Nowoczesna inżynieria projektowania napędem elektryfikacji świata

Globalna gospodarka zmierza w kierunku modelu, który jest cyrkularny, szczupły, inkluzywny i czysty. Będzie to znacząca zmiana wpływająca na wiele sektorów przemysłu. Kiedyś elektryfikacja kraju była synonimem jego modernizacji, polegającej na wprowadzeniu oświetlenia i innych udogodnień do każdego domu. Dziś jesteśmy świadkami zmian w przestrzeni energetycznej, gdzie wszystkie sektory naszego życia zwracają się ku energii elektrycznej i odchodzą od paliw kopalnych jako źródła zasilania.

W dzisiejszym zaawansowanym technologicznie świecie projektowanie odgrywa bardzo ważną rolę w nowoczesnej inżynierii. Systemy elektryczne stanowią serce niemal każdego produktu i procesu, od urządzeń elektronicznych po maszyny przemysłowe. Zapotrzebowanie w zakresie wydajnych i niezawodnych projektów elektrycznych jest większe niż kiedykolwiek.

Inżynierowie wymyślają i optymalizują produkty oparte na nowym paradygmacie energetycznym, który staje się nieuniknionym celem globalnej gospodarki. Jak zatem podejść do projektowania w duchu nowych technologii i wykorzystać je z premedytacją, aby tworzyć unikalne i wydajne rozwiązania w dziedzinie elektryfikacji?

Na rynku jest wiele narzędzi projektowych, które pozwalają wykorzystać uczenie maszynowe i głębokie, w procesach tworzenia, testowania i wdrażania konkretnego modelu opartego na SI. Podczas gdy modele nieliniowe wymagają ogromnej ilości czasu, nawet dni, na symulacje, a analiza i projektowanie całego systemu może pochłaniać tysiące symulacji, aby uzyskać znaczące rezultaty – do głosu dochodzi oprogramowanie wykorzystujące uczenie maszynowe i głębokie, które w sposób znaczący przyspiesza symulacje i analizy. Obranie takiego kierunku projektowania i symulacji jest celem wielu firm z branż takich jak lotnictwo, przemysł kosmiczny, motoryzacja, energetyka, budownictwo, w których komponenty bezpieczeństwa odgrywają istotną rolę.

Gdy wchodzimy do fabryki już na samym początku widzimy, że transport wewnętrzny jest już zdominowany przez maszyny elektryczne. To pokazuje jak gwałtowny wzrost zastosowania robotyki mobilnej w intralogistyce nastąpił w ostatnich latach. Sektor produkcyjno-logistyczny szybko dąży do elektryfikacji swoich ekosystemów.

Według analityków, dążenie wielu branż do osiągnięcia celów zerowej emisji netto doprowadzi do wzrostu zużycia energii elektrycznej o prawie 50% do 2030 roku, co zwiększy popyt na wszelkiego rodzaju systemy energetyczne. Średnie roczne nakłady inwestycyjne na świecie w sieci elektryczne mają wzrosnąć do 520 miliardów dolarów w tym okresie, co jest prawie dwukrotnie wyższe porównując do roku 2021

Firmy coraz częściej zastępują obecne technologie oparte na paliwach kopalnych rozwiązaniami elektrycznymi. Wprowadzanie napędu elektrycznego w branżach: motoryzacyjnej, kolejowej, morskiej i lotniczej, a także w ciężkim przemyśle procesowym, takim jak stal, wydobycie ropy i gazu oraz chemia, jest nieuniknione w najbliższej przyszłości. Duże stacjonarne systemy magazynowania energii w postaci baterii rozwijają się w szybkim tempie, a czysty wodór pozyskiwany z elektrolizy zyskuje na coraz większym zainteresowaniu.

Symulacje, modelowanie i projektowanie

Inżynierowie muszą wykorzystywać zaawansowane technologie przy projektowaniu swoich produktów, aby być konkurencyjnymi na rynku. Algorytmy SI i uczenia maszynowego (UM) mogą pomóc w optymalizacji wielu projektów, przewidywaniu wydajności i automatyzacji niektórych zadań, prowadząc do bardziej wydajnych i opłacalnych rozwiązań. Przeprowadzanie wirtualnych symulacji i identyfikowanie potencjalnych problemów przed fizycznym prototypowaniem pozwala zaoszczędzić czas i koszty opracowywania nowych rozwiązań.

Z pomocą rozwiązań jakie proponuje MathWorks można modelować złożone zachowania komponentów elektrycznych i zwiększać prędkość symulacji, tworząc modele ROM-ów (Reduced Order Modelling) oparte na sztucznej inteligencji. Możemy tworzyć, trenować i testować wirtualne czujniki i strategie sterowania automatyki oparte na sztucznej inteligencji dla silników, akumulatorów, konwerterów mocy, systemów zarządzania energią, pojazdów elektrycznych czy systemów sieciowych. Środowisko to pomaga zapewnić bezpieczne i wydajne działanie systemów elektrycznych poprzez integrację prognozowania zużycia energii w oparciu o SI i przyjęcie konserwacji predykcyjnej opartej także na sztucznej inteligencji.

Elektryfikacja przede wszystkim napędza wykorzystanie baterii elektrycznych w różnych zastosowaniach, w tym pojazdach elektrycznych, statkach, samolotach, systemach magazynowania energii związanych z siecią energetyczną oraz systemach fotowoltaicznych. Te aplikacje mają różne wymagania dotyczące projektowania systemów baterii pod względem wyboru ogniw, gęstości mocy/energii, objętości, wagi i żywotności.

Modelowanie matematyczne przy użyciu Simscape Electrical

Lockheed Martin – jedna z największych firm sektora lotniczego symuluje za pomocą oprogramowania misje statku kosmicznego Orion przy użyciu wielodomenowego modelu systemu zasilania. Orion będzie pełnił rolę pojazdu eksploracyjnego, który zabierze 4-osobową załogę w kosmos, zapewni możliwość awaryjnego przerwania misji, podtrzyma załogę podczas podróży kosmicznej przy życiu oraz zapewni bezpieczny powrót z dalekiego kosmosu przy dużych prędkościach poruszania się.

W tym przypadku inżynierowie potrzebowali zasymulować działanie systemu zasilania statku kosmicznego, po to aby zweryfikować projekt i przetestować warunki, w których może dojść do usterek na przyszłych misjach trwających do 21 dni bez konieczności dokowania do innego statku kosmicznego

Cztery panele słoneczne i cztery pakiety akumulatorów litowo-jonowych będą zasilać systemy podtrzymywania życia astronautów, napędu, naprowadzania i inne systemy Oriona. Aby zapewnić odpowiednią moc tym systemom podczas długich misji kosmicznych, inżynierowie przeprowadzają symulacje, korzystając z modelu systemu zasilania statku kosmicznego opracowanego za pomocą narzędzi Simulink i Simscape Electrical. Inżynierowie Lockheed Martin wykorzystali to oprogramowania do modelowania i symulacji systemu zasilania statku kosmicznego Orion.

Przeprowadzając symulacje licznych profili misji, upewniali się, że panele słoneczne i akumulatory zostały prawidłowo dobrane oraz chcieli również przewidzieć, jak system zasilania będzie działał podczas wielogodzinnych scenariuszy w momentach kiedy będzie brakować promieni słonecznych do celów kumulacji energii.

Jak opowiada Hector Hernandez, główny analityk systemu zasilania Orion w Lockheed Martin, dzięki Simscape Electrical stworzyli zintegrowany model systemu zasilania, który łączy domeny elektryczne i termiczne, dzięki czemu uzyskują pełny obraz podczas symulacji na poziomie misji. Dodatkowo jeśli będą musieli zamodelować działanie silników, które napędzają panele fotowoltaiczne, będą także w stanie zintegrować elementy mechaniczne.

Projektowanie wydajnych pakietów bateryjnych: od pojedynczego ogniwa do gotowego rozwiązania

Jednak cała elektryfikacja nie obędzie się bez podstawowego produktu jakim jest akumulator, który będzie nam służył do magazynowania energii, a potem jej oddawania.

Zasilanie bateryjne jest koniecznością w przypadku nowoczesnych urządzeń — nawet niektóre urządzenia podłączone do prądu często mają wewnętrzne baterie, które chronią krytyczne systemy w przypadku zaniku zasilania. W dzisiejszych urządzeniach mobilnych, przewód zasilający został zdegradowany do roli ładowania akumulatora.

Ale czy technologia akumulatora jest już nam dobrze poznana? Oczywiście, że nie. Przyczyną wielu pożarów maszyn, pojazdów i urządzeń, czy nawet wycofania produktów z rynku i eksplozji jest m.in. niewłaściwa konstrukcja systemu akumulatorów. Ponadto każdy z nas chyba doświadczył jako użytkownik końcowy, frustracji, która nastąpiła podczas korzystania z urządzeń o niewystarczającej pojemności baterii, kiedy coś nam się rozładowuje i marzymy o tym by urządzenie przetrwało typowy dzień użytkowania do momentu podłączenia do sieci. Jak zaprojektować w takim razie baterie by zmaksymalizować czas działania danego urządzenia/maszyny?

Świat motoryzacji i magazynów energii rozwija się w niespotykanie szybkim dotychczas tempie. W przypadku motoryzacji, czujniki, mikrokontrolery i półprzewodniki mocy pomagają producentom samochodów na całym świecie osiągać coraz ambitniejsze cele w zakresie bezpieczeństwa, przystępności cenowej i wydajności. Jak w takim razie zaprojektować układ akumulatorów, który najlepiej odpowiada wymaganiom zasilania danego systemu?

Zużycie energii przez systemy elektroniczne może się znacznie różnić w zależności od zastosowania. Z jednej strony samochody, które korzystają z megawatów; z drugiej strony nowoczesne zegarki elektroniczne działają na minimalnym poborze mocy.

Projektowanie i inżynieria ogniwa jest złożonym podejściem. Przemyślenie relacji pomiędzy konstrukcją mechaniczną, elektryczną i termiczną jest wymogiem by stworzyć wydajny pakiet bateryjny. Projektowanie zestawu baterii oznacza potrzebę zrozumienia systemu elektryfikacji i jego wymagań, w jakich będzie działać. Dotyczy to tak samo baterii do pilota zdalnego sterowania jak i stacji kosmicznej.

Najprościej ujmując musimy zadać sobie podstawowe pytania, których z czasem będzie przybywać:

• ile energii jest nam potrzebne?
• jaka moc jest nam potrzebna?
• jakie jest napięcie systemu?

Używając aplikacji Battery Builder w MATLAB, możemy zaprojektować pakiet baterii do docelowego urządzenia, pojazdu lub maszyny. Podstawowe elementy projektu obejmują projekt łączenia ogniw równolegle i szeregowo w moduły do zestawu akumulatorów.

Zastosowanie modeli symulacyjnych pakietów akumulatorów pomaga inżynierom osiągnąć odpowiedni poziom odwzorowania, wpływający na optymalizację czasu trwania obliczeń na potrzeby późniejszego projektowania systemu zarządzania baterią (BMS) oraz analizy efektów termicznych w drodze symulacji.

Oprogramowanie daje nam takie możliwości jak:

• modelowanie zachowania elektrotermicznego z uwzględnieniem dynamiki ładunku, starzenia się, efektów termicznych i przenikania ciepła w modelach ogniw akumulatorowych
• wykorzystanie sparametryzowanych ogniw w oparciu o arkusze danych producenta
• możemy wizualizować modele akumulatorów o różnych geometriach i topologiach, od ogniwa do modułu i od modułu do pakietu
• możemy modelować płyty chłodzące z konfigurowalnymi ścieżkami płynu i połączeniami termicznymi z pakietem akumulatorów
• możemy przeglądać zmiany temperatury między ogniwami i oceniać efektywność chłodzenia
• możemy ustawiać odpowiednią rozdzielczość modelu, aby zachować równowagę pomiędzy stopniem odwzorowania rzeczywistości a szybkością symulacji

Projektowanie pakietu akumulatorów od pojedynczego ogniwa do pakietu

Ogromnym plusem w tym wszystkim jest niewątpliwie to że pozostajemy nadal w tym samym środowisku projektowym. MathWorks daje nam ogromny komfort pracy nad całym projektem bez potrzeby przełączania się na oprogramowanie innego producenta.

Więcej w temacie narzędzi do projektowania, modelowania, symulacji i analizy rozwiązań elektryfikacji będziecie mogli się dowiedzieć podczas konferencji MATLAB EXPO Polska.

Wydarzenie jest częścią cyklu organizowanego przez firmę MathWorks. Pośród wielu tematów znajdziecie:

• Wykorzystanie Simscape do budowy modelu termicznego układu dystrybucji energii
• Modelowanie i optymalizacja systemów komunikacji radiowej na platformach SDR
• Interaktywne narzędzia środowiska MATLAB do przetwarzania i analizy obrazów
• AI with Model-Based Design: Reduced Order Modeling
• Analiza pracy komponentów pojazdów z wykorzystaniem MATLABa

➡ Kliknij w link do strony wydarzenia i rejestracji: MATLAB EXPO Polska

Zarządzanie temperaturą akumulatora

Rozwój rynku pojazdów elektrycznych, rynków przemysłowych, morskich i domowych magazynów energii napędzany jest i będzie wykorzystaniem wysokoenergetycznych pakietów akumulatorów. Ponieważ liczba ogniw i napięcie robocze stale rosną, zestawy te wymagają systemów zarządzania akumulatorami (BMS) monitorujących i utrzymujących ogniwa akumulatorowe w dobrym stanie w celu maksymalizacji mocy wyjściowej przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa dla ich użytkowników.

System zarządzania akumulatorem to sprzętowa i programowana jednostka sterująca zestawem akumulatorów. Jest to istotny element, który mierzy napięcie ogniwa, temperaturę i prąd w akumulatorze. Wykrywa również błędy izolacji i steruje stycznikami oraz systemem zarządzania temperaturą. BMS chroni operatora systemu, zasilanego bateryjnie oraz sam pakiet akumulatorów przed przeładowaniem, nadmiernym rozładowaniem, przetężeniem elektrycznym, zwarciem ogniw i ekstremalnymi temperaturami.

Przy doborze pakietu akumulatorów należy zwrócić uwagę na parametry cieplne i elektryczne pakietu. Jest to pierwsza rzecz, którą powinniśmy wziąć pod uwagę. Inżynierowie mogą wykorzystać MATLAB i Simulink do zaprojektowania systemu zarządzania temperaturą akumulatora w celu regulowania temperatury akumulatora w ramach specyfikacji i zapewnienia optymalnej wydajności w różnych warunkach pracy.

Mahindra Electric – producent pojazdów elektrycznych, wykorzystuje symulację by zoptymalizować system zarządzania temperaturą akumulatora w pojeździe elektrycznym. Samochody elektryczne są zasilane akumulatorami litowo-jonowymi, które wymagają skutecznego, ale energooszczędnego systemu zarządzania temperaturą akumulatora (BTMS – Battery Thermal Management System).

Zespół opracowujący algorytmy BTMS dla pojazdów elektrycznych musiał znaleźć najlepszą konfigurację ogniw zapewniającą maksymalne chłodzenie i opracować wydajny algorytm dla obwodu chłodzenia tych ogniw.

Korzystając z wcześniejszych doświadczeń w zakresie Model-Based Design, zespół stworzył i zweryfikował model symulacyjny dla pojazdu elektrycznego z akumulatorem, obwodem chłodzącym, obwodem chłodniczym, pojazdem i kierowcą za pomocą narzędzi Simulink i Simscape. Wykorzystali ten model do opracowania koncepcji i dostrojenia parametrów, aby wybrać najlepsze komponenty w najlepszym punkcie pracy.

Podsumowanie

Projektowanie baterii wymaga uwzględnienia kwestii bezpieczeństwa i trwałości. Zaawansowane rozwiązania symulacyjne oferują możliwości, które są zgodne z normami branżowymi. Te symulacje umożliwiają inżynierom optymalizację na przykład konstrukcji obudowy baterii i wzmocnień, identyfikując potencjalne słabości i wrażliwości w strukturze baterii oraz układzie pakietu baterii.

Efektem takiej pracy konstruktora jest stworzenie pakietu baterii, który będzie zdolny np. wytrzymać naprężenia mechaniczne, wibracje i uderzenia – np. w przypadku samochodów. Takie rozwiązanie redukuje ryzyko zagrożeń bezpieczeństwa.

Co więcej, zaawansowane symulacje oceniają zachowanie termiczne akumulatora. Symulując różne scenariusze termiczne, inżynierowie mogą zaprojektować wydajne systemy chłodzenia, które skutecznie odprowadzają ciepło, zapewniając działanie akumulatora w bezpiecznym zakresie temperatur. Przeprowadzane symulacje gwarantują również zgodność z normami branżowymi, zapewniając, że producenci akumulatorów spełniają najwyższe wymagania i standardy w zakresie bezpieczeństwa i jakości.

Trwałość baterii to bardzo istotny czynnik dla zapewnienia długoterminowej wydajności rozwiązania. Zaawansowane symulacje oceniają zachowanie ogniw baterii w różnych warunkach pracy, umożliwiając inżynierom przewidywanie degradacji ogniw i identyfikację możliwych scenariuszy, w których może wystąpić awaria systemu elektrycznego. Pozwala im to zoptymalizować skład chemiczny i konstrukcję akumulatora w celu zwiększenia jego trwałości.

Dzięki takim właśnie zaawansowanym narzędziom jak środowisko MathWorks branża akumulatorów może śmiało rozwijać bezpieczniejsze, trwalsze i wydajniejsze rozwiązania w zakresie magazynowania energii dla zrównoważonej przyszłości świata. Z każdym rokiem firma rewolucjonizuje sposób, w jaki klienci projektują swoje produkty, przyspieszając cykle badawczo-rozwojowe, zwiększając wydajność produktów i pomagając swoim oprogramowaniem rozwiązywać kolejne wyzwania inżynieryjne.