Mit Simulation den Automobilsektor in eine elektrifizierte Zukunft treiben

Dekarbonisierungsziele auf der ganzen Welt führen zu einer zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Angesichts der rasant steigenden Verkaufszahlen von Elektroautos müssen sich selbst die erfolgreichsten Hersteller an veränderte Bedingungen anpassen. Der deutsche Automobilsektor und seine globalen Pendants tun dies durch die Entwicklung von Elektroautos. Elektroautos sind ein wichtiger Schwerpunkt von Robert Bosch – einem führenden Automobilunternehmen mit Sitz in Stuttgart. Heute liefert Bosch elektrische Antriebe, Systeme und Komponenten an Automobilhersteller weltweit.

Während die Automobilindustrie auf eine elektrifizierte Zukunft zusteuert, beschleunigt Bosch seine Forschung und Entwicklung im Bereich der wesentlichen Bausteine ​​elektrischer Antriebsstränge. Eine dieser Komponenten ist der Wechselrichter, der den Gleichstrom aus den Batterien des Autos in Wechselstrom umwandelt, um den Antriebsmotor anzutreiben. Die Fähigkeit des Wechselrichters, einen gleichmäßigen Stromfluss zu gewährleisten, hängt von seinem integrierten Zwischenkreiskondensator ab. „Der Kondensator ist eine der teuersten Komponenten des Wechselrichters. Seine Leistung hat direkten Einfluss auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Wechselrichters, die für den Betrieb des Antriebsstrangs von grundlegender Bedeutung sind“, erklärt Martin Kessler, Senior-Experte für Automobilelektronik bei Bosch .

Damit der globale Automobilsektor seine ehrgeizigen Elektrifizierungsziele erreichen kann, müssen Wechselrichter und ihre Kondensatoren kontinuierlich verbessert und optimiert werden. Kessler und sein Team setzen auf Multiphysik-Simulation, um die Zwischenkreiskondensatoren von Bosch zu testen und weiterzuentwickeln. Ihre simulationsgestützte prädiktive Analyse ergänzt und optimiert das Live-Prototyping neuer Designs. „Es ist einfach nicht möglich, potenzielle Probleme allein durch Tests vorherzusagen; wir müssen sowohl Simulation als auch Prototyping Hand in Hand arbeiten“, sagte Kessler.

Um ein vollelektrisches Auto zu bauen, reicht es nicht aus, den Motor durch einen Elektromotor und den Benzintank durch eine Batterie zu ersetzen. Solche vertrauten Geräte sind nur Teile eines größeren Systems, das zu einer reibungslosen und zuverlässigen Leistung beiträgt, indem es sich an die ständig wechselnden Bedingungen anpasst, unter denen jedes Fahrzeug betrieben werden muss.

Die Rolle des Wechselrichters in einem Automobilantriebsstrang ist im Konzept einfach, in der Praxis jedoch komplex. Der Wechselrichter muss den Wechselstrombedarf des Motors mit dem von der Batterie bereitgestellten Gleichstrom decken, muss sich aber auch an laufende Last-, Ladungs-, Temperaturschwankungen und andere Faktoren anpassen, die das Verhalten jedes Teils des Systems beeinflussen können. All dies muss innerhalb enger Kosten- und Platzbeschränkungen erfolgen, und die Komponente muss diese Leistung über Jahre hinweg aufrechterhalten (Abbildung 1).

Um die Funktion des Wechselrichters zu verstehen, überlegen Sie, was ein Drehstrommotor zum Betrieb benötigt. Bei Anschluss an Gleichstrom dreht sich der Motor einfach nicht. Stattdessen muss er mit Wechselstrom mit drei unterschiedlichen, aber komplementären Wellenformen versorgt werden, damit die dreiteilige Feldspule des Motors die Segmente seines Rotors in einem sequentiellen Muster magnetisch anziehen kann. „Um die Aktivität des Motors zu steuern, müssen wir die Amplitude und Frequenz des Stromausgangs des Wechselrichters steuern“, erklärte Kessler. „Die Drehzahl des Motors ist proportional zur Frequenz, während die Amplitude dabei hilft, sein Drehmoment zu bestimmen.“

„Die gewünschte Stromwellenform durch die Transistoren hat einen relativ steilen Gradienten. Die einzige Möglichkeit, einen Schaltstrom mit diesem hohen Gradienten zu erreichen, besteht darin, eine sehr niedrige Induktivität im Quellenpfad zu haben“, sagte er. Induktivität ist die Kraft, die Änderungen im Stromfluss entgegenwirkt. Jede geringfügige Stromänderung wird durch eine induzierte Gegenspannung begrenzt, die die gewünschte Wellenform stört – und die gleichmäßige Drehung des Motors.

Um die Induktivität im Source-Pfad der Transistoren zu verringern, wird ein Kondensator parallel zur Eingangsleitung der Batterie geschaltet, die als Gleichstromzwischenkreis bezeichnet wird. Der Zwischenkreiskondensator (Abbildung 2) wird in unmittelbarer Nähe der Transistoren platziert und sorgt für die gewünschten Stromwellenformen durch die Transistoren. Die niedrige Impedanz des Kondensators minimiert die verbleibende Restwelligkeitsspannung auf der Batterieseite.

Ein typischer Kondensator besteht aus zwei Elektroden, die durch einen Isolierspalt getrennt sind, bei dem es sich einfach um Luftraum oder ein anderes Material handeln kann. In dieser Anwendung verwendet Bosch Kondensatoren aus metallisierter Polypropylenfolie. Auf jede Seite des Films wird eine dünne Metallschicht (die die Elektroden bildet) aufgesprüht, die für den erforderlichen dielektrischen Spalt sorgt. Die metallisierte Folie wird dann eng in eine Kanisterform gewickelt. Wie beim Wechselrichter selbst birgt die konzeptionelle Einfachheit des Kondensators ein vielschichtiges technisches Designproblem.

Kondensatoren sind weit verbreitete Komponenten, die in unzähligen elektronischen Geräten verbaut sind, aber nicht einfach auf dem Markt erhältlich sind. „Da spielen mehrere Faktoren eine Rolle, die voneinander abhängig sind. Erstens haben wir hohe Ansprüche an Leistung und Zuverlässigkeit. Zweitens gibt es sehr enge räumliche Anforderungen. Drittens stehen wir vor schwierigen thermischen Einschränkungen, da die Polypropylenfolie in einem Kondensator nur Temperaturen von bis zu 10 °C aushält „Die Temperatur liegt bei etwa 105 °C. Dieses Problem wird durch die Wechselwirkung von elektromagnetischer und thermischer Aktivität im gesamten Wechselrichter verschärft. Und schließlich ist der Kondensator relativ teuer“, sagte Kessler.

Um den Designherausforderungen eines Zwischenkreiskondensators gerecht zu werden, hat Kessler einen Prozess entwickelt, der experimentelle Tests mit multiphysikalischer Simulation kombiniert. Als Beispiel dafür, warum die simulationsbasierte Analyse ein notwendiger Teil seiner Arbeit ist, nennt er die Schwierigkeit, potenzielle Hotspots zu finden und zu messen, an denen hohe Hitze und gekoppelte Effekte zu Ausfällen führen können. „Wir versuchen, Hotspots zu lokalisieren, indem wir viele Thermoelemente in Prototypen platzieren und die Temperaturen an verschiedenen Lastpunkten messen“, sagte Kessler.

„Auch ein einfaches 2D-Modell eines Kondensators reicht nicht aus“, sagte Kessler. „Der Wechselrichter ist ein verteiltes System mit internen Resonanzen und einer komplexen Verlustverteilung. Unsere gekoppelte EM- und Wärmeanalyse muss Skin-Effekte und Proximity-Effekte berücksichtigen. Ohne einen 3D-Finite-Elemente-Ansatz, der dies ebenfalls ermöglicht, können wir keinen absoluten Wert für Spitzentemperaturen berechnen.“ „Wir können die räumliche Verteilung gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Effekte modellieren. Dies ist eine ideale Aufgabe für die COMSOL Multiphysics®-Software“, fügte er hinzu. (Abbildungen 3, 4, 5)

Der Designprozess von Kessler validiert Simulationsmodelle nach Möglichkeit anhand gemessener Ergebnisse und verwendet die validierten Modelle dann, um potenzielle Probleme zu lokalisieren. „Indem sie uns hilft, Hotspots im Modell zu lokalisieren, hilft uns die Simulation, Probleme zu vermeiden, die erst spät im Entwicklungsprozess oder sogar nach Produktionsbeginn aufgetreten wären“, sagte er. „Stattdessen können wir frühzeitig konkrete Ergebnisse erzielen und Anpassungen vornehmen.“

„Wir führen EM-Modellierung und Validierung jedes neuen Designs durch. Wir vergleichen die berechnete ESR-Kurve (Equivalent Series Resistance) mit der ESR-Kurve, die an einem Prototyp gemessen wurde (Abbildung 6). Wenn diese Kurven übereinstimmen, können wir Randbedingungen dafür festlegen.“ stationäre und transiente Wärmeberechnungen“, sagte Kessler. „Wir können die Temperaturkurven unserer Thermoelemente mit den Ergebnissen von Sonden im COMSOL Multiphysics®-Modell vergleichen. Wenn sie übereinstimmen, können wir dann alle kritischen Punkte simulieren, an denen wir die Temperaturen in Grenzen halten müssen.“ Die Kurvendaten werden über das Schnittstellenprodukt LiveLink™ für MATLAB® in die COMSOL Multiphysics®-Software eingegeben.

„Bevor wir dies tun können, müssen wir darüber nachdenken, welche Faktoren in das Modell einfließen sollen. Einige der Variablen, die wir vom OEM erhalten, wie beispielsweise die maximale Zwischenkreisspannung, sind für unsere Simulation nicht sehr relevant“, sagte Kessler. „Aber der Strom, die Schaltfrequenz, die Werte der E-Maschine und die Modulationsschemata helfen alle dabei, ein Stromspektrum zu definieren. Wir müssen das Stromspektrum für alle drei Phasen unseres Ausgangs berechnen, um Leistungsverluste festzustellen. Sobald wir das haben, können wir es tun.“ die harmonische Analyse mit COMSOL Multiphysics® für die Frequenzen des aktuellen Spektrums. Anschließend summieren wir unsere Verluste für jede Harmonische.“

Erkenntnisse aus ihren Analysen können dann zu Designänderungen führen. Kessler erklärte, dass jedes neue Kondensatordesign normalerweise drei Testrunden durchläuft. „Mit der Simulation ist der Anstieg der Verbesserungskurve von Phase zu Phase viel steiler. Unser Wissen wächst schnell, und das spiegelt sich im Endprodukt wider.“ Die neueste Generation der Bosch-Wechselrichter verspricht eine um 6 Prozent höhere Reichweite und eine 200-prozentige Steigerung der Leistungsdichte im Vergleich zu Vorgängerkonstruktionen.

Kessler glaubt, dass mit der Umstellung immer mehr Produktlinien der Automobilhersteller auf Elektroantrieb auch der Bedarf an schneller, kostenbewusster Forschung und Entwicklung zunehmen wird. „Die Elektromobilität ist mittlerweile auf dem Vormarsch. Wir gehen davon aus, dass die OEMs mit vielfältigeren Bedürfnissen zu uns kommen werden, nach Wechselrichtern in unterschiedlichen Leistungsklassen und mit engeren Platzverhältnissen“, sagte Kessler. „Ich glaube, dass die Zahl der Produkte, die neue Kondensatordesigns erfordern, weiter zunehmen wird. Mit unseren simulationsgesteuerten Entwicklungsmethoden sind wir zuversichtlich, dass wir mit diesem Wachstum Schritt halten können“, fügte er hinzu.

MATLAB ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc.

Dieser Artikel wurde von Alan Petrillo, Content-Autor, COMSOL (Burlington, MA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2022 des Tech Briefs Magazine.

Weitere Artikel aus dieser Ausgabe finden Sie hier.

Weitere Artikel aus dem Archiv lesen Sie hier.

ABONNIEREN