新能源動力電池是新能源汽車的三大核心技術(shù)之一，被譽為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可以劃分為兩大類：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(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、電池包熱設(shè)計等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。

電池單體及電池包熱管理 

新能源汽車電池是新能源汽車的三大核心技術(shù)之一，被譽為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可以劃分為兩大類：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(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探測電池連接模式（串/并聯(lián)），流動、熱和電化學(xué)完全耦合在一起進行計算，具有非常好的計算精度和穩(wěn)健性。該模塊內(nèi)置三個電化學(xué)模型，既有基于經(jīng)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(xué)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(shè)計（CAEBAT）項目中，聯(lián)合通用汽車、國家可再生能源實驗室、ESim，共同開發(fā)、測試、驗證、完善了該電池模塊。
對于具有復(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

通用汽車圓柱型鋰離子電池包結(jié)構(gòu)

電池包內(nèi)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(zhì)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(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)、電荷運輸、氣體擴散、水的運輸、能量傳遞等，用戶也可以根據(jù)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(zhì)子交換膜燃料電池，對PEMFC內(nèi)的溫度、壓力、濃度進行考察。

左：模型網(wǎng)格；   右：氫氣的質(zhì)量分數(shù)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(lián)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(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(guān)鍵設(shè)備，電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(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，滿足多變運行環(huán)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(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(fù)雜路況載荷下的有效性）、沖擊及跌落分析（評估結(jié)構(gòu)受沖擊載荷下的動力性能）等。

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

電池包振動方向 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（參照標準 SAE J2380）

電池包跌落測試（參照標準 SAE J2464）

根據(jù)電驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，ANSYS集成化電機設(shè)計解決方案，不僅可以解決電機本體的電磁、結(jié)構(gòu)、熱、多物理場耦合設(shè)計問題，還可以解決電機、驅(qū)動電路、控制算法和代碼開發(fā)、電驅(qū)動系統(tǒng)集成化設(shè)計、EMI/EMC分析等問題，實現(xiàn)虛擬的V模型設(shè)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(xiàn)數(shù)字化；通過全面預(yù)測并優(yōu)化電機及驅(qū)動/控制系統(tǒng)的電磁、熱、結(jié)構(gòu)、振動、噪聲等多物理場耦合特性和EMI/EMC特性，實現(xiàn)集成化、高效節(jié)能化；通過有效預(yù)研電機與測控外設(shè)/系統(tǒng)的集成狀態(tài)，實現(xiàn)智能化。

電驅(qū)動系統(tǒng)集成化設(shè)計

控制代碼自動生成

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

SCADE Suite提供如下圖所示的控制軟件開發(fā)環(huán)境，為高安全性嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)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(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)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(fā)符合高安全性標準的軟件，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可以自動生成基于ISO C的嵌入式產(chǎn)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?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，它具有三個顯著的特點：

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)果和最終平臺上執(zhí)行的結(jié)果完全一致。　　

3. 它通過了軍工及航空業(yè)的DO-178C標準TQL-1級認證、重工業(yè)及能源行業(yè)的IEC 61508標準SIL 3級認證、軌道交通行業(yè)的EN 50128標準SIL3/4級認證，汽車電子行業(yè)的ISO 26262標準認證等等。由于SCADE Suite KCG通過了一系列行業(yè)標準最高級別的鑒定，它不但使開發(fā)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(qū)動系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計所面臨的技術(shù)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(shè)備級電磁干擾（例如：線纜、電機等各種電磁設(shè)備間的相互耦合）；系統(tǒng)級電磁干擾（例如：電磁設(shè)備布局、屏蔽措施設(shè)計等電磁輻射問題；線纜、IGBT、母排、PCB關(guān)鍵路徑走線等寄生參數(shù)引發(fā)的傳導(dǎo)干擾問題等）。ANSYS解決方案相關(guān)產(chǎn)品既可以單獨使用， 解決具體部件電磁兼容設(shè)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(shè)備級和系統(tǒng)級的電磁干擾和電磁兼容設(shè)計問題，并可與ANSYS的結(jié)構(gòu)和流體分析工具（Mechanical和Fluent/Icepak）無縫集成，共享和交互仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)建多物理域電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容集成化虛擬設(shè)計和仿真驗證環(huán)境。

 

ANSYS 電磁干擾/電磁兼容設(shè)計流程

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

PCB板級串擾和輻射分析：電驅(qū)動系統(tǒng)PCB控制板中的高速數(shù)字信號在傳輸過程中會產(chǎn)生串擾和電磁輻射，對周邊的連接器或線纜可能會產(chǎn)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(jù)此對PCB進行布局優(yōu)化。

設(shè)備布局優(yōu)化和機箱屏蔽效果分析：金屬的機箱機柜通常能夠?qū)崿F(xiàn)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(yōu)化設(shè)計。電驅(qū)動系統(tǒng)中IGBT、電磁部件、PCB等輻射仿真結(jié)果可作為干擾源，通過HFSS場源鏈接，分析其對整機系統(tǒng)的輻射影響，實現(xiàn)布局優(yōu)化。

IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計

針對國內(nèi)外企業(yè)IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計的技術(shù)需求，ANSYS電機設(shè)計解決方案以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理場耦合設(shè)計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關(guān)特性測試、變流電路設(shè)計及傳導(dǎo)干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理場耦合技術(shù)和魯棒性設(shè)計，以器件與系統(tǒng)的降價模型和協(xié)同仿真接口，來高效解決IGBT應(yīng)用與封裝設(shè)計所面臨的多物理場耦合設(shè)計和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)計問題。

ANSYS IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計流程

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

寄生參數(shù)提取及傳導(dǎo)特性分析：IGBT封裝設(shè)計和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計用戶都關(guān)注傳導(dǎo)路徑的寄生參數(shù)對IGBT開關(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(tài)鏈接集成到驅(qū)動電路或系統(tǒng)設(shè)計中，精確分析寄生參數(shù)對IGBT開關(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)計和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計用戶還關(guān)注IGBT的均流特性。Maxwell可通過靜態(tài)或瞬態(tài)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(shè)計、傳導(dǎo)路徑優(yōu)化，熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

電磁、熱、結(jié)構(gòu)耦合特性分析：IGBT封裝和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計用戶還需要考慮多物理場耦合設(shè)計問題，因為IGBT傳遞大電流時可能會產(chǎn)生不均勻分布的電磁損耗和電磁力，導(dǎo)致局部過熱或應(yīng)力形變過大而導(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(qū)動系統(tǒng)設(shè)計用戶需要考慮IGBT模塊散熱系統(tǒng)設(shè)計及其熱特性對系統(tǒng)性能的影響。Icepak可便捷地實現(xiàn)IGBT模塊散熱系統(tǒng)建模，考慮功率損耗、風扇、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)動電路或系統(tǒng)設(shè)計。

輻射干擾分析：部分IGBT封裝和電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(tài)曲線和FFT頻譜，結(jié)合HFSS可分析關(guān)注頻率下IGBT信號所導(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電磁輻射對整機性能的影響。

集成化系統(tǒng)設(shè)計

Simplorer作為電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計平臺，不僅具有IGBT特征化建模、驅(qū)動電路、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)品實現(xiàn)降價模型接口和協(xié)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(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，線纜、母排、IGBT寄生參數(shù)模型，Simulink協(xié)同仿真代碼等，實現(xiàn)高精度電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和傳導(dǎo)干擾分析。

ANSYS IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)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(shè)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(tài)協(xié)同仿真技術(shù)實現(xiàn)高精度電機瞬態(tài)有限元分析模型無縫集成。

高精度IGBT模型與驅(qū)動電路集成：Simplorer不僅可以根據(jù)IGBT Datasheet實現(xiàn)特征化建模，還可以實現(xiàn)各種整流和逆變電路設(shè)計、驅(qū)動和負載系統(tǒng)工況模擬分析，實現(xiàn)高精度IGBT和驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)下的溫升，以及溫升對IGBT及電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(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(qū)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(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的影響。

IGBT、電纜、母排寄生參數(shù)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(shù)，仿真分析RLCG寄生參數(shù)對電驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)特性的影響。