发挥电气化的巨大潜力

作者:Ahmad Haidari,ANSYS全球能源行业总监

为推动全球经济繁荣,亟需利用更清洁、更具可持续的能源以提供更多电力。与此同时,电气化系统的广泛应用正在改变交通运输与工业流程。凭借对电动汽车的关注度,汽车行业一直被媒体看作是电气化热门话题的重镇,然而,电气化趋势正在影响着每个行业。工程仿真发挥的重要作用,也让工程师可以了解并在产品设计中利用电气化的优势。

Save PDF
Plugging In to the Potential of Electrification

“全球日益增长的能源需求加上人们对环境与能源安全的顾虑,催生了新的电气化革命。”

simulation for electrification

为了满足全球日益增长的能源需求,并且打消人们对环境和能源安全日益增长的顾虑,新的政策与监管措施正在技术创新的支持下,催生新的电气化革命。汽车行业在这个过程中一直处于先驱地位,从推动内燃机到支持混合动力和纯电动汽车新的传动系统设计的变革,广受媒体与消费者的高度关注。通过从内燃机转向支持混合动力和全电动汽车的新动力总成设计,但是,新的电气化过程势必会影响各行各业。从多电飞机到工业设备和分布式发电厂,传统产品设计的电气化正在发生巨大变革,从而实现持续的研发投资以及产品迭代与创新。电气化有诸多优势。低碳能源,包括可再生能源、小型核电系统、柔性燃料和航改燃气等,发电能够以更低成本、更加环保地满足日益增长的能源需求。电气化系统通常质量更轻且更易于维护,同时可以实现更精准的控 制。另外成本也低得多。根据《福布斯》资料显示[1],海上风力发电的成本已经比2010年降低23%,与此同时太阳能光伏发电的成本也降低了73%。同样,电动汽车等系统中所用的电池组的成本也在持续降低。

但是,电气化优势也伴随着挑战。尤其是,在与电气系统设计相关的五个关键领域中,电气化需要复杂的新工程方法:

  • 电力电子
  • 电机
  • 动力电池、燃料电池等能源
  • 机电系统集成
  • 控制软件

每个应用领域都有其独特的工程问题,并且电气化团队都需要在这五大领域实现快速、低成本的创新。为了推出革命性的低成本、电气化产品,并在竞争中遥遥领先,各个行业正面临着与日俱增的压力。

借力工程仿真,企业可以轻松实现快速、低成本、低风险的解决方案。通过在日常产品研发中发挥仿真的强大功能,工程企业实体能够以低成本解决电气化难题,哪怕是最复杂的挑战。而且可以迅速推出创新产品,以确立市场领先地位。

electric vehicle simulation

新一代纯电动车

 

现状:电气化一览

产品电气化革命无疑会影响每个行业,而率先行动的行业正取得巨大进步。

众所周知,汽车行业致力于研发具有广泛适用性的电气传动系统。汽车制造商面临的主要工程挑战之一是,在不影响安全性、里程、速度、加速性能或驾乘舒适性的情况下,设计一款低成本、轻量化、高能效的传动系统。此外,汽车工程师还投入大量精力来设计新型动力电池与燃料电池,其可以利用最新的材料和化学工艺,进而提高输出功率和蓄电池容量,同时缩减电池的充电时间、尺寸与重量。

除了传动系统设计之外,汽车工程师还面临其他整车技术难题:从加热/冷却和信息娱乐系统到转向与制动等关键任务功能。为了确保所有电气系统流畅、安全地交互,工程师必须考虑每一行软件控制代码以及每个安全系统功能。只有工程仿真能够在紧迫的研发期限要求下快速解决多物理场、多功能性能问题。另外,仿真还可以在设计前期确保所有部件在集成到完整系统之后仍可达到预期性能。

本期《ANSYS Advantage》杂志介绍了一些成功案例,展示了ANSYS工程仿真技术对全球汽车行业的重要贡献。例如,大众汽车赛车运动的工程师利用ANSYS解决方案优化了纯电动赛车的电池冷却系统,从而助力大众汽车在2018年派克峰国际爬山赛上取得了决定性胜利,并创下了电动汽车性能新的世界纪录。

simulation for more electric aircraft

新一代多电飞机

在航空航天行业,工程师不仅研发利用电气系统替代现有的液压与气动系统的相关技术,而且还在研发纯电动的推进系统。这有望为飞机的整体设计带来变革,并实现城市空中交通⸺借助小型支线飞机实现城际的短途低成本飞行。

传统飞机将逐步被替代。如果使用电力推进系统,飞机外形将焕然一新。机翼内部可以安装多台电动机;更多地采用内置天线和传感器的轻量型复合材料,以替代电线来传导能量;采用电动着陆与滑行系统。为了将上述愿景变为现实,工程师需要实现前所未见的全新机械设计,重新研究气动效率、机械应力和电气系统优化。另外,还需要重新考虑控制软件的功能,因为在将所有系统与部件安全地实现集成的过程中,它们将发挥非常重要的作用。

“各行业实现电气化势在必行。”

pump

与此同时,仿真技术能够提供研究所有复杂问题并实现真正创新的方法。例如,总部位于西雅图的初创公司Zunum Aero致力于研发电动飞机,希望利用短途航班连通小型机场。利用仿真技术,Zunum Aero的工程师能够快速了解低压风机、容错电机和电动控制器如何作为一个系统在实际工况下运行。

在电气化普及过程中,全球发电行业也在经历翻天覆地的变化。基于可持续、可再生能源的分布式发电的问世已在发电与配电方面带来一系列挑战。

随着“微电网”的不断普及,工程师有机会设计极具创新的新系统,可利用可再生能源进行本地发电,并且对现有的储存和分配电能技术加以改进。一个主要的工程挑战是优化整个发电与配电系统,包括其物理环境⸺因为每个系统的效率都取决于特定的天气与地理条件。除了重新考虑发电和配电网络之外,另外还需要修改和优化风力涡轮机、涡轮叶片、变流器、发动机等组件与系统以及热泵、仪表、工业机械等附件。

网络上一篇名为“延长太阳能逆变器的使用寿命”的独家报道中,匹兹堡大学的研究人员证明了仿真技术能够在解决区域化发电相关的工程难题方面发挥重要价值。他们利用ANSYS Twin Builder的功能,研究太阳能电池阵列随环境条件变化的温度动态,同时研究它们如何影响电池阵列的能量输出。目的是确保即使在无法避免的环境下产品系统仍然能够保持一致的性能。

虽然经常被忽视,但是工业系统和机械仍有极大的全球电力需求。目前,泵等工业电动机械预计消耗全球40%以上的电量。虽然在大多数情况下这些产品设计已经非常完善了,但是工程师仍需进行创新与改进。工程师正在设计新型电机、电驱动器、电力电子、机电驱动器、冷却系统、用户界面和嵌入式软件控制器,从而不仅能优化这些单独组件,还能改善完整机器的功耗与能效。

巴西公司WEG Energy是电力风轮机和发电机研发领域的领导者。WEG工程师采用ANSYS解决方案进行产品系统和独立部件的结构、电磁及热仿真。WEG志在推动全球工业机械市场的变革。

“业经证明,工程仿真在通过电气化把握新能源的未来方面,作用不可小觑。”

利用仿真技术推动电气化进程

随着传统产品设计增加了电动功能以及新电源的出现,工程师必须解决各类新的技术难题。包括电池管理、热管理、降噪、防止电磁干扰(EMI)、确保电磁兼容性(EMC)、支持结构完整性以及最大限度降低现实工作环境中的机械损伤。另外,在创建和研究用于电动机械和电力电子的全新装置、材料和工艺时,工程师还需努力改善性能,提高效率,降低成本以及提高安全性。

鉴于众多行业电气化工程挑战所及的广度、深度与技术复杂性,工程仿真具有前所未有的重要意义。目前,仿真解决方案能够解决与电气化相关的五大关键领域的工程难题:电力电子、电机、能源、机电系统集成和控制软件。

simulation for power generation

新一代分布式发电

 

ANSYS electrification simulation environment

ANSYS电气化仿真环境

 

为了支持客户探索产品电气化,ANSYS可以提供机械、流体与电磁方面的旗舰工程仿真软件解决方案,进而在系统级仿真、功能安全性分析以及嵌入式软件研发和验证等功能支持下开展多物理场仿真。

由于ANSYS仿真解决方案具有强大的功能,加上其仿真产品研发团队数十载的经验与支持,目前许多全球领先的工程团队倚赖ANSYS的仿真技术来推动其电气化进程。

正如本期《ANSYS Advantage》杂志所探讨的,通过电气化来迎接全新的能源时代,工程仿真的作用不可小觑。我们希望本期杂志所介绍的客户成功案例可以让您产生共鸣,并考虑利用仿真促进电气化的可能性。

供稿人:ANSYS全球航空航天与国防行业总监Paolo Colombo,以及ANSYS全球汽车行业总监Sandeep Sovani。

参考文献

[1] Forbes, Renewable Energy Will Be Consistently Cheaper Than Fossil Fuels By 2020, Report Claims, forbes.com/sites/dominicdudley/2018/01/13/renewable-energy-cost-effective-fossil-fuels- 2020/#27d6d1eb4ff2, (12/12/2018)

点击下方与 ANSYS 取得联系

联系我们
Contact Us
联系我们