Propulser le secteur automobile vers un avenir électrifié grâce à la simulation

Les objectifs de décarbonation à travers le monde conduisent à une adoption accrue des véhicules électriques. Avec la montée en flèche des ventes de voitures électriques, même les constructeurs les plus performants doivent s'adapter aux conditions changeantes. Le secteur automobile allemand, ainsi que ses homologues mondiaux, le fait en développant des voitures électriques. Les voitures électriques sont un objectif important de Robert Bosch, une entreprise automobile de premier plan fondée à Stuttgart. Aujourd'hui, Bosch fournit des groupes motopropulseurs, des systèmes et des composants électriques aux constructeurs automobiles du monde entier.

Alors que l'industrie automobile se précipite vers un avenir électrifié, Bosch accélère sa R&D dans les éléments constitutifs essentiels des transmissions électriques. L'un de ces composants est l'onduleur, qui transforme le courant continu des batteries de la voiture en courant alternatif pour alimenter son moteur d'entraînement. La capacité de l'onduleur à fournir un flux de courant régulier dépend de son condensateur de liaison CC intégré. "Le condensateur est l'un des composants les plus chers de l'onduleur. Ses performances ont un impact direct sur les performances et la fiabilité de l'onduleur, ce qui est fondamental pour le fonctionnement de la transmission", a expliqué Martin Kessler, expert senior de Bosch pour l'électronique automobile. .

Pour que le secteur automobile mondial atteigne ses objectifs ambitieux d'électrification, les onduleurs et leurs condensateurs doivent faire l'objet d'améliorations et d'optimisations continues. Kessler et son équipe s'appuient sur la simulation multiphysique pour tester et affiner les condensateurs de liaison CC de Bosch. Leur analyse prédictive basée sur la simulation complète et optimise le prototypage en direct de nouvelles conceptions. "Il n'est tout simplement pas possible de prédire les problèmes potentiels avec les tests seuls ; nous avons besoin que la simulation et le prototypage travaillent main dans la main", a déclaré Kessler.

Pour fabriquer une voiture entièrement électrique, il ne suffit pas de remplacer le moteur par un moteur électrique et le réservoir d'essence par une batterie. Ces dispositifs familiers ne sont que des éléments d'un système plus vaste, qui permet d'offrir des performances fluides et fiables en s'adaptant aux conditions constamment variables dans lesquelles chaque véhicule doit fonctionner.

Le rôle de l'onduleur dans une chaîne cinématique automobile est simple dans son concept, mais complexe dans la pratique. L'onduleur doit satisfaire les demandes en courant alternatif du moteur avec le courant continu fourni par la batterie, mais il doit également s'adapter aux fluctuations continues de la charge, de la charge, de la température et d'autres facteurs qui peuvent affecter le comportement de chaque partie du système. Tout cela doit se produire dans des contraintes de coût et d'espace serrées, et le composant doit maintenir cette performance pour les années à venir (Figure 1).

Pour comprendre la fonction de l'onduleur, considérez ce dont un moteur à courant alternatif triphasé a besoin pour fonctionner. S'il est connecté au courant continu, le moteur ne tournera tout simplement pas. Au lieu de cela, il doit être alimenté en courant alternatif avec trois formes d'onde distinctes mais complémentaires, permettant à la bobine de champ en trois parties du moteur d'attirer magnétiquement les segments de son rotor selon un schéma séquentiel. "Pour contrôler l'activité du moteur, nous devons contrôler l'amplitude et la fréquence de la sortie de courant de l'onduleur", a expliqué Kessler. "La vitesse du moteur est proportionnelle à la fréquence, tandis que l'amplitude aide à déterminer son couple."

"La forme d'onde de courant souhaitée à travers les transistors a un gradient relativement raide. La seule façon d'obtenir un courant à découpage avec ce gradient élevé est d'avoir une très faible inductance dans le chemin de la source", a-t-il déclaré. L'inductance est la force qui s'oppose aux variations du flux de courant. Chaque léger changement de courant sera limité par une tension de réaction induite, qui perturbera la forme d'onde souhaitée - et la rotation régulière du moteur.

Pour réduire l'inductance dans le chemin source des transistors, un condensateur est placé en parallèle sur le fil d'entrée de la batterie, appelé liaison CC. Le condensateur de liaison CC (Figure 2) est placé à proximité directe des transistors et fournit les formes d'onde de courant souhaitées à travers les transistors. La faible impédance du condensateur minimise toute tension d'ondulation restante du côté de la batterie.

Un condensateur typique se compose de deux électrodes séparées par un espace isolant, qui peut simplement être un espace aérien ou une sorte de matériau. Dans cette application, Bosch utilise des condensateurs fabriqués avec un film de polypropylène métallisé. Une fine couche de métal (formant les électrodes) est pulvérisée de chaque côté du film, ce qui fournit l'espace diélectrique nécessaire. Le film métallisé est ensuite enroulé étroitement en forme de cartouche. Comme pour l'onduleur lui-même, la simplicité conceptuelle du condensateur cache un problème de conception technique à multiples facettes.

Les condensateurs sont des composants largement disponibles qui sont installés dans d'innombrables appareils électroniques, mais ils ne peuvent pas être simplement récupérés sur le marché. "Il y a plusieurs facteurs interdépendants à l'œuvre. Premièrement, nous avons des exigences élevées en matière de performances et de fiabilité. Deuxièmement, les exigences spatiales sont très strictes. Troisièmement, nous sommes confrontés à des contraintes thermiques difficiles, car le film de polypropylène dans un condensateur ne peut supporter que des températures allant jusqu'à autour de 105 ° C. Ce problème est aggravé par l'interaction de l'activité électromagnétique et thermique dans tout l'onduleur. Et enfin, le condensateur est relativement cher », a déclaré Kessler.

Pour relever les défis de conception d'un condensateur de liaison CC, Kessler a développé un processus qui combine des tests expérimentaux avec une simulation multiphysique. Comme exemple de la raison pour laquelle l'analyse basée sur la simulation est une partie nécessaire de son travail, il cite la difficulté de trouver et de mesurer les points chauds potentiels, où une chaleur élevée et des effets couplés peuvent provoquer des défaillances. "Nous essayons de localiser les points chauds en plaçant de nombreux thermocouples à l'intérieur des prototypes et en mesurant les températures à divers points de charge", a déclaré Kessler.

"Un simple modèle 2D d'un condensateur est également insuffisant", a déclaré Kessler. "L'onduleur est un système distribué avec des résonances internes et une distribution de pertes complexe. Notre analyse couplée EM et thermique doit tenir compte des effets de peau et des effets de proximité. Nous ne pouvons pas calculer une valeur absolue pour les températures de pointe sans une approche par éléments finis 3D, qui permet également nous permet de modéliser la distribution spatiale des effets électromagnétiques et thermiques couplés. C'est une tâche idéale pour le logiciel COMSOL Multiphysics® », a-t-il ajouté. (Figures 3, 4, 5)

Le processus de conception de Kessler valide les modèles de simulation par rapport aux résultats mesurés, dans la mesure du possible, puis utilise les modèles validés pour identifier les problèmes potentiels. "En nous aidant à localiser les points chauds dans le modèle, la simulation nous aide à éviter les problèmes qui seraient apparus tard dans le processus de développement, ou même après le début de la production", a-t-il déclaré. "Au lieu de cela, nous pouvons obtenir des résultats spécifiques et faire des ajustements tôt dans le processus."

"Nous effectuons la modélisation EM et la validation de chaque nouvelle conception. Nous comparons la courbe de résistance série équivalente (ESR) calculée avec la courbe ESR mesurée à partir d'un prototype (Figure 6). Si ces courbes sont alignées, nous pouvons définir des conditions aux limites pour calculs de chaleur stationnaire et transitoire », a déclaré Kessler. "Nous pouvons comparer les courbes de température de nos thermocouples avec les résultats des sondes du modèle COMSOL Multiphysics®. S'ils concordent, nous pouvons alors simuler tous les points critiques où nous devons maintenir les températures dans les limites." Les données des courbes sont introduites dans le logiciel COMSOL Multiphysics® via le produit d'interfaçage LiveLink™ for MATLAB®.

"Avant de pouvoir faire cela, nous devons réfléchir aux facteurs à intégrer dans le modèle. Certaines des variables que nous recevons de l'OEM, telles que la tension de liaison CC maximale, ne sont pas très pertinentes pour notre simulation", a déclaré Kessler. "Mais le courant, la fréquence de commutation, les valeurs de la machine électronique et les schémas de modulation aident tous à définir un spectre de courant. Nous devons calculer le spectre de courant pour les trois phases de notre sortie pour établir les pertes de puissance. Une fois que nous avons cela, nous pouvons faire l'analyse harmonique avec COMSOL Multiphysics® pour les fréquences du spectre actuel. Ensuite, nous additionnons nos pertes pour chaque harmonique."

Les résultats de leurs analyses peuvent alors conduire à des modifications de conception. Kessler a expliqué que chaque nouvelle conception de condensateur subit généralement trois séries de tests. "Avec la simulation, le gradient de la courbe d'amélioration est beaucoup plus raide d'une phase à l'autre. Nos connaissances se développent rapidement, et cela se reflète dans le produit final." La dernière génération d'onduleurs Bosch promet une autonomie supérieure de 6 % et une augmentation de 200 % de la densité de puissance par rapport aux conceptions précédentes.

Alors que les constructeurs automobiles convertissent davantage de leurs gammes de produits à la propulsion électrique, Kessler pense que le besoin d'une R&D rapide et soucieuse des coûts augmentera également. "La mobilité électrique est en train de se développer. Nous nous attendons à ce que les équipementiers viennent à nous avec des besoins plus variés, pour des onduleurs dans différentes classes de puissance et qui répondent à des contraintes spatiales plus strictes", a déclaré Kessler. "Je pense que le nombre de produits nécessitant de nouvelles conceptions de condensateurs continuera d'augmenter. Grâce à nos méthodes de développement basées sur la simulation, nous sommes convaincus que nous pourrons suivre cette croissance", a-t-il ajouté.

MATLAB est une marque déposée de The MathWorks, Inc.

Cet article a été rédigé par Alan Petrillo, rédacteur de contenu, COMSOL (Burlington, MA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2022 de Tech Briefs Magazine.

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