Exploiter la simulation multidimensionnelle pour réduire le délai de commercialisation et les boucles de prototypage pour les véhicules électriques

Changement de processus et d'approche

GKN Automotive est un leader mondial des technologies eDrive. Son expertise, son engagement envers l'innovation et sa présence mondiale lui permet de fournir des solutions technologiques de pointe et durables de manière compétitive et à grande échelle.

GKN Automotive est à l'avant-garde de la production de masse de systèmes avancés et efficaces pour les véhicules électriques. Près de 50 % des nouvelles voitures dans le monde sont équipées de systèmes et de solutions GKN Automotive, ce qui signifie que des centaines de millions de voitures équipées de la technologie GKN Automotive sont conduites chaque jour.

L'électrification dans l'industrie automobile a eu un impact énorme sur le processus et l'approche de développement des véhicules. Les équipes de développement sont confrontées à de nouveaux défis dans tous les aspects de la performance et de l'échelle des véhicules électriques (VE), ainsi qu'à une concurrence de plus en plus intense.

Analyse du comportement CEM avec différentes longueurs de câble.

À l'avant-garde de la technologie de transmission des véhicules électriques

GKN s'appuie sur le logiciel Simcenter™ Amesim™, qui fait partie de la plateforme commerciale Siemens Xcelerator de logiciels, de matériel et de services, pour développer et optimiser ses onduleurs de traction pour les systèmes 3-en-1 de véhicules électriques. Un système 3 en 1 se compose d'une boîte de vitesses, d'une machine électrique et d'un onduleur de traction. Dans le cas de GKN, la boîte de vitesses héberge des fonctionnalités supplémentaires, telles que les systèmes de verrouillage ou de déconnexion de stationnement et le jeu de vitesses de base. L'onduleur fournit la fonctionnalité de commande de la machine électrique.

Dans la plupart des cas, les constructeurs automobiles considèrent le système 3 en 1 comme une boîte noire, livrée comme une solution unique et complète.

Les fournisseurs tels que GKN doivent donc être en mesure de fournir des composants qui répondent aux spécifications de conception et de performance fixées par les clients.

La possibilité d'optimiser le 3-en-1 va donc bien au-delà de la simple garantie que le système peut s'adapter au boîtier donné. Dans ce contexte, le composant nécessitant une attention particulière est l'onduleur.

La tâche de l'onduleur est de convertir le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) tout en assurant simultanément la communication et le contrôle, garantissant les plus hauts niveaux de cybersécurité et de sûreté.

"Nous avons été confrontés à des défis d'ingénierie pour passer de la conception mécanique à la conception mécatronique", explique Björn Nemitz, ingénieur système de l'électronique de puissance chez GKN ePowertrain.

Ces exigences en font le composant le plus complexe et le plus coûteux du système 3 en 1.

Modèle de simulation dynamique avec un modèle d'onduleur cartographié.

Défis en matière de développement de produits

Étant donné que l'onduleur est un composant très complexe, des conditions aux limites non idéales ou de mauvaises décisions de conception peuvent avoir un impact négatif considérable sur les coûts et les performances. L'inverse est également vrai : Des décisions mûrement réfléchies et soigneusement mises en œuvre en matière d'interfaces et de conception interne peuvent conduire à des améliorations significatives des performances et à des économies de coûts.

L'objectif principal du développement d'onduleurs est de satisfaire les exigences commerciales critiques définies par le client.

Fournir la puissance requise

Tout d'abord, l'onduleur doit fournir la puissance d'entraînement requise par le client. Ces normes sont généralement définies comme des capacités opérationnelles qui peuvent être fournies dans toutes les conditions ; par exemple, un véhicule entièrement chargé avec une remorque fonctionnant à une température ambiante de -40 degrés Celsius (°C) sur une pente raide avec une batterie presque épuisée.

Pour répondre aux exigences de performance, les concepteurs doivent ajuster les paramètres afin de trouver la répartition optimale de la charge entre les composants respectifs. Cela nécessite une compréhension détaillée des facteurs qui peuvent limiter les performances et de la manière dont ils peuvent être surmontés.

Modèle de simulation de système contrôlé.

Optimiser les performances

Vient ensuite l'efficacité globale de l'onduleur. Les améliorations de l'efficacité permettent d'augmenter l'autonomie à une capacité de batterie donnée ou de réduire la taille de la batterie à une portée donnée. Ces deux éléments peuvent fournir des arguments de vente très attrayants pour le client, ce qui explique pourquoi les constructeurs automobiles s'intéressent à ce sujet.

Conscience des coûts

Ensuite, il y a le coût, qui ne peut jamais être ignoré. Le rapport coût-efficacité est un facteur crucial pour garantir l'acceptation du marché et gagner des parts de marché.

Analyse du comportement de la CEM.

Analyse des pertes du module de puissance dans le cadre de la Procédure d'essai mondiale harmonisée pour les voitures particulières et véhicules utilitaires légers (WLTP) avec différentes résistances de grille.

Atteindre des performances optimales

En outre, il y a des considérations plus techniques telles que la compatibilité électromagnétique. L'optimisation des émissions rayonnées et conduites ou de l'immunité au niveau des composants est un défi important, mais aussi un objectif clé pour le développement futur des systèmes chez GKN.

Il existe également des objectifs en matière de sécurité thermique, de durée de vie et de durabilité, de conception de l'emballage, de poids, de bruit, de vibrations et de rudesse (NVH), de facilité d'entretien et plus encore, qui peuvent tous avoir une incidence sur la conception et les performances globales.

L'objectif est de trouver l'équilibre optimal entre ces objectifs parfois contradictoires mais toujours interconnectés afin d'obtenir les meilleures performances globales pour un véhicule, une marque ou une application spécifique.

Analyse de la configuration du système pour le calcul de la durée de vie.

Évaluation de plusieurs dimensions de produit sur une seule plateforme de simulation

En utilisant Simcenter Amesim, l'équipe de GKN est en mesure d'effectuer des simulations multidimensionnelles, en analysant simultanément le comportement de plusieurs composants au niveau thermique, électrique et mécanique.

L'équipe utilise Simcenter Amesim pour concevoir et dimensionner les composants électriques individuels, analyser comment chacun des composants affecte les autres et fournir la solution de produit optimale pour répondre aux exigences des clients.

L'équipe simule et analyse différents aspects, des semi-conducteurs au système 3-en-1 complet. Il s'agit par exemple de cycles de charge statiques ou dynamiques, de scénarios de compatibilité électromagnétique (CEM) spécifiques, de sécurité, de scénarios de charge pertinents, de contrôlabilité, d'analyse des défaillances ainsi que de cycles de vie complexes.

Produire des représentations précises du système réel tout en créant des modèles capables de simuler de longs cycles de conduite est un défi de taille. Cependant, ces exigences complexes peuvent être satisfaites avec la vitesse de modélisation de Simcenter Amesim et la capacité de conception expérimentale et de réduction de modèle. Les modèles prennent en compte les conditions électriques et thermiques, mais fournissent également des temps de simulation rapides.

Grâce à ces capacités de simulation, l'équipe de GKN a été en mesure de minimiser la dépendance aux tests, réduisant considérablement le nombre de tests Hardware-In-Loop (HiL) et de boucles de prototype nécessaires dans le programme de développement.

"Simcenter Amesim m'a aidé à élargir mon expertise technique concernant les composants individuels et le système dans son ensemble", explique Nemitz. "J'ai maintenant une bien meilleure compréhension du comportement physique des composants et de la façon dont ils s'influencent mutuellement."

Simcenter Amesim offre la complexité de l'analyse et la profondeur des détails sur lesquelles l'équipe peut compter, minimisant le risque de surconception et réduisant considérablement le temps et les coûts de développement.

"GKN a développé des modèles et des processus standardisés à utiliser dans le cycle de développement des produits", commente Nemitz. "De cette façon, nous pouvons utiliser les simulations pour chaque projet dès le départ et disposer d'une base validée pour notre conception et notre développement."

Onduleur de traction automobile GKN.

La formule gagnante : commencer le développement du produit avec les bons outils

Simcenter Amesim offre une conception intuitive à plusieurs niveaux pour toutes les applications, avec de nombreuses solutions intégrées et prédéfinies.

En utilisant Simcenter Amesim dès le début du processus de développement, l'équipe de GKN est en mesure d'évaluer et d'optimiser virtuellement chacun des éléments du système et du système dans son ensemble. Cela signifie qu'il faut moins de boucles de prototypage coûteuses et qu'elles permettent une mise sur le marché plus rapide.

Tourné vers l'avenir

Le passage du moteur à combustion aux véhicules électriques représente une nouvelle ère d'opportunités pour les constructeurs automobiles, ainsi qu'un besoin urgent de trouver des solutions innovantes aux défis d'ingénierie du passage de la conception mécanique à la conception mécatronique.

L'utilisation de la simulation pour développer un jumeau numérique complet jouera un rôle majeur dans la capacité de GKN à analyser et à prédire les performances des produits dans le monde réel, permettant ainsi à l'entreprise de développer rapidement des produits offrant de meilleures performances à moindre coût.

Du son et des vibrations à la technologie des onduleurs et au-delà, les possibilités de simulation et le jumeau numérique complet commencent à éclairer tous les domaines de développement de la nouvelle génération de véhicules électriques.

Modèle de simulation d'onduleur réduit avec batterie, condensateur de liaison DC et modules de puissance.