟件可處理數(shù)據(jù)并生成等效熱模型，用于系統(tǒng)仿真分析。工程師利用這些熱模型可確定IGBT 的整體溫度分布以及溫升性能參數(shù)，例如：從電池獲得多少電能才能保證溫度不超過影響IGBT 性能的限定值。

　　根據(jù)溫度分布，工程師可以利用有限元軟件的熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析功能，確定由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。電子設(shè)計分析工具還可用于計算電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)各部分上的電磁力，從而確定形變量和機(jī)械應(yīng)力分布。由此，工程師可以通過修改結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中和過度變形，或者反之，減少那些由于過度設(shè)計而額外使用多余材料的區(qū)域。

　　電磁干擾/ 電磁兼容仿真

　　在混合動力/ 純電動汽車的開發(fā)中，IGBT 的開關(guān)速度從幾十到幾百千赫，導(dǎo)通上升時間和關(guān)斷下降時間大約為50 到100 納秒——這可能會導(dǎo)致兩大電磁問題：傳導(dǎo)發(fā)射(通過載流結(jié)構(gòu))可能會導(dǎo)致電源完整性問題或引起對逆變器和電動機(jī)存在潛在危害的能量反射波。輻射電磁場(通過空氣)，可能影響車上其它電子系統(tǒng)。這兩類干擾問題都必須被充分考慮，工程師必須對車輛的電磁兼容/ 電磁干擾進(jìn)行設(shè)計。

　　為了精確描述IGBT 等開關(guān)器件的性能，工程師可以采用參數(shù)化的IGBT 建模向?qū)В迷撓驅(qū)Э奢斎牍?yīng)商提供的數(shù)據(jù)手冊中的IGBT性能曲線和數(shù)據(jù)，在建模向?qū)У闹敢伦詣犹崛⌒枰膮?shù)來生成IGBT 的半導(dǎo)體電路模型。整個建模過程非常簡單，無需手動完成。

　　為了進(jìn)行傳導(dǎo)干擾分析，工程師需要將功率變換器的設(shè)計版圖從CAD 軟件直接導(dǎo)入到寄生參數(shù)提取軟件中，從而計算導(dǎo)電通路的頻變電阻、部分電感和電容，并生成等效電路模型以備系統(tǒng)仿真使用。

　　功率變換器系統(tǒng)仿真的結(jié)果可用于檢驗輻射發(fā)射，工程師通過計算空間任意點上的電磁場強度以判斷逆變器封裝是否符合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如果輻射超標(biāo)，逆變器系統(tǒng)的電磁干擾和電磁兼容可溯源到器件設(shè)計版圖上的問題源。由此，對設(shè)計做出參數(shù)更改，并獲得一系列仿真結(jié)果，直到傳導(dǎo)輻射和輻射電磁發(fā)射等級都在可接受的限值之內(nèi)為止。

　　系統(tǒng)集成

　　系統(tǒng)集成可能是電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)，因為必須考慮每個部件獨有的特征、屬性、強度和其它復(fù)雜因素等，以確保整個電氣傳動系統(tǒng)在寬負(fù)載范圍內(nèi)及各種行駛條件下都能獲得最高的整體效率。由于子系統(tǒng)和部件協(xié)同工作，緊密耦合，它們的開發(fā)也不能完全獨立地進(jìn)行，而且每個子系統(tǒng)性能的改變都必須與其它所有子系統(tǒng)相匹配。

　　涵蓋電磁、熱、流體和結(jié)構(gòu)問題的系統(tǒng)仿真

　　為了成功地仿真如此復(fù)雜的混合動力/ 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)，仿真方案必須建立在一個可實現(xiàn)多維、多物理、多尺度仿真的、無縫集成的設(shè)計平臺上，從而可提供復(fù)雜的動力傳動系統(tǒng)中多個機(jī)械、流體、電氣、電化學(xué)和電磁問題仿真所需要的技術(shù)。

　　多維數(shù)表示一個系統(tǒng)由子系統(tǒng)和部件組成，受多種物理現(xiàn)象混合控制，它可能是零維(例如：邏輯電路和框圖)，一維(例如：對長通道內(nèi)流動問題的建模)，二維(例如：殼應(yīng)力)，三維(例如：復(fù)雜三維通道內(nèi)流動問題的建模)，四維(例如：考慮時間變化的三維流體場、應(yīng)力場、熱、磁場等)。

　　多物理表示一個系統(tǒng)或部件受多于一個物理機(jī)制影響，例如：一個電池組的性能受流體流動、熱傳遞、電化學(xué)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力/ 應(yīng)變分布、電磁場等物理機(jī)制影響。

　　多尺度表示一個系統(tǒng)重要的物理現(xiàn)象發(fā)生在不同物理尺度上，例如：電池組中，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在納米級，而熱傳導(dǎo)和冷卻發(fā)生在毫米級;電池控制器工作在電池組級，而電池組需要與動力傳動的其它系統(tǒng)共同工作，因此其處于整車級。

　　仿真實例：豐田普銳斯的動力傳動系統(tǒng)

　　為了證明電磁仿真方法的速度和精度，ANSYS 的工程師團(tuán)隊采用Oak Ridge 國家實驗室發(fā)布的豐田普銳斯THSII 牽引電動機(jī)的設(shè)計和性能數(shù)據(jù)做了一個研究。

　　電動機(jī)瞬態(tài)有限元分析

　　工程師首先創(chuàng)建了動力傳動系統(tǒng)的有限元模型，包括電池、IGBT 逆變器、牽引電機(jī)和控制系統(tǒng)。然后，將模型參數(shù)化，在ANSYS Maxwell軟件中給模型添加不同邊界條件，如電流、電壓及轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)這些信息，Maxwell 可以計算出電機(jī)的多個輸出參數(shù)，包括轉(zhuǎn)矩、電感和系統(tǒng)的機(jī)械損耗。同時，這些數(shù)據(jù)包含一個基于物理原型的電機(jī)模型求解結(jié)果，即在給定電參數(shù)輸入條件下一系列測試點上電機(jī)的輸出性能。

　　將求解結(jié)果作為描述電機(jī)性能的查詢表，ANSYS 工程師在Simplorer 軟件中建立了基于電動機(jī)等效電路模型的參數(shù)化系統(tǒng)級仿真模型，計算電機(jī)轉(zhuǎn)矩和其它輸出參數(shù)。系統(tǒng)級方法的仿真結(jié)果與公布的電動機(jī)輸出數(shù)據(jù)吻合得很好，這表明了該方法的準(zhǔn)確性。

　　系統(tǒng)級仿真方法的優(yōu)點是可在瞬間預(yù)測電機(jī)的輸出性能，并與有限元模型具有相同的精度，而有限元模型的網(wǎng)格劃分和求解卻需要幾個小時。這種方法已被多個汽車開發(fā)團(tuán)隊用于快速評估和優(yōu)化電動機(jī)的設(shè)計工作中，并替代了數(shù)個樣機(jī)的試驗周期，加速了整個設(shè)計進(jìn)程。因此，仿真預(yù)測特別有利于在電動機(jī)開發(fā)的早期階段，在多種控制策略、軸尺寸、永磁材料類型等組合中快速確定優(yōu)化方案。

　　競爭中的先驅(qū)

　　混合動力/ 純電動汽車的發(fā)展速度快得驚人，與此同時，原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商都面臨著具有挑戰(zhàn)性的市場需求，這對于先進(jìn)的公司是巨大的潛在利益，而對于落后的公司則是重大的風(fēng)險。在激烈的環(huán)境中，汽車工程師們面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計非常復(fù)雜的下一代電氣傳動系統(tǒng)，使用緩慢和低效的、反復(fù)樣機(jī)試驗的研制方法已不能滿足快速設(shè)計的需求。因此，必須采用以多物理場為基礎(chǔ)的仿真驅(qū)動式研發(fā)模式來平衡復(fù)雜的、相互依賴的、間或相互矛盾的機(jī)械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設(shè)計需求。

　　通過多物理域仿真，設(shè)計團(tuán)隊能夠有效地評估涉及多個領(lǐng)域的數(shù)百個供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測車輛在實際駕駛情況下的性能，快速優(yōu)化設(shè)計，使工程師能夠開發(fā)最佳的電池、電動機(jī)/ 發(fā)電機(jī)、電力電子及其他各種部件，并將各部件無縫集成在一起實現(xiàn)協(xié)同工作。

　　對于一個最佳的動力傳動系統(tǒng)設(shè)計，其關(guān)鍵是以多物理為基礎(chǔ)的仿真解決方案，它能將不同功能的計算程序無縫集成為一體，按同樣的方式工作，而僅僅將零散的或獨立而往往不兼容的程序簡單地拼湊在一起的解決方案根本滿足不了如此復(fù)雜的設(shè)計需求。隨著混合動力/ 純電動汽車的需求持續(xù)增長，有一定廣度和深度的多物理域仿真方案不僅具有競爭優(yōu)勢，而且是那些想在競爭中獲勝的企業(yè)必不可少的設(shè)計工具競爭籌碼。