Підходи у моделюванні систем перетворення електроенергії в гібридних транспортних засобах
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2024-4-4Ключові слова:
гібридний автомобіль, система перетворення енергії, мультидоменні системи, програми CAE та ECAD, метрики програм, методика моделінгу, мапа реалізаціїАнотація
Мета роботи. Вибір адекватного програмного забезпечення та розробка методики моделінгу для економічного мультидоменного моделювання системи розподілу та перетворення електроенергії з урахуванням системи керування для сучасних транспортних засобів, зокрема, для гібридного електромобіля із паливним елементом (HEV).
Методи дослідження. Основним методом дослідження є математичне моделювання; для структурного синтезу моделі системи перетворення електроенергії та порівняльного аналізу програм використано евристичні методи прийняття рішень на базі порівняння метрик варіантів.
Отримані результати. Запропоновано спосіб декомпозиції HEV з точки зору сфери застосування існуючих програм для моделювання його підсистем. Підсистеми з блоків такої структурної схеми придатні для досліджень засобами однодоменних програм моделювання. Показані перспективи програм класу автоматизованого проєктування в електроніці (ECAD) для мультидоменного моделювання HEV, оскільки центральним і основним блоком перетворення є електронний домен. На базі обраних метрик програмного забезпечення обґрунтовано вибір програм для моделювання системи перетворення електроенергії, з можливістю організації модельних інтерфейсів для забезпечення мультидоменного моделювання та забезпеченням коректного експорту-імпорту моделей при переходах між рівнями абстракції. Запропоноване послідовне використання обраних програм автоматизованого інжинірингу (CAE) та ECAD, із переносом інформації про модель та результати симуляції, що здатне забезпечити як оптимальний синтез системи автоматичного керування на базі критерію запасу по фазі із дослідженням зони стійкості по мапі реалізацій, так і глибокий аналіз енергетичних показників силової частини перетворювачів. Для апробації методики обрано паралельну топологію енергетичної системи із блоком суперконденсаторів, перетворювачем підвищувального типу в режимі керування напруги та перспективним чотирьохключовим двонаправленим перетворювачем Buck-Boost в режимі керування струмом. Для підвищення стійкості системи, запропоновано використовувати контролер Type3, який поєднує можливості компенсатора та модулятора.
Наукова новизна. Запропоновано новий підхід до моделювання енергетичної підсистеми HEV, який враховує мультидоменність системи та вимагає її розгляду, по-перше, як системи автоматичного керування на макрорівні у CAE-програмі SmartCtrl, із попереднім розширенням її бібліотеки шляхом синтезу передаточних функцій в ECAD-програмі PSIM, та подальшим поверненням на мікрорівень для аналізу енергетичних характеристик і пара-метричної оптимізації перетворювачів разом із системами керування на рівні електричних схем в PSIM. На основі аналізу можливостей програм моделювання компонентів агрегативної системи HEV запропонований варіант структурної схеми моделі енергетичної підсистеми з урахуванням можливостей адекватного застосування «однодоменних» програм та показані перспективи їхнього використання для мультидоменного моделювання HEV. Визначено специфічний набір метрик програм для обґрунтованого вибору програмного забезпечення при дослідженні подібних систем.
Практична цінність. Представлена методика послідовного моделінгу енергетичної системи в комплексі програм автоматизованого інжинірингу та автоматизованого проєктування SmartCtrl+PSIM фірми Altair із взаємним обміном даних, забезпечує комплексний аналіз та оптимізацію характеристик цієї підсистеми сучасних транспортних засобів.
Посилання
Felseghi, R.A., Carcadea, E., Raboaca, M.S., (2019). Hydrogen fuel fell technology for the sustainable future of stationary applications, Energies, 12(3):4593. doi 10.3390/en12234593.
Kuru, K., Yetgin, H., (2019). Transformation to advanced mechatronics systems within new industrial revolution: a novel framework in automation of everything (AoE), IEEE Access, 7. 4139541415. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2907809.
Vasylenko, O., (2015). Analysis of programs for mechatronic systems modeling, Radio Electronics, Computer Science, Control, 3. 8087. doi: 10.15588/1607-3274-2015-3-10.
Minh, V.T., Moezzi, R., Cyrus, J., Hlava, J., (2022). Optimal fuel consumption modelling, simulation,and analysis for hybrid electric vehicles, Appl. Syst. Innov. 5(2), 36. doi: 10.3390/asi5020036.
Tudoroiu, R.E., Zaheeruddin, M., Tudoroiu, N., Radu, S., (2020). SOC estimation of a rechargeable li-ion battery used in fuel-cell hybrid electric vehicles-comparative study of accuracy and robustness performance based on statistical criteria. Part I: Equivalent models, Batteries. 6(42). doi: 10.3390/batteries6030042/
Amal, S., Vishnu, V., Chacko, R. V., Ghugal, S., Mengaji, P., Karle, U., (2017). HiL simulation and controller prototyping of EV/HEV systems using multi-core xEV Real time simulator, IEEE Transportation Electrification Conference (ITEC-India), Pune, India, 15, doi: 10.1109/ITEC-India.2017.8333892/
Felseghi, R.A., Carcadea, E., Raboaca, M., Trufin, C., Filote, C., (2019). Hydrogen fuel cell technology for the sustainable future of stationary applications, Energies. 12(23):4593. doi: 10.3390/en12234593.
Afshari, E., (2020). Computational analysis of heat transfer in a PEM fuel cell with metal foam as a flow field, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 139(4). 24232434. doi: 10.1007/s10973-019-08354-x.
Castiglia, V., Campagna, N., Spataro, C., Nevoloso, C., Viola, F., Miceli, R., (2020). Modelling, simulation and characterization of a supercapacitor, Conference: IEEE 20th Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON). 4651. doi: 10.1109/MELECON48756.2020.9140474.
Majeed, A., (2022). Ansys software for mechanical engineering, Manav Rachna International University. doi: 10.13140/RG.2.2.18076.97927.
[Vasylenko, O.V., Petrenko, Ya.І., (2016). Improving the quality of modeling dynamic systems by choos-ing optimal simulation algorithms, Radio Electronics, Computer Science, Control, 4. 11–18.
Alonso, A., Marafao, F., Brandao, D., Tedeschi, E., Guerreiro, J., (2017). A guideline for employing PSIM on power converter applications: Prototyping and educational tool, Conference: Brazilian Power Electronics Conference (COBEP). 1–6. doi: 10.1109/COBEP.2017.8257284.
Vasylenko, O.V., Snizhnoi, G.V., Yamnenko, Y.S., (2022). Digital Production Management (monograph), Zaporizhzhia: National University "Zaporizhzhia Polytechnic", 120 p.
Gaoua, Y., Caux, S., Lopez, P., Raga, C., Barrado, A., Lazaro, A., (2014). Hybrid systems energy management using optimization method based on dynamic sources models, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC. 1–10. doi: 10.1109/VPPC.2014.7007079.
Vasylenko, O.V., Snizhnoi, G.V., Ivchenko, S.A., (2023). Concept of modeling electric vehicles for optimizing range in different traffic patterns, Materials of the VIII International Scientific and Technical Conference on Computer Modeling and Optimization of Complex Systems, Dnipro: UDCTU. 155–156.
Stjepandic, J., Emmer, C., Fröhlich, A., Jäkel, V., (2014). Standardized approach to ECAD/MCAD collaboration, Journal of Aerospace Operations. 3. 587–596. doi: 10.3233/978-1-61499-440-4-587.
Vasylenko, O.V., Petrenko, Ya.І., (2017). Choosing a method for optimizing automatic control systems in automated engineering systems, Power Engineering and Automation. 1. 75–89.
Vasylenko, O., Ivchenko,S., Snizhnoi, H., (2023). Design of information and measurement systems within the Industry 4.0 paradigm, Radioelectronic and Computer Systems. 1. 45–54. doi: 10.32620/reks.2023.1.04.
Fernández, H., (2015). Aplicando el smart controller del PSIM, Commodities. 1–12. doi: 10.13140/RG.2.1.3452.8087
Raga, A., Barrado, I., Quesada, A., Lázaro, C., (2008). Anocíbar, José F. Sierra Analysis and Comparison of Four Regenerative Power Distribution Architectures Based on Fuel Cell, Supercapacitors and Batteries 2008 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics 10-13 November 2008 Orlando, FL, USA. 545550. doi: 10.1109/IECON.2008.4758012.
Ravi, D., Reddy M, Letha S., Samuel, P., (2018). Bidirectional DC to DC converters: An overview of various topologies, switching schemes and control techniques. International Journal of Engineering & Technology, 7(4.5). 360-365. doi: 10.14419/ijet.v7i4.5.20107.
Quenzer-Hohmuth, S., Rosahl, T., Ritzmann, S., Wicht, B., (2016). Challenges and implementation aspects of switched-mode power supplies with digital control for automotive applications. Advances in Radio Science. 14. 85-90. doi:10.5194/ars-14-85-2016.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 O.V. Vasylenko, G.V. Snizhnoi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
