シミュレーションで電動化の未来に向けて自動車分野を強化する

世界中の脱炭素化目標により、電気自動車の導入が増加しています。 電気自動車の販売が急増しているため、最も成功しているメーカーでも状況の変化に適応する必要があります。 ドイツの自動車セクターは、世界の自動車セクターと同様に、エレクトリッシェ自動車の開発によってそれを実現しています。 電気自動車は、シュトゥットガルトに設立された大手自動車会社ロバート ボッシュの重要な焦点です。 現在、ボッシュは電動パワートレイン、システム、コンポーネントを世界中の自動車メーカーに供給しています。

自動車業界が電動化の未来に向けて急ぐ中、ボッシュは電動ドライブトレインの重要な構成要素の研究開発を加速しています。 これらのコンポーネントの 1 つはインバーターで、車のバッテリーからの DC 電流を AC 電流に変換して駆動モーターに電力を供給します。 スムーズな電流の流れを提供するインバーターの能力は、内蔵の DC リンク コンデンサーに依存します。 「コンデンサはインバータの最も高価な部品の 1 つです。その性能は、ドライブトレインの動作の基礎となるインバータの性能と信頼性に直接影響します」とボッシュの自動車エレクトロニクス担当シニア エキスパート、マーティン ケスラー氏は説明します。 。

世界の自動車部門がその野心的な電動化目標を達成するには、インバーターとそのコンデンサーは継続的な改善と最適化を行う必要があります。 ケスラー氏と彼のチームは、マルチフィジックス シミュレーションを利用してボッシュの DC リンク コンデンサをテストおよび改良しています。 シミュレーション対応の予測分析は、新しい設計のライブ プロトタイピングを補完し、最適化します。 「テストだけで潜在的な問題を予測することはまったく不可能です。シミュレーションとプロトタイピングの両方を連携して行う必要があります」とケスラー氏は述べています。

完全な電気自動車を作るには、エンジンを電気モーターに置き換え、ガソリンタンクをバッテリーに置き換えるだけでは十分ではありません。 このような使い慣れたデバイスは、より大きなシステムの一部にすぎず、すべての車両が動作する必要がある常に変化する条件に適応することで、スムーズで信頼性の高いパフォーマンスを実現するのに役立ちます。

自動車のドライブトレインにおけるインバーターの役割は、概念としては単純ですが、実際には複雑です。 インバーターは、バッテリーから供給される DC でモーターの AC 需要を満たす必要がありますが、負荷、充電、温度、およびシステムの各部分の動作に影響を与える可能性のあるその他の要因の継続的な変動にも適応する必要があります。 これらすべては厳しいコストとスペースの制約内で行われなければならず、コンポーネントは今後何年にもわたってこのパフォーマンスを維持する必要があります (図 1)。

インバーターの機能を理解するには、三相 AC モーターが動作するために何が必要かを考えてください。 DC 電流に接続すると、モーターは回転しません。 代わりに、モーターの 3 つの部分からなるフィールド コイルがロータのセグメントを連続パターンで磁気的に引き付けることができるように、3 つの異なる、しかし相補的な波形を持つ交流を供給する必要があります。 「モーターの動作を制御するには、インバーターの電流出力の振幅と周波数を制御する必要があります」とケスラー氏は説明しました。 「モーターの速度は周波数に比例しますが、振幅はトルクを決定するのに役立ちます。」

「トランジスタを流れる望ましい電流波形は、比較的急な勾配を持っています。この高い勾配のスイッチモード電流を実現する唯一の方法は、ソース経路のインダクタンスを非常に低くすることです」と同氏は述べた。 インダクタンスは、電流の流れの変化に対抗する力です。 電流のあらゆるわずかな変化は、誘導された逆作用電圧によって制限され、目的の波形とモーターのスムーズな回転が妨げられます。

トランジスタのソース経路のインダクタンスを低減するために、バッテリからの入力リード線にコンデンサが並列に配置されます。これは、DC リンクと呼ばれます。 DC リンク コンデンサ (図 2) はトランジスタのすぐ近くに配置され、トランジスタに必要な電流波形を提供します。 コンデンサのインピーダンスが低いため、バッテリ側に残留するリップル電圧が最小限に抑えられます。

典型的なコンデンサは、絶縁ギャップによって分離された 2 つの電極で構成されます。絶縁ギャップは単に空気層またはある種の材料である場合があります。 このアプリケーションでは、ボッシュは金属化ポリプロピレンフィルムで作られたコンデンサを使用しています。 金属の薄いコーティング (電極を形成) がフィルムの各面にスプレーされ、必要な誘電体ギャップが形成されます。 次に、金属化フィルムをしっかりと巻き付けてキャニスター形状にします。 インバータ自体と同様に、コンデンサの概念的な単純さには、多面的な工学設計の問題が隠されています。

コンデンサは、数え切れないほどの電子機器に搭載されている広く入手可能なコンポーネントですが、市場から入手するだけでは不十分です。 「複数の相互依存要因が作用しています。第一に、性能と信頼性に対する高い要求があります。第二に、非常に厳しい空間要件があります。第三に、コンデンサ内のポリプロピレンフィルムは最高温度までしか耐えられないため、難しい熱的制約に直面しています。」 「温度は約 105 °C です。この問題は、インバータ全体にわたる電磁活動と熱活動の相互作用によってさらに悪化します。そして最後に、コンデンサは比較的高価です」とケスラー氏は述べています。

DC リンク コンデンサの設計課題に対処するために、ケスラーは実験的テストとマルチフィジックス シミュレーションを組み合わせたプロセスを開発しました。 シミュレーションベースの解析が彼の仕事に必要な理由の例として、彼は、高熱と複合効果が故障を引き起こす可能性がある潜在的なホットスポットを見つけて測定することの難しさを挙げています。 「私たちは、プロトタイプの内部に多数の熱電対を配置し、さまざまな負荷点で温度を測定することで、ホットスポットを特定しようとしています」とケスラー氏は述べています。

「コンデンサの単純な 2D モデルでも不十分です」とケスラー氏は言います。 「インバータは、内部共振と複雑な損失分布を持つ分散システムです。EM と熱を組み合わせた解析では、表皮効果と近接効果を考慮する必要があります。3D 有限要素アプローチなしでは、ピーク温度の絶対値を計算することはできません。これにより、 「これは、COMSOL Multiphysics® ソフトウェアにとって理想的なタスクです。」と彼は付け加えました。 (図3、4、5)

Kessler の設計プロセスでは、可能な場合は測定結果に対してシミュレーション モデルを検証し、検証されたモデルを使用して潜在的な問題を特定します。 「シミュレーションは、モデル内のホットスポットを特定するのに役立ち、開発プロセスの後半、または生産が開始された後でも発生する可能性のある問題を回避するのに役立ちます。」と彼は言いました。 「代わりに、具体的な結果を得ることができ、プロセスの早い段階で調整を行うことができます。」

「私たちはすべての新しい設計の EM​​ モデリングと検証を実行します。計算された等価直列抵抗 (ESR) 曲線とプロトタイプから測定された ESR 曲線を比較します (図 6)。これらの曲線が一致していれば、境界条件を設定できます。定常熱と過渡熱の計算です」とケスラー氏は語った。 「熱電対からの温度曲線を COMSOL Multiphysics® モデルのプローブの結果と比較できます。それらが一致する場合、温度を制限内に維持する必要があるすべての重要な点をシミュレーションできます。」 曲線データは、LiveLink™ for MATLAB® インターフェイス製品を介して COMSOL Multiphysics® ソフトウェアに入力されます。

「これを行う前に、どの要素をモデルに組み込むべきかを考える必要があります。最大 DC リンク電圧など、OEM から受け取る変数の一部は、シミュレーションにはあまり関係ありません」とケスラー氏は述べています。 「しかし、電流、スイッチング周波数、電気機械の値、および変調方式はすべて、電流スペクトルを定義するのに役立ちます。電力損失を確立するには、出力の 3 相すべての電流スペクトルを計算する必要があります。これが得られたら、次のことが可能になります。」現在のスペクトルの周波数について COMSOL Multiphysics® を使用して高調波解析を行い、次に各高調波の損失を合計します。」

分析から得られた結果は、設計変更につながる可能性があります。 ケスラー氏は、新しいコンデンサの設計には通常 3 回のテストが行​​われると説明しました。 「シミュレーションを使用すると、あるフェーズから次のフェーズへの改善曲線の勾配がはるかに急になります。私たちの知識は急速に増大し、それが最終製品に反映されます。」 最新世代のボッシュ インバーターは、以前の設計と比較して航続距離が 6% 向上し、電力密度が 200% 向上することが約束されています。

自動車メーカーがより多くの製品ラインを電気推進に転換するにつれ、迅速でコストを意識した研究開発の必要性も高まるだろうとケスラー氏は考えている。 「電気モビリティは現在成長しています。OEMメーカーは、さまざまな電力クラスのインバータや、より厳しい空間的制約を満たす、より多様なニーズを持って当社にやってくると予想しています」とケスラー氏は述べています。 「新しいコンデンサ設計を必要とする製品の数は今後も拡大し続けると思います。当社のシミュレーション主導の開発手法により、この成長に追いつくことができると確信しています。」と同氏は付け加えた。

MATLAB は The MathWorks, Inc. の登録商標です。

この記事は、COMSOL (マサチューセッツ州バーリントン) のコンテンツ ライターである Alan Petrillo によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2022 年 6 月号に初めて掲載されました。

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