- PDF Gratis download

Transcriptie

1 Page 1 of 6 Techniline v Mechatronics First-time-right ontwerp van complexe mechatronische systemen met modelgebaseerde aanpak ( ) Nr. 0 Doordat heel wat mechatronische systemen, zoals hybride aandrijflijnen voor voertuigen, steeds complexer worden, wordt ook de ontwikkeling van een optimaal ontwerp een steeds moeilijkere taak, die vaak verloopt via verschillende prototypes. Een modelgebaseerde aanpak kan hierop een antwoord bieden, waardoor zelfs een 'first-time-right' ontwerp mogelijk wordt. Om aan verstrengde eisen te kunnen voldoen, verhogen constructeurs de energie-efficiëntie van aandrijflijnen van voertuigen, bijvoorbeeld door hybridisatie. Hiervoor maken ze steeds meer gebruik van geavanceerde technologie met meer componenten. Aandrijflijnen worden zo steeds complexere mechatronische systemen. De complexiteit van dergelijke systemen maakt dat de ontwikkeltijd en -kost stijgen: vaak zijn verschillende prototypes nodig voor het optimaal ontwerp van een hybride aandrijflijn. Optimaal concept hybride aandrijflijn Bij hybridisatie van de aandrijflijn worden een energieopslagelement en eventueel bijkomende actuatoren aan de aandrijflijn toegevoegd, wat toelaat het brandstofverbruik significant te verminderen. Met een energiereservoir, bijvoorbeeld een hydraulisch drukvat of een vliegwiel, kan de remenergie, die anders in de remmen verloren zou gaan onder de vorm van warmte, worden opgeslagen en hergebruikt. Er bestaat echter niet één optimaal concept van hybridisatie dat de beste prestaties haalt in alle voertuigen. Welk concept de beste resultaten haalt, is sterk afhankelijk van het gebruiksprofiel en de karakteristieken van de aandrijflijn. Eens het concept is geselecteerd, moeten verschillende componenten nog optimaal worden gedimensioneerd en is een performante regelaar noodzakelijk om te waarborgen dat de verschillende aandrijflijncomponenten correct samenwerken. De complexiteit van deze geavanceerde aandrijflijnsystemen maakt dat de ontwikkeltijd stijgt, en daarmee ook de ontwikkelkosten. Een systematische en modelgebaseerde ontwerpaanpak kan een oplossing bieden. Deze aanpak laat toe een ontwerp te selecteren zonder prototypes te bouwen en een geschikte regelstrategie uit te werken zonder risicohoudende en omstandige experimenten te moeten uitvoeren met niet-afgestelde regelaars. Systematische modelgebaseerde aanpak Hoe kom je tot een modelgebaseerd ontwerp van een aandrijflijn? FMTC paste een methode toe voor de hybridisatie van een bestaande hydrostatische aandrijflijn via een testopstelling, bestaande uit een aandrijvende elektromotor met snelheidsregeling, een pomp met regelbaar slagvolume, twee hydromotoren met regelbaar slagvolume voor het aandrijven van twee lasten, en twee lasten gerealiseerd met behulp van een vliegwiel en een koppelgestuurde elektromotor. De sturing van deze opstelling laat toe een gewenst gebruikersprofiel, bestaande uit een gewenste snelheid van het vliegwiel en een gegeven lastkoppel van de lastmotoren uit te voeren. De eerste stap in de gedefinieerde aanpak is het vastleggen van de ontwerpspecificaties. De voornaamste zijn het gebruiksprofiel van de aandrijflijn en het doel van de ontwerpoptimalisatie, dit kan bijvoorbeeld een minimale totale gebruikskost (aankoopprijs én verbruikskosten) van het systeem zijn. De doelstelling van de concept-brainstorm is het genereren van een lijst van systeemconcepten die potentieel aan de ontwerpvereisten kunnen voldoen. In de eerste conceptselectie worden vervolgens op basis van het inzicht en de ervaring aanwezig in het ontwerpteam, de concepten met een lage marktwaarde of grote technische moeilijkheden geëlimineerd. De overblijvende concepten worden elk op zich geoptimaliseerd. De eerste stap van de modelgebaseerde conceptoptimalisatie bestaat uit het opstellen van een energetisch systeemmodel op basis van componentmodellen. De tweede stap is het ontwerp van een optimale regelaar voor het concept, rekening houdend met het ontwerpdoel, bijvoorbeeld het minimaliseren van de totale gebruikskost. In de laatste stap worden voor een vaste systeemtopologie de componenten optimaal gedimensioneerd. Eens de optimalisatie van de verschillende concepten is voltooid kan het concept geselecteerd worden met de beste score, bijvoorbeeld met een minimale totale gebruikskost.

2 Page 2 of 6 Hydrostatische aandrijflijn als testcase Bedoeling van de studie die FMTC uitvoerde, was een optimale hybridisatie voor de hydrostatische aandrijflijn te ontwerpen. De te minimaliseren doelfunctie was de 'total cost-of-ownership', bestaande uit de installatiekosten en de energiekosten over de levensduur van de aandrijflijn (tien jaar). Een initiële brainstorm leverde drie verschillende hybrideconcepten op: een mechanische hybride met een vliegwiel een elektrische hybride met condensatoren een hydraulische hybride met drukvaten In een eerste selectie werd besloten de mechanische hybride niet verder uit te werken, omdat deze niet inbouwbaar bleek in de beschikbare ruimte. In de elektrische hybride is het energieopslaand element een elektrische condensator. Deze kan eenvoudig worden geïntegreerd in de bestaande configuratie door een DC-DC-convertor te plaatsen tussen het net en de drive van de aandrijfmotor. Deze convertor werd verbonden met de condensatorbank. Bij het laatste concept, de hydraulische hybride, zit de remenergie opgeslagen in hydraulische drukvaten. Deze worden gestuurd met twee kleppen waarmee de richting van de stroming kan worden gecontroleerd.

3 Page 3 of 6 In de elektrische hybride (boven) is het energieopslaand element een elektrische condensator die is geïntegreerd door een DC-DC-converter te plaatsen tussen het net en de drive van de aandrijfmotor. Bij de hydraulische hybride (onder)ligt de remenergie opgeslagen in hydraulische drukvaten die worden gestuurd met twee kleppen die de richting van de stroming controleren. Conceptmodellering De energetische modellen van de aandrijflijncomponenten zijn fysisch geïnspireerd en gebouwd in de multifysische simulatieomgeving Simscape (Mathworks). Deze modellen bevatten de belangrijkste bronnen van energieverlies. Efficiëntiekaarten beschrijven de mechanische en volumetrische verliezen in de pomp en hydromotoren. De verliezen zijn te wijten aan de inwendige wrijving en het lekdebiet. Ze zijn afhankelijk van de druk over hun hydraulische kleppen, de rotatiesnelheid en het ingestelde slagvolume. Voor de beschrijving van de verliezen in de elektrische motoren wordt eveneens gebruik gemaakt van 'efficiency maps'. Deze verliezen zijn afhankelijk van het koppel en het toerental. Verder zijn ook de stromingsverliezen in het hydraulische circuit en de wrijvingsverliezen in de lagering van de vliegwielen opgenomen in het systeemmodel. De 'efficiency maps' van de elektromotoren komen van de fabrikant. Deze van de pomp en hydromotoren werden bepaald via metingen op de beschikbare opstelling. De identificatieprocedure van deze maps omvat optimaal experimentontwerp, een parameterschatting en een experimentele validatie van de modelnauwkeurigheid. Van de bestaande hydrostatische aandrijflijntestopstelling werd een systeemmodel gebouwd op basis van de verschillende componentmodellen. Dit model is gevalideerd op basis van experimentele data en vormt de basis voor de modellen van de geselecteerde hybridisatieconcepten. Voor de elektrische hybride werd het initiële model uitgebreid met de condensatoren en de DC-DComvormer. De verliezen in de convertor zijn functie van de stroom en spanning en worden voorgesteld door een efficiency map. Het condensatormodel bevat een seriële weerstand en een lekstroom. Voor de hydraulische hybride is het model uitgebreid met de drukvaten en de hydraulische kleppen. Dit model omvat lekverliezen in de kleppen in gesloten toestand en een niet-verwaarloosbare stromingsweerstand in open toestand. Het fysische model van de hydraulische accumulator omvat de polytropische compressie van het accumulatorgas, dus de daarbij horende opwarming en de warmteuitwisseling met de omgeving.

4 Page 4 of 6 De efficiëntiemappen van de elektromotoren komen van de fabrikant. Van de pomp en hydromotoren heeft FMTC ze verkregen via metingen op de beschikbare opstelling. Controle Om de concepten eerlijk te vergelijken is in beide modellen een optimale controle noodzakelijk. Deze controllers moeten een gelijkaardig volggedrag realiseren, de remenergie zo efficiënt mogelijk opslaan en vervolgens zo efficiënt mogelijk hergebruiken. Voor de elektrische hybride kun je de controle in twee onafhankelijke delen opsplitsen. Het gedrag van de condensatoren en DC-DC-convertor heeft namelijk weinig of geen invloed op de rest van de aandrijflijn aangezien de ingaande spanning van de aandrijfmotor constant wordt gehouden. Voor die subsystemen is dus afzonderlijk een optimale regelaar ontworpen. Voor de aandrijflijn is dit een gradiëntgebaseerde optimalisatie die in elke tijdstap de optimale controlesignalen bepaalt om de gewenste snelheid van de lastassen te realiseren. Voor de condensator wordt een optimale open ontladingscyclus bekomen door de opgeslagen energie zo snel mogelijk vrij te geven, dus met behulp van een greedy regelaar. De controle van de hydraulische hybride is een stuk complexer. Deze moet namelijk tegelijk het open ontladen van de drukvaten en de werkingspunten van pomp en hydromotoren optimaal regelen. Om dit te bereiken werd dynamisch programmeren gebruikt, wat de controlesignalen over de gehele duur van de gebruikscyclus tegelijkertijd optimaliseert. Dynamisch programmeren is een iteratie zoekmethode die het optimalisatieprobleem eerst opsplitst in vele kleine probleempjes waarvan het oplossen veel eenvoudiger is. De optimale oplossing wordt dan bekomen door de best mogelijke combinatie te maken van de deeloplossingen. Deze aanpak garandeert een optimaal traject gedurende het hele traject, rekening houdend met het niet-lineaire gedrag en de beperkingen van het systeem, maar ten koste van een hogere rekentijd. Conceptoptimalisatie De laatste stap in de conceptoptimalisatie is het dimensioneren van de accumulatoren. Voor de elektrische hybride is het aantal condensatoren in de condensatorbank geoptimaliseerd om de kosten te minimaliseren. Deze kosten bestaan enerzijds uit de installatiekosten per condensator en anderzijds uit de verlaging van de gebruikskosten van het hybride systeem ten opzichte van het conventionele dankzij de verbeterde efficiëntie.

5 Page 5 of 6 De hydraulische hybride scoort met circa 26 procent reductie van de energieverliezen (rechts) het beste, maar door de hogere installatiekosten is de totale kostendaling minder uitgesproken (links) Resultaten testcase Beide concepten realiseren een significante reductie in zowel kosten als energieverliezen. De hydraulische hybride scoort met ca. 26 procent reductie van de energieverliezen het beste, maar door de hogere installatiekosten is de totale kostendaling minder uitgesproken. De uitgevoerde analyse toont de voordelen van een modelgebaseerde aanpak voor het ontwerp van energie-efficiënte machines. De gedefinieerde systematische aanpak laat toe om een vergelijking te maken tussen verschillende concepten op basis van modellen die onder meer de energie-efficiënte omvatten. Het opstellen van deze modellen vereist gegevens aangeleverd door de componentfabrikanten of de beschikbaarheid van experimentele data. Het resulterende model laat dan toe om een concept in detail te analyseren door een optimale controle te ontwerpen en de componenten te dimensioneren. Vervolgens kunnen verschillende concepten onderling worden vergeleken op basis van de 'total cost of ownership'. Dit demoproject toont hoe met fysisch geïnspireerde modellen een inschatting kan worden gemaakt van de potentiële reductie in energieverbruik van een hydrostatische aandrijving door middel van hybridisatie. Op deze manier kan een gefundeerde keuze van hybridisatieconcept worden gemaakt zonder het bouwen van één of verschillende dure prototypes. De gevolgde aanpak is trouwens niet beperkt tot hydrostatische aandrijflijnen, maar kan worden uitgebreid naar het ontwerp van andere aandrijvingen of zelfs volledig andere types van systemen, waar prototypes duur zijn en dus een methode om snel verschillende ontwerpen met elkaar te vergelijken wenselijk is. Bron In het VIS-traject EcoMechatronics werd de modelgebaseerde aanpak onder meer toegepast op het ontwerp van een energie-efficiënte aandrijflijn van een mobiele takkenversnipperaar. Zo konden een toename van de productiviteit en een reductie van het brandstofverbruik met ongeveer 20 procent aangetoond worden. Over deze en andere industriële cases kan u hier meer lezen. Onderzoek FMTC Verwante artikels Componentselectie en architectuur van energie-efficiënte aandrijflijnen EcoMechatronics Audit leidt tot 20 procent energie-efficiënter aandrijfconcept voor takkenversnipperaar Vandaele zet verder in op ecologische machines via EcoMechatronics-audit Contactpersoon: Sirris, Pieter Beyl pieter.beyl@sirris.be Tel Fax

6 Page 6 of 6 Contactpersoon: FMTC, Maarten Witters maarten.witters@fmtc.be