L’Università di Waterloo sviluppa una tecnologia a celle a combustibile pluripremiata con la progettazione Model-Based
“Senza Simulink, non credo che sarebbe stato possibile sviluppare specifiche eseguibili con lo stesso livello di dettaglio o utilizzare la progettazione Model-Based così ampiamente.”
Sfida
Soluzione
Risultati
- Facilità di comunicazione
- Notevole risparmio sui tempi di progettazione
- Tecnologia innovativa
Challenge X, una competizione sponsorizzata da General Motors e dal dipartimento statunitense dell’energia, chiede a 17 team di studenti nordamericani di riprogettare una Chevrolet Equinox in modo da ridurre le emissioni e il consumo di carburante senza compromettere la sicurezza e le prestazioni del veicolo.
Il team sui combustibili alternativi dell’Università di Waterloo (UWAFT) si è aggiudicato la prima posizione globale nel primo anno della competizione triennale grazie al suo progetto di veicolo alimentato tramite celle a combustibile. Il team UWAFT ha anche vinto il MathWorks Crossover to Model-Based Design Award per gli ottimi risultati raggiunti nel campo della creazione, simulazione e analisi di modelli per la progettazione di veicoli e il controllo di sottosistemi.
“Siamo stati gli unici a usare le celle a combustibile nel motopropulsore,” afferma il professor Roydon Fraser, consulente di facoltà UWAFT. “Il software di MathWorks per la progettazione Model-Based ha consentito al nostro team di tagliare i tempi di creazione del prototipo e simulazione dei nostri progetti dei sistemi del veicolo, permettendoci anche di stabilire la fattibilità della tecnologia a celle a combustibile.”
Sfida
Il primo anno di Challenge X si concentra sulla progettazione di veicoli. I partecipanti devono utilizzare la progettazione Model-Based per completare la progettazione e il test del motopropulsore entro 10 mesi e devono inviare cinque report principali.
Il team dell’Università di Waterloo ha cercato un software di progettazione che consentisse di utilizzare la progettazione Model-Based per l’intero progetto, dall’acquisizione dei requisiti all’implementazione. Il software deve accelerare lo sviluppo di strategie di controllo facilitando il riuso di modelli, deve essere di facile apprendimento e consentire ai membri del team di condividere il lavoro facilmente.
Soluzione
“Gli strumenti MathWorks ci hanno permesso di simulare vari motopropulsori, sviluppare modelli di impianto precisi, testare strategie di controllo e convalidare la progettazione complessiva,” dichiara il capo del team UWAFT, Matthew Stevens.
MathWorks ha fornito training in MATLAB®, Simulink®, Stateflow® e PSAT, un programma di modellazione basato su Simulink. “Avere un prodotto con una curva di apprendimento rapida o per il quale gli studenti erano già addestrati è stato fondamentale per il successo del team”, commenta Stevens. “È stato possibile utilizzare gli strumenti MathWorks per diverse fasi del processo di progettazione, riducendo il numero di programmi software che gli studenti dovevano apprendere”.
Il team UWAFT ha sviluppato oltre 400 simulazioni PSAT per confrontare carburanti, tecnologie e dimensioni del motopropulsore. Grazie a Optimization Toolbox™ e a una sofisticata progettazione di esperimenti è stato possibile capire la relazione tra dimensione dei componenti e prestazioni del veicolo e quindi determinare il motopropulsore ottimale.
Simulink ha consentito al team di sviluppare un modello d’impianto del sistema di alimentazione a celle a combustibile, che includeva il motore, la batteria, la cella a combustibile e un convertitore CC/CC.
MATLAB, Simulink, Stateflow e Control System Toolbox™ hanno permesso di sviluppare la strategia di controllo ibrida (HCS), che determina la quantità di potenza proveniente dalla cella a combustibile. MATLAB ha consentito di trovare la ripartizione ottimale della potenza tra la cella a combustibile e la batteria in uno specifico ciclo di guida.
Il convertitore CC/CC aumenta la tensione della cella a combustibile e controlla la potenza dalla cella a combustibile. Simscape Electrical™ è stato utilizzato per modellare il circuito, che era controllato da un controller PI. Il team ha studiato la risposta in frequenza e la stabilità del circuito utilizzando i diagrammi di Bode e le mappe zeri-poli in MATLAB. La simulazione ha consentito di verificare il funzionamento corretto, determinare l’efficienza del circuito e calcolare valori e valutazioni di induttori e altri componenti.
La cella a combustibile si accende e si spegne, determinando un funzionamento discontinuo che è difficile ottimizzare con i metodi tradizionali. Per trovare il benchmark di controllo ottimale, il team UWAFT ha perciò utilizzato Global Optimization Toolbox, per il quale non è necessario un funzionamento continuo. Il team ha anche utilizzato Deep Learning Toolbox™ per modellare l’idratazione delle membrane all’interno della pila di celle a combustibile.
Embedded Coder® per controller satellite UWAFT in tutto il veicolo per la prototipazione rapida on-target utilizzando un controller embedded.
Al momento il team sta testando componenti del motopropulsore, raffinando la strategia di controllo del veicolo, integrando la cella a combustibile avanzata nel veicolo e facendo ricerche sulle possibilità di riduzione del peso.
“Siamo sicuramente interessati a utilizzare altri prodotti MathWorks per la competizione e speriamo anche in molti altri progetti in futuro”, afferma Stevens.
Risultati
Facilità di comunicazione. L’ambiente MATLAB e Simulink ha aumentato l’efficienza permettendo ai membri del team di scambiarsi facilmente collegamenti rapidi e suggerimenti e di inviarsi reciprocamente via e-mail i propri modelli e risultati per ulteriori lavorazioni.
Notevole risparmio sui tempi di progettazione. “In particolare, Simulink ha permesso al team UWAFT di utilizzare la progettazione Model-Based per confrontare quattro diversi combustibili e progettare un solido SUV a celle a combustibile e una strategia di controllo in meno di 10 mesi, inclusi i tempi di addestramento... un’impresa veramente incredibile,” nota Stevens. “Senza Simulink, probabilmente avremmo impiegato fino alla fine della competizione triennale solo per completare il lavoro del primo anno!”
Tecnologia innovativa. “Crediamo che il nostro prodotto finale sarà il primo veicolo a celle a combustibile progettato da studenti a fornire prestazioni competitive con i veicoli di oggi e a soddisfare le esigenze di chilometraggio ed efficienza del futuro”, afferma Stevens.
