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ボッシュは自動車産業の電動化の未来に力を注ぎます

世界的な電気自動車への移行は, 自動車メーカーに電気部品やシステムを提供している Robert Bosch 氏のような業界のサプライヤーによって後押しされています. Bosch 氏のチームは, シミュレーションを駆使した設計プロセスで三相インバーターとその DC リンクコンデンサーを最適化し, 開発サイクルの早い段階で破壊的な可能性のあるホットスポットを特定できるようにします.


Alan Petrillo 著
2021年12月

パリの観光客がルーブル美術館に惹かれるように, ドイツのシュトゥットガルトを訪れる観光客もまた, この街の名作を展示する美術館に集まってきます. ドガやモネこそいないものの, シュトゥットガルトには, パリの画家以上に有名な人物がいるのです. メルセデスベンツとポルシェです. ドイツを代表する自動車メーカーであるメルセデスベンツとポルシェは, それぞれこの南西部の都市に博物館を構えています. そのほとんどが石油を燃料とする内燃機関 (IC) エンジンを搭載した, 歴史的で影響力のある自動車が展示されています. シュトゥットガルトはこれからもドイツの自動車産業の中心であり続けるでしょうが, IC エンジンはいつまで自動車の中心であり続けるのでしょうか.

どんなに成功しているメーカーでも, 状況の変化には対応していく必要があります. ドイツの自動車産業は, 世界の自動車メーカーと同様に, 電気自動車の開発によって, この課題に取り組んでいます. 電気自動車は, シュトゥットガルトで創業したもうひとつの大手自動車メーカー, Robert Bosch 氏の重要なテーマとなっています. 現在, Bosch は世界中の自動車メーカーに電気自動車の電動駆動列, システム, コンポーネントを供給しています.

図1.自動車の駆動列用の Bosch の三相インバーター.

自動車産業が電化された未来に向かって競争する中, Bosch は電気駆動列の重要な構成要素への研究開発を加速しています. これらのコンポーネントの1つはインバーターで, 車のバッテリからの DC 電流を AC 電流に変換して, ドライブモーターに電力を供給します (図1). スムーズな電流の流れを提供するインバーターの能力は, 内蔵の DC リンクコンデンサーに依存します (図2). 「コンデンサーは, インバーターの最も高価なコンポーネントの1つです. その性能は, ドライブトレインの動作の基本であるインバーターの性能と信頼性に直接影響します」 と, Bosch の自動車用電子機器の上級専門家である Martin Kessler 氏は説明します.

図2. 典型的な DC リンクコンデンサー. 右側がバッテリインターフェース, 前面がトランジスタコネクター.

世界の自動車産業が野心的な電動化目標を達成するためには, インバーターとそのコンデンサーを継続的に改善および最適化する必要があります. Martin Kessler 氏と彼のチームは, Bosch の DC リンクコンデンサーのテストと改良にマルチフィジックスシミュレーションを利用しています. シミュレーションによる予測解析は, 新しい設計のライブプロトタイピングを補完し, 最適化するものです. 「試験だけでは潜在的な問題を予測することはできません. シミュレーションとプロトタイピングの両方を同時に行う必要があります」 と Kessler は言います.

電気自動車の時代がやってくる

「ドライバー, エンジンを始動してください!」 世界的なレースを始めるという呼びかけに耳を傾けているかのように, 世界中の人々は, ゴロゴロと鳴る IC エンジンを始動することから日々を始めます. しかし, このなじみのある音は, 自動車が排出する環境負荷が明らかになるにつれて, 不吉なものに思えてきます. そこで自動車業界では, 地球温暖化防止を目的に, 電気自動車や電気トラックの生産を拡大しています. 現在販売されている電気自動車の多くは, おなじみのブランド名を冠していますが, その中身は外部サプライヤーの技術やノウハウに依存している場合が多いのです.

これは, 世界の主要産業にとって, いかに重要な変化であるかに注目すべきです. 大手自動車メーカーは世界有数の雇用主であり, 従業員, 研究開発, 生産能力の大部分を IC エンジンの生産に割いています. General Motors (GM), Bayerische Motoren Werke (BMW) など, 内燃機関が重要な位置を占めているのは, 社名にも表れています. なぜ, エンジンで有名な企業が, 自動車を走らせるために外部に頼るのでしょうか. それは, ある意味, 電動化によって, まったく別のタイプのマシンを生産する方法を学ばなければならなくなったからかもしれません.

電気駆動列の構造

完全な電気自動車を作るには, エンジンを電気モーターに, ガスタンクをバッテリに置き換えるだけでは不十分です. このような使い慣れたデバイスは, より大きなシステムの一部にすぎず, すべての車両が動作しなければならない絶えず変化する条件に適応することで, スムーズで信頼性の高いパフォーマンスを提供するのに役立ちます (図3).

図3. 一般的な電気駆動列の動作を説明するのに役立つ Bosch の回路図. 琥珀色の線は, 画像の右側から左側に向かって, システムを流れる駆動電流の経路を示しています. パスは, 外部接続から AC 電力網への電力を受け入れる充電器コンバーターから始まります. 充電器コンバーターは, 車の中央に示されているバッテリに DC 電流を供給します. バッテリは, ドライブモーターアセンブリの上に取り付けられた, 車の前部に示されている3相インバーターに DC 電流を供給します. インバーターは DC を三相 AC 電流に変換して, 車の駆動モーターに電力を供給します.

不可欠なインバーター, 重要なコンデンサー

自動車の駆動列におけるインバーターの役割は, 概念的には単純ですが, 実際には複雑です. インバーターは, バッテリによって提供される DC でモーターの AC 要求を満たす必要がありますが, 負荷, 充電, 温度, およびシステムの各部分の動作に影響を与える可能性のあるその他の要因の継続的な変動にも適応する必要があります. これらはすべて, 厳しいコストと空間的制約の範囲内で発生する必要があり, コンポーネントは今後数年間このパフォーマンスを維持する必要があります.

図4. Bosch の三相インバーターのコア回路の構成図. バッテリは DC 電流を供給し, これは3組のトランジスタの作用によって三相 AC 電流に変換されます. トランジスタのオン, オフを正確に切り替えることで, 3つの異なる相で交流電流を生成し, 車の駆動モーターを回転させます.

インバーターの機能を理解するために, 三相交流モーターが動作するために何が必要かを考えてみましょう. DC 電流を流すと, モーターは回転しません. そのため, 3つの異なる, しかし相補的な波形を持つ交流電流を流す必要があります. これにより, 3分割された界磁コイルでローターのセグメントを順次, 磁力で引きつけることができます. 「モーターの動きを制御するには, インバーターの電流出力の振幅と周波数を制御する必要があります」 と Kessler 氏は説明します. 「モータの速度は周波数に比例し, 振幅はトルクを決定するのに役立つのです」.

「トランジスタに流れる目的の電流波形は, 比較的急な勾配を持っています. この高い勾配でスイッチモード電流を実現するには, ソース経路のインダクタンスを非常に小さくするしかないのです」 と Kessler 氏は述べます. インダクタンスとは, 電流の流れの変化に対抗する特定の力のことです. 電流がわずかに変化するだけで, 誘導された逆電圧によって制限され, 目的の波形, つまりモータの滑らかな回転が乱されます.

図5. DC リンクコンデンサーは, 金属化ポリプロピレンフィルムを細長い円筒形に巻いたものです.

トランジスタのソース経路のインダクタンスを低減するために, バッテリからの入力リード線を挟んで並列にコンデンサーが配置されます. これを DC リンクと呼びます. DC リンクコンデンサー (図5) は, トランジスタの直近に配置され, トランジスタを介して望ましい電流波形を提供します. コンデンサーのインピーダンスが低いため, バッテリ側に残るリップル電圧は最小限に抑えられます.

一般的なコンデンサーは, 絶縁ギャップ (空気または何らかの物質) によって分離された2つの電極で構成されています. このアプリケーションでは, Bosch は金属化ポリプロピレンフィルムを使用したコンデンサーを採用しています. フィルムの両面に電極となる金属を薄くコーティングすることで, 必要な絶縁ギャップを提供します. 次に, この金属化フィルムをしっかりと巻いて, 円筒形にします. インバーター自体と同様, コンデンサーの概念的な単純さの中には, 多面的なエンジニアリング設計上の問題が隠されています.

車載インバーター用の DC リンクコンデンサー設計の課題

コンデンサーは, 無数の電子機器に搭載され, 広く普及している部品です. Martin Kessler 氏は, 過去7年間 Bosch にて DC リンクコンデンサー設計の責任者を務めています. 彼は1989年から同社に勤務し, 2010年から電気自動車技術に携わってきました. このような経験豊富なエンジニアがこの1つのコンポーネントに専念していることは, その重要性, そして複雑さを示していると言えるでしょう.

「なぜ, 市場からコンデンサーを入手することができないのでしょうか?」 と Kessler 氏は修辞的に問いかけます. 「そこには, 複数の相互依存的な要因が働いているのです. まず, 性能と信頼性に対する要求が高いことです. 第二に, 非常に厳しい空間的要件があることです. 第三に, コンデンサーのポリプロピレンフィルムが約105 ℃ までの温度にしか耐えられないため, 難しい熱的制約に直面することです. この問題は, インバーター全体の電磁気的活動と熱的活動の相互作用によって, さらに深刻なものとなっています. そして最後に, コンデンサーが比較的高価であることです」と Kessler 氏は説明します.

ブラックボックス問題を解決するのは (運ではなく) シミュレーション

DC リンクコンデンサーの設計上の課題を解決するために, Kessler 氏は実験的試験とマルチフィジックスシミュレーションを組み合わせたプロセスを開発しました. シミュレーションによる解析が必要な理由の一例として, 彼は, 高熱と連成効果が故障の原因となる潜在的なホットスポットの発見と計測の難しさを挙げています. 「プロトタイプ内に多数の熱電対を配置し, さまざまな荷重点での温度を測定することで, ホットスポットを特定しようとしています」と Kessler 氏は言います. 「しかし, 私がいつも言っているように, よほどの幸運がなければ, このようなホットスポットを見つけることはできません! 熱電対を正しい位置に配置するには, 運が必要なのです」 と彼は笑います.

「コンデンサーの単純な2D モデルでも不十分です」 と Kessler 氏は続けます. 「インバーターは, 内部共振や複雑な損失分布を持つ分散システムです. 電磁波と熱の連成解析では, 表皮効果と近接効果を考慮する必要があります. 3D 有限要素法なしでは, ピーク温度の絶対値を計算することはできません. これにより, 電磁波と熱の連成効果の空間分布もモデル化することができるのです. これは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアにぴったりな作業です」 と Kessler 氏は言います (図6-7).

図6. DC リンクコンデンサー設計内部での電磁波効果のシミュレーションを示す 3D モデル画像.
図7. ユニット内の損失分布の計算を助ける, コンデンサーから発生する電磁場のモデル.

Kessler 氏の設計プロセスでは, 可能な限り測定結果に対してシミュレーションモデルを検証し, 検証されたモデルを使用して潜在的な問題をピンポイントで特定します (図8). 「モデルのホットスポットを特定することで, シミュレーションは, 開発プロセスの後半や生産開始後に現れるであろう問題を回避するのに役立ちます」 と Kessler 氏は言います. 「代わりに, 具体的な結果を得て, プロセスの早い段階で調整を行うことができるのです」

図8. DC リンクコンデンサー設計内部の熱効果のシミュレーションを示す3D モデル, およびコンデンサー内のホットスポット位置を示す切断面図.

「私たちは, 新しい設計のたびに EM モデリングと検証を行います. 計算された等価直列抵抗 (ESR) 曲線と, プロトタイプで測定された ESR 曲線を比較します (図9). これらの曲線が一致している場合, 定常および過渡熱計算の境界条件を設定することができます」 と Kessler 氏は述べています. 「熱電対の温度曲線と COMSOL Multiphysics® モデルのプローブの結果を比較します. それらが一致すれば, 温度を制限内に保つ必要があるすべての臨界点をシミュレーションできます」 曲線データは, LiveLink™ for MATLAB® インターフェース製品を介して COMSOL Multiphysics® ソフトウェアに取り込まれます.

図9. シミュレーションで計算された ESR 曲線と, プロトタイプの測定から得られた ESR 値を比較したプロット. これらの曲線のアラインメントは, さらなる解析のためにモデルの妥当性を確認するのに役立ちます.

「その前に, どの要素をモデルに組み込むべきかを考えなければなりません」 と Kessler 氏は言います. 「OEM から受け取った変数の中には, 最大 DC リンク電圧のように, シミュレーションにあまり関係のないものもあります」 と彼は続けます. 「しかし, 電流, スイッチング周波数, e-machine の値, および変調方式はすべて, 電流スペクトルを定義するのに役立ちます. 電力損失を求めるには, 出力の3相すべてについて電流スペクトルを計算する必要があります. 次に, COMSOL Multiphysics® を使用して電流スペクトルの周波数の調和解析を行うことができます. その後, 各高調波について損失を合計します」 と Kessler 氏は説明します.

その他の重要な値としては, 境界条件があります. これらは, Kessler 氏と彼のチームが連成効果を決定するのに役立ちます. 「AC/DC モジュールでコンデンサーの寄生インダクタンスを計算します」 と Kessler 氏は言います. 「また, コンデンサー巻線または内部バスバーを通る完全な DC 損失分布も求めます. 次に, 結果を結合して, 熱伝達モジュールを使用してカバー部品の温度依存抵抗率を求めることができます」 と彼は言います. 「これにより, 電磁波の影響による最大要素ホットスポット温度を求めることができます」.

彼らの解析の結果は, その後, 設計変更につながることもあります. Kessler 氏は, 新しいコンデンサーの設計は通常3回のテストを受けると説明しています. 「シミュレーションを使用すると, 1つの段階から次の段階への改善曲線がより急勾配になります. 知識が急速に増え, それが最終製品に反映されるのです」 Bosch の最新世代のインバーターは, 従来の設計と比較して航続距離が6 %, 電力密度が200 % 向上しています.

電動化がハイギヤにシフト

自動車メーカーがより多くの製品ラインを電気推進に転換するにつれ, 迅速でコスト意識の高い研究開発の必要性も高まると, Martin Kessler 氏は考えています. 「電気モビリティは今, 成長期を迎えています」 と彼は言います. 「OEM は, さまざまな出力クラスのインバーターや, より厳しい空間的制約を満たすインバーターなど, より多様なニーズを持って当社にやってくるでしょう」 と Kessler 氏は言います. 「新しいコンデンサーの設計を必要とする製品の数は, 今後も増え続けると思います. 当社のシミュレーション主導の開発手法なら, このような成長にも対応できると確信しています」.

今後, シュトゥットガルトの自動車博物館を訪れた人は, 新しい電気自動車時代の原動力となった歴史的なモーターやインバーターに感嘆の声を上げるでしょう.


MATLAB は, The MathWorks, Inc. の登録商標です.