Introduzione: La spina dorsale digitale dell'ingegneria elettrica dei veicoli

Automakers e i fornitori devono ottimizzare simultaneamente per la gamma, la sicurezza, i costi e la manifattura, mentre comprime i tempi di sviluppo. Al centro di questa trasformazione è Siemens NX, un software di ingegneria dei prodotti completo che è diventato uno strumento standard per la progettazione, la simulazione e la produzione di componenti EV critici.

Comprendere Siemens NX e la sua posizione nell'EV Ecosystem

NX, sviluppato da Siemens Digital Industries Software, è una suite integrata di strumenti di progettazione assistita da computer (CAD), di produzione assistita da computer (CAM), e di ingegneria assistita da computer (CAE), a differenza del software di modellazione 3D generico, NX è appositamente costruito per lo sviluppo di complessi sistemi meccanici ed elettrici.

Nel settore EV, NX compete con e completa strumenti come CATIA, Creo e SolidWorks. Tuttavia, la sua profonda integrazione con il portafoglio Xcelerator più ampio di Siemens, tra cui Teamcenter per la gestione del ciclo di vita del prodotto e Simcenter per la simulazione avanzata, gli conferisce un vantaggio distinta per le organizzazioni che richiedono continuità digitale end-to-end.

Molti principali fornitori di OEM e Tier 1 si affidano a NX per i loro programmi EV. rapporti di Siemens[] che NX è utilizzato da aziende come BMW, fornitori Tesla, e numerose startup cinesi EV per sviluppare componenti che vanno dagli alloggiamenti inverter alle routing via cavo ad alta tensione.

Capacità principali di NX che direttamente impatto EV sviluppo componente

NX offre una serie di funzionalità che rispondono alle esigenze uniche dell'ingegneria EV, tra cui la tecnologia sincrona per i cambiamenti di progettazione rapidi, l'ottimizzazione della topologia per le strutture leggere, la modellazione convergente per lavorare con i dati sfaccettati e un ambiente di simulazione completamente integrato.

Tecnologia sincrona per l'azionamento del design

La tecnologia sincrona di NX consente agli ingegneri di modificare la geometria senza essere costretta alla storia della funzionalità originale. Per un alloggiamento della batteria EV, ad esempio, un progettista può spostare una parete del canale di raffreddamento, ridimensionare un capo di montaggio, o regolare una superficie di tenuta semplicemente selezionando la geometria e trascinandola in una nuova posizione.

Ottimizzazione Topologia per la riduzione del peso

La riduzione del peso è una delle priorità più elevate nel design EV perché ogni chilogrammo salvato estende direttamente la gamma di guida. NX include strumenti di ottimizzazione topologia avanzati che permettono agli ingegneri di definire uno spazio di progettazione, applicare carichi e vincoli, e lasciare che il software generi una struttura ad alta efficienza. Per un alloggiamento elettrico del motore, l'ottimizzatore potrebbe rimuovere il materiale dalle regioni a bassa resistenza, mentre le aree di rinforzo intorno ai sedili di montaggio e flckle flange.

Modellazione convergente per componenti aggiuntivi e cast

La capacità di modellazione convergente di NX consente agli ingegneri di lavorare direttamente con dati sfaccettati dall'ottimizzazione della topologia o dalla scansione 3D. Invece di convertire i dati della maglia a superfici lisce complesse, NX tratta la maglia come elemento di progettazione nativo che può essere modificato, tagliato per la produzione additiva, o utilizzato come riferimento per gli strumenti di colata.

Progettazione avanzata del sistema di batteria con NX

I sistemi di batteria sono i sottosistemi più critici e complessi in qualsiasi EV. Essi devono gestire energia elettrica, carichi termici, carichi di crash strutturali e requisiti di manutenzione, tutto all'interno di un pacchetto limitato che si adatta all'architettura del veicolo.

Integrazione cellulare-pacchetto e layout del modulo

I moderni pacchetti batteria EV si muovono dalle strutture cellulari al modulo-confezione ai più integrati modelli di celle-confezione. NX consente agli ingegneri di creare layout 3D dettagliati di celle, barre di bus, piastre di raffreddamento e strati di isolamento all'interno di un unico assemblaggio. I vincoli del software e gli strumenti di gestione del montaggio aiutano a convalidare le tolleranze di espansione cellulare e che i pannelli di accesso al servizio possono essere rimossi senza interferenze.

Simulazione di gestione termica

NX si integra con Simcenter per eseguire analisi di trasferimento di calore coniugate su gruppi di carica batterie. Gli ingegneri possono simulare il flusso di refrigerante attraverso piastre fredde, analizzare la distribuzione della temperatura attraverso gli array delle celle e prevedere punti caldi in condizioni di alto scarico. Questa capacità di simulazione consente ai team di progettazione di valutare diverse strategie di raffreddamento, come il raffreddamento a fondo, il raffreddamento laterale o il raffreddamento ad immersione, prima di impegnarsi a studi fisici di riduzione.

Analisi dell'integrità strutturale

NX fornisce risolutori dinamici espliciti che possono simulare gli impatti laterali dei poli, le collisioni di fine posteriore e gli scenari di impatto sul suolo. Gli ingegneri possono modellare l'alloggiamento della batteria, i crossmembers e le rotaie di frantumazione come struttura integrata e analizzare le caratteristiche di assorbimento dell'energia dei diversi indicatori di materiale e dei modelli di costole.

Sviluppo di motori elettrici e unità di trasmissione

Il motore elettrico, l'inverter e il cambio, spesso chiamato e-axle, presenta una serie di sfide ingegneristiche. NVH (rumore, vibrazione e durezza), perdite magnetiche, raffreddamento e dinamiche rotore ad alta velocità richiedono un'analisi specializzata che NX supporta.

Co-Simulation elettromagnetica e termica

NX, insieme a Simcenter, consente la simulazione multifisica che accoppia gli effetti elettromagnetici e termici. I progettisti di motori possono valutare come diversi modelli di avvolgimento, gradi magneti e geometrie di slot dello statore influiscono sulla coppia e sull'efficienza. L'analisi termica mostra come le perdite di rame e le perdite di ferro traducono in aumento della temperatura attraverso lo statore e il rotore.

Analisi strutturale del rotore ad alte velocità

I motori EV moderni girano regolarmente a velocità superiori a 15.000 a 20.000 RPM. A queste velocità, le forze centrifughe sulle laminazioni del rotore e i magneti diventano estremi. NX permette agli ingegneri di modellare lo stack del rotore come un assemblaggio di laminazioni, magneti e un albero, e quindi eseguire un'analisi strutturale che rappresenta le interferenze si adatta, precarica dal mantenimento delle maniche e l'espansione termica.

Simulazione di fabbricazione per Statore e produzione di avvolgimento

La produzione di motori elettrici comporta processi di precisione come saldatura laser, formazione di busbar e impregnazione. NX CAM fornisce capacità di programmazione NC per generare percorsi di lavorazione di alloggiamenti motore, alberi e componenti ingranaggi. Il software può anche simulare i processi di piegatura e inserimento dei fili per gli statiri della forcina, aiutando gli ingegneri di processo a identificare potenziali danni di filo o collisioni degli utensili prima dell'avvio della produzione.

Elettronica di potenza e progettazione inverter

L'elettronica di potenza è l'interfaccia tra la batteria e il motore, che controlla il flusso di energia elettrica, che deve gestire alte tensioni, alte frequenze di commutazione e carichi termici significativi all'interno di un pacchetto compatto.

Gestione termica dei moduli semiconduttori

NX, in combinazione con Simcenter, consente la modellazione termica dettagliata dei moduli IGBT o SiC MOSFET. Gli ingegneri possono modellare gli strati impilati di stampi, saldatori, substrato ceramico e piastra base, quindi simulare la temperatura di giunzione sotto i cicli di guida reali. Questa analisi aiuta a determinare la frequenza di flusso di raffreddamento richiesta per la piastra fredda inverter e convalida la selezione del materiale di interfaccia termica.

EMC e Estrazione parassita

La commutazione ad alta frequenza in inverter genera interferenze elettromagnetiche che possono interrompere i sistemi di comunicazione del veicolo. Le capacità di progettazione elettronica del sistema di NX consentono agli ingegneri di estrarre l'induttanza parassita e la capacità dal layout della barra bussola dell'inverter.

Preparazione e utensili integrati per la produzione

Una delle più forti proposizioni di valore di NX è la sua connessione senza soluzione di continuità tra progettazione e produzione. Per i componenti EV che richiedono utensili complessi, come alloggiamenti a batteria pressofuso o connettori stampati ad iniezione, questa integrazione è inestimabile.

Die-Cast Mold Design per la produzione ad alta tensione

I grandi componenti strutturali di EV, come il sottocorpo posteriore o il telaio della batteria, vengono sempre più prodotti come singoli grandi getti die. NX fornisce strumenti di progettazione specializzati che permettono ai costruttori di utensili di sviluppare l'assemblaggio completo dello stampo, compresi i canali di raffreddamento, i perni di eiettore e le azioni di scorrimento, direttamente dalla geometria del conteggio parte.

Pianificazione del percorso di saldatura e montaggio robot

Le strutture in bianco corpo EV richiedono spesso una saldatura estesa in alluminio, che è più impegnativa dell'acciaio a causa della distorsione termica. La programmazione robotizzata NX permette agli ingegneri di produzione di simulare l'intera sequenza di saldatura per un vassoio o un alloggiamento motore della batteria, ottimizzando le traiettorie robot per ridurre al minimo il tempo di ciclo e l'ingresso di calore. La capacità di convalidare il processo di saldatura sul modello digitale prima della costruzione di utensili fisica riduce il tempo di messa in servizio e migliora la qualità di tempo di messa in servizio.

Impatto dell'industria e risultati aziendali

L'adozione di NX attraverso la supply chain EV ha portato a miglioramenti misurabili nella velocità di sviluppo, nella qualità del prodotto e nell'efficienza dei costi. I fornitori automobilistici riferiscono che utilizzando NX per la progettazione integrata e la simulazione possono accorciare il ciclo di sviluppo per un nuovo pacchetto di batterie da diversi mesi. La riduzione della prototipazione fisica da sola può salvare milioni di dollari per programma, soprattutto per componenti che richiedono costosi utensili pressofuso o core di statore laminati.

Inoltre, la capacità di mantenere un unico thread digitale dal design attraverso la produzione aiuta i produttori di EV a soddisfare requisiti normativi sempre più stringenti per la sicurezza delle batterie, il riciclaggio della vita e la segnalazione dell'impronta di carbonio. ]I rapporti di Siemens[]]] che i suoi clienti automobilistici hanno raggiunto fino al 30 per cento più veloce time-to-market sui programmi EV sfruttando l'ecosistema NX e Teamcenter.

La piattaforma ha dimostrato anche di essere essenziale per lo sviluppo delle tecnologie di nuova generazione. Gli sviluppatori di batterie a stato solido utilizzano NX per progettare i complessi sistemi di pressione dello stack necessari per gli anodi di litio-metal. Le aziende che lavorano sui motori axial-flux si affidano a NX per ottimizzare la geometria del circuito magnetico 3D che non può essere modellata con semplici approcci 2D BMW ha citato pubblicamente[FX]

Sfide e considerazioni nell'attuazione della NX per lo sviluppo dell'EV

Mentre NX offre ampie capacità, le organizzazioni devono affrontare diversi fattori per realizzare il suo pieno potenziale. L'ampia serie di funzionalità del software richiede un investimento significativo di formazione, e molti fornitori affrontano una carenza di ingegneri che sono competenti sia nella modellazione CAD avanzata che nella simulazione multifisica. Inoltre, le richieste computazionali di grandi modelli di montaggio EV, in particolare quelle con migliaia di celle a batteria e reti di raffreddamento intricate, possono sforzarsi anche stazioni di lavoro ad alte prestazioni.

Senza un sistema di gestione del ciclo di vita del prodotto robusto come Teamcenter, il volume di iterazioni di progettazione e risultati di simulazione può diventare ingestibile. La migliore pratica tra le principali aziende EV è quella di stabilire politiche chiare di governance dei dati e automatizzare la volta delle recensioni di progettazione e dei report di simulazione.

Tuttavia, Siemens ha introdotto modelli di abbonamento flessibili e opzioni di accesso cloud-based che abbassano la barriera all'ingresso. Molte startup EV hanno adottato con successo NX come loro piattaforma di sviluppo primario concentrandosi su un sottoinsieme degli strumenti che si allineano alle loro esigenze immediate e scalano quando maturano.

Tendenze future: NX e la prossima generazione di propulsione elettrica

La tecnologia EV continua ad evolversi, NX è in fase di miglioramento per soddisfare i requisiti emergenti. L'integrazione delle capacità di intelligenza artificiale e di progettazione generativa sta accelerando, permettendo agli ingegneri di definire obiettivi di performance e lasciare che il software proponga molteplici alternative geometriche per una staffa motore o un collettore di raffreddamento.

Un'altra importante tendenza è la convergenza del design meccanico ed elettrico. NX sostiene sempre più la co-design dell'elettronica di potenza e dei loro alloggiamenti meccanici, consentendo agli ingegneri di simulare il comportamento elettromagnetico e termico dell'intero sistema come unità integrata. Questo approccio olistico è essenziale per le architetture a 800 volt che stanno diventando standard in EV premium.

L'analisi della sostenibilità sta diventando anche integrata nel processo di progettazione. NX può ora stimare l'impronta di carbonio di un componente basato sulla sua selezione dei materiali e il processo di produzione, aiutando gli ingegneri a rendere gli scambi informati tra performance e impatto ambientale. Siemens afferma[ che il suo portafoglio software supporta il viaggio dell'industria automobilistica verso la produzione di net-zero consentendo un design efficiente e una produzione.

Conclusione: NX come patrimonio strategico nella gara EV

Siemens NX offre una piattaforma robusta che si adatta a questa esigenza combinando strumenti CAD, CAM e CAE avanzati in un unico ambiente. Dalla sicurezza termica del pacchetto batterie alle dinamiche di rotore ad alta velocità, dalla progettazione di utensili pressofusi alla pianificazione del percorso di saldatura robot, NX consente ai team di ingegneria di iterare più velocemente, convalidare più accuratamente i prototipi fisici e produrre meno componenti fisici.

Poiché l'industria EV si muove verso tensioni più elevate, cresceranno nuove chemistrie cellulari e architetture più integrate di powertrain, crescerà il ruolo di strumenti di ingegneria digitale completi come NX. Le organizzazioni che investono nella costruzione della loro competenza su questa piattaforma, insieme ai flussi di lavoro associati di gestione dei dati e simulazione, saranno meglio posizionate per competere in un mercato in cui la velocità di sviluppo e la qualità dei prodotti sono fattori competitivi decisivi.