ANSYS 是全球唯一能提供行業標準的，集結構、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商。ANSYS 無縫集成于Workbench? 平臺的設計工具被廣泛地應用于混合動力傳動系統的研發中，包括：

　　●Simplore——多領域系統仿真軟件，應用于集電氣、熱、機械、機電、電磁及液壓等于一體的高性能系統設計、建模、分析和優化。

　　●Q3D Extractor——計算電磁場求解軟件，在工程師設計印刷電路板、電子封裝及電力電子設備時，用于計算載流結構的頻變電阻、電感、電容和電導參數。

　　●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、遠/ 近輻射場結果。根據特定的幾何形狀、材料特性、輸出類型，該工具會自動生成合適的、高效的、準確的網格，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、頻域、時變電磁場和電場，可用于設計和分析機電和電磁設備，例如：電動機、作動器、變壓器、傳感器和線圈等。

　　●RMxprt——旋轉電機(電動機和發電機)開始設計和方案優選軟件。用戶可以利用各種電機的模板輕松地建立模型，指定材料，計算電機性能，確定初始結構尺寸和設計方案，并可在數秒內完成數百次參數化、優化設計和性能分析。

　　●NSYS Icepak——計算流體動力學軟件，可用于電子系統熱管理設計，預測元件、電路板或系統級的熱流量和熱傳遞，以及穩態和瞬態的熱流及傳熱計算(傳導、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 設計版圖中抽取信號完整性和電源完整性網絡的頻變電路模型。

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

　　●ANSYS CFD——流體力學計算軟件包，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，以及對固定或旋轉裝置等溫問題的分析。

　　●ANSYS Multiphysic——多物理場仿真模塊，可以進行復雜的多物理耦合分析，應用廣泛的ANSYS 多物理場求解器可在開發的、自適應的Ansys Workbench 框架下對結構力學、熱傳遞、流體、電磁問題進行分析。

　　隨著空氣污染及石油短缺問題的日益嚴重，利用混合動力車和電動汽車替代傳統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、電機及其它零部件的全新設計，并制訂了在2015 年前路上有100 萬輛混合動力車的目標。美國能源部預測，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，研發性能更好、價格更經濟的電氣傳動系統的競爭日益激烈。研發新的電氣傳動系統具有巨大的商業回報潛力，但與此同時，將有缺陷的、不適合市場的、尚不完善的產品推向市場也存在著商業風險。

　　顯然，汽車技術正在經歷一場革命。領導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行動力傳動系統的設計。無論是整車生產企業的工程師還是零部件生產企業的工程師都面臨著一項挑戰，即如何在一個非常有限的時間內，研發出新一代的動力傳動系統。

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

　　有許多軟件解決方案可用于動力系統開發中的各種性能分析，包括機械分析、電氣分析、電磁分析、電化學分析、流體分析、熱管理應用方面的分析等。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、有效地實現電氣傳動系統的優化設計。本文對一款業界領先的、可在統一集成環境下實現多學科全面分析的一流軟件的價值做了論述。

　　混合動力系統設計者面臨的主要挑戰

　　當前，汽車工程師通常面臨必須從頭開始設計電氣傳動系統的技術挑戰，其關鍵部件包括：動力電池組、牽引電動機及發電機、功率電子器件?；旌蟿恿ζ嚥考脑O計涉及到復雜的物理問題和極具挑戰性的系統集成問題，其單個部件開發過程中面臨的挑戰以及系統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、耐久性和經濟性標準和期望值，甚至超過這些標準和期望值。此外，車用電池組還必須提供比常規電池高幾個數量級的能量。

　　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、結構、電磁因素對電池組及電池單體的影響。例如，當充、放電時電池組產生熱，電池模塊中所有電池單體之間的溫差必須嚴格控制在幾度之內，否則，電池組內部單體之間就會形成有害的電流回路而縮短電池的壽命。要解決電池組發熱問題，就需要一個風冷或水冷的冷卻系統，但有時候卻會導致乘客車倉周圍噪聲增加，從而增加了一定的設計挑戰，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，冷卻系統的噪聲與之不諧調。

　　工程師在對電池組進行設計和仿真分析時，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，電池設計時還要考慮在碰撞情況下電池的安全性，必須保護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/ 發電機

　　多年來，由于內燃機的廣泛應用，汽車制造商在電機(牽引電動機/ 發電機)設計上投入的時間和資金相對較少。傳統發動機已經被完善到了隨心所欲的程度：完全滿足消費者的需求，排放法規也不再那么嚴峻地不可達到，石油價格也不成問題。但現在一切都已發生改變，在新式發動機的巨大收益和市場壓力的驅使下，很多公司開始進行高效率和高效益的電氣發動機設計。人才和資金不斷的流向這個行業，電動機和電池一樣，其設計也面臨著一系列挑戰。

　　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/ 發電機在汽車驅動系統中必不可少，同時也可以通過再生制動給蓄電池充電。與其它電動機不同，混合動力/ 純電動汽車用牽引電動機必須可靠地工作在非常嚴苛的環境中。電動機必須持續工作在極端溫度條件、劇烈振動、大工作循環及崎嶇路面條件下;在混合動力汽車中，電動機也受發動機產生的高溫影響。上述所有的因素在電動機設計的時候都必須考慮。對汽車消費者來說，可靠性是汽車的關鍵賣點，而且差的發動機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—發電機有限元網格剖分圖

　　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。由于電動機的設計決定了將多少蓄電池的電能轉化為機械能驅動車輛，設計高燃油效率的電動機就成為當今混合動力/ 純電動汽車動力傳動系統工程師面臨的最重要挑戰之一。

　　●電力電子

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

　　熱管理是混合動力汽車電力電子設計所關注的一個主要問題。由動力傳動系統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生大量的熱。各種工作環境下(如炎熱的沙漠或者冬天零度以下)的熱量都需要嚴格管理并做好散熱，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，還要確定和設計散熱通路。

　　●電磁干擾/ 電磁兼容

　　電力電子開發中的主要挑戰之一是電磁干擾及電磁兼容。由于供給電動機的能量通過高頻開關功率器件的控制進行傳遞，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正常工作。因此，電磁干擾的影響必須仔細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、母線及周圍電磁部件內和周邊的電磁場，且這些部件工作時是相互連通、相互耦合的。

　　電機控制器電子電路圖

　　IGBT 的電磁干擾/ 電磁兼容分析

　　仿真技術的應用

　　即使在沒有樣機的條件下，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品的設計性能。不僅實體和真實載荷情況可以通過準確的仿真而建模，而且流體、機械、熱物理、電化學、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整設計。這樣，產品設計可以更快，并且可以在設計的前期進行性能優化，以避免在產品開發的后期發生意外和問題。

　　用于混合動力/ 純電動汽車的仿真工具涵蓋范圍寬，包括機械、流體動力學、熱學、電氣和電磁等領域。這些工具既可以用于解決動力傳動系統單個部件開發的問題——電池組、牽引電動機/ 發電機、電力電子等，也可以用于由這些子系統集成的、復雜動力傳動系統的設計和研究。

　　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，電池熱管理是混合動力/ 純電動汽車開發的重中之重。對圓柱形電池單體，工程師通常采用風冷策略，其中包括電池組外殼的形狀設計，由鼓風機和導流片形成足夠的氣流以實現最佳的冷卻。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來實現。電池熱管理的控制算法則根據溫度和充電器狀態來改變每個電池單體的負荷。

　　將參數化法和實驗設計法與計算流體力學求解器相結合，可分析復雜的三維冷卻液流動和多媒質聯合(從固體到液體)傳熱，以評估和優化不同的熱管理系統配置。為了評估電池組的長駕駛循環性能，線性時不變法可實現高效的實時仿真。

　　工程師可以借助電路仿真技術評估控制算法，來研究降低電池壽命和導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，采用能夠將三維物理模型(流體動力學和機械)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構問題，結構力學軟件可用于評估結構的完整性，以防止電池組有毒內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。這種虛擬樣機設計軟件也同樣適用于研究振動，耐久性和疲勞壽命。

　　電動機/ 發電機仿真

　　在電動機/ 發電機研發中，設計者必須重點考慮電機的電磁問題。根據最初的CAD 圖紙及裝配體的相關工程設計指標，電子設計優化軟件可定義電動機/ 發電機的主要設計參數，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數、氣隙等，而寄生參數提取工具則可用于計算電動機的電氣特性。

　　風冷圓柱型電池模塊網格(左)及冷卻液流速圖(右)

　　這些軟件輸出的模型和設計數據可以輸入到電磁仿真軟件中，從而可計算電動機的轉矩曲線——在電動模式驅動車輛時，轉矩如何隨時間上升;在停車制動模式時，電氣阻力矩如何隨時間變化。電動機/ 發電機電磁性能分析時，還需要引入車輛的質量以確定各種情況下的加速時間及制動時間?；谶@些輸出結果，設計者可以改變某些設計參數(例如：永磁體的尺寸)來調整設計，通過參數化、優化設計，在電動機的性能與電動機的尺寸、重量或成本之間做出折中選擇，優選設計方案。

　　電磁仿真輸出的轉矩可進一步輸入到結構力學軟件中，用于分析動力傳動系統中其它部件(包括驅動軸、齒輪等)的應力、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，驅動系統進行振動分析就變得非常重要了。此外，流體動力學可用于研究熱管理問題，分析損耗的分布，以確定電動機/ 發電機組的熱分布。

　　無縫集成的多物理場設計軟件縱貫整個電磁和機械開發過程，在不同載荷情況的性能計算和不同設計方案比較時，可協調多個工具的動作，在不同工具之間交換數據。多物理場聯合仿真程序有助于軟件在一個統一的環境中實現不同程序之間順暢的數據傳遞。

　　電力電子仿真

　　為了對混合動力汽車電力電子器件進行熱管理，工程師在電力電子電路仿真軟件的設計界面上放置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/ 發電機器件模型等，以建立電力電子器件系統仿真分析模型，實現整個系統的虛擬設計和仿真分析。通過各種仿真數據，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、整個系統內電流的變化情況。

　　利用電子熱流分析工具，工程師可以指定動力傳動系統中主要熱源(IGBT 和電機/ 發電機的載流部件)的幾何尺寸。通過單獨添加系統中關鍵點上的每個熱源，同時還考慮空氣流通量和傳導熱量的影響，以及參數化分析，軟件可處理數據并生成等效熱模型，用于系統仿真分析。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，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。

　　根據溫度分布，工程師可以利用有限元軟件的熱- 結構耦合分析功能，確定由此產生的熱應力。電子設計分析工具還可用于計算電動機/ 發電機各部分上的電磁力，從而確定形變量和機械應力分布。由此，工程師可以通過修改結構，消除應力集中和過度變形，或者反之，減少那些由于過度設計而額外使用多余材料的區域。

　　電磁干擾/ 電磁兼容仿真

　　在混合動力/ 純電動汽車的開發中，IGBT 的開關速度從幾十到幾百千赫，導通上升時間和關斷下降時間大約為50 到100 納秒——這可能會導致兩大電磁問題：傳導發射(通過載流結構)可能會導致電源完整性問題或引起對逆變器和電動機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。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/ 電磁干擾進行設計。

　　為了精確描述IGBT 等開關器件的性能，工程師可以采用參數化的IGBT 建模向導，利用該向導可輸入供應商提供的數據手冊中的IGBT性能曲線和數據，在建模向導的指引下自動提取需要的參數來生成IGBT 的半導體電路模型。整個建模過程非常簡單，無需手動完成。

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

　　功率變換器系統仿真的結果可用于檢驗輻射發射，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外相關標準。如果輻射超標，逆變器系統的電磁干擾和電磁兼容可溯源到器件設計版圖上的問題源。由此，對設計做出參數更改，并獲得一系列仿真結果，直到傳導輻射和輻射電磁發射等級都在可接受的限值之內為止。

　　系統集成

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

　　涵蓋電磁、熱、流體和結構問題的系統仿真

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

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

　　多物理表示一個系統或部件受多于一個物理機制影響，例如：一個電池組的性能受流體流動、熱傳遞、電化學、結構應力/ 應變分布、電磁場等物理機制影響。

　　多尺度表示一個系統重要的物理現象發生在不同物理尺度上，例如：電池組中，電化學反應發生在納米級，而熱傳導和冷卻發生在毫米級;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

　　為了證明電磁仿真方法的速度和精度，ANSYS 的工程師團隊采用Oak Ridge 國家實驗室發布的豐田普銳斯THSII 牽引電動機的設計和性能數據做了一個研究。

　　電動機瞬態有限元分析

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

　　將求解結果作為描述電機性能的查詢表，ANSYS 工程師在Simplorer 軟件中建立了基于電動機等效電路模型的參數化系統級仿真模型，計算電機轉矩和其它輸出參數。系統級方法的仿真結果與公布的電動機輸出數據吻合得很好，這表明了該方法的準確性。

　　系統級仿真方法的優點是可在瞬間預測電機的輸出性能，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團隊用于快速評估和優化電動機的設計工作中，并替代了數個樣機的試驗周期，加速了整個設計進程。因此，仿真預測特別有利于在電動機開發的早期階段，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化方案。

　　競爭中的先驅

　　混合動力/ 純電動汽車的發展速度快得驚人，與此同時，原始設備制造商和供應商都面臨著具有挑戰性的市場需求，這對于先進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險。在激烈的環境中，汽車工程師們面臨的挑戰是設計非常復雜的下一代電氣傳動系統，使用緩慢和低效的、反復樣機試驗的研制方法已不能滿足快速設計的需求。因此，必須采用以多物理場為基礎的仿真驅動式研發模式來平衡復雜的、相互依賴的、間或相互矛盾的機械、電氣、電磁、流體和熱管理等多種設計需求。

　　通過多物理域仿真，設計團隊能夠有效地評估涉及多個領域的數百個供選方案，進行許多假設分析研究，預測車輛在實際駕駛情況下的性能，快速優化設計，使工程師能夠開發最佳的電池、電動機/ 發電機、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協同工作。

　　對于一個最佳的動力傳動系統設計，其關鍵是以多物理為基礎的仿真解決方案，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雜的設計需求。隨著混合動力/ 純電動汽車的需求持續增長，有一定廣度和深度的多物理域仿真方案不僅具有競爭優勢，而且是那些想在競爭中獲勝的企業必不可少的設計工具競爭籌碼。