汽车电动化应用方案

(1)

汽车电动化应用方案

智能网联新能源车分会场

Realize innovation.

Restricted © Siemens AG 2018

(2)

安全及耐久

电动车型开发带来新的工程挑战

里程焦虑整车布置设计

车辆工程

每次充电公里数

碰撞 | 失火 | 回收热 | NVH | 能源

平台工程

Vehicle Electrification

(3)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

电池性能预测 模组优化 参数辨识老化模型

热管理

整车热管理 电池包热管理

电驱

电机设计 悬置优化 NVH 分析

EMC

电控

VCU BMS 软件开发

电动执行器

EPS EPB Torque vectoring

Ibooster Ebooster

电气架构

整车线束端到端工具 CAD-电气-热

三电测试

基于模型的测试 试验室互联互通

(4)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(5)

多属性优化

兼顾车身刚度、操稳、耐久以及碰撞安全性能的车身减重优化

平衡车辆各项性能

兼顾经济性、排放、驾驶性以及低频NVH性能的新能源车动力总成架构优化

评估了近千种不同的动力总成的变型

• 5种不同的动力总成架构

（见不同颜色）

• 平衡经济性、动力性、驾

驶性以及低频NVH性能在保持车辆的车身刚度、操稳、耐久以及碰撞安全等性能的同时，最小化车身重量，以获取更佳的动力性和更低的制造成本

目标减重

（减重20% )

目标成本

（降低10%）

NVH

碰撞安全

操稳

动力性

经济性

空气动力学耐久车身刚度

BASELINE

多目标优化

混联式动力总成架构串联式复合动力架构

Simcenter ES Simcenter Data Management

Simcenter STAR-CCM+

Simcenter 3D Simcenter

Test Simcenter

Amesim

(6)

Operating complex multi-domain analyses

Renault

通过Simcenter Amesim达到HEV的高能效

“LMS Imagine.Lab Amesim enables us to get a deep insight on energy

performance of hybrid architectures and helps us select optimal architectures that fit our requirements early in the design process.”

Eric Chauvelier, Method and Simulation Manager

• Facilitate communication and decision-making thanks to a common platform

• Implement co-simulations to assess the energy synthesis of any hybrid configuration

Internal combustion engine analysis Battery behavior simulation

• 以合理的价格及时交付高质量的产品

• 柔性的开发平台未来的项目

• 缩短产品上市时间

(7)

世界钢协EV样车

在减重35%的同时保证NVH目标

Pursuing seemingly contradictory objectives

• 强化NVH性能

• 帮助达到35%车身结构减重目标

• 辨识和分析特定的NVH问题 Simcenter Engineering services carried out the NVH simulation studies on the FSV project in close collaboration with the consortium

performing the crash and rigidity studies.

• Use Simcenter Engineering capabilities to balance multiple performance attributes in parallel

• Simcenter 3D - early in concept design

Clever body design that balances low mass and acceptable NVH performance A comparison of EV- and ICE-powered class

A/B car concept to enable target setting

(8)

需求捕捉及目标设定

细化能量管理需求

着眼于下一代动力总成进行目标设定

•

物理模型

•

控制

•

多级复杂度

•

多学科

•

能量流

•

对标

•

能耗优化

•

替代方案分析 Climatic vehicle cell robot driver,

dedicated instrumentation

整车测试

仿真

深入分析

Integrating

test and simulation

SIMCENTER Amesim SIMCENTER

ES

(9)

整车NVH开发

（H）EV

p a

电机

路噪

风噪

警示音空调

整车NVH开发

ES

(10)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(11)

工程师遇到的问题

性能工程师，控制工程师

电芯/电池包工程师

如何根据动力电池性能指标，初步选择电池？

还没有样件情况下，如何对电池的性能有初步的估计？

如何预估老化对性能的影响？

……

如何优化电芯设计来达到能量密度目标？

……

如何分析电芯/电池包安全性要求？如针刺，热失控等

如何快速获取电池模型所需的参数？

(12)

全面的多层级动力电池设计仿真解决方案

电池建模专家

纳米级到米级尺度的分析范围

Star CCM+

微观结构电化学

虚拟的电子显微镜测试生产的电机结构新的导电体研究

虚拟电芯设计和测试

详细的几何描述

耦合性能模型

流体，热&电化学分析

研究详细的电芯，

模组和电池包级的空间分布问题

电池包预设计，整车和控制集成下的验证

整体系

统设计

参数辨

识

电芯/电池包的电-热模块

SIMCENTER BDS

(13)

通过仿真进行电池预设计

整车循环电池参数预定义

Battery Design Studio Materials Propertie

s Character

isation Chemistr y Selection

Design Optimisat

o

Cost Analysis Cycling

Pulses Drive cycles Aging

Abuse Modeling Extension to STAR-

CCM+

BSM System Software

Co-Sim

内置的电池模型库电芯设计工具

SIMCENTER Amesim

SIMCENTER BDS

(14)

评估关键问题

电芯膨胀力预估

通过电芯级参数的特征化，可以评估电池包和单体本身的固定装

置的界面载荷

热失控分析

每个径向位置的反应结果不同的破坏性测试模拟

Accelerated Rate Calorimetry (ARC) Differential Scaling Calorimetry (DSC)

Oven Test

老化模型

日历老化、工况老化经验，半经验老化模型

加速老化测试

(15)

电池参数辨识工具

提供准确的输入

复杂的高阶模型，需要参数自动辨识

简单的流程，只需要点击三次鼠标精心设计的工况降低试验负荷

(16)

Towards a robust battery aging behavior model

IFP Energies Nouvelles

使用Amesim进行电池老化建模

• 建立易于使用的，高保真的老化模型

• 获取可靠的老化仿真数据

• 在几小时中分析10年的老化特性

“I strongly believe that LMS Imagine.Lab Amesim will become a best-in-class battery modeling and simulation platform (…)”

Eric Prada, Electrochemical R&D Engineer

• Encapsulate fundamental physical phenomena

• Analyze electrochemical energy storage system behavior

Validated PHEV battery model Charging strategy influence on battery life

(17)

Samsung R&D Institute 提高电池包性能

Samsung R&D Institute delivers safer and

more efficient lithium-ion battery packs.

90%

accuracy validating the model against

the experiment

(18)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(19)

Hybrid Hybrid pug-in Electric

被动冷却

驾驶舱冷空气

驾驶舱冷空气，独立空调

冷却液强化冷却

直冷

市场上不同的电池热管理方案

(20)

工程师遇到的问题

电池包热管理工程师整车热管理工程师

控制工程师

环境温度

-30degC 40degC

电池可用容量

电池包热管理的理想目标：

如何满足电池温度要求？

如何尽可能减轻重量？

如何控制温度均匀性？

冷却液进口条件如何设定？

……

低温起动策略?

热失控预警？

Sox 计算的参考温度点选取？

环境控制及能量管理策略？

如何满足电池包冷却介质进口条件需求？

如何预估动态工况下的发热量？

如何设计整车热管理架构，以平衡多种需求？

如何优化热管理系统自身的能耗？

……

(21)

电池包热管理完整的工具链及分析流程

设定电池包动力性能指标——热管理性能定义

简单的电池包热模型；

确认草图方案

建立电池包电气模型；

输出性能，

热量电池包

电气参数辨识试验

集成电池包电气模型和热模型，进行分析

建立热管理系统模型；电池包电气模型/电池包热模型/热管理系统模型集成。

Pack CFD 分析

BMS

模型实时化；

实时模型

详细的CAD设计；零部件参数确定。

试验数据 MI

L HIL

电池包布置草

图

BMS控制模型

CAD冻结；样件制作；

电池包热

Amesim

/BDS Amesim

Amesim STAR-

CCM+

Amesim Amesim

Heeds

ES

ES ES

Amesim

电芯电化学体系选型，方案设计；电芯等效模型建立

BDS 贯穿整个设计

流程的热管理 系统集成分析

STAR-CCM+

Engineering Service

(22)

电池包冷却水板优化

COMPUTATION TIME: ~ 1 WEEK FOR 70 DESIGNS SIMULATING A 600s DRIVE CYCLE 35% 重量降低

30% 温度均匀性提高

电气性能与CFD耦合计算 电池包CFD分

析

Simcetner STAR-CCM+

Simcenter HEEDS

(23)

VEM 集成电池包热管理分析

整车能量管理模型集成

整车环境下进行能量平衡分析

单体电池组成的电池包电气模型：

• 计算电池输出特性（电压，

SOC，发热量）

• 单体电池模型由电池参数辨识工具辨识电池的OCV

（SoC, Temp)，欧姆内阻

（A,SoC, Temp), 扩散内阻（A,SoC,Temp)

• 通过电池的热端口将热量和温度与电池包水冷热模电池包水冷热模型：

• 电池与水冷板的换热；

• 电池与电池、墙体之间的自然对流和辐射换热；

• 通过热平衡，得到电池单体的温度，再返回给电池电气模型；

• 水冷流体管道模型计算流体的对流换热，还计算流体的阻力损失；

• 水冷管路与热管理系统连接。

热管理系统模型：

水泵，膨胀水箱，散热器，chiller，三通阀组成的热管理系统；

通过管路同水冷板连接；

由热管理系统计算散热量，chiller需冷量，电池包进水温度，电池包进水流量。

控制模型：水泵控制，三通阀控制

(24)

空调系统耦合

空调制冷系统作为电池包的冷源，其制冷能力设计；

Chiller设计能力；

多区空调控制，压缩机转速（排量）控制，电子膨胀阀控制；

热管理控制策略；

热泵 or PTC加热？

制冷能力与需求功率，电池输出功率的平衡——能量管理；

(25)

Ford

实现冷却系统、能耗的最佳匹配

实现冷却系统性能目标，并优化能耗

能量管理与子系统多属性平衡

温度

车辆阻力，冷却液质量 流量

2

1

Simcenter Amesim Simcenter Star CCM+

Teamcenter

(26)

Improving cooling system battery pack

“An efficient thermal management system is required to maintain battery temperature in a narrow range for electric vehicles”

Volvo Car

电池包热管理分析

• 准确的热负荷预估

• 提高电池包的温度均匀性

• 提高冷却介质流量均匀性

• Thermal systems is critical for high performance and long battery back life

• Simulation helps maintain batteries in narrow temperature range

Individual cell model with BDS enabling prediction of charge rate and temperature

Examining tradeoff between pressure loss on

coolant system to temperature uniformity

(27)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH 合

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(28)

工程师遇到的问题

电机的早期选型

电机悬置的设计与布置

OEM 工程师

电机的功能设计及性能优化电机NVH问题分析及优化电机的冷却设计

……

电机及驱动工程师

功率电子的寿命

(29)

电驱动总成的驾驶性分析

Electric motor

Mounts

Tyres Controller

电驱动总成驾 驶性分析

(30)

电机设计…

多物理场问题

3. 强度

F_C

F_C F_C

F_C

F_C F_C

1. 电磁 2. 热/CFD

4. 振动-噪声

SIMCENTER 3D SIMCENTER

Test SIMCENTER

SPEED SIMCENTER STAR-CCM+

(31)

电流波形

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Rotor angle (deg)

Current (A)

Rpm = 1000 Rpm = 2000 Rpm = 3000 Rpm = 4000 Rpm = 5000 Rpm = 6000 Rpm = 7000 Rpm = 8000

电磁有限元定子力

结构有限元

定子变形辐射噪声

1

电磁

2

振动-噪声

电机NVH分析流程

Assembly FRF test Assembly Model Acoustic model Noise at field point

Simcenter Amesim

Simcenter Test

Simcetner 3D

Simcetner

3D

(32)

Punch Powertrain

缩短了50%的电驱总成开发周期

New motors generation for automotive propulsion

• 降低至少50%的开发周期

• 开发新一代的电机，并具有更好的NVH 性能

• 基于仿真的设计流程实施

“Thanks to LMS Engineering and the optimization process they used with LMS Virtual.Lab, we are now working on a new generation of commercially competitive switched reluctance motors for automotive propulsion.”

Diederik Brems, Mechanical Engineer

• Couple the vibro-acoustic model with the electromagnetic model

• Combine test and simulation for the creation of validated simulation models

Developing a powerful partnership Switched reluctance motors challenge NVH

performance

(33)

Calculating heat losses for an electric motor.

Mercedes-Benz

Simcenter STAR-CCM+ 电机冷却分析

• 准确的温度仿真

• 确定位置和换热量

Simulation enabled the comparison of heat loads in the electric motor to be

compared between laboratory conditions to vehicle conditions showing rotor 18K warmer when applied in the vehicle condition.

• 88% of the total heat losses dissipated into the coolant

• 62% of the rotor heat losses are dissipated by convection in the air pockets then into the housing

Temperature and Heat Flux Distribution Heat transfer form full vehicle analysis

(34)

电子元件热阻测试和寿命预测

IGBT Field Lifetime Estimate Non-destructive Thermal Characterization

MicRed Power Tester 600A scalable Power Tester

Change in structure function with cycling

Due to IGBT structure damage

Lifetime Testing under any Duty Cycle

The application of this measurement in an endurance test has helped us to uncover weaknesses in the design affecting its lifetime…And we can reduce the prototyping costs by reducing the rework on our designs

Hisao Nishimori , Engineering Manager Toyota Hybrid Vehicle Development Group

IGBT 可靠性 测试

SIMCENTER MicRed

MicRed T3Ster

(35)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(36)

汽车电动化解决方案

基于模型电池管理系统BMS开发服务

需求，架构，算法，V&V

BMS Development

Engineering Service SIMCENTER

Amesim SIMCENTER

ESD Polarion

(37)

模型驱动的嵌入式系统研发流程

Simcenter ESD

系统需求

系统设计

PCB布线投板焊接

软件模块代码编写

系统集成产品发布

AADL 导入

数据字典物理单位

定义模块定义接口

定义代码分析项

定义模块单元测试模块接口约束

架构模型细化

C代码编写

C代码导入

执行模块单元测

编码规范验证测试结果自动

与需求验证从需求触发单元

测试

Simulink 模型导入

软件实现与单元测试

软件架构工程师测试工程师

软件集成与集成测试

软件功能分支管

理从需求触发

集成测试

集成测试结果与需求验证与被控对象模型

闭环验证

系统架构创建创建系统架构

ESD

Simulink 架构导入

需求导入 Polarion

需求创建 ESD AUTOSAR接口

SysML导入

系统工程师项目经理

基于需求和约束完成

软件开发全过程

Tc System Modeler

Polarion

Mentor Graphics

(38)

汽车电动化研发解决方案

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(39)

电气化部件及子系统设计

电动执行器: EPS, EPB, iBooster, Ebooster…

基于模型，通过蒙特卡洛方法来分析公

差对EPB性能影响

“Simcenter Amesim is a necessary tool for decision-making processes since we must assess every system and concept as quickly as possible.

It enabled to make savings or at least to prevent making huge losses”

P. Menegazzi

Systems Simulation Manager VALEO

通过模型评估从电动助力到线控转向 不同的技术

最大化再生制动能力，同时保持踏板感 验证电子助力器的性能，评估制动踏板感

Engineering Service SIMCENTER

Amesim

(40)

Reducing prototyping cost and time to design new technology

Brembo

利用Simcenter Amesim开发线控制动

• 基于仿真来做执行器参数研究

• 研究生产阶段执行器部件误差分布的影 响

• 增强内部的know-how

“Since brake-by-wire technology requires sophisticated control strategies, a big step forward was the integration of the controls model and multi-domain

component models in a single simulation environment”

Giulio Calamai, Simulation Engineer

• Study actuators’ dynamic responses, motor heating and battery current consumption

• Take advantage of the Simcenter Amesim co-simulation capabilities

Actuator components specification

Braking architecture model

(41)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(42)

端到端的电气系统设计方案

Ideation – Realization – Utilization

Systems Design

Space Reservation

Wiring Integration

Harness Integration

Harness Manufacturing

Systems Servicing

Verification & Validation Lifecycle Management

设计制造使用

Harness Installation

Process orchestration Collaboration Data traceability Integrated BoM Product Configuration Issues management

System optimization

Component standardization

Functional Analysis Design Rules Checks Topology feasibility Topology Harness fastening Harness protection Electrical connectivity

Wire gauge optimization Grounding & Fusing Trade-offs

Testing automation Formboard Factory automation Repairs & automation

In-context Routing Assembly Process design

Assembly Process validation

Wiring Diagnostics Troubleshooting Bundle size reservation

Interface connection Multi-domain constraints

Costing optimization Service manuals

Data visualization

Process sheets

(43)

集成的电气化设计

Ideation – Realization - Utilization

设计制造使用

Process orchestration Collaboration Data traceability Component standardization Integrated BoM Product Configuration Issues management

Functional Analysis Data visualization Design Rules Checks Topology feasibility Testing automation Assembly Process validation Costing optimization

Systems Design

Space Reservation

Wiring Integration

Harness Integration

Harness Manufacturing

Systems Servicing Harness

Installation

System optimization

Topology Harness fastening Harness protection Electrical connectivity

Wire gauge optimization Grounding & Fusing Trade-offs

Formboard Factory automation Repairs & automation

In-context Routing Assembly Process design Wiring Diagnostics

Troubleshooting Bundle size reservation

Interface connection Multi-domain constraints

Service manuals Process sheets

Capital + Teamcenter NX+ Teamcenter Capital Capital + NX Capital + NX NX + Teamcenter Capital + Teamcenter

Systems Integration Vehicle Integration Body Controls

EE Core Chassis

Powertrain R&D

Systems Integration Component synergies Vehicle Integration Lifecycle Management

Teamcenter | Capital Manager

Body Controls EE Core

Chassis

Powertrain R&D

Reliability Quality Safety Continuous Verification & Validation

Teamcenter | Capital Manager

(44)

寻找最优的电气架构

针对复杂电气架构的热、电磁干扰的集成

Battery

Convertor

M

Battery

Convertor

M

Enclosur e shielding

Cable shielding

2 phase vs. 1 phase architecture

Guarantee proper and

compliant functioning

of the Electronics

Simcenter 3D Roadmap Capital

NX

NX Capital Simcenter

3D

(45)

客户的声音

“Capital software was able to overcome the key challenges of configuration management and data exchange with our key suppliers”

“The Capital suite’s

powerful asset re-use and

correct-by-construction

technology automatically generates optimized platform level wiring

”

General Motors

Capital Products Compress Development Cycle Times And Boost Efficiency Of General Motors Vehicles

Tesla Motors

Tesla Boosts Production Capabilities With Mentor Graphics Electrical Design Software

“Capital is by far the most

capable commercial off-the-

shelf software addressing wire harness design, engineering and manufacturing”

LEONI

LEONI Expands Use Of Mentor Graphics Capital Software Worldwide

Lear Corporation

Lear Deploys Mentor’s Capital Solution To Address Increased Automotive Design Complexity And Reduce Development Times

“Capital delivers flow coverage & automation … its data-centric principle and

integration capabilities

suit Lear’s virtual design philosophy”

(46)

汽车电动化研发解决方案面向广泛的汽车电动化需求

确保协同、数字化的持续性、多领域的追溯性以及功能安全电池、电驱、电控、电气架构、电动执行器及其集成研发

校核&验证

多属性优化

VEM NVH

电池

热管理

电驱

EMC

电控

电动执行器

电气架构

三电测试

(47)

集成的基于模型的三电测试实验室

Dedicated Test bench for 3E system validation

Model-Based Testing to support 3E

system validation

Model Based Testbed

• Frontload the workload of test engineer

• Close loop testing with control

Connectivity between different Lab

• Improve the utilization ratio;

• Cost saving;

• Expand the testing scope

Combined test and simulation together, provide closed loop testing proposal for customers

SFAE Engineering

Service

(48)

汽车电动化应用方案