Un approccio di progettazione modulare per inverter a bassa tensione ottimizzati dal punto di vista dei costi

Le applicazioni di micromobilità, come le biciclette elettriche, i monopattini, gli skateboard e i risciò a tre ruote, contengono generalmente inverter a bassa tensione. In genere, richiedono un livello di potenza modesto, compreso tra 200 W e 2 kW.

Altre applicazioni dei sistemi di inverter LV includono utensili elettrici a batteria, utensili da giardino portatili, tosaerba e altre soluzioni applicate Un approccio di progettazione modulare per inverter a bassa tensione ottimizzati dal punto di vista dei costi A cura di G. Valente, e A. Johnston per elettrodomestici e accessori per autoveicoli. I requisiti di un inverter dipendono chiaramente dall'applicazione specifica; tuttavia, la riduzione dei costi rappresenta spesso la priorità per gli inverter a bassa tensione e bassa potenza.

Ciò influisce sugli altri requisiti e sulla soluzione di progettazione complessiva. Per rispettare i vincoli di costo, gli inverter basati su sistemi a bassa tensione spesso adottano motori a corrente continua senza spazzole (BLDC) controllati con un metodo di commutazione a sei fasi (a volte indicato come controllo trapezoidale) che analizzeremo qui.

Tra le diverse applicazioni di inverter a bassa tensione esplorate, il settore della micromobilità è stato selezionato come caso applicativo cardine per la progettazione di un inverter modulare, poiché l'applicazione richiede una maggiore affidabilità, sicurezza e prestazioni rispetto ad altre applicazioni tipiche come gli elettrodomestici. Inoltre, fornendo un'alternativa comoda e conveniente alla guida, la micromobilità elettrica può contribuire a diminuire il numero di auto su strada, riducendo sia il traffico che l'inquinamento.

Un altro vantaggio della micromobilità elettrica è la sua accessibilità generale: questi veicoli sono piccoli e leggeri, intrinsecamente più convenienti e facili da utilizzare e conservare. Possono essere facilmente utilizzati per il trasporto pubblico e custoditi in un piccolo appartamento o in ufficio, offrendo una soluzione interessante per il tragitto casa-lavoro, altamente efficiente e più sostenibile rispetto alle alternative. La micromobilità è un'opzione interessante per le persone che non hanno accesso a un'auto o che vivono in aree a parcheggio limitato. A differenza delle auto ibride o a batteria, che richiedono costose infrastrutture di ricarica, i veicoli elettrici per la micromobilità possono essere ricaricati utilizzando una normale presa elettrica dell'infrastruttura esistente. Nel complesso costano molto meno, semplicemente per le loro dimensioni fisiche e per il materiale impiegato. L'utente finale può utilizzarli spendendo una frazione di quello che costa la guida di un'auto qualsiasi.

Design dell'inverter per la micromobilità

Abbiamo adottato un approccio all'ingegneria dei sistemi basato su modelli per migliorare le prestazioni complessive e ridurre la necessità di soluzioni specifiche e su misura per le applicazioni. Questo approccio integrava metodi e processi convenzionali di ingegneria dei sistemi e progettazione e analisi avanzate basate su modelli per un migliore controllo e ottimizzazione della soluzione di progettazione. L'obiettivo era di ottenere una soluzione progettuale mirata che potesse essere teoricamente riutilizzata in molte applicazioni diverse, come detto in precedenza.

Nella Figura 1 è possibile vedere un riepilogo dei metodi di ingegneria dei sistemi adottati per integrare il flusso di lavoro di progettazione dell'elettronica standard.

Figura 1. Riepilogo dei metodi di ingegneria dei sistemi adottati per integrare il flusso di lavoro di progettazione dell'elettronica.

La scalabilità richiesta è stata formalizzata attraverso l'esercizio di acquisizione dei requisiti, che ha fornito intrinsecamente forti spunti di progettazione sia a livello di architettura che di scelta di tecnologie e componenti a livello più basso. La validazione dei requisiti è stata supportata da diverse iterazioni, che hanno preso in considerazione le funzionalità richieste e la tecnologia disponibile per fornire le funzionalità con le prestazioni desiderate, oltre a esplorare soluzioni concettuali di sistema per definire meglio i limiti del sistema.

La modularità del progetto è stata ottenuta suddividendo l'inverter in diversi blocchi funzionali, direttamente influenzati dai risultati della modellazione funzionale e dell'analisi N2, come illustrato nella Figura 2, dove sono mostrate le interfacce limite del sistema e le interconnessioni dei blocchi funzionali principali.

I requisiti fondamentali del sistema di inverter sono presentati nella Tabella 1. Inoltre l'inverter è stato progettato ipotizzando un avvolgimento del motore a tre fasi e uno stadio di potenza raffreddato passivamente, una soluzione comune nelle applicazioni di micromobilità, dove il calore da dissipare è relativamente basso e il costo e la complessità del sistema devono essere ridotti il più possibile.

Figura 2. Diagramma dei limiti del sistema di inverter (semplificato) con interfacce e blocchi funzionali principali definiti.

I requisiti per i singoli blocchi funzionali sono stati quindi ricavati e scorporati dai requisiti a livello di sistema. Lo schema a blocchi funzionale di alto livello, come illustrato nella Figura 2, può essere utilizzato per qualsiasi inverter a bassa tensione e a bassa potenza, a condizione che le funzioni e i requisiti dei singoli blocchi siano stabiliti con attenzione in base all'applicazione.

Sviluppo del codice e ottimizzazione della progettazione tramite analisi dettagliata

 Sono state eseguite diverse simulazioni di modellazione e analisi sulla progettazione dell'inverter per verificare i requisiti, indagare a fondo sulle prestazioni della soluzione prevista e sulle prestazioni dei componenti chiave e verificare che la soluzione proposta soddisfi pienamente gli obiettivi prima di iniziare la produzione.

Sono stati eseguiti diversi cicli di simulazione utilizzando l'ampia suite software fornita da Hexagon MI, i cui dettagli saranno descritti in una serie di pubblicazioni aggiuntive. La Tabella 2 fornisce una sintesi delle analisi effettuate e delle principali motivazioni per cui sono state condotte.

Strumento di analisi della simulazione e descrizione	Istantanea dello strumento di simulazione
Elements: Modellazione del controllo del motore BLDC 1D a livello di sistema basata su Modelica, in cui sono implementati l'algoritmo di commutazione a sei fasi e l'algoritmo di controllo del motore trapezoidale e sono state testate le verifiche model-in-loop (MIL).
PICLS: Rapida analisi termica 2D in cui è possibile valutare velocemente diversi layout dei componenti per ottenere una distribuzione ottimale del calore sulla scheda.
Cradle:   Analisi CFD 3D ad alta fedeltà in cui è possibile prevedere con precisione la distribuzione della temperatura sulla scheda progettata per il metodo di raffreddamento adottato (in questo caso, il raffreddamento passivo).
Cradle/scSTREAM e Nastran: Analisi termo-strutturale combinata in cui la simulazione termica effettuata con scSTREAM guida la simulazione strutturale in Nastran per valutare la durata del giunto di saldatura quando è sottoposto a cicli di alimentazione.
CAE Fatigue: Analisi dei guasti da fatica a lungo termine e dell'operatività, in cui sono stati applicati carichi basati su frequenza e tempo per valutare l'affidabilità e la durata di operatività previste dell'inverter e per prevedere (e convalidare) la potenziale causa principale del guasto.
Marc: Marc: Simulazioni non lineari e multifisiche in cui l'accoppiamento tra le perdite di Joule causate dalla corrente elettrica, dalla dissipazione di potenza termica e dalle sollecitazioni meccaniche indotte da coefficienti di espansione termica non corrispondenti tra diversi materiali può essere valutato e utilizzato per comprendere meglio e ottimizzare l'affidabilità dell'inverter e migliorare la durata attuale.

Tabella 2. Riepilogo della progettazione basata su modelli e dell'analisi condotta.

Automazione della progettazione elettronica (EDA)

Il software EDA ha eseguito l'acquisizione schematica e il layout finale della scheda. La Figura 3 mostra un riepilogo di alto livello della cattura schematica del design dell'inverter proposto, allineato alla suddetta architettura logica, in cui gli schemi per i blocchi funzionali sono stati organizzati in sottosistemi specifici gestiti dal software EDA.

Figura 3. Riepilogo dell'EDA che mostra la cattura schematica degli elementi architettonici dell'inverter.

La Figura 4 mostra il layout finale della scheda, dove le aree riempite di rame sono nascoste per mostrare meglio i componenti e l'instradamento principale, supportato dalla vista 3D dell'assemblaggio finale e popolato della scheda, che è stato utilizzato per le simulazioni multifisiche di cui sopra.

Figura 4. Design dell'inverter finale: (a) Layout scheda e (b) Vista 3D del gruppo scheda popolato.

Prototipazione e test rapidi degli inverter

I test hardware-in-loop (HIL) sono stati condotti su un prototipo rapido per verificare il progetto proposto rispetto ai suoi requisiti e convalidare il modello sviluppato, dopodiché è stato formulato un gemello digitale intrinseco della soluzione inverter.

L'assemblaggio del prototipo di PCB è stato realizzato all'interno delle strutture dell'Applied Solutions Group di Hexagon. La Figura 5 mostra un'istantanea dell'assemblaggio delle schede, che utilizzava un mix di tecniche di saldatura e verifica a mano, pick-and-place e a forno automatizzato.

L'algoritmo di controllo del motore è stato sviluppato attraverso la progettazione e l'analisi basata su modelli, utilizzando lo strumento di simulazione 1D Elements basato su Modelica (vedere Tabella 2), e poi è stato convertito in codice sorgente supportato da Code Composer Studio (CCS), l'IDE di Texas Instruments, e flashato sul microcontrollore target. L'inverter è stato poi testato a livello locale nelle strutture di Applied Solutions Group utilizzando un motore BLDC standard, come illustrato nella Figura 5 (b), supportato da un semplice impianto di rotazione e carico.

 

Figura 5 - a) Processo di assemblaggio del PCB del prototipo rapido e b) Setup iniziale della messa in servizio e del test di calibrazione.

Riepilogo e conclusioni

L'approccio progettuale proposto, basato sull'ingegneria dei sistemi e ottimizzato attraverso la progettazione basata su modelli, ha permesso di realizzare un inverter a bassa tensione scalabile e ottimizzato nei costi, adatto ai requisiti di affidabilità e integrità dell'applicazione di micromobilità elettrica. Grazie all'approccio modulare il design può essere facilmente adattato per soddisfare i requisiti di diverse applicazioni modificando i singoli blocchi logici che costituiscono l'inverter, ma senza la necessità di modificare l'architettura o le loro interfacce, ad esempio applicazioni a potenza maggiore o minore, o applicazioni alternative come un sistema di cambio di marcia per automobili, utensili commerciali o elettrodomestici.

Il prototipo dell'inverter prodotto soddisfaceva tutti i requisiti di progettazione iniziali, e ciò è stato possibile grazie all'ampia analisi di simulazione multifisica eseguita per ottenere una soluzione "giusta al primo tentativo", in cui è stato possibile eseguire le prestazioni termiche insieme all'analisi degli urti, delle vibrazioni e della durata per garantire che l'inverter potesse raggiungere gli obiettivi di affidabilità e durata. La descrizione dettagliata dei flussi di lavoro di simulazione implementati utilizzando la suite software Hexagon MI e i risultati saranno presentati prossimamente in una serie di ulteriori pubblicazioni.