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MapleSim によるハイブリッド、電気自動車バッテリーの高精度物理モデル作成

近年、ハイブリット自動車(HEV)や電気自動車に対するニーズはますます高まりを見せています。こうした自動車の開発では、これまでの自動車開発とは比較にならないほどの複雑な技術が要求されます。なぜなら、電気自動車やHEV開発では、電気や機械、熱などの異なるエンジニアリング領域をひとつのシステムとして統合する必要があるためです。
また同時に、新デザインをより早く市場投入せよというプレッシャーは、これまで以上に強くなっています。こうしたことから、自動車業界では、システムの動作と物理的制約を同時にクリアするコンポーネントの挙動をより正確に記述することが可能な、数式ベースの物理モデリング技術への移行が進んでいます。数式ベースで開発したモデルは、精度や可読性、可変性が高く、またデザインのやり直しも素早く出来るため、実際のプロトタイプを制作するために必要とされる時間やコストを大幅に削減することが出来ます。

HEV や電気自動車のもっとも重要なコンポーネントのひとつは、バッテリーです。バッテリーモデルが正確で使いやすいことはシミュレーション上必要不可欠です。バッテリーモデルが優れていてはじめて、バッテリーそのもののふるまいと、他のコンポーネント特性を付加したバッテリーの物理的な相互作用をシステムモデル全体に反映させることが可能となります。HEV や電気自動車ではこのようにバッテリーが非常に重要な役割を果たすため、このふるまいを正確にシミュレーションすることは、効率的で効果的な開発には欠かせないものとなっています。

Dr. Thanh-Son DaoとAden Seaman氏は、数式ベースのモデリング・設計のために設立された研究機関、NSERC/Toyota/Maplesoft Industrial Researchのトップを勤めるDr. John McPheeとともに、バッテリーを含む、忠実性の高いHEV や電気自動車モデルの開発を進めています。彼らが選んだのはMapleSimでした。MapleSim の数式処理的アプローチは、hardware in the loop (HIL) テストに要求されるようなリアルタイムのスピードに対応した高速なシミュレーションモデルを開発するために、またこれまでのモデリングツールでは不可能な高い忠実度をもったモデルを作成するために、非常に効果的なためです。

Battery Electric Vehicle (BEV) モデル

MapleSimを利用し, Dr. McPheeとSeaman氏は、数式ベースのバッテリーパック一式のモデルを設計し、その後、シンプルなパワートレインコントローラーやモーター/ジェネレーター、 テライン、ドライブサイクルモデルなどをデザインしました。生成された方程式は数式処理的に簡単化され、その後、数値計算が行なわれ、シミュレーションされます。急な加速や緩やかな加速、また上り坂や下り坂での運転といった様々な運行状況がシミュレーションされました。シミュレーション結果は実際の状況に一致し、バッテリーと車体の動きに、密接な関係があることが示されました。このモデルは、より精緻なパワーコントローラーや、より複雑なモーター、テライン、ドライブサイクルモデルなどを含む、より包括的な自動車モデルの基礎となる予定です。

Hybrid-Electric Vehicle (HEV) モデル

Dr. McPhee, Dr. Dao, そしてSeaman氏は、HEVシリーズの、自動的に生成、最適化される方程式を含むマルチドメインモデルの開発に、MapleSimを利用しました。HEV モデルは、平均値内燃エンジンや化学ベースのNiMH バッテリーパックによって稼動するDCモーター、マルチボディの車両モデルなどから構成されており、開発されたHEV システムのパフォーマンスを確認するために、シミュレーションが行なわれました。MapleSim の、自動生成、最適化されるロスの少ない数式処理機能により、生成された方程式の数は激減し、これによりモデルは非常に計算効率の高いものとなりました。また、シミュレーション結果も、このモデルが現実的なものであることを示していたのです。このHEVモデルは、デザインや制御、そして異なる運転シナリオにおける車体操作パフォーマンスの予測などにも利用が可能です。また、感度解析やモデルリダクション、hardware-in-the-loop (HIL)解析のようなリアルタイムアプリケーションにも適用できます。

Dr. John McPheeは次のようにコメントしています。 “MapleSimの利用により、これらのモデル開発にかかる時間が劇的に減りました。また同時に、シミュレーションシステムそのものが、実際のシステムの物理現象に極めて近いものとなったのです。HEV や電気自動車のような複雑なシステムに取り組むためには、数式処理的なアプローチがベストであり、また唯一の実行可能なアプローチだと私たちは固く信じています。”

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