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HEVの車両全体シミュレーションによるシステム最適化

MathWorks Japanアプリケーションエンジニアリング部アプリケーションエンジニア張 莉

2

Engine Mode

SHEV ModeEV Mode

マルチモード ハイブリッド自動車

1. Higuchi, N., Sunaga, Y., Tanaka, M., Shimada, H.: Development of a New Two-Motor Plug-In Hybrid System, SAE 2013-01-1476 (2013)

3

システム設計の段階の課題

コスト削減燃費向上小型軽量化

部品構成・点数削減

バッテリーの小型化

コンパクトな車体設計

軽い材料の使用

部品構成・点数削減

ユニット原価削減

試作回数の削減

開発の不具合を最小化（手戻り防止）

バッテリー容量の向上

エネルギー回生

エネルギーマネジメントの最適化

アイドルストップ

最初からシステム全体の把握が大事。早い段階での検証が必要。

システム全体への影響、他の性能とのトレードオフ、どこまで最適化できる？

複雑なハイブリッドシステムだからこそ、机上で1Dシミュレーションによる検討・検証が重要

システム全体への影響は？走行性能・安全性能…どこまでの小型化が最適？

4

物事の「本質」を的確にとらえ、「機能」を見通しのよい形式でシンプルに表現すること

1D シミュレーションとは？

単純に空間的な1次元の意味ではなく･･･

例えば、物理系の場合、

システム設計に必要な物理的な振る舞いを抽出・再現 (抽象化)

車両

トランスミッション

制御器

エンジン

走行パターン

機械・電気・熱・流体などの複合領域の現象を表現しやすい

一般的に 3D に比べてシミュレーション負荷が小さい

詳細な形状・配置 (3D) 決定前の機能・性能検討が一つの使い所

5

本日のキーポイント

車両全体モデルの構築（ハードの仕様・諸元検討）

モデルを活用した走行モード制御ロジックの開発

燃費向上の検討（エネルギーマネジメント最適化）

6

1. 車両全体1Dモデリング

2. 走行モード制御ロジック開発への応用

3. 燃費最適化への応用

アジェンダ

7

システムの挙動は?

モデリングツール

パフォーマンスは?⇒システムレベルのモデルを構築

8

マルチドメインの物理対象をモデリングするには、

Simscape™が便利

™™ ™ ™ ™

9

Simscapeは、システムの構造を直観的に表現できる

Simulink® Simscape𝐹𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝑘𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔*(𝑧𝐶𝑎𝑟)

𝐹𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘 = 𝑏𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘*(𝑑𝑧𝐶𝑎𝑟

𝑑𝑡)

𝑑2𝑧𝐶𝑎𝑟𝑑𝑡2

=−𝐹𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 − 𝐹𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘

𝑚𝐶𝑎𝑟

10

𝐹𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝑘𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔*(𝑧𝐶𝑎𝑟 − 𝑧Wℎ𝑙)

𝐹𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘 = 𝑏𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘*(𝑑𝑧𝐶𝑎𝑟

𝑑𝑡−

𝑑𝑧𝑊ℎ𝑙

𝑑𝑡)

𝑑2𝑧𝐶𝑎𝑟𝑑𝑡2

=−𝐹𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 − 𝐹𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘

𝑚𝐶𝑎𝑟

𝐹𝑇𝑖𝑟𝑒 = 𝑘𝑇𝑖𝑟𝑒*(𝑧𝑊ℎ𝑙) + 𝑏𝑇𝑖𝑟𝑒*(𝑑𝑧𝐶𝑎𝑟

𝑑𝑡)

𝑑2𝑧𝑊ℎ𝑙

𝑑𝑡2=𝐹𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔 + 𝐹𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘 − 𝐹𝑇𝑖𝑟𝑒

𝑚𝐶𝑎𝑟

Simscapeは、システムの変更や拡張を柔軟に対応できる

Simulink Simscape

11

Simscape製品群

12

モデリングツール

システムレベルのモデル

13

電気システムプラントモデル用途/目的別に詳細度の異なるライブラリ開発

バッテリー (抽象)• SimPowerSystems• 内部抵抗を含んだ

充電依存ソース

バッテリー(詳細)• Simscape• 熱とSOC依存性を含

んだRC等価回路

14

電気システムプラントモデル用途/目的別に詳細度の異なるライブラリ開発

モータ/インバーター(抽象)• SimElectronics• サーボモータブロック• 最大トルク/速度曲線

効率マップ

モータ/インバーター(詳細)• SimPowerSystems• PMSM ブロック（３

相）• IGBTブリッジ（スイッチ

ングダイナミックス）

[3]

15

抽象モデルと詳細モデルのシミュレーション結果比較

-500

0

500

1000

1500Chirp

roto

r_velo

city_rp

m

0

200

400

600

<V

olt

ag

e>

0

50

100

150

200

<C

urren

t>

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-200

0

200

400

600

<ele

ctro

magn

etic

_to

rq

ue>

Measured vs. Simulated Responses

Time (sec)

Am

plitu

de

電圧

電流

ローター速度

電磁トルク

時間(s)

― 抽象モデル― 詳細モデル

機械系では電気系の詳細度を変えてもほぼ同じ結果

電気系では高詳細度モデルでPWM動作による高調波が可視化

計算時間

モデル詳細度

16

可視化したい現象に基づき詳細度を選択

今回、燃費最適化のため、繰り返しシミュレーションが必要なので、実行速度の速い抽象モデルを使用。

プラント(制御対象) 精度 パラメータ 計算速度

抽象モデル

定常特性 少 速

詳細モデル

過渡特性 多 遅

17

熱システムプラントモデル

クーリングシステム• Simscape 熱流体ライブラリ

• モーター、ジェネレーター、バッテリー

• 熱伝導と熱伝達

18

エンジンモデル

• Model Based Calibration Toolbox• 高精度なエンジン統計モデル• 最適なキャリブレーションテーブルを生成

19

車両モデル

パワートレイン• Simscape Driveline• 車両進行方向の車両ダイナミ

クス• タイヤ（マジックフォーミュラ）• 摩擦ブレーキ• デファレンシャルギア/ ギア• ドグクラッチ

20

物理ドメインごとに異なる計算周期を設定

• マルチレートシステムのシミュレーション• 計算の効率化• リアルタイムハードウェア（マルチコア）で使用可能

10 ms

100 ms

1 ms

21

1. 車両全体1Dモデリング

2. 走行モード制御ロジック開発への応用

3. 燃費最適化への応用

アジェンダ

22

ドライブサイクルとドライバーモデル

ドライブサイクル– 複数都市/クルーズサイクル

– US06 , FTP75

ドライバーモデル– アクセル/ブレーキペダル：

参照値追従のPI制御

– Stateflow®で制御状態を

直観的に表現

(停止、加速、減速)

23

マルチモード制御

Mode Control

EngineEV

遷移条件

SHEV

24

マルチモード制御例

Mode Control

Off

Engine Drive

(Power Split w/ Motor)

Eng=1

Eng=1

Engine Control

Start

SHEV

(Speed

Control)

EngineSHEVEV

Off

Speed Match

(Close Clutch = Speeds Matched)

Eng=1

Generator Control

Start

SHEV

(Torque

Control)

Wait for

Clutch

Clutch=1

25

1. 車両全体1Dモデリング

2. 走行モード制御ロジック開発への応用

3. 燃費最適化への応用

アジェンダ

26

マルチモード制御の最適化

モード間の境界は、エネルギー消費量に大きな影響を与える

最適な境界形状は？

27

最適化を行うための必要条件

ドライブサイクル– 0-60 と US06の組み合わせ

モデル– プラント、ドライバー、コントロール

– 入力変数、目的出力

最適化アルゴリズム– 遺伝的アルゴリズム

28

最適化問題の定義

プラントの内部制約を満たしつつ、燃費を最適化

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Vehicle Speed [kph]

Re

qu

este

d T

rac

tive

Fo

rce [

N]

EV SHEV

Engine / Power Split

29

遺伝的アルゴリズムとは?

進化生物学の概念を使用

目的関数に対してテストされている候補ソリューションの初期世代から開始

その後の世代は、選択、交叉と突然変異を経て初期世代から進化

長所 大域的に解を探すことが得意

短所 計算負荷が高い

Global Optimization Toolbox™

30

最適化プロセスの高速化Parallel Computing Toolbox™

複数シミュレーションの並列実行– 複数のコア/プロセッサで

複数のシミュレーションを並列実行

– トータルのシミュレーション実行時間の

大幅な短縮

– MATLAB Distributed

Computing Serverによる

コンピュータクラスタを

用いた並列処理 …

Computer Cluster

Workers

… …シミュレーションの並列実行による

テストプロセスの高速化

Desktop System

Workers

… …

Simulation 1

Simulation 2

for parfor

HEV Model

31

初期世代の生成

-1 0 10 20 400 5 102 4 6 810 20 30 40

-1

0

1

0

20

40

0

5

10

2

4

6

8

10

20

30

40 1.00

0.01

-0.02

-0.00

0.03

0.01

1.00

-0.00

-0.02

-0.00

-0.02

-0.00

1.00

0.01

0.05

-0.00

-0.02

0.01

1.00

-0.00

0.03

-0.00

0.05

-0.00

1.00

32

世代の進化

20 40 60 80 100 120 140 160 18020

25

30

35

Population [-]

MP

Ge

33

US06モードでの燃費最適化

0 5 10 15 20 2530

31

32

33

34

MP

Ge

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

0 5 10 15 20 250

5

10

15

Generation0 5 10 15 20 25

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

Generation

34

HEV 並列計算のスケーリング

ノートPC/デスクトップ

– 簡単

– 計算規模に制限あり

40 コアのインテルシステム

– 簡単、高速

– 高価

Amazon EC2

– 高速、オンデマンド

– 低価格

– 適用フェースが早い

http://www.mathworks.com/discovery/matlab-ec2.html

35

最適化結果

燃費は13.14km/L から 14.37km/Lを改善 (+9.4%)

計算時間は27日から0.5日に

0 50 100 1500

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Vehicle Speed [kph]

Re

qu

este

d T

rac

tive

Fo

rce [

N]

EV SHEV

Engine / Power Split

Nominal Optimized

0 50 100 1500

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Vehicle Speed [kph]

Re

qu

este

d T

rac

tive

Fo

rce [

N]

EV

SHEV

Engine /Power Split

36

まとめ

物理モデリングツールによる車両全体モデルの直観的な構築

モデルを活用した走行モード制御ロジックの開発

車両全体シミュレーションによる燃費の最適化

SimscapeSimscape PowerSystemsSimscape ElectronicsSimscape Driveline

Stateflow

Global Optimization ToolboxParallel Computing Toolbox

37

その他の適用事例

パワーショベル

冷却/空調サイクル

パワーウィンドウ

デュアル・クラッチ・トランスミッション

パワーステアリング

38

もう少し深く知りたい方に向けの情報

製品名物理モデリング

領域概要説明

ショートムービー基本操作

チュートリアルブロックリスト

機能紹介Webページ

Simscape™マルチドメインの基本環境

Simscape Power Systems™

(旧 SimPowerSystems™)パワエレ/電力系統

Simscape Electronics™

(旧 SimElectronics®)メカトロ/電子回路

Simscape Fluids™

(旧 SimHydraulics®)

油圧回路（1D）

Simscape Multibody™

(旧 SimMechanics™)

メカ（3D）

Simscape Driveline™

(旧 SimDriveline™)

動力伝達装置（1D）

マス・バネ・ダンパ

誘導モータ駆動装置

DCモータ駆動装置

油圧駆動機構

単振り子

車両

2:16

2:26

2:03

1:49

1:50

1:57

39

トレーニング・コンサルティング サービス

トレーニング サービス 定期 トレーニング；

東京、名古屋、大阪にて定期開催

基礎コース（11）、応用コース（11）、

専門コース（4）を ご提供

オンサイト トレーニング； お客様サイトにて開催

ご要望に応じて３つのレベルでカリキュラムのカスタマイズが可能

コンサルティング サービス カスタム“Jumpstart”；

顧客モデルをベースにした短期集中型ツール導入サポート

Advisory Service； 顧客Project に合わせた中長期アドバイザリサービス

投資 効果

投資対効果の最大化

40

技術トレーニングサービスについて

習熟度合わせてコースを選択いただくことで無理なくスキルアップを図れます

(e.g. 制御システムエンジニア向けトレーニング)

Programming Xilinx Zynq SoCs with MATLAB and Simulink

Simulink モデルの管理

Embedded Coder による量産向けコード生成

MATLAB/Simulink によるモデルベース開発

MATLAB と Simulink による制御設計

Simscape によるマルチドメインシステムの物理モデリング

SimPowerSystemsによる電力系統の物理モデリング

Simulink モデルの検証と妥当性確認

MATLAB 基礎

Simulink 基礎

Stateflow基礎

リアルタイム コードの生成およびテストの基礎

専門

応用

基礎

41

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Li.Zhang@mathworks.co.jp