Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum a vývoj elektronických systémů pro vozidla s elektrickým pohonem

SP2015/188

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

01. 01. 2015 - 31. 12. 2015

Stručný popis projektu V současné době registrujeme masivní rozmach v oblasti elektromobility. Elektromobily 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 další. S využitím tohoto současného moderního vybavení a technologií jsme s minimálním omezením schopni pracovat na výzkumu a vývoji nových řešení elektronických systémů vozidla. Studenti doktorského, ale i magisterského studia mají možnost využívat výše uvedené moderní technologie a podílet se na vývoji zcela nových popř. modifikovaných řešení. V odvětví automobilové elektroniky jsou konkrétní technické informace a nových technologiích téměř nedostupné. Pracoviště katedry se proto mimo jiné zaměřuje i na reversní inženýrství elektronických automobilových systémů. Zkoumány jsou především nejmodernější systémy (principy, firmware a aplikační software). Díky těmto mnohdy zdlouhavým postupům jsme schopni se věnovat vývoji nových řešení. V roce 2014 jsme započali s plánováním vývoje nové demonstračního dopravního prostředku s elektrickým pohonem. Studenti doktorského a magisterského studia by měli v následujících 2 letech vyvinout řadu elektronických systémů pro toto vozidlo. Tento vývoj je založen na zkoumání aktuálních a nových řešení a technologií. Systémy by měly být vyvíjeny specificky pro vozidlo s elektrickým pohonem (zejména s ohledem na nároky nízkého odběru elektrické energie, bezpečnost a umocnění využití vlastností elektropohonu). Hlavním cílem projektu je výzkum prostředků a možných metod řízení specifických elektronických systémů pro vozidla s elektrickým pohonem. Zejména se jedná o struktury a moderní prostředky datové komunikace, řídicí systémy a algoritmy elektrického pohonného ústrojí, řídicí systémy centrální elektroniky vozidla, řídicí systémy servořízení, řídicí systémy osvětlení. V rámci řešení (viz Cíle a milníky projektu) vzniknou funkční prototypy, které budou integrovány do šasi nového vozidla. Výstupy projektu tak budou reálně ověřeny. Reference [1] Erjavec, J.: Automotive Technology: A Systems Approach, 4th Edition, USA 2004, Thomson Learning, 1401 str., ISBN 1-4018-4831-1 [2] Ribbens, B., W.: Understanding Automotive Electronics, Sixth Edition, USA 2003, Elsevier Science, 480 str., ISBN 0-7506-7599-3 [3] BOSCH technické brožury, žluté sešity 1996-2013 [4] Leonhard W.: Control of Electrical Drives. Springer - Verlag Berlin, 1997, ISBN 3-540-59380-2. [5] Brandštetter P.: Střídavé regulační pohony - Moderní způsoby řízení. Monografie, VŠB - Technická univerzita Ostrava, 1999, ISBN 80-7078-668-X. [6] Miller, T. J. E.: Electronic Control of Switched Reluctance Machines, University of Glasgow, 2001, ISBN 0 7506. [7] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1. [8] Holtz, J.: Sensorless Control of Induction Motor Drives, IEEE ETATS-UNIS, vol. 90, pp. 1359-1394, New York, USA, 2002, ISSN 0018-9219. [9] FREESCALE: PXS20 – datasheet PPC5643L [online], 2013, dostupné z: http://www.freescale.com [10] FREESCALE: MQX™ Real – Time Operating Systém – User Guide [online]. 2011, dostupné z: http://www.freescale.com [11] FREESCALE: MQX™ RTOS Reference Manual [online], 2013, dostupné z: http://www.freescale.com

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
Ing. Tomáš Pavelek, Ph.D.
Ing. Jiří Takáč
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Lukáš Cáb
Ing. Petr Chamrád
Bc. Tomáš Osička
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

Cíle a milníky projektu
Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj vytipovaných elektronických systémů a prostředků pro vozidla s elektrickým pohonem. Klíčové vytipované oblasti jsou: struktura a moderní prostředky datové komunikace, řídicí systémy a algoritmy elektrického pohonného ústrojí, řídicí systémy centrální elektroniky vozidla, řídicí systémy servořízení, řídicí systémy osvětlení.

Dílčí cíle projektu
C1. Návrh koncepce 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. 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.

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 (01/2015 – 12/2015)

Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2015 - 03/2015 C1, C2, C3

Etapa 2. Simulace metod řízení, vývoj elektronických obvodů, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2015 - 06/2015 C1, C2, C3

Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 05/2015 - 12/2015 C4, C6

Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích
Období 03/2015 - 12/2015 C4, C6

Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2014 – 01/2016 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.