视角 | 仿真技术引领“再电气化”发展趋势

* 本文原刊登于智能制造媒体咨询研究机构e-works：《推动能源革命，仿真技术引领 “再电气化” 发展趋势》

电力在19世纪的发明和在20世纪的广泛应用，极大促进了人类社会发展进程。进入新世纪以来，为了应对资源紧张、环境污染、气候变化等挑战，全球范围迎来新一轮电气化变革，即“再电气化”进程。

随着全球能源结构加速向绿色、低碳和智能的方向转型，“再电气化”已成为构建新型能源体系的必由之路。一方面，全球电力需求的快速增长，不断催生着“再电气化”进程发展；而另一方面，如何有效地进行技术创新、如何快速投向市场以及加速人才培养，正成为“再电气化”进程中的拦路虎。

为洞察“再电气化”领域的技术创新和应用前沿趋势，e-works记者专访到Ansys电气化解决方案架构师、首席专家唐章俊博士。作为电气化领域的资深专家，唐博士曾协助包括特斯拉、大众、通用等全球知名的汽车企业梳理电气化仿真业务、流程、提升能力。在唐博士看来，对于在电气化领域工作的人来说，身处仿真技术蓬勃发展的时代，是无比令人兴奋的事情——“再电气化”促进着仿真技术的普及，仿真技术也正在加速“再电气化”进程中的工程创新。

据中国社会科学院和国际能源安全研究中心预测，到2050年，全球发电量将达到47.9万亿千瓦时，年均增速2%，其中发电增量的72%来自非化石能源发电。

可以说，电气化水平的不断提高已成为全球能源转型发展的重要标志，包括电动汽车、低碳或无碳化发电、高效工业电机等技术不断普及是推动“再电气化”水平提高的重要发展要素。伴随着储电技术及储电能力的不断完善，太阳能和风力发电技术的稳步提高，构建绿色、低碳、清洁的新型能源体系及“再电气化”已成为不可逆转的趋势。

实际上，与传统能源生产消费方式下的电气化相比，“再电气化”在本质上并无太大区别，而是在电能的生产、传输和再利用环节诉求“深度清洁”和“极致高效”。

从能源生产侧来看，体现为清洁能源特别是新能源的大规模开发利用。2000～2016年，全球风电、太阳能、水电发电装机年均增长22%、40%和3%。从能源消费侧来看，体现为电能对终端化石能源的深度替代，最典型的就是电气化交通的发展，涉及电动汽车、超级高铁、多电飞机等诸多热门领域。

电能作为清洁、高效的二次能源，能够实现灵活调节和精确控制，促进终端能源利用效率提高。从这个意义上说，“再电气化”对推动全球能源转型、保护生态环境、提高经济发展的效率效益具有重大意义。

随着电能占终端能源消费的比重不断提升，“再电气化”进程正影响并促进着诸多行业领域的发展。在谈到哪些行业的电气化发展进程更为明显时，唐博士认为以电动汽车、可再生能源、工业电机和多电飞机等四大行业为最。

首先是电动汽车。在全球售出的电动汽车中，约三分之二的电动汽车由电池发电，三分之一为混合动力汽车。随着电气化、移动化服务和车辆自动驾驶的相互作用，电动汽车充电行业正不断兴起，并对交通运输领域产生深远影响。

其次是可再生能源。《巴黎协定》将全球气候治理的理念确定为低碳绿色发展，推动着能源消费朝着更加经济、节能、环保的方向发展。这一供需结构的变化使得可再生能源发展越来越受重视，也将推动着电力市场发展更具灵活性、开放性和互动性。

第三是工业电机。有数据显示，电机能耗约占整个工业能耗的60%-70%，随着再电气化进程的推进，将进一步促进高效工业电机、工业生产线、工业自动化设备及机械设备、工业机器人等领域的发展。

第四是多电和全电飞机。研发多电飞机意味着需要用更加智能、更加互联、数字化程度更高、以及更多电气化技术来替代飞机中的许多传统系统。譬如波音787的发动机能够产生1000kVA以上的电力，对飞机的发电系统、配电系统、电力推进系统、电控系统等都将产生重要影响。

来自第三方的研究显示，“再电气化”发展进程中，每年来自电动汽车、可再生能源、工业电机和多电飞机的技术研发投入将会超过450亿美元。唐博士认为，传统的工程方式越来越难满足企业对于产品复杂性和上市周期的追求，而仿真技术正在成为帮助它们实现“再电气化”的必然选择。

以电动汽车为例，来自行业新进入者和其他长期竞争对手的压力，让汽车企业必须保持对技术的专注。随着产品越来越复杂、上市周期却越来越短，传统的工程方法无法及时满足客户需求，仿真技术就成了唯一选择。

多电飞机的情况类似，如何生产和储存长途飞行所需的充足能源，由此带来的飞机减重、新材料、新工艺、传统机械系统与更多电子组件的机电耦合以及用电量越来越大带来的谐波和噪声污染等一系列问题，都需要依赖仿真技术的支持。

归根结底，电气化领域的所有企业都需要设计出更好、更快、更便宜、更可靠的产品，要实现这个目标则面临着电池开发、材料、电化学、电池/模块/组件、热管理、电热耦合、BMS、功能安全、软件等各个方面的难题。

唐博士指出，工程仿真技术在“再电气化”进程中可以帮助各类企业减少物理原型和测试的数量，有助于加快开发周期和降低成本；仿真还可以帮助工程师对他们的产品有更深入的了解，以改进产品设计优化和质量；同时仿真也将有助于促进组织内以及OEM和供应商之间的团队协作。唐博士强调，“Ansys是唯一一家拥有电气化各方面技术的仿真公司，同时在各个领域都有专业知识，可以帮助客户将所有的东西结合在一起。”

鉴于众多行业电气化工程挑战所及的广度、深度与技术复杂性，工程仿真具有前所未有的重要意义。目前，Ansys仿真技术能够解决与电气化相关的四大关键领域的工程难题：电力电子、电机、电池以及系统集成。

针对电力电子领域，Ansys可以助力企业实现结构完整性/可靠性、热管理等；在电机设计领域，则可以解决NVH、电磁设计、所用材料等难题；针对电池和燃料电池领域，可以提供涵盖设计、热管理以及从电池单品到系统级别的电池管理。唐博士表示，更独特的是，Ansys所生成快速、高保真的仿真模型既可以描述三维实体，同时又可以被系统和软件使用，实现机电系统集成、系统的设计与分析、控制软件、功能性安全分析等功能。

随着“再电气化”进程的加速发展，越来越多的企业借助仿真技术实现弯道超车。唐博士告诉e-works记者，除了各行业的头部企业在加大仿真技术的投入以加速再电气化进程，还有很多具有探索精神的企业进入这一领域，它们勇于借助工程仿真技术进行创新，并取得快速和积极进展。

总部位于西雅图的Zunum Aero就是这样一家致力于研发电动飞机的初创企业。借助仿真技术，Zunum Aero的工程师快速了解低压风机、容错电机和电动控制器如何作为一个系统在实际工况下运行，开发出连通小型机场的电动飞机。而如果不采用仿真技术，预计Zunum Aero飞机验证工作需要多一倍的时间，在硬件测试方面更需要多花数百万美元的资金成本。

Zunum Aero利用Ansys Startup Program获得的Ansys软件套件中多个产品对组件性能进行仿真。在具体应用中，Zunum Aero设计工程师采用Ansys Mechanical分析推进器组件的结构完整性，不仅使工程团队能够进行稳态仿真、模态仿真和结构动力学参数仿真，而且还可以帮助工程师了解各个组件的完整响应以及协同运行情况。另外，工程师采用Ansys CFD模拟了推进器内部和外部流动，以完成空气动力学压力损耗估算和设计优化。

由于热量会直接影响产品可靠性，因此电气组件的温度必须保持在规定范围内。Zunum Aero采用Ansys Fluent实现热管理。工程师进行CFD流体流动与热传递分析，以预测温度变化与热消耗，设计冷却系统。

除此之外，基于Ansys仿真解决方案，Zunum Aero设计团队得以在虚拟环境的概念验证层面分析更多组件，并进行多物理场评估以加快设计优化。

意大利电机设计制造商Marelli Motori是另一家通过应用仿真技术获益的公司。

外观看似普通的电机，其旋转磁性线圈在运行状态下会导致热量聚集，从而降低电机发电效率；经过优化设计的方案，工程师往往无法高效地电机制造出来；以及电机工作时产生的噪声和振动，不同程度影响着用户的体验。

为满足客户需求，Marelli Motori采用Ansys Maxwell、Ansys Mechanical和Ansys CFX多物理场仿真技术，为客户提供值得信赖的定制解决方案。

在Ansys多物理场仿真的帮助下，Marelli Motori工程师设计出适合定制电机和发电机的最佳组件，从而提高了其在全球市场的竞争力。与此同时，Marelli Motori研发团队借助Ansys仿真技术实现了更高效率、更低成本、更短的研发时间和更高的可靠性。

值得一提的是，自Ansys Discovery Live发布后，Marelli Motori是最先采用该软件的企业之一。通过实时改变产品几何结构或工况得到变化后的仿真结果，从而大幅降低了设计时间。

唐博士表示，Ansys正在众多行业携手客户一起推进‘再电气化’的实践与落地，Ansys技术最终目标就是帮助客户加速产品设计和创新，帮助他们降低成本和提高质量，最终赢得电气化革命的胜利。