Движение автомобильного сектора к электрифицированному будущему с помощью моделирования

Цели декарбонизации во всем мире ведут к более широкому распространению электромобилей. В условиях стремительного роста продаж электромобилей даже самым успешным производителям приходится адаптироваться к меняющимся условиям. Немецкий автомобильный сектор, как и его мировые коллеги, делает это, развивая электрические автомобили. Электромобили являются важным направлением деятельности Robert Bosch — ведущей автомобильной компании, основанной в Штутгарте. Сегодня Bosch поставляет электрические силовые агрегаты, системы и компоненты автопроизводителям по всему миру.

По мере того, как автомобильная промышленность движется к электрифицированному будущему, Bosch ускоряет свои исследования и разработки основных строительных блоков электрических трансмиссий. Одним из таких компонентов является инвертор, который преобразует постоянный ток аккумуляторов автомобиля в переменный ток для питания приводного двигателя. Способность инвертора обеспечивать плавное протекание тока зависит от встроенного в него конденсатора звена постоянного тока. «Конденсатор — один из самых дорогих компонентов инвертора. Его производительность напрямую влияет на производительность и надежность инвертора, что имеет основополагающее значение для работы трансмиссии», — пояснил Мартин Кесслер, старший эксперт Bosch по автомобильной электронике. .

Чтобы мировой автомобильный сектор смог достичь своих амбициозных целей по электрификации, инверторы и их конденсаторы должны постоянно совершенствоваться и оптимизироваться. Кесслер и его команда полагаются на мультифизическое моделирование при тестировании и доработке конденсаторов звена постоянного тока Bosch. Их прогнозный анализ с использованием моделирования дополняет и оптимизирует живое прототипирование новых проектов. «Просто невозможно предсказать потенциальные проблемы только с помощью тестирования; нам нужно, чтобы моделирование и прототипирование работали рука об руку», — сказал Кесслер.

Чтобы сделать полностью электрический автомобиль, недостаточно заменить двигатель электромотором, а бензобак аккумулятором. Такие знакомые устройства являются лишь частью более крупной системы, которая помогает обеспечить бесперебойную и надежную работу за счет адаптации к постоянно меняющимся условиям, в которых приходится работать каждому транспортному средству.

Роль инвертора в автомобильной трансмиссии проста в теории, но сложна на практике. Инвертор должен удовлетворять потребности двигателя в переменном токе с помощью постоянного тока, обеспечиваемого аккумулятором, но он также должен приспосабливаться к постоянным колебаниям нагрузки, заряда, температуры и других факторов, которые могут повлиять на поведение каждой части системы. Все это должно происходить в рамках жестких финансовых и пространственных ограничений, и компонент должен поддерживать эту производительность в течение многих последующих лет (рис. 1).

Чтобы понять функцию инвертора, подумайте, что нужно трехфазному двигателю переменного тока для работы. При подключении к постоянному току двигатель просто не будет вращаться. Вместо этого он должен быть снабжен переменным током с тремя различными, но взаимодополняющими формами сигналов, позволяющими трехчастной катушке возбуждения двигателя последовательно притягивать сегменты ротора. «Чтобы контролировать работу двигателя, мы должны контролировать амплитуду и частоту выходного тока инвертора», — объяснил Кесслер. «Скорость двигателя пропорциональна частоте, а амплитуда помогает определить его крутящий момент».

«Желаемая форма тока тока через транзисторы имеет относительно крутой градиент. Единственный способ добиться тока переключения с таким высоким градиентом — это иметь очень низкую индуктивность на пути истока», — сказал он. Индуктивность — это сила, противодействующая изменениям тока. Каждое незначительное изменение тока будет ограничено индуцированным противодействующим напряжением, которое нарушит желаемую форму сигнала и плавное вращение двигателя.

Чтобы уменьшить индуктивность в истоковой цепи транзисторов, параллельно входному проводу батареи подключается конденсатор, который называется звеном постоянного тока. Конденсатор звена постоянного тока (рис. 2) расположен в непосредственной близости от транзисторов и обеспечивает требуемую форму тока через транзисторы. Низкое сопротивление конденсатора сводит к минимуму любые остаточные пульсации напряжения на стороне батареи.