1、西门子数字化工业软件Simcenter电驱动系统性能开发白皮书内容摘要本白皮书讨论了混合动力和电动汽车行业中电驱动系统端到端设计流程的工程、仿真和分析挑战。针对典型的“V”字形设计流程，从概念设计到原型机生产的每一个阶段都进行了讨论。电驱系统主要的工程化目标包括高功率密度、高效率、高可靠性和低成本。使用现代仿真工具进行新颖的集成设计和开发工作流程将在实现这些目标方面发挥核心作用。在本白皮书中，我们讨论了先进的 Simcenter 软件工具套件的核心优势，以及如何使用这些工具来应对当前和未来的电驱动系统设计挑战。提 供 集 成 的 工 具 和 方 法 以 应 对 未 来 的 挑 战https:/

2、 Simcenter电驱动系统性能开发目录电驱市场预测 3电驱开发中的工程挑战 5Simcenter电驱动系统解决方案 7电驱系统架构创成设计及评估8电驱系统设计目标确立11电机选型及设计迭代13电机电磁性能仿真验证及优化15电驱结构多物理场仿真分析18电驱散热性能分析22电控系统散热分析25电驱动系统性能集成化分析28电控系统策略开发与在环验证33电驱系统振动噪声及疲劳试验验证36电驱系统基于模型的系统测试39Simcenter产品组合介绍41总结 49 2西门子数字化工业软件白皮书 Simcenter电驱动系统性能开发交通运输行业正在迅速转型，这主要是由车辆电气化、自动驾驶的发展、工业4.

3、0技术的应用、不断变化的消费者数据、经济和环境可持续性问题等推动的。其中一些趋势源于尽量减少温室气体排放水平，开发更安全的运输方式，降低运营成本并提供更好的产品生命周期管理系统。在众多变化中，电气化受到的关注最多。市场趋势预测，未来几十年对内燃机汽车替代品的需求（图1）将迅速增长。全球大部分地区设定了雄心勃勃的目标，即在2030年至2050年期间逐步停止内燃机汽车的销售。电驱市场预测这些趋势对混合动力和电动汽车行业的所有细分市场都有广泛的影响，包括动力系统零部件制造商、供应商和集成商。混合动力和电动汽车的动力系统的主要部件是电池或燃料电池、驱动电机、电力电子系统和传动系统。在本白皮书中，我们从

4、行业趋势、挑战和解决方案的角度分析了电驱动设计的现状和未来方向。其中一些关键问题包括：开发新的和改进的电驱动的需求是否会随着行业的整体增长而增长 下一代电驱动设计工程师面临的技术挑战和机遇是什么 有哪些关键的计算和仿真解决方案可以帮助当今的设计人员应对未来的工程挑战图1内燃机汽车、混合动力和电动汽车的相对需求 3西门子数字化工业软件白皮书 Simcenter电驱动系统性能开发下面我们将逐一围绕这些问题展开讨论。首先，我们介绍了电驱动设计开发人员面临的一些主要工程挑战。然后，结合典型的电驱动V字型开发流程，介绍了在每个步骤中的关键设计任务，包括使用仿真工具执行这些任务所需的功能，以及西门子Sim

5、center软件解决方案。最后，我们讨论了采用由本文介绍的一些工具实现的集成设计过程的优势。4西门子数字化工业软件白皮书 Simcenter电驱动系统性能开发工程中所面临的一个重要方面是目前的电驱动无法满足未来纯电动和混合动力汽车的技术标准和性能要求。包括效率水平、功率密度、速度范围、生命周期成本和其他方面都达不到下一代电驱设备所需的水平。这给主机厂和其他利益相关者带来了机遇和挑战。虽然本白皮书的主要重点是技术挑战，但值得从一个对电驱动行业产生巨大影响的非技术问题开始稀土材料的供应和价格波动。这些材料用于制造高强度永磁体，并用于许多商用电动和混合动力汽车（丰田普锐斯，日产聆风，宝马i3，特斯拉

6、Model3等）驱动电机。稀土材料的供应问题导致了巨大的研发投入，以开发不使用稀土永磁体或减少使用稀土永磁体的电机替代品。自2012年以来，这个问题持续占据大部分围绕下一代电驱动开发的讨论。因此，我们认为开发不使用或减少使用稀土永磁体的高功率密度驱动电机是下一代设计师面临的主要挑战之一。另一个重要挑战是开发高效电机。为了应对气候变化和不断增长的人口对能源的需求，世界各国政府已强制要求降低车辆的排放水平。这反过来又增加了对高效电机的需求。考虑到大多数驱动电机目前以大约90%的效率运行，开发更高效的电机是一个很有挑战的问题。要改进这一点，需要结合材料工程、稳健性设计、制造工艺（例如，使用增材制造）