车辆电气化

作者:Alberto Bassanese,Lucid Motors多物理场与优化经理,美国门洛帕克

Lucid的新款豪华电动车(EV)旨在与高端电动车市场中的领先者展开竞争。Lucid工程师广泛使用ANSYS多物理场仿真软件,在考虑多种性能因素的情况下制作数字原型,从而改善大部分车辆子系统的运行。使用综合工程仿真平台至关重要,其有利于促进设计团队在不同工程专业学科间开展协作,从而在汽车和工程团队两方面实现显著的绩效提升。

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Electrifying vehicle

“ANSYS多物理场仿真帮助Lucid应对客户需求,解决工程问题,优化子系统与组件,满足监管要求,并将世界一流的汽车投放市场。”

aerodynamics
aerodynamics
aerodynamics
ANSYS CFD可用于优化车辆空气动力学。

 

lucid media

在一起协同工作的Lucid工程师团队成功完成了车辆设计。

 

在 两三年内从头开始研发出一款新型高端电动车,Lucid Motors面临着巨大的技术挑战、复杂的监管环境以及早一百年进入市场的竞争对手。但是作为一个新进者,Lucid拥有一些关键优势,其能够不受传统方法的约束,充分利用一流的实践方法。该公司开创了一种独特的方法,让参与到电动车设计的每个专业学科团队,包括电磁、热、结构、空气动力学等,都在一间房间里工作,从而在设计流程一开始就鼓励协作。通过为大部分工程团队成员提供通用仿真平台,Lucid能够促进团队协作,加快工程流程:在 ANSYS Workbench环境中集成的ANSYS多物理场仿真软件,可实现车辆各个子系统的同步优化。这种方法让Lucid能够应对客户需求,解决工程问题,优化子系统与组件,满足监管要求,并将世界一流的汽车投放市场,而所用时间仅为传统工程方法的几分之一,因为传统工程方法中工程师使用不同的仿真工具在互不相干的不同专业学科里工作。

core loss simulation

ANSYS Maxwell磁心损耗被映射到ANSYS Fluent中,以改善电机设计。

 

减少阻力

Lucid空气动力学工程师使用包含ANSYS伴随求解器 ANSYS FluentANSYS仿真平台中重要的计算流体动力学(CFD)软件),研发车体和新的进气口和管道系统,以最大限度降低阻力系数。工程师充分利用ANSYS DesignXplorer(作为ANSYS综合平台组成部分的高级参数化分析工具),以帮助CFD软件仿真多种类型的车辆形状,从而确定空气动力学性能。这些仿真能够通过响应面、敏感性图、帕累托图和权衡图详细说明多种形状参数对阻力的具体影响。根据这些信息,汽车造型设计人员和空气动力学设计人员就能找到既满足造型方案和其他约束条件,又具有最小阻力的车辆外形。

multiphase VOF

ANSYS Fluent流体油冷多相体积瞬态仿真

 

优化发动机

Lucid团队使用ANSYS Maxwell (ANSYS平台内嵌的电磁场仿真软件)设计和分析电机、致动器、传感器、变压器和其他电磁与机电设备。 Maxwell能确定电机中的电磁损耗,同时通过ANSYS Workbench(ANSYS仿真平台的主机环境和数据交换主干网)把这些损耗集成到ANSYS Fluent仿真中,用于确定整个电机上的温度。电机采用两个单独的冷却系统。第一个是电机壳上的水套。第二个系统将传动油注入最热的区域,即端绕组和转子。工程师使用两个耦合模型,一个油模型和一个水模型,来仿真这两个冷却系统。工程师使用流体体积模型开展多相瞬态仿真,在油模型中求解被油冷却的区域。该模型求解出被油浸润的表面的热传递系数和局部油温。工程师使用ANSYS Fluent中的水模型为水冷却系统建模,并且使用稳态共轭热传递预测电机固体组件的温度。

ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent共轭热传递仿真等温图

然后将水模型预测得到的温度与油模型结合使用,并再次运行仿真。得到的热传递值被映射给水模型。这一迭代过程持续进行,直到两个模型收敛为相同的温度。在模型完成收敛后,ANSYS Workbench使工程师能够方便地将固体对象的温度集成到ANSYS Mechanical结构模型,以计算热应力并开展疲劳度分析,从而确保电机能实现预期的使用寿命。使用仿真后,Lucid工程师将电机的功率密度和能效提高了12%。温度预测值与物理测量的匹配度在3%的误差范围内。

电机设计的另一个重要方面是创建转子磁通图,该图被嵌入到控制算法中,能够最大限度减少转子在不同工作条件下的损耗。工程师使用ANSYS MaxwellANSYS Electric Machine设计工具套件计算电机的扭矩速度曲线、效率图和其他性能曲线。他们修改了频率、滑动条件和输入电流等参数,以计算转子磁通图,并将其作为查找表嵌入到控制算法中。磁通被转换为车辆运行过程中的脉宽调制(PWM)电压。相比于常规方法是通过在功率计上的实验生成转子磁通图,这一方法可将功率计的校准时间缩短80%。

“仿真让Lucid工程师能够将电机的功率密度和能效提高12%。”

冷却逆变器

逆变器将低压直流逆变为高压交流,从而为车辆供电;这样会产生大量的热量,需要散热才能避免超出逆变器的结温,保护其免受损坏。工程师为逆变器创建了完全参数化的模型,并使用modeFRONTIER(可连接到灵活的ANSYS平台的第三方优化软件)优化关键设计参数,例如翅片拓扑、在逆变器壳体内输送水的通道的横截面。然后他们使用ANSYS伴随求解器 ,通过网格变形功能来优化与上下游管道连接的歧管的形状。这一优化过程不仅使峰值温度降低18摄氏度,而且还让不同功率晶体管之间的温度差保持在4摄氏度以内。与此同时,冷却系统内的压降减少了三分之一,逆变器外壳的体积和重量降低了15%。

inverter cooling

inverter cooling

使用ANSYS CFD仿真逆变器冷却系统

 

channel optimization

ANSYS CFD 管道优化(压降 vs. 最大IGBT 温度)

 

inverter temperature

ANSYS CFD显示不同IGBT之间的逆变器温度呈均匀分布。

 

延长电池使用寿命

此外,Lucid工程师还使用 ANSYS Mechanical (ANSYS仿真平台中的结构力学求解器)为电池组创建电气和热模型,同时用ANSYS Fluent(耦合在ANSYS Workbench内部)仿真电池充放电过程中的电极失效。通过在不同驾驶循环中了解可能出现电极失效的潜在状况,工程师显著延长了电池的使用寿命。仿真结果被浓缩为降阶模型,可用于仿真各种驾驶循环(例如在纽伯格林赛道上行驶一圈)中的电池性能。

battery thermal peformance

工程师使用ANSYS Fluent和ANSYS Simplorer为纽伯格林赛道大奖赛行驶一圈的电池瞬态热性能建模。

 

“Lucid在设计周期中广泛开展仿真,加上他们对前期仿真的专注,为该公司奠定了成功基础。”

仿真让工程师能够改善车辆的关键属性。例如传统方法是将电池堆叠放置在汽车下方的扁平面板里。这样可以提高扭转刚度,降低重心,但是会影响放脚空间。Lucid工程师使用仿真缩小了前逆变器-电机和暖通空调(HVAC)装置的尺寸,从而释放出空间,以增加该区域的电池组高度。这样就能对电池组设计造型,将其降低至乘客舱下方,从而为乘客舱内部腾出更多放脚空间,提高乘客的舒适度。

roomy interior

利用造型电池组实现更宽敞的内部结构。

Lucid在整个设计周期中借助ANSYS通用仿真平台广泛开展仿真,加上他们专注于前期仿真,使这家公司有能力与知名电动车竞争对手一较高下。来自不同专业学科的工程师在ANSYS仿真平台中利用ANSYS工具开展数字探索,并充分考虑设计的复杂多物理场性质。我们可从该公司获得的其中一项成果中窥见一斑,新款Lucid Air的外部仅比梅赛德斯E级车略大,但这款新车的内部空间可媲美更大型的梅赛德斯S级车。Lucid正在接受Lucid Air的预定,这款车预计于2019年在亚利桑那州一家投资7亿美元新建的工厂中投产,新工厂让Lucid能够用竞争对手几分之一的时间交付一流的新汽车。

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