Gérer l'ingénierie des systèmes de propulsion électrique comme une volée d'oiseaux anticipant le prochain mouvement
"Quand j'étais jeune, il n'y avait aucun signe d'une propulsion électrique ou de véhicules électrifiés. Les publicités pour les voitures parlaient de vitesse et de puissance. Aujourd'hui, tout tourne autour de l'autonomie et de l'absence d'émissions", commente Steven Dom, directeur des solutions pour l'industrie automobile chez Siemens Digital Industries Software.
Si les véhicules électriques ont changé la publicité, ils ont également changé l'ingénierie. "Une équipe d'ingénieurs chargée de développer un moteur à combustion peut choisir d'acheter ou de concevoir une boîte de vitesses", poursuit Steven. "Tant qu'elle se conforme aux spécifications du véhicule, la décision lui appartient. Ce type de prise de décision en solitaire n'est pas possible dans les véhicules électriques, où la tendance est clairement à l'intégration des unités d'entraînement électrique, dans lesquelles l'électronique de puissance, le moteur et le système de transmission qui constituent l'entraînement sont regroupés en une seule entité. Du point de vue de la fabrication, il est plus facile de construire une boîte intégrée, mais pour que cette boîte soit parfaite, il doit y avoir un échange permanent entre chaque discipline d'ingénierie distincte. Pour certaines personnes et entreprises, le défi apparaît comme énorme."
Surmontez les défis de l'ingénierie des systèmes d'entraînement électrique
Les experts de Siemens, Steven Dom et Benoit Magneville, chef de produit électrification, ont abordé tous les aspects du développement des systèmes de propulsion électrique et la manière dont les entreprises peuvent soutenir les équipes d'ingénieurs et adopter une collaboration plus étroite.
Il poursuit : "L'objectif global est de concevoir un entraînement électrique très efficace dans une large gamme de conditions de fonctionnement, mais il existe de nombreuses exigences potentiellement contradictoires. La réduction de la distance entre l'onduleur et le moteur, par exemple, présente des avantages en termes de taille globale du boîtier, de poids du câble et de faisceau. Cependant, elle crée de nouveaux défis thermiques et mécaniques, car l'onduleur évolue de manière plus restreinte."
Parmi les autres défis liés au refroidissement thermique, citons une exigence essentielle au sein d'un ensemble d'éléments produisant de la chaleur. Envisager des systèmes de refroidissement distincts pour chaque composant d'un moteur électrique n'est pas l'approche la plus efficace. L'intégration du système de refroidissement pour tous les composants simplifiera la construction, en supprimant toute une série de tuyaux, de pompes et d'échangeurs de chaleur. Toutefois, cela rend également la tâche d'ingénierie plus complexe. En outre, la batterie et les passagers sont en concurrence pour une gestion thermique efficace, et un refroidissement approprié devra être assuré.
En outre, il existe une dynamique complexe entre la réalisation des objectifs opérationnels de l'e-drive et la prévision de la manière dont le bruit et les vibrations sont perçus par les personnes assises dans l'habitacle. D'un point de vue commercial, le confort des passagers est essentiel pour les constructeurs, en particulier pour les marques de grande valeur.
Conception de l'électronique de puissance, intégration des systèmes et fiabilité
La conception de la topologie est l'une des premières étapes du développement de l'électronique d'une propulsion électrique. Des paramètres clés, tels que l'efficacité, le coût, la tolérance et la suppression des interférences électromagnétiques, doivent être compris pour définir la meilleure topologie. Il est possible de consacrer beaucoup de temps à l'évaluation de l'impact de la topologie sur le véhicule et à l'optimisation sur la base de ces résultats. Cependant, cet effort peut être gaspillé si les implications thermiques ne sont découvertes qu'à la fin de ce processus. Idéalement, la conception et la simulation thermiques sont entièrement synchronisées avec la conception et l'évaluation de la topologie.
Le choix de la technologie des semi-conducteurs est également important. Cependant, les meilleures décisions ne peuvent être prises si vous ne savez pas comment identifier les caractéristiques d'un semi-conducteur et comparer les options disponibles. "La capacité à comprendre la température de jonction est essentielle, car c'est elle qui définit la fiabilité", explique M. Benoit. "Vous ne pouvez pas vous contenter de vous fier aux performances d'un fournisseur ou à une série de résultats de tests."
Une exploration approfondie et précise de la conception électronique englobant la conception de circuits imprimés et de barres omnibus nécessite l'intégration de la CAO mécanique et de l'analyse électromagnétique, thermique et structurelle. La solution consiste à développer un environnement unique dans lequel tous les ingénieurs ont facilement accès aux autres disciplines et où les spécialistes peuvent interagir les uns avec les autres.
Le webinaire d'ATZ International explique comment construire un flux de travail Simcenter qui intègre la conception, la simulation et les tests, optimise les dispositifs d'électronique de puissance et fournit la densité de puissance requise dans un boîtier fiable et compact qui garantit la conformité et les performances EMI/EMC.
Si vous souhaitez en savoir plus, consultez ce blog Les onduleurs : le cœur des véhicules électriques.
Du dimensionnement des premiers moteurs électriques à la validation des performances
L'une des exigences fondamentales est que la durée de vie d'un moteur soit supérieure à la garantie du véhicule et à la durée de vie du véhicule. La conception thermique est l'un des principaux moyens d'améliorer la durée de vie et les performances.
"Comme d'habitude, le succès commence dès la phase de conception", note M. Benoit. "Les exigences en matière de moteurs électriques sont établies en cascade à partir des objectifs de performance des véhicules électriques. La meilleure façon d'obtenir un dimensionnement et une configuration rapides et précis des moteurs est d'évaluer rapidement plusieurs types de conception et de topologies en fonction de l'efficacité électromagnétique, des performances thermiques et vibro-acoustiques, alors que l'on se trouve encore dans la phase d'architecture."
Le portefeuille Simcenter relie tous ces domaines, permettant d'évaluer l'impact du dimensionnement et de la conception du moteur sur l'ensemble du véhicule. Dans les phases initiales, lorsque la conception n'existe que sous la forme d'un ensemble d'exigences opérationnelles, Simcenter propose une vaste bibliothèque de modèles de moteurs et plus de 200 matériaux. Cela ouvre la possibilité d'identifier une architecture de moteur entièrement nouvelle qui répondra aux objectifs et générera le meilleur système de refroidissement thermique. Tout modèle virtuel peut être testé et validé simplement en l'exportant dans Simcenter Amesim.
Maximiser l'efficacité de la transmission électrique
D'un point de vue opérationnel, le défi consiste à maximiser l'efficacité du système de transmission tout en minimisant le poids et en le combinant avec le reste de la transmission dans les limites de l'emballage. Il est essentiel d'évaluer les contraintes de contact de l'engrenage, les forces du roulement et la flexibilité de l'arbre afin de pouvoir imaginer avec précision le bruit et les vibrations de l'engrenage en rotation dans la boîte de vitesses. Là encore, il s'agit de concevoir en fonction de multiples attributs, notamment la durabilité et l'alimentation en huile pour la lubrification.
Les constructeurs veulent créer des véhicules plus légers et peuvent envisager d'utiliser de nouveaux matériaux, mais ceux-ci posent des problèmes spécifiques car ils ne sont pas toujours entièrement éprouvés.
Un autre facteur est le budget. Le coût du prototypage d'un seul engrenage peut atteindre 200 000 dollars américains. C'est pourquoi les performances doivent être évaluées de manière approfondie et toute défaillance ou faiblesse doit être rapidement corrigée avant qu'un investissement en capital ne soit effectué.
Un écosystème pour les ingénieurs en systèmes de transmission électrique, en électromagnétisme, en thermique, en mécanique et en acoustique
Alors que les fabricants rivalisent pour obtenir les meilleures statistiques et les critiques les plus favorables, répondre à la demande des clients est vital pour le succès commercial, et les caractéristiques d'une transmission électrique peuvent y contribuer de manière significative. Les implications des différents composants et systèmes de l'ensemble du véhicule doivent être clairement comprises.
Une méthode éprouvée pour réduire le coût des véhicules et le temps de développement consiste pour une entreprise à travailler dans un environnement unique et collaboratif où tous les aspects de la conception technique, de l'analyse et des tests sont menés simultanément. Le portefeuille Simcenter permet de relier tous ces domaines, de sorte que les résultats de chaque étape du cycle peuvent être utilisés comme données logiques pour l'étape suivante, être renvoyés à l'étape précédente et, en fin de compte, fournir une validation au niveau du véhicule.
Les oiseaux en volée sont capables de changer rapidement de direction, non pas parce qu'ils suivent un chef, mais parce qu'ils anticipent ce qu'ils vont faire ensuite. C'est précisément l'avantage d'un écosystème collaboratif et flexible. Il aide votre entreprise à avancer à l'unisson.
"Le changement au sein d'une entreprise peut être décourageant, et toute augmentation de l'utilisation de la simulation doit conduire à une plus grande fidélité et à une plus grande confiance", déclare Steven Dom. "Les nouveaux flux de travail ont des répercussions considérables sur l'ensemble de l'entreprise et doivent donc être mis en place correctement."
Ce webinaire vous guidera à travers les défis potentiels et mettra en lumière les succès de certains clients, de la conception du sous-système à l'intégration du véhicule.
Plus d'informations sur la propulsion électrique
Électronique de puissance :
- Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=muf-pXuklqk
- Webinaire à la demande : Simulation et test des dernières technologies dans le domaine de l'électronique embarquée des véhicules électriques
Moteur électrique :
- Webinaire à la demande : Conception et optimisation des machines électriques basées sur le cycle d'entraînement
- Étude de cas : GKN Automotive s'appuie sur la simulation multidimensionnelle pour réduire le délai de commercialisation et les boucles de prototypage pour les véhicules électriques
Transmission :
