Impulsando el sector automotriz hacia un futuro electrificado con simulación

Los objetivos de descarbonización en todo el mundo están conduciendo a una mayor adopción de vehículos eléctricos. Con el aumento vertiginoso de las ventas de automóviles eléctricos, incluso los fabricantes más exitosos deben adaptarse a las condiciones cambiantes. El sector automotriz alemán, junto con sus contrapartes globales, lo está haciendo mediante el desarrollo de automóviles eléctricos. Los automóviles eléctricos son un enfoque importante de Robert Bosch, una empresa automotriz líder fundada en Stuttgart. En la actualidad, Bosch suministra motores, sistemas y componentes eléctricos a fabricantes de automóviles de todo el mundo.

A medida que la industria automotriz avanza hacia un futuro electrificado, Bosch está acelerando su I+D en los componentes esenciales de las transmisiones eléctricas. Uno de estos componentes es el inversor, que cambia la corriente continua de las baterías del automóvil en corriente alterna para alimentar su motor de accionamiento. La capacidad del inversor para proporcionar un flujo uniforme de corriente depende de su capacitor de enlace de CC integral. "El capacitor es uno de los componentes más costosos del inversor. Su rendimiento tiene un impacto directo en el rendimiento y la confiabilidad del inversor, que es fundamental para el funcionamiento del tren motriz", explicó Martin Kessler, experto senior en electrónica automotriz de Bosch. .

Para que el sector automotriz global cumpla con sus ambiciosos objetivos de electrificación, los inversores y sus capacitores deben someterse a una mejora y optimización continuas. Kessler y su equipo confían en la simulación multifísica para probar y perfeccionar los condensadores de enlace de CC de Bosch. Su análisis predictivo habilitado para simulación complementa y optimiza la creación de prototipos en vivo de nuevos diseños. "Simplemente no es posible predecir problemas potenciales solo con las pruebas; necesitamos que tanto la simulación como la creación de prototipos trabajen de la mano", dijo Kessler.

Para hacer un coche totalmente eléctrico no basta con sustituir el motor por un motor eléctrico y el depósito de gasolina por una batería. Dichos dispositivos familiares son solo partes de un sistema más grande, que ayuda a brindar un rendimiento uniforme y confiable al ajustarse a las condiciones en constante variación en las que debe operar cada vehículo.

El papel del inversor en el tren motriz de un automóvil es simple en concepto, pero complejo en la práctica. El inversor debe satisfacer las demandas de CA del motor con la CC proporcionada por la batería, pero también debe ajustarse a las constantes fluctuaciones de carga, carga, temperatura y otros factores que pueden afectar el comportamiento de cada parte del sistema. Todo esto debe ocurrir dentro de las estrictas limitaciones de costo y espacio, y el componente debe mantener este desempeño en los años venideros (Figura 1).

Para comprender la función del inversor, considere lo que necesita un motor de CA trifásico para funcionar. Si está conectado a corriente continua, el motor simplemente no girará. En cambio, debe recibir corriente alterna con tres formas de onda distintas pero complementarias, lo que permite que la bobina de campo de tres partes del motor atraiga magnéticamente los segmentos de su rotor en un patrón secuencial. "Para controlar la actividad del motor, debemos controlar la amplitud y la frecuencia de la salida de corriente del inversor", explicó Kessler. "La velocidad del motor es proporcional a la frecuencia, mientras que la amplitud ayuda a determinar su par".

"La forma de onda de corriente deseada a través de los transistores tiene un gradiente relativamente pronunciado. La única forma de lograr una corriente de modo de conmutación con este gradiente alto es tener una inductancia muy baja en la ruta de la fuente", dijo. La inductancia es la fuerza que se opone a los cambios en el flujo de corriente. Cada pequeño cambio en la corriente estará limitado por un voltaje inducido que contrarrestará, lo que interrumpirá la forma de onda deseada y la rotación suave del motor.

Para reducir la inductancia en la ruta de la fuente de los transistores, se coloca un capacitor en paralelo a través del cable de entrada de la batería, que se denomina enlace de CC. El capacitor de enlace de CC (Figura 2) se coloca en las proximidades de los transistores y proporciona las formas de onda de corriente deseadas a través de los transistores. La baja impedancia del capacitor minimiza cualquier voltaje de ondulación restante en el lado de la batería.

Un capacitor típico consta de dos electrodos separados por un espacio aislante, que puede ser simplemente un espacio de aire o algún tipo de material. En esta aplicación, Bosch utiliza condensadores fabricados con película de polipropileno metalizado. Se rocía una fina capa de metal (que forma los electrodos) a cada lado de la película, lo que proporciona el espacio dieléctrico necesario. Luego, la película metalizada se enrolla apretadamente en forma de bote. Al igual que con el propio inversor, la simplicidad conceptual del condensador oculta un problema de diseño de ingeniería multifacético.

Los condensadores son componentes ampliamente disponibles que se instalan en innumerables dispositivos electrónicos, pero no se pueden recoger del mercado. "Hay múltiples factores interdependientes en el trabajo. Primero, tenemos altas demandas de rendimiento y confiabilidad. Segundo, existen requisitos espaciales muy estrictos. Tercero, enfrentamos restricciones térmicas difíciles, ya que la película de polipropileno en un capacitor solo puede soportar temperaturas de hasta alrededor de 105 ° C. Este problema se ve agravado por la interacción de la actividad electromagnética y térmica en todo el inversor. Y, finalmente, el condensador es relativamente caro ", dijo Kessler.

Para enfrentar los desafíos de diseño de un capacitor de enlace de CC, Kessler desarrolló un proceso que combina pruebas experimentales con simulación multifísica. Como ejemplo de por qué el análisis basado en simulación es una parte necesaria de su trabajo, cita la dificultad de encontrar y medir puntos calientes potenciales, donde las altas temperaturas y los efectos combinados pueden causar fallas. "Tratamos de ubicar puntos calientes colocando muchos termopares dentro de prototipos y midiendo temperaturas en varios puntos de carga", dijo Kessler.

"Un modelo 2D simple de un capacitor también es insuficiente", dijo Kessler. "El inversor es un sistema distribuido con resonancias internas y una distribución de pérdidas compleja. Nuestro análisis EM y térmico acoplado debe tener en cuenta los efectos superficiales y los efectos de proximidad. No podemos calcular un valor absoluto para las temperaturas máximas sin un enfoque de elementos finitos 3D, que también permite modelar la distribución espacial de los efectos térmicos y electromagnéticos acoplados. Esta es una tarea ideal para el software COMSOL Multiphysics®", agregó. (Figuras 3, 4, 5)

El proceso de diseño de Kessler valida los modelos de simulación con los resultados medidos, cuando es posible, y luego usa los modelos validados para identificar problemas potenciales. "Al ayudarnos a ubicar puntos calientes en el modelo, la simulación nos ayuda a evitar problemas que habrían aparecido tarde en el proceso de desarrollo, o incluso después de que la producción hubiera comenzado", dijo. "En cambio, podemos obtener resultados específicos y hacer ajustes al principio del proceso".

"Realizamos el modelado EM y la validación de cada nuevo diseño. Comparamos la curva de resistencia en serie equivalente (ESR) calculada con la curva ESR medida a partir de un prototipo (Figura 6). Si estas curvas están alineadas, podemos establecer condiciones límite para cálculos de calor estacionario y transitorio", dijo Kessler. "Podemos comparar las curvas de temperatura de nuestros termopares con los resultados de las sondas en el modelo COMSOL Multiphysics®. Si coinciden, podemos simular todos los puntos críticos en los que debemos mantener las temperaturas dentro de los límites". Los datos de la curva se introducen en el software COMSOL Multiphysics® a través del producto de interfaz LiveLink ™ para MATLAB®.

"Antes de que podamos hacer esto, debemos pensar qué factores deben incorporarse en el modelo. Algunas de las variables que recibimos del OEM, como el voltaje máximo del enlace de CC, no son muy relevantes para nuestra simulación", dijo Kessler. "Pero la corriente, la frecuencia de conmutación, los valores de la máquina electrónica y los esquemas de modulación ayudan a definir un espectro de corriente. Necesitamos calcular el espectro de corriente para las tres fases de nuestra salida para establecer las pérdidas de energía. Una vez que tengamos esto, podemos hacer el análisis armónico con COMSOL Multiphysics® para las frecuencias del espectro actual. Luego sumamos nuestras pérdidas para cada armónico".

Los hallazgos de sus análisis pueden conducir a cambios de diseño. Kessler explicó que cada nuevo diseño de condensador normalmente se somete a tres rondas de pruebas. "Con la simulación, el gradiente de la curva de mejora es mucho más pronunciado de una fase a la siguiente. Nuestro conocimiento crece rápidamente y esto se refleja en el producto final". La última generación de inversores de Bosch promete un alcance un 6 % mayor y un aumento del 200 % en la densidad de potencia en comparación con los diseños anteriores.

A medida que los fabricantes de automóviles conviertan más de sus líneas de productos a la propulsión eléctrica, Kessler cree que también aumentará la necesidad de una I+D rápida y consciente de los costes. "La movilidad eléctrica está creciendo ahora. Esperamos que los fabricantes de equipos originales acudan a nosotros con necesidades más variadas, para inversores en diferentes clases de potencia y que cumplan con las limitaciones de espacio más estrictas", dijo Kessler. "Creo que la cantidad de productos que requieren nuevos diseños de capacitores seguirá aumentando. Con nuestros métodos de desarrollo basados ​​en simulación, confiamos en que podemos seguir el ritmo de este crecimiento", agregó.

MATLAB es una marca registrada de The MathWorks, Inc.

Este artículo fue escrito por Alan Petrillo, escritor de contenido, COMSOL (Burlington, MA). Para más información visita aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2022 de la revista Tech Briefs.

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