ELEKTRIFICATIE Modelgebaseerd ontwerp MathWorks vergemakkelijkt de ontwikkeling van batterijbeheersystemen

MODELGEBASEERD ONTWERP VERGEMAKKELIJKT DE ONTWIKKELING VAN BATTERIJBEHEERSYSTEMEN

VOLLEDIG OPGELADEN VOOR DE ELEKTRIFICATIE-TREND

Elektrificatie van voertuigen en andere mobiele apparatuur is afhankelijk van de beschikbaarheid op grote schaal van oplaadbare batterijen met goede prestaties, betrouwbaarheid en veiligheid. Het bewaken en controleren van de conditie van de accu is daarom van cruciaal belang. De ontwikkeling van de vereiste batterijmanagementsystemen (BMS) is gebaat bij Model-Based Design. Daarom blijft MathWorks, die al vroeg insprong op de elektrificatietrend, toonaangevende oplossingen bouwen voor BMS.

Het besturen en bewaken van batterijsystemen is een perfecte toepassing voor MathWorks, stellen Javier Gazzarri, Mohamed Anas en Marcel Stakenborg. MathWorks uitgebreide set van oplossingen voor batterijmanagementsystemen is het logische gevolg van de manier waarop het zijn r&d heeft georganiseerd. ‘We onderhouden nauwe relaties met oem’ers en leveranciers en herkennen trends in een vroeg stadium. Op die manier hebben we de opkomende elektrificatie van auto’s en andere voertuigen en apparaten tien jaar geleden al gespot.’ Elektrificatie van voertuigen en andere mobiele apparatuur vereist oplaadbare batterijen voor de opslag van elektrische energie en BMS-systemen voor de besturing van deze batterijen. ‘Hier zijn efficiëntie, kosten en betrouwbaarheid de belangrijkste thema’s, waarop bedrijven steeds sneller moeten innoveren. Om op dit gebied te vernieuwen, zijn zowel batterijproducenten als batterijgebruikers afhankelijk van twee belangrijke activiteiten: experimenteren met nieuwe batterijchemicaliën en de ontwikkeling van algoritmen voor prestatieverbetering. Algoritmeontwikkeling is core business bij MathWorks. Onze focus op BMS is dus heel natuurlijk gegaan. Vele jaren geleden zagen we een enorm potentieel in de markt voor modellerings- en simulatietools om de elektrificatietrend te ondersteunen,’ aldus Mohamed Anas. ‘De grootste elektrificatie-uitdagingen die we tegenkomen in de Nederlandse industrie waaronder de machinebouw, automotive, spoorwegen, offshore en communicatie, draaien om goedkopere elektriciteit en opslag. Engineers vertrouwen op het BMS om de prestaties van hun batterijen te monitoren en te optimaliseren, om de interne staat in te schatten en om te voorspellen hoeveel energie er nog over is. In een elektrische auto heb je bijvoorbeeld de accu, de motor en de vermogenselektronica om ze met elkaar te verbinden. Wij bieden softwareoplossingen voor het modelleren en simuleren van deze componenten afzonderlijk en als onderdeel van een systeem, waardoor de ontwikkeling en optimalisatie van gesloten-lusalgoritmen mogelijk wordt.’

STATE OF CHARGE

Een van de MathWorks-experts op dit gebied, in dienst sinds 2011 en gevestigd in de VS, is Javier Gazzarri, consulting application engineer voor elektrificatie en BMS. ‘We richten ons zowel op batterijproducenten als op -gebruikers. Een typische vraag van een batterijgebruiker is: “Ik heb de behoefte om dit apparaat of voertuig te elektrificeren, het moet zo en zo lang meegaan, met deze gewichts- en volumebeperkingen. Nu moet ik ervoor zorgen dat de batterij dit soort prestaties levert en dat een bepaald prestatieniveau na al die jaren gegarandeerd is.” Dit is een typische situatie voor het Model-Based Design van een batterij en het beheer ervan. Wij leveren software om modellen van batterijpakketten te maken en het gebruik ervan te simuleren. Het inschatten van de state of charge (SOC) is bijvoorbeeld veel ingewikkelder dan het meten van het brandstofpeil in een conventioneel voertuig, omdat je de lading van een batterij niet rechtstreeks kunt meten. Je meet grootheden als spanning, stroom en temperatuur en combineert die met een model van de batterij om de SOC te schatten. Aan de hand van modellen en simulaties kan de grootte van de batterij worden bepaald die aan de eisen voldoet, en kan worden bepaald welk warmtebeheersysteem nodig is in verband met de warmteafvoer door het pakket. De batterij moet zich goed gedragen bij een specifiek niveau van stromen, spanningen en temperaturen. Hier is de informatie die modellering en simulatie opleveren van cruciaal belang voor het BMS-ontwerp.’

Javier Gazzarri, consulting application engineer voor elektrificatie en BMS: ‘We richten ons zowel op batterijproducenten als op -gebruikers.’ Foto’s: Mathworks

DRIJFVEREN

Prestaties, duurzaamheid en veiligheid zijn volgens Gazzarri de belangrijkste drijfveren voor technologieontwikkeling op dit gebied. ‘Voor elektrische voertuigen bijvoorbeeld wil iedereen deze op hetzelfde niveau hebben als voor conventionele voertuigen. Veiligheid is uiteraard van het grootste belang. Daartoe moet het BMS ervoor zorgen dat de accu niet overladen of te ver ontladen wordt en dat het de accutemperatuur binnen de door de fabrikant gespecificeerde grenzen houdt. Bovendien verdeelt het de lading over het accupakket en maakt het schattingen van de ladingstoestand en de gezondheidstoestand. Ten slotte maken de kosten van de accu een belangrijk deel uit van de totale kosten van het voertuig, zodat er veel moeite wordt gedaan om de kosten te drukken en te werken aan de materiaalwetenschap en de fabricage.’

ACCU GEEN KNELPUNT

Voorheen leek de accutechnologie een knelpunt in de elektrificatietrend, met problemen zoals de ‘actieradiusangst’ van bestuurders die niet zeker wisten of ze het volgende oplaadstation wel konden bereiken voordat de accu leeg was. Dat is niet langer het geval, zegt Gazzarri. ‘De actieradius wordt steeds groter en voldoet in de meeste gevallen. Een van de moeilijkste kwesties om aan te pakken is echter de degradatie van accu’s; er wordt veel moeite gedaan om dit fenomeen te begrijpen.’ Gevraagd naar de barrières voor elektrificatie, noemden klanten twee dingen, voegt

Anas toe. ‘Ten eerste zijn er problemen met de toeleveringsketen voor systemen en componenten, wat in lijn is met de algemene situatie in de industrie. En ten tweede is er de benodigde infrastructuur, de mogelijkheid om op het elektriciteitsnet aan te sluiten. Er kan een mismatch zijn met het oude netwerksysteem; dit is een uitdaging voor veel klanten.’

termen van spanning, stroom en temperatuur: dat zijn de enige metingen die je in een echt systeem kunt doen.’ Gegevens over deze grootheden worden gebruikt om modellen te ontwikkelen in termen van equivalent-circuit beschrijvingen met parameters zoals open-circuitspanning, inwendige weerstand en capaciteit. ‘Dit verschaft ons enige kennis over de batterij in kwestie – we noemen het fingerprinting van de batterij. We zouden ons model dus geen black box noemen, maar eerder classificeren als een grey box. Daarnaast moeten we ook bijhouden hoe deze parameters veranderen met het aantal cycli en de leeftijd van de batterij.’ Anas: ‘Een volgende stap in het verder ontwikkelen van de modellen is het introduceren van de elektrochemische effecten, bijvoorbeeld door gereduceerde-orde ‘DE ACTIERADIUS WORDT modellering uit elektroche mische batterijmodellen.’ STEEDS GROTER EN VOLDOET IN DE MEESTE GEVALLEN’ END-TO-END OPLOSSINGEN MathWorks heeft in de loop der jaren de ontwikkeling van BMS’s gedemonstreerd met behulp van Model-Based Design. MATLAB en Simulink modellering en simulatiemogelijkheden, gecombineerd met Stateflow® en Simscape-functionaliteit, maken BMS-ontwikkeling mogelijk, inclusief single-cell equivalent circuit formulering en parameterisatie, elektronisch circuitontwerp, controlelogica, en automatische codegeneratie. Om het end-to-end aanbod compleet te maken, vergemakkelijken ze ook verificatie en validatie door real-time simuCHEMIE-AGNOSTISCH laties uit te voeren voor hardware-in-the-loop De meeste klanten gebruiken Li-ion batterijen, testen. Op basis van dit uitgebreide aanbod heeft weten Gazzarri en Anas. ‘Maar onze aanpak is MathWorks-klant NXP, een toonaangevende chemie-agnostisch’, zegt Gazzarri. ‘We modelleren leverancier van halfgeleiders, een set toolboxen de chemische reacties niet rechtstreeks en ver- gebouwd met BMS-ontwerpvoorbeelden, die eisen geen invoer van fysische parameters; in klanten kunnen gebruiken om eenvoudig te plaats daarvan stellen we een elektrothermische simuleren, code te genereren uit MATLAB, Simuanalogie voor die zich gedraagt zoals de accu in link en andere MathWorks-tools en in te zetten op NXP-processors. Voor de Nederlandse automotive start-up Lightyear, die een elektrische auto op zonne-energie heeft ontwikkeld met zonnepanelen op het dak, werd de software van MathWorks gebruikt om een BMS te ontwikkelen dat onder meer de zonne-energie naar de batterij regelt. De Belgische start-up Ellio gebruikte dezelfde mogelijkheden om een tweewielaangedreven e-bike te ontwikkelen. Bij de uitgebreide modellering van de aansturing van de elektromotor werd rekening gehouden met externe factoren zoals de aerodynamische weerstand en de helling van de weg.

‘Onze focus op batterijmanagementsystemen is dus heel natuurlijk gegaan. Vele jaren geleden zagen we een enorm potentieel in de markt voor modellerings- en simulatietools om de elektrificatietrend te ondersteunen,’ aldus Mohamed Anas.

SLIMME ALGORITMEN

In de huidige digitaliseringstrend heeft MathWorks kunstmatige intelligentie (AI), digital twins en cloud-referentiearchitecturen toegevoegd aan Model-Based Design. Dit geldt ook voor het terrein van BMS-ontwikkeling, stelt Anas. ‘In een batterij spelen veel processen tegelijkertijd en hun effecten op prestaties en degradatie zijn moeilijk te begrijpen vanuit de eerste principes. Dit is waar metingen van een echte batterij kunnen worden gebruikt om een AIalgoritme te trainen dat toestanden voorspelt. Op die manier is het AI-algoritme een veelbelovend middel om de leemten in de kennis op te vullen’, leggen Anas en Gazzarri uit. ‘Een goed voorbeeld hiervan is het inzicht in hoe bedrijfsen omgevingsomstandigheden de verouderingssnelheid beïnvloeden.’

Het besturen en bewaken van batterijsystemen is een perfecte toepassing voor MathWorks, stelt Marcel Stakenborg.

HOE TE BEGINNEN

Er valt dus veel te winnen bij het gebruik van Model-Based Design bij BMS-ontwikkeling. ‘Als we met onze klanten in de Benelux praten, zien we duidelijk dat ze op zoek zijn naar manieren om op de elektrificatietrend mee te bewegen’, concluderen Stakenborg en Anas. ‘Tegelijkertijd beseffen ze dat modellering en simulatie daarbij kritisch zijn voor hen. Daarom hebben we een evenement gepland in het vierde kwartaal van dit jaar, getiteld ‘Accelerating Electrification with Model-Based Design’.’

Voor meer achtergrond zie ook het interview met Mohamed Anas over de megatrend die elektrificatie is. Dat stond in de Link-special High-tech The Netherlands van april 2022.

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Mathworks.

MATHWORKS’ KRACHT

MathWorks is een toonaangevende ontwikkelaar van software voor data-analyse en Model-Based Design. MathWorks ondersteunt digitale engineering via zijn platforms, waarvan MATLAB®, Simulink® en Simscape™ het bekendst zijn. Ze vormen de basis voor het bouwen van een digital twin, die MathWorks definieert als een ‘evoluerende digitale representatie van een product, proces of systeem dat de status ervan berekent en informatie genereert’. Op deze manier kan, door geïntegreerd en systematisch gebruik van gegevens en modellen, de besluitvorming voor ontwerp en exploitatie gedurende de gehele levenscyclus worden ondersteund.