仿真 App 加速電動汽車開發流程

大眾汽車公司通過創建和分發仿真 App 評估轉子疊片的強度,加速了電動汽車的開發流程


作者 THOMAS FORRISTER
2019 年 9 月

隨著消費者對環境的關注程度越來越高,電動汽車有望超越傳統內燃機動力汽車成為新的交通工具。為了滿足消費者日益增長的需求,電動汽車與內燃機的領軍制造商們正在竭力合作開發電動和混合動力汽車,為電動汽車的發展鋪平道路。大眾汽車公司便是其中之一,其位于德國卡塞爾的工廠專門從事電動機的研發和生產,日生產 150個電動機和 300 個混合動力電動機。

轉子是電動機的基本組件。在電動機運行過程中,轉子必須能夠在變化的轉速和扭矩下長期使用,因此必須經過耐久性測試。但是,評估轉子疊片的強度極其耗時。于是, 大眾汽車使用 COMSOL Multiphysics? 軟件創建了仿真 App。該仿真App 加快了轉子的測試過程,并在降低開發成本的同時,提高了產品質量。

平衡電磁和機械設計要求

2015 年,大眾汽車開發了一套模塊化系統 —— 模塊化電動工具包(Modular Electrification Toolkit,MEB),用于優化電動汽車的設計并提高生產效率。MEB 考慮了后輪 驅動為主的全輪驅動系統的扭矩、功率和速度(圖 1)。此外,軸比、驅動單元、 質量和軸距,以及高壓驅動電池的設計和放置等其他設計要求 , 在整個 MEB 設計理念中也起著重要作用。盡管 MEB 有助于優化單個組件和整個系統,但設計人員必須仔細考慮如何平衡這些要求,尤其是涉及數字化、自動駕駛和電動驅動等新技術。

A schematic showing the MEB at Volkswagen Kassel. MEB schematic
圖 1 MEB 示意圖,全輪驅動器(左側,車輛前部)和主驅動器(右側,車輛后部)。

自電動機開發的最初階段開始,大眾汽車的設計、仿真和測試人員就一直保持密切合作。首先,仿真專家對電動機的性能和規格進行了考察,并研究如何通過仿真進行最優設計。例如,對電動機進行建模以大幅減少影響因素的數量 ;分發基于多物理場仿真模型創建的仿真 App,使設計人員對不同的變量進行測試,并選擇最佳的變量。這種合作形式非常重要并且有益于整個開發流程的效率。由于仿真無法涵蓋所有現實問題, 因此測試在研發過程中起著重要作用。此外,試驗測試程序也有助于改善仿真模型。

“在電動機的開發過程中,必須滿足眾多要求?!贝蟊娖嚨慕M件研發仿真工程師 Steffen Rothe 博士解釋道,“一方面,電動機必須滿足扭矩和功率的電氣要求 ;另一方面,轉子必須在承受以離心力為主的載荷時具有足夠的耐久性?!逼胶怆姶排c機械設計的雙重要求具有一定的挑戰性,因為它們的需求并不總是一致的。例如,對于電磁要求,最好使用薄的網狀結構 ;但對于機械耐久性而言,較厚的結構則是優選。因此,應該確保在電動機開發過程中盡早考慮這些需求,一種有效的方法是模擬滿足需求的所有載荷工況。Rothe 表示 :“仿真在加速開發過程中起著重要作用?!?/p>

“許多工業仿真程序都被設計為‘黑匣子’,而 COMSOL Multiphysics? 軟件的透明度是獨一無二的。它支持用戶查看和修改被求解的方程,甚至添加自己的方程?!?Rothe 說。此外,軟件從一開始就被設計為多物理場工具,使用戶可以同時模擬不同的物理問題。因此,用戶可以使用軟件耦合不同的物理場進行創新性研究。但是,即使 對于仿真專家而言,分析此類復雜的物理問題也極具挑戰。因此,團隊需要一種能與同事溝通, 并可供非機械仿真領域的專業人士測試特定參數的工具。設計人員通 過使 用 App 開發器來滿足這些需求。App 開發器 是 COMSOL Multiphysics? 軟件中的內置工具,可以創建用于預測轉子中應力分布的仿真 App。

仿真 App 提高電動汽車生產效率

在為同事設計一種用于評估轉子疊片的強度和耐久性的仿真 App 時,仿真專家 Marie Hermanns 和 Steffen Rothe 考慮了以下幾個因素 :哪些部分可以自動運行,哪些參數可變,以及仿真 App 應顯示哪些結果。

A schematic of a typical rotor. Typical rotor setup
A schematic of a typical rotor. Typical rotor setup
圖 2 轉子平板、軸和磁體。

對于一個典型轉子模型的設置(圖 2),仿真專家認為仿真 App 應能自動運行載荷測試,包括干擾、溫度和運行速度。其他部門的同事均能受益于這一設計,并能自行更改參數。這些可變參數包括 :幾何形狀、面積、干擾、接觸件、活性磁體的數量以 及材料屬性。通過考慮上述因素,Hermanns 為仿真 App 開發了一個直觀的用戶界面(圖 3),使其他同事可自由執行他們所需的計算。

A screenshot of the simulation application for analyzing EV rotors. Simulation application for EV rotor
圖 3 仿真 App 用戶界面示例。

“我們的想法是為同事創建一個仿真 App,實現對不同的設計運用基準程序進行簡便、快速地測試?!?Hermanns說道,“此外,對于特定問題,用戶不必了解仿真工作的具體原理,就可以使用直觀的用戶界面創建一個工具?!?/p>

滿足公司和客戶需求的標準程序開發

除了使大眾汽車各部門之間的開發過程實現自動化外,專業的仿真 App 還可以幫助工程師將轉子疊片的測試程序標準化。

仿真 App 縮短了執行常規仿真操作(如邊界條件設置、材料屬性和載荷)所需的時間,并將這些操作標準化后集成在一個用戶界面。它的另一個優點是,可以自動生成報告,其中包含轉子疊片的額定強度等信息,便于團隊之間以標準化的方式進行的交流(圖 4)。

A screenshot of an application showing the stress analysis for the rotor's top. Rotor top
A screenshot of an application showing the stress analysis for the rotor's bottom. Rotor bottom
圖 4 轉子的標準化應力結果。

在電動機的開發過程中,使用仿真 App 對轉子疊片進行應力分析,可以幫助大眾汽車的工程師節省時間和資金。通過自動運行冗長的建模過程,并輸出標準化模型和結果,仿真 App 的使用不僅提高了產品質量,還縮短了電動車從模型到概念車再到商業化電動汽車的開發時間。

A photograph of Marie Hermanns, simulation engineer at VW Kassel.
A photograph of Steffen Rothe, simulation engineer at VW Kassel.

仿真工程師 Marie Hermanns(左);仿真工程師 SteffenRothe(右)

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