تصمم Bosch مكونات السيارة الكهربائية بمحاكاة

بينما تتسابق صناعة السيارات نحو مستقبل كهربائي ، تعمل Bosch على تسريع البحث والتطوير الخاص بها في اللبنات الأساسية لمحركات الدفع الكهربائية. أحد هذه المكونات هو العاكس ، الذي يغير التيار المباشر (DC) من بطاريات السيارة إلى التيار المتردد (AC) لتشغيل محرك الدفع (الشكل 1). تعتمد قدرة العاكس على توفير تدفق سلس للتيار على مكثف وصلة DC المتكامل (الشكل 2). المكثف هو أحد أغلى مكونات العاكس. ويوضح مارتن كيسلر ، كبير خبراء بوش في إلكترونيات السيارات ، أن أداءه له تأثير مباشر على أداء وموثوقية العاكس ، وهو أمر أساسي لتشغيل مجموعة نقل الحركة.

لكي يفي قطاع السيارات العالمي بأهدافه الطموحة في مجال الكهرباء ، يجب أن تخضع المحولات ومكثفاتها للتحسين والتحسين المستمر. يعتمد مارتن كيسلر وفريقه على محاكاة الفيزياء المتعددة لاختبار مكثفات وصلة بوش DC وتحسينها. يكمل التحليل التنبئي الممكّن من المحاكاة ويحسن النماذج الأولية الحية للتصميمات الجديدة. ببساطة لا يمكن التنبؤ بالمشاكل المحتملة من خلال الاختبار وحده ؛ نحن بحاجة إلى عمل كل من المحاكاة والنماذج الأولية جنبًا إلى جنب “، كما يقول كيسلر.

العصر الناشئ للسيارات الكهربائية

“السائقون ، ابدأوا محركاتكم!” كما لو كان يستجيب للدعوة لبدء سباق عالمي ، يبدأ الناس في كل مكان أيامهم بإطلاق محرك IC الهادر. لكن هذا الصوت المألوف قد يبدو مشؤومًا ، خاصة وأن التأثير البيئي لانبعاثات المركبات يصبح أكثر وضوحًا. لتقليل هذه الانبعاثات ومساهمتها في تغير المناخ العالمي ، تعمل صناعة السيارات على تكثيف إنتاج السيارات والشاحنات التي تعمل بالطاقة الكهربائية. العديد من السيارات الكهربائية المتاحة اليوم لها أسماء تجارية مألوفة ، ولكن تحت الغطاء ، غالبًا ما تعتمد هذه السيارات على تكنولوجيا وخبرات الموردين الخارجيين.

وتجدر الإشارة إلى مدى أهمية هذا التحول في صناعة عالمية كبرى. تعد شركات صناعة السيارات الرائدة من أكبر أرباب العمل في العالم ، وتخصص نسبة كبيرة من عمالهم ، والبحث والتطوير ، والقدرة الإنتاجية لإنتاج محركات IC. يمكن العثور على مركزية الاحتراق الداخلي لهذه الشركات في أسمائها ، من جنرال موتورز إلى Bayerische Motoren Werke (المعروفة باسم BMW). لماذا تلجأ الشركات المعروفة بمحركاتها إلى الغرباء لجعل سياراتهم تعمل؟ ربما يرجع السبب في ذلك ، إلى حد ما ، إلى أن الكهرباء تجبر الصناعة على تعلم كيفية إنتاج نوع مختلف تمامًا من الآلات.

تشريح محرك كهربائي

لتصنيع سيارة كهربائية بالكامل ، لا يكفي استبدال المحرك بمحرك كهربائي وخزان الغاز ببطارية. هذه الأجهزة المألوفة ليست سوى أجزاء من نظام أكبر ، مما يساعد على تقديم أداء سلس وموثوق من خلال التكيف مع الظروف المتغيرة باستمرار التي يجب أن تعمل كل مركبة في ظلها (الشكل 3).

لا غنى عنه العاكس ، مكثف حاسمة

إن دور العاكس في محرك السيارة بسيط من حيث المفهوم ، ولكنه معقد من الناحية العملية. يجب أن يلبي العاكس متطلبات التيار المتردد للمحرك مع التيار المستمر الذي توفره البطارية ، ولكن يجب أيضًا أن يتكيف مع التقلبات المستمرة في الحمل والشحن ودرجة الحرارة والعوامل الأخرى التي يمكن أن تؤثر على سلوك كل جزء من النظام. يجب أن يحدث كل هذا ضمن قيود ضيقة من حيث التكلفة والمكان ، ويجب أن يحافظ المكون على هذا الأداء لسنوات قادمة.

لفهم وظيفة العاكس ، ضع في اعتبارك ما يحتاجه محرك التيار المتردد ثلاثي الأطوار لكي يعمل. إذا تم توصيله بـ DC ، فلن يدور المحرك ببساطة. بدلاً من ذلك ، يجب تزويده بتيار متناوب بثلاثة أشكال موجية متميزة ولكنها متكاملة ، مما يتيح لفائف المجال المكونة من ثلاثة أجزاء للمحرك جذب أجزاء الجزء المتحرك مغناطيسيًا في نمط متسلسل. يوضح كيسلر: “للتحكم في نشاط المحرك ، يجب علينا التحكم في سعة وتردد خرج تيار العاكس”. “سرعة المحرك تتناسب مع التردد ، بينما السعة تساعد في تحديد عزم الدوران.”

الشكل الموجي المطلوب من خلال الترانزستورات له تدرج حاد نسبيًا. الطريقة الوحيدة لتحقيق تيار وضع التبديل مع هذا التدرج العالي هو الحصول على محاثة منخفضة جدًا في مسار المصدر ، “يقول كيسلر. الحث هو القوة الخاصة التي تعارض التغيرات في التدفق الحالي. سيكون كل تغيير طفيف في التيار مقيدًا بجهد معاكس مستحث ، والذي سيعطل الشكل الموجي المطلوب – والدوران السلس للمحرك.

لتقليل المحاثة في مسار المصدر للترانزستورات ، يتم وضع مكثف بالتوازي عبر سلك الإدخال من البطارية ، وهو ما يسمى ارتباط التيار المستمر. يتم وضع مكثف ارتباط التيار المستمر (الشكل 5) على مقربة مباشرة من الترانزستورات ويوفر أشكال الموجة الحالية المطلوبة من خلال الترانزستورات. تقلل الممانعة المنخفضة للمكثف أي جهد تموج متبقي على جانب البطارية.

يتكون المكثف النموذجي من قطبين مفصولين بفجوة عازلة ، والتي قد تكون ببساطة مجالًا جويًا أو نوعًا من المواد. في هذا التطبيق ، تستخدم Bosch المكثفات المصنوعة من فيلم البولي بروبيلين الممعدن. يتم رش طبقة رقيقة من المعدن (تشكيل الأقطاب الكهربائية) على كل جانب من جوانب الفيلم ، مما يوفر الفجوة العازلة اللازمة. ثم يتم لف الفيلم المعدني بإحكام في شكل علبة. كما هو الحال مع العاكس نفسه ، تخفي البساطة المفاهيمية للمكثف مشكلة تصميم هندسي متعددة الأوجه.

التحديات مع تصميم DC Link Capacitor لمحولات السيارة

المكثفات هي مكونات متوفرة على نطاق واسع يتم تثبيتها في عدد لا يحصى من الأجهزة الإلكترونية. على مدى السنوات السبع الماضية ، كان مارتن كيسلر مسؤولاً عن تصميم مكثف وصلة DC في Bosch. لقد عمل مع الشركة منذ عام 1989 وعمل في مجال تكنولوجيا السيارات الكهربائية منذ عام 2010. إن تكريس هذا المهندس المتمرس لهذا المكون الواحد يدل على أهميته – وتعقيده.

“لماذا لا يمكننا مجرد التقاط مكثف من السوق؟” يسأل كيسلر بلاغيا. هناك العديد من العوامل المترابطة في العمل. أولاً ، لدينا متطلبات عالية للأداء والموثوقية. ثانيًا ، هناك متطلبات مكانية ضيقة جدًا. ثالثًا ، نواجه قيودًا حرارية صعبة ، حيث أن فيلم البولي بروبلين الموجود في المكثف يمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى حوالي 105 درجة مئوية. تتفاقم هذه المشكلة بسبب تفاعل النشاط الكهرومغناطيسي والحراري في جميع أنحاء العاكس. وأخيرًا ، المكثف باهظ الثمن نسبيًا ، “يشرح كيسلر.

المحاكاة (ليس الحظ) تساعد في حل مشكلة الصندوق الأسود

لمواجهة تحديات تصميم مكثف ارتباط التيار المستمر ، طور كيسلر عملية تجمع بين الاختبار التجريبي ومحاكاة الفيزياء المتعددة. كمثال على سبب كون التحليل القائم على المحاكاة جزءًا ضروريًا من عمله ، يستشهد بصعوبة العثور على النقاط الساخنة المحتملة وقياسها ، حيث يمكن أن تسبب الحرارة العالية والتأثيرات المزدوجة الفشل. يقول كيسلر: “نحاول تحديد المواقع الساخنة عن طريق وضع الكثير من المزدوجات الحرارية داخل النماذج الأولية وقياس درجات الحرارة عند نقاط تحميل مختلفة”. لكن شعاري هو أنك لن تجد بقعة ساخنة كهذه بدون الكثير من الحظ! يجب أن تكون محظوظًا لوضع المزدوجات الحرارية في الموضع الصحيح “، يضحك.

يتابع كيسلر: “إن نموذجًا بسيطًا ثنائي الأبعاد للمكثف غير كافٍ أيضًا”. “العاكس هو نظام موزع مع صدى داخلي وتوزيع معقد للخسارة. يجب أن يأخذ تحليلنا EM المقترن والتحليل الحراري في الاعتبار تأثيرات الجلد وآثار القرب. لا يمكننا حساب القيمة المطلقة لدرجات حرارة الذروة بدون نهج العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد ، والتي تمكننا أيضًا من نمذجة التوزيع المكاني للتأثيرات الحرارية والتأثيرات الحرارية المقترنة. هذه مهمة مثالية لبرنامج COMSOL Multiphysics ، “يقول كيسلر. (الأشكال 6-7)

تتحقق عملية تصميم Kessler من صحة نماذج المحاكاة مقابل النتائج المقاسة ، حيثما أمكن ذلك ، ثم تستخدم النماذج التي تم التحقق من صحتها لتحديد المشكلات المحتملة (الشكل 8). يقول كيسلر: “من خلال مساعدتنا في تحديد النقاط الساخنة في النموذج ، تساعدنا المحاكاة على تجنب المشكلات التي كانت ستظهر في وقت متأخر من عملية التطوير ، أو حتى بعد بدء الإنتاج”. “بدلاً من ذلك ، يمكننا الحصول على نتائج محددة وإجراء تعديلات في وقت مبكر من العملية.”

“نقوم بعمل نمذجة EM والتحقق من صحة كل تصميم جديد. قارنا منحنى مقاومة السلسلة المكافئة المحسوبة (ESR) مع منحنى ESR كما تم قياسه من نموذج أولي (الشكل 9). إذا تمت محاذاة هذه المنحنيات ، فيمكننا إعداد شروط حدودية لحسابات الحرارة الثابتة والعابرة ، “كما يقول كيسلر. “يمكننا مقارنة منحنيات درجة الحرارة لمزدوجاتنا الحرارية مع نتائج المجسات في نموذج COMSOL Multiphysics. إذا كانت متطابقة ، يمكننا بعد ذلك محاكاة جميع النقاط الحرجة حيث يجب أن نحافظ على درجات الحرارة ضمن الحدود. ” يتم وضع بيانات المنحنى في برنامج COMSOL Multiphysics عبر LiveLink ل MATLAB واجهة المنتج.

يقول كيسلر: “قبل أن نتمكن من القيام بذلك ، علينا التفكير في العوامل التي يجب دمجها في النموذج”. “بعض المتغيرات التي نتلقاها من الشركة المصنعة للمعدات الأصلية ، مثل أقصى جهد لوصلة DC ، ليست ذات صلة كبيرة بمحاكاتنا” ، يتابع. لكن القيم الحالية وتردد التبديل وقيم الآلة الإلكترونية وخطط التعديل تساعد جميعها في تحديد الطيف الحالي. نحتاج إلى حساب الطيف الحالي لجميع المراحل الثلاث لإخراجنا من أجل تحديد خسائر الطاقة. بمجرد أن نحصل على هذا ، يمكننا إجراء التحليل التوافقي باستخدام COMSOL Multiphysics لترددات الطيف الحالي. ثم نلخص خسائرنا مقابل كل متناسق ، “يشرح كيسلر.

تشمل القيم المهمة الأخرى الشروط الحدودية ، والتي تساعد Kessler وفريقه على تحديد التأثيرات المزدوجة. يقول كيسلر: “نحسب الحث الطفيلي للمكثف باستخدام وحدة AC / DC”. نجد أيضًا التوزيع الكامل لفقدان التيار المتردد من خلال لفات المكثف أو قضيب التوصيل الداخلي. ثم يمكننا ربط النتائج وتحديد المقاومة التي تعتمد على درجة الحرارة لأجزاء الغطاء مع وحدة نقل الحرارة “، كما يقول. “هذا يمكننا من تحديد درجة حرارة النقطة الساخنة القصوى للعنصر الناتجة عن نشاط EM.”

يمكن أن تؤدي النتائج من تحليلاتهم بعد ذلك إلى تغييرات في التصميم. يوضح كيسلر أن كل تصميم مكثف جديد يخضع عادةً لثلاث جولات من الاختبار. “باستخدام المحاكاة ، يكون تدرج منحنى التحسين أكثر حدة من مرحلة إلى أخرى. تنمو معرفتنا بسرعة ، وينعكس ذلك في المنتج النهائي “. يعد أحدث جيل من محولات Bosch بنطاق أكبر بنسبة 6 بالمائة وزيادة بنسبة 200 بالمائة في كثافة الطاقة مقارنة بالتصميمات السابقة.

تتحول الكهربة إلى سرعة عالية

نظرًا لأن صانعي السيارات يحولون المزيد من خطوط إنتاجهم إلى الدفع الكهربائي ، يعتقد مارتن كيسلر أن الحاجة إلى البحث والتطوير السريع والمراعي للتكلفة ستزداد أيضًا. يقول: “التنقل الكهربائي يكبر الآن”. يقول كيسلر: “نتوقع أن يأتي المصنّعون الأصليون إلينا باحتياجات أكثر تنوعًا ، للمحولات في فئات طاقة مختلفة والتي تلبي قيودًا مكانية أكثر صرامة”. “أعتقد أن عدد المنتجات التي تتطلب تصميمات مكثفات جديدة سيستمر في التوسع. من خلال أساليب التطوير المعتمدة على المحاكاة ، نحن واثقون من قدرتنا على مواكبة هذا النمو “.

في السنوات القادمة ، ربما سيتوقف زوار متاحف السيارات في شتوتغارت عن الإعجاب بالمحركات والمحولات التاريخية التي دفعت الصناعة إلى عصر كهربائي جديد.

MATLAB هي علامة تجارية مسجلة لشركة The MathWorks، Inc.