188金宝搏优惠comsol新闻
多物理模拟：IEEE频谱插入
经理指南
博世为汽车部门提供了电气化的未来
向电动汽车的全球过渡正在从Robert Bosch等行业供应商那里得到提升，Robert Bosch为汽车制造商提供了电气组件和系统。Bosch团队通过模拟驱动的设计过程优化了三相逆变器及其DC链路电容器，这使他们能够在开发周期初期识别潜在的破坏性“热点”。
艾伦·佩特里洛（Alan Petrillo）
2021年12月
就像巴黎的游客被卢浮宫吸引一样，德国斯图加特的游客也涌向博物馆，展示了这座城市的伟大作品。斯图加特（Stuttgart）可能不会夸耀德加（Degas）或莫奈（Monet），但其突出的名字可能比巴黎画家更出名：梅赛德斯 - 本兹（Mercedes -Benz）和保时捷（Porsche）。这些标志性汽车制造商中的每一个都在他们称之为家的西南德国城市中维护着一个博物馆。他们的闪闪发光的画廊具有许多历史性和有影响力的汽车，几乎所有汽车都由石油燃料的内燃机（IC）发动机提供动力。展望未来，斯图加特可能会继续成为德国汽车行业的核心，但是IC发动机将仍然是汽车的核心？
即使是最成功的制造商也必须适应不断变化的条件。德国汽车行业及其全球同行正在通过开发Elektrische Autos。电动汽车是罗伯特·博世（Robert Bosch）的重要重点，罗伯特·博世（Robert Bosch）是一家在斯图加特（Stuttgart）成立的领先的汽车公司。如今，博世向全球汽车制造商提供电动动力总成，系统和组件。
随着汽车行业朝着电气化的未来发展，博世将其研发加速到电动传动系统的基本构件中。这些组件之一是逆变器，该逆变器将直接电流（DC）从汽车的电池更改为交替电流（AC）以供电其驱动电动机（图1）。逆变器提供平滑流动流的能力取决于其积分的直流链接电容器（图2）。“电容器是逆变器最昂贵的组件之一。它的性能直接影响了逆变器的性能和可靠性，这对于传动系统的运行至关重要。” Bosch汽车电子高级专家Martin Kessler解释说。
为了使全球汽车行业满足其雄心勃勃的电气化目标，逆变器及其电容器必须经过持续的改进和优化。马丁·凯斯勒（Martin Kessler）和他的团队依靠多物理模拟来测试和完善博世的DC链接电容器。他们启用模拟的预测分析补充并优化了新设计的实时原型制作。“根本不可能单独预测潜在的问题；我们需要仿真和原型工作，”凯斯勒说。
电动汽车的新兴时代
“司机，启动您的引擎！”好像听取了开始全球比赛的呼吁一样，各地的人们通过开发隆隆的IC引擎开始了他们的日子。但是，这种熟悉的声音似乎是不祥的，尤其是随着车辆排放的环境影响越来越明显。为了减少这些排放及其对全球气候变化的贡献，汽车行业正在加大电动汽车和卡车的生产。如今，许多可用的电动汽车都有熟悉的品牌名称，但是在引擎盖下，这些汽车通常依靠外部供应商的技术和专业知识。
值得注意的是，这对主要的全球行业有多大的转变。领先的汽车制造商是世界上一些最大的雇主，他们的工人中有很大一部分的研发和生产能力致力于生产IC发动机。从通用汽车到Bayerische Motoren Werke（众所周知的宝马），可以在其名称中找到内燃烧的中心地位。为什么以发动机闻名的公司转向局外人，使他们的汽车走开？也许是因为从某种意义上说，电气化迫使行业学习如何生产完全不同类型的机器。
电动传动系统的解剖
为了制造全电动汽车，不足以用电动机和电池箱代替发动机。这样熟悉的设备只是较大系统的一部分，它通过适应每辆车必须运行的不断变化的条件来帮助提供平稳，可靠的性能（图3）。
必不可少的逆变器，关键电容器
逆变器在汽车传动系统中的作用在概念上很简单，但实际上很复杂。逆变器必须通过电池提供的直流满足电动机的交流需求，但还必须适应可能影响系统各部分行为的负载，电荷，温度和其他因素的持续波动。所有这些都必须在成本和空间限制下发生，并且该组件必须在未来几年内维持这种表现。
要了解逆变器的功能，请考虑三相交流电动机为了操作所需的需求。如果连接到直流，电动机将根本不会旋转。取而代之的是，必须为其提供交替的电流，并带有三个不同但互补的波形，使电动机的三部分场线圈能够以顺序的模式磁磁吸引其转子的片段。凯斯勒解释说：“要控制电动机的活性，我们必须控制逆变器当前输出的幅度和频率。”“电动机的速度与频率成正比，而振幅有助于确定其扭矩。”
“通过晶体管的所需电流波形具有相对陡峭的梯度。用这种高梯度实现开关模式电流的唯一方法是在源路径中具有非常低的电感。”凯斯勒说。电感是当前流动中反对变化的特定力。电流的每一个轻微变化都会受到诱导的抵抗电压的限制，这将破坏所需的波形 - 电动机的平滑旋转。
为了降低晶体管源路径中的电感，电容器从电池中平行放置在电池中，这称为DC链路。直流链路电容器（图5）直接靠近晶体管，并通过晶体管提供所需的电流波形。电容器的低阻抗可最大程度地减少电池侧的任何剩余波纹电压。
典型的电容器由两个被绝缘间隙隔开的电极组成，这可能只是空域或某种材料。在此应用中，博世使用了用金属聚丙烯膜制成的电容器。在膜的每一侧喷洒了金属（形成电极）的薄涂层，这提供了必要的介电间隙。然后将金属化膜紧紧缠绕成罐形状。与逆变器本身一样，电容器的概念简单性掩盖了多方面的工程设计问题。
DC链接电容器设计的挑战用于车辆逆变器
电容器是广泛可用的组件，这些组件安装在无数的电子设备中。在过去的七年中，马丁·凯斯勒（Martin Kessler）负责博世（Bosch）的DC Link电容器设计。自1989年以来，他就一直在公司工作，自2010年以来一直从事电动汽车技术工作。这样一位经验丰富的工程师致力于这一组件表明其重要性及其复杂性。
“为什么我们不仅可以从市场上接一个电容器？”凯斯勒（Kessler）言辞地问。“工作中有多个相互依存的因素。首先，我们对性能和可靠性有很高的要求。其次，存在非常紧张的空间要求。第三，我们面临困难的热约束，因为电容器中的聚丙烯膜只能承受高达105°C的温度。在整个逆变器中电磁和热活动的相互作用使这个问题更加复杂。最后，电容器相对昂贵。”凯斯勒解释说。
模拟（不运气）有助于解决黑匣子问题
为了满足直流链路电容器的设计挑战，凯斯勒开发了一个将实验测试与多物理模拟结合的过程。作为为什么基于模拟的分析是他工作必要的一部分的一个例子，他引用了寻找和测量潜在热点的困难，在这种情况下，高热量和耦合效应可能会导致故障。凯斯勒说：“我们试图通过将许多热电偶放入原型中，并在各种负载点测量温度来定位热点。”“但是我的口头禅是，如果没有很多运气，您将永远找不到这样的热点！您将需要幸运地将热电偶放在正确的位置。”他笑着说。
凯斯勒继续说：“电容器的简单2D模型也不足。”“逆变器是具有内部共振和复杂损耗分布的分布式系统。我们的耦合EM和热分析必须说明皮肤效应和接近性效应。没有3D有限元方法，我们无法计算峰温度的绝对值，这也使我们能够对耦合EM和热效应的空间分布进行建模。这是Comsol多物理学的理想任务188金宝搏优惠®软件，”凯斯勒说。（图6-7）
凯斯勒（Kessler）的设计过程在可能的情况下验证了针对测量结果的模拟模型，然后使用经过验证的模型来查明潜在问题（图8）。凯斯勒说：“通过帮助我们在模型中找到热点，该模拟可以帮助我们避免在开发过程后期或生产开始后出现的问题。”“相反，我们可以在此过程的早期获得特定的结果并进行调整。”
“我们对每个新设计进行EM建模和验证。我们将计算出的等效串联电阻（ESR）曲线与从原型测量的ESR曲线进行比较（图9）。如果这些曲线对齐，我们可以为固定和瞬态加热计算设置边界条件。”凯斯勒说。“我们可以将热电偶的温度曲线与comsol多物理学中的探针的结果进行比较188金宝搏优惠®模型。如果它们匹配，我们就可以模拟所有关键点，必须将温度保持在极限之内。”曲线数据放入comsol多物理学中188金宝搏优惠®通过Livelink™软件为了MATLAB®接口产品。
凯斯勒说：“在做到这一点之前，我们必须考虑应将哪些因素纳入模型。”他继续说：“我们从OEM收到的一些变量，例如最大DC链路电压，与我们的模拟并不相关。”“但是电流，开关频率，电子机器值和调制方案都有助于定义当前频谱。我们需要计算输出所有三个阶段的当前频谱，以建立功率损失。一旦我们拥有了此功能，我们就需要可以使用comsol多物理学进行谐波分析188金宝搏优惠®对于当前光谱的频率。然后，我们总结了每个谐波的损失。”凯斯勒解释说。
其他重要值包括边界条件，这有助于凯斯勒和他的团队确定耦合效应。凯斯勒说：“我们使用AC/DC模块计算电容器的寄生电感。”他说：“我们还通过电容器绕组或内部母线找到了完整的交流损耗分布。然后，我们可以将结果搭配并确定覆盖部分的温度依赖性电阻率和传热模块。”“这使我们能够建立由EM活动引起的最大元素热点温度。”
然后，他们的分析结果可以导致设计更改。凯斯勒（Kessler）解释说，每个新电容器设计通常都经过三轮测试。“通过模拟，从一个相位到另一个相位的改进曲线梯度要陡峭得多。我们的知识迅速增长，这反映在最终产品中。”与以前的设计相比，最新一代的Bosch逆变器承诺将增加6％的范围和200％的功率密度。
电气化转移到高档
随着汽车制造商将更多的产品线转换为电推进，马丁·凯斯勒（Martin Kessler）认为，快速，意识的研发需求也将增加。他说：“电动流动性现在正在成长。”凯斯勒说：“我们预计，对于不同的电力类别的逆变器，OEM将会有更多不同的需求来到我们这里，这会符合更严格的空间限制。”“我确实认为需要新电容器设计的产品数量将不断扩展。通过我们的模拟驱动开发方法，我们相信我们可以跟上这一增长。”
在未来的几年中，斯图加特汽车博物馆的游客也许会停止欣赏历史悠久的电动机和逆变器，这些电动机和逆变器将行业推向新的电时代。
MATLAB是Mathworks，Inc。的注册商标。