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(dòng)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(píng)估多個(gè)供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測(cè)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(shì)——新能源汽車
中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的努力，已形成完整的工業(yè)體系，并成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，我國(guó)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(zhǎng)，由此帶來的環(huán)境和能源問題日益突出。
全國(guó)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(duì)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(shì)頭。
新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置），綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車、純電動(dòng)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(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車上。
混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源（由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生）與電動(dòng)力源（電池與電動(dòng)機(jī)）的汽車；
純電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)也得到了各國(guó)政府政策的大力支持。
2012年國(guó)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(guó)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(guó)務(wù)院確定的重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾I(lǐng)域之一。
近年來，特別是《中國(guó)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(shì)。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(shì)。
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(dòng)力電池組、牽引電動(dòng)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(shí)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(shí)必須考慮的因素。
電動(dòng)汽車透視圖
1.電池組
在混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車中，電池組是車輛最主要的動(dòng)力來源，同時(shí)也為眾多的電動(dòng)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(dòng)力性能。在設(shè)計(jì)電池組的時(shí)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(duì)電池組及電池單體的影響。
電動(dòng)汽車電池組
電池組在充、放電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生熱，長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將會(huì)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(huì)形成有害的電流回路也會(huì)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(chǎng)分布來設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)力學(xué)等知識(shí)。
電池組的安裝位置、結(jié)構(gòu)分布會(huì)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(huì)影響其所受各種應(yīng)力，這時(shí)候需要考慮是否會(huì)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(duì)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(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)是新能源汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gòu)買決策。而電動(dòng)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(dòng)機(jī)是新能源汽車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)最重要的挑戰(zhàn)之一。
電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)
此外，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車所用的牽引電動(dòng)機(jī)可能面臨非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境，電動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動(dòng)、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下。在混合動(dòng)力汽車中，電動(dòng)機(jī)還受發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。這些因素要求電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的位置、速度、溫度等反饋信號(hào)，嚴(yán)格控制著蓄電池提供給牽引電動(dòng)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(gè)主要問題。由電氣傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動(dòng)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(duì)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(dòng)工況下對(duì)電氣傳動(dòng)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(gè)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(gè)重要的問題，如果不解決這些問題，電磁干擾就會(huì)破壞信號(hào)傳遞和檢測(cè)并影響電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動(dòng)機(jī)及其周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場(chǎng)，這些部件在工作時(shí)又是相互連通、耦合的，這對(duì)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(dòng)Vibration、平穩(wěn)Harshness三項(xiàng)，即乘坐“舒適感”），而對(duì)于新能源汽車而言，由于其內(nèi)部布置、動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)與振動(dòng)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(dòng)力總成和底盤懸架的振動(dòng)特性對(duì)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(dòng)噪聲、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)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(dòng)力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對(duì)于新能源汽車更是如此，降低車重對(duì)于延長(zhǎng)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(dòng)力汽車或純電動(dòng)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(duì)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(huì)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(shì)，越來越多的汽車廠商也會(huì)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(chǎng)。但與此同時(shí)原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商都面臨著研發(fā)難題，這對(duì)于先進(jìn)的公司是巨大的潛在利益，而對(duì)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(chǎng)，則存在著巨大的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜可靠的下一代電氣傳動(dòng)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(píng)估多個(gè)供選方案，進(jìn)行許多假設(shè)分析研究，預(yù)測(cè)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(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、電氣和電磁等領(lǐng)域，主要解決電氣傳動(dòng)系統(tǒng)單個(gè)部件：電池組、牽引電動(dòng)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(dòng)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。
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