宝马如何使用基于物理的分析来评估汽车电子产品的可靠性。
虽然汽车行业多年来一直专注于开发创新的电动汽车(EV)设计，但如今有了一种新的紧迫感。电动汽车的全球销量正在迅速增长1到2020年将增长46%，2021年上半年将增长160%。
消费者需求是一个重要因素，但同样重要的是政府的要求。2021年，欧盟出台了更严格的CO2而中国则要求，到2030年，电动汽车销量必须占汽车总销量的40%。美国总统乔·拜登宣布了一个极其雄心勃勃的目标:到2030年，电动汽车应占美国新车销量的50%，而2021年这一比例仅为2.5%。
实现这些目标意味着汽车开发团队需要克服一些艰巨的工程挑战，包括更具成本效益的电池设计、更高效的动力系统和更健壮的电子架构。通过投资创新，宝马已经有15款电动汽车投入生产2以及到2030年电动汽车占全球总销量的50%的目标。
宝马汽车集团多年来一直利用Ansys软件解决各种电动汽车工程挑战。2020年，总部位于慕尼黑的宝马电力电子系开始申请Ansys夏洛克帮助预测关键电动汽车半导体组件的寿命，包括车载充电器(obc)和DC-DC转换器基础上的电力系统，这些电源系统为电池充电提供所需的电压和电流。这些电力系统是一个更大、更复杂的电子架构的一部分，必须在各种可预见的驾驶和充电条件下可靠地运行。
宝马集团动力电子部开发工程师Pascal Schirmer博士表示:“电子产品在汽车行业的重要性正在不断提高。“Ansys的模拟工具，如Ansys Sherlock的使用，使我们能够在早期设计阶段优化电子元件的性能和可靠性，同时管理日益增长的复杂性。”
Schirmer表示，随着汽车工程团队致力于使电动汽车设计更高效、更强大、更可靠，印刷电路板(pcb)越来越受到关注。“随着电力需求的增加，印刷电路板必须包含更多的功能，”他指出。“但与此同时，它们必须更轻、更小，以降低车辆的整体重量和尺寸。这导致了一些复杂的工程权衡。
他继续说道:“例如，较小的封装尺寸使功率损失更难分布在整个电路板上，并且由于电路密度的增加，它也会产生更大的热积聚风险。”“Sherlock帮助我们在非常早期的设计阶段，在投入大量开发成本之前，就研究了这些权衡问题。”
Sherlock是一种基于物理的电子可靠性评估工具，使Schirmer和他在BMW的团队能够评估pcb在一系列热循环下的性能，包括温度变化和静态温度。BMW还可以测试PCB组件的冲击、随机振动和稳定的机械负载。
Schirmer解释说:“汽车电子设备的四种最大故障模式是热应力、机械应力、湿度和灰尘。“70%的失败是由这些原因之一引起的。Ansys拥有独一无二的建模能力。”
Sherlock的嵌入式库由超过20万个不同的部件组成，使BMW能够快速轻松地将电子计算机辅助设计(ECAD)文件转换为计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)模型。Schirmer指出:“利用现有的Ansys库，根据电子材料清单生成零件列表，对于高效地生成模型和计算可靠性结果非常有帮助。”每个sherlock生成的模型都包含精确的几何形状和材料属性，支持将应力信息快速转换为经过验证的失效时间预测。
Sherlock专为快速、早期的电子分析而设计，绕过了传统且耗时的“测试、失败、修复、重复”过程。Schirmer和他的团队可以在物理原型阶段之前就准确地建模和重新建模硅金属层、半导体封装、pcb和组件。他们可以调整他们的设计，以考虑功率损失、高热负荷和其他故障模式，以及测试新材料或包装尺寸。
Schirmer指出:“在实验阶段，模型的迭代生成是时间和劳动密集型的，尤其是在更新模型的时候。”“使用内部Ansys数据库更新odb++数据以及零件列表的能力，可以在每个样品阶段之间进行高效且易于管理的更新。”
鉴于对新型电动汽车设计和产品功能的需求不断增长，电力电子系面临着快速完成可靠性研究的压力，但不影响分析的深度和广度。Schirmer说:“有了Ansys Sherlock，我可以用一个工具轻松地与Ansys Workbench、Ansys基于物理的求解器和ECAD工具集成，从而管理90%到95%的分析建模。”“我很感激有一个理解我的需求，并以正确的能力回应我的合作伙伴。”
Schirmer指出，Sherlock在宝马针对obc和DC-DC转换器等电子元件的可靠性测试中，加速速度高达3倍。Schirmer说:“当然，节省时间可以让我们更快地推出设计，但它也支持创新。我可以更深入地研究更广泛的充电场景。我可以做更多的实验。我可以有所发现。这就意味着产品创新，这对宝马实现电动汽车普及和可持续发展的目标至关重要。”
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