Modelling of electrified powertrain components for simulation-driven control system design

Abstract

The electrification of the non-road mobile machinery introduces new system topologies and components together with complex control strategies. Model-based design and simulation-driven development have become essential to manage the increased complexity. These methods enable earlier testing capabilities together with early performance results of the new prototypes. However, choosing the right trade-off between the simulation model fidelity and computational efficiency is challenging. The objective of this thesis is to develop real-time capable simulation models of key electrified powertrain components for system-level software development purposes. Models are developed for a permanent magnet synchronous motor, a high-voltage battery, and a bidirectional buck-boost DC-DC converter for system-level simulation. Based on a literature review of different modelling approaches for the key components, a dq-axis equivalent circuit model for PMSM, an equivalent circuit model with a selectable number of RC pairs for the battery and an average-value model for the DC-DC converter are selected. These physical models are integrated with realistic supervisory and diagnostic logic to ensure the replication of realistic operational constraints and boundary behavior during system-level verification. The developed PMSM and battery models demonstrate high dynamic accuracy in validation with experimental data. The comparison of the battery ECM configurations lines well with re-ports from the literature as the two-RC-pair model provides the best trade-off between accuracy and computational efficiency. While the DC-DC converter successfully demonstrates bidirectional buck-boost operation, it exhibits poor disturbance rejection capabilities indicating a need for future tuning. Finally, the integrated system model simulated in offline environment is deployed to a Beckhoff TwinCAT 3 real-time target for real-time performance evaluation. The simulation achieves a task execution time of 45 to 55 microseconds with a 1-millisecond simulation step time, utilizing approximately 4-6% of the real-time environment CPU. Deterministic execution in the real-time environment is ensured by verification of identical simulation results in real-time and offline environments. These results prove that the developed models are not only highly capable of deterministic real-time execution and replication of real components but also possess significant computational headroom for future extension of the system models

Työkoneiden sähköistyminen tuo mukanaan uusia järjestelmätopologioita, komponentteja sekä monimutkaisempia ohjausstrategioita. Mallipohjaisesta suunnittelusta sekä simulaatioiden apuna käyttämisestä on tullut lähes välttämättömiä kasvavan kompleksisuuden hallinnassa. Nämä työkalut edesauttavat testaamista varhaisemmassa vaiheessa sekä auttavat tarjoamaan alustavia arvioita kehitettävän prototyypin suorituskyvystä. Oikean mallinnustavan valitseminen on kuitenkin haastavaa tasapainon löytämiseksi simulaatiomallin tarkkuuden sekä laskennallisen tehokkuuden välillä. Tämän työn tavoitteena on kehittää sähköistetyn ajovoimansiirron avainkomponenteille reaaliaikasimulointiin kykenevät mallit järjestelmätason oh-jelmistokehityksen tarpeisiin. Simulaatiomallit mallinnetaan kestomagneettitahtimoottorille, korkeajänniteakulle sekä kaksisuuntaiselle buck-boost DC-DC-muuntimelle järjestelmätason simulaatioita varten. Mallin-nustavat kullekin komponentille valitaan kirjallisuuskatsauksen perusteella. Kestomagneetti-moottorille valitaan dq-akselistoon perustuva ekvivalenttipiirimalli, akulle ekvivalenttipiirimalli säädettävällä määrällä vastus-kondensaattoripareja (RC), sekä DC-DC-muuntimelle keskiarvoperusteinen käyttäytymismalli. Näihin malleihin yhdistetään realistiset ohjaus- ja diagnostiikkalogiikat, jotta todelliset käyttörajoitteet ja rajakäyttäytymiset voidaan toistaa järjestelmä-tason validoinnissa. Kehitetyt sähkömoottori- ja akkumallit osoittavat korkeaa dynaamista tarkkuutta verrattaessa simulaatiotuloksia kokeelliseen mittausdataan vastaavista komponenteista. Akun tulokset eri RC-parien lukumäärällä vastaavat hyvin kirjallisuudesta löytyviä tuloksia, sillä kahden parin malli tarjoaa parhaan kompromissin tarkkuuden sekä laskennallisen tehon väliltä. Vaikka DC-DC-muuntimella demonstroidaan kaksisuuntaista buck-boost-toimintaa onnistuneesti, sen kyky hallita häiriöitä jää heikoksi, mikä osoittaa jatkokehityksen tarpeen. Lopuksi komponenttimalleista yhdistetään ajovoimansiirtoa kuvaava järjestelmämalli, jota simuloidaan ensiksi Simulink-ympäristössä, minkä jälkeen se tuodaan Beckhoffin TwinCAT 3 -reaaliaikaympäristöön suorituskyvyn arviointia varten. Reaaliaikaympäristössä järjestelmämalli kykenee noin 50 mikrosekunnin suoritusaikaan yhden simulaatioaskeleen ollessa millisekunnin. Tämä vastaa noin 5 % prosessorin käyttöastetta reaaliaikajärjestelmässä. Deterministinen suorituskyky varmistetaan vielä vertaamalla Simulinkissä saavutettuja tuloksia reaaliaikaympäristön tuloksiin. Tulokset ovat täysin identtisiä ja näin voidaan osoittaa, että kehitetyt mallit eivät ainoastaan mahdollista determinististä reaaliaikaista suoritusta ja komponenttien todenmukaista mallintamista, vaan ne myös jättävät merkittävästi laskennallista kapasiteettia mah-dollistaen järjestelmämallin laajentamisen esimerkiksi lämmönsiirtoa kuvaavilla malleilla.