利用多维仿真减少电动汽车的上市时间和原型环路

改变流程和方法

吉凯恩汽车是电驱动技术的全球领导者。他们的专业知识、对创新的承诺和全球足迹使他们能够以具有竞争力的方式大规模提供前沿、可持续的技术解决方案。

吉凯恩汽车走在先进、高效电动汽车系统量产的前沿。全球近 50% 的新车采用吉凯恩汽车系统和解决方案，这意味着每天有数亿辆的汽车采用吉凯恩汽车技术。

汽车行业的电气化对车辆开发过程和方法产生了巨大影响。开发团队在电动汽车（EV）性能和规模的各个方面都面临着新的挑战，以及日益激烈的竞争。

使用不同电缆长度进行电磁兼容行为分析。

引领电动汽车传动系统技术前沿

吉凯恩依靠 Simcenter™ Amesim™ 软件（该软件是 Siemens Xcelerator 软件、硬件和服务业务平台的一部分）来开发和优化其用于电动汽车三合一系统的牵引逆变器。三合一系统由变速箱、电机和牵引逆变器组成。吉凯恩公司的变速箱具有附加功能，例如驻车锁定或断开组件以及基本齿轮组。逆变器提供电机控制功能。

在大多数情况下，汽车制造商将三合一系统视为一个黑匣子，作为单一、完整的解决方案交付。

因此，像吉凯恩这样的供应商必须有能力提供符合客户要求的设计和性能规格的组件。

因此，优化三合一系统的能力远不止确保系统能够安装到给定的壳体中。在这种情况下，需要特别关注的组件是逆变器。

逆变器的任务是在直流（DC）和交流（AC）电源之间进行转换，同时提供通信和控制，从而保证高水平的网络安全。

“我们面临着从机械设计转向机电一体化设计的工程挑战，”吉凯恩电动动力总成公司电力电子系统工程师比约恩·内米兹 (Björn Nemitz) 说。

这些要求使其成为三合一系统中最复杂和成本最高的组件。

通过映射逆变器模型创建动态仿真模型。

产品开发的难题

由于逆变器是如此复杂的组件，不理想的边界条件或糟糕的设计决策会对成本和性能产生巨大的负面影响。反之亦然：在接口和内部设计方面深思熟虑和仔细实施决策可以显著提高性能和成本效益。

逆变器开发的主要重点是满足客户设定的关键业务需求。

提供所需的功率

首先，逆变器必须提供客户所需的驱动功率。这些标准通常被设定为可以在所有条件下满足的工作能力；例如，一辆满载车辆的拖车在陡峭的山坡上以 -40 摄氏度（°C）的环境温度运行，电池几乎耗尽。

为了满足性能要求，设计人员必须调整参数，以找到各个组件之间的理想负载分布。这需要详细了解可能限制性能的因素以及如何克服这些因素。

控制系统仿真模型。

实现效率目标

接下来是逆变器的整体效率。效率改进在给定电池容量下提供更大的续航里程，或者在给定续航里程下减小电池尺寸的机会。这两者都可以为客户提供极具吸引力的卖点，这就解释了为什么汽车制造商对这个话题感兴趣。

成本意识

然后是成本，这是永远无法忽视的。成本和成本效益是确保市场接受和获得市场份额的关键因素。

完成电磁兼容行为分析。

分析了具有不同栅极电阻的功率模块的全球统一轻型车辆测试流程（WLTP）损耗。

实现理想性能

此外，还有更多的技术考虑因素，例如电磁兼容性。在组件级别优化辐射和传导干扰或抗扰度是一项重大挑战，但也是吉凯恩未来系统开发的重点。

还有热安全性、使用寿命和耐用性、封装设计、重量、噪音、振动和声振粗糙度（NVH）、可维护性等目标，所有这些都会影响整体设计和性能。

目标是在这些有时相互冲突但始终相互关联的目标之间实现最佳平衡，以实现特定车辆品牌或应用的最佳整体性能。

分析了系统设置以进行寿命计算。

在一个仿真平台上评估多个产品尺寸

通过使用 Simcenter Amesim，吉凯恩的团队能够进行多维仿真，同时分析多个组件在热、电气和机械层面的行为。

该团队使用 Simcenter Amesim 来设计和确定各个电气组件的尺寸，分析每个组件如何影响其他组件，并提供满足客户要求的理想产品解决方案。

该团队模拟和分析从半导体到完整的三合一系统的不同方面。示例包括静态或动态负载循环、特定电磁兼容性（EMC）方案、安全性、相关负载方案、可控性、故障分析以及复杂的生命周期。

在创建能够模拟长行驶周期的模型的同时，生成真实系统的准确表示是一项重大挑战。然而，这些复杂的要求可以通过 Simcenter Amesim 的建模速度以及实验设计和模型缩减能力来满足。这些模型考虑了电气和热条件，但也提供了快速的仿真时间。

利用这些仿真功能，吉凯恩团队能够尽可能地减少对测试的依赖，大大减少开发程序中所需的硬件在环（HiL）测试和原型环路的数量。

“Simcenter Amesim 帮助我扩展了有关单个组件和整个系统的技术专长，”内米兹说。“我现在对这些组件的物理行为以及它们如何相互影响有了更好的了解。

Simcenter Amesim 提供了团队可以依赖的分析复杂性和细节深度，从而尽可能地降低了以下风险：过度设计并显著减少开发时间和成本。

“吉凯恩已经开发了标准化的模型和流程，用于产品开发周期，”内米兹评论道。“这样，我们就可以从一开始就为每个项目使用仿真，并为我们的设计和开发奠定经过验证的基础。”

吉凯恩汽车牵引逆变器。

制胜法宝：使用正确的工具开始产品开发

Simcenter Amesim 为所有应用提供直观的多级设计，并提供许多集成的预构建解决方案。

从开发过程开始就使用 Simcenter Amesim，吉凯恩团队能够虚拟地评估和优化系统内和整个系统中的每个元素。这意味着需要更少的昂贵原型环路，并且可以加快上市时间。

展望未来

从内燃机到电动汽车的转变为汽车制造商带来了一个新的机遇时代，也迫切需要找到创新的解决方案来应对从机械设计转向机电一体化设计的工程挑战。

利用仿真开发全面的数字孪生将在吉凯恩分析和预测现实世界中产品性能的过程中发挥重要作用，从而使公司能够以更低的成本快速开发性能更好的产品。

从声音和振动到逆变器技术等等，仿真和全面数字孪生的可能性开始为新一代电动汽车开发的各个领域提供信息。

使用电池、直流母线电容器和电源模块简化逆变器仿真模型。