BMW利用Ansys Sherlock優化車用電子元件設計
儘管汽車行業多年來一直專注於開發創新的電動汽車 (EV) 設計，但如今卻出現了一種新的緊迫感。電動汽車的全球銷量正在迅速增長1，2020年增長 46%，2021 年上半年增長 160%。
消費者需求是一個重要因素，但同樣重要的是政府規定。2021 年，歐盟為汽車行業推出了更嚴格的 CO 2排放指南，而中國則要求到 2030 年電動汽車必須佔所有汽車銷量的 40%。美國總統喬·拜登宣布了一個極其雄心勃勃的目標：到 2030 年，電動汽車應該佔該國新車銷量的 50%，高於 2021 年的 2.5%。
實現這些目標意味著汽車開發團隊需要克服一些艱鉅的工程挑戰，包括更具成本效益的電池設計、更高效的動力系統和更強大的電子架構。通過投資創新，BMW 將自己定位在可持續發展的最前沿，生產 15 款電動汽車2併計劃到 2030 年讓電動汽車佔全球總銷量的 50%。
BWM Group 多年來一直在利用 Ansys 軟件解決各種電動汽車工程挑戰。2020 年，位於慕尼黑的 BMW 電力電子部門開始應用Ansys Sherlock來幫助預測關鍵 EV 半導體組件的壽命，包括作為車載充電器 (OBC) 和 DC-DC 轉換器基礎的電力系統，這些組件為為電池充電所需的電壓和電流。這些電力系統是更大、更複雜的電子架構的一部分，必須在每一種可預見的駕駛和充電條件下可靠地運行。
“電子產品在汽車行業中的重要性不斷提高，”寶馬集團電力電子部開發工程師 Pascal Schirmer 博士說。“使用 Ansys 的模擬工具，例如 Ansys Sherlock，我們可以在非常早期的設計階段優化電子元件的性能和可靠性，同時應對日益增長的複雜性。”
Schirmer 表示，隨著汽車工程團隊致力於使他們的 EV 設計更加高效、強大和可靠，印刷電路板 (PCB) 越來越受到關注。“隨著功率需求的增加，印刷電路板必須包含更多功能，”他指出。“但與此同時，它們必須更輕更小，以減少整體車輛的重量和尺寸。這導致了一些複雜的工程權衡。
“例如，較小的封裝尺寸使整個電路板的功率損耗更難分佈，並且由於電路密度增加，它還會產生更大的熱積聚風險，”他繼續說道。“在投入大量開發成本之前，Ansys Sherlock 幫助我們在非常早期的設計階段調查這些權衡。”
作為業界唯一基於物理的電子可靠性評估工具，Sherlock 使 Schirmer 和他在 BMW 的團隊能夠評估 PCB 在一系列熱循環下的性能，包括溫度變化和靜態溫度。BMW 還可以測試 PCB 組件的衝擊、隨機振動和穩定的機械負載。Sherlock 專門用於在組件、電路板和系統級別進行快速、準確的壽命預測。
“汽車電子設備的四種最大故障模式是熱應力、機械應力、濕度和灰塵，”Schirmer 解釋說。“百分之七十的失敗是由這些原因之一引起的。Ansys 擁有對所有這些進行建模的獨特能力。”
Sherlock 的嵌入式庫由超過 200,000 個不同的零件組成，使 BMW 能夠快速輕鬆地將電子計算機輔助設計 (ECAD) 文件轉換為計算流體動力學 (CFD) 和有限元分析 (FEA) 模型。“通過利用基於電子材料清單的現有 Ansys 庫生成零件清單，對於高效生成模型和計算可靠性結果非常有幫助，”Schirmer 指出。每個 Sherlock 生成的模型都包含準確的幾何形狀和材料特性，支持將應力信息快速轉換為經過驗證的故障時間預測。
Sherlock 專為快速的早期電子分析而設計，繞過了“測試、失敗、修復、重複”的傳統且耗時的過程。Schirmer 和他的團隊可以在物理原型設計階段之前準確地對矽金屬層、半導體封裝、PCB 和組件進行建模和重新建模。他們可以調整設計以解決功率損耗、高熱負載和其他故障模式，以及測試新材料或封裝尺寸。
“在實驗階段迭代生成模型既費時又費力，尤其是在更新模型時，”Schirmer 指出。“使用內部 Ansys 數據庫更新 ODB++ 數據和零件清單的能力可以在每個樣品階段之間進行高效且易於管理的更新。”
鑑於對新 EV 設計和產品功能的需求不斷增長，電力電子部面臨著快速完成其可靠性研究的壓力——但不影響分析的深度和廣度。“借助 Ansys Sherlock，我能夠使用與 Ansys Workbench、Ansys 基於物理的求解器和 ECAD 工具輕鬆集成的單一工具管理 90% 到 95% 的分析建模，”Schirmer 說。“我很高興有一個了解我的需求並以適當的能力回應他們的合作夥伴。”
Schirmer 指出，Sherlock 在 BMW 對 OBC 和 DC-DC 轉換器等電子元件的可靠性測試中實現了高達 3 倍的加速。“當然，節省時間可以讓我們更快地推出設計，”Schirmer 說，“但它也支持創新。我可以更深入地研究更廣泛的充電場景。我可以做更多的實驗。我可以做出發現。這增加了產品創新，這對於 BMW 實現我們的電動汽車採用和可持續發展目標至關重要。”
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