Следующее поколение автомобилей будет генерировать, обрабатывать и передавать гораздо больше данных, чем современное авто. Беспроводная сеть с помощью мобильных технологий (например, 5G, V2X) обеспечивает связь с другими транспортными средствами или с окружающей инфраструктурой, а также делает возможным обновление программного обеспечения по беспроводной сети (OTA).
В то же время, большие токи будут циркулировать в «электрифицированных» автомобилях. Сегодняшние электромобили уже имеют мощность двигателя более 120 кВт. Высокие уровни мощности, требуемые для высокой производительности, создают сильные электромагнитные поля, которые требуют защиты соседних сигнальных линий и электронных компонентов от помех и неисправностей (высокие скорости передачи данных до 20 Гбит и большие мощности).
Проще говоря, физический уровень будет играть ключевую роль в качестве основы будущей функциональности автомобиля и обеспечения его надежности. Это означает, что низковольтные сети управления и обмена данными и высоковольтные системы электропривода должны работать сверхнадежно и безопасно.
Основы «электромобильности»
«Электрификация» трансмиссии служит для сокращения потребления ископаемых видов топлива транспортными средствами, несмотря на всемирный рост спроса на мобильность. Это единственный способ достичь все более строгих ограничений на выбросы парниковых газов (CO2) как в среднесрочной, так и долгосрочной перспективе.
Большое расстояние передвижения электромобилей (EV) будет обеспечиваться быстрой зарядкой аккумуляторных батарей с помощью постоянного тока и будущей мощностью зарядного устройства в 350 кВт, которая классифицируется как мощная зарядка постоянного тока (HPC DC).
Важность наличия мощных зарядных станций (HPC)
До недавнего времени больше внимания уделялось непосредственно самим электрокарам, от дизайна до характеристик разгона, но не вопросу зарядки аккумуляторов. Это можно объяснить недостаточной зрелостью бизнес-моделей двух участвующих отраслевых сегментов — автопроизводителей (OEM) и производителей электроэнергии.
Типичный вариант использования электромобиля варьируется в глобальном масштабе. В то время как европейские водители электрокаров ожидают, что их автомобиль будет способен преодолевать длительные расстояния, водители электромобилей из Азии напротив, предпочитают передвигаться на небольшие расстояния в мегаполисах. Мощные зарядные станции постоянного тока позволят использовать электромобили как для движения на дальние дистанции, так и на короткие. Однако простого расширения сети зарядных станций переменного тока в городе будет недостаточно, поскольку меньшее время зарядки аккумуляторов приведут к чрезмерно долгому времени ожидания и очередям.
Увеличение емкости аккумуляторов для увеличения дальности движения может быть полезным только в том случае, если аккумуляторы большей емкости не приводят к еще большему времени заряда. При мощности зарядной станции для электромобилей мощностью 350 кВт можно было бы получить до 300 км дополнительного диапазона движения в течение всего нескольких минут. Это превратит электромобили и их «остановки для дозаправки» в приемлемо короткие перерывы (сравнимые с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания), и станция зарядки постоянного тока будет быстро доступна для следующего транспортного средства. Однако 350 кВт зарядной мощности при токах до 500 А являются пиковой нагрузкой для всего пути прохождения тока от зарядной станции к аккумулятору автомобиля.
Большой ток, протекающий по зарядной цепи, вызывает большие тепловые потери, поскольку электрическое сопротивление всех компонентов (разъемов, кабелей) неизбежно генерирует тепло. Эти потери тепла должны быть учтены при проектировании и определении размеров всех электропроводящих компонентов, чтобы избежать перегрузки или перегрева, или контролируемого снижения зарядного тока, если аккумулятор начинает перегреваться во время заряда. Хотя снижение номинальных характеристик защищает аккумулятор, оно также продлевает время зарядки. Это расхождение целей должно быть решено оптимальным способом.
«Тепловой менеджмент» может сделать это, прогнозируя точное состояние всех компонентов в каждом сегменте конструкции в любое время.
Основные вызовы перед мощными зарядными станциями
HPC DC представляет собой состояние пиковой нагрузки для электрической системы электрического автомобиля. Высокий зарядный постоянный ток мощной зарядной станции (HPC) вызывает значительное повышение температуры во всех компонентах. Это еще более усугубляется, когда транспортное средство не движется, потому что нет никакой конвекции для охлаждения. Следовательно, чтобы облегчить нагрев от зарядного тока, вся электрическая система от точки зарядки до аккумулятора автомобиля должна быть разработана и рассчитана как электрически, так и термически.
Основной вклад в решение этой проблемы заключается в том, что чем выше ток, тем больше необходимое поперечное сечение кабеля для передачи энергии при том же уровне напряжения без перегрева. В автомобиле это в первую очередь вопрос веса и свободного пространства. Например, это имеет существенное значение с точки зрения стоимости, веса и объема в отношении того, будет ли достаточным поперечное сечение 50 мм2 или 95 мм2 между кабельным вводом и аккумулятором.
Привлекательным вариантом является повышение напряжения, при котором удастся снизить зарядный ток, но мощность останется прежней. Хотя определение размеров электрических компонентов потенциально учитывает нежелательную дополнительную массу авто, оно также приближается к пределу веса в случае фиксированных зарядных кабелей (кабели режима 4). Если HPC DC является реалистичным предложением, следует избегать чрезмерных сечений кабеля и всех других электрических компонентов.
Современная конструкции электрических компонентов
На сегодняшний день проектирование электрических компонентов для сильноточных цепей основано на предположениях, которые действительно не подходят ни для динамических профилей нагрузки при вождении, ни для требований HPC DC. Существующие стандарты основаны на точках статической нагрузки, которые первоначально использовались для проектирования реле и (выключателей) предохранителей, которые определяются статистическими методами, отражающими частоту их возникновения и важность. Это приводит к среднеквадратичным значениям (RMS), представляющим статические условия (рисунок ниже).
Компоненты электрических соединений спроектированы в соответствии с этим типом нагрузки, который не отражает реальность, плюс добавлен запас прочности в 20%. Фактический профиль нагрузки в электромобиле, однако, резко отличается от предыдущих применений транспортного средства и их среднеквадратичных значений (рисунок ниже).
Рисунок выше объясняет, почему тепловой расчет так важен для процесса заряда аккумуляторов в электромобиле. Вождение приводит к очень динамическому профилю тока, состоящему из изменений нагрузки между высокими и низкими пиковыми значениями, в то время как постоянная большая нагрузка во время зарядки с использованием мощного зарядного устройства постоянного тока (HPC) вообще не совпадает с профилем нагрузки, полученном в результате вождения. Для облегчения пиковой нагрузки в 350 кВт зарядная мощность требует другого подхода к проектированию электрических компонентов.
В то время как электрическая энергия, запасенная в батарее, обычно расходуется в течение нескольких часов вождения, израсходованное большое количество энергии поступает в батарею во время высокопроизводительного процесса заряда постоянным током в течение нескольких минут. Соответственно, полный путь высокого напряжения / большого тока должен быть проанализирован на системном уровне, чтобы понять его поведение во время зарядки (рисунок ниже). Среднеквадратичные значения не очень подходят для этого расчета, как было подробно описано ранее.
Важно знать, где постоянная нагрузка может вызвать перегрев, который может привести к критическому состоянию системы. Данный тепловой угол должен быть проанализирован более внимательно. Используемые в настоящее время методы анализа не дают необходимых ответов.
В результате, существующие системы имеют статический размер из соображений безопасности. При мощности зарядного устройства в 350 кВт этот подход не является устойчивым из-за влияния на вес, место установки и удобство использования.
Для решения этой проблемы TE Connectivity разрабатывает новый подход к проектированию в рамках своей деятельности в ZVEI (Немецкая ассоциация производителей электрооборудования и электроники). Суть подхода заключается в том, чтобы динамически определять повышение температуры, вызванное нагревом компонентов, а также рассеивание тепла в системе, с помощью установленных принципов моделирования (которые используются для электрических систем). Эта методология позволяет изучить конструкцию компонента ранее, чтобы предсказать его производительность во время работы.
Тепловое моделирование на основе математической модели обеспечивает поддающуюся проверке основу для будущих профилей нагрузки, которые облегчают проверку безопасности, надежности и доступности всех компонентов межсоединения в контуре высокого напряжения / большого тока.
Важность теплового моделирования
Физика передачи электрической энергии вызывает рассеивание мощности в виде выделения тепла в проводнике при протекании электрического тока. Основной причиной является электрическое сопротивление (измеряется в Омах) всех металлических проводников.
Сопротивление присуще каждому элементу электрической цепи. Однако омическое сопротивление изменяется с увеличением температуры во время работы. Величина рассеиваемой мощности, которая происходит в конкретном элементе, может быть рассчитана для определенного тока, напряжения и температуры, хотя только для стационарного состояния, когда все пути рассеяния тепла сбалансированы.
Существующие методы динамического расчета полного пути высокого напряжения на системном уровне не очень практичны. Чтобы применить хорошо известный метод, такой как анализ методом конечных элементов (FEA), необходимо было бы выполнить несколько расчетов в быстрой последовательности для каждой рабочей точки. Понятно, что для продолжения тепловых расчетов в реальном времени (в автомобиле) требуется другая методология, которая требует гораздо меньших вычислительных мощностей.
Одна из проблем заключается в том, что рассеяние тепла по линии высокого напряжения приводит к сравнительно медленной системе. В зависимости от массы отдельного компонента и смежных доступных радиаторов для отведения от него тепла, он будет по-разному реагировать на изменение профилей нагрузки.
Облегченные элементы с ограниченной возможностью отвода тепла могут стать узким местом для управления температурным режимом. Если генерируемое тепло не может быть рассеянно в достаточном количестве, компонент временно становится адиабатическим элементом (то есть находится в состоянии без теплообмена с окружающей средой) без какой-либо возможности оказывать внешнее влияние на процесс его нагрева. Термически узкие места такого типа необходимо понимать так, чтобы система не создавала ненужных ограничений или напряжений.
Кроме того, рассеивание тепла происходит по нескольким путям. В дополнение к теплоотдаче в самом материале, также существует доля теплового излучения и тепловыделения через охлаждающий воздух или потоки охлаждающей жидкости (конвекция). Для каждого компонента на пути зарядного тока, сочетание этих трех элементов будет различным.
Когда электрические компоненты нагреваются, срок их службы уменьшается, так как перегрев ускоряет электрические (или механические) изменения свойств компонента. Чем сильнее элемент нагревается, тем быстрее процесс старения и тем ниже остаточный уровень производительности компонента.
Вызов перед HPC
Поэтому необходимо найти другой инструмент, который может обеспечить своевременное определение безопасного и экономически обоснованного проекта «токового» пути для HPC DC — и обеспечить доказательство его безопасности. Использование проверенного системного теплового моделирования позволяет автоматически тестировать практически неограниченное количество возможных профилей нагрузки. Это выявит потенциальные тепловые узкие места в системе, которые можно устранить путем внесения изменений в конструкцию.
Использование этой методологии может уменьшить последующие усилия по устранению неполадок. Уменьшение исследуемых усилий может быть значительным, поскольку тепловая система очень сложна. Точная основная причина может быть не в первоначально диагностированном компоненте, а скорее в соседнем компоненте на пути отведения тепла.
Метод системного моделирования
Эта усовершенствованная методология системного моделирования, которая рассчитывает тепловые потери вдоль силовой цепи при динамически изменяющихся условиях нагрузки, основана на законах Кирхгофа. Его «правило узлов» и «правило контура» утверждают, что сумма всех токов в «узле» и сумма всех напряжений в «контуре» должны быть равны нулю.
В то же время правило гласит, что энергия всегда сохраняется. Это означает, что ток, который превращается в тепло (тепловые потери) из-за электрического сопротивления, не теряется. Вместо этого тепловая энергия в точности равна разнице между электрической энергией, поступающей в цепь, и энергией, которая доступна в «общей системе». Эквивалентные схемы используют непосредственную линейную зависимость между электрическим и тепловым поведением.
Следовательно, эквивалентные принципиальные схемы (рисунок ниже) служат для моделирования связанных электрических и тепловых характеристик. Точно так же, как напряжение посылает ток через резистор, разность температур вызывает перенос тепла. Различные физические формы транспортировки энергии (проводимость, конвекция, излучение) представлены резистором. Сохраненные алгебраические уравнения в компонентной модели постоянно рассчитывают тепловыделение в зависимости от приложенного тока и напряжения, а также от температуры окружающей среды.
Основываясь на процессе тепловыделении, различные возможности для отвода тепла представлены резисторами (тепловыми барьерами) и тепловыми массами / мощностями в эквивалентной электрической схеме. Диаграмма представляет перенос тепла, разрешенный в пространстве через проводимость в материале, через излучение и через конвекцию.
Используя этот довольно простой метод, можно моделировать отдельные компоненты (например, контакт), целые продукты (например, разъем, например, на рисунке ниже) или высоковольтный путь, так как тепловыделение предсказуемы с помощью петля-образование.
После того, как модели кабелей поступят от производителей, также можно рассчитать промежуточные секции. Кроме того, можно интегрировать компоненты от разных производителей (в соответствии с бортовой сетью) — все, что требуется, это ввести электрические параметры, специфичные для производителя. В рамках модели эти параметры применяются к алгебраическим уравнениям, которые следуют законам Кирхгофа. По сути, модель описывает тепловыделение и теплообмен с окружающей средой.
Моделирование может определять, например, местоположение источников тепла и радиаторов; когда уровень температуры становится критическим и начинается процесс сокращения срока службы компонента; как компонент интегрируется в более крупный кластер; и где можно обнаружить адиабатические состояния и какое влияние оно оказывает.
Во время разработки исходной модели итерации между моделированием и тестированием (необработанные данные лабораторного исследования) служили для уточнения алгебраической части модели до тех пор, пока точность прогноза не соответствовала результатам теста.
С помощью полученной методологии моделирования профили динамической нагрузки можно тестировать для каждого компонента на высоковольтном испытательном стенде с минимальной вычислительной мощностью.
Усиление безопасности
Вычислительная мощность, необходимая для теплового моделирования на основе эквивалентных принципиальных схем, настолько мала, что возможно выполнить эту процедуру как непрерывную рутинную задачу на типичном автомобильном электронном блоке управления (ЭБУ). Таким образом, фактические профили нагрузки реального вождения можно рассчитать в реальном времени.
Моделирование предоставляет данные, которые помогают повысить функциональную безопасность. Данные моделирования и датчиков взаимно дополняют друг друга как неоднородные диагностические процедуры. Для автономных транспортных средств, которые требуют многократного резервирования по соображениям безопасности, это может внести вклад в концепцию безопасности.
Проектирование высоковольтных компонентов для автомобиля
Системное тепловое моделирование значительно продвигает конструкцию высоковольтных компонентов для транспортного средства, ориентированную на нагрузку, к реальным условиям эксплуатации. Как знают производители, очень важно иметь возможность прогнозировать производительность компонента на этапе его разработки. Системное и динамическое тепловое моделирование точно показывает ожидаемые эффекты в результате износа и старения во время работы. Таким образом, сложная система, такая как высоковольтный тракт, может быть смоделирована и ее поведение может быть предсказано. Кроме того, симуляция может охватывать широкий диапазон тестирования, который никогда не будет достигнут в лабораторных условиях.
Оставьте комментарий