Modellierung hoch genauer Batteriemodelle mit MapleSim

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Seit einigen Jahren gibt es eine stark wachsende Nachfrage nach Fahrzeugen mit hybrid-elektrischem oder reinem Elektroantrieb. Die Entwicklung solcher Fahrzeuge ist eine wesentlich komplexere Aufgabe als der Entwurf herkömmlicher Fahrzeuge, weil es den Einsatz verschiedener Ingenieursdisziplinen für ein System erfordert.

Der Konkurrenzdruck zwingt die Hersteller dazu, neue Modelle in immer kürzerer Zeit auf den Markt zu bringen. Die Industrie bedient sich mathematisch basierter physikalischer Modellierungstechniken, die es Entwicklern und Konstrukteuren erlauben, auf präzise Art und Weise die das System bestimmenden Komponenten und die entsprechenden physikalischen Randbedingungen zu beschreiben. Mit diesen Modellgleichungen lassen sich dann neue Entwürfe sehr schnell testen und weiter verfeinern, ohne die Notwendigkeit, echte Prototypen zu bauen. Die Systemgleichungen dieses Multi-Domain Modells eines hybrid-elektrischen Fahrzeugs wurden von MapleSim automatisch erstellt und stehen dem Entwickler zuAnalyse- und Optimierungszwecken zur Verfügung.
 Eine der wichtigsten Komponenten eines hybrid-elektrischen oder vollständig elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist die Batterie selbst. Es ist sehr wichtig, ein detailliertes Batteriemodell zur Verfügung zu haben, um das Batterieverhalten und die physikalischen Wechselwirkungen mit anderen Komponenten wirklichkeitsgetreu wiedergeben zu können. Weil die Batterie im Fahrzeug so eine wichtige Rolle spielt, ist die Erfassung dieser Interaktionsprozesse notwendig, um effektive elektrische Antriebe zu entwickeln. Dr. Thanh-Son Dao und Aden Seaman arbeiten mit Dr. John McPhee (NSERC/Toyota/Maplesoft Industrial Research Chair for Mathematics-based Modeling and Design), um hoch genaue Modelle hybrid-elektrischer und vollständig elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu erstellen, einschließlich der Batterien. Sie haben sich für MapleSim entschieden, weil dessen symbolischer Ansatz eine effektive Möglichkeit bietet, Modelle für den Einsatz in Echtzeitumgebungen (HIL) zu erstellen, ohne dabei Genauigkeitsverluste wie bei herkömmlichen Modellierungstools in Kauf nehmen zu müssen.

Dr. McPhee und Aden Seaman entwickelten mit MapleSim ein mathematisch basiertes Modell einer kompletten Batterieeinheit und dazu einen einfachen Leistungsregler, einen Motor/Generator, ein Gelände und ein Fahrzyklus-Modell. Die daraus resultierenden Differentialgleichungen wurden symbolisch verein-facht und numerisch ausgewertet. Verschiedene Fahrsituationen wurden simuliert, wie zum Beispiel starke und schwache Beschleunigungen und Berg-Talfahrten. Die Ergebnisse und die Messungen waren konsistent und zeigten deutlich die enge Verbindung zwischen Batterieverhalten und der Bewegung des Fahrzeugs. Dieses Modell wird als Basis für ein umfassenderes Fahrzeugmodell dienen, welches einen intelligenten Leistungsregler, einen komplexeren Motor, mehr Geländeformen und Modelle für Fahrzyklen beinhalten
wird.

Dr. McPhee, Dr. Dao und Mr. Seaman setzten MapleSim zur Entwicklung eines Multi-Domain- Modells eines seriellen Hybridfahrzeugs ein, auch hier wurde ein automatisch generierter und optimierter Satz der rele-vanten Gleichungen verwendet. Das Hybridmodell besteht aus einem Verbrennungsmotor, einem Gleichstrom-Motor, der von einem NiMH-Akkumulator angetrieben wird und einem Mehrkörpermodell des Fahrzeugs. Anhand von Simulationen wurde dann die Leistungsfähigkeit des HEV-Modells demonstriert. Die Ergebnisse zeigten die Qualität des Modells. Die Anzahl der Systemgleichungen konnte als Ergebnis des in
MapleSim verwendeten Ansatzes zur symbolischen Optimierung deutlich verringert werden, was zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führte. Dieses HEV-Modell kann für den Entwurf, Regelung und Vorhersage des Fahrzeugverhaltens unter verschiedenen Fahrsituationen eingesetzt werden. Es kann auch zur Sensiti-vitätsanalyse, zur Modellreduktion und für Echtzeitanwendungen (HIL) verwendet werden. "Dank MapleSim konnte die Entwicklungszeit dieser Modelle deutlich reduziert werden und die Repräsentation des Systems gibt das tatsächliche physikalische System deutlich besser wieder", sagt Dr. John McPhee. "Wir glauben fest daran, dass eine mathematisch basierte Herangehensweise der beste und wahrscheinlich auch der einzige Weg ist, die Entwurfsprobleme zu lösen, die im Zusammenhang mit komplexen Systemen wie Elektrofahrzeugen und hybrid-elektrischen Fahrzeugen auftreten."

Weitere Informationen: www.maplesoft.com

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