Inżynierowie Porsche Engineering opracowali przełomowy koncept „baterii AC” dla pojazdów elektrycznych, który łączy wiele kluczowych komponentów w jedną, zintegrowaną całość. System ten, sterowany przez wystandaryzowaną jednostkę kontrolną z wyjątkowo wydajną platformą obliczeniową czasu rzeczywistego, przeszedł już fazę studium wykonalności, testy na stanowisku badawczym oraz demonstrację w pojeździe testowym.
Tradycyjny układ vs. rewolucyjna integracja
W konwencjonalnych pojazdach elektrycznych układ napędowy składa się z odrębnych komponentów: wysokonapięciowego akumulatora z systemem zarządzania, elektroniki mocy kontrolującej silnik elektryczny oraz ładowarki pokładowej do ładowania prądem przemiennym. Elektronika mocy przekształca napięcie stałe z akumulatora na sinusoidalne napięcie trójfazowe AC niezbędne dla silnika trakcyjnego.
„Trend w przemyśle motoryzacyjnym zmierza w kierunku wysoko zintegrowanych komponentów” – wyjaśnia Thomas Wenka, specjalista ds. zarządzania projektami w Porsche Engineering. „To otwiera nowe możliwości pod względem rozmiarów obudowy, redukcji masy i kosztów, a także zwiększenia niezawodności i wydajności.„
Jak działa „bateria AC” Porsche?
W ramach studium wykonalności, zespół Porsche Engineering podzielił wysokonapięciowy akumulator napędu elektrycznego na 18 indywidualnych modułów, rozłożonych w trzech fazach. Każdy z tych modułów może być niezależnie kontrolowany przez półprzewodnikowe przełączniki mocy.
Elastyczne połączenie poszczególnych modułów baterii w tzw. Modułowy Wielopoziomowy Konwerter Szeregowo-Równoległy (MMSPC) jako rozproszony system czasu rzeczywistego umożliwia dynamiczne modelowanie krzywej napięcia. Dzięki temu sinusoidalne napięcie trójfazowe dla silnika może być generowane bezpośrednio z napięcia stałego modułów akumulatora.
„Dzięki MMSPC możliwe jest zarówno bezpośrednie sterowanie silnikiem elektrycznym podczas jazdy, jak i bezpośrednie podłączenie do sieci AC w celu ładowania akumulatora” – tłumaczy Daniel Simon, specjalista ds. zarządzania projektami w Porsche Engineering.
Liczne korzyści techniczne
Nowe rozwiązanie oferuje szereg istotnych zalet:
- Łatwiejszą skalowalność dla różnych wariantów układów napędowych
- Bezpieczniejszą obsługę elementów przewodzących prąd podczas serwisowania lub w przypadku wypadku
- Zwiększoną ochronę przed awariami – inteligentny system sterowania omija uszkodzony moduł akumulatora
- Funkcję dotarcia do warsztatu w trybie awaryjnym z ograniczoną mocą (w konwencjonalnej baterii taka awaria powodowałaby unieruchomienie pojazdu)
- Potencjał dla szybkiego ładowania impulsowego
Wyzwanie: sterowanie w czasie rzeczywistym
Głównym wyzwaniem w realizacji koncepcji baterii AC było opracowanie wydajnej i szybkiej centralnej jednostki sterującej, która może precyzyjnie kontrolować poszczególne moduły akumulatora.
„Dynamiczna rekonfiguracja modułów baterii w modelowaniu fali sinusoidalnej jest możliwa dzięki bazowemu systemowi rozproszonemu, który musi spełniać wymagania czasu rzeczywistego w każdych okolicznościach” – podkreśla Simon. „Opóźnienie w przełączaniu modułów prowadziłoby do uszkodzeń zestawów akumulatorów i powiązanej elektroniki mocy.„
Platforma obliczeniowa czasu rzeczywistego
Równolegle z koncepcją baterii AC, eksperci elektronicy z Porsche Engineering opracowali jednostkę sterującą z wyjątkowo wydajną, jednolitą i wysoce zintegrowaną platformą obliczeniową czasu rzeczywistego. Poszczególne funkcje baterii AC, takie jak zarządzanie silnikiem i akumulatorem, a także funkcja ładowania, działają na niej równolegle.
Platforma jednostki sterującej składa się z dwóch elementów – specyficznej dla projektu tzw. płyty bazowej oraz niezależnego od projektu modułu obliczeniowego w formie systemu na module (system-on-module) z jednolitym interfejsem do płyty bazowej.
„Jednostka przetwarzająca stanowi heterogeniczną platformę wieloprocesorową i działa jako pojedynczy system-on-chip. Łączy programowalną macierz bramek (FPGA) do kontroli i monitorowania danych w odniesieniu do zdolności systemu do pracy w czasie rzeczywistym oraz wydajny procesor wielordzeniowy do przetwarzania dużych ilości danych w jednym komponencie” – wyjaśnia Simon.
Implementacja zorientowana na oprogramowanie
Szczególną cechą tego podejścia jest implementacja funkcji jednostki sterującej skupiona na oprogramowaniu. „Jedna część działa na procesorze, który wykorzystuje FPGA do szybkiej kontroli i optymalnej strategii przełączania, i ostatecznie synchronicznie steruje wszystkimi modułami. Umożliwia to dynamiczną rekonfigurację przez oprogramowanie” – mówi Simon.
„Dzięki wykorzystaniu podejścia system-on-chip z CPU i FPGA, umożliwiamy zdolność pracy w twardym czasie rzeczywistym, której nie można osiągnąć za pomocą zwykłych mikrokontrolerów.„
Przyszłość platformy sterującej
Wraz z nową platformą jednostki sterującej, Porsche Engineering zaimplementowało koncepcję baterii AC w różnych prototypach i z powodzeniem przetestowało ją na stanowisku badawczym. System został również zintegrowany z pojazdem testowym, aby zademonstrować jego podstawową funkcjonalność.
„Opracowanie nowej platformy jednostki sterującej było absolutnie niezbędne dla baterii AC. Jednak ponieważ może być ona elastycznie dostosowywana, stała się odrębnym projektem, który będzie kontynuowany” – mówi Wenka. W nowych projektach system-on-module i część powiązanego oprogramowania mogą być ponownie wykorzystane, a funkcjonalność płyty bazowej może być łatwo rozszerzona o wymagane funkcje sprzętowe i interfejsy.
Zastosowania poza „baterią AC”
Jednostka sterująca może być elastycznie dostosowywana do nowych wymagań i jest odpowiednia dla wszystkich zastosowań, w których wymagana jest duża moc obliczeniowa i zdolność pracy w czasie rzeczywistym, a wymagania mogą się zmieniać w trakcie trwania projektu.
„Obecnie planujemy wykorzystanie nowej platformy jednostki sterującej początkowo do rozwoju prototypów w Porsche Engineering” – informuje Wenka. „Zasadniczo koncepcja ta nadaje się jednak również do zastosowań seryjnych z niewielkimi modyfikacjami.”
Znaczenie dla przyszłości elektromobilności
Koncepcja „baterii AC” Porsche może oznaczać istotny przełom w projektowaniu układów napędowych pojazdów elektrycznych. Integracja wielu komponentów w jeden system nie tylko zmniejsza złożoność, wagę i koszty, ale również zwiększa niezawodność i wydajność.
Szczególnie interesująca jest możliwość dynamicznej rekonfiguracji systemu w przypadku awarii, co mogłoby znacznie zwiększyć bezpieczeństwo i niezawodność pojazdów elektrycznych. Funkcja dotarcia do warsztatu w trybie awaryjnym stanowiłaby znaczny postęp w porównaniu z obecnymi rozwiązaniami.
Czy ten przełomowy system znajdzie zastosowanie w przyszłych modelach Porsche? A może technologia ta rozprzestrzeni się również na inne marki? Jedno jest pewne – „bateria AC” to kolejny krok w kierunku coraz bardziej wyrafinowanych i zintegrowanych układów napędowych w pojazdach elektrycznych. Co o tym sądzicie?
Dołącz do dyskusji