Simcenter电驱动系统性能开发——提供集成的工具和方法以应对未来的挑战

交通运输行业正在迅速转型，这主要是由车辆电气化、自动驾驶的发展、工业 4.0 技术的应用、不断变化的消费者数据、经济和环境可持续性问题等推动的。其中一些趋势源于尽量减少温室气体排放水平，开发更安全的运输方式，降低运营成本并提供更好的产品生命周期管理系统。

在众多变化中，电气化受到的关注最多。市场趋势预测，未来几十年对内燃机汽车替代品的需求（图1）将迅速增长。全球大部分地区设定了雄心勃勃的目标，即在2030年至2050年期间逐步停止内燃机汽车的销售。

图1 内燃机汽车、混合动力和电动汽车的相对需求

这些趋势对混合动力和电动汽车行业的所有细分市场都有广泛的影响，包括动力系统零部件制造商、供应商和集成商。混合动力和电动汽车的动力系统的主要部件是电池或燃料电池、驱动电机、电力电子系统和传动系统。在本文中，我们从行业趋势、挑战和解决方案的角度分析了电驱动设计的现状和未来方向。其中一些关键问题包括：

• 有哪些关键的计算和仿真解决方案可以帮助当今的设计人员应对未来的工程挑战

下面我们将逐一围绕这些问题展开讨论。首先，我们介绍了电驱动设计开发人员面临的一些主要工程挑战。然后，结合典型的电驱动V字型开发流程，介绍了在每个步骤中的关键设计任务，包括使用仿真工具执行这些任务所需的功能，以及西门子Simcenter软件解决方案。最后，我们讨论了采用由本文介绍的一些工具实现的集成设计过程的优势。

工程中所面临的一个重要方面是目前的电驱动无法满足未来纯电动和混合动力汽车的技术标准和性能要求。包括效率水平、功率密度、速度范围、生命周期成本和其他方面都达不到下一代电驱设备所需的水平。这给主机厂和其他利益相关者带来了机遇和挑战。

虽然本文的主要重点是技术挑战，但值得从一个对电驱动行业产生巨大影响的非技术问题开始——稀土材料的供应和价格波动。这些材料用于制造高强度永磁体，并用于许多商用电动和混合动力汽车（丰田普锐斯，日产聆风，宝马i3，特斯拉Model 3等）驱动电机。稀土材料的供应问题导致了巨大的研发投入，以开发不使用稀土永磁体或减少使用稀土永磁体的电机替代品。自2012年以来，这个问题持续占据大部分围绕下一代电驱动开发的讨论。因此，我们认为开发不使用或减少使用稀土永磁体的高功率密度驱动电机是下一代设计师面临的主要挑战之一。

另一个重要挑战是开发高效电机。为了应对气候变化和不断增长的人口对能源的需求，世界各国政府已强制要求降低车辆的排放水平。这反过来又增加了对高效电机的需求。考虑到大多数驱动电机目前以大约90%的效率运行，开发更高效的电机是一个很有挑战的问题。要改进这一点，需要结合材料工程、稳健性设计、制造工艺（例如，使用增材制造）和仿真技术的新技术进步。

对于给定的电池，电驱动系统只能在某个转速下运行，该速度由其恒定功率与（基本）速比确定。这是影响电机类型、材料、齿轮传动比和其他动力总成细节选择的重要制约因素。大多数现代电机的恒功率转速范围约为2.5至4，将此范围扩展到7 到 10 是未来机器的目标之一。如果可行，这将有助于大幅降低动力总成传动系统的成本。

通过确保稳健性来降低成本是所有机器的另一个重要目标。稳健性的要素包括在制造不确定性和公差下保持机器性能，防止系统故障，确保在可变环境条件下运行的能力等。仿真软件工具是确保机器稳健性的重要推动因素。

降低电驱动系统的噪音和振动（NVH）水平是另一项重大技术挑战。由于转子偏心、脉宽调制（PWM）的控制策略或者其他原因引起的谐波激励产生的NVH问题是难以避免的。

此外，除了技术挑战外，对于整个产品研发周期的缩短以及产品多样化的需求也给电驱开发带来的巨大的挑战。面对这些问题，我们需要更加高效地利用仿真方法和工具实现电驱动系统的正向开发。

电磁设计是电驱动系统设计仿真的重要部分。除了电磁设计外，电驱动设计还有其他几个方面：传动系统设计，散热或冷却系统设计，电力电子或驱动设计，符合NVH标准并保持机器的结构完整性，以及各种子系统和组件的系统级集成。冷却系统的设计需要电磁-热耦合仿真。为此，需要基于各种保真度级别的模型来进行电磁热耦合仿真，从集总参数到基于计算流体动力学（CFD）的计算。对于电力电子驱动，需要耦合电磁和功率器件仿真。结构分析和NVH仿真需要结构和电磁场进行耦合。对于系统级设计，需要高保真度级别的模型。

其中每一项都带来了重大挑战。例如，在电磁、热和机械仿真工具之间进行有限元分析的仿真时，时间常数和网格要求的差异只是必须考虑的众多方面中的一部分。此外，基于CFD的仿真的计算成本可能会使某些问题在不使用高性能计算功能的情况下无法解决。

电驱的设计空间是高维的。此外，当考虑到问题的多学科和多物理场时，设计目标和约束的数量通常也很高，这导致许多优化方法无效。面对众多选择，工程师面临的一个重要挑战是为原型设计选择优化设计候选方案。利用最先进的流程集成和多目标优化算法可能会有所帮助。这是一个广阔的研究领域，应用新的技术创新对软件工具开发人员来说既是挑战也是机遇。

当非线性很重要时，实验设计和优化问题通常需要使用计算量大的基于有限元的分析方法来建模求解，这些模拟可能很耗时。根据手头的问题，可能需要数千次评估。在这些情况下，必须执行基于降阶模型的性能预测。开发高保真降阶模型是一项重要的算法挑战。

最后的建模挑战与创建全面的数字孪生有关。在本文中，我们将电驱动系统的数字孪生称为它们以各种形式集成化表征的模型。等效电路或集总参数表示、低阶或降阶模型、响应面模型和基于有限元的模型都是机器数字孪生的示例。就目前而言，集成化电驱动系统模型可以实时更新，并允许在不同仿真平台之间进行无缝模型交换，以进行多物理场和多领域分析。

在上面的讨论中，我们总结了当今电驱动设计开发人员面临的一些最重要的工程、仿真和分析挑战。仿真工具将在应对和克服这些挑战方面发挥核心作用。在下面章节中，我们将更深入地介绍在电驱开发设计过程，西门子Simcenter所提供的解决方案。

电驱动系统开发如下图2所示，涉及到诸多设计、验证及其相互迭代的过程。通常来讲，一个正向研发过程首先从整车需求指标分解开始，明确电驱动系统的各部件的设计目标，然后进行部件级详细设计，其中包括：电磁方案以及动力性能设计、传动方案设计、电驱动系统散热设计及热管理策略开发、电驱动系统的NVH设计及优化等。待各部件性能开发完毕，工程师利用多学科系统仿真平台将表征电驱动系统各项性能的模型进行集成，同时完成整车层面的设计指标验证。在这个过程中，工程师需要不断对各部件的详细设计进行局部优化调整，以此使整车综合性能表现达到平衡。与此同时，为缩短产品研发周期，控制工程师利用前期建立的电驱动系统部件级模型开始控制策略的虚拟标定工作，包括：以能耗最低为目标的基波电流幅值相位标定、以输出扭矩波动最小为目标的谐波注入电流幅值相位标定等。

上述性能开发工作完成后，电驱动系统研发进入样件试制阶段。软件工程完成控制策略的程序实现、硬件电路完成制版、元件焊接与基本功能调试、电机本体生产制造完成并与电驱动系统一体化集成结构完成装配。

测试阶段根据实际验证工作需要，依次完成软件在环测试、硬件在环测试、台架测试与实车测试。工程师借助于开发阶段所搭建的系统或部件级详细模型，完成电驱动系统虚实结合的测试过程。在此过程中，数字孪生中的实物部分将逐渐替代虚拟模型部分，从而使测试环境越来越接近于系统真实运行环境。借助于数字孪生技术，电驱动系统的开发周期大幅度缩短，同时得益于虚拟仿真技术的应用，使得设计缺陷尽可能地暴露在早期验证阶段，从而大大降低了电驱动系统的研发成本。

在以下各节中，我们将从设计和性能开发工程师的角度讨论所需的仿真工具功能。在设计过程的每个阶段，我们将介绍Simcenter 解决方案如何提供可帮助您应对上述挑战的功能。

图2 电驱动系统性能开发与测试验证

电驱系统架构差异是系统性能差异关键所在，不同系统架构对于所设计产品的成本、性能之间的差异起着决定性的作用，不同驱动方式形式的续航里程、系统可靠性也会有本质的差别，组成更少的集中式电驱系统更容易获得更高的可靠性，轮边电机或者轮毂电机式驱动方式的电动汽车具有更高的加速性能，但同时成本也会更高，这些重要性能的决定因素就是系统架构。不同架构的总体系统设计也决定着子系统与零部件的设计，例如不同的驱动形式决定着不同的电驱动系统的拓扑结构，因此合理的系统架构规划有利于充分利用电动车/混动车的零部件特点和整车总体优势，例如成员舱空间、车身碰撞性能、更好的整车尺寸等，此外对于零部件选型和设计也有很强指导意义。关于电驱系统架构更多详情可见：电驱系统架构创成设计及评估

电动汽车设计初始阶段，根据市场需求调研、用户反馈和对标车型的性能参数、工程师已经拿到待研发车型的整车级动力性、经济性指标，例如：标准法规循环工况下的续航里程，百公里加速时间、超车加速时间、最高车速、最大爬坡度等。如何根据这些整车级的性能指标来定义电驱动系统的部件性能，是整车性能工程师面临的首要问题。这些部件的性能指标既包含了动力方面，同时还包含NVH以及散热方面。

在确定给定应用所需的电机外特性后，开始进行电机初始化设计，然后进行迭代。这是概念开发过程的主要步骤之一。在此期间，寻求可行的设计或满足上一步得出的目标性能标准的几个候选设计。除了获得满足性能目标的候选设计外，确保最终设计与适当的冷却系统兼容，并能在各种负载条件下保持结构完整性也很重要。此阶段的关键步骤是设计初始化、材料选择、绕组模式选择和几何形状的微调。从软件工具的角度来看，需要许多重要的功能。关于电机选型及设计更多详情可见：电机选型及设计迭代

上一步的主要目标是获得满足系统级选型期间确定的性能标准的单个或多个设计选项。另一个重要目标是确保为这些选择实施实用、经济高效。将其缩小到几个候选者后，接下来进行详细分析。

电驱动系统设计另一个重大挑战与多物理场仿真有关。其中结构强度、可靠性及振动噪声是结构方面主要关注的方面。对电驱动进行机械分析和NVH分析，以防止结构故障，以减少谐波的影响，避免共振并符合健康和安全标准。这一阶段的分析是在详细设计阶段，基于三维几何模型完成的。

电机在工作状态下产生的损耗，都会以热量的方式表现出来。混合动力汽车或者纯电新能源汽车的驱动电机采用的是永磁同步电机，永磁同步电机对散热的要求极高，这是因为磁铁在高温的环境下是可以消磁的，若因电机散热不佳导致消磁车辆失去动力，这将会造成车辆运行的危险性。

对于新能源汽车来说，电控系统相当于整车的“大脑”，它的性能决定了车辆能耗、排放、动力、舒适性等主要的性能指标。在节能减排的要求下，电控系统的整体呈现功能越来越复杂、集成度越来越高的发展趋势，这意味着电控系统的散热问题愈发凸显。事实上，50%以上的电子系统失效都是由于温度导致，所以必须采取高效的冷却方式以及合理的散热设计，才能保证电控系统的安全运行。

对于电驱系统的仿真分析，传统方法是将不同的结构分割，然后再分领域的进行设计仿真分析。不同的仿真分析之间相互独立，系统级集成往往在后期阶段完成。或者采用多物理场联合仿真的方法，创建二维或者三维模型，采用有限元方法进行仿真分析，这些模型相对精度较高，但是其求解过程往往需要消耗大量的时间和计算资源。

Simcenter Amesim提供了各种类型电机的本体模型及其常规控制算法，包括：直流有刷、直流无刷、永磁同步（凸极式/隐极式、三相/六相/九相）、感应电机、开关磁阻电机。该平台提供的整体解决方案适用于各类电传动部件的建模与仿真。例如：动力总成中的主驱电机、启动发电一体机，底盘中的转向助力电机、线控制动电机，热管理系统中的空调压缩机、循环泵驱动电机，车身中的座椅调节电机、车窗升降电机等。

工程设计领域走向数字化，振动噪声及疲劳工程师也面临挑战，需要用更少的资源完成更多的任务，并在设计流程中尽早完成相关工作。Simcenter™ Testlab™ 试验解决方案应运而生，旨在使试验更加方便和高效，它是试验部门赖以提高试验效率，保持数据质量，并实现更高投资回报率的解决方案。电驱系统性能开发过程中，试验测试手段至关重要，在每一个阶段都起到非常关键的作用。

电驱动系统的市场趋势对测试过程有相当大的影响。需要有大量及灵活的电驱系统，以应对大规模定制的全球趋势。随着系列及型号复杂性的增加，物理原型的反复创建和测试成为解决问题的一种非常无效的方法。因此，开发过程变得越来越由仿真驱动。然而，这并不意味着测试工程师的工作量减少。恰恰相反，所有复杂性、创新性和个性化意味着更多的变体、更多的组件和系统、更多的创新设计探索以及对质量问题的更多关注。这需要测试、验证、确认和认证。

上述讨论描述了一个典型的电驱动设计过程。设计任务、软件要求及其解决方案在电驱动设计V型周期结合前面介绍的工程、计算和仿真挑战的背景下介绍。随着仿真方法和工具的进步，电磁，CFD，结构仿真，以及系统仿真工具使用，多目标优化算法的进步，代理或降阶模型开发，最重要的是不同工具之间的连接，这些正在形成应对电驱系统性能开发的新模式。

图3 总结了 Simcenter 的电驱动走向一体化设计解决方案。西门子的 Simcenter 仿真工具的开发愿景是让用户能够实现他们选择的仿真驱动设计范例。这些工具包含各种保真度级别的多个建模和分析选项，可支持高性能计算，具有开放性和可扩展性，并包含最先进的技术，可实现创新、高效计算、稳健设计、多目标优化等。最后，它保持了工业4.0技术在为电驱动创建终极综合数字孪生方面的核心作用。

这些工具的四个核心方面是：1） 前置工程，允许在设计的早期阶段集成设计流程的多个利益相关者（系统级、电磁设计和分析、热和结构工程师），2） 创成式工程，使用户能够利用 Simcenter有效、快速地缩小设计选择范围，3） 基于模型的工程， 这使得大部分设计过程都基于仿真，而不是昂贵的物理原型，以及4）连续工程，利用工业4.0技术的新发展为电驱动系统创建终极数字孪生，以帮助实施全生命周期管理的新范式。

图3 Simcenter电驱动设计解决方案