新エネルギー自動車および新エネルギー電池産業におけるシミュレーション技術の応用

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

3D プリント技術は、非常に柔軟で複雑な生産を実現できるため、電気自動車部品の生産、特に製品性能と軽量化に対する要件が高い部品の製造に適しています。電気自動車は新しい製品であるため、新たな製造技術も必要になります。

これまで、金属3Dプリントを通じて自動車産業における工業技術の応用を加速させてきた大手企業であるブガッティを例にとると、ブガッティはブレーキキャリパー、スポイラーブラケット、モーターブラケット、フロントアクスルディファレンシャルなど、3Dプリントされた機能部品を開発してきました。ブガッティは、選択的レーザー溶融（SLM）金属3Dプリント技術を使用して、新しいシロンシリーズの車両に搭載されている電動モーターブラケットを大量生産しています。

ブガッティ量産型モーターマウント。出典: SLM ソリューション
より深い影響という観点から、BMWが主導するIDAM共同プログラムの目標は、「自動車分野における積層造形（AM）技術の産業化とデジタル化」を推進することだ。このプロジェクトは、3D プリントの産業化に大きな影響を与えるでしょう。

新エネルギー車は形状的には従来の車と似ていますが、内部には多くの変更点があり、最適化と改善の余地が非常に大きくなっています。高精度、高品質、包括的、統一された補助設計ツールを新興設計分野で効率的に使用することで、企業の技術に持続的かつ急速な発展をもたらすことができます。今号のGu.コラムでは、Ansemeria Asia Pacificの「新エネルギー自動車および新エネルギー電池産業におけるシミュレーション技術の応用」を取り上げ、新エネルギー自動車の開発において統一された正確な分析システムとソリューションを持つことの必要性について紹介します。

新エネルギー車は総合的なハイテク製品です。バッテリーや電動モーターのほか、車体自体にも多くのハイテク技術が盛り込まれています。一部の省エネ対策は、バッテリーのエネルギー貯蔵容量を増やすよりも簡単に実施できます。新エネルギー電気自動車にはまったく新しい車体構造が必要であり、単に内燃機関を電気駆動システムに置き換えるだけでは不十分です。車両の電動化には、電気駆動部品の設置スペースに対するまったく新しい要求が課されるため、車体全体の大幅な変更が必要になります。

新エネルギー車にとって、軽量構造設計は非常に重要です。バッテリー電力に加えて、車の重量も走行距離を制限する要因となるからです。車両が軽ければ軽いほど、より多くのバッテリーを搭載でき、走行距離が長くなります。 3D プリント技術は、新エネルギー車の研究開発を支援し、新しい車体構造、軽量構造、さらには自動車の内装やスマート接続を実現する上で大きな可能性を秘めています。

業界の課題に直面<br /> 新エネルギー車両システムの構成は複雑で、電気、磁気、制御、機械、流体などのさまざまな物理領域と、全体、機械、空力、電子、電気などのさまざまな設計部門が関係します。各主要部品の電磁気的、構造的、温度上昇などの性能を総合的に評価する方法、システムと部品のマッチングを総合的に評価する方法、さまざまな設計部門間で設計を調整する方法。

上記の問題には、水平方向のマルチドメイン設計、垂直方向のマルチレベル設計が関係し、プロセスとデータ管理の問題についても総合的に考慮する必要があります。

新エネルギー車の動力システムはすべて、高性能のトラクションモーターによってトルク出力が提供されます。シミュレーション設計と研究開発プロセスには、流体、構造、温度、電磁気、制御など、複数の分野における複雑なマルチフィジックス分野の問題が含まれます。

driveGKN と Porsche Engineering が共同開発した構造的に最適化されたディファレンシャルハウジングは、まったく新しいコンポーネントです。設計段階では、主に試験プロセスの安全性と耐用年数の管理が考慮されました。これら 2 つは、それぞれ自動車の衝突安全性とバッテリーの熱管理に最も関連しています。衝突安全性にはバッテリーの安全な使用が関係し、バッテリーパックの熱管理はバッテリーパックの全体的な寿命と範囲に大きく影響します。

車両レベルの EMC テスト規格は、主に車載送信機と外部放射源が動作しているときの車両の EMC パフォーマンスを制限します。車、特に新エネルギー車には、モーター、インバーター、各種アンテナ、ECUなど、放射干渉源または干渉対象となる可能性のある電子機器が多数搭載されており、その種類は多く、広範囲のスペクトルをカバーし、設置場所もさまざまです。 EMC の問題が車両の最終設計段階にまで押し込められると、設計者はより高い代償を払わなければならなくなります。

統一されたシステム、正確な分析<br /> ANSYS ソフトウェアは、新エネルギー車のあらゆる側面に対応する、統一された正確な解析システムとソリューションを提供します。

リチウム電池の放熱：
ANSYS Fluent は、単セルリチウム電池用に MSMD モデルをカスタマイズしました。これには、電池内部の電流と発熱を計算する 3 つの 1D 電気化学モデルが組み込まれており、カスタマイズされたプログラムを通じて電気化学反応プロセスを解くためにも使用できます。 MSMD モデルは単一セルの熱解析プロセスを大幅に簡素化し、その計算精度はエンジニアリング要件も満たします。

ANSYS Fluent は、リチウムイオンバッテリーパックの熱管理を分析します。主な問題は、動作温度とバッテリー温度の均一性です。この温度均一性は、バッテリーモジュール内の均一性とモジュール間の温度均一性に分けられます。バッテリーパックの熱解析において、ANSYS CFD には大きな利点があります。

1 つ目は、モデルの簡素化の利点です。バッテリーパックの内部構造は通常、ボルト、支持構造、銅板などの詳細を含み、非常に複雑です。熱交換チャネルやバッテリーセルなど、熱解析に必要な主要部品は、これらの複雑な構造に包まれており、CFD 計算のために抽出する必要があります。 ANSYS Space Claim のジオメトリモデリングおよび修復ツールを使用すると、ジオメトリモデルを専門的にかつ迅速に簡素化して、計算用のモデルを取得できます。

2 つ目の利点は、ソルバーモデルです。ANSYS Fluent のフロー方程式は、MSMD モデルの電気化学方程式と結合され、より正確な温度分布が得られるため、熱交換設計をより正確にガイドできます。

Magna International ハイブリッド電気自動車バッテリーパックの熱管理シミュレーション。出典: Ansem Asia Pacific フォードとデルファイは、完全ハイブリッド電気自動車用のバッテリーパック冷却システムの設計で協力しました。出典：Ansemba Asia Pacificのバッテリーモジュールエアダクト最適化事例。出典: Ansem Asia Pacific では、横転、衝撃、落下分析など、バッテリーパックの構造強度分析も実施する必要があります。 ANSYS 解析ソフトウェアを使用して、さまざまな動作条件下でのバッテリーパックの構造性能を観察してみてください。高速、安全、そして実現可能です。

アニメーションと応力アニメーションから、0〜2msが衝突期間であることがわかります。補強リブと下箱の接続部の鋭角部分に最初に応力集中領域が現れ、帯状の高応力領域が現れることがわかります。次に、固定イヤーピースも地面に接触すると、対応する部分が圧迫され、ブロック状の高応力領域が生成されます。最大応力は約258Mpaで、応力集中領域に位置します。

バッテリーモジュールのエアダクト最適化事例。出典: アリアンツ・アジア・パシフィック
電動駆動システム解析<br /> 新エネルギー車のモーターと駆動/制御システムの設計には、電気、電磁気、熱、流体、構造、騒音、制御などのマルチフィジックス、マルチレベルの統合設計コンテンツが含まれており、新しいモーター設計ソリューションを導入することが急務となっています。プラットフォームベースのアプローチにより、マルチフィジックスの共同設計ツールを統合し、高性能コンピューティング技術と多分野にわたる最適化技術を組み合わせたデジタルR＆D環境が形成されます。

モーター本体設計<br /> モーター本体の永久磁化、ブラシレス、高速、高効率、省エネなどの開発動向、研究開発ニーズ、技術課題に応じて、モーター本体の設計のあらゆる側面が十分に考慮されています。
- 磁気回路法に基づく迅速なモーター設計、初期スキーム評価および最適化設計。
- 過渡電磁場有限要素解析に基づくモーターの正確な解析およびパラメータ化/最適化設計。
- 有限要素に基づく熱、応力、変形解析。
- 有限体積法に基づく流体熱解析および放熱システムの最適化。
- 電磁気、熱、構造の単方向/双方向結合に基づくマルチフィジックス結合設計。
- 電磁気、振動、騒音などの自動化設計プロセスに基づくカップリング設計。

従来のモーター設計ソリューションを迅速に最適化することで、高効率と省エネを実現できます。ブラシレスおよび永久磁石モーターの設計経験を効率的に探索して蓄積することで、ブラシレスおよび永久磁石モーターを実現できます。高速でのモーターの電磁気およびマルチ物理場結合特性を最適化することで、高速を実現できます。

モーターの電磁気、構造、熱などの複数の物理場の結合設計。出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

統一されたプラットフォームの下で、モーター構造、熱、音響、電磁場解析のマルチフィールド結合計算。出典: アリアンツ・アジア・パシフィック
EMC/EMI 電磁両立性および干渉分析

現代の電気駆動システムの開発では、電磁両立性と干渉が設計上のボトルネックになりつつあります。 EV/HEV 電気駆動システムを例に挙げます。

- 牽引モーターは高速で動作し、高出力 IGBT は数十 kHz の周波数でスイッチングするため、さまざまな高周波および低周波の電磁干渉が発生し、さまざまな制御信号の検出と伝導に直接影響します。

- ケーブル、IGBT、バスバー、PCB クリティカルパスルーティングなどの寄生パラメータも、さまざまな電源および制御信号の伝導に直接影響します。

- PCB 制御ボードレベルの信号クロストークおよび電磁放射干渉。

- 車体の限られたスペース内にさまざまな車載電磁機器が分散配置されており、それらの間に電磁干渉が発生し、機器の性能に影響を与えます。

- 車両に対するさまざまな高周波および低周波の誘導、放射、伝導干渉は、電磁機器の性能に影響を与えるだけでなく、制御システムの誤動作や制御不能につながりやすく、車両の性能に影響を与え、故障や事故を引き起こすこともあります。

さまざまなコモンモードおよび差動モードフィルタ、IGBT およびコントローラのパッケージ、オンボードの電磁機器レイアウト、およびさまざまな電磁シールド対策を効果的に設計することが重要になっています。したがって、高品質の電動駆動システムを開発するためには、電磁両立性設計の問題を解決する必要があります。

ANSYS 電磁界シリーズソフトウェアは、さまざまなレベルを分析し、仮想実験環境を統合します。出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

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