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越來越多的汽車廠商投入更多到新能源汽車的研發(fā)制造當(dāng)中，要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜可靠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(yàn)的研制方法已不能滿足快速設(shè)計(jì)的需求。
為了能在最短周期內(nèi)研制出高質(zhì)量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車，工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)，來替代傳統(tǒng)的反復(fù)使用物理樣機(jī)驗(yàn)證方法，幫助工程師在汽車物理樣機(jī)制造之前，就能夠有效地評估多個供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測車輛在實(shí)際駕駛情況下的性能。
一、未來汽車工業(yè)發(fā)展趨勢——新能源汽車
中國汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，已形成完整的工業(yè)體系，并成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，我國汽車產(chǎn)銷量多次躍居世界汽車產(chǎn)銷量首位。然而，隨著汽車保有量的快速增長，由此帶來的環(huán)境和能源問題日益突出。
全國各地地持續(xù)的霧霾天氣，關(guān)于PM2.5的討論讓廣大人民群眾對于治理大氣污染的呼聲日益高漲。石油資源逐漸短缺造成的能源危機(jī)也不容忽視，因此，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯(lián)系在一起，更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車——新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。
新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、太陽能電池汽車，以及生物燃料汽車和其它燃?xì)馄嚨取?/span>
目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要集中在混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車上。
混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生）與電動力源（電池與電動機(jī)）的汽車；
純電動汽車（Electric Vehicle，EV）是指完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車；
燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）則是以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī)驅(qū)動的汽車。
新能源汽車使用替代能源，減少了燃油的消耗和有害氣體的排放，滿足了汽車行業(yè)日益凸顯的節(jié)能與環(huán)保需求，因此成為世界各大汽車廠商研究的熱點(diǎn)，同時也得到了各國政府政策的大力支持。
2012年國務(wù)院印發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，將節(jié)約和替代石油列為節(jié)能減排重點(diǎn)工程，發(fā)展節(jié)能汽車成為當(dāng)前落實(shí)國務(wù)院加強(qiáng)節(jié)能減排工作重要部署的重大舉措。新能源汽車是國務(wù)院確定的重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾I(lǐng)域之一。
近年來，特別是《中國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》發(fā)布以來，各地方節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。新能源汽車將逐漸取代純油耗汽車，成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的新趨勢。
二、新能源汽車研發(fā)中面臨的主要挑戰(zhàn)
然而由于與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理上有巨大區(qū)別，在新能源汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)，汽車工程師面臨著諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵部件包括動力電池組、牽引電動機(jī)及發(fā)電機(jī)、功率電子器件等，除了這些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)中涉及到復(fù)雜的物理問題之外，還存在系統(tǒng)集成時電磁部件之間的電磁兼容/電磁干擾等問題。
汽車NVH性能、輕量化、安全性研究也是新能源汽車研發(fā)時必須考慮的因素。
電動汽車透視圖
1.電池組
在混合動力汽車和純電動汽車中，電池組是車輛最主要的動力來源，同時也為眾多的電動輔助系統(tǒng)提供能量。因此電池組的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指標(biāo)將直接關(guān)系到車輛動力性能。在設(shè)計(jì)電池組的時候，在保證高水平容量和輸出功率的基礎(chǔ)上，工程師還必須考慮熱、結(jié)構(gòu)、電磁因素對電池組及電池單體的影響。
電動汽車電池組
電池組在充、放電的時候會產(chǎn)生熱，長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將會縮短電池使用壽命、降低電池性能。電池組內(nèi)部單體之間溫度分布不均勻?qū)е聹夭钸^大，就會形成有害的電流回路也會縮短電池的壽命。要管理電池組發(fā)熱問題，就需要根據(jù)電池組內(nèi)部溫度場分布來設(shè)計(jì)一個風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，而設(shè)計(jì)高效的冷卻系統(tǒng)則涉及到傳熱學(xué)和流體動力學(xué)等知識。
電池組的安裝位置、結(jié)構(gòu)分布會影響車內(nèi)空間大小，在一系列駕駛條件下，電池組不同的安裝位置還會影響其所受各種應(yīng)力，這時候需要考慮是否會引發(fā)安全問題，一旦電池結(jié)構(gòu)被破壞可能釋放出有毒酸液對乘客造成危險(xiǎn)。在外加熱、過充、過放、針刺、重壓及外部短路等多種工況變化情況下，電池組能否安全保證工作性能也是需要研究的。
2.電動機(jī)
電動機(jī)是新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中必不可少的部分，它決定了將多少蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動車輛運(yùn)行，消費(fèi)者都期望汽車具有高燃油效率，它在很大程度上影響了消費(fèi)者的購買決策。而電動機(jī)工作效率與其電磁特性密切相關(guān)，因此研究電磁問題、設(shè)計(jì)出高效率的電動機(jī)是新能源汽車電氣傳動系統(tǒng)研發(fā)最重要的挑戰(zhàn)之一。
電動汽車電動機(jī)
此外，混合動力和純電動汽車所用的牽引電動機(jī)可能面臨非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境，電動機(jī)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)還受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。這些因素要求電動機(jī)必須具有很高的可靠性和安全性。
3.電力電子器件
在新能源汽車的電氣傳動系統(tǒng)中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動機(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)電氣傳動系統(tǒng)。電力電子器件根據(jù)傳感器監(jiān)測到的位置、速度、溫度等反饋信號，嚴(yán)格控制著蓄電池提供給牽引電動機(jī)的電能，為了保證汽車在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，電力電子系統(tǒng)必須具備良好的性能。
與電池組一樣，熱管理也是新能源汽車電力電子設(shè)計(jì)所關(guān)注的一個主要問題。由電氣傳動系統(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。
不同工作環(huán)境下，電力電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量都需要嚴(yán)格控制并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。這需要對電力電子器件中的電磁損耗做精確計(jì)算并研究出相關(guān)的散熱方式。為了確保最有效的冷卻，還要根據(jù)電力電子系統(tǒng)具體情況進(jìn)行散熱路徑設(shè)計(jì)。
除了熱管理，新能源汽車中電力電子控制邏輯也是需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)的，在不同的驅(qū)動工況下對電氣傳動動力集成部件及系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
4.電磁兼容
電磁兼容性是指設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，而且不對該環(huán)境中其它任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾。新能源汽車中應(yīng)用了高壓和大電流的大功率電子變換裝置和驅(qū)動電機(jī)，而且車上的電子電氣設(shè)備繁多，設(shè)備的電磁敏感度也各不相同，整個車輛處于很復(fù)雜的電磁環(huán)境中。
因此在新能源汽車中，各種電氣元件之間的電磁兼容性就成為一個重要的問題，如果不解決這些問題，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，甚至引發(fā)安全問題。
為達(dá)到電磁兼容性的設(shè)計(jì)要求，要分析各種電磁干擾源，確定干擾路徑和耦合方式，然后根據(jù)具體情況采取有效的抑制干擾、消除干擾的措施。必須通過電磁學(xué)分析來仔細(xì)研究電氣元件之間的電磁干擾影響，在電氣傳動系統(tǒng)邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動機(jī)及其周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場，這些部件在工作時又是相互連通、耦合的，這對電磁兼容性分析、解決電磁干擾問題提出了更高的要求。
5.其它挑戰(zhàn)
NVH性能
隨著收入水平的提高，消費(fèi)者越來越看重汽車NVH性能指標(biāo)（噪音Noise、振動Vibration、平穩(wěn)Harshness三項(xiàng)，即乘坐“舒適感”），而對于新能源汽車而言，由于其內(nèi)部布置、動力總成的結(jié)構(gòu)與振動特性與傳統(tǒng)汽車完全不同，不能通過已有經(jīng)驗(yàn)和方法來研究其動力總成和底盤懸架的振動特性對NVH性能的影響。
在噪音優(yōu)化方面，還需要分析電池組中電液流動噪聲、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和振動噪聲。
汽車輕量化
輕量化一直是汽車研發(fā)中重要的一點(diǎn)，可以提升汽車動力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對于新能源汽車更是如此，降低車重對于延長昂貴的蓄電池組使用壽命、提高能源轉(zhuǎn)換效率有著重大意義。然而受制于蓄電池的高質(zhì)量密度，新能源汽車的輕量化工作也具有一定難度。
安全性
安全性是汽車研發(fā)中不得不考慮的問題，新能源汽車的安全性同樣備受關(guān)注。但是在新能源汽車的安全性指標(biāo)上，除了要滿足常規(guī)的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)之外，還要考慮可能發(fā)生的電池燃燒、高壓漏電、電磁干擾帶來的安全隱患。
傳統(tǒng)汽車使用的電池電壓只有幾十伏，而混合動力汽車或純電動汽車所用電池電壓少則100多伏，多則300多伏，一旦發(fā)生漏電對人體的傷害將是致命的。電磁干擾可能導(dǎo)致汽車操控系統(tǒng)失靈，電池燃燒也會導(dǎo)致爆炸，這些都給汽車安全分析提出了更高的要求。
三、CAE技術(shù)在新能源汽車研發(fā)中的應(yīng)用
新能源汽車固然是未來汽車發(fā)展的趨勢，越來越多的汽車廠商也會投入更多到新能源汽車的研發(fā)制造當(dāng)中，越早推出產(chǎn)品越有利于占領(lǐng)市場。但與此同時原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商都面臨著研發(fā)難題，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挑戰(zhàn)，如果解決不好這些難題，將有缺陷、尚不完善的產(chǎn)品推向市場，則存在著巨大的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在激烈的競爭環(huán)境中，要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜可靠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(yàn)的研制方法已不能滿足快速設(shè)計(jì)的需求。
為了能在最短周期內(nèi)研制出高質(zhì)量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車，工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)，來替代傳統(tǒng)的反復(fù)使用物理樣機(jī)驗(yàn)證方法，幫助工程師在汽車物理樣機(jī)制造之前，就能夠有效地評估多個供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測車輛在實(shí)際駕駛情況下的性能，在前期就進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，以避免在產(chǎn)品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問題。
用于新能源汽車的CAE技術(shù)涵蓋了機(jī)械、流體動力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域，主要解決電氣傳動系統(tǒng)單個部件：電池組、牽引電動機(jī)、電力電子器件等的開發(fā)問題，以及子系統(tǒng)之間的集成和電磁干擾、復(fù)雜電氣傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，此外還有新能源汽車NVH特性、輕量化、安全性等性能分析優(yōu)化。
