Sfruttare la simulazione multidimensionale per ridurre il time-to-market e i cicli di prototipazione per i veicoli elettrici

Cambiare processo e approccio

GKN Automotive è un leader globale nelle tecnologie eDrive. L’esperienza, l’impegno per l’innovazione e la presenza globale consentono loro di fornire soluzioni tecnologiche all’avanguardia e sostenibili in modo competitivo e su larga scala.

GKN Automotive è all’avanguardia nella produzione di massa di sistemi avanzati ed efficienti per veicoli elettrificati. Quasi il 50% delle nuove auto in tutto il mondo è dotato di sistemi e soluzioni GKN Automotive, il che significa che ogni giorno vengono guidate centinaia di milioni di auto con tecnologia GKN Automotive.

L’elettrificazione nel settore automotive ha avuto un impatto enorme sul processo e sull’approccio allo sviluppo dei veicoli. I team di sviluppo devono affrontare nuove sfide in ogni aspetto delle prestazioni e delle dimensioni dei veicoli elettrici (EV), oltre a una concorrenza sempre più intensa.

Analisi del comportamento EMC con diverse lunghezze di cavo.

All’avanguardia nella tecnologia della trasmissione EV

GKN si affida al software Simcenter™ Amesim™, che fa parte della piattaforma di software, hardware e servizi Siemens Xcelerator, per lo sviluppo e l’ottimizzazione dei suoi inverter di trazione per i sistemi 3 in 1 dei veicoli elettrici. Un sistema 3 in 1 è composto da un cambio, una macchina elettrica e un inverter di trazione. Nel caso di GKN, il cambio ospita caratteristiche aggiuntive, come i sistemi di disconnessione o blocco del parcheggio e il set di ingranaggi di base. L’inverter fornisce la funzionalità di controllo della macchina elettrica.

Nella maggior parte dei casi, i produttori di veicoli considerano il sistema 3 in 1 come una scatola nera, fornita come un’unica soluzione completa.

Fornitori come GKN devono quindi avere la capacità di fornire componenti che soddisfino le specifiche di progettazione e prestazioni stabilite dai clienti.

La capacità di ottimizzare il 3-in-1 va quindi ben oltre la semplice garanzia che il sistema possa essere inserito in un determinato alloggiamento. In questo contesto, il componente che richiede un’attenzione particolare è l’inverter.

Il compito dell’inverter è quello di convertire l’alimentazione tra corrente continua (CC) e corrente alternata (CA) fornendo contemporaneamente comunicazione e controllo e garantendo i massimi livelli di sicurezza informatica.

“Abbiamo affrontato sfide ingegneristiche per passare dalla progettazione meccanica a quella meccatronica”, afferma Björn Nemitz, System Engineer of Power Electronics presso GKN ePowertrain.

Questi requisiti lo rendono il componente più complesso e costoso del sistema 3-in-1.

Modello di simulazione dinamica con un modello di inverter mappato.

Sfide nello sviluppo dei prodotti

Poiché l’inverter è un componente così complesso, condizioni al contorno non ideali o decisioni di progettazione sbagliate possono avere un enorme impatto negativo su costi e prestazioni. Ma è vero anche il contrario: Decisioni ben ponderate e attentamente implementate sulle interfacce e sulla progettazione interna possono portare a miglioramenti significativi delle prestazioni e all’efficienza dei costi.

L’obiettivo principale dello sviluppo degli inverter è soddisfare i requisiti aziendali critici stabiliti dal cliente.

Fornire la potenza richiesta

Innanzitutto, l’inverter deve fornire la potenza di azionamento richiesta dal cliente. Questi standard sono generalmente stabiliti come capacità operative che possono essere fornite per tutte le condizioni; come un veicolo a pieno carico con un rimorchio che funziona a una temperatura ambiente di -40 gradi Celsius (°C) su una ripida collina con una batteria quasi scarica.

Per soddisfare i requisiti di prestazione, i progettisti devono regolare i parametri per trovare la distribuzione ottimale del carico tra i rispettivi componenti. Ciò richiede una comprensione dettagliata dei fattori che possono limitare le prestazioni e di come possono essere superati.

Modello di simulazione di sistemi controllato.

Aumento dell’efficienza

Passiamo quindi all’efficienza complessiva dell’inverter. I miglioramenti dell’efficienza offrono una maggiore autonomia a una data capacità della batteria o l’opportunità di ridurre le dimensioni della batteria a una data autonomia. Entrambi possono fornire punti di forza molto interessanti per il cliente, il che spiega perché le case automobilistiche sono interessate a questo argomento.

Consapevolezza dei costi

Poi c’è il costo, che non può mai essere ignorato. Il costo e l’efficacia dei costi sono fattori cruciali per garantire l’accettazione del mercato e guadagnare quote di mercato.

Comportamento EMC analizzato.

Analisi delle perdite WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) del modulo di alimentazione con diverse resistenze Gate.

Raggiungimento di prestazioni ottimali

Inoltre, ci sono le considerazioni più tecniche come la compatibilità elettromagnetica. L’ottimizzazione delle emissioni irradiate e condotte o dell’immunità a livello di componente è una sfida significativa, ma anche un obiettivo chiave per lo sviluppo futuro dei sistemi GKN.

Altri obiettivi sono legati a sicurezza termica, durata e ciclo di vita, design del pacchetto, peso, rumore, vibrazioni e durezza (NVH), facilità di manutenzione e altro ancora, che possono avere un impatto sul design e sulle prestazioni complessive.

Lo scopo è quello di raggiungere l’equilibrio ottimale tra questi obiettivi, a volte contrastanti ma sempre interconnessi, per ottenere le migliori prestazioni complessive per una specifica marca di veicolo o applicazione.

Configurazione del sistema analizzata per il calcolo della durata.

Valutazione di più dimensioni di prodotto su un’unica piattaforma di simulazione

Utilizzando Simcenter Amesim, il team di GKN è in grado di eseguire simulazioni multidimensionali, analizzando contemporaneamente il comportamento di più componenti a livello termico, elettrico e meccanico.

Il team utilizza Simcenter Amesim per progettare e dimensionare i singoli componenti elettrici, analizzare in che modo ciascuno dei componenti influisce sugli altri e fornire la soluzione di prodotto ottimale per soddisfare le esigenze dei clienti.

Il team simula e analizza diversi aspetti, dai semiconduttori al sistema completo 3-in-1. Gli esempi includono cicli di carico statici o dinamici, scenari di compatibilità elettromagnetica specifica (EMC), sicurezza, scenari di carico rilevanti, controllabilità, analisi dei guasti e cicli di vita complessi.

Produrre rappresentazioni accurate del sistema reale e creare modelli in grado di simulare lunghi cicli di guida è una sfida significativa. Tuttavia, questi requisiti complessi possono essere soddisfatti con la velocità di modellazione e la capacità di progettazione sperimentale e riduzione del modello di Simcenter Amesim. I modelli tengono conto delle condizioni elettriche e termiche, ma offrono anche tempi di simulazione rapidi.

Utilizzando queste funzionalità di simulazione, il team GKN è stato in grado di ridurre al minimo la dipendenza dai test, diminuendo drasticamente il numero di test hardware-in-loop (HiL) e di loop di prototipi necessari nel programma di sviluppo.

“Simcenter Amesim mi ha aiutato ad ampliare le mie competenze tecniche per quanto riguarda i singoli componenti e il sistema nel suo complesso”, afferma Nemitz. “Ora ho una comprensione molto migliore del comportamento fisico dei componenti e di come si influenzano a vicenda.”

Simcenter Amesim offre la complessità dell’analisi e la profondità dei dettagli su cui il team può fare affidamento, riducendo al minimo il rischio di sovraprogettazione e riducendo significativamente i tempi e i costi di sviluppo.

“GKN ha sviluppato modelli e processi standardizzati da utilizzare nel ciclo di sviluppo del prodotto”, commenta Nemitz. “In questo modo possiamo utilizzare le simulazioni per ogni progetto fin dall’inizio e avere una base validata per progettazione e sviluppo.”

Inverter di trazione GKN Automotive.

La formula vincente: iniziare lo sviluppo del prodotto con gli strumenti giusti

Simcenter Amesim offre un design multilivello intuitivo per tutte le applicazioni, con molte soluzioni integrate e predefinite.

Utilizzando Simcenter Amesim fin dall’inizio del processo di sviluppo, il team GKN è in grado di valutare e ottimizzare virtualmente ciascuno degli elementi all’interno del sistema e il sistema nel suo complesso. Ciò significa che sono necessari meno costosi cicli di prototipazione per ottenere un time-to-market più rapido.

Prospettive future

Il passaggio dal motore a combustione ai veicoli elettrici rappresenta una nuova era di opportunità per le case automobilistiche, nonché l’urgente necessità di trovare soluzioni innovative alle sfide ingegneristiche del passaggio dalla progettazione meccanica a quella meccatronica.

L’utilizzo della simulazione per sviluppare un digital twin completo svolgerà un ruolo importante nella capacità di GKN di analizzare e prevedere le prestazioni dei prodotti nel mondo reale, consentendo così all’azienda di sviluppare rapidamente prodotti con prestazioni migliori a costi inferiori.

Dal suono e dalle vibrazioni alla tecnologia inverter e oltre, le possibilità della simulazione e del digital twin completo stanno iniziando a informare ogni area dello sviluppo della nuova generazione di veicoli elettrici.

Modello di simulazione dell’inverter ridotto con batteria, condensatore DC-link e moduli di potenza.