Název projektu
Výzkum a vývoj elektronických systémů pro vozidla s elektrickým pohonem II
Kód
SP2016/181
Řešitel
Období řešení projektu
01. 01. 2016 - 31. 12. 2016
Předmět výzkumu
Stručný popis projektu
Zejména v posledních 5 letech nastává masivní rozmach v oblasti elektromobility. Jedná se již o vozidla s uspokojivým dojezdem a komfortní výbavou. Nicméně další roky lze očekávat exponenciální nárůst výroby vozidel s elektrickým pohonem. Tato vozidla mají ve srovnání s automobily vybavenými klasickým spalovacím motorem několik významných výhod. V Evropské unii vzniklo v uplynulých letech několik iniciativ, jejichž cílem je snížit ekologickou zátěž životního prostředí. Jednou z těchto iniciativ je i podpora využití elektrické energie pro pohonné jednotky trakčních vozidel. Na tyto výzvy nereagují jen energetické firmy, nebo výrobci automobilů. Velmi důležitou roli sehrávají také další privátní subjekty, ať již zavedené firmy nebo nově vzniklé společnosti, které investují značné finanční prostředky do rozvoje baterií, elektromobilů a dalších souvisejících technologií. Od těchto investic lze očekávat zdokonalování technologií a následnou sériovou produkci, která povede ke snížení cen v dané oblasti. Jsou to zejména: velmi nízké přímé emise, nižší hlučnost, nižší provozní náklady, nižší náklady na údržbu.
Řada koncepcí dopravních prostředků je již součástí běžného provozu. Jedná se zejména o osobní vozidla, autobusy, kolejová vozidla a tažná vozidla v průmyslu. Prakticky všechna vozidla dnes pro svůj bezpečný, komfortní a ekonomický provoz využívají až desítky elektronických (mechatronických) systémů. Vedle nejmodernějších komfortních a bezpečnostních systémů podvozku a paluby, jsou do vozidel integrovány stále sofistikovanější základní systémy – elektronický systém pohonu, brzd, servořízení, osvětlení, centrální elektroniky (popř. gateway), správy napájecí soustavy. Některé systémy jsou pro určitá řešení palubní sítě přebírány, popř. lehce modifikovány. Přesto moderní přístupy k řešení elektronických řídicích jednotek, snímačů a akčních členů vozidel s elektrickým pohonem generují v posledních letech vlastní řešení. Využití součástkové základny např. Freescale Semiconductor, Infineon Technologies, Bosch a bezpečnostních podmínek pro návrh a realizaci těchto systémů zůstává zachováno. Z pohledu základních elektronických systémů vozidlo s elektrickým pohonem vyžaduje specifická nová řešení zejména v oblasti řízení pohonu (powertrain), v oblasti brzdových systémů a asistenčních systémů podvozku, v oblasti palubních systémů, centrální elektroniky a řešení napájecí soustavy, v oblasti koncepce servořízení, v oblasti osvětlovacích soustav.
Na Katedře elektroniky (FEI, VŠB-TUO) jsou v současné době stanoveny 4 základní prioritní směry VaV aktivit v generálních oblasti automotive a elektromobilita. Jedná se o:
1) Powertrain Systems
- výzkum a vývoj koncepcí a řídicích algoritmů elektrického pohonného ústrojí,
- výzkum a vývoj koncepcí prvků akumulace elektrické energie,
- vývoj koncepcí IWD
2) Chassis Systems
- výzkum a vývoj specifických asistenčních systémů podvozku,
3) Body Systems
- výzkum a vývoj prostředků systémů centrální elektroniky vozidla
- výzkum a vývoj řídicích systémů osvětlovacích soustav,
4) Communication Systems
- výzkum a vývoj prostředků pro přenos dat
Katedra elektroniky v současné době disponuje špičkovou laboratoří pro vývoj a výzkum elektronických automobilových systémů. Mezi klíčové vybavení patří válcový zatěžovací dynamometr pro reálné jízdní simulace motocyklů, osobních a lehkých užitkových vozidel, digitální analyzátory a osciloskopy LeCroy, Keysight Technologies, Fluke (analýzy CAN bus, LIN bus, FlexRay, SPI, UART), profesionální stanice pro IR pájení (včetně technologie BGA), profesionální licencovaný software pro analýzu powermanagementu nejmodernějších vozidel, softwarové simulační prostředky, softwarové prostředky pro profesionální návrh plošných spojů, programátory ELNEC, profesionální přístroje pro paralelní a sériovou diagnostiku vozidel a mnoho dalších. Díky tomuto zázemí jsme schopni se na vysoké úrovni věnovat výzkumu a vývoji v oblasti elektronických automobilových systémů. V loňském roce obdobný řešitelský tým započal vývoj hardware a částečně software v rámci projektu "Výzkum a vývoj elektronických systémů pro vozidla s elektrickým pohonem". Jedná se o systémy vozidla s elektrickým pohonem s názvem DemoCar. Byl proveden návrh koncepce nové palubní sítě vozidla s elektrickým pohonem, vývoj fyzického řešení datového komunikačního prostředku s přenosovou rychlostí až 1 Mbit/s, vývoj formátu datových bajtů pro jednotlivé proměnné a stavové veličiny (stanovené přesnosti a šifrování), návrh koncepce elektronického systémů řízení pohonu, návrh koncepce systému centrální elektroniky, návrh koncepce elektronického systému servořízení, návrh koncepce elektronické systému osvětlení. Dále částečně vývoj firmware a aplikačního software vytipovaných řídicích systémů využívající signálové mikrokontroléry Freescale (specifické MCU pro automotive aplikace). Také byl započat vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů vybraných systémů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice. V laboratorních podmínkách proběhla realizace funkčních vzorků a experimentální činnost. V roce 2016 bychom chtěli navázat na tuto činnost. V případě financování projektu bychom dále pracovali na nově vyvíjeném systému servořízení, přičemž tento systém by byl doplněn o systém elektrického posilovače se synchronním motorem. Dále bude vyvinuta nová verze řídicí jednotky centrální elektroniky (zásadní z pohledu řízení a ovládání všech elektronických systémů skrze dálkový ovladač), jelikož současná verze nesplňuje nároky na ni díky nově zvolené koncepci řízení vozidla kladené. Proběhne také základní vývoj elektrohydraulického brzdového systému a první verze softwarové aplikace. Studenti se budou také věnovat vývoji software řízení pohonu skrze nadřazenou řídicí jednotku pohonu.
Členové řešitelského týmu
doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
Ing. Jiří Takáč
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Lukáš Cáb
Ing. Samuel Przeczek
Ing. Ondřej Wolf
Ing. David Dulanský
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)
Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj vytipovaných elektronických systémů a prostředků pro vozidla s elektrickým pohonem. Klíčové vytipované oblasti jsou: řídicí systémy a algoritmy elektrického pohonného ústrojí, řídicí systémy centrální elektroniky vozidla, řídicí systémy servořízení a posilovače servořízení, řídicí systémy elektrohydraulických brzd.
Dílčí cíle projektu
C1. Návrh pro rozšíření stávajícího pohonu 2WD na 4WD, nová modifikace elektronického systémů řízení pohonu, návrh koncepce nového systému centrální elektroniky (s uvažováním nových požadavků pro ovládání vozidla), návrh nové modifikace elektronického systému servořízení s využitím posilovače servořízení, návrh elektrohydraulických brzd. Vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů vybraných systémů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.
C2. Vývoj elektronických obvodů všech řešených elektronických systémů. Vývoj mechanického řešení integrace elektrických strojů. Vývoj mechaniky elektronického systému servořízení. Vývoj mechaniky elektrohydraulického systému brzd.
C3. Vývoj firmware a aplikačního software vytipovaných řídicích systémů využívající signálové mikrokontroléry Freescale (specifické MCU pro automotive aplikace).
C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.
Časový harmonogram řešení
Doba řešení: 1 rok (01/2016 – 12/2016)
Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2016 - 03/2016 C1, C2, C3
Etapa 2. Simulace metod řízení, vývoj elektronických obvodů, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2016 - 06/2016 C1, C2, C3
Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 05/2016 - 12/2016 C4, C6
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích
Období 03/2016 - 12/2016 C4, C6
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2016 – 01/2017 C5, C6
Očekávané přínosy
• Zkvalitnění podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů a aktivit studentů magisterského studia v oblasti automobilové elektroniky a automobilové diagnostiky.
• Příprava pracoviště doktorandů pro zapojení do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou.
• Využití výsledků ve firmách a společnostech pro zvýšení užitných vlastností a konkurenceschopnosti nových výrobků.
• Využití vyvinutých prototypů formou jejich integrace do struktury prototypu demonstračního vozidla s elektrickým pohonem.