차량용 전기모터의 시스템 통합 : 차량 혁신의 새로운 대안
전기 기계의 드라이브 사이클 기반 설계 및 최적화
장비의 효율, 출력, 과도
응답, 신뢰성 및 기타 측면은 차량 성능에 크게 기여합니다. 그렇기
때문에 실제 및 차세대 견인 모터가 다음과 같은 매우 중요한 설계 문제에 직면하고 있습니다.
Ÿ 매우
높은 효율성 수준(~95%)
Ÿ 넓은
속도 범위(클래스 II 차량의 경우 최대 ~14,000rpm)
Ÿ 현재
옵션에 비해 높은 전력 밀도
Ÿ 희토류
영구 자석 재료 감소 또는 없음
Ÿ 견고함, 제조 공정과 관련하여
Ÿ 특히
낮은 NVH 특성…
동시에 자동차의 목표 용도에 따라 모터는 다양한 작동 지점에서 사용됩니다. 이러한
작동 지점은 차량 특성과 일반적인 주행 주기의 함수입니다. 따라서 드라이브 사이클의 효과를 견인 모터의
설계 프로세스에 통합하려는 새로운 추세가 있습니다.
아래 제시된 설계 흐름은 다음과 같은 문제를 해결하는 데 이상적입니다.
- 첫 번째 단계에서는 일반적으로 시스템 수준 시뮬레이션을 수행하여 설계할 기계의 원하는 성능 요구 사항을 결정합니다. 이러한 분석의 결과는 다음 단계를 위한 입력입니다.
- 설계 시작 및 반복이 수행됩니다. 이 단계에서는 여러 설계 토폴로지 및 옵션을
고려하고 추가 분석을 위해 선택 범위를 좁힙니다. 이 단계가 끝날 때까지 얻은 기계
옵션은 이전 단계에서 결정된 성능 요구 사항을 충족합니다.
- 다음으로 추가 3D 분석을 수행하여 설계 성능을 추가로 검증하거나 장치 결함 분석을
수행합니다.
- 마지막으로 기계의 구동 및 냉각 시스템 설계를 위해 다중물리학 및 기타 유형의 분석 또는 시뮬레이션이 수행됩니다.
이러한 각 단계에서 구동 주기의 효과는 SIEMENS Simcenter 포트폴리오의 솔루션을 사용하여 통합할 수 있습니다. 이 기고는 전기 기계 모델링 및 시스템 통합을 위한 시스템 수준 시뮬레이션에 중점을 둡니다.
차량 요구 사항에서 모터 사양까지
차량의 주요 특성과 차량 성능 요구 사항에서 시작하여 목표는 전기 모터의 성능 요구 사항을 얻는 것입니다. 차량 정보는 예를 들어 질량, 공기역학적 매개변수, 바퀴 크기 및 감속비입니다.
차량 수준의 성능 요구 사항은 메인 모터 특성에 영향을 미칩니다. 예를
들어, 최고 속도와 변속비는 모터의 최대 속도를 결정합니다. 언덕
출발 기준은 최대 토크에 영향을 미치고 평평한 경사면과 언덕에서 지속 가능한 속도는 연속 출력에 영향을 줍니다.
모터 토크-속도 요구 사항을 정의하기 위해 Simcenter Amesim 에서 차량 수준 시스템 시뮬레이션 모델이 개발되었습니다.
이 모델에는 다음이
포함됩니다.
- 속도 목표를 따르기 위해 가속 페달과 브레이크 위치를 계산하는 운전자. 이
목표 속도는 정규화된 주기(WLTC, FTP …) 또는 시간 또는 거리의 함수에서 속도 목표가
있는 맞춤형 드라이브 주기로 정의할 수 있습니다.
- 종방향 차량, 견인 토크, 제동 토크, 회전 저항 또는 공기 역학적 항력과 같은 저항의 함수로 차량 가속도 계산
- 이 예에서 배터리는 정전압 소스로 단순화되었습니다.
- 모터
- 작동 조건에 따라 모터에 대한 토크 요청과 제동 토크를 정의하는 VCU
모터 모델은 이
초기 단계에서 단순화되었으며 최대 토크, 속도 및 전력을 매개변수화할 수 있습니다. 전력 소비는 현재 분석 대상이 아니므로 효율은 고정되어 있습니다.
이 모델은 다양한
주행 조건에서 먼저 사용되어 최고 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어 0에서 100km/h까지의 가속, 특정
도로 경사에서 지속 가능한 속도, 만재 차량으로 언덕 출발… 따라서
시뮬레이션을 통해 최대 및 연속 출력 및 토크를 설정할 수 있습니다.
그런 다음 NEDC(New European Driving Cycle) 및 WLTC(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle)와 같은 정규화된 주행 사이클을 시뮬레이션합니다. US EPA NYCC 테스트는 자주 정차하는 저속 도시 주행을 위해 특별히 개발되었습니다. 또한 사용자는 개인 운전 사이클을 구현할 수 있습니다. 여러 주기를 고려할 때 전기 모터의 성능 요구 사항은 예상대로 변경됩니다. NYCC 테스트 동안 모터는 저속 및 낮은 토크 조건에서 사용되는 반면 WLTC 사이클은 더 높은 속도 및 토크를 처리합니다. 드라이브 사이클을 기반으로 최종 설계 범위를 추출하기 위해 다양한 사이클의 결과를 중첩하여 설계 프로세스에 대한 입력으로 사용합니다.
모터 평가: 설계 검증
전기 모터의 설계가 완료되면 시스템 시뮬레이션을 다시 사용하여 성능 관점, 에너지
소비 관점에서 모터를 검증하고 냉각 시스템의 요구 사항을 정의하거나 운전 가능성과 같은 기타 속성을 조사할 수 있습니다. .
전기 모터가 Simcenter Motorsolve를 사용하여 설계되었다고
가정해 보겠습니다 . Simcenter Amesim은
Simcenter Motorsolve에서 생성된 플럭스 링키지 맵, 저항 및 철 손실을
수신할 수 있습니다. 우리의 경우 준 정적 등가 전기 회로 모델을 사용합니다. 이 모델은 모터의 비선형성을 고려한 다음 전류 수요, 토크 생성
및 열 방출에 대해 보다 예측 가능하므로 에너지 효율을 적절하게 예측할 수 있습니다.
모터 데이터는
다음을 포함하여 업데이트된 전기 파워트레인 모델에서 가져옵니다.
- 비선형 준정적 모터 모델
- 전역 효율 또는 전력 전자 부품의 특성으로 매개변수화된 DC/AC 인버터 모델
- 토크 대 전류 제어 모델은 토크 목표 및 회전 속도의 데이터 세트에 대한 최적의 전류 설정점을 제공합니다. 현재 설정값은 모터 및 인버터 매개변수에서 시작하여 앱으로 자동 생성됩니다.
WLTC 운전 사이클의 결과를 아래에 제시합니다. 모터는
사이클을 따를 수 있을 만큼 충분히 강력하며 토크 요청은 항상 모터가 제공할 수 있는 최대 토크보다 낮습니다. 사이클을
수행하려면 모터에 총 3.22kWh의 에너지가 필요합니다. 이
정보는 특정 범위 목표에 도달하기 위한 배터리 크기를 정의하는 데 사용될 수 있습니다. 이
모델은 열 부서에 경계 조건을 제공하는 모터에 의해 거부된 총 열을 추정합니다
주행 중에 회생 제동 전략의 중요성
최적의 회생 제동
전략을 정의하는 것은 전기 기계의 손실을 최소화하는 것만큼 중요합니다. 아래에서 볼 수 있듯이
다양한 간단한 제어 전략이 있습니다.
- Series : 모터는 차량을 부수고 배터리를 재생하는 데 사용됩니다. 모터가
요청된 토크를 제공할 수 없는 경우 VCU는 차량 브레이크를 사용하여 제동을 완료합니다.
- Fixed repartition : 모터와 기계식 브레이크는 고정 재분할과 함께 사용됩니다.
- Full parallel : 모터와 차량 브레이크가 함께 사용되며 모터는 운전자
브레이크 토크가 최대일 때 최대 토크를 제공합니다.
직렬 전략은 운동 에너지를 전기 에너지로의 재생을 극대화할 수 있으므로 에너지 소비 측면에서 가장 효율적입니다. (NYCC Test 에서 두드러짐)
그러나 상상할 수 있듯이 전기 모터의 제동력은 급격하게 변하며 운전자가 가속 페달에서 발을 떼면 차량의 기계적
편안함에 영향을 미칩니다.
회생 제동 전략이 주행성에 미치는 영향
이제 목표는 운전자가 가속 페달에서 발을 뗄 때 차량의 기계적 편안함을 정확하게 시뮬레이션하는 것입니다. 차량 종방향, 수직 및 피치 가속도와 같은 변수를 관찰합니다.
주행성 측면을 고려하기 위해서는 1D 차량 모델을 마운트가 있는 3D 모터 블록 모델에 연결된 2D 차량 모델로 변경해야 합니다. 전기 모터에서 나오는 반응 토크와 모터 블록의 차동도 고려해야 합니다.
여기서 우리는 다음 기동을 시뮬레이션합니다. 차량이 30km/h에 도달할 때까지 최대 가속(팁 인)한 다음 20km/h에 도달할 때까지 페달을 놓은 다음 다시 팁 인합니다. 전자기 토크는 직렬 전략의 경우 더 높으며 운전자가 페달에서 발을 뗄 때 최대 감속도에 영향을 미칩니다.
연비와 주행성을 동시에 포착하는 것은 재생 전략과 매개변수를 정의하고 보정할 때 차량 요구 사항의 기능에서 이러한 속성 사이에서 최적을 찾기 위해 매우 중요합니다.
요약
우리는 이 블로그에서 Simcenter Amesim, Motorsolve 를 이용한 전기 기계 모델링 및 시스템 통합을 위한 워크플로우를 제시했습니다. 이것은 Simcenter 포트폴리오가 다룰 수 있는 전자 기계 설계 분야의 일부일 뿐입니다. NVH 및 기계적 응력 분석 뿐 아니라 열유동 까지도 확장할 수 있습니다.
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