시뮬레이션을 통해 전기화되는 미래를 향한 자동차 부문의 역량 강화

전 세계적으로 탈탄소화 목표로 인해 전기 자동차 채택이 증가하고 있습니다. 전기 자동차 판매가 급증함에 따라 가장 성공적인 제조업체라도 변화하는 상황에 적응해야 합니다. 독일의 자동차 부문은 전 세계의 다른 부문과 함께 전기 자동차를 개발함으로써 이를 실현하고 있습니다. 전기 자동차는 슈투트가르트에 설립된 선도적인 자동차 회사인 Robert Bosch의 중요한 초점입니다. 현재 Bosch는 전 세계 자동차 제조업체에 전기 파워트레인, 시스템 및 부품을 공급하고 있습니다.

자동차 산업이 전기화된 미래를 향해 달려가는 가운데, 보쉬는 전기 구동계의 필수 구성 요소에 대한 연구 개발을 가속화하고 있습니다. 이러한 구성 요소 중 하나는 자동차 배터리의 DC 전류를 AC 전류로 변경하여 구동 모터에 전력을 공급하는 인버터입니다. 원활한 전류 흐름을 제공하는 인버터의 능력은 내장된 DC 링크 커패시터에 따라 달라집니다. "커패시터는 인버터에서 가장 비싼 부품 중 하나입니다. 그 성능은 인버터의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 드라이브트레인 작동의 기본입니다."라고 Bosch의 자동차 전자 부문 수석 전문가인 Martin Kessler는 설명했습니다. .

글로벌 자동차 부문이 야심찬 전기화 목표를 달성하려면 인버터와 해당 커패시터가 지속적인 개선과 최적화를 거쳐야 합니다. Kessler와 그의 팀은 다중물리 시뮬레이션을 사용하여 Bosch의 DC 링크 커패시터를 테스트하고 개선합니다. 시뮬레이션 기반 예측 분석은 새로운 설계의 실시간 프로토타입 제작을 보완하고 최적화합니다. Kessler는 "테스트만으로는 잠재적인 문제를 예측하는 것이 불가능합니다. 시뮬레이션과 프로토타입 제작이 모두 필요합니다."라고 말했습니다.

완전 전기자동차를 만들기 위해서는 엔진을 전기모터로 교체하고, 연료탱크를 배터리로 교체하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이러한 친숙한 장치는 더 큰 시스템의 일부일 뿐이며, 모든 차량이 작동해야 하는 끊임없이 변화하는 조건에 맞게 조정하여 원활하고 안정적인 성능을 제공하는 데 도움이 됩니다.

자동차 구동계에서 인버터의 역할은 개념적으로는 간단하지만 실제로는 복잡합니다. 인버터는 배터리에서 제공하는 DC를 사용하여 모터의 AC 요구 사항을 충족해야 하지만, 시스템 각 부분의 동작에 영향을 미칠 수 있는 부하, 충전, 온도 및 기타 요인의 지속적인 변동에도 적응해야 합니다. 이 모든 작업은 엄격한 비용과 공간적 제약 속에서 이루어져야 하며 구성 요소는 앞으로도 이러한 성능을 유지해야 합니다(그림 1).

인버터의 기능을 이해하려면 3상 AC 모터가 작동하는 데 필요한 것이 무엇인지 고려하십시오. DC 전류에 연결하면 모터가 회전하지 않습니다. 대신 모터의 세 부분으로 구성된 필드 코일이 순차적 패턴으로 회전자의 세그먼트를 자기적으로 끌어당길 수 있도록 세 가지 서로 다르지만 보완적인 파형을 갖는 교류가 제공되어야 합니다. Kessler는 “모터의 활동을 제어하려면 인버터 전류 출력의 진폭과 주파수를 제어해야 합니다.”라고 설명했습니다. "모터의 속도는 주파수에 비례하는 반면 진폭은 토크를 결정하는 데 도움이 됩니다."

"트랜지스터를 통해 원하는 전류 파형은 상대적으로 가파른 기울기를 갖습니다. 이 높은 기울기로 스위치 모드 전류를 달성하는 유일한 방법은 소스 경로에서 매우 낮은 인덕턴스를 갖는 것입니다"라고 그는 말했습니다. 인덕턴스는 전류 흐름의 변화에 ​​반대하는 힘입니다. 전류의 모든 작은 변화는 유도된 반작용 전압에 의해 제한되며, 이는 원하는 파형과 모터의 부드러운 회전을 방해합니다.

트랜지스터의 소스 경로에서 인덕턴스를 줄이기 위해 커패시터는 DC 링크라고 하는 배터리의 입력 리드에 병렬로 배치됩니다. DC 링크 커패시터(그림 2)는 트랜지스터에 바로 근접하여 배치되며 트랜지스터를 통해 원하는 전류 파형을 제공합니다. 커패시터의 낮은 임피던스는 배터리 측에 남아 있는 리플 전압을 최소화합니다.