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1 減 速 エネルギー 回 生 システム i-eloop と モデルベース 開 発 -Model-based development for i-eloop- マツダ 株 式 会 社 パワートレイン 開 発 本 部 電 駆 PT 制 御 部 品 開 発 部 第 2 制 御 部 品 開 発 ク ルーフ 小 谷 和 也 MATLAB EXPO 2015, Oct, 16 1

2 Contents 1. i-eloopにおけるmbd 開 発 環 境 (1) はじめに (2) MBDについて (3) MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み 2. MBD 開 発 環 境 の 適 用 事 例 (1) ハードウェアSpecの 最 適 化 (2) デバイスの 制 御 開 発 (3) 発 電 制 御 の 最 適 化 2

3 1-1. はじめに ビルディングブロック 戦 略 環 境 技 術 の 採 用 拡 大 予 測 (~2020) 電 気 デバイスの 採 用 は 増 えていく 一 方 2020 年 においても95%は 内 燃 機 関 をベースとした 動 力 源 と 予 測 される 3

4 1-1. はじめに ビルディングブロック 戦 略 革 新 的 なベース 技 術 へ 段 階 的 に 電 気 デバイスを 組 合 せ 更 なる 環 境 性 能 向 上 を 実 現 4

5 1-1. はじめに i-eloopの 位 置 づけ i-eloopは 捨 てられているエネルギーを 再 利 用 してゆく 技 術 である 5

6 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 i-eloopは 可 変 電 圧 ALT EDLC DCDCを 採 用 より 多 くの 減 速 エネルギを 回 生 する 6

7 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 Variable Voltage 12-25V Alternator Regeneration EDLC DC-DC convertor Kinetic Energy Electrical components Battery Conventional 12V 減 速 エネルギによって 発 電 を 行 い その 電 力 を 蓄 え 電 装 品 で 利 用 する 7

8 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 エンジンの 動 力 の 約 10%が 発 電 に 使 われている! エンジンの 動 力 ( 燃 料 )の 約 10%が 発 電 ( 電 装 品 )で 消 費 している 8

9 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 i-eloop 走 行 時 はオルタネーター 発 電 しなくてよいので 燃 費 向 上! 9

10 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 減 速 エネルギを 回 生 することで エンジンの 出 力 を100% 走 りに 利 用 できる 10

11 1-1. はじめに i-eloop (Brake Energy Regeneration System) 概 要 i-eloopは2012 年 に 導 入 後 順 次 拡 大 展 開 を 進 めている 11

12 1-2. MBDについて 従 来 の 自 動 車 システム 開 発 製 品 開 発 でこのサイクルを 回 せるのは 最 大 2 回 試 作 や 評 価 にかかる 期 間 はそ れぞれ 数 ヶ 月 関 わるエンジニアの 数 はン 百 人 1 台 の 試 作 車 製 作 にかかる 費 用 はン 千 万 円 以 上 後 になるほど 必 要 な 時 間 や 費 用 は 加 速 度 的 に 増 加 (エンジンや 車 両 の 試 作 評 価 / 評 価 設 備 ) 実 車 評 価 まで 進 んでからやり 直 したのでは 取 り 返 しがつかない 12

13 1-2. MBDについて 自 動 車 システム 開 発 でのMBD Real World 機 能 保 証 従 来 の 開 発 の 仕 方 実 制 御 対 象 (エンジンなど) 実 ECU 自 動 コード 生 成 (ACG) モデル 化 HILS Rapid-ECU モデル 化 MBC Virtual World プラントモデル MILS, SILS, PILS 機 能 保 証 コントローラモデル MILS : Model-In-the-Loop Simulation SILS : Software-In-the-Loop Simulation PILS : Processor-In-the-Loop Simulation HILS : Hardware-In-the-Loop Simulation 制 御 装 置 と 制 御 対 象 の 機 能 をモデル 化 して 組 み 合 わせ シミュレーション 技 術 などを 活 用 して 開 発 する 手 法 13

14 1-2. MBDについて 自 動 車 システム 開 発 でのMBD Rapid-ECU MILS SILS HILS MBC (Model-Based Calibration) 自 動 コード 生 成 (ACG) HILS PILS 開 発 プロセスの 各 工 程 にモデルと 手 法 を 適 用 することで 全 般 に 渡 り 開 発 の 質 と 速 度 を 上 げることができる 14

15 1-2. MBDについて i-eloopにおけるmbd 適 用 の 背 景 / 目 的 新 規 デバイスの 開 発 - 可 変 電 圧 オルタネータ / EDLC / DCDCコンバータ 新 規 制 御 ストラテジーの 開 発 - 減 速 トルク 制 御 / デュアルストレージ 制 御 / 高 効 率 発 電 制 御 その 上 で 開 発 効 率 品 質 の 向 上 が 必 要 開 発 初 期 からモデルベース 開 発 環 境 を 利 用 し 大 幅 なフロントローディングで 開 発 を 成 功 させる フロントローディング 15

16 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み モデルベース 開 発 環 境 概 要 エンジン 車 両 トランスミッションなど 主 要 な 要 素 を 含 む 仮 想 車 両 モデルであり システム 設 計 段 階 での 燃 費 検 討 から 検 証 段 階 での 制 御 パラメータ 適 合 まで 適 用 することが 可 能 同 一 モデルをHILSとMILSで 利 用 可 能 MILS/HILS Test model Vehicle model Driver Model ACCEL SHIFT BRAKE Road Model i-eloop System Engine Transmission Body Selectable (Auto or Manual) Engine Control AT Control :Selectable (Hardware or Model) :Model 16

17 モデル 化 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み 制 御 モデル(コントローラモデル) アプリケーション 層 の 全 機 能 およびプラット フォーム 層 の 一 部 については Simulinkと Stateflowで 記 述 これにより 設 計 段 階 での 検 証 が 可 能 となった(MILS) また 自 動 コード 生 成 技 術 が 適 用 でき コントローラへ 実 装 する までの 期 間 が 劇 的 に 短 縮 した 17

18 モデル 化 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み 制 御 対 象 モデル(プラントモデル)~その1 制 御 開 発 におけるプラントモデル 物 理 モデル 化 しやすい 物 理 モデル 化 しにくい ( 統 計 モデルで 記 述 ) 電 気 系 機 械 系 流 体 系 熱 系 化 学 反 応 系 操 作 量 電 圧 力 (トルク) 圧 力 温 度 濃 度 比 温 度 温 度 頻 度 因 子 制 御 量 電 流 速 度 ( 角 速 度 ) 流 速 熱 流 速 平 衡 状 態 反 応 開 始 & 速 度 抵 抗 粘 性 抵 抗 管 路 抵 抗 熱 抵 抗 - - 要 素 インダクタンス コンデンサ ばね( 剛 性 ) 質 量 (イナーシャ) 体 積 弾 性 係 数 タンク 容 量 - 熱 容 量 トランス てこ(ギヤ) 絞 り 物 理 モデル 化 しやすい 例 自 動 車 には 物 理 モデル 化 しやすい 系 としにくい 系 が 共 存 しており これらの 組 み 合 わせに 工 夫 が 必 要 また 統 計 モデル 化 のためのデータ 計 測 の 効 率 化 や モ デル( 近 似 式 )の 精 度 / 演 算 速 度 の 両 立 が 必 要

19 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み モデル 化 制 御 対 象 モデル(プラントモデル)~その2 モデル 化 対 象 エンジンやセンサ/アクチュエータ 補 機 トランスミッション 車 両 の 走 行 抵 抗 など ハイブリッド 構 造 ~ 扱 いやすさと 精 度 を 両 立 エンジンのシリンダ 内 挙 動 に ついてはMBCで 得 た 統 計 モデル ( 物 理 モデル 化 しにくい 系 ) その 他 は 物 理 モデル p_cons? LOAD1 LOAD2 unitcurrent resistor1 R=parameter? GND 電 気 負 荷 1 current? A const k=25 current? A + Buck resistor R=parameter? dcdc DC/DC コンバータ + p_generate 電 気 負 荷 2 GND1 acsbus バッテリbattery capacitor キャパシタ GND2 dummy 19 鉛 バッテリ DCDCコンバータ モデルベース 開 発 の 成 否 を 握 るのは 制 御 対 象 モデル(プラントモデル) 今 回 はパワートレイン 系 制 御 の 全 ての 領 域 で 使 える ものを 目 指 した

20 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み モデル 化 制 御 対 象 モデル(プラントモデル)~その3 カラクリ 図 による 見 える 化 20

21 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み シュミレーション 環 境 高 速 MILS 制 御 モデル/プラントモデルともCコード 生 成 ビルドして 単 一 のシミュレータ 化 さらに 並 列 処 理 化 (マルチコアCPU 対 応 ) アクセル, ブレーキ モデル 開 発 ツール モデル エンジン 回 転 数 C 言 語 エンジン 制 御 自 動 コード 生 成 モデル エンジン モデル トランス ミッション モデル 車 体, タイヤ 車 速 エンジン 制 御 エンジン トランス ミッション 車 体, タイヤ トランス ミッション 制 御 統 合 高 速 MILS キー 位 置 エンジン 制 御 エンジン トランス ミッション デフ, ドライブシャフト 車 体, タイヤ 油 圧 回 路 トランス ミッション 制 御 21 個 別 の 制 御 モデル 設 詳 計 細 モデル 段 階 でも 簡 易 モデル 容 易 にエンジンECU 全 体 での 機 能 検 証 ができるようになった ( 用 途 に 応 じて 使 い 分 け)

22 1-3. MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み シミュレーション 環 境 各 種 HILSシステム 検 証 対 象 に 応 じ 複 数 のHILSシステムを 構 築 エンジンHILS : エンジン 制 御 システム 検 証 用 PT 統 合 HILS : エンジン-ATとの 協 調 制 御 検 証 用 電 気 系 HILS : -ELOOPシステム 検 証 用 HEV-HILS : SKYACTIV-HYBRIDシステム 検 証 用 動 くテストシナリオ を 用 いた 検 証 作 業 の 自 動 化 エンジンHILS PT 統 合 HILS 22 実 機 開 発 に 移 行 する 際 のトラブルが 激 減 した 合 わせて 他 領 域 の 技 術 者 との 協 業 が 早 期 から かつ 効 率 的 に 進 められるようになった

23 1. i-eloopにおけるmbd 開 発 環 境 (1) はじめに (2) MBDについて (3) MBD 開 発 環 境 構 築 の 取 組 み 2. MBD 開 発 環 境 の 適 用 事 例 (1) ハードウェアSpecの 最 適 化 (2) 発 電 制 御 の 最 適 化 23

24 約 2200kJ ( 車 両 ; C/D セグメント) 2-1.ハードウェアSpecの 最 適 化 回 生 エネルギ 目 標 車 両 走 行 抵 抗 パワートレイン 抵 抗 LOAD Energy Electrical components 摩 擦 ブレーキ 燃 料 削 減 効 果 約 3%-4% 目 標 回 生 エネルギ 12V 回 生 システム ( 約 90kJ) 約 250kJ 総 減 速 エネルギ (JC08) 回 生 エネルギ(JC08) 電 力 消 費 (JC08) i-eloopは12vシステムに 比 べ より 多 くの 減 速 エネルギを 回 生 する 必 要 がある 24

25 回 生 可 能 エネルギ 回 収 率 (%) 回 生 可 能 エネルギ 回 収 率 (%) 2-1.ハードウェアSpecの 最 適 化 仕 様 最 適 化 検 討 発 電 機 出 力 と 回 生 可 能 エネルギの 回 収 率 の 関 係 100 JC08 蓄 電 装 置 容 量 と 回 生 可 能 エネルギの 回 収 率 の 関 係 100 JC08 目 標 回 生 エネルギ 目 標 回 生 エネルギ 50 要 求 発 電 機 出 力 80% 95% 5kW~ 8kW~ 50 要 求 蓄 電 装 置 容 量 80% 95% 35kJ~ 80kJ~ 0 10 発 電 機 出 力 (kw) 蓄 電 装 置 容 量 (kj) 目 標 回 生 エネルギを 得 るには 発 電 機 5kW EDLC 35kJ 程 度 が 適 している JC08は 検 討 例 であり 実 際 には 複 数 条 件 で 検 討 を 実 施 25

26 2-1.ハードウェアSpecの 最 適 化 デュアルストレージ 制 御 モデルベースで 検 討 を 行 った 結 果 鉛 バッテリを 利 用 してEDLCの 充 電 量 を 制 御 することで EDLCの 容 量 以 上 の 回 生 エネルギを 回 生 可 能 であることが 分 かった 次 の 減 速 で 得 られる 回 生 エネルギの 推 定 量 に 応 じ EDLCの 電 力 を 鉛 バッテリに 移 し 変 える デュアルストレージ 制 御 を 採 用 Alternator Top of charge Estimated Regenerative Energy Remove to Battery for Next Regeneration Bottom of discharge DC-DC convertor EDLC Lead-acid Battery EDLCのサイズを 小 型 化 (25kJ)しつつ 目 標 回 生 エネルギを 達 成 した 26

27 EDLC voltage Alternator current Vehicle speed 2-1.ハードウェアSpecの 最 適 化 デュアルストレージの 実 作 動 結 果 The result of driving test Dual storage behavior Estimate extra regenerative energy SOC=100% SOC=0% Stop & s tart デュアルストレージ 制 御 により 様 々な 走 行 環 境 でより 多 くの 回 生 エネルギえた 27

28 Quantity of Fuel Consumption (L/h) Power generation efficiency(%) Rate of Fuel Consumption (L/kWh) 2-2. 発 電 制 御 の 最 適 化 高 効 率 発 電 制 御 減 速 頻 度 が 低 い 場 合 エンジン 効 率 と 発 電 機 効 率 を 考 慮 した 高 効 率 発 電 制 御 を 行 うことで 発 電 に 要 する 燃 料 を 最 小 化 する 発 電 機 効 率 エンジン 燃 焼 効 率 power generation load Pw Recommended Point for Generation Engine combustion efficiency is improved. Power generation efficiency is improved. Demanded point by Electrical Equipments Alternator power output(w) increased Fuel Good Qf Qf A A Pw Engine Load (W) increased Fuel Qf B Qf B < Pw 28

29 Engine fuel(g) EDLC_ SOC(%) Altornator power(w) 2-2. 発 電 制 御 の 最 適 化 高 効 率 発 電 制 御 高 効 率 発 電 制 御 を 行 うことで 最 大 で6% 程 度 の 燃 費 改 善 効 果 が 得 られる High-efficiency Power Generation Conventinonal power Generation Full charge Improve engine combustion efficiency Improve power generation efficiency maximum 6 % time 29

30 改 善 効 果 2-2. 発 電 制 御 の 最 適 化 最 適 化 検 討 Best value 高 効 率 発 電 制 御 発 電 パターン 検 討 結 果 Vehicle speed [km/l] Engine Speed [rpm] 6 Generation load [Nm] Base 2 Fuel quantity [L/h] モデルベース 開 発 環 境 を 用 いることで 机 上 での 制 御 パラメータ 最 適 化 が 可 能 となった 30

31 まとめ i-eloopの 開 発 にあたって 開 発 初 期 からモデルベース 開 発 環 境 を 用 いて 開 発 効 率 品 質 の 向 上 を 図 った 要 求 仕 様 検 討 段 階 で 用 いることで ハードウェアとソフトウェアでの 最 適 な 機 能 配 分 を 実 現 また 要 求 仕 様 変 化 の 影 響 度 を 迅 速 に 確 認 することで 品 質 を 向 上 検 証 適 合 段 階 で 用 いることで 机 上 での 制 御 パラメータ 最 適 化 が 可 能 となった 結 果 i-eloopに 関 する 大 半 の 制 御 パラメータを 机 上 で 設 定 することが 可 能 となった 31

32 Thank you for your attention