Impulsionando o setor automotivo rumo a um futuro eletrificado com simulação

As metas de descarbonização em todo o mundo estão levando a uma maior adoção de veículos elétricos. Com o aumento das vendas de carros elétricos, até mesmo os fabricantes mais bem-sucedidos devem se adaptar às mudanças nas condições. O setor automotivo alemão, junto com seus equivalentes globais, está desenvolvendo carros elétricos. Os carros elétricos são um foco importante da Robert Bosch - uma empresa automotiva líder fundada em Stuttgart. Hoje, a Bosch fornece powertrains elétricos, sistemas e componentes para montadoras em todo o mundo.

À medida que a indústria automotiva corre em direção a um futuro eletrificado, a Bosch está acelerando sua P&D nos blocos de construção essenciais dos sistemas de transmissão elétricos. Um desses componentes é o inversor, que transforma a corrente CC das baterias do carro em corrente CA para alimentar o motor de acionamento. A capacidade do inversor de fornecer um fluxo suave de corrente depende de seu capacitor de link CC integral. "O capacitor é um dos componentes mais caros do inversor. Seu desempenho tem um impacto direto no desempenho e na confiabilidade do inversor, que é fundamental para a operação do sistema de transmissão", explicou Martin Kessler, especialista sênior da Bosch em eletrônica automotiva .

Para que o setor automotivo global atinja suas ambiciosas metas de eletrificação, os inversores e seus capacitores devem passar por melhorias e otimizações contínuas. Kessler e sua equipe confiam na simulação multifísica para testar e refinar os capacitores de ligação CC da Bosch. Sua análise preditiva habilitada para simulação complementa e otimiza a prototipagem ao vivo de novos projetos. "Simplesmente não é possível prever problemas potenciais apenas com testes; precisamos de simulação e prototipagem trabalhando lado a lado", disse Kessler.

Para fazer um carro totalmente elétrico, não basta substituir o motor por um motor elétrico e o tanque de gasolina por uma bateria. Esses dispositivos familiares são apenas partes de um sistema maior, que ajuda a fornecer um desempenho suave e confiável, ajustando-se às condições constantemente variáveis ​​sob as quais cada veículo deve operar.

O papel do inversor em um sistema de transmissão automotivo é simples no conceito, mas complexo na prática. O inversor deve satisfazer as demandas de CA do motor com a CC fornecida pela bateria, mas também deve se ajustar às flutuações contínuas de carga, carga, temperatura e outros fatores que podem afetar o comportamento de cada parte do sistema. Tudo isso deve ocorrer dentro de custos rígidos e restrições espaciais, e o componente deve sustentar esse desempenho nos próximos anos (Figura 1).

Para entender a função do inversor, considere o que um motor CA trifásico precisa para operar. Se conectado à corrente DC, o motor simplesmente não gira. Em vez disso, deve ser fornecido com corrente alternada com três formas de onda distintas, mas complementares, permitindo que a bobina de campo de três partes do motor atraia magneticamente os segmentos de seu rotor em um padrão sequencial. "Para controlar a atividade do motor, devemos controlar a amplitude e a frequência da saída de corrente do inversor", explicou Kessler. "A velocidade do motor é proporcional à frequência, enquanto a amplitude ajuda a determinar seu torque."

"A forma de onda da corrente desejada através dos transistores tem um gradiente relativamente acentuado. A única maneira de alcançar a corrente de modo chaveado com esse gradiente alto é ter uma indutância muito baixa no caminho da fonte", disse ele. A indutância é a força que se opõe às mudanças no fluxo de corrente. Cada pequena mudança na corrente será limitada por uma tensão de compensação induzida, que interromperá a forma de onda desejada - e a rotação suave do motor.

Para reduzir a indutância no caminho da fonte dos transistores, um capacitor é colocado em paralelo no condutor de entrada da bateria, que é chamado de link CC. O capacitor do link CC (Figura 2) é colocado próximo aos transistores e fornece as formas de onda de corrente desejadas através dos transistores. A baixa impedância do capacitor minimiza qualquer tensão de ondulação restante no lado da bateria.