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1 ANSYS动力总成集成解决方案
2 新能源电机设计
3 控制器/变流器设计
4 动力总成系统设计
5 总结
大纲
电池包
新能源电机
总线
传感器、作动器
传动轴控制器/变流器
Controller
HEV/EV 动力总成系统
电池包• 温升• BMS
新能源电机:• 效率Map• 控制性能• NVH• 温升和散热
总线:• 寄生参数
传感器、作动器
传动轴
变流器:• EMC/EMI• 温升和散热• IGBT建模
控制器• 控制算法• 效率
性能优化
HEV/EV 动力总成系统关键技术
样机/验证
硬件设计
行为级层次 详细设计
软件设计
电气设计
开环控制 闭环控制
嵌入式代码/代码生成
电气模型 损耗– EMC/EMI
初步分析 散热 –疲劳
?
?
传统电气系统设计流程
代码自动生成
电气模型 损耗– EMC/EMI系统验证 系统验证
ANSYS电气系统设计理念样机/验证
硬件设计
行为级层次 详细设计
软件设计
电气设计
开环控制 闭环控制
初步分析 散热 –疲劳
Magnetic2D/3D FEA Analysis
System AnalysisCircuits, Blocks, State Machine
PP := 6
ICA:
A
A
A
GAIN
A
A
A
GAIN
A
JPMSYNCIA
IB
IC
Torque JPMSYNCIA
IB
IC
TorqueD2D
MagneticsPExprt RLCG Parasitics
MechanicalThermal/Stress
CFDThermal
Model order Reduction
Co-simulation
Field Solution
FE Model Generation
Optimization
ANSYS动力总成集成化解决方案
Embedded Software
Embedded Design
Push Back Excitations
RMxprtMotor Design Motor-CAD
Thermal+
1 ANSYS动力总成集成解决方案
2 新能源电机设计
3 控制器/变流器设计
4 动力总成系统设计
5 总结
大纲
初始设计 有限元精确设计 应力/噪声温升
基于ANSYS Workbench 多物理场耦合设计
0-D系统建模
多层次电机设计流程
• RMxprt– 模板化的电机设计
– 主流电机的快速磁路法设计
– 一键自动生成 Maxwell 2D and 3D 全设置有限元模型
–Motor-CAD– 利用热网络快速计算电机温升
– 模板化的几何建模
– 亦可通过RMxprt自动生成模型
– 稳态和瞬态温升计算
– 自动计算所有换热系数
– 易于使用
RMxprt
Motor-CAD
磁路和散热快速设计
机壳建模
• 4 类机壳模型
• 6 类散热翅片模型
• 3 类通风沟模型
端盖建模
Overall Width
Cutout Depth
Fin Thickness
Inner Diameter
Flan
ge
Diam
eter
Plat
e He
ight
Plate Thickness
Flange Thickness
Base Thickness
Base Width
Foot WidthPalm Width
Shaft HeightFoot Distance
Palm Height
Length Extension
Cap Thickness
Hold
er D
iam
eter
Bear
ing
Diam
eter
Shaft Diameter
Bearing Thickness
Out
er D
iam
eter
RMxprt 散热方式建模
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00Time [ms]
-60.00
-40.00
-20.00
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
Cur
rent
(Pha
seA
) [A
]
Maxwell2DDesign1_ACVnormXY Plot 2
m1
m2
Curve InfoCurrent(PhaseA)
Setup1 : Transient
Name X Ym1 8.2000 97.6263m2 68.2000 47.1699
T=1/f
User Defined Outputs Electric Machine Toolkits
0.00 1250.00 2500.00 3750.00 5000.00 6250.0Speed [rpm]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
Torq
ue [N
ewto
nMet
er]
current_MotorMode_EfficiencyMap2Torque vs Speed
F
Iγ
-500.00 -250.00 0.00 250.00 500.00V(d-axis) [V]
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
375.00
500.00
V(q
-axi
s) [V
]
Maxwell2DDesign1_Current_Gamma_Sweep1XY Plot 1
1Speed_rpm [rpm] 1000.000000
InputPower [kW] 27.026186OutputPower [kW] 22.435100Torque [NewtonMeter] 214.239426Speed [rpm] 1000.000000PowerFactor 0.584396SupplyCurrent [A] 141.417974PhaseVoltage [V] 109.005576CoreLoss [W] 113.115481SolidLoss [fW] 0.000000StrandedLossR [kW] 2.400000MechanicalLoss [W] 99.999532TotalLoss [kW] 2.613115Efficiency 89.567660PowerBalance 8.897381V(d-axis) [V] -137.705223V(q-axis) [V] 37.234678I(d-axis) [A] -68.404310I(q-axis) [A] 187.938422L(d-axis) [mH] 1.600205L(q-axis) [mH] 1.982361FluxLinkage(d-axis) [Wb] 0.068288FluxLinkage(q-axis) [Wb] 0.331973
Quick Guide
0.00 12.50 25.00 37.50 50.00 62.50 75.00 87.50Gamma_TSC [deg]
-12.50
7.50
27.50
47.50
67.50
87.50
100.00
Y1
[N
ew
ton
Me
ter]
Design_BH_right_Current_Gamma_Sweep1Torque vs Gamma
电机设计工具包
ANSYS电磁-温升双向耦合流程
Maxwell 模型 映射损耗
温升仿真结果
几何模型
CFD 模型
全自动的电磁振动噪声分析
电磁场
结构谐响应
声场
电磁力位移
ANSYS电机电磁振动噪声分析流程
1 ANSYS动力总成集成解决方案
2 新能源电机设计
3 控制器/变流器设计
4 动力总成系统设计
5 总结
大纲
Reduced Order Model Creation
Functional Mockup Interface (FMI)
Embedded Software Integration
Co-simulationwith 3D Physics
ANSYS 3D Physics
MechEM ThermalFluid
Multi-Domain Model Libraries
Language-BasedModeling
VHDL-AMSC/C++SPICESML
Modelica
ANSYS SCADE
SimulinkC Code
3rd Party SystemModeling tools
(AMESim, Simulink,Dymola, GT Suite etc.)
Analog
Digital
Multi-Domain
App-Specific
Power Systems
Manufacturers
ANSYS 机电系统建模
Basic Analysis, Sophisticated Tests
Waveform & Data Post-Processing
Reporting, Scripting & Automation
PythonVisual Basic
Frequency-Domain
Time-Domain
Parameter Sweeps
Optimization
Statistical
Senstivitity
Worst-Case
Simulation Synchronizer
Robust, High-Performing Solvers
ANSYS 机电系统仿真
变流器结构复杂
器件型号多
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50Time [ms]
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
3673.95
Y1
Ansoft LLC Sheet4_TR_Y_static_dtimePowerLossesCurve Info
Diode601.PELTR
NIGBT_AdvDyn1.POWER_TTR
器件开关损耗波形
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50Time [ms]
27.00
27.05
27.10
27.14
Y1
Ansoft LLC Sheet4_TR_Y_static_dtimeTemperature RiseCurve Info
Diode601.TEMPJNCTTR
NIGBT_AdvDyn1.TEMPJ_TTR
器件温升曲线
母排
门极驱动
变流器驱动电路建模和分析
Infineon : eupec FZ600R12KE3
Simplorer 半导体器件特征化建模功能可自动并拟合抽取开通/关断特性曲线
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00Vce.V [V]
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
Ic.I
[A]
x02_OutputOutput Char. @Tj=125c
Curve InfoIc.I
TR
输出特性Vce-Ic
产品手册
Simplorer
建模工具
器件模型
IGBT特征化建模开通/关断参数抽取
Infineon : eupec FZ600R12KE3
等效热网络模型(IGBT&Diode)
IGBT Diode
25℃
特性抽出ツール
0 650.0125.0 250.0 375.0 500.00
70.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
E=f(Ic)
Eon
Eoff
I [A]
E[mJ]
1k * igbt_...1k * igbt_...
Eon = f...Eoff = f...
20.0 140.040.0 60.0 80.0 100.0 120.015.00
40.00
17.50
20.00
22.50
25.00
27.50
30.00
32.50
35.00
37.50
E=f(Tc)
Eon
Eoff
E[mJ]
Tc [C]
Simplorer
特征曲线
建模工具
IGBT特征化建模热特性参数抽取
FEA
PhaseA1
PhaseA2
PhaseB1
PhaseB2
PhaseC1
PhaseC2
Rotor1
Rotor2
ω+
ICA:
1400 rpm
LL:=237.56uRA:=696.076m
B6U
D1 D3 D5
D2 D4 D6
2L3_GTOS
g_r1
g_r2
g_s1
g_s2
g_t1
g_t2
~
3PHAS
~
~
A * sin (2 * pi * f * t + PHI + phi_u)
PHI = 0°
PHI = -120°
PHI = -240°
LDUM:=100mCDC:=10mLDC:=10mRDC:=10VZENER:=650
AMPLITUDE := 800 VFREQUENCY := 60 Hz
-297.50
300.00
-200.00
0
200.00
0 100.00m50.00m
LA.I [A]
LB.I [A]
LC.I [A]
FREQ := 800 HzAMPL := 800PHASE := 0 deg
AMPL := 500PHASE := -315 deg
FREQ := 50 Hz
PHASE := -195 deg
PHASE := -75 deg
SA
SB
SC
G_R1 := SA.VAL
G_R2 := -SA.VAL
G_S1 := SB.VAL
G_S2 := -SB.VAL
G_T1 := SC.VAL
G_T2 := -SC.VAL
+ V
Name Value
SIMPARAM1.RunTime [s] 111.29k
SIMPARAM1.TotalIterations 40.51k
SIMPARAM1.TotalSteps 10.00k
FEA1.FEA_STEPS
-500.00
1.50k
0
1.00k
0 100.00m50.00m
100.00 * LD.I [A]
VDC.V [V]
-715.00
425.00
-500.00
0
0 100.00m50.00m
电流 转矩
速度
Fed by ac-dc-ac inverter
Frequency controlled speed
ANSYS 场路耦合仿真案例
PMSM with SPWM Control
ANSYS 场路耦合仿真案例
旋转变压器系统设计
ANSYS 传导干扰仿真案例
ANSYS 变流器 EMI/EMC 仿真分析
0.00 3.50
1.08 1.10 1.12 1.14 1.16 1.18Time [us]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
Y1 [V
]
Ansoft LLC Nexxim1Rcvr Pattern
Curve Info
V(Rcvr)Transient
时域波形频
域波
形
场图
1 ANSYS动力总成集成解决方案
2 新能源电机设计
3 控制器/变流器设计
4 动力总成系统设计
5 总结
大纲
0
00 0
PMSM_DQn1
n2
n3
m1
SIMPARAM1
L1
L2
L3
N1
N2
N3
I1 I3
I_Motor
-~P
N
V
U
W
V1 V2 V3 V4 V5 V6
U1E1
V
A B C
N
U_UMR
PWMModulator
DC-LinkVoltage
IntegratingCurrentSampling
MechanicalAngle Input
u1u2
Udc
u3
V1V2V3V4V5V6
I_1
I_3
I1f
I3f
phi_m
phi_el
w_el
FPGA
PWM_3PH1
+V
VM1
+
FSM_ROTB1
A B C
N
U_MOT
L1
L2
L3
N1
N2
N3
S_Motor
CTRL=S1
OFF
SET: S1:=0
Time >= Tsw ON
SET: S1:=1
MASS_ROTB1
A
AM4
C1
C2
R1
R2
R3 L1
TF_ROTB1
w_ref
phi_el
i1f
i3f
w_el
u1u2u3
n_ref
TDELAY=5msAMPL=n_ref-n0TRISE=300msOFF=n0
Load_Torque
TDELAY=t_loadAMPL=trq_load
TRISE=20msOFF=0
EV动力总成设计电源
控制器/变流器 驱动电机(PMSM)
机械传统和载荷
电缆
嵌入式代码
采用VHDL-AMS器件库对整车建模
FMI应用于嵌入式代码仿真
1. 建立 CFD 模型
2. 建立阶跃响应分析 Cannot use Icepak Can only use FLUENT
4. Simplorer内部仿真
3. 抽取 SVD ROM Use Simplorer
电池冷却ANSYS CFD
巡航控制
CAR Structure
Wheels
Drive Cycle
End acceleration
Set CruiseSpeed
Accelerate
End brakingBrakeCruiseControl On
0
WeightF
minus plus
plus minus
WeightF WeightR
Motion
Motion
WeightF
Battery
Battery
P N
EngineMacro8
tire_basic4tire_basic3tire_basic2 tire_basic1
brake2 brake1
D
aerodrag1
1600kg
GAINYt
Alternator& Electrical Ciruit
P1 P2
P3
Plus1 Minus1
ElectricalCircuitSimplorer7
SET: CCon:=0Time > 9 Time > 10Time > 8
SET: CCset:=1SET: CCon:=1 SET: BrakePrs:=0Time > 22
SET: BrakePrs:=0.15Time > 20
SET: CCset:=0Time>=12Time > 11
SET: CCacc:=80SET: CCon:=0SET: BrakePrs:=0SET: CCresume:=0
Cruise Control
O0_CruiseSpeedO1_ThrottleCmdO2_CruiseState
GA
IN
GAIN1
Time > 25SET: CCresume:=1
Time > 25.1SET: CCresume:=0SET: CCacc:=0
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00Time [s]
-5.02
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
Y2
-4.00
0.00
12.50
25.00
37.50
50.00
62.50
75.00
84.00
Y3
0_Regular1Vehicule_Speed
18.4063
100.056699.3645
3.0000
0.00000.0000 0.00000.0000
Curve Info Y AxisCruiseControl1.O0_CruiseSpeed
TR Y2
VehicleMass.V*3.6TR Y2
CruiseControl1.I0_OnTR Y3
CruiseControl1.I3_SetTR Y3
CruiseControl1.I6_AccelTR Y3
CruiseControl1.I7_BrakeTR Y3
CruiseControl1.O2_CruiseStateTR Y3
• 巡航控制仿真电路
• 全面的嵌入式代码解决方案,涵盖设计、仿真、验证和代码生成
电动转向系统设计
无线充电系统仿真
0
0
0
R1
(1/87-0.004) ohm
R2
(1/348-0.001) ohm
Cs
1.93uF
Cp
5.24uF
Rload
10ohm
W+
WM1
W+
WM2
D4
D3
D2
D1
IGBT4
IGBT3
IGBT2
IGBT1
C1
1000uF
TRANS4
DT4
TRANS3
SINE1.VAL > TRIANG1.VAL
TRANS2
DT1
TRANS1
SINE1.VAL < TRIANG1.VAL
STATE_11_4
SET: TSV4:=0SET: TSV3:=0SET: TSV2:=0SET: TSV1:=0DEL: DT4##Dead_Time
STATE_11_3
SET: TSV4:=0SET: TSV3:=1SET: TSV2:=1SET: TSV1:=0
STATE_11_2
SET: TSV4:=0SET: TSV3:=0SET: TSV2:=0SET: TSV1:=0DEL: DT1##Dead_Time
STATE_11_1
SET: TSV4:=1SET: TSV3:=0SET: TSV2:=0SET: TSV1:=1
TRIANG1
AMPL=1FREQ=Carrier_Freq
SINE1
AMPL=Modulation_IndexFREQ=Frequency
ICA: FML_INIT1
Modulation_Index:=0Carrier_Freq:=10kFrequency:=10k
DC_Source:=200Dead_Time:=2u
~
3PHAS
~
~
A * sin (2 * pi * f * t + PHI + phi_u)
PHI = 0°
PHI = -120°
PHI = -240°
THREE_PHASE1D5
D6
D7
D8
D9
D10 Battery- +
LBATT_A1
D11
D12
D13
D14
C2
1e-006farad
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]
-40.00
-20.00
0.00
20.00
40.00
Y1 [A
]
Curve Info rmsWM1.I
TR 9.4139
WM2.ITR 10.5939
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00Time [ms]
-300.00
-100.00
100.00
300.00
Y1 [V
]
Curve Info rmsWM1.V
TR 154.9045
WM2.VTR 120.2425
1.90 1.92 1.94 1.96 1.98 2.00Time [ms]
-40.00
-20.00
0.00
20.00
40.00
Y1 [A
]
-200.00
-100.00
0.00
100.00
200.00
Y2 [V
]
MX1: 1.9753MX2: 1.9783
-6.0797-1.2036-0.0090
131.1979
-0.51411.340627.9814
156.0455
0.0030
Curve Info Y Axis rmsWM1.I
TR Y1 9.3501
WM2.ITR Y1 10.5176
WM1.VTR Y2 153.6594
WM2.VTR Y2 119.4615
Current_1st_1:src
Current_1st_2:src
Current_2nd_1:src
Current_2nd_2:src
Current_1st_1:snk
Current_1st_2:snk
Current_2nd_1:snk
Current_2nd_2:snk
0
Rload
10ohm
Battery- +
LBATT_A1
D11
D12
D13
D14
C2
1e-006farad
AC200V Rectify Inverter
Wireless Power Transformer Battery
Controller
大纲
1 ANSYS动力总成集成解决方案
2 新能源电机设计
3 控制器/变流器设计
4 动力总成系统设计
5 总结
全面的集成化设计解决方案
ElectronicsStructuresFluids EmbeddedSoftware
全面的多物理场仿真
谢谢