Підходи у моделюванні систем перетворення електроенергії в гібридних транспортних засобах

Abstract

UK: Мета роботи. Вибір адекватного програмного забезпечення та розробка методики моделінгу для економічного мультидоменного моделювання системи розподілу та перетворення електроенергії з урахуванням системи керування для сучасних транспортних засобів, зокрема, для гібридного електромобіля із паливним елементом (HEV). Методи дослідження. Основним методом дослідження є математичне моделювання; для структурного синтезу моделі системи перетворення електроенергії та порівняльного аналізу програм використано евристичні методи прийняття рішень на базі порівняння метрик варіантів. Отримані результати. Запропоновано спосіб декомпозиції HEV з точки зору сфери застосування існуючих програм для моделювання його підсистем. Підсистеми з блоків такої структурної схеми придатні для досліджень засобами однодоменних програм моделювання. Показані перспективи програм класу автоматизованого проєктування в електроніці (ECAD) для мультидоменного моделювання HEV, оскільки центральним і основним блоком перетворення є електронний домен. На базі обраних метрик програмного забезпечення обґрунтовано вибір програм для моделювання системи перетворення електроенергії, з можливістю організації модельних інтерфейсів для забезпечення мультидоменного моделювання та забезпеченням коректного експорту-імпорту моделей при переходах між рівнями абстракції. Запропоноване послідовне використання обраних програм автоматизованого інжинірингу (CAE) та ECAD, із переносом інформації про модель та результати симуляції, що здатне забезпечити як оптимальний синтез системи автоматичного керування на базі критерію запасу по фазі із дослідженням зони стійкості по мапі реалізацій, так і глибокий аналіз енергетичних показників силової частини перетворювачів. Для апробації методики обрано паралельну топологію енергетичної системи із блоком суперконденсаторів, перетворювачем підвищувального типу в режимі керування напруги та перспективним чотирьохключовим двонаправленим перетворювачем Buck-Boost в режимі керування струмом. Для підвищення стійкості системи, запропоновано використовувати контролер Type3, який поєднує можливості компенсатора та модулятора. Наукова новизна. Запропоновано новий підхід до моделювання енергетичної підсистеми HEV, який враховує мультидоменність системи та вимагає її розгляду, по-перше, як системи автоматичного керування на макрорівні у CAE-програмі SmartCtrl, із попереднім розширенням її бібліотеки шляхом синтезу передаточних функцій в ECAD-програмі PSIM, та подальшим поверненням на мікрорівень для аналізу енергетичних характеристик і пара-метричної оптимізації перетворювачів разом із системами керування на рівні електричних схем в PSIM. На основі аналізу можливостей програм моделювання компонентів агрегативної системи HEV запропонований варіант структурної схеми моделі енергетичної підсистеми з урахуванням можливостей адекватного застосування «однодоменних» програм та показані перспективи їхнього використання для мультидоменного моделювання HEV. Визначено специфічний набір метрик програм для обґрунтованого вибору програмного забезпечення при дослідженні подібних систем. Практична цінність. Представлена методика послідовного моделінгу енергетичної системи в комплексі програм автоматизованого інжинірингу та автоматизованого проєктування SmartCtrl+PSIM фірми Altair із взаємним обміном даних, забезпечує комплексний аналіз та оптимізацію характеристик цієї підсистеми сучасних транспортних засобів. EN: Purpose. Selection of adequate software and development of a modeling methodology for economical multi-domain simulation of the power distribution and conversion system, taking into account the control system for modern vehicles, in particular, for a hybrid electric vehicle with a fuel cell (HEV). Methodology. The main method of research is mathematical modeling; heuristic decision-making methods based on the comparison of option metrics are used for the structural synthesis of the model of the power conversion system and comparative analysis of programs. Findings. A method of decomposition of HEV in terms of the scope of existing programs for modeling its subsystems is proposed. Subsystems made up of blocks of such a structural scheme are suitable for research using single-domain modeling programs. The prospects of electronics computer-aided design (ECAD) programs for multi-domain modeling of HEVs are shown, since the electronic domain is the central and main block of the transformation. On the basis of the selected software metrics, the choice of programs for modeling the power conversion system is substantiated, with the possibility of organizing model interfaces to ensure multi-domain modeling and ensuring correct export-import of models when moving between abstraction levels. The sequential use of selected computer-aided engineering (CAE) and ECAD programs is proposed, with the transfer of information about the model and simulation results.This is capable of providing both optimal synthesis of the Automatic Control System based on the Phase Margin criterion with the study of the stability zone according to the Solution map, and in-depth analysis of the energy performance of the power stage of the converters. To test the method, a parallel topology of the power system with a block of supercapacitors, a boost-type converter in voltage control mode and a promising Four-Switch Bidirectional Buck-Boost converter in current control mode were selected. To increase the stability of the system, it is proposed to use a Type3 controller, which combines the capabilities of a compensator and a modulator. Originality. A new approach to modeling the HEV energy subsystem is proposed, which takes into account the multi-domain nature of the system and requires its consideration, first, as an Automatic Control System at the macro level in the CAE program SmartCtrl, with a preliminary expansion of its library by synthesizing Transfer Functions in the ECAD program PSIM, and a subsequent return to the micro level for analyzing energy characteristics and parametric optimization of converters together with control systems at the level of electrical circuits in PSIM. Based on the analysis of the capabilities of the programs for modeling the components of the HEV aggregate system, a variant of the structural diagram of the model of the energy subsystem is proposed, taking into account the possibilities of adequate application of "single-domain" programs and the prospects for their use for multi-domain modeling of HEV are shown. A specific set of program metrics is determined for a reasonable choice of software when studying such systems. Practical value. The presented method of sequential modeling of the energy system in the complex of automated engineering and automated design programs SmartCtrl+PSIM from Altair Group with mutual data exchange provides a comprehensive analysis and optimization of the characteristics of this subsystem of modern vehicles.