Powertrain Blockset

Modellazione e simulazione di sistemi motopropulsori per il settore automotive

 

Powertrain Blockset™ offre modelli di applicazioni di riferimento completamente assemblati di sistemi motopropulsori per il settore automotive, compresi quelli a benzina, diesel, ibridi ed elettrici. Il prodotto include una libreria di componenti per la simulazione di sottosistemi del motore, gruppi trasmissione, motori a trazione, pacchi batteria e modelli di controller. Powertrain Blockset comprende inoltre un modello di dinamometro per l’esecuzione di test virtuali. Il supporto per i file MDF garantisce un’interfaccia basata su standard per gli strumenti di calibrazione per l’importazione dei dati.

Powertrain Blockset fornisce un’architettura modellistica standard da poter riutilizzare durante l’intero processo di sviluppo. Può essere utilizzato per l’analisi dei tradeoff di progettazione e la definizione delle dimensioni dei componenti, l’ottimizzazione dei parametri di controllo e l’esecuzione di test hardware-in-the-loop. I modelli sono personalizzabili attraverso la definizione dei parametri dei componenti in un’applicazione di riferimento con i propri dati oppure attraverso la sostituzione di un sottosistema con il proprio modello.

Per iniziare:

Modellazione di un sistema motopropulsore

Applicazioni di riferimento

Powertrain Blockset offre un set di applicazioni di riferimento completamente assemblate, compresi i sistemi per veicoli a benzina (accensione comandata, SI), diesel (accensione per compressione, CI), ibridi ed elettrici, come punto di partenza per modellare il proprio sistema motopropulsore. Per modellare un sistema di propulsione adatto al proprio progetto, è possibile selezionare un’applicazione di riferimento in base al tipo di motopropulsore. Ogni applicazione di riferimento include dei modelli di impianto, dei controller, un driver longitudinale e dei dati sui cicli di guida.

Le applicazioni di riferimento sono configurate per i progetti Simulink®. I progetti Simulink consentono di gestire e di controllare le versioni di script, file di modello di componenti e file di modello ad alto livello.

Livello più alto del modello di applicazione di riferimento per un gruppo motopropulsore a benzina.

Modello di sistema personalizzato in base al progetto

Le applicazioni di riferimento fungono da punto di partenza per sviluppare il proprio modello di sistema. Per personalizzare un’applicazione di riferimento in base al proprio progetto di motopropulsore, la prima cosa da fare è parametrizzare i componenti dell’applicazione di riferimento usando i dati provenienti da uno strumento specifico del dominio, un test bench o un veicolo. In base all’applicazione e alla configurazione del motopropulsore, potrebbe essere necessario selezionare i vari tipi di modelli di componenti e personalizzare ulteriormente il modello di sistema.

La libreria di componenti di Powertrain Blockset contiene blocchi di controller e sistemi fisici per:

  • Propulsione
  • Trasmissione
  • Drivetrain
  • Accumulo di energia
  • Dinamica longitudinale del veicolo
  • Dati dei cicli di guida e driver longitudinale

Tutti i modelli di Powertrain Blockset, comprese le applicazioni di riferimento e i componenti della libreria, sono completamente personalizzabili. I progetti Simulink sono utilizzabili per gestire le varianti dei modelli , ad esempio per la selezione delle varianti, la gestione delle versioni e il confronto.

Progetto Simulink dell’applicazione di riferimento di un gruppo motopropulsore a benzina.

Modelli di motori a combustione mappati e dinamici

Powertrain Blockset offre due tipologie di modelli di motori a combustione: quelli mappati e quelli dinamici. I motori mappati rappresentano il macro comportamento di un motore come un insieme di tabelle di ricerca (coppia frenante, flusso del carburante, flusso dell’aria, temperatura di scarico, efficienza ed emissioni) in funzione del carico comandato e della velocità misurata del motore. I motori dinamici scompongono il comportamento del motore in modelli di componenti singoli che tengono conto della dinamica del motore, prevalentemente del flusso d’aria di aspirazione e della dinamica del turbocompressore.

In base alla propria applicazione, è possibile passare da un tipo di motore all’altro. I modelli di motore dinamici si addicono alla progettazione di algoritmi di controllo, stima e diagnostica che dipendono dagli stati dei sottosistemi dinamici, ad esempio nello sviluppo di algoritmi di controllo AFR ad anello chiuso. I modelli di motore mappati si addicono alle attività di analisi e progettazione che non necessitano delle caratteristiche dinamiche dei sottosistemi del motore, come per esempio per l’analisi di confronto di gruppi di propulsione costituiti da trasmissione e motore per il calcolo del risparmio di carburante, delle emissioni e dei tradeoff prestazionali.

Sia i modelli di motore SI che CI funzionano in tempo reale per i test hardware-in-the-loop (HIL) .

Modello di motore SI dinamico.

Componenti di gruppi motopropulsori elettrificati

Powertrain Blockset include applicazioni di riferimento per i motopropulsori elettrificati più diffusi come quelli elettrici e gli ibridi multimodali. Queste applicazioni di riferimento sono aperte, per cui è possibile configurare e parametrizzare i componenti dei gruppi motopropulsori elettrificati, compresi i motori, i generatori e i sistemi di accumulo dell’energia.

Ad esempio, è possibile includere gli effetti di commutazione dell’elettronica di potenza e prevedere efficienze e perdite elettriche usando i blocchi di Simscape Electrical™.

Blocchi di un motore elettrico.

Progettazione e test di un modello di controller

Modelli di controller integrati

Powertrain Blockset mette a disposizione dei modelli di controller semplici per i sottosistemi, compresi i motori a combustione, le trasmissioni e i motori elettrici. Questi modelli di controller servono a due scopi principali.

Prima di tutto, i modelli di controller completano un modello di sistema motopropulsore. Questo aspetto è importante, per esempio, quando si testa l’interazione tra il controller della trasmissione e gli altri sistemi presenti in un veicolo. Includendo un controller per motore, insieme al motore nel modello di sistema, è possibile riprodurre l’interazione tra trasmissione e motore durante un cambio marcia in una simulazione.

In secondo luogo, i modelli di controller integrati fungono da punto di partenza per sviluppare il proprio controller, così da non doverne costruire uno nuovo da zero. I modelli di controller si basano su pratiche diffuse del settore e sfruttano le funzionalità più recenti di Simulink®.

Controllo del variatore di fase nel sottosistema ad aria del controller di un motore SI.

Modelli di controller definiti dall’utente

I modelli di controller contenuti in ciascuna applicazione di riferimento sono progettati in modo gerarchico e modulare. Man mano che si sviluppano i propri controller, è possibile sostituire ogni componente del controller integrato. Grazie a questo metodo, è possibile usare il modello dell’applicazione di riferimento come un dinamometro virtuale o un veicolo virtuale per testare passo dopo passo il proprio controller. Si parte da una feature alla volta, poi si raggruppano i modelli di feature in un modello di controller più completo per testarne l’integrazione rispetto al modello di impianto.

Sostituzione di un modello di feature all’interno del controller di un motore CI integrato con un modello personale.

Stimatori embedded

Gli stimatori embedded sono molto usati nella progettazione dei sistemi di controllo per eliminare un sensore o implementare un sensore virtuale quando è impossibile usarne uno fisico. I controller dei motori a combustione includono degli stimatori di stato che servono a stimare la coppia, la temperatura di scarico, il flusso EGR, la contropressione, la portata d’aria, la pressione del collettore, l’AFR e il carico del motore. È possibile sfruttare questi componenti dei modelli quando si sviluppa il proprio stimatore, riducendo gli sforzi in termini di creazione dell’architettura e progettazione iniziale. In più, questi stimatori sono identici ai rispettivi sottosistemi all’interno dei modelli di impianto del motore. Di conseguenza, una volta stabiliti i parametri di un modello di impianto di motore, è possibile riutilizzare automaticamente i valori parametrici per lo stimatore. I modelli di stimatore sono progettati per l’implementazione di ECU usando Embedded Coder®.

Esecuzione di tradeoff di progettazione dei sistemi

Oltre che per progettare e testare i controller, è possibile utilizzare le applicazioni di riferimento per condurre studi sui tradeoff di progettazione dei gruppi motopropulsori, come le emissioni, il risparmio di carburante e le prestazioni. I blocchi a mappe per motori a combustione e motori elettrici usano dati prontamente disponibili da parte dei fornitori dei componenti, il che li rende adatti per le analisi di tradeoff iniziali. Per tenere conto degli effetti dinamici sul gruppo motopropulsore in studi di tradeoff dettagliati, è possibile utilizzare i blocchi per motori a combustione e motori elettrici dinamici, per esempio, in studi che richiedono l’effetto del windup del turbocompressore o di algoritmi di controllo per motori elettrici.

Gli studi sui tradeoff di progettazione spesso richiedono l’esecuzione di decine di migliaia di simulazioni. Per automatizzare le simulazioni e analizzare i risultati è possibile usare MATLAB® . Le funzioni avanzate di ottimizzazione offerte da Optimization Toolbox™ consentono di trovare automaticamente il set di parametri progettuali più adatto. Per ridurre il tempo complessivo da dedicare alle simulazioni, è possibile usare Parallel Computing Toolbox™ e distribuire le simulazioni del sistema motopropulsore in un cluster di core di computer.

Punti operativi di BSFC (consumo specifico di carburante) di un motore tratti da uno studio progettuale di confronto di un gruppo motopropulsore.

Distribuzione per test HIL (hardware-in-the-loop)

Per rispondere alle esigenze dei test HIL, i modelli devono raggiungere un equilibrio tra fedeltà e velocità di simulazione. I blocchi di Powertrain Blockset offrono il livello di dettaglio necessario a catturare importanti effetti fisici (windup del turbocompressore, dinamica di svuotamento e riempimento del collettore, dinamica della driveline, ecc.), raggiungendo al contempo alte prestazioni di simulazione e garantendo velocità di esecuzione in tempo reale. È possibile usare sia i modelli di motore dinamici che quelli mappati nelle applicazioni di riferimento per i test HIL. Tutto ciò consente di partire da un’applicazione di riferimento, personalizzare i dati in base alle proprie esigenze ed eseguire test HIL sul proprio modello di controller.

Test HIL con i modelli di Powertrain Blockset.

Integrazione di modelli di sottosistemi dettagliati

Modifica di modelli di sottosistemi dettagliati

Powertrain Blockset offre blocchi per svariati sottosistemi del settore automotive. Tuttavia, si potrebbe decidere di personalizzare uno dei sottosistemi per catturare una dinamica specifica su cui concentrarsi. I blocchi sono aperti e documentati, pertanto le librerie possono essere modificate in base alle proprie necessità. Per esempio, è possibile fare una copia del blocco del motore CI dinamico dalla libreria e aggiungere una valvola a farfalla per catturare gli effetti della dinamica di aspirazione e scarico dell’aria. È possibile includere il nuovo blocco del motore CI come ulteriore variante di sottosistema nell’applicazione di riferimento, creando delle configurazioni del veicolo che contengano o il motore predefinito oppure la propria versione personalizzata.

Personalizzazione di un blocco della libreria per creare una nuova variante di motore.

Integrazione con Simscape

Le applicazioni di riferimento di Powertrain Blockset consentono di testare dei modelli personalizzati di ogni singolo componente sostituendo i sottosistemi integrati con una variante creata personalmente. Per esempio, è possibile costruire un modello di drivetrain basato su collegamenti fisici usando Simscape Driveline™ e Simscape Fluids™, poi inserirlo in un modello di veicolo ad anello chiuso di Powertrain Blockset. Abbinare i progetti personalizzati con Powertrain Blockset consente di eseguire dei test completi a livello di sistema. Riutilizzare lo stesso framework dell’applicazione di riferimento accelera le fasi di impostazione ed esecuzione dei test dei sottosistemi garantendo al contempo la flessibilità necessaria a personalizzare il modello di veicolo in base a esigenze specifiche.

Creazione di varianti personalizzate di drivetrain con Simscape Driveline.

Funzionalità recenti

Modulo di controllo della trasmissione

Ottimizzazione dei piani di cambio marcia per la progettazione di algoritmi e l’analisi di prestazioni, risparmio di carburante ed emissioni

Tracciamento dei guasti nel ciclo di guida

Individuazione dei guasti del ciclo di guida specificati da test standardizzati

Blocco di driver longitudinali

Configurazione di input per controllare i comandi di accelerazione e decelerazione

Consulta le note di rilascio per ulteriori informazioni su queste caratteristiche e sulle funzioni corrispondenti.