博世助力汽车行业迈向电气化未来
博世等汽车电气元件和系统供应商正在推动全球汽车行业向电动汽车转变。博世团队通过仿真驱动的设计流程对三相逆变器及其直流支撑电容器（DC-Link Capacitor）进行了优化，从而能够在研发早期就发现具有潜在破坏性的“过热区”。
作者 Alan Petrillo
2021 年 12 月
就像巴黎的游客会被卢浮宫吸引一样，德国斯图加特的游客也会成群结队地涌向展示这座城市伟大作品的博物馆。巴黎或许因德加或莫奈而自豪，但斯图加特同样因梅赛德斯-奔驰和保时捷而闻名世界。这些著名的汽车制造商都在这个他们称之为“家”的德国西南部城市设立了博物馆，熠熠生辉的展厅里陈列了许多历史悠久且具有影响力的汽车，这些汽车几乎都是由燃油内燃机提供动力。未来，斯图加特可能仍将是德国汽车工业的中心，但内燃机汽车在汽车行业的核心地位还能继续维持下去吗？
即使是最成功的制造商也必须适应不断变化的环境，德国汽车企业及其全球合作伙伴正在通过开发 电动汽车 来实现这一目标。作为一家成立于斯图加特的汽车公司，罗伯特·博世（Robert Bosch）公司当前关注的一个重点即为电动汽车，他们为全球的汽车制造商提供电动传动总成、系统和零部件。
随着汽车工业向电气化未来快速发展，博世正在加速其电动传动系统的基本组件的研发。逆变器是该系统中的一个组件，用于将汽车电池的直流电转换为交流电，从而为电机提供动力（图1）。逆变器提供平稳电流的能力取决于其集成的直流支撑电容器（图2）。“电容器是逆变器中最昂贵的组件之一，其性能直接影响逆变器的性能和可靠性，对传动系统的运行至关重要。”博世汽车电子高级专家 Martin Kessler 解释道。
为了实现宏大的电气化目标，全球汽车行业需要对逆变器及其电容器进行不断的改进和优化。Martin Kessler 和他的团队依靠多物理场仿真来测试和改进博世的直流支撑电容器，并基于仿真分析对新设计的样机进行了完善和优化。“仅靠测试根本无法预测潜在的问题，我们需要保持仿真和样机设计齐头并进。”Kessler 说道。
电动汽车的新时代
“司机们，发动你们的引擎！”仿佛听到了开启一场全球性比赛的号召，世界各地的人们纷纷发动轰隆作响的内燃机引擎，开始了他们一天的生活。但这种熟悉的声音似乎并不美好，尤其是当汽车尾气排放对环境的影响越来越严重时。为了减少尾气排放及其对全球气候变化的影响，汽车工业正在加快电动汽车和卡车的生产。如今，许多大众熟知的汽车企业都开发了自身品牌的电动汽车，但实际上，这些汽车引擎盖下的组件系统往往依赖于外部供应商的技术和专业知识。
对于一个全球性的支柱产业来说，这是一个重大的转变。领先的汽车制造商通常是全球最大的雇主之一，他们的研发和生产能力很大一部分都被投入到生产燃油发动机上，从通用汽车（General Motors）到宝马（Bayerische Motoren Werke，BMW）的命名中，就可以看出内燃机在这些公司中的核心地位。为什么以发动机闻名的公司会向外寻求帮助来制造汽车？在某种意义上，也许是因为电气化正在迫使该行业学习如何生产一种完全不同类型的引擎。
电动传动系统的内部构造
制造一辆纯电动汽车，并不仅仅是用电动机代替发动机，或者用电池代替油箱。这些常见的设备只是复杂系统的一部分，还需要通过不断地调整以适应每辆车运行时不断变化的工况，从而提供平稳、可靠的性能（图3）。
不可或缺的逆变器和至关重要的电容器
逆变器在汽车传动系统中的工作原理很简单，但在实践中却非常复杂。它必须通过电池提供的直流电来满足驱动电机的交流用电需求，同时还必须适应负载、电量、温度，以及可能影响系统各部件性能的其他因素的持续波动。所有这些要求都必须在严格的成本控制和空间限制下实现，并且这些组件必须在未来几年内仍能保持良好的性能。
要了解逆变器的功能，就要考虑三相交流电机需要什么才能运行。如果连接到直流电流，电机不会旋转。它需要的是三种波形不同且互补的交流电，才能使其三组励磁线圈以一定顺序的磁性吸引转子的各个部分产生转动。“为了控制电机的运动，我们必须控制逆变器输出电流的幅值和频率，电机的速度与频率成正比，而振幅有助于确定其扭矩。”Kessler 解释道。
“流过晶体管的理想电流波形的斜率通常很大，实现这种高斜率电流开关模式的唯一方法是在电源通路上保持非常低的电感。”Kessler 说道。电感阻碍电流的变化，而电流的任何微小变化都将受到反向感应电压的限制，这将影响理想电流波形和电机的平稳旋转。
为了减少晶体管电源通路中的电感，在电池的输入引线两端并联了一个电容器，该电容器放置在晶体管附近，为晶体管提供理想的电流波形，被称为直流支撑电容器（图5）。电容器的低阻抗使电池侧的所有纹波电压降至最低。
一个典型的电容器由两个电极组成，电极中间由绝缘间隙隔开，这个间隙可能是空气或某种材料。博世使用的是金属聚丙烯薄膜电容器，薄膜的每一面都喷涂了一层薄薄的金属涂层（形成电极），以提供必需的介电间隙，然后将金属薄膜紧密缠绕成罐状。与逆变器一样，电容器的原理虽然简单，但实际隐藏着需要多方面考虑的工程设计问题。
设计直流支撑电容器面临的挑战
电容器被广泛应用于各种各样的电子设备中。在过去的7年里，Martin Kessler 一直负责博世的直流支撑电容器设计。他1989 年加入博世，自2010 年以来一直负责电动汽车技术工作。这样一位经验丰富的工程师致力于研究这一组件，也说明了电容器的重要性和复杂性。
“为什么我们不能直接从市场上购买一个电容器？” Kessler 反问道，“这取决于多个相互依赖的因素。首先，我们对电容器的性能和可靠性有很高的要求。其次，我们对空间尺寸要求非常严格。第三，我们对温升要求非常严格，因为电容器中的聚丙烯薄膜最高只能耐受105 °C左右的温度。整个逆变器的电磁和热特性的相互作用使这个问题更加复杂。最后，电容器相对而言比较昂贵。”Kessler 解释道。
仿真（而非运气）有助于解决“黑箱”问题
为了应对直流支撑电容器的设计挑战，Kessler 开发了一种将试验测试与多物理场仿真相结合的设计流程。基于仿真的分析是他工作中不可或缺的一部分，他举例说，高温和耦合效应会产生过热区而导致器件失效，但是寻找和测量这些潜在的过热区难度较大。“我们曾尝试通过在样机内部放置多个热电偶，并测量不同负载点的温度来定位过热区。但必须得承认，如果没有非常好的运气，我们可能永远找不到这样的过热区！我们需要非常幸运才能将热电偶放置在正确的位置。”Kessler 笑着说。
“简单的2D电容器模型也是不够的，”Kessler 继续说道，“逆变器是一个具有内部谐振和复杂的损耗分布的分布式系统，电磁-热耦合分析必须考虑集肤效应和邻近效应。如果不采用 3D 有限元方法，我们无法计算出峰值温度的绝对值，也无法模拟电磁-热耦合效应的空间分布。对于这种复杂的任务，COMSOL Multiphysics® 能够完美胜任。”（图6–图7）
在设计流程中，Kessler尽可能根据测量结果验证仿真模型，并使用经过验证的模型找出潜在问题（图8）。“通过仿真定位模型中的过热区域，可以帮助我们避免很多在开发后期，甚至在样机开始生产之后出现的问题，”Kessler 说道，“这样一来，我们就可以根据准确的仿真结果，在早期就对设计进行调整。”
“我们对每一个新的设计都进行电磁建模和验证，将计算出的等效串联电阻 （equivalent series resistance，ESR）曲线与试验测量结果进行比较（图9）。如果这些曲线一致，我们就可以为稳态和瞬态热计算设置边界条件。”Kessler 说，“我们可以将热电偶测得的温度曲线与 COMSOL Multiphysics® 模型中的探针结果进行比较。如果结果一致，我们就可以模拟必须将温度保持在限定范围内的所有关键工况。”通过 LiveLink™ for MATLAB® 产品，我们可以将数据导入 COMSOL Multiphysics® 软件中。
“在进行仿真分析之前，我们必须考虑应该将哪些因素纳入模型中。代工厂提供的一些变量，例如最大直流支撑电压与我们的仿真不太相关，但是电流、开关频率、电机参数和调制策略等因素都有助于定义电流频谱。我们需要计算输出的所有三相电流的频谱，用于确定功率损耗。只要获得功率损耗，我们就可以使用 COMSOL Multiphysics® 对电流频谱的频率进行谐波分析，然后将所有谐波的损耗加和得到最终的结果。”Kessler 解释道。
其他重要的值包括边界条件，可以帮助 Kessler 和他的团队确定耦合效应。“我们使用COMSOL软件的附加产品 AC/DC 模块计算电容器的寄生电感，并发现了通过电容器绕组或内部母线的完整直流损耗分布。然后将这些结果进行耦合，并通过传热模块确定封装零件与温度相关的电阻率，最终使我们能够确定由电磁特性导致的过热区域的温度峰值。”Kessler解释道。
仿真分析结果可能会改变设计。Kessler 总结说，一个新的电容器设计通常要经过三轮测试。“从一个阶段到下一个阶段，引入仿真优化后性能提升更加明显。我们的知识在快速增长，这将反映在最终产品中。”与之前的设计相比，最新一代的博世逆变器的工作范围扩大了 6%，功率密度提升了200%。
加速汽车行业电气化
Martin Kessler 认为，随着汽车制造商将更多的产品线转向电力驱动，快速、低成本的研发需求也会增加。“电动汽车正在成长，我们预计代工厂将向我们提出更多不同的需求，比如，不同功率等级的逆变器，以及更严格的空间尺寸限制。我相信，未来会有更多的产品需要新的电容器设计，借助仿真驱动的开发方法，我们有信心跟上这一增长步伐。” Kessler 说道。
在不久的将来，也许斯图加特汽车博物馆的游客会驻足欣赏历史性的电机和逆变器，正是它们推动汽车行业进入一个全新的电气时代。
MATLAB 是 The MathWorks, Inc. 的注册商标。