コスト最適化された低電圧インバータのためのモジュール設計アプローチ

エレクトリックバイク、スクーター、スケートボード、3 輪自動車リックショーなどのマイクロモビリティ用途には、一般的に低電圧インバーターが含まれています。通常は、200 W から 2 kW までの中程度の電力レベルが必要です。

その他の LV インバータ・システムの用途には、コードレス電動工具、手持ち式ガーデン・ツール、芝刈機、その他の応用ソリューションが含まれます。G. Valente、A. Johnston『費用最適化された低電圧インバータ』家庭用電化製品、自動車補助機器のためのモジュール設計アプローチ。インバータの要件は明らかに特定の用途に依存しますが、低電圧、低電力インバータではコスト削減が優先されることがよくあります。

これは、他の要件や全体的な設計ソリューションに影響を与えます。要求の厳しいコスト制約を満たすために、低電圧システムに基づくインバータは、6 段階の整流方法（台形制御とも呼ばれる）で管理されるブラシレス DC（BLDC）モータを採用することがよくあります。その詳細をご説明します。

調査したさまざまな低電圧インバータ用途の中で、マイクロモビリティ部門がモジュール式インバータ設計の主要なケーススタディとして選ばれました。この用途では、家庭用電化製品などの他の典型的な用途と比較して、信頼性、安全性、性能の向上が求められるためです。さらに、電気マイクロモビリティは、運転に代わる便利で手頃な価格の代替手段を提供することで、道路上の自動車の数を減らし、交通と汚染の両方を削減するのに役立ちます。

電気マイクロモビリティのもう 1 つの利点は、一般的なアクセス性です。これらの車両は小型で軽量で、本質的により手頃で、使いやすく、保管も簡単です。公共交通機関で簡単に使用でき、小さなアパートやオフィスに保管できるため、代替オプションよりも非常に効率的で持続可能な、魅力的な通勤オプションを提供します。マイクロモビリティは、車にアクセスできない人や駐車が制限された地域に住んでいる人にとって魅力的なオプションです。高価な充電インフラストラクチャコストを必要とするハイブリッド車やバッテリー電気自動車とは異なり、電気マイクロモビリティ車両は既存のインフラストラクチャの標準コンセントで充電できます。単純に物理的なサイズと材料含有量のため、全体的なコストがはるかに低くなります。エンドユーザーは、自動車の運転コストのほんの一部でそれらを使用できます。

マイクロモビリティ向けのインバーター設計

当社は、モデルベースのシステムエンジニアリングアプローチを採用し、全体的なパフォーマンスを向上させ、アプリケーション固有のカスタムソリューションの必要性を低減しました。このアプローチは、従来のシステムエンジニアリング方法とプロセス、高度なモデルベースの設計と分析を具体化し、設計ソリューションをより良く管理し、最適化しました。その目的は、前述のように、理論的には多くの異なる用途で再利用できるオブジェクト指向の設計ソリューションに到達することでした。

標準的な電子設計ワークフローを補完するために採用されたシステムエンジニアリング方法の概要を図 1 に示します。

図1。エレクトロニクス設計ワークフローを補完するために採用されたシステムエンジニアリング方法の概要。

必要なスケーラビリティは、要件キャプチャ演習を通じて正式化され、アーキテクチャレベルと低レベルの技術とコンポーネントの両方で強力な設計キューを提供しました。要件の検証は、必要な機能性と、望ましいパフォーマンスで機能性を提供するために利用可能な技術を考慮し、システムの境界をより良く定義するための概念的なシステムソリューションを探求する複数の反復によってサポートされました。

設計のモジュール化は、図2に示されているように、機能モデリングとN2解析の結果に直接影響されながら、インバータをさまざまな機能ブロックに分割することで達成されました。図２には、システム境界インターフェース及び主な機能ブロック相互接続が示されています。

主要インバータシステム要件を表 1 に示します。さらに、インバータは、マイクロモビリティ用途で一般的な 3 相モータ巻線とパッシブ冷却電力ステージを想定して設計されており、ここでは放熱が比較的低く、システムコストと複雑さを可能な限り削減する必要があります。

図 2 。機能インターフェースと主要機能ブロックが定義された（簡略）インバータシステム境界図。

そして、個々の機能ブロックの要件は、システムレベルの要件から導き出され、分解されました。図2に示すハイレベル機能ブロック図は、アプリケーションを考慮して個々のブロックの機能と要件を注意深く導出すれば、どのような低電圧・低電力インバータにも採用できます。

詳細な分析によるコード開発と設計の最適化

 さまざまなモデリングと分析シミュレーションをインバータ設計で実施し、要件の検証、意図したソリューションの性能とキーコンポーネントの性能の徹底的な調査、提案されたソリューションが製造開始前に要件を完全に満たしていることの検証を支援しました。

Hexagon MI が提供する包括的なソフトウェアスイートを使用して複数のシミュレーションが実行され、その詳細は一連の追加出版物で説明されます。表 2 は、実施された分析の概要と、それらを実施するための主な動機を示しています。

シミュレーション解析ツールと説明	シミュレーションツールのスナップショット
Elements： Modelica ベースのシステムレベル 1D BLDC モーター管理モデリング。6 段階の整流と台形モーター管理アルゴリズムが実装され、モデルインループ（MIL）検証がテストされています。
PICLS： PCB 上で最適な熱分布を達成するために、さまざまなコンポーネントの杭打ちを迅速に評価できる高速 2D 熱分析。
クレードル：   設計された PCB 上の温度分布を、採用された冷却方法（このケーススタディではパッシブ冷却）に対して正確に予測できる高精度 3D CFD 解析。
クレードル /scSTREAM および Nastran： scSTREAM で実施された熱シミュレーションが、電力サイクルにさらされたときのはんだ継手の耐久性を評価するために Nastran で構造シミュレーションを駆動する複合熱構造解析。
CAE疲労： インバーター製品の予想される信頼性と寿命を評価し、潜在的な根本原因故障モードを予測（および検証）するために、周波数と時間に基づく負荷を適用した長期疲労故障と耐久性分析。
Marc： Marc：異なる材料間の熱膨張係数の不一致によって引き起こされる電流、熱電力放散、および機械的応力によって引き起こされるジュール損失間の結合を評価し、インバータの信頼性をより良く理解し、最適化し、寿命を改善するために使用できる非線形および多物理シミュレーション。

表 2。実施されたモデルベースの設計と分析の概要。

電子設計オートメーション（EDA）

EDA ソフトウェアは、回路図のキャプチャと最終的な基板杭打ちを行いました。図3は、前述の論理アーキテクチャに沿ったインバータ設計の回路図キャプチャーを大まかにまとめたもので、機能ブロックの回路図がEDAソフトウェアによって管理される特定のサブシステムに整理されています。

図 3。インバーターアーキテクチャ要素の概略キャプチャを示す EDA の概要。

図4は、最終的なPCBアセンブリの3Dビューでサポートされている、部品と主要な配線をよりよく表示するために、銅で満たされた領域が隠されている最終的なPCBレイアウトを示しています。これは前述のマルチフィジックス・シミュレーションに使用されたものです。

図 4。最終インバーター設計：（a）基板レイアウト及び（b）杭打ちされた基板アセンブリの 3D ビュー。

インバーターの迅速なプロトタイピングとテスト

ハードウェアインループ（HIL）試験を迅速なプロトタイプで実施し、提案された設計を要件と照らし合わせて検証し、開発されたモデルを検証した後、インバーターソリューションの固有のデジタルツインが策定されました。

プロトタイプの PCB アセンブリは Hexagon の Applied Solutions Group 施設で実施されました。図 5 は、手作業、ピックアンドプレース、自動オーブンはんだ付け、検査技術を組み合わせた局所的な PCB アセンブリのスナップショットを示しています。

モータ制御アルゴリズムは、モデルベースの設計と解析を通じて、モデルイカベースの 1D シミュレーションツールエレメント（表 2 参照）を使用して開発され、コードコンポーザースタジオ（CCS）、テキサス・インストゥルメントズ IDE によってサポートされるソースコードに変換され、ターゲットマイクロコントローラにフラッシュされました。次に、インバータは、図 5（b）に示すように、単純なスピンアンドロードリグでサポートされた既成の BLDC モータを使用して、アプリケーテッドソリューションズグループの施設でローカルで試験されました。

 

図 5。（a）高速プロトタイプ PCB アセンブリプロセス、および（b）初期試運転およびキャリブレーション試験セットアップ。

まとめと結論

提案された設計アプローチは、システムエンジニアリングによって支えられ、モデルベースの設計によって最適化され、電気マイクロモビリティ用途の信頼性と完全性要件に適したスケーラブルでコスト最適化された低電圧インバータを可能にしました。モジュール式のアプローチにより、インバータを構成する個々の論理ブロックを変更することにより、設計をさまざまな用途の要件に容易に適合させることができますが、アーキテクチャやインターフェースを変更する必要はありません。例、 高出力または低出力の用途、または自動車用シフトアクチュエータ、商業用電動工具、家庭用電化製品などの代替用途。

製造されたインバータのプロトタイプは、初期設計要件をすべて満たし、インバータが信頼性と寿命目標を達成できるように、衝撃、振動、耐久性分析と共に熱性能を実施した「最初から正しい」ソリューションを実現するために実行された広範なマルチフィジックスシミュレーション分析のおかげで、これが可能になりました。Hexagon MI ソフトウェアスイートを使用して実装されたシミュレーションワークフローの詳細な説明とその結果は、今後一連の追加出版物で紹介されます。