Potenziare il settore automobilistico verso un futuro elettrificato con la simulazione

Gli obiettivi di decarbonizzazione in tutto il mondo stanno portando a una maggiore adozione di veicoli elettrici. Con l’impennata delle vendite di auto elettriche, anche i produttori di maggior successo devono adattarsi alle mutevoli condizioni. Il settore automobilistico tedesco, insieme ai suoi omologhi globali, lo sta facendo sviluppando auto elettriche. Le auto elettriche rappresentano un obiettivo importante di Robert Bosch, azienda leader nel settore automobilistico fondata a Stoccarda. Oggi Bosch fornisce propulsori, sistemi e componenti elettrici alle case automobilistiche di tutto il mondo.

Mentre l’industria automobilistica corre verso un futuro elettrificato, Bosch sta accelerando la propria ricerca e sviluppo sugli elementi costitutivi essenziali delle trasmissioni elettriche. Uno di questi componenti è l'inverter, che trasforma la corrente continua delle batterie dell'auto in corrente alternata per alimentare il motore di azionamento. La capacità dell'inverter di fornire un flusso di corrente regolare dipende dal condensatore del collegamento CC integrato. "Il condensatore è uno dei componenti più costosi dell'inverter. Le sue prestazioni hanno un impatto diretto sulle prestazioni e sull'affidabilità dell'inverter, che è fondamentale per il funzionamento della trasmissione", ha spiegato Martin Kessler, esperto senior di Bosch per l'elettronica automobilistica .

Affinché il settore automobilistico globale possa raggiungere i suoi ambiziosi obiettivi di elettrificazione, gli inverter e i relativi condensatori devono essere sottoposti a continui miglioramenti e ottimizzazioni. Kessler e il suo team si affidano alla simulazione multifisica per testare e perfezionare i condensatori del collegamento CC di Bosch. La loro analisi predittiva abilitata alla simulazione integra e ottimizza la prototipazione in tempo reale di nuovi progetti. "Semplicemente non è possibile prevedere potenziali problemi con i soli test; abbiamo bisogno che sia la simulazione che la prototipazione lavorino mano nella mano", ha affermato Kessler.

Per realizzare un’auto completamente elettrica non è sufficiente sostituire il motore con un motore elettrico e il serbatoio del gas con una batteria. Tali dispositivi familiari sono solo parti di un sistema più ampio, che aiuta a fornire prestazioni fluide e affidabili adattandosi alle condizioni costantemente variabili in cui ogni veicolo deve operare.

Il ruolo dell'inverter in una trasmissione automobilistica è semplice concettualmente, ma complesso nella pratica. L'inverter deve soddisfare le richieste di corrente alternata del motore con la corrente continua fornita dalla batteria, ma deve anche adattarsi alle fluttuazioni continue di carico, carica, temperatura e altri fattori che possono influenzare il comportamento di ciascuna parte del sistema. Tutto ciò deve avvenire entro limiti ristretti di costi e di spazio, e il componente deve sostenere queste prestazioni negli anni a venire (Figura 1).

Per comprendere il funzionamento dell'inverter, considerare ciò di cui ha bisogno un motore CA trifase per funzionare. Se collegato alla corrente continua, il motore semplicemente non ruoterà. Deve invece essere fornito di corrente alternata con tre forme d'onda distinte ma complementari, che consentano alla bobina di campo in tre parti del motore di attrarre magneticamente i segmenti del suo rotore in uno schema sequenziale. "Per controllare l'attività del motore, dobbiamo controllare l'ampiezza e la frequenza della corrente in uscita dall'inverter", ha spiegato Kessler. "La velocità del motore è proporzionale alla frequenza, mentre l'ampiezza aiuta a determinarne la coppia."

"La forma d'onda di corrente desiderata attraverso i transistor ha un gradiente relativamente ripido. L'unico modo per ottenere una corrente in modalità di commutazione con questo gradiente elevato è avere un'induttanza molto bassa nel percorso della sorgente", ha affermato. L'induttanza è la forza che si oppone ai cambiamenti nel flusso di corrente. Ogni lieve variazione di corrente sarà limitata da una tensione di contrasto indotta, che interromperà la forma d'onda desiderata e la rotazione regolare del motore.

Per ridurre l'induttanza nel percorso sorgente dei transistor, un condensatore è posizionato in parallelo sul cavo di ingresso della batteria, chiamato collegamento CC. Il condensatore del collegamento CC (Figura 2) è posizionato direttamente in prossimità dei transistor e fornisce le forme d'onda di corrente desiderate attraverso i transistor. La bassa impedenza del condensatore riduce al minimo l'eventuale ondulazione di tensione residua sul lato batteria.