鳥の群れの予測飛行次の動きを予測する鳥の群れのように、電動ドライブのシステムズ・エンジニアリングを管理
「私が若い頃は、電動ドライブや電気自動車の兆候はありませんでした。車の広告も、スピードと馬力に関するものでした。今では、広告はすべて航続距離とゼロ・エミッションについて取り上げています」と、シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアの自動車業界向けソリューション担当ディレクターであるSteven Domは述べています。
電気自動車 (EV) が広告を変えるにつれて、エンジニアリングも変化しました。「内燃機関の開発を任されたエンジニアのチームが、ギアボックスを購入するか設計するかを選択するかもしれません」とStevenは続けます。「彼らが車両の仕様を満たしている限り、決定権は彼らのものです。このような単独の意思決定は、EVでは不可能です。EVは、ドライブを構成するパワーエレクトロニクス、モーター、トランスミッション・システムが1つのエンティティとしてパッケージ化された統合型電動ドライブ・ユニットまたはeドライブに移行する傾向が明らかであるからです。製造の観点からは、1つの統合型ボックスを構築する方が簡単ですが、そのパッケージを正しく行うには、異なる各エンジニアリング分野間での継続的な対話が不可欠です。一部の個人や組織にとって、これは大きな課題となるでしょう。」
電動ドライブのシステムズ・エンジニアリングの課題に対処
シーメンスのエキスパートであるSteven DomとBenoit Magneville (電動化プロダクトマネージャー) が、電動ドライブ・システム開発のあらゆる側面と、組織がエンジニアリング・チームをサポートし、より緊密なコラボレーションを実現する方法について説明しました。
Benoitは次のように述べています。「全体的な目標は、幅広い動作条件で高効率の電動ドライブを設計することですが、多くの潜在的に相反する要件があります。 例えば、インバーターとモーターとの間の距離を短くすると、全体的なパッケージ・サイズ、ケーブル重量、およびハーネスの点で利点があります。しかし、インバーターがより小型化しつつ高出力化する必要があるため、新たな熱的および機械的な課題が生じます。」
熱冷却に関連するその他の課題には、熱を発生するアイテムのパッケージ内部における重要な要件が含まれます。eドライブの各コンポーネントに個別の冷却システムを検討することは、最も効率的な方法ではありません。すべてのコンポーネントの冷却システムを統合することで、構成が簡素化され、パイプ、ポンプ、熱交換器の配列が不要になります。しかし、それはまた、より複雑なエンジニアリング課題にもなります。さらに、バッテリーと車内の快適性も加味した効果的な熱管理が必要であり、適切な冷却を提供する必要があります。
加えて、eドライブの運用目標の達成と、キャビンに座る人がどのように騒音や振動を知覚するか予測することの間には、複雑な力学があります。商業的な観点から見ると、乗員の快適性はメーカー、特にハイブランドにとって不可欠です。
パワー・エレクトロニクスの設計、システム統合、信頼性に対応
トポロジ設計は、電動ドライブの電子機器を開発する初期段階の1つです。効率性、コスト、許容誤差、EMI抑制などの主要な指標を理解して、最適なトポロジを定義する必要があります。トポロジが車両にどのような影響を与えるかを評価し、その結果に基づいて最適化するために、多くのエンジニアリング時間を費やす可能性があります。しかし、熱の影響がプロセスの最後にのみ確認される場合、その努力は無駄になる場合があります。熱設計とシミュレーションがトポロジの設計と評価と完全に同期していることが理想です。
半導体技術の選択も重要です。半導体の特性を特定し、有効な選択肢を比較する方法を知らなければ、最善の決定を下すことはできません。「ジャンクション温度を把握する能力が重要です。それが信頼性を定義することになるからです」とBenoitは言います。「サプライヤーからの性能評価や1つのテスト結果だけに頼ることはできません。」
PCB (プリント回路基板) とバスバーの設計を網羅する徹底的かつ正確な電子設計の探求には、機械用CADとの統合と、電磁気、熱、構造解析が必要です。このソリューションは、すべてのエンジニアが他の専門分野に簡単にアクセスでき、専門家が互いに対話できる単一の環境内で開発を行うことです。
ATZ Internationalのウェビナーでは、設計、シミュレーション、テストを組み込んだSimcenterワークフローの構築方法、パワーエレクトロニクス・デバイスの最適化、必要な電力密度を信頼性のある小型パッケージで実現し、EMI/EMCコンプライアンスと性能を確保する方法について説明します。
詳細については、こちらのブログ「インバーター: 電気自動車の心臓部」をご覧ください。
初期の電気モーターのサイジングから性能検証まで
基本的な要件の1つは、モーターの耐用期間が車両保証や車両の耐用期間よりも確実に長いことです。熱設計は、耐用期間と性能を向上させる主要な方法の1つです。
「成功は常に設計段階から始まります」とBenoitは言います。「電気モーターの要件は、EVの性能目標から反映されています。モーターのサイジングと構成を迅速かつ正確に行う最善の方法は、設計段階のうちに、電磁効率、熱性能、振動音響性能に対して複数の設計タイプとトポロジを迅速に評価することです。」
Simcenterのポートフォリオは、これらすべての領域をつなぎ、モーターのサイジングと設計が車両全体にどのような影響を与えるかを評価できます。初期段階では、設計が一連の運用要件としてのみ存在する場合、Simcenterはモーターテンプレートと200種類を超える材料における広範なライブラリを提供します。これにより、目標を達成し、最高の熱冷却システムを生成するまったく新しいモーター・アーキテクチャを特定する可能性が開かれます。任意の仮想モデルをSimcenter Amesimにエクスポートするだけで、テストおよび検証できます。
電動ドライブのトランスミッションの効率を最大化
運用上の観点からは、重量を最小限に抑え、パッケージングの制限内でドライブの他の部分と組み合わせながら、トランスミッション・システムの効率を最大化することが課題となります。ギアボックス内の回転ギアから生じる騒音や振動を正確に予測できるよう、ギアの接触応力やベアリング荷重、シャフトの柔軟性を評価することが不可欠です。繰り返しになりますが、これは耐久性や潤滑油の供給など、複数の属性に対して設計することを意味します。
メーカーはより軽量な車両を作りたいと考えており、新しい材料の使用を検討するかもしれませんが、必ずしも完全に実証されているわけではないため、固有の課題が生じます。
もう1つの要素は予算です。単一のギアの試作にかかる費用は、最大200,000米ドルになる可能性があります。したがって、性能を徹底的に評価し、資本投資を行う前にあらゆる障害や弱点に対して迅速に対処する必要があります。
電動ドライブのシステム、電磁、熱、機械、音響エンジニアのためのエコシステム
メーカーが最高の統計と最も好意的なレビューを求めて競争する中、顧客の要求を満たすことは商業的な成功に不可欠であり、電動ドライブの特性は成功に大きく貢献します。車両全体に含まれるさまざまなコンポーネントやシステムの影響を明確に理解することが必須です。
車両のコストと開発時間を短縮する実証済みの方法の1つに、エンジニアリング設計、解析、テストのすべての側面が同時に進行する単一のコラボレーション環境内で、組織が作業する方法があります。Simcenterポートフォリオは、これらすべての領域をつなぐことで、サイクルの各段階からのアウトプットを、次の段階の論理的なインプットとして使用し、前の段階にフィードバックし、最終的には車両レベルで検証を実行することができます。
群れの中の鳥が素早く方向転換できるのは、リーダーを追うからではなく、次に何をすべきかを予測するからです。これこそが、協調的で柔軟なエコシステムの利点です。これにより、組織は一斉に動くことができるのです。
「どのような組織でも、組織内の変化に消極的な場合があり、シミュレーションの使用を増やす場合、忠実度と信頼性をさらに向上させる必要があります」とSteven Domは述べています。「新しいワークフローは組織全体に広範な影響を与えるため、適切に確立する必要があります。」
本ウェビナーでは、サブシステムの設計から車両統合までにおける潜在的な課題を解説し、お客様の成功事例をご紹介します。
電動ドライブに関する詳細情報
パワー・エレクトロニクス:
電気モーター:
- オンデマンド・ウェビナー: ドライブサイクルに基づいた電気機械の設計と最適化
- ユーザー事例: GKN Automotiveは、多次元シミュレーションを活用して、電気自動車の市場投入期間を短縮し、試作のループを削減
トランスミッション:
- ホワイトペーパー: マルチボディ・シミュレーションを使用したギアボックスのエンジニアリングにおける生産性向上
- ユーザー事例: ヒョンデは、ドライブトレインのギア鳴り音を低減
