新能源動力電池是新能源汽車的三大核心技術之一，被譽為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質和貯存方式，可以劃分為兩大類：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱為二次電池，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才連續不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

ANSYS CFD數值模擬方法可以在電池單體設計、電池包熱設計等領域中發揮重要的作用。

電池單體及電池包熱管理 

新能源汽車電池是新能源汽車的三大核心技術之一，被譽為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質和貯存方式，可以劃分為兩大類：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱為二次電池，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才連續不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質子交換膜燃料電池、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探測電池連接模式（串/并聯），流動、熱和電化學完全耦合在一起進行計算，具有非常好的計算精度和穩健性。該模塊內置三個電化學模型，既有基于經驗的模型又有基于物理的模型，而且支持用戶使用UDF自定義電化學模型。

ANSYS Fluent的電池模塊

ANSYS公司在美國能源部的計算機輔助工程用于電動車電池設計（CAEBAT）項目中，聯合通用汽車、國家可再生能源實驗室、ESim，共同開發、測試、驗證、完善了該電池模塊。
對于具有復雜串、并聯結構的電池模組，可以仿真在復雜充放電循環工況下的瞬態放熱特性。

具有復雜串、并聯結構的電池模組

電芯的結構

電芯表面溫度分布

通用汽車圓柱型鋰離子電池包結構

電池包內的流線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子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池以及電解過程，該模塊自帶UDF來模擬電池內的電化學反應、電荷運輸、氣體擴散、水的運輸、能量傳遞等，用戶也可以根據自己的需要，通過UDF來修改其中的模型。

ANSYS Fluent的燃料電池模塊

某用戶使用ANSYS Fluent的燃料電池模塊，仿真了一個質子交換膜燃料電池，對PEMFC內的溫度、壓力、濃度進行考察。

左：模型網格；   右：氫氣的質量分數分布

左：氣體的速度分布；    右：氣體的溫度分布

福特汽車和德爾福聯合進行電池包熱管理的分析

福特汽車和德爾福合作進行了電池包的熱管理仿真，優化了電池包內的氣流通道，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

電池包是各種電動車輛的主要能量載體和動力來源，也是電動車輛整車成本的主要組成部分，其壽命直接影響電動車輛的使用。作為電動汽車能量供給的關鍵設備，電池包的結構設計應盡可能高效和輕便，并在保證存放空間合理布局的基礎上，滿足多變運行環境和行駛工況下的機械承受、工作安全性、可靠性及使用壽命要求。
CAE分析中，針對電池組常見的分析類型有：自重分析（評估電池包在自重載荷下，自身及連接結構的可靠性）、模態分析（確定電池包結構的固有頻率，可以在設計時避開這些頻率或者最大限度地減少對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動和噪聲）、隨機振動分析（評估電池包在復雜路況載荷下的有效性）、沖擊及跌落分析（評估結構受沖擊載荷下的動力性能）等。

ANSYS 模擬結果：電池包自重分析結構應力分布（參照標準 SAE J2380）

電池包振動方向 預應力一階頻率，ANSYS分析結果：z方向變形及1sigma應力分布（參照標準 SAE J2380）

電池包跌落測試（參照標準 SAE J2464）

根據電驅動系統數字化、集成化、智能化、高效節能化的發展趨勢、研發需求和技術挑戰，ANSYS集成化電機設計解決方案，不僅可以解決電機本體的電磁、結構、熱、多物理場耦合設計問題，還可以解決電機、驅動電路、控制算法和代碼開發、電驅動系統集成化設計、EMI/EMC分析等問題，實現虛擬的V模型設計和驗證流程，以及虛擬樣機制造和測試。通過便捷、自動生成電機控制代碼，實現數字化；通過全面預測并優化電機及驅動/控制系統的電磁、熱、結構、振動、噪聲等多物理場耦合特性和EMI/EMC特性，實現集成化、高效節能化；通過有效預研電機與測控外設/系統的集成狀態，實現智能化。

電驅動系統集成化設計

控制代碼自動生成

針對國內外企業對電機控制系統的技術需求，ANSYS解決方案以SCADE Suite為電機控制系統設計平臺，充分利用基于模型的圖形化設計理念，完成模型級開發，模型級驗證，自動代碼生成，實現了開發流程的標準化與自動化，高效解決高安全性電機控制系統設計所面臨的系統設計與安全問題?！?/span>

SCADE Suite提供如下圖所示的控制軟件開發環境，為高安全性嵌入式應用軟件開發提供完整的解決方案。該解決方案對DO-178B、IEC61508、EN50128、IEC60880等高安全性應用領域的相關標準提供全面的支持，適用于各種不同的軟件生命周期，適用于開發符合高安全性標準的軟件，在相關領域中得到了廣泛的應用，并且有大量的成功案例。

SCADE Suite 代碼生成器（KCG）

SCADE Suite KCG可以自動生成基于ISO C的嵌入式產品代碼，并且它生成的代碼滿足一系列的安全性特征，有良好的可讀性和標準的接口，具有和手寫代碼相當的大小和效率。

SCADE Suite模型核SCADE Suite KCG生成的C代碼

相比其他代碼生成器，它具有三個顯著的特點：

1. SCADE Suite KCG所生成的代碼是完全面向工程的產品代碼，可以直接嵌入到產品中去而不需要做任何修改。　

2. SCADE Suite模型基于嚴格的數學理論，在環境一致的情況下它能夠保證仿真的結果和最終平臺上執行的結果完全一致。　　

3. 它通過了軍工及航空業的DO-178C標準TQL-1級認證、重工業及能源行業的IEC 61508標準SIL 3級認證、軌道交通行業的EN 50128標準SIL3/4級認證，汽車電子行業的ISO 26262標準認證等等。由于SCADE Suite KCG通過了一系列行業標準最高級別的鑒定，它不但使開發人員省去了繁瑣的編碼過程，還省略了一系列的驗證活動。

EMI/EMC

電驅動系統電磁兼容設計所面臨的技術難題包括：部件級電磁輻射（例如：電機、變壓器、電感、IGBT等對外電磁輻射；PCB板級信號串擾和電磁輻射）；設備級電磁干擾（例如：線纜、電機等各種電磁設備間的相互耦合）；系統級電磁干擾（例如：電磁設備布局、屏蔽措施設計等電磁輻射問題；線纜、IGBT、母排、PCB關鍵路徑走線等寄生參數引發的傳導干擾問題等）。ANSYS解決方案相關產品既可以單獨使用， 解決具體部件電磁兼容設計問題，又可以無縫集成為EMI/EMC仿真分析平臺，便捷、高效解決部件級、設備級和系統級的電磁干擾和電磁兼容設計問題，并可與ANSYS的結構和流體分析工具（Mechanical和Fluent/Icepak）無縫集成，共享和交互仿真數據，構建多物理域電驅動系統電磁兼容集成化虛擬設計和仿真驗證環境。

 

ANSYS 電磁干擾/電磁兼容設計流程

傳導干擾分析：Simplorer可無縫集成Q3D提取的線纜、母排、IGBT、PCB關鍵路徑等寄生參數模型，仿真電驅動系統的傳導特性，以及添加濾波器件，改變線纜參數等措施的改進效果。Simplorer系統仿真的電流、功率等信號，可作為干擾源導入HFSS，分析其對系統的輻射干擾。

PCB板級串擾和輻射分析：電驅動系統PCB控制板中的高速數字信號在傳輸過程中會產生串擾和電磁輻射，對周邊的連接器或線纜可能會產生影響，通過對PCB的電磁場仿真，能夠得到整版的輻射特性，并可據此對PCB進行布局優化。

設備布局優化和機箱屏蔽效果分析：金屬的機箱機柜通常能夠實現良好的屏蔽性能，但是機箱上的散熱孔、連接器接頭縫隙均可能造成電磁泄露，HFSS可對機箱機柜的屏蔽效能進行仿真，并對機箱通風孔的布局進行優化設計。電驅動系統中IGBT、電磁部件、PCB等輻射仿真結果可作為干擾源，通過HFSS場源鏈接，分析其對整機系統的輻射影響，實現布局優化。

IGBT應用及封裝設計

針對國內外企業IGBT應用及封裝設計的技術需求，ANSYS電機設計解決方案以Workbench為電磁、熱、結構、流體多物理場耦合設計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關特性測試、變流電路設計及傳導干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理場耦合技術和魯棒性設計，以器件與系統的降價模型和協同仿真接口，來高效解決IGBT應用與封裝設計所面臨的多物理場耦合設計和高精度器件與電路、系統設計問題。

ANSYS IGBT應用及封裝設計流程

特征化建模和開關特性測試：IGBT應用及封裝設計用戶都會面臨一個問題，即如何在設計階段精確考慮IGBT開關特性對電機驅動電路及系統性能的影響。Simplorer可根據供貨商提供的datasheet實現特征化IGBT精確建模（包含各種特征參數和特性曲線），并可一鍵生成IGBT的半橋測試電路和系統仿真模型，高效解決IGBT高精度建模和開關特性測試問題。

寄生參數提取及傳導特性分析：IGBT封裝設計和部分電驅動系統設計用戶都關注傳導路徑的寄生參數對IGBT開關特性和系統性能的影響，這就需要提取IGBT封裝的寄生參數并集成到系統設計中。Q3D可直接通過電磁場求解輸出其原始或降價RLCG矩陣，通過動態鏈接集成到驅動電路或系統設計中，精確分析寄生參數對IGBT開關特性和傳導特性的影響。

均流特性分析和電流路徑優化：IGBT封裝設計和部分電驅動系統設計用戶還關注IGBT的均流特性。Maxwell可通過靜態或瞬態電磁場分析，精確評估IGBT在各種正常或故障工況電流激勵下的電磁性能，有助于均流設計、傳導路徑優化，熱設計、結構設計等。

電磁、熱、結構耦合特性分析：IGBT封裝和部分電驅動系統設計用戶還需要考慮多物理場耦合設計問題，因為IGBT傳遞大電流時可能會產生不均勻分布的電磁損耗和電磁力，導致局部過熱或應力形變過大而導致IGBT失效或損壞。Maxwell和Mechanical、Icepak可輕松解決單/雙向的電磁與熱、電磁與結構、熱與結構、電磁與流體等多物理場耦合分析問題。

熱模型提取及熱特性分析：部分IGBT封裝和電驅動系統設計用戶需要考慮IGBT模塊散熱系統設計及其熱特性對系統性能的影響。Icepak可便捷地實現IGBT模塊散熱系統建模，考慮功率損耗、風扇、散熱片等作用下系統的熱性能，并可直接提取其熱模型，用于電驅動電路或系統設計。

輻射干擾分析：部分IGBT封裝和電驅動系統設計用戶需要考慮IGBT電磁輻射影響。Simplorer可直接輸出IGBT電磁功率瞬態曲線和FFT頻譜，結合HFSS可分析關注頻率下IGBT信號所導致的空間電磁輻射干擾，將其作為干擾源再導入HFSS， 即可仿真IGBT電磁輻射對整機性能的影響。

集成化系統設計

Simplorer作為電驅動系統設計平臺，不僅具有IGBT特征化建模、驅動電路、控制算法建模和仿真的功能，還能夠和ANSYS電磁、結構、流體產品以及第三方產品實現降價模型接口和協同仿真接口，可以便捷地集成精確的電機電磁模型，IGBT模塊熱模型；電池電化學、傳感器、繼電器、電感、變壓器等效電路模型等，SCADE嵌入式代碼，線纜、母排、IGBT寄生參數模型，Simulink協同仿真代碼等，實現高精度電驅動系統設計和傳導干擾分析。

ANSYS IGBT應用及封裝設計流程

高精度電機模型集成：Simplorer不僅可以無縫集成源自RMxprt磁路法設計的等效電路模型，還可以無縫集成源自Maxwell電磁場有限元分析的等效電路模型，甚至可以通過高層次場路耦合、瞬態協同仿真技術實現高精度電機瞬態有限元分析模型無縫集成。

高精度IGBT模型與驅動電路集成：Simplorer不僅可以根據IGBT Datasheet實現特征化建模，還可以實現各種整流和逆變電路設計、驅動和負載系統工況模擬分析，實現高精度IGBT和驅動系統集成。

高精度IGBT熱模型集成：Simplorer可以無縫集成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下的溫升，以及溫升對IGBT及電驅動系統性能的影響。

高精度電磁部件模型集成：Simplorer可以無縫集成源自PExprt和Maxwell的電感、變壓器、繼電器、傳感器、作動器等等效電路模型，仿真分析電磁部件真實的電磁特性對電驅動系統性能的影響。

高安全性嵌入式控制代碼集成：Simplorer可以無縫集成源自SCADE SUITE的嵌入式控制代碼，仿真分析電機、控制算法、驅動電路的相互影響和具有高安全性的、一鍵自動生成的控制代碼對電驅動系統設計的影響。

IGBT、電纜、母排寄生參數模型集成：Simplorer可以無縫集成源自Q3D的IGBT、電纜、母排的寄生參數，仿真分析RLCG寄生參數對電驅動系統傳導特性的影響。