新能源動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的三大核心技術(shù)之一，被譽(yù)為新能源汽車(chē)的心臟。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可以劃分為兩大類(lèi)：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱(chēng)為二次電池，即可充電電池，如鉛酸蓄電池、鎳基電池、鋰電池、空氣電池等；燃料電池，即活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

ANSYS CFD數(shù)值模擬方法可以在電池單體設(shè)計(jì)、電池包熱設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。

電池單體及電池包熱管理 

新能源汽車(chē)電池是新能源汽車(chē)的三大核心技術(shù)之一，被譽(yù)為新能源汽車(chē)的心臟。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可以劃分為兩大類(lèi)：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱(chēng)為二次電池，即可充電電池，如鉛酸蓄電池、鎳基電池、鋰電池、空氣電池等；燃料電池，即活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。 

鋰離子電池仿真

ANSYS Fluent的電池模塊可以自動(dòng)探測(cè)電池連接模式（串/并聯(lián)），流動(dòng)、熱和電化學(xué)完全耦合在一起進(jìn)行計(jì)算，具有非常好的計(jì)算精度和穩(wěn)健性。該模塊內(nèi)置三個(gè)電化學(xué)模型，既有基于經(jīng)驗(yàn)的模型又有基于物理的模型，而且支持用戶(hù)使用UDF自定義電化學(xué)模型。

ANSYS Fluent的電池模塊

ANSYS公司在美國(guó)能源部的計(jì)算機(jī)輔助工程用于電動(dòng)車(chē)電池設(shè)計(jì)（CAEBAT）項(xiàng)目中，聯(lián)合通用汽車(chē)、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、ESim，共同開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證、完善了該電池模塊。
對(duì)于具有復(fù)雜串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池模組，可以仿真在復(fù)雜充放電循環(huán)工況下的瞬態(tài)放熱特性。

具有復(fù)雜串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池模組

電芯的結(jié)構(gòu)

電芯表面溫度分布

通用汽車(chē)圓柱型鋰離子電池包結(jié)構(gòu)

電池包內(nèi)的流線(xiàn)及電芯表面的溫度分布

燃料電池仿真

ANSYS Fluent的燃料電池模塊能模擬質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池以及電解過(guò)程，該模塊自帶UDF來(lái)模擬電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)、電荷運(yùn)輸、氣體擴(kuò)散、水的運(yùn)輸、能量傳遞等，用戶(hù)也可以根據(jù)自己的需要，通過(guò)UDF來(lái)修改其中的模型。

ANSYS Fluent的燃料電池模塊

某用戶(hù)使用ANSYS Fluent的燃料電池模塊，仿真了一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池，對(duì)PEMFC內(nèi)的溫度、壓力、濃度進(jìn)行考察。

左：模型網(wǎng)格；   右：氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

左：氣體的速度分布；    右：氣體的溫度分布

福特汽車(chē)和德?tīng)柛Ｂ?lián)合進(jìn)行電池包熱管理的分析

福特汽車(chē)和德?tīng)柛：献鬟M(jìn)行了電池包的熱管理仿真，優(yōu)化了電池包內(nèi)的氣流通道，提升了電池單體的溫度均勻性。

左：電池包的正視圖     右：截面速度云圖

電池包內(nèi)的氣流組織及溫度分布云圖

電池包抗沖擊及可靠性

電池包是各種電動(dòng)車(chē)輛的主要能量載體和動(dòng)力來(lái)源，也是電動(dòng)車(chē)輛整車(chē)成本的主要組成部分，其壽命直接影響電動(dòng)車(chē)輛的使用。作為電動(dòng)汽車(chē)能量供給的關(guān)鍵設(shè)備，電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能高效和輕便，并在保證存放空間合理布局的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足多變運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下的機(jī)械承受、工作安全性、可靠性及使用壽命要求。
CAE分析中，針對(duì)電池組常見(jiàn)的分析類(lèi)型有：自重分析（評(píng)估電池包在自重載荷下，自身及連接結(jié)構(gòu)的可靠性）、模態(tài)分析（確定電池包結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以在設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)這些頻率或者最大限度地減少對(duì)這些頻率上的激勵(lì)，從而消除過(guò)度振動(dòng)和噪聲）、隨機(jī)振動(dòng)分析（評(píng)估電池包在復(fù)雜路況載荷下的有效性）、沖擊及跌落分析（評(píng)估結(jié)構(gòu)受沖擊載荷下的動(dòng)力性能）等。

ANSYS 模擬結(jié)果：電池包自重分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布（參照標(biāo)準(zhǔn) SAE J2380）

電池包振動(dòng)方向 預(yù)應(yīng)力一階頻率，ANSYS分析結(jié)果：z方向變形及1sigma應(yīng)力分布（參照標(biāo)準(zhǔn) SAE J2380）

電池包跌落測(cè)試（參照標(biāo)準(zhǔn) SAE J2464）

根據(jù)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢(shì)、研發(fā)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，ANSYS集成化電機(jī)設(shè)計(jì)解決方案，不僅可以解決電機(jī)本體的電磁、結(jié)構(gòu)、熱、多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)問(wèn)題，還可以解決電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、控制算法和代碼開(kāi)發(fā)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)、EMI/EMC分析等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)虛擬的V模型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程，以及虛擬樣機(jī)制造和測(cè)試。通過(guò)便捷、自動(dòng)生成電機(jī)控制代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；通過(guò)全面預(yù)測(cè)并優(yōu)化電機(jī)及驅(qū)動(dòng)/控制系統(tǒng)的電磁、熱、結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲等多物理場(chǎng)耦合特性和EMI/EMC特性，實(shí)現(xiàn)集成化、高效節(jié)能化；通過(guò)有效預(yù)研電機(jī)與測(cè)控外設(shè)/系統(tǒng)的集成狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

控制代碼自動(dòng)生成

針對(duì)國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)需求，ANSYS解決方案以SCADE Suite為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，充分利用基于模型的圖形化設(shè)計(jì)理念，完成模型級(jí)開(kāi)發(fā)，模型級(jí)驗(yàn)證，自動(dòng)代碼生成，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)流程的標(biāo)準(zhǔn)化與自動(dòng)化，高效解決高安全性電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全問(wèn)題?！?/span>

SCADE Suite提供如下圖所示的控制軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，為高安全性嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)提供完整的解決方案。該解決方案對(duì)DO-178B、IEC61508、EN50128、IEC60880等高安全性應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供全面的支持，適用于各種不同的軟件生命周期，適用于開(kāi)發(fā)符合高安全性標(biāo)準(zhǔn)的軟件，在相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并且有大量的成功案例。

SCADE Suite 代碼生成器（KCG）

SCADE Suite KCG可以自動(dòng)生成基于ISO C的嵌入式產(chǎn)品代碼，并且它生成的代碼滿(mǎn)足一系列的安全性特征，有良好的可讀性和標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有和手寫(xiě)代碼相當(dāng)?shù)拇笮『托省?/span>

SCADE Suite模型核SCADE Suite KCG生成的C代碼

相比其他代碼生成器，它具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：

1. SCADE Suite KCG所生成的代碼是完全面向工程的產(chǎn)品代碼，可以直接嵌入到產(chǎn)品中去而不需要做任何修改?！?/span>

2. SCADE Suite模型基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，在環(huán)境一致的情況下它能夠保證仿真的結(jié)果和最終平臺(tái)上執(zhí)行的結(jié)果完全一致?！　?/span>

3. 它通過(guò)了軍工及航空業(yè)的DO-178C標(biāo)準(zhǔn)TQL-1級(jí)認(rèn)證、重工業(yè)及能源行業(yè)的IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)SIL 3級(jí)認(rèn)證、軌道交通行業(yè)的EN 50128標(biāo)準(zhǔn)SIL3/4級(jí)認(rèn)證，汽車(chē)電子行業(yè)的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證等等。由于SCADE Suite KCG通過(guò)了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最高級(jí)別的鑒定，它不但使開(kāi)發(fā)人員省去了繁瑣的編碼過(guò)程，還省略了一系列的驗(yàn)證活動(dòng)。

EMI/EMC

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)難題包括：部件級(jí)電磁輻射（例如：電機(jī)、變壓器、電感、IGBT等對(duì)外電磁輻射；PCB板級(jí)信號(hào)串?dāng)_和電磁輻射）；設(shè)備級(jí)電磁干擾（例如：線(xiàn)纜、電機(jī)等各種電磁設(shè)備間的相互耦合）；系統(tǒng)級(jí)電磁干擾（例如：電磁設(shè)備布局、屏蔽措施設(shè)計(jì)等電磁輻射問(wèn)題；線(xiàn)纜、IGBT、母排、PCB關(guān)鍵路徑走線(xiàn)等寄生參數(shù)引發(fā)的傳導(dǎo)干擾問(wèn)題等）。ANSYS解決方案相關(guān)產(chǎn)品既可以單獨(dú)使用， 解決具體部件電磁兼容設(shè)計(jì)問(wèn)題，又可以無(wú)縫集成為EMI/EMC仿真分析平臺(tái)，便捷、高效解決部件級(jí)、設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的電磁干擾和電磁兼容設(shè)計(jì)問(wèn)題，并可與ANSYS的結(jié)構(gòu)和流體分析工具（Mechanical和Fluent/Icepak）無(wú)縫集成，共享和交互仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)建多物理域電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容集成化虛擬設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證環(huán)境。

 

ANSYS 電磁干擾/電磁兼容設(shè)計(jì)流程

傳導(dǎo)干擾分析：Simplorer可無(wú)縫集成Q3D提取的線(xiàn)纜、母排、IGBT、PCB關(guān)鍵路徑等寄生參數(shù)模型，仿真電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)特性，以及添加濾波器件，改變線(xiàn)纜參數(shù)等措施的改進(jìn)效果。Simplorer系統(tǒng)仿真的電流、功率等信號(hào)，可作為干擾源導(dǎo)入HFSS，分析其對(duì)系統(tǒng)的輻射干擾。

PCB板級(jí)串?dāng)_和輻射分析：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PCB控制板中的高速數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_和電磁輻射，對(duì)周邊的連接器或線(xiàn)纜可能會(huì)產(chǎn)生影響，通過(guò)對(duì)PCB的電磁場(chǎng)仿真，能夠得到整版的輻射特性，并可據(jù)此對(duì)PCB進(jìn)行布局優(yōu)化。

設(shè)備布局優(yōu)化和機(jī)箱屏蔽效果分析：金屬的機(jī)箱機(jī)柜通常能夠?qū)崿F(xiàn)良好的屏蔽性能，但是機(jī)箱上的散熱孔、連接器接頭縫隙均可能造成電磁泄露，HFSS可對(duì)機(jī)箱機(jī)柜的屏蔽效能進(jìn)行仿真，并對(duì)機(jī)箱通風(fēng)孔的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中IGBT、電磁部件、PCB等輻射仿真結(jié)果可作為干擾源，通過(guò)HFSS場(chǎng)源鏈接，分析其對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的輻射影響，實(shí)現(xiàn)布局優(yōu)化。

IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外企業(yè)IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)的技術(shù)需求，ANSYS電機(jī)設(shè)計(jì)解決方案以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)平臺(tái)，以Simplorer為器件特征化建模、開(kāi)關(guān)特性測(cè)試、變流電路設(shè)計(jì)及傳導(dǎo)干擾分析平臺(tái)，通過(guò)單/雙向的多物理場(chǎng)耦合技術(shù)和魯棒性設(shè)計(jì)，以器件與系統(tǒng)的降價(jià)模型和協(xié)同仿真接口，來(lái)高效解決IGBT應(yīng)用與封裝設(shè)計(jì)所面臨的多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

ANSYS IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)流程

特征化建模和開(kāi)關(guān)特性測(cè)試：IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)用戶(hù)都會(huì)面臨一個(gè)問(wèn)題，即如何在設(shè)計(jì)階段精確考慮IGBT開(kāi)關(guān)特性對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及系統(tǒng)性能的影響。Simplorer可根據(jù)供貨商提供的datasheet實(shí)現(xiàn)特征化IGBT精確建模（包含各種特征參數(shù)和特性曲線(xiàn)），并可一鍵生成IGBT的半橋測(cè)試電路和系統(tǒng)仿真模型，高效解決IGBT高精度建模和開(kāi)關(guān)特性測(cè)試問(wèn)題。

寄生參數(shù)提取及傳導(dǎo)特性分析：IGBT封裝設(shè)計(jì)和部分電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶(hù)都關(guān)注傳導(dǎo)路徑的寄生參數(shù)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)特性和系統(tǒng)性能的影響，這就需要提取IGBT封裝的寄生參數(shù)并集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。Q3D可直接通過(guò)電磁場(chǎng)求解輸出其原始或降價(jià)RLCG矩陣，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接集成到驅(qū)動(dòng)電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，精確分析寄生參數(shù)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)特性和傳導(dǎo)特性的影響。

均流特性分析和電流路徑優(yōu)化：IGBT封裝設(shè)計(jì)和部分電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶(hù)還關(guān)注IGBT的均流特性。Maxwell可通過(guò)靜態(tài)或瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析，精確評(píng)估IGBT在各種正?；蚬收瞎r電流激勵(lì)下的電磁性能，有助于均流設(shè)計(jì)、傳導(dǎo)路徑優(yōu)化，熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

電磁、熱、結(jié)構(gòu)耦合特性分析：IGBT封裝和部分電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶(hù)還需要考慮多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)問(wèn)題，因?yàn)镮GBT傳遞大電流時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不均勻分布的電磁損耗和電磁力，導(dǎo)致局部過(guò)熱或應(yīng)力形變過(guò)大而導(dǎo)致IGBT失效或損壞。Maxwell和Mechanical、Icepak可輕松解決單/雙向的電磁與熱、電磁與結(jié)構(gòu)、熱與結(jié)構(gòu)、電磁與流體等多物理場(chǎng)耦合分析問(wèn)題。

熱模型提取及熱特性分析：部分IGBT封裝和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶(hù)需要考慮IGBT模塊散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其熱特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Icepak可便捷地實(shí)現(xiàn)IGBT模塊散熱系統(tǒng)建模，考慮功率損耗、風(fēng)扇、散熱片等作用下系統(tǒng)的熱性能，并可直接提取其熱模型，用于電驅(qū)動(dòng)電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

輻射干擾分析：部分IGBT封裝和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶(hù)需要考慮IGBT電磁輻射影響。Simplorer可直接輸出IGBT電磁功率瞬態(tài)曲線(xiàn)和FFT頻譜，結(jié)合HFSS可分析關(guān)注頻率下IGBT信號(hào)所導(dǎo)致的空間電磁輻射干擾，將其作為干擾源再導(dǎo)入HFSS， 即可仿真IGBT電磁輻射對(duì)整機(jī)性能的影響。

集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Simplorer作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，不僅具有IGBT特征化建模、驅(qū)動(dòng)電路、控制算法建模和仿真的功能，還能夠和ANSYS電磁、結(jié)構(gòu)、流體產(chǎn)品以及第三方產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)降價(jià)模型接口和協(xié)同仿真接口，可以便捷地集成精確的電機(jī)電磁模型，IGBT模塊熱模型；電池電化學(xué)、傳感器、繼電器、電感、變壓器等效電路模型等，SCADE嵌入式代碼，線(xiàn)纜、母排、IGBT寄生參數(shù)模型，Simulink協(xié)同仿真代碼等，實(shí)現(xiàn)高精度電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳導(dǎo)干擾分析。

ANSYS IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)流程

高精度電機(jī)模型集成：Simplorer不僅可以無(wú)縫集成源自RMxprt磁路法設(shè)計(jì)的等效電路模型，還可以無(wú)縫集成源自Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析的等效電路模型，甚至可以通過(guò)高層次場(chǎng)路耦合、瞬態(tài)協(xié)同仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度電機(jī)瞬態(tài)有限元分析模型無(wú)縫集成。

高精度IGBT模型與驅(qū)動(dòng)電路集成：Simplorer不僅可以根據(jù)IGBT Datasheet實(shí)現(xiàn)特征化建模，還可以實(shí)現(xiàn)各種整流和逆變電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)和負(fù)載系統(tǒng)工況模擬分析，實(shí)現(xiàn)高精度IGBT和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成。

高精度IGBT熱模型集成：Simplorer可以無(wú)縫集成Icepak提取的IGBT模塊熱模型，仿真分析IGBT在各種工況下的損耗和特定散熱系統(tǒng)下的溫升，以及溫升對(duì)IGBT及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響。

高精度電磁部件模型集成：Simplorer可以無(wú)縫集成源自PExprt和Maxwell的電感、變壓器、繼電器、傳感器、作動(dòng)器等等效電路模型，仿真分析電磁部件真實(shí)的電磁特性對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響。

高安全性嵌入式控制代碼集成：Simplorer可以無(wú)縫集成源自SCADE SUITE的嵌入式控制代碼，仿真分析電機(jī)、控制算法、驅(qū)動(dòng)電路的相互影響和具有高安全性的、一鍵自動(dòng)生成的控制代碼對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

IGBT、電纜、母排寄生參數(shù)模型集成：Simplorer可以無(wú)縫集成源自Q3D的IGBT、電纜、母排的寄生參數(shù)，仿真分析RLCG寄生參數(shù)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)特性的影響。