HEVの車両全体シミュレーションによるシステム最適化

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ちえこかんけ
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1 HEV の車両全体シミュレーションによるシステム最適化 MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部アプリケーションエンジニア張莉 2016 The MathWorks, Inc. 1

2 マルチモードハイブリッド自動車 Engine Mode EV Mode SHEV Mode 1. Higuchi, N., Sunaga, Y., Tanaka, M., Shimada, H.: Development of a New Two-Motor Plug-In Hybrid System, SAE (2013) 2

3 システム設計の段階の課題小型軽量化コスト削減燃費向上部品構成点数削減バッテリーの小型化コンパクトな車体設計軽い材料の使用システム全体への影響は? 走行性能安全性能どこまでの小型化が最適? 部品構成点数削減ユニット原価削減試作回数の削減開発の不具合を最小化 ( 手戻り防止 ) 最初からシステム全体の把握が大事早い段階での検証が必要バッテリー容量の向上エネルギー回生エネルギーマネジメントの最適化アイドルストップシステム全体への影響他の性能とのトレードオフどこまで最適化できる? 複雑なハイブリッドシステムだからこそ机上で 1D シミュレーションによる検討検証が重要 3

4 1D シミュレーションとは? 単純に空間的な 1 次元の意味ではなく物事の本質を的確にとらえ機能を見通しのよい形式でシンプルに表現すること例えば物理系の場合システム設計に必要な物理的な振る舞いを抽出再現 ( 抽象化 ) 走行パターン制御器トランスミッション車両エンジン機械電気熱流体などの複合領域の現象を表現しやすい一般的に 3D に比べてシミュレーション負荷が小さい詳細な形状配置 (3D) 決定前の機能性能検討が一つの使い所 4

5 本日のキーポイント車両全体モデルの構築 ( ハードの仕様諸元検討 ) モデルを活用した走行モード制御ロジックの開発燃費向上の検討 ( エネルギーマネジメント最適化 ) 5

6 アジェンダ 1. 車両全体 1D モデリング 2. 走行モード制御ロジック開発への応用 3. 燃費最適化への応用 6

7 システムの挙動は? パフォーマンスは? システムレベルのモデルを構築モデリングツール 7

8 マルチドメインの物理対象をモデリングするには Simscape が便利 8

9 Simscape はシステムの構造を直観的に表現できる F Spring = k Spring *(z Car ) F Shock = b Shock *( dz Car ) dt Simulink Simscape d 2 z Car dt 2 = F Spring F Shock m Car 9

10 Simscape はシステムの変更や拡張を柔軟に対応できる Simulink Simscape F Spring = k Spring *(z Car z Whl ) F Shock = b Shock *( dz Car dt d 2 z Car dz Whl ) dt = F Spring F Shock m Car dt 2 F Tire = k Tire *(z Whl ) + b Tire *( dz Car dt d 2 z Whl dt 2 = F Spring + F Shock F Tire m Car ) 10

11 Simscape 製品群 11

12 システムレベルのモデルモデリングツール 12

13 電気システムプラントモデル用途 / 目的別に詳細度の異なるライブラリ開発バッテリー ( 抽象 ) SimPowerSystems 内部抵抗を含んだ充電依存ソースバッテリー ( 詳細 ) Simscape 熱と SOC 依存性を含んだ RC 等価回路 13

14 電気システムプラントモデル用途 / 目的別に詳細度の異なるライブラリ開発モータ / インバーター ( 抽象 ) SimElectronics サーボモータブロック最大トルク / 速度曲線効率マップモータ / インバーター ( 詳細 ) SimPowerSystems PMSM ブロック (3 相 ) IGBT ブリッジ ( スイッチングダイナミックス ) [3] 14

Simulated Responses Chirp 抽象モデル詳細モデルローター速度機械系では電気系の詳細度を変えてもほぼ同じ結果 600 400 200 0 200

15 <electromagnetic_torque> 計算時間 <Current> Amplitude <Voltage> rotor_velocity_rpm 抽象モデルと詳細モデルのシミュレーション結果比較 Measured vs. Simulated Responses Chirp 抽象モデル詳細モデルローター速度機械系では電気系の詳細度を変えてもほぼ同じ結果電圧電流電気系では高詳細度モデルで PWM 動作による高調波が可視化電磁トルク Time (sec) 時間 (s) モデル詳細度 15

16 可視化したい現象に基づき詳細度を選択プラント ( 制御対象 ) 精度パラメータ計算速度抽象モデル定常特性少速今回燃費最適化のため繰り返しシミュレーションが必要なので実行速度の速い抽象モデルを使用詳細モデル過渡特性多遅 16

17 熱システムプラントモデルクーリングシステム Simscape 熱流体ライブラリモータージェネレーターバッテリー熱伝導と熱伝達 17

18 エンジンモデル Model Based Calibration Toolbox 高精度なエンジン統計モデル最適なキャリブレーションテーブルを生成 18

19 車両モデルパワートレイン Simscape Driveline 車両進行方向の車両ダイナミクスタイヤ ( マジックフォーミュラ ) 摩擦ブレーキデファレンシャルギア / ギアドグクラッチ 19

20 物理ドメインごとに異なる計算周期を設定マルチレートシステムのシミュレーション計算の効率化リアルタイムハードウェア ( マルチコア ) で使用可能 10 ms 1 ms 100 ms 20

21 アジェンダ 1. 車両全体 1D モデリング 2. 走行モード制御ロジック開発への応用 3. 燃費最適化への応用 21

22 ドライブサイクルとドライバーモデルドライブサイクル複数都市 / クルーズサイクル US06, FTP75 ドライバーモデルアクセル / ブレーキペダル : 参照値追従の PI 制御 Stateflow で制御状態を直観的に表現 ( 停止加速減速 ) 22

23 マルチモード制御 Mode Control EV SHEV 遷移条件 Engine 23

24 マルチモード制御例 Mode Control EV SHEV Eng=1 Engine Engine Control Generator Control Off Start SHEV (Speed Control) Eng=1 Off Start SHEV (Torque Control) Eng=1 Engine Drive (Power Split w/ Motor) Clutch=1 Wait for Clutch Speed Match (Close Clutch = Speeds Matched) 24

25 アジェンダ 1. 車両全体 1D モデリング 2. 走行モード制御ロジック開発への応用 3. 燃費最適化への応用 25

26 マルチモード制御の最適化モード間の境界はエネルギー消費量に大きな影響を与える最適な境界形状は? 26

27 最適化を行うための必要条件ドライブサイクル 0-60 と US06 の組み合わせモデルプラントドライバーコントロール入力変数目的出力最適化アルゴリズム遺伝的アルゴリズム 27

Requested Tractive Force [N] 最適化問題の定義 8000 7000 6000 5000 4000 3000 EV SHEV 2000 1000

28 Requested Tractive Force [N] 最適化問題の定義 EV SHEV Engine / Power Split Vehicle Speed [kph] プラントの内部制約を満たしつつ燃費を最適化 28

29 遺伝的アルゴリズムとは? 進化生物学の概念を使用目的関数に対してテストされている候補ソリューションの初期世代から開始その後の世代は選択交叉と突然変異を経て初期世代から進化長所短所大域的に解を探すことが得意計算負荷が高い Global Optimization Toolbox 29

最適化プロセスの高速化 Parallel Computing Toolbox 複数シミュレーションの並列実行複数のコア / プロセッサで複数のシミュレーションを並列実行トータルのシミュレーション実行時間の大幅な短縮 MATLAB Distributed Computing Server

30 最適化プロセスの高速化 Parallel Computing Toolbox 複数シミュレーションの並列実行複数のコア / プロセッサで複数のシミュレーションを並列実行トータルのシミュレーション実行時間の大幅な短縮 MATLAB Distributed Computing Server によるコンピュータクラスタを用いた並列処理 Computer Cluster Workers HEV Model Simulation 1 Simulation 2 Desktop System Workers for parfor シミュレーションの並列実行によるテストプロセスの高速化 30

31 初期世代の生成

32 MPGe 世代の進化 Population [-] 32

33 MPGe US06 モードでの燃費最適化 Generation Generation 33

34 HEV 並列計算のスケーリングノート PC/ デスクトップ簡単計算規模に制限あり 40 コアのインテルシステム簡単高速高価 Amazon EC2 高速オンデマンド低価格適用フェースが早い 34

35 Requested Tractive Force [N] Requested Tractive Force [N] 最適化結果 EV SHEV EV SHEV 1000 Engine / Power Split Vehicle Speed [kph] Nominal 1000 Engine / Power Split Vehicle Speed [kph] Optimized 燃費は 13.14km/L から 14.37km/L を改善 (+9.4%) 計算時間は 27 日から 0.5 日に 35

36 まとめ Simscape Simscape PowerSystems Simscape Electronics Simscape Driveline Stateflow 物理モデリングツールによる車両全体モデルの直観的な構築モデルを活用した走行モード制御ロジックの開発車両全体シミュレーションによる燃費の最適化 Global Optimization Toolbox Parallel Computing Toolbox 36

37 その他の適用事例パワーショベルパワーウィンドウ冷却 / 空調サイクルデュアルクラッチトランスミッションパワーステアリング 37

もう少し深く知りたい方に向けの情報製品名物理モデリング領域概要説明ショートムービー基本操作チュートリアルブロックリスト機能紹介

SimPowerSystems ) パワエレ / 電力系統 2:26 誘導モータ駆動装置 Simscape Electronics ( 旧

SimHydraulics ) 油圧回路 (1D) 1:49 油圧駆動機構 Simscape Multibody ( 旧

38 もう少し深く知りたい方に向けの情報製品名物理モデリング領域概要説明ショートムービー基本操作チュートリアルブロックリスト機能紹介 Web ページ Simscape マルチドメインの基本環境 2:16 マスバネダンパ Simscape Power Systems ( 旧 SimPowerSystems ) パワエレ / 電力系統 2:26 誘導モータ駆動装置 Simscape Electronics ( 旧 SimElectronics ) メカトロ / 電子回路 2:03 DC モータ駆動装置 Simscape Fluids ( 旧 SimHydraulics ) 油圧回路 (1D) 1:49 油圧駆動機構 Simscape Multibody ( 旧 SimMechanics ) メカ (3D) 1:50 単振り子 Simscape Driveline ( 旧 SimDriveline ) 動力伝達装置 (1D) 1:57 車両 38

39 トレーニングコンサルティングサービス投資効果トレーニングサービス定期トレーニング ; 東京名古屋大阪にて定期開催基礎コース (11) 応用コース(11) 専門コース (4) をご提供オンサイトトレーニング ; お客様サイトにて開催ご要望に応じて3つのレベルでカリキュラムのカスタマイズが可能投資対効果の最大化コンサルティングサービスカスタム Jumpstart ; 顧客モデルをベースにした短期集中型ツール導入サポート Advisory Service; 顧客 Project に合わせた中長期アドバイザリサービス 39

40 技術トレーニングサービスについて習熟度合わせてコースを選択いただくことで無理なくスキルアップを図れます専門応用基礎 (e.g. 制御システムエンジニア向けトレーニング ) Programming Xilinx Zynq SoCs with MATLAB and Simulink Simulink モデルの管理 Embedded Coder による量産向けコード生成 MATLAB/Simulink によるモデルベース開発 MATLAB と Simulink による制御設計 Simscape によるマルチドメインシステムの物理モデリング SimPowerSystems による電力系統の物理モデリング Simulink モデルの検証と妥当性確認 MATLAB 基礎 Simulink 基礎 Stateflow 基礎リアルタイムコードの生成およびテストの基礎 40

Accelerating the pace of engineering and science Li.Zhang@mathworks.co.jp 2016 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc.

41 Accelerating the pace of engineering and science 2016 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 41

f2-system-requirement-system-composer-mw

f2-system-requirement-system-composer-mw Simulink Requirements と新製品 System Composer によるシステムズエンジニアリング MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部大越亮二 2015 The MathWorks, Inc. 1 エンジニアリングの活動要求レベルシステムレベル要求分析システム記述表現高システム分析システム結合抽象度サブシステムコンポーネントレベル