Čo je metóda Model-Based Design?

Metóda Model-Based Design (MBD) je postavená na systematickom využívaní simulačných modelov naprieč vývojovým procesom. Simulácia s virtuálnym modelom umožňuje rýchlo získať prehľad o správaní systému v reálnom svete, vykonávať virtuálne testovanie rôznych scenárov a overovať funkčnosť zabudovaného softvéru (angl. Embedded SW). Využitie modelov pomáha urýchliť posúdenie variantov, bezpečne študovať okrajové prípady a zlepšiť celkovú kvalitu vyvíjaného systému. Vývojovým prostredím pre aplikáciu metódy MBD je napríklad softvér MATLAB a Simulink.

Medzi základné prínosy metódy MBD patria:

  • optimalizácia návrhu a analýza možností pomocou simulácií,
  • vývoj, testovanie a implementácia algoritmov,
  • overenie splnenia požiadaviek v raných fázach vývoja,
  • generovanie programu na vývoj prototypu aj výrobu, pre mikroprocesory, FPGA i SoC,
  • analýza dát z prevádzky zariadenia vrátane konceptu digitálne dvojča,
  • vývoj podľa štandardov, ako sú AUTOSAR, ASPICE, ISO 26262, EN 50128 a MISRA-C.

Modelovanie systému

Modelovanie systému (fyzickej sústavy) je obvykle prvým krokom, ktorý pri aplikácii metódy MBD riešime. Model systému možno získať dvoma základnými prístupmi – modelovaním fyzikálnych vzťahov a/alebo identifikáciou modelu z dát nameraných priamo na reálnom zariadení. Každý z prístupov má svoje výhody a oba prístupy možno kombinovať. Výhodou modelu založeného na fyzikálnych princípoch je to, že ho môžete vytvoriť bez toho, aby ste mali fyzické zariadenie k dispozícii a môžete ho teda využiť aj v raných etapách vývoja. Výhodou prístupu založeného na dátach z reálneho zariadenia je relatívna jednoduchosť jeho získania a fakt, že model priamo odráža správanie systému, ktorý máme „v ruke“. V prostredí MATLAB a Simulink sa modely vytvárajú v grafickej podobe blokových schém.

Vývoj algoritmov

Na modelovanie sústav nadväzuje návrh, vývoj a testovanie softvérových algoritmov. Ide obvykle o riadiace systémy, algoritmy na úpravu a spracovanie meraných signálov, prípadne analýzu obrazu a podobne. Cieľom je, aby bol výsledný algoritmus prevádzkovaný v spojení s reálnym zariadením, a to vo forme zabudovaného programu na zvolenej cieľovej platforme (mikroprocesor, FPGA apod.).

Vývoj zabudovaného softvéru pozostáva z dvoch krokov. Prvým krokom je vytvorenie a testovanie algoritmu vo forme simulačného modelu. Model algoritmu možno simulovať v spojení s modelom sústavy a testovať tak správanie algoritmu bez toho, aby sme ohrozili reálne zariadenie. Druhým krokom je generovanie zdrojového programu pre zvolenú cieľovú platformu. Toto generovanie je plne automatické a v podstate ide o prevod funkčnosti algoritmu z modelovacieho prostredia do cieľového jazyka (C/C++, VHDL apod.) určeného na implementáciu na vybraný hardvér.

Verifikácia a testovanie

Hlavným prínosom metódy je možnosť priebežného overovania funkčnosti pomocou simulácií. Môžeme overovať, či navrhnuté riešenie zodpovedá zadaným požiadavkám, či algoritmus funguje aj pre krajné prípady správania sústavy alebo či cieľový zdrojový program spĺňa záväzné štandardy. Testovanie navyše môže prebiehať aj v reálnom čase, keď simulovaný algoritmus prepojíme s reálnou sústavou alebo naopak, simulovanú sústavu prepojíme s reálnym elektronickým zariadením nesúcim zabudovaný softvér.

Návrh elektrických pohonných systémov

Teraz už vieme, na čom je založená metóda Model-Based Design a čo znamená systematické využívanie simulačných modelov naprieč vývojovým procesom. Pozrieme sa teraz podrobnejšie na jej uplatnenie v rámci vývoja elektrických pohonných systémov. Vývoj metódou MBD sa v oblasti elektrických pohonných systémov zameriava najmä na nasledujúce oblasti:

  • elektrické pohony: modelovanie a simulácia pohonov na systémovej úrovni,
  • riadiace systémy: vývoj riadiacich systémov pre elektrické pohony,
  • batérie a BMS: modelovanie batériových zostáv a vývoj systému na správu batérií,
  • UI: využitie strojového učenia v oblasti elektrických pohonných systémov,
  • testovanie v reálnom čase: overovanie pomocou simulácie v reálnom čase.

Vývoj elektrického pohonu

Typické kroky pri vývoji elektrického pohonného systému metódou Model-Based Design zahŕňajú modelovanie elektromotora (PMSM, BLDC, indukčné), modelovanie výkonovej elektroniky (napäťový menič, striedač), návrh a implementáciu zabudovaného softvéru (riadiace algoritmy, virtuálne snímače), vymedzenie testovacích scenárov, simuláciu a analýzu výsledkov.

Modely komponentov môžu mať rôznu úroveň detailov v závislosti od zadaných požiadaviek. Ako príklad si uveďme model polovodičového meniča. Ten môže byť modelovaný ako jednoduchý prepočet vstupného na výstupné napätie (model ustáleného stavu), ako dynamická sústava s prechodovými javmi (model s priemerovaným spínaním), ako model zahŕňajúci idealizované spínanie polovodičových prvkov (model spínania po častiach linearizovaný), alebo ako model, ktorý zahŕňa plne nelineárny priebeh každého zopnutia každého z použitých polovodičových prvkov vrátane zahrnutia ďalších parazitných javov. Voľba úrovne detailu závisí od účelu vášho modelu. Zatiaľ čo na vyhodnotenie voľby parametrov jednotlivých súčiastok na správanie systému je potrebná detailnejšia úroveň, na návrh riadiaceho systému môže stačiť úroveň jednoduchšia. Záver vývojového procesu využíva generovanie zdrojového programu (C/C++, HDL) z navrhnutých algoritmov a jeho integráciu do reálneho prostredia.

Batériové systémy a vývoj BMS

Metódu MBD možno využiť aj pri návrhu batériových systémov. Možno modelovať batériové články, navrhovať rôzne architektúry batériových zostáv (angl. battery pack) a vyhodnocovať tepelné a elektrické správanie batérií za normálnych a poruchových podmienok. Na to možno využiť parametrizované modely batériových článkov, zostaviť vlastný model batérie so zahrnutím rôznych efektov, geometrií a topológií a doplniť ho chladiacim systémom.

Cieľom algoritmov BMS (angl. battery management system) je zaistenie požadovaného výkonu, bezpečnej prevádzky a prijateľnej životnosti batérie v rôznych prevádzkových režimoch a za odlišných okolitých podmienok. Pomocou simulácie na systémovej úrovni možno overiť funkčné aspekty návrhu BMS, získať prehľad o dynamickom správaní batérie, overiť efektivitu BMS a následne použiť automatické generovanie programu na jeho implementáciu na reálny systém. Medzi typické úlohy BMS patrí sledovanie napätia a zahrievania článkov, odhad stavu nabitia a kondície batérie (angl. state-of-charge, state-of-health), riadenie vhodného profilu nabíjania, vyváženie stavu nabitia jednotlivých článkov alebo riadené odpojenie batérie od zdroja/záťaže v prípade nutnosti.

Využitie UI

Umelá inteligencia (UI) nachádza svoje miesto aj v oblasti elektrických pohonov. Jej využitie sa zameriava na nasledujúce oblasti:

  • tvorba redukovaných modelov (angl. Reduced Order Modeling) na efektívnejšie simulácie,
  • virtuálne snímače: získanie hodnôt veličín, ktoré nemožno priamo merať,
  • riadiace systémy založené na UI: využitie prístupu reinforcement learning,
  • predpovedanie spotreby, dodávky a ceny energií,
  • prediktívna údržba systémov: online diagnostika pri prevádzke zariadenia.

Testovanie v reálnom čase a elektromobilita

Testovanie v reálnom čase využíva špecializované zariadenia, tzv. simulátory reálneho času, a vo svojej podstate nadväzuje na testovanie modelov v počítači. Uplatní sa najmä tam, kde je nevyhnutné overiť funkčnosť vyvíjaného systému so všetkými pridruženými vplyvmi, nielen samotný algoritmus. Automobilový priemysel je jednou z oblastí, kde sú simulácie v reálnom čase hojne využívané, pretože každá chyba prenesená do výrobku môže mať fatálne následky.

Ako sa automobilový priemysel transformuje smerom k elektrickým a hybridným vozidlám, treba riešiť komunikáciu vozidla s nabíjacou stanicou, riadenie chodu batérie BMS a elektrické pohony. Každú časť treba otestovať skôr, než sa nasadí do prevádzky.

Pri simulácii v reálnom čase treba voliť vhodné simulačné modely, ktoré dokážu bežať v reálnom čase a zároveň majú dostatočný stupeň presnosti. Platforma dSPACE, ktorá je zameraná na technické prostriedky na simuláciu v reálnom čase, ponúka modely optimalizované pre platformy pracujúce v reálnom čase, od riadenia motorov po simuláciu batérie. Modely sú otvorené, čo dovoľuje používateľovi parametrizovať ich podľa vlastného uváženia.

Spojité parametre sústav

Okrem simulácie systémov so sústredenými parametrami je niekedy nevyhnutné prejsť do hlbšieho detailu a využiť modelovanie systémov na úrovni spojito rozložených parametrov. Také systémy, opísané spravidla parciálnymi diferenciálnymi rovnicami, modelujú procesy prenosu tepla, mechanické namáhanie, elektromagnetické javy alebo ich kombinácie. Riešenie modelov zaisťuje metóda konečných prvkov (angl. Finite Elements Methods – FEM) a softvérové nástroje, ako je COMSOL Multiphysics.

Príklady použitia FEM simulácií v elektromobilite

FEM simulácie sa používajú na detailné modelovanie súčiastok. Vďaka pokročilému simulačnému softvéru COMSOL Multiphysics možno využívať predpripravené výpočtové moduly na simuláciu elektromagnetizmu (elektromotor, ukladanie energie, kabeláž), tepla a deformácií, optiky (osvetlenie), akustiky (šírenie hluku), pohybu mechanizmov (prevodové mechanizmy, pohyb rotačných častí), chémie a elektrochémie (batérie, prípadne palivové články).

Zamerajme sa iba na kľúčové prvky súčasných elektromobilov, ktorými sú batérie a elektromotor. Konkrétne v COMSOL Multiphysics možno modelovať a optimalizovať topológiu elektromotora, typy vinutia, kmitanie systému, počítať straty, vytvárať tepelnú analýzu, simulovať demagnetizáciu, vibrácie a hluk či zmenu rozmerov materiálov pri zmagnetizovaní (magnetostrikcia).

K modelovaniu batérií sa pristupuje viacškálovo bez ohľadu na typ batérie. Batériu možno modelovať od mikroskopického pohľadu vzorky porézneho prostredia elektródy cez model jediného článku až po model celej batériovej zostavy. Simuluje sa plná aj zjednodušená elektromagnetická formulácia najčastejšie v prechodových javoch: nabíjací cyklus a EIS (elektrochemická impedančná spektroskopia). Z fyzikálneho pohľadu možno zahrnúť simuláciu prúdenia, prestup tepla a jeho účinky (chladenie, prehrievanie, skratové stavy s teplotnou špirálou) a starnutie (pokovovanie, SEI, mechanická degradácia, únik elektrolytu apod.). Samostatnou oblasťou sú simulácie palivových článkov, pre ktoré má softvér COMSOL taktiež predpripravené riešenie.

FEM simulácie sú efektívnym nástrojom na vývoj inovatívnych riešení. Aby model verne simuloval reálne nasadenie systému, je nevyhnutné okrem primárneho fyzikálneho princípu zahrnúť aj javy, ktoré môžu negatívne ovplyvniť jeho celkovú efektivitu. Tento nástroj umožňuje v jedinej simulácii prepojiť množstvo fyzikálnych javov a tým minimalizovať prehrievanie, mechanické namáhanie a ďalšie nežiaduce sekundárne prejavy. Veľkým benefitom je možnosť prepojiť detailnú FEM simuláciu COMSOL Multiphysics s modelom systému v prostredí Simulink. Táto možnosť vedie k vytvoreniu digitálneho dvojčaťa (Digital Twin) kľúčových súčastí vozidla.

Záver

Metóda Model-Based Design ponúka moderný a flexibilný prístup k vývoju elektrických technológií. Vývoj založený na simulačných modeloch zefektívňuje vývojový proces a umožňuje dodávať na trh produkty, ktoré spĺňajú požiadavky na bezpečnosť, spoľahlivosť, účinnosť a výkon.

Jaroslav Jirkovský
Martin Kožíšek
Tomáš Fridrich
HUMUSOFT s.r.o.