一种方法,让动力系统设计师使用CFD工具从最早的设计阶段。
到2040年,54%的新车销售和33%的全球汽车舰队预测是电力[1]。有超过6个国家宣布禁止内燃机。预计中国将成为最大的电动汽车市场(EVs),这是驾驶汽车制造商做出积极推出电动汽车的计划。
推动电动汽车发展的一些重要趋势得到超过200英里的电荷,定价40000美元以下,快速充电等不到30分钟80%的费用,增加燃油效率长范围混合动力车,和自主车辆和电气化的发展不仅仅是汽车工业,公共服务,大众交通工具。
电动动力系统工程重点是电池组的价格和尺寸,电机效率影响练习场,驱动范围和性能之间的权衡与不断增加的司机体验需求和特性。能量储存需要的设计,使它获得所需的能量和功率密度在每个电池以及整体包装。包装必须热调节,这样它不会过热。能量储存开车时必须监控和优化。
电机和电力电子需要优化架构、重效率与性能和成本。这里也热管理和可靠性是重要的问题。需要可靠的电力电子在范围广泛的操作温度,和设计是一个挑战与逆变器和电动机内部一个套管。
应用CFD(计算流体动力学)专家的技能通常有利于电力的动力系统,组件级设计和暴露潜在的限制的现象。然而,这种方法依赖于CFD专家可以导致有限类工具产品的部署项目或在无预期的设计效率。
一种新方法,动力系统设计者可以使用CFD工具很容易从最早的设计阶段评价原型设计和优化,在oem和一级供应商的影响力越来越大。这个前期吃重,designer-centric方法取决于三个要素:
使用这种方法,我们已经看到了结果,减少时间和成本高达60% [2]。本文演示了使用前期吃重,designer-centric电动动力系统和仿真方法概述设计工程师的好处可以从部署这种方法开展工作。
高效的电池组设计和原型
这里显示的例子是娱乐用途的电动汽车在崎岖不平的道路和环境条件由公司在巴西[3]。车辆的气冷式4 kw / h电池组。该公司获得电池组或电池,从他们的供应商,然后将它们集成到他们的汽车设计。设计工程师需要找出他们需要什么样的冷却与这个特定的电池组,使车辆能完成它的目标在严酷的气候条件。评估设计更改对电池热行为与影响包装可靠性在实际操作是适合使用CAD-embedded CFD模拟方法。
工程师在这家公司杠杆CAD-embedded CFD软件,FloEFD,电池组的优化设计(图1)。从最初的计算机辅助设计的电池组,他们很快模拟几十个场景探索电池热电池的设计行为变化。通过这个过程,工程师达到一个优化的电池组设计更快比如果他们发送的模型使用传统的CFD计算流体动力学分析方法,重大工程的努力致力于CAD-to-CFD翻译。
图1:最初的电池组设计(上)和最终设计(底部)。
通过这些模拟,确保冷却系统是适合最严厉的情况下,如驾驶车辆装载在很长一段陡峭的上坡,当沥青热,或启动车辆时外面已经停在一个阳光明媚的夏日。模拟工具了解如果使用条件可能影响电池寿命和应该避免的客户,以及制定策略来减轻责任问题,可能是由于滥用或随机不可预测的系统故障。
牵引电动机设计和动力系统集成优化
牵引电动机设计电动汽车是一个复杂的问题,需要准确的考虑电动机电磁和热行为和对电动机结构和材料的依赖。电动动力系统问题变得更具挑战性,因为马达设计必须达到所需的性能指标在重量和体积目标的约束。使用仿真工具如MotorSolve牵引汽车带来了强大的分析设计工程师的桌面(图2)。
图2:3 d模拟牵引电动机。
属性,如基于模板的框架,常用的电机,绕组自动生成和材料数据库designer-centric工具。它允许汽车设计师模拟磁场分布的均匀性,计算损失,评估合适的电机冷却设计(图3)。
图3:测试在模拟运行例子:磁场(左),反电动势波形(中间)和热管理(右)。
这种面向应用的电机设计软件商业汽车一直以数据为基准,并演示了很好的协议。马达效率地图尤其重要,因为它规定在实际操作效率的电动车,从而发挥了至关重要的作用决定电力驱动范围。结果可以无缝地导入到1 d系统仿真软件,FloMASTER,它允许两个电机设计工程师和动力系统工程师共同评估设计变更的影响和优化动力系统热管理配置,以确保所需的电力驱动范围是实现在实际驾驶环境(图4)。
图4:电机的数据可以导入到车辆的热量管理网络设计观察影响电动机的热行为的时候放入系统。
准确的热模拟电力电子设计和可靠性
电力电子模块的设计igbt、mosfet等深受热的担忧。新基质材料,薄和热导电附件材料,和准确的热管理设计需要减少给定模块的热阻。新材料或技术时,其热设计和可靠性测试模块可以考虑生产前彻底。由于这些原因,准确的热模拟电力电子是至关重要的。这种模拟的一个关键挑战是获得可靠的热属性的组件,它并不总是容易获得从供应商。
T3ster硬件技术支持工程师进行无损热特性测试组件。从这些测试结构函数可以直接导入到电子冷却仿真软件,FloTHERM XT。这experiments-to-simulation工作流删除使用仿真结果进行产品开发的挑战。结合特性测量与模拟提供了热模拟精度的误差小于0.5%,确保更好的可靠性是一个车辆的供电系统(图5)。
图5:使用联合measurement-simulation工作流提供了无与伦比的热仿真精度与误差< 0.5%。
然后热IGBT模型特征可用于一个CAD-embedded CFD工具,如FloEFD,运行自动设计的实验研究,以进一步优化组件的设计[4]。
连接从设计师的桌面
电动动力系统,工程师必须评估众多设计选项,不同组件材料潜在的权衡电池,电机,和逆变器,以满足电动汽车的目标范围内,性能和可靠性。为此,他们的工具需要支持designer-centric工作流,从承载CFD内置数据库自动化测试和分析EDA连接,这样组件动力系统设计工程师可以使用这些工具产品决策,而无需严重依赖模拟专家。软件工程师在导师多年来合作,把这个“CFD民主化”的愿景变为现实,使的工作电子、电气和机械设计工程师更容易。这个连接跨领域是一个必须为电气和自动汽车市场现实。有自动化和复杂的仿真和分析在指尖,设计工程师可以在产品开发更有效地利用时间。
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