Výpočet oteplení řídící elektroniky elektromotoru

Pomocí nástrojů Ansys ověřujeme funkce elektronických systémů včetně výpočtů oteplení.

Zadání projektu

Cílem pilotního projektu bylo predikovat teplotní zatížení desky plošného spoje „motor driveru“, která obsahuje mnoho kritických míst a komponent. Tato DPS slouží k řízení elektromotoru, což zajišťuje výkonový měnič, přes který mohou téct jednotky až desítky ampér. Další úskalí jsou řídící obvody, které značně topí a tím zvyšují celkovou teplotu DPS. Celá deska je navíc uzavřena do plastové krabičky a umístěna v motorovém prostoru auta, kde teplota okolí může dosahovat až 85 °C, což značně komplikuje celkové chování, protože maximální teplota na PCB by neměla překročit 100 °C. Ve výpočtu musíme uvažovat taktéž zatížení DPS výkonovými ztrátami v mědi (layoutu) při průchodu proudu.

DPS motor driver layout.png

Obrázek 1: DPS motor driver layout

Vitesco Technologies

Ve společnosti Vitesco Technologies, dříve (do září 2019) Continental Powertrain Division, se spojuje celé spektrum odborných znalostí firmy Continental v oblasti hnacích ústrojí. Cílem firmy je vyvíjet inovativní a efektivní elektrifikační technologie pro všechny typy vozidel. Naše portfolio zahrnuje řešení pro elektrifikaci na napěťové úrovni 48 V, elektrické pohony a silovou elektroniku pro hybridní vozidla a elektromobily poháněné energií z baterií. Produktová řada dále zahrnuje elektronické řídicí jednotky, senzory a pohony, či řešení pro čištění výfukových plynů.

Vitesco_Technologies_logo.svg.png

Spolupráce s TechSoft Engineering

Firma TechSoft nám pomohla vytvořit kompletní metodiku výpočtů, kde celý postup započal předáním dat a nalezením ideální cesty, jak data přenášet mezi layout programem a programy Ansys. Dalším krokem byla definice klíčových součástek, proudových cest a jejich zjednodušení při definovaném zatížení a napájení DPS. Již první simulace, která běžela řádově několik sekund nám dokázala říci, kde na DPS máme jaké zatížení výkonem, kde se koncertuje proudová hustota a díky tomu můžeme již na počátku vývoje upravit parametry DPS.

Rozložení výkonu na DPS.png

Obrázek 2: Rozložení výkonu na DPS

V další fázi projektu jsme se zaměřili na výpočet oteplení při stanovených podmínkách. Největší úskalí bylo definovat vstupní hodnoty ztrátového výkonu součástek, který se mění na teplo. Dalším vstupem bylo zatížení layoutu ztrátovým výkonem v mědi z předchozí simulace. V neposlední řadě zde hrála klíčovou otázku teplota okolí a následné porovnání s měřením. Díky tomu, že jsme byli schopni definovat poměrně přesně ztráty ve výkonových součástkách, došli jsme k velice dobré shodě v porovnání simulace a měření. Finální porovnání nám řeklo, že v nejteplejším místě v zóně Z1 v bodě TB1 byl rozdíl cca 0.54 %. Největší rozdíl byl na měřícím bodě TB2 v zóně Z2 a to cca -3. 29 %, což je pravděpodobně způsobeno tím, že v simulaci neuvažujeme poměrně velké modely kondenzátorů, které budou teplo akumulovat.

Teplotní porovnání měření (horní) a simulace (spodní).png

Obrázek 3: Teplotní porovnání měření (horní) a simulace (spodní)

Díky proaktivnímu přístupu kolegů z TechSoftu jsme byli schopni najít vhodné řešení pro výpočet zatížení DPS proudem a následně vypočítat oteplení, kde se ukázalo, že simulace vychází velice přesně v případě, že definujeme dobře vstupy.

Na základě poznatků z tohoto projektu jsme si ověřili funkčnost a validitu programů Ansys SIwave a Ansys Icepak a věříme, že nám programy v dalších projektech velice pomůžou šetřit značné množství času při vývoji elektroniky a tím i snížit celkové náklady na vývoj produktů. Velice kladně hodnotíme přístup kolegů z TechSoftu a jsme rádi, že máme důvěryhodného partnera v oblasti simulací a těšíme se na spolupráci v dalších letech.

Kontaktujte našeho poradce