Development of an Electrical Power Grid Simulation Environment for Commercial Vehicles

Abstract

Este trabalho consiste no desenvolvimento de um ambiente de simulação da rede elétrica para veículos comerciais na empresa Adam Opel GmbH. A empresa projeta, monta e distribui veículos ligeiros e de carga para África, Ásia, Europa e América do Sul. O trabalho foi desenvolvido no departamento de Electric Power System & Controls Integration da Adam Opel GmbH. O presente trabalho amplia as atividades e os resultados obtidos durante o período

de estágio na empresa. Durante o estágio, análise, otimização e novas implemen- tações foram realizadas na ferramenta de balanceamento de carga (CHABAL). O ob- jetivo da ferramenta CHABAL é simular as cargas e descargas nas baterias do veículo

em diversas condições de condução e uso de consumidores de energia elétrica. Observou- se no estágio a dificuldade de adicionar melhorias e novos sistemas na ferramenta

CHABAL devido à forma como os modelos estão conectados. No presente trabalho,

foi criada uma ferramenta mais ampla e modular com o objetivo de deixar uma in- teração mais transparente entre os modelos utilizados, além de incluir características

mais realistas nas simulações.

O novo ambiente de simulação desenvolvido permite a análise de respostas tran- sitórias na rede de energia elétrica, resposta do veículo usando componentes eletro- mecânicos, otimização de controles, consumo de combustível e emissões de polu- entes. Em cada um desses casos, o usuário precisa de um modelo correspondente.

O ambiente de simulação foi projetado para que os engenheiros busquem o modelo desejado em um banco de dados e o conecte ao ambiente de simulação. A ferramenta desenvolvida é compatível com a Function Mock-up Interface (FMI) e o pacote de software CarMaker da IPG Automotive. Com o CarMaker e o FMI, a ferramenta possui mais capacidade para a integração do modelos e permite que o usuario cire ambientes de simulações mais reais. Essas compatibilidades permitem que o ambiente de simulação crie cenários de teste mais proximos do mundo real que incluam complexas interações entre os componentes e o meio envolvente. Os resultados obtidos mostraram que a ferramenta projetada e implementada no presente trabalho é capaz de simular situações de condução mais realistas do que as ferramentas anteriores propostas na empresa. O ambiente de simulação de rede de energia elétrica aqui desenvolvido permite que os engenheiros da empresa conectem

modelos de forma mais transparente nas simulações, identifiquem problemas nos es- tágios iniciais do projeto do veículo e melhorem a qualidade dos vários subsistemas

que compõem um veículo comercial.

This work consists in the development of an electrical power grid simulation en- vironment for commercial vehicles in the company Adam Opel GmbH. The company

designs, assembles and distributes light and cargo vehicles to Africa, Asia, Europe and South America. The work was developed in the Electric Power System & Controls Integration department of Adam Opel GmbH. The present work extends the activities and results obtained in a prior internship

period in the company. During the internship, analysis, optimization and new imple- mentations were performed in the charge balancing tool (CHABAL). The purpose of

the CHABAL tool is to simulate the charges and discharges in the vehicle’s batteries on various driving conditions and use of electrical energy consumers. It was noted in the internship the difficulty of adding improvements and new systems in the CHABAL tool due to the way the models are connected. In the present work, a broader and

more modular tool was created with the aim of archiving a more transparent interac- tion between the models used as well as of including more realistic features in the

simulations. The new developed simulation environment allows analysis of transient responses in the electrical power grid, vehicle response using electro-mechanical components,

optimization of controls, fuel consumption and pollutants emissions for offline simula- tions. In each of these cases, the user needs a corresponding model. The simulation

environment was designed so that the engineers searches for the desired model in the database and connects it to the simulation environment in a user-friendly manner.

The developed simulation environment was developed in Matlab/Simulink environ- ment and integrates with the independent standard Functional Mock-up Interface (FMI)

and the CarMaker software package from IPG Automotive. With CarMaker and FMI

the tool has more capability for model integration and allows the user to create an ac- curately real-world test scenarios including the entire surrounding environment. Such

compatibility allows for the tool to easily integrate different models as well as for the user to create accurate real world test scenarios that include complex interactions with the surroundings environment. The results obtained have shown that the tool designed and implemented in the present work is capable of simulating more realistic driving situations than previous tools proposed in the company. The electrical power grid simulation environment here

developed allows for the engineers in the company to connect models more transpar- ently in the simulations, identify problems in the early stages of vehicle design and

improve the quality of the various subsystems that compose a commercial vehicle.