Testiranje i rješenja za električna i hibridna vozila

dSpace Electric Drive (ED) odjel bavi se razvojem simulacijskih modela različitih tipova elektromotora, ali i ostalih dijelova elektromotornog pogona, pojašnjava dr. Sc. Sabina Krivec Boroš, doktorica znanosti iz polja elektrotehnike.

Zbog visoke razine složenosti naših modela moguće je simuliranje nelinearnih efekata koji se pojavljuju u komponentama pretvarača te simuliranje pojave nestabilnosti struje uslijed visokih frekvencija PWM signala, pojašnjava dr. Sc. Sabina Krivec Boroš.

Čime se bavi vaš odjel unutar tvrtke dSPACE engineering i koja je uloga vas kao razvojne inženjerke?

Electric Drive (ED) odjel bavi se razvojem simulacijskih modela različitih tipova elektromotora, ali i ostalih dijelova elektromotornog pogona. To uključuje modele pretvarača napona i frekvencije, mehaničkih komponenti, blokova za generiranje i mjerenje PWM (engl. pulse width modulation) signala, naprednih I/O (engl. input/output) modula za simulaciju detekcije pokreta, itd. Modeli koje razvijamo namijenjeni su radu na FPGA (engl. field-programmable gate array) platformama koje nam omogućuju skalabilan dizajn, veliku preciznost i stabilnost. Istovremeno, korištenjem FPGA platformi postižemo velike brzine izvođenja što je ključno za simulaciju sustava elektromotornih pogona i odgovarajućih upravljačkih jedinica u realnom vremenu. Uz FPGA modele, dio tima bavi se i izradom procesorskih (CPU) modela koji opisuju procese nešto sporije dinamike i jednostavno su nadogradivi.

Moja uloga u timu uključuje razvoj i testiranje generičkog modela pretvarača napona i frekvencije te njegovu integraciju sa elektromotorom. Ovisno o primjeni i motoru za koji se koristi pretvarač, on mora biti modularan omogućavajući prilagodbu na višefazne sustave ili sustave s više razina napona. Naprednim upravljačkim algoritmima koji se baziraju na tehnici sklapanja poluvodičkih sklopki moguće je mijenjati veličinu i frekvenciju napona na izlazu pretvarača. Dakle, glavni dio pretvarača su i poluvodičke sklopke čija ograničenja imaju značajan utjecaj na rad sklopa pa je stoga vrlo bitno prilikom modeliranja definirati različite vrste kao što su MOSFET, IGBT i diode. Također, zbog visoke razine složenosti naših modela moguće je simuliranje nelinearnih efekata koji se pojavljuju u komponentama pretvarača te simuliranje pojave nestabilnosti struje uslijed visokih frekvencija PWM signala.

Kako Vam prethodno stečeno radno iskustvo pomaže na trenutnom radnom mjestu u tvrtki dSPACE engineering?

Prije zaposlenja u tvrtki dSPACE, radila sam kao istraživačica na Zavodu za elektroniku, mikroelektroniku, računalne i inteligentne sustave Fakulteta elektrotehnike i računarstva. Glavni fokus mog istraživanja bila je fizika poluvodiča te numeričke simulacije i modeliranje ultra tankih poluvodičkih struktura, pogotovo onih namijenjenih za visoke frekvencije i visoke napone. U svrhu istraživanja razvijala sam numerički simulator sa svim relevantnim mehanizmima raspršenja te efektima struktura energetskih pojaseva kako bi utvrdila utjecaj naprezanja na karakteristike materijala kao što je indij-galij-arsenid (InGaAs) - alternativa danas dobro poznatom siliciju (Si). U sklopu tog istraživanja, obranila sam doktorski rad te se nakon toga zaposlila u tvrtki u kojoj sam imala priliku naučiti više o numeričkim simulacijama i njihovoj primjeni u automobilskoj industriji. Danas, u tvrtki dSPACE, koristim znanje stečeno na fakultetu iz područja elektronike i modeliranja, a iskustvo rada u automobilskoj industriji pomoglo mi je da brže savladam procese i napredne softverske alate.

Gdje i kako se primjenjuju softverska rješenja koja razvijate?

Područje primjene elektromotora, a tako i naših softverskih rješenja je raznovrsno i široko. Jedan od primjera je razvoj električnih i hibridnih vozila. Testiranje komponenata električnih vozila u sigurnom laboratorijskom okruženju, metodama kao što je npr. HIL (engl. Hardware In the Loop), omogućuje klijentima tvrtke dSPACE da na siguran i brz način testiraju vlastite komponente prije izlaska na tržište štedeći tako vrijeme i troškove u fazi razvoja i istraživanja. Osim testiranja kompletnog elektromotornog pogona ili pojedinih komponenti električnih i hibridnih vozila, pomoću dSPACE rješenja moguće je testiranje popratne infrastrukture za električna vozila kao što su stanice za punjenje električnih vozila te testiranje naprednih algoritama upravljanja kao što je upravljanje višerazinskim pretvaračima, upravljanje motorima male snage (npr. motori za podizanje stakla) te testiranje sustava regenerativnog kočenja. Primjena razvijenih modela nije ograničena samo na automobilsku industriju - dSPACE softverska rješenja i alati aktivno se koriste u znanstvenim i istraživačkim projektima, te u raznim djelatnostima koje zahtijevaju neki oblik elektromotornih pogona (zrakoplovstvo, energetika, astronautika, itd.)

Po čemu su značajni modeli koje razvijate te koje su prednosti testiranja pomoću njih?

Velika prednost naših modela je modularnost i prilagodljivost različitim zahtjevima klijenata. Iako veoma složeni, vrlo su jednostavni za korištenje tako da i korisnici sa ograničenim znanjem o programiranju FPGA sklopova mogu jednostavno implementirati razvojne okoline za testiranje upravljanja motorom i sl. Takve testne okoline omogućuju provođenje ispitivanja na različitim sustavima - jednostavnom zamjenom simulacijskih modela ili parametara moguće je ispitati rad algoritma upravljanja na različitom tipu stroja ili topologiji pretvarača napona i frekvencije. Primjer su HIL simulacije gdje se stvarni elektromotorni pogon (pretvarač napona i frekvencije, elektromotor, senzori brzine vrtnje i ostale mehaničke komponente) nadomješta simulacijskim (matematičkim) modelom koji se izvršava u realnom vremenu na odgovarajućem hardveru te se korištenjem analogno-digitalnog sučelja povezuje s uređajem koji se testira, što je u tom slučaju mikrokontroler s razvijenim algoritmom upravljanja. Takav način testiranja pruža fleksibilnost ispitivanja kvarova sustava (različite kvarove sustava često nije moguće praktično ispitati na stvarnom sustavu) te primjenu većih opterećenja na pogon bez posljedica na vozilo ili vozača.

Koji su glavni izazovi s kojima se susrećete u svom radu?

Rad na razvoju generičkog modela pretvarača i motora vrlo često zahtijeva temeljito ispitivanje modela kako bi utvrdili radi li model u svim uvjetima i konfiguracijama s jednakom preciznošću i pouzdanošću. Vrlo često to znači i usporedbu s referentnim modelima koje je potrebno prethodno modelirati pomoću nekih od eksternih alata koje koristimo, npr. MATLAB Simscape ili Ansys. Također, jedan od većih izazova je optimizacija ovako fizikalno složenog modela. Model je potrebno optimizirati kako bi vrijeme izvođenja bilo u rasponima prihvatljivim za izvođenje modela u realnom vremenu u HIL okruženjima, dok s druge strane model mora uz dovoljnu razinu složenosti odgovarati raspoloživosti resursa dSPACE FPGA platformi. To također podrazumijeva donošenje odluka vezanih uz razinu kompleksnosti modela i postavljanja prioriteta u odnosu na zahtjeve tržišta. Generalno, rad na razvoju ovakvih softverskih rješenja zahtijeva puno istraživanja i ispitivanja pa je u tom smislu posao dinamičan i istovremeno izazovan.