Vývoj elektrických pohonných systémů metodou Model-Based Design
Elektrické motory dominují oblasti malých pohonů ve spotřební elektronice a pohonů v průmyslových aplikacích, jako jsou výrobní stroje a zařízení, roboty a manipulátory. Mílovými kroky se ale rozšiřují dále do oblastí, které ovládaly motory spalovací. Elektromobilita je jedním z klíčových technologických témat dneška. Ruku v ruce s moderní technologií pohonů musí jít i nástroje pro jejich vývoj. V něm se stále více uplatňují technologie počítačového modelování, simulace, konektivita i umělá inteligence. Metoda Model-Based Design nabízí moderní přístup k vývoji elektrických systémů, zefektivňuje vývojový proces a umožňuje dodávat na trh produkty, které splňují požadavky na bezpečnost, spolehlivost, účinnost a výkon.
Co je metoda Model-Based Design
Metoda Model-Based Design (zkráceně MBD) je postavena na systematickém využívání simulačních modelů napříč vývojovým procesem. Více informací o metodě Model-Based Design se dozvíte v příspěvku Model-Based Design pro vývoj technických systémů.
Schematické znázornění vývoje metodou Model-Based Design
Návrh elektrických pohonných systémů
Vývoj metodou Model-Based Design se v oblasti elektrických pohonných systémů zaměřuje zejména na následující oblasti:
- elektrické pohony: modelování a simulace pohonů na systémové úrovni
- řídicí systémy: vývoj řídicích systémů pro elektrické pohony
- baterie a BMS: modelování bateriových sestav a vývoj systému managementu baterií
- AI: využití strojového učení v oblasti elektrických pohonných systémů
- real-time testování: ověřování pomocí simulace v reálném čase
Vývoj elektrického pohonu
Typické kroky při vývoji elektrického pohonného systému metodou Model-Based Design zahrnují modelování elektromotoru (PMSM, BLDC, indukční), modelování výkonové elektroniky (napěťový měnič, střídač), návrh a implementaci vestavěného softwaru (řídicí algoritmy, virtuální senzory), vymezení testovacích scénářů, simulace a analýzy výsledků.
Ukázkový model pohonného systému v prostředí Simulink
Modely komponent mohou mít různou úroveň detailů v závislosti na zadaných požadavcích. Jako příklad si uveďme model polovodičového měniče. Ten může být modelován jako jednoduchý přepočet vstupního na výstupní napětí (model ustáleného stavu), jako dynamická soustava s přechodovými jevy (model s průměrovaným spínáním), jako model zahrnující idealizované spínání polovodičových prvků (po částech lineární model spínání), nebo jako model, který zahrnuje plně nelineární průběh každého sepnutí každého z použitých polovodičových prvků, včetně zahrnutí dalších parazitních jevů. Volba úrovně detailu závisí na účelu vašeho modelu. Zatímco pro vyhodnocení volby parametrů jednotlivých součástek na chování systému je potřeba detailnější úroveň, pro návrh řídicího systému může postačovat úroveň jednodušší.
Řídicí systémy elektrických pohonů
Na základě simulačních modelů fyzických prvků je možné vyvíjet pokročilý řídicí a obslužný software, který je dnes nedílnou součástí moderních elektrických pohonů. Typickým příkladem je vektorové řízení synchronních elektrických strojů, které umožní efektivní provoz pohonu s maximálním točivým momentem při dané spotřebě. Software je možné podrobně testovat pomocí simulací nejrůznějích scénářů, které mohou při provozu zařízení nastat.
Ukázkový model vektorového řízení pohonu (FOC) a vygenerovaný kód v jazyce C
Závěr vývojového procesu využívá automatické generování zdrojového kódu (C/C++, HDL) z navržených algoritmů a jeho integraci do reálného prostředí.
Bateriové systémy a vývoj BMS
Metodu Model-Based Design lze využít i při návrhu bateriových systémů. Je možné modelovat bateriové články, navrhovat různé architektury bateriových sestav (battery pack) a vyhodnocovat tepelné a elektrické chování baterií za normálních a poruchových podmínek. K tomu lze využít parametrizované modely bateriových článků, sestavit vlastní model baterie se zahrnutím různých efektů, geometrií a topologií a doplnit jej chladicím systémem.
Úrovně uspořádání bateriové sestavy a odpovídající modely v prostředí Simulink
Cílem algoritmů BMS (battery management system) je zajištění požadovaného výkonu, bezpečného provozu a přijatelné životnosti baterie v různých provozních režimech a za odlišných okolních podmínek. Pomocí simulace na systémové úrovni je možné ověřit funkční aspekty návrhu BMS, získat přehled o dynamickém chování baterie, ověřit efektivitu BMS a následně použít automatické generování kódu pro jeho implementaci na reálný systém. Mezi typické úlohy BMS patří sledování napětí a zahřívání článků, odhad stavu nabití a kondice baterie (state-of-charge, state-of-health), řízení vhodného profilu nabíjení, vyvážení stavu nabití jednotlivých článků nebo řízené odpojení baterie od zdroje/zátěže v případě nutnosti.
Využití AI
Umělá inteligence (AI) nachází své místo také v oblasti elektrických pohonů. Její využití se zaměřuje na následující oblasti:
- tvorba redukovaných modelů (Reduced Order Modeling) pro efektivnější simulace
- virtuální senzory: získání hodnot veličin, které nelze přímo měřit
- řídicí systémy založené na AI: využití přístupu reinforcement learning
- předpovídání spotřeby, dodávky a cen energií
- prediktivní údržba systémů: online diagnostika při provozu zařízení
Testování v reálném čase a elektromobilita
Testování v reálném čase využívá specializovaných zařízení, tzv. real-time simulátorů, a ve své podstatě navazuje na testování modelů v počítači. Uplatní se zejména tam, kde je nezbytné ověřit funkčnost vyvíjeného systému se všemi přidruženými vlivy, nejen samotný algoritmus. Automobilový průmysl je jednou z oblastí, kde jsou simulace v reálném čase hojně využívány, protože každá chyba zavlečená do výrobku může mít fatální dopady.
Jak se transformuje automobilový průmysl směrem k elektrickým a hybridním vozidlům je třeba řešit komunikace vozidla s nabíjecí stanicí, řízení chodu baterie BMS (battery management system) a elektrické pohony. Každou dílčí část je potřeba otestovat, dříve než se nasadí do provozu.
Pro simulace v reálném čase je potřeba volit vhodné simulační modely, které dokáží běžet v reálném čase a zároveň mají dostatečný stupeň přesnosti. Platforma dSPACE, která je zaměřena na technické prostředky pro simulace v reálném čase, nabízí modely optimalizované k chodu na real-time platformě, od řízení motorů po simulaci baterie. Modely jsou otevřené, což dovoluje uživateli parametrizovat modely dle vlastního uvážení.
Spojité parametry soustav a FEM simulace
Kromě simulací systémů se soustředěnými parametry je někdy nezbytné přejít do hlubšího detailu a využít modelování systémů na úrovni spojitě rozložených parametrů. Takové systémy, popsané zpravidla parciálními diferenciálními rovnicemi, modelují procesy přenosu tepla, mechanické namáhání, elektromagnetické jevy nebo jejich kombinace. Řešení modelů zajišťuje metoda konečných prvků – FEM (Finite Elements Methods) a softwarové nástroje, jako je COMSOL Multiphysics.
Příklady použití FEM simulací v elektromobilitě
FEM simulace se používají k detailnímu modelování součástek. Díky pokročilému simulačnímu software COMSOL Multiphysics je možné využívat předpřipravené výpočetní moduly k simulacím elektromagnetismu (elektromotor, ukládání energie, kabeláž), tepla a deformací, optiky (osvětlení), akustiky (šíření hluku), pohybu mechanismů (převodové mechanismy, pohyb rotačních částí), chemie a elektrochemie (baterie případně palivové články).
Zaměřme se pouze na klíčové prvky současných elektromobilů, kterými jsou baterie a elektromotor. Konkrétně v COMSOL Multiphysics lze modelovat a optimalizovat topologii elektromotoru, typy vinutí, kmitání systému, počítat ztráty, vytvářet tepelnou analýzu, simulovat demagnetizaci, vibrace a hluk či magneto-strikci.
Ukázkový model elektromotoru v prostředí COMSOL Multiphysics
K modelování baterií se přistupuje více-škálově bez ohledu na typ baterie. Je možné modelovat baterii od mikroskopického pohledu vzorku porézního prostředí elektrody přes model jednoho jediného článku po model celého battery-packu. Simuluje se jak plná, tak zjednodušená elektromagnetická formulace nejčastěji v přechodových jevech: nabíjecí cyklus a EIS (elektrochemická impedanční spektroskopie). Z pohledu fyzikálního je možné zahrnout simulace proudění, přestup tepla a jeho účinky (chlazení, přehřívání, zkratové stavy s teplotní spirálou), stárnutí (pokovování, SEI, mechanická degradace, únik elektrolytu…). Samostatnou oblastí jsou potom simulace palivových článků, pro které má software COMSOL také předpřipravené řešení.
FEM simulace jsou efektivním nástrojem pro vývoj inovativních řešení. Aby model věrně simuloval reálné nasazení systému, je nezbytné kromě primárního fyzikálního principu zahrnout i jevy, které mohou negativně ovlivnit jeho celkovou efektivitu. Nástroj COMSOL Multiphysics umožňuje v jediné simulaci propojit řadu fyzikálních jevů a tím minimalizovat přehřívání, mechanické namáhání a další nežádoucí sekundární projevy. Velkým benefitem je možnost propojit detailní FEM simulaci COMSOL Multiphysics s modelem systému v prostředí Simulink. Tato možnost vede k vytvoření digitálního dvojčete (Digital Twin) klíčových součástí vozu.
Závěr
Metoda Model-Based Design nabízí moderní a flexibilní přístup k vývoji elektrických technologií. Založení vývoje na simulačních modelech zefektivňuje vývojový proces a umožňuje dodávat na trh produkty, které splňují požadavky na bezpečnost, spolehlivost, účinnost a výkon.
Jaroslav Jirkovský (HUMUSOFT) , 12.03.2024