對(duì)于電驅(qū)系統(tǒng)的仿真分析，傳統(tǒng)方法是將不同的結(jié)構(gòu)分割，然后再分領(lǐng)域的進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨(dú)立，系統(tǒng)級(jí)集成往往在后期階段完成。或者采用多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真的方法，創(chuàng)建二維或者三維模型，采用有限元方法進(jìn)行仿真分析，這些模型相對(duì)精度較高，但是其求解過(guò)程往往需要消耗大量的時(shí)間和計(jì)算資源。

圖1 傳統(tǒng)集成分析流程：順序仿真 (上圖） 和 三維多物理場(chǎng)仿真 (下圖)

隨著開(kāi)發(fā)周期壓縮的壓力和產(chǎn)品集成度的提高，采用集成化的方式進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)仿真，同時(shí)兼顧電機(jī)和控制器的性能的方式應(yīng)運(yùn)而生。即在系統(tǒng)級(jí)采用一維模型，設(shè)計(jì)空間或者實(shí)時(shí)仿真。在部件級(jí)采用一維、二維和三維模型的混合模型。

圖2 集成化的系統(tǒng)仿真

在其中，一維系統(tǒng)仿真往往都會(huì)采用Simcenter Amesim來(lái)搭建，不同層級(jí)的零部件模型會(huì)通過(guò)聯(lián)合仿真或者模型降階的方法與系統(tǒng)模型聯(lián)合，最終形成一個(gè)包含各個(gè)層級(jí)維度的系統(tǒng)模型。Simcenter 中的工具及其直接和間接連接提供了一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)，可用于探索傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的替代方案。同時(shí)Simcenter將整個(gè)過(guò)程做的更加自動(dòng)化、接口更加方便，以同時(shí)方便設(shè)計(jì)工程師和仿真工程師來(lái)使用。下面我們將舉幾個(gè)典型的案例予以說(shuō)明。

動(dòng)力性能迭代驗(yàn)證

獲得電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)后，工程師利用Simcenter Amesim將這些參數(shù)導(dǎo)入整車及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)模型中，完成對(duì)電機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)的整車級(jí)迭代驗(yàn)證。驗(yàn)證內(nèi)容包括初始設(shè)計(jì)階段所述動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的各項(xiàng)指標(biāo)。該階段所用到的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型較初始階段的功能模型顆粒度更為精細(xì)，具體表現(xiàn)為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型對(duì)控制器和電機(jī)本體進(jìn)行區(qū)分，電機(jī)本體外特性不再采用用戶定義的方式，而是根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)部門給出的詳細(xì)參數(shù)計(jì)算得到。同樣的，控制器功率單元的效率也能夠根據(jù)器件手冊(cè)中的半導(dǎo)體工作特性計(jì)算得到。綜上所述，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)動(dòng)力性能在這一階段得到了驗(yàn)證。

圖3 加載電機(jī)詳細(xì)電磁性能的整車級(jí)指標(biāo)驗(yàn)證

散熱性能分析及熱管理策略

電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)高不僅會(huì)縮短電機(jī)內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和運(yùn)行安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%~40%的永磁電機(jī)失效是由電機(jī)溫升過(guò)高引起的。因此，采用高效的散熱系統(tǒng)抑制電機(jī)溫升是電機(jī)向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關(guān)鍵。

相較于風(fēng)冷散熱，液冷散熱具有更高的換熱效率，可以達(dá)到前者的50倍，適用于電機(jī)發(fā)熱量大，熱流密度高的散熱場(chǎng)合。因此，車用電機(jī)的多采用水冷或油冷這兩種液冷散熱方式。水冷散熱系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)是影響其冷卻效率的關(guān)鍵因素，工程師通過(guò)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)參數(shù)提高水冷散熱的冷卻效率。通過(guò)通過(guò)增加流道數(shù)量、在冷卻流道中添加擾流結(jié)構(gòu)和增加冷卻水流量等方式可以有效提高冷卻效率，但同時(shí)也導(dǎo)致壓力損失明顯增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮水道換熱能力和壓力損失以設(shè)計(jì)合適的水道結(jié)構(gòu)。直接油冷散熱系統(tǒng)的冷卻油與電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱部件直接接觸，具有極高的散熱效率，是解決高功率密度電機(jī)散熱難題的有效方案，目前正在被越來(lái)越多的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商所采納。但直接油冷循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度比水冷循環(huán)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要較為詳細(xì)的仿真驗(yàn)證與評(píng)估過(guò)程才能使系統(tǒng)散熱效率達(dá)到最佳。

無(wú)論是水冷散熱還是油冷散熱系統(tǒng)，都涉及到液冷循環(huán)回路的流量和壓力計(jì)算，以及冷卻工質(zhì)和電機(jī)本體間的換熱計(jì)算。通常采用的方法是通過(guò)CFD和熱網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方式，利用CFD精細(xì)化的網(wǎng)格劃分計(jì)算得到電機(jī)液冷循環(huán)系統(tǒng)在典型工況下的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)以及換熱效果，然后通過(guò)離散化處理，在多學(xué)科系統(tǒng)仿真環(huán)境中得到電機(jī)本體、減速器、以及液冷循環(huán)系統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而加載動(dòng)態(tài)工況完成進(jìn)一步的散熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

采用Simcenter Amesim可以幫助工程師快速地從電機(jī)設(shè)計(jì)工具如Simcenter SPEED、MotorCAD導(dǎo)入當(dāng)前設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)地電機(jī)本體熱網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)，用戶可以在Simcenter Amesim環(huán)境下對(duì)該熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行任意調(diào)整已完成電機(jī)本體、減速器、液冷循環(huán)系統(tǒng)的集成，從而在保持仿真精度的同時(shí)，大大提升仿真閉環(huán)動(dòng)態(tài)工況下的仿真計(jì)算速度。

圖4 電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)法的仿真評(píng)估的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)流程

圖5 液冷循環(huán)系統(tǒng)的流量分配仿真評(píng)估

控制器功率模塊散熱設(shè)計(jì)

控制器功率模塊為電機(jī)控制器的核心部件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大容量控制需求，使功率模塊向高頻化、大功率化以及高度集成化方向發(fā)展。IGBT/SiC是目前車用電機(jī)控制器功率模塊普遍采用的半導(dǎo)體技術(shù)，同時(shí)也是電機(jī)控制器的主要熱源，在處理波動(dòng)的功率流工作過(guò)程中，IGBT/SiC產(chǎn)生的功率損耗導(dǎo)致其結(jié)溫的升高與波動(dòng)，導(dǎo)致芯片性能衰減，甚至造成鍵合線斷裂等失效形式。因此，進(jìn)行結(jié)溫估算研究對(duì)于提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)熱控制及部件保護(hù)具有重要意義。

目前常用的結(jié)溫估算模型例如Foster熱網(wǎng)絡(luò)法，需要通過(guò)熱阻測(cè)試儀，例如：T3STER，或基于CFD的專業(yè)電子散熱仿真工具，例如：Simcenter FloTherm，測(cè)量或計(jì)算得到功率模塊的降階熱網(wǎng)絡(luò)模型。該熱網(wǎng)絡(luò)模型可以直接導(dǎo)入Simcenter Amesim中與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其他部件模型集成，并應(yīng)用于動(dòng)態(tài)閉環(huán)工況的仿真。工程師采用上述方法能夠大大縮減仿真計(jì)算耗時(shí)，從而加快功率模塊散熱的設(shè)計(jì)研發(fā)速度。

圖6 功率驅(qū)動(dòng)模塊的降階熱模型與Simcenter Amesim中整車及液冷系統(tǒng)集成

NVH性能集成驗(yàn)證

車用永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、氣隙磁通高以及轉(zhuǎn)矩慣性比高等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑度是衡量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而電機(jī)電流中的高次諧波是影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑度的主要因素。造成電機(jī)電流諧波因素主要有兩方面原因：

1）電機(jī)本體方面，如齒槽效應(yīng)、繞組分布形式、磁路磁飽和效應(yīng)、轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)等引起的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)畸變；

2）逆變器方面，如開(kāi)關(guān)器件的死區(qū)時(shí)間、管壓降等非線性特性。

同時(shí)，減速器齒輪的剛度和慣量也會(huì)引起電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸上的扭矩波動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)需要對(duì)各因素引起的輸出扭矩波動(dòng)進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。

圖7 系統(tǒng)仿真中的NVH性能評(píng)估與優(yōu)化

采用Simcenter Amesim多物理系統(tǒng)仿真平臺(tái)搭建的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車駕駛性模型，可以精確復(fù)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件引起的扭矩波動(dòng)。首先工程師將電機(jī)電磁仿真所獲得磁鏈及鐵損參數(shù)Map文件導(dǎo)入Simcenter Amesim，該參數(shù)文件用于精確計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子在不同角度與電流幅值相位下的電磁扭矩。同時(shí)Simcenter Amesim中搭建的詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)電路模型可以體現(xiàn)由PWM脈寬調(diào)制所產(chǎn)生相電流高階諧波。工程師通過(guò)仿真可以對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩波動(dòng)的各階分量進(jìn)行跟蹤分析，同時(shí)開(kāi)發(fā)用于抑制波動(dòng)的軟件控制策略，如諧波注入功能。

審核編輯：湯梓紅