University of Waterloo entwickelt preisgekrönte Brennstoffzellentechnologie mithilfe des Model-Based Design
„Ich glaube nicht, dass es ohne Simulink irgendeine Möglichkeit gegeben hätte, ausführbare Spezifikationen mit demselben Detailgrad zu entwickeln oder Model-Based Design in dem Maß zu nutzen.“
Die Herausforderung
Die Lösung
Die Ergebnisse
- Unkomplizierte Kommunikation
- Erhebliche Einsparungen bei der Entwicklungszeit
- Innovative Technologie
Challenge X, ein von General Motors und dem US-Energieministerium gesponserter Wettbewerb, fordert 17 nordamerikanische Studierendenteams heraus, einen Chevrolet Equinox so zu überarbeiten, dass die Emissionen und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, ohne die Leistung oder Sicherheit des Fahrzeugs zu beeinträchtigen.
Das University of Waterloo Alternative Fuels Team (UWAFT) belegte im ersten Jahr des dreijährigen Wettbewerbs mit dem von ihm entwickelten Brennstoffzellenfahrzeug den ersten Platz. UWAFT erhielt außerdem den MathWorks Crossover to Model-Based Design Award für herausragende Leistungen bei der Erstellung, Simulation und Analyse von Modellen für die Fahrzeugentwicklung und die Steuerung von Subsystemen.
„Wir waren das einzige Team, das Brennstoffzellen im Antriebsstrang eingesetzt hat“, so Professor Roydon Fraser, Fakultätsbetreuer des UWAFT. „Die MathWorks Software für Model-Based Design verkürzte nicht nur die Zeit, die unser Team zur Erstellung von Prototypen und zur Simulation unserer Fahrzeugsysteme benötigte, sondern ermöglichte uns auch, die Machbarkeit der Brennstoffzellentechnologie nachzuweisen.“
Die Herausforderung
Im ersten Jahr konzentriert sich Challenge X auf den Fahrzeugentwurf. Die Teilnehmenden müssen mit Model-Based Design den Entwurf und das Testen eines Antriebsstrangs innerhalb von zehn Monaten abschließen und fünf Hauptberichte einreichen.
Das Team der University of Waterloo wollte eine Software entwickeln, mit der Model-Based Design im gesamten Projekt verwendbar würde, von den Anforderungen bis hin zur Implementierung. Die Software muss die Entwicklung der Regelungsstrategie dadurch beschleunigen, dass Modelle leichter wiederverwendbar sind. Sie muss auch schnell lernen können und es den Teammitgliedern ermöglichen, ihre Arbeitsergebnisse problemlos gemeinsam zu nutzen.
Die Lösung
„Mit den MathWorks Tools konnten wir verschiedene Antriebsstränge simulieren, genaue Regelstreckenmodelle entwickeln, Regelungsstrategien testen und den Gesamtentwurf validieren“, so UWAFT-Leiter Matthew Stevens.
MathWorks bot Schulungen in MATLAB®, Simulink®, Stateflow® und PSAT an, einem Modellierungsprogramm auf Basis von Simulink. „Zum Erfolg des Teams trug ganz entscheidet bei, dass das Produkt kaum Einarbeitung erforderte bzw. die Studierenden bereits damit vertraut waren“, kommentiert Stevens. „Da MathWorks in verschiedenen Phasen des Konstruktionsprozesses eingesetzt wurde, mussten die Studierenden erheblich weniger Softwareprogramme erlernen.“
UWAFT entwickelte mehr als 400 PSAT-Simulationen, um Kraftstoffe, Technologien und Antriebsstranggrößen zu vergleichen. Mit der Optimization Toolbox™ und einer ausgeklügelten statistischen Versuchsplanung konnte das Team die Beziehung zwischen Komponentengröße und Fahrzeugleistung verstehen, um dann den am besten geeigneten Antriebsstrang zu ermitteln.
Mit Simulink wurde ein Regelstreckenmodell des Brennstoffzellen-Energiesystems für Motor, Batterie, Brennstoffzelle und DC/DC-Wandler entwickelt.
MATLAB, Simulink, Stateflow und die Control System Toolbox™ ermöglichten dem Team die Entwicklung einer hybriden Regelungsstrategie (HCS), bei der die von der Brennstoffzelle kommende Energiemenge bestimmt wird. Mithilfe von MATLAB wurde die optimale Energiezuteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie während eines konkreten Fahrzyklus ermittelt.
Der DC/DC-Wandler erhöht die Spannung der Brennstoffzelle und regelt die Energie von der Brennstoffzelle. Der PI-geregelte Schaltkreis wurde mit Simscape Electrical™ modelliert. Das Team untersuchte den Frequenzgang und die Stabilität des Schaltkreises mithilfe von Bode-Diagrammen und Pol-Nullstellen-Zuordnungen in MATLAB. Durch Simulationen war es möglich, den ordnungsgemäßen Betrieb zu verifizieren, die Schaltkreiseffizienz zu ermitteln sowie die Werte und Betriebswerte von Spulen und anderen Komponenten zu berechnen.
Durch das Ein- und Ausschaltverhalten der Brennstoffzelle entsteht eine unstetige Funktion, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer optimierbar ist. Um den optimalen Regelungsvergleichswert zu finden, verwendete UWAFT daher die Global Optimization Toolbox, die nicht nur mit stetigen Funktionen arbeitet. Außerdem wurde die Deep Learning Toolbox™ eingesetzt, um die Hydratation der Membranen im Brennstoffzellenstapel zu modellieren.
Das Team nutzte Embedded Coder®, um mit UWAFT-Satellitenreglern im gesamten Fahrzeug das zielgerichtete Rapid Prototyping mit einem Embedded-Regler umzusetzen.
Derzeit ist das Team mit dem Testen von Antriebsstrangkomponenten, der Verfeinerung der Regelungsstrategie des Fahrzeugs, der Integration der weiterentwickelten Brennstoffzelle in das Fahrzeug und der Untersuchung von gewichtsreduzierenden Möglichkeiten beschäftigt.
„Wir sind definitiv daran interessiert, beim Wettbewerb weitere MathWorks Produkte zu verwenden – so wie auch hoffentlich in unserer künftigen beruflichen Laufbahn bei vielen weiteren Projekten“, so Stevens.
Die Ergebnisse
Unkomplizierte Kommunikation Durch die MATLAB- und Simulink-Umgebung wurde die Effizienz gesteigert, da die Teammitglieder zur weiteren Bearbeitung abgekürzte Verfahren und Tipps unaufwendig gemeinsam nutzen sowie Modelle und Ergebnisse einfach per E-Mail weiterleiten konnten.
Erhebliche Einsparungen bei der Entwicklungszeit Stevens merkt an: „Insbesondere Simulink ermöglichte es UWAFT, Model-Based Design beim Vergleich unserer vier verschiedenen Kraftstoffe einzusetzen und in unter zehn Monaten einen robusten Brennstoffzellen-SUV samt Regelungsstrategie zu entwerfen – eine wirklich unglaubliche Leistung. Ohne Simulink hätte es vermutlich bis zum Ende des dreijährigen Wettbewerbs gedauert, bis die allein im ersten Jahr verlangte Arbeit abgeschlossen worden wäre!“
Innovative Technologie „Wir sind davon überzeugt, dass unser Endprodukt das erste von Studierenden entwickelte Brennstoffzellenfahrzeug ist, dessen Leistung es mit heutigen Fahrzeugen aufnehmen kann, dabei aber die in Zukunft erforderliche Fahrleistung und Effizienz erzielt“, erläutert Stevens.
