点赞！国产CAE-shonTA，解决新能源汽车热管理核心难题（附案例直播）
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导读：热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一，这是因为热管理技术的先进程度可以直接影响到车辆的性能和安全性。曾几何时，郑州宇通集团就曾创造了一个典型的案例，2007年该公司自主研发成功客车用发动机热管理技术，其直接降低车辆油耗就在5%-10%左右，类似的案例不甚枚举。
一、高效的散热设计是新能源汽车行业重中之重
而如今，热管理更是成为了新能源汽车企业的重中之重，与传统汽车不同的是，新能源汽车新增电池、电机及电子部件等部件热管理需求，热管理更为复杂，要求也更高。这一点特别体现在了新能源汽车的电驱系统，新能源汽车的电驱系统目前有两种发展趋势：
1、高转速电机+单级减速器
2、中低转速电机+两档变速器
中低转速电机+两档箱目前并没有得到大规模的应用，且问题较多。高转速电机+单级减速器依然是未来几年内的主要发展趋势。
近年来NVH瓶颈逐步被打破，输入转速的限制也越来越低，提高转速成为提升电驱性能的主要手段之一。这种输入转速的上升不仅仅会带来齿面滑移烧蚀等齿轮方面的风险，此外电机和减速器等设备集成度越来越高，体积也越来越小。对电驱的热管理会带来极大的挑战。那么如何开展电机或减速器的热分析呢？怎样才能得到电驱系统热平衡的三维温度场呢？
由于电机和减速器系统设备复杂，内部机械部件多，并且壳体内部存在润滑油等工质，有壳体内部还设计有水冷壁，或者是外部的热交换机。电驱系统在运转过程中，由于齿轮的啮合、轴承的转动，以及电磁损耗等，会在系统内部产生热量。系统内部热量产生的同时，又会通过润滑油的流动，机械部件的导热，油冷或水冷系统将热量最终传递到设备的外部，保持设备内部温度低于设计温度上限。如何计算复杂设备系统的热平衡？一个经典的方法是热网络方法，另一个是我们采用的三维有限元热网络方法。二、什么是热网络方法？
热网络方法是一种热电比拟方法，将系统内热量的传递比拟为电路中的电流，温度比拟为电压，而热阻类似于电路中的电阻，热容相似于电路中的电容。这种方法将设备系统的复杂热量传递路径，抽象为一张“电路图”，通过建立热平衡方程，通过数值求解计算出系统各个位置的温度以及热流大小。这两种系统的对比如表1所示。
表 1 热网络与电路系统对比
物理量 | 热网络 | 电路 |
势能 | 温度T | 电压E |
流量 | 热流Q | 电流I |
阻力 | 热阻R | 电阻R |
传导率 | 换热系数或1/R | 1/R |
欧姆定律 | Q=ΔT/R | I=ΔE/R |
图1是一个简单齿轮箱的热网络图，其中的热量传递方式包括导热、对流传热、辐射传热。主要的热源来自于齿轮啮合发热、轴承发热，以及搅油功率损失。产生的热量通过润滑油的对流传热，轴的导热，壳体的导热，以及外壁面的自然对流换热等等，将热量传递到箱体外部，最终的热阱是外部的大气环境。这种热网络法的优势是系统建模简化，计算快速，但是其缺点是无法获得复杂几何区域的三维精细温度分布。而传统的有限元或有限体积方法，只能用于局部的温度求解，无法用于系统级的热平衡分析。三、什么是有限元热网络方法？
三维系统热分析软件shonTA将传统的有限元方法和热网络方法深度耦合在一起，用有限元网格替代热网络里的导热节点连接，可以用于系统级热平衡分析，并获得所有机械部件的三维温度分布。在shonTA计算模型里，还有专门针对接触传热的模型，以模拟机械零件之间的装配造成的接触热阻。完善的功能模型，以及方便建模方式，使shonTA软件成为了一个全新的电驱系统热分析热设计工具。例如在齿轮箱工作过程中，齿轮之间的啮合产生热量，这些热量一方面通过导热传递给齿轮本身，另一方面通过对流传热传递给润滑油。由于齿轮的三维复杂结构，仅使用传统的热网络方法无法得到齿轮的精细温度分布，而有限元热网络方法有效克服了这一问题。
图 2 使用有限元热网络方法建模齿轮箱
如上图所示，一个典型的变速箱的所有实体机械部件全部生成为有限元网格，计算每个实体部件的导热。实体部件之间的连接采用接触热阻进行热传导。润滑油被等效为一个控制体，具有一定热熔，可以存储热量。变速箱内部的齿轮和轴等与润滑油之间的换热采用对流换热经验关系式，同样润滑油与壳体内避免之间的传热也采用了换热经验关系式。壳体外表面与外部大气环境之间的换热，根据用户的需要设定为自然对流传热或者强制对流传热。三、什么是接触热阻？
在机械设备的装配中，机械零件的表面互相接触，但实际接触仅仅是在一些离散的接触单元上，未接触的界面之间常常充满了空气或者填充脂。因此，一部分热量是通过无数个接触单元传递的，另一部分是通过这个气息层或者填充材料层传递的，这增加了热量传递的阻力，称为接触热阻。shonTA采用的接触热阻模型如上图所示，接触热阻的大小与机械表面的粗糙度、凹凸不平的坡度、接触压力、显微硬度和材料导热率等相关。准确计算接触热阻，对于机械设备的热分析非常关键。四、传动系统为什么需要精细热分析？
制约新能源汽车传动系统设计提高功率密度和转速的一个重要因素就是系统发热。热量产生的因素有很多，包括机械摩擦、搅油和电磁损耗等等。这些热量产生后，会通过多种热流途径传递到外部，因此散热的“快”“慢”直接影响到了每个设备部件不同位置的温度高低。如果局部温度过高，会造成设备失效或者影响设备寿命。例如齿轮表面啮合点温度过高，极端情况下会造成齿轮表面材料的剥落；电机绕组端部如果不能得到有效冷却，严重时会造成烧毁；润滑油温度过高，会造成其粘度降低，影响润滑效果。因此，进行精细化的三维热分析，是高转速高功率密度传动系统设计的必要工作。
五、典型工程案例-齿轮箱与电机热分析
在新能源汽车传动系统的设计中，动力系统的平衡温度是一个非常重要的设计指标。转动件温度过高或者电机转子过热都会导致产品的失效。精确的温度场计算和系统传热分析对于产品设计至关重要。shonTA提供了独特的功能模块计算齿轮啮合功率损失、轴承发热和搅油发热，可以模拟热量的产生与流向，包括润滑油与齿轮之间的对流换热，机械部件之间的接触传热，以及壳体外部的对流传热等等。
shonTA软件实现了电机和变速箱的三维系统热分析，为研发设计提供了全新的工具。传动系统的瞬态和稳态温度可以被仿真预测，模拟结果可以给出齿轮系温度场、润滑油平均温度、壳体温度场和总的功率损失等。
啮合发热造成的齿轮系温度分布
由于篇幅的原因，这里不再赘述案例操作过程的step by step 。2020年5月27日20时，我们将邀请shonTA原厂工程师顾俊老师在仿真秀直播间公开直播，为汽车行业工程师分享一个电驱动系统的热分析案例（step by step ）感兴趣的小伙伴可以识别下方二维码报名收看（直播前后提供讲师答疑、视频在仿真秀官网永久回看和资料模型下载等服务）。
以下是课程安排：
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致谢：感谢舜云科技提供技术支持
苏州舜云工程软件有限公司（简称舜云科技）成立于2019年6月，是一家专注于下一代流体多物理场工程数值仿真软件开发的企业，旨在为客户提供先进的工程仿真软件和技术服务，助力客户实现数字化设计和产品创新。本公司是苏州市政府重点培育的自主化高科技创新企业，位于苏州市相城区活力大厦，在德国卡尔斯鲁厄设有办公室。本公司开发的舜云系列仿真软件已经应用于汽车工程、能源工程和海洋工程等领域，成功服务多家知名企业客户。
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