Проектирование электрических силовых установок при поддержке многоцелевыми стратегиями оптимизации

Системы электропривода, состоящие из аккумулятора, инвертора, электродвигателя и коробки передач, применяются в гибридных или чисто электрических транспортных средствах. Процесс компоновки таких движительных систем осуществляется на системном уровне с учетом различных свойств компонентов и их интерферирующих характеристик. Кроме того, учитываются разные граничные условия, например технические характеристики, эффективность, комплектование, стоимость. Таким образом, процесс разработки силовой передачи включает в себя широкий диапазон влияющих параметров и периферических условий и тем самым представляет собой проблему многомерной оптимизации. Современные процессы разработки мехатронных систем обычно выполняются в соответствии с V-моделью, которая представляет собой фундаментальную основу для управления сложными взаимодействиями различных дисциплин. Кроме того, применяются этапные процессы и спиральные модели, чтобы справиться с высоким уровнем сложности при разработке, проектировании и тестировании. Вовлекая большое количество технических и экономических факторов, эти последовательные рекурсивные процессы могут привести к неоптимальным решениям, поскольку процессы проектирования системы недостаточно учитывают сложные отношения между различными, частично конфликтующими областями. В этом контексте настоящая публикация представляет интегрированную многоцелевую стратегию оптимизации для эффективной концепции электрических силовых установок, включающую комплексное рассмотрение всех компонентов и требований на многоцелевой основе. Синтез системного дизайна основан на Парето-оптимальных конструкциях со специфическими компонентами с целью обеспечения работы, эффективности, комплектации и затрат, предусмотренных для данной системы. Результаты отображаются в виде Парето-фронтов вариантов систем электрических трансмиссий, из которых лица, принимающие решения, могут выбрать наиболее подходящее из них. Таким образом, представленный подход к проектированию системы для разработки осей с электрическим приводом обеспечивает многоцелевую оптимизацию с учетом эффективности, функционирования, стоимости и комплектации. Данный подход позволяет сократить время разработки и одновременно обеспечить улучшение качества системы.

1. Hirz M., Dietrich W., Gfrerrer A., Lang J. (2013) Integrated computer-aided design in automotive development: development processes, geometric fundamentals, methods of CAD, knowledge-based engineering data management. Springer https://doi.org/10.1007/978-3-642-11940-8

2. Stadler S., Hirz M., Thum K., Rossbacher P. (2013) Conceptual full-vehicle development supported by integrated computer-aided design methods. Computer-aided design, 10 (1), 159-172. http://doi.org/10.3722/cadaps.2013.159-172

3. Volkswagen Newsroom: Drive Train configurations of the Golf. Available at: https://www.volkswagen-newsroom.com/en (accessed 26 September 2019).

4. Volkswagen Newsroom: Modular electric drive matrix (MEB). Available at: https://www.volkswagen-newsroom.com/en/modular-electric-drive-matrix-meb-3677 (accessed 26 September 2019).

5. MAGNA etelligentdrive, mаgna.cоm/electrification. Available at: http://electrification.magna.com/wp-content/uploads/2017/11/A_MPT_eDrive_Brochure_EN_221117.pdf (accessed 26 September 2019).

6. Development Method for Mechatronic Systems, VDI Guideline 2206. The Association of German Engineers, Germany, 2003.

7. Ernst M. (2016) KPI-related analysis methods to optimise mechatronic product development processes. Doctoral thesis. Institute of Automotive Engineering, University of Technology Graz.

8. Sell R., Tamre M. (2005) Integration of V-model and SysML for advanced mechatronics system design. Int. Workshop on Research & Education in Mechatronics, At ANNECY. France. 276-280.

9. Janschek K. (2012) Mechatronic Systems Design, Methods, Models, Concepts. Springer Publisher. http://doi.org/10.1007/978-3-642-17531-2

10. Balzert H. (1998) Lehrbuch der Softwaretechnik. Software-Management, Software-Qualitätssicherung, Unterneh-mensmodellierung. Spektrum Akademischer Verlag, Berlin.

11. Hofstetter M., Hirz M., Ackerl M. (2016) System design optimization of eEV-axledrives with package restrictions. FISITA 2016 World Automotive Congress Korea. Available at: https://www.researchgate.net/publication/308971790

12. Mathoy A. (2011) Drivetrain architectures and their impact on the choice of the electrical machine. IEEE 14th European Conference on Power Electronics and Applications. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/6020671

13. Rahman K., Jurkovic S., Hawkins S., Tarnowsky S., Savagian P. (2014) Propulsion System Design of a Battery Electric Vehicle. IEEE Electrification Magazine, 2 (2), 14-24. http://doi.org/10.1109/MELE.2014.2316977

14. Siemens integrates EV motor and inverter in single housing; common cooling and SKiN. Green Car Congress. Available at: http://www.greencarcongress.com/2014/10/20141017-siemens.html (accessed 28 June 2016).

15. Eghtessad M. (2014) Optimale Antriebsstrangkonfigurationen für Elektrofahrzeuge. PhD thesis. TU Braunschweig (in German).

16. Schulte-Cörne C. (2015) Multikriterielle integrierte System-optimierung von hybriden Plug-In-Antriebssystemen. PhD thesis, RWTH Aachen (in German).

17. Meier T. (203) Multikriterielle Optimierung hybrider Antriebsstränge mittels statistischer Versuchsplanung. PhD thesis, TU Darmstadt (in German).

18. Hofstetter M., Lechleitner D., Hirz M., Gintzel M., Schmidhofer A. (208) Multi-objective gearbox design optimization for xEV-axle drives under consideration of package restrictions. Forschung im Ingenieurwesen, 82 (4), 361-370. http://doi.org/10.1007/s10010-018-0278-9

19. Hofstetter M., Hirz M., Gintzel M., Schmidhofer A. (2018) Multi-Objective System Design Synthesis for Electric Powertrain Development. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, http://doi.org/10.1109/ITEC.2018.8450113

20. ANSYS Inc. ANSYS RMxprt. Available at: http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-RMxprt. (accessed 3 April 2016).

21. STAR-CCM+ Siemens PLM Software Solutions. Available at: https://www.plm.automation.siemens.com/global/de/products/simcenter/STAR-CCM.html (accessed 20 September 2019).

22. ANSYS Inc. ANSYS Maxwell. Available at: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell (accessed 20 September 2019).

23. Hirz M., Harrich A., Rossbacher P. (2011) Advanced computer aided design methods for integrated virtual product development processes. Computer-Aided Design and Applications, 8 (6), 901-913. http://doi.org/10.3722/cadaps.2011.901-913

24. Schleiffer J.-E., Lange A. (December 2015) Optimization of Parallel Hybrid Electric Vehicle (HEV) Fleets. CTI Journal.

25. Roberts J., Kochenderfer R. (2014) Mathematical Optimization, Pareto Optimality. Lecture Script at Stanford University.