Vers un avenir durable

Alors que l’industrie automobile se concentre depuis des années sur le développement de conceptions innovantes de véhicules électriques (VE), il existe aujourd’hui un nouveau sentiment d’urgence. Les ventes mondiales de véhicules électriques augmentent rapidement1en croissance de 46 % en 2020 et de 160 % au premier semestre 2021.

La demande des consommateurs est un facteur important, mais les mandats gouvernementaux sont tout aussi importants. En 2021, l’Union européenne a introduit des normes plus strictes en matière de CO2 directives d’émissions pour l’industrie automobile, tandis que la Chine exige que les véhicules électriques représentent 40 % de toutes les ventes automobiles d’ici 2030. Le président américain Joe Biden a annoncé un objectif extrêmement ambitieux : d’ici 2030, les véhicules électriques devraient représenter 50 % des ventes de voitures neuves du pays, contre seulement 2,5 % en 2021.

Pour atteindre ces objectifs, les équipes de développement automobile doivent surmonter des défis d’ingénierie difficiles, notamment des conceptions de batteries plus rentables, des groupes motopropulseurs plus efficaces et une architecture électronique plus robuste. En investissant dans l’innovation, BMW a 15 modèles de véhicules électriques en production2 et un objectif de faire en sorte que les véhicules électriques représentent 50 % de toutes les ventes mondiales d’ici 2030.

BWM Group utilise le logiciel Ansys depuis des années pour résoudre divers défis d’ingénierie des véhicules électriques. En 2020, le département d’électronique de puissance de BMW, basé à Munich, a commencé à appliquer Ansys Sherlock pour aider à prédire la durée de vie des composants semi-conducteurs critiques des véhicules électriques, y compris les systèmes d’alimentation qui sous-tendent les chargeurs embarqués (OBC) et les convertisseurs DC-DC, qui alimentent le la tension et le courant souhaités nécessaires pour charger la batterie. Ces systèmes d’alimentation font partie d’une architecture électronique beaucoup plus vaste et complexe qui doit fonctionner de manière fiable dans toutes les conditions de conduite et de charge prévisibles.

“L’importance de l’électronique ne cesse d’augmenter dans l’industrie automobile”, déclare le Dr. Pascal Schirmer, ingénieur de développement pour le département de l’électronique de puissance chez BMW Group. “L’utilisation des outils de simulation d’Ansys, comme Ansys Sherlock, nous permet d’optimiser très en amont la performance et la fiabilité des composants électroniques, tout en gérant la complexité croissante.”

Selon Schirmer, les cartes de circuits imprimés (PCB) font l’objet d’une attention croissante alors que les équipes d’ingénierie automobile s’efforcent de rendre leurs conceptions de VE plus efficaces, puissantes et fiables. “Les cartes de circuits imprimés doivent inclure plus de fonctionnalités à mesure que la demande de puissance augmente”, note-t-il. « Mais en même temps, ils doivent être plus légers et plus petits, pour réduire le poids et la taille du véhicule. Il en résulte des compromis d’ingénierie sophistiqués.

“Par exemple, une taille de boîtier plus petite rend plus difficile la répartition de la perte de puissance sur toute la carte, et cela crée également un plus grand risque d’accumulation thermique en raison de l’augmentation de la densité du circuit”, poursuit-il. “Sherlock nous aide à étudier ces types de compromis à un stade très précoce de la conception, avant que des coûts de développement importants n’aient été investis.”

Analyse rapide, approfondie et précoce

Outil d’évaluation de la fiabilité de l’électronique basé sur la physique, Sherlock permet à Schirmer et à son équipe chez BMW d’évaluer les performances des PCB sous une gamme de cycles thermiques, y compris les changements de température et les températures statiques. BMW peut également tester les composants PCB pour les chocs, les vibrations aléatoires et les charges mécaniques stables.

“Les quatre principaux modes de défaillance de l’électronique automobile sont les contraintes thermiques, les contraintes mécaniques, l’humidité et la poussière”, explique Schirmer. « Soixante-dix pour cent des échecs proviennent de l’une de ces causes. Ansys a la capacité unique de modéliser tout cela. »

Les bibliothèques embarquées de Sherlock, composées de plus de 200 000 parties distinctes, permettent à BMW de convertir rapidement et facilement des fichiers de conception électronique assistée par ordinateur (ECAD) en modèles de dynamique des fluides computationnelle (CFD) et d’analyse par éléments finis (FEA). “Générer des listes de pièces en tirant parti de la bibliothèque Ansys préexistante, basée sur la nomenclature électronique, est extrêmement utile pour générer efficacement des modèles et calculer des résultats de fiabilité”, note Schirmer. Chaque modèle généré par Sherlock contient des géométries et des propriétés de matériaux précises, prenant en charge la traduction rapide des informations de contrainte en prévisions de temps de défaillance validées.

Conçu pour une analyse électronique rapide et précoce, Sherlock contourne le processus traditionnel et chronophage de “tester, échouer, réparer, répéter”. Schirmer et son équipe peuvent modéliser et remodeler avec précision les couches de silicium-métal, les boîtiers de semi-conducteurs, les PCB et les assemblages bien avant l’étape de prototypage physique. Ils peuvent ajuster leurs conceptions pour tenir compte des pertes de puissance, des charges thermiques élevées et d’autres modes de défaillance, ainsi que tester de nouveaux matériaux ou de nouvelles tailles de boîtier.

« La génération itérative de modèles pendant la phase expérimentale était à la fois chronophage et laborieuse, en particulier lorsqu’il s’agissait de mettre à jour les modèles », souligne Schirmer. “La possibilité de mettre à jour les données ODB++, ainsi que la liste des pièces, à l’aide de la base de données interne d’Ansys permet une mise à jour efficace et facilement gérable entre chaque phase d’échantillonnage.”

Amélioration de l’innovation — et accélération de l’analyse par 3

Compte tenu de la demande croissante de nouvelles conceptions de véhicules électriques et de nouvelles fonctionnalités de produits, le département de l’électronique de puissance est sous pression pour terminer rapidement ses études de fiabilité, mais sans compromettre la profondeur et l’étendue de l’analyse. “Avec Ansys Sherlock, je peux gérer 90 à 95 % de ma modélisation analytique avec un seul outil qui s’intègre facilement à Ansys Workbench, aux solveurs basés sur la physique d’Ansys et aux outils ECAD”, déclare Schirmer. “Je suis reconnaissant d’avoir un partenaire qui comprend mes besoins et y répond avec les bonnes capacités.”

Schirmer note que Sherlock a fourni une accélération jusqu’à 3x dans les tests de fiabilité de BMW pour les composants électroniques tels que les OBC et les convertisseurs DC-DC. “Bien sûr, gagner du temps nous permet de lancer des conceptions plus rapidement”, déclare Schirmer, “mais cela soutient également l’innovation. Je peux examiner un plus large éventail de scénarios de charge, plus en profondeur. Je peux faire plus d’expériences. Je peux faire des découvertes. Cela s’ajoute à l’innovation des produits, qui est absolument essentielle chez BMW pour atteindre nos objectifs d’adoption et de durabilité des véhicules électriques.

Ressources

  1. “Comment les véhicules électriques ont offert de l’espoir alors que les défis climatiques augmentaient”, ScienceNews, déc. 22, 2021
  2. « Transformation et responsabilité : le groupe BMW accélère le changement technologique pour un avenir durable », communiqué de presse BMW, 16 mars 2022

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