L'Université de Waterloo a développé une technologie de pile à combustible primée avec l'approche Model-Based Design
« Sans Simulink, je ne pense pas qu'il aurait été possible d'utiliser l'approche Model-Based Design de manière aussi extensive et de développer des spécifications exécutables au même niveau de détail. »
Challenge
Solution
Résultats
- Facilité de communication
- Gains de temps considérables lors de la phase de design
- Technologie innovante
Challenge X, une compétition parrainée par General Motors et le Département de l'Énergie américain, invite 17 équipes d'étudiants nord-américains à repenser le design d'un véhicule Chevrolet Equinox. L'objectif est de diminuer les émissions polluantes et la consommation de carburant, tout en préservant la performance et la sécurité du véhicule.
L'UWAFT (University of Waterloo Alternative Fuels Team) est arrivée en tête lors de la première année de la compétition prévue sur une durée de trois ans, avec son design de véhicule à pile à combustible. L'UWAFT a également remporté le prix « MathWorks Crossover to Model-Based Design » pour ses réalisations exceptionnelles en matière de création, de simulation et d'analyse de modèles pour le design de véhicules et le contrôle de sous-systèmes.
« Nous avons été la seule équipe à utiliser des piles à combustible dans le groupe motopropulseur », explique le professeur Roydon Fraser, conseiller pédagogique de l'UWAFT. « Les logiciels MathWorks pour l'approche Model-Based Design nous ont permis, non seulement de réduire le temps nécessaire pour prototyper et simuler nos designs de systèmes de véhicules, mais aussi d'établir la viabilité de la technologie des piles à combustible. »
Challenge
La première année du Challenge X est consacrée au design des véhicules. Les participants doivent utiliser l'approche Model-Based Design pour réaliser la phase de design et d'essai du groupe motopropulseur dans un délai de 10 mois, et doivent présenter cinq rapports majeurs.
L'équipe de l'Université de Waterloo recherchait un software de design qui lui permettrait d'utiliser l'approche Model-Based Design tout au long du projet, depuis la définition des besoins jusqu'à l'implémentation. Le software doit accélérer le développement de la stratégie de contrôle en facilitant la réutilisation des modèles. Il doit aussi être facile à apprendre et permettre aux membres de l'équipe de partager aisément leur travail.
Solution
« Les outils MathWorks nous ont permis de simuler différents groupes motopropulseurs, de développer des modèles de systèmes physiques précis, de tester des stratégies de contrôle et de valider le design global », explique Matthew Stevens, capitaine de l'UWAFT.
MathWorks a assuré la formation à MATLAB®, Simulink®, Stateflow® et PSAT, un programme de modélisation basé sur Simulink. « Disposer d'un produit dont la courbe d'apprentissage était rapide ou que les étudiants connaissaient déjà a été déterminant pour la réussite de l'équipe », explique M. Stevens. « Les outils MathWorks pouvaient être utilisés à plusieurs étapes du processus de design, minimisant ainsi le nombre de logiciels avec lesquels les étudiants devaient se familiariser. »
L'UWAFT a développé plus de 400 simulations PSAT pour comparer les carburants, les technologies et le dimensionnement des groupes motopropulseurs. Optimization Toolbox™ ainsi qu’un plan d'expériences sophistiqué leur ont permis de comprendre les relations entre la taille des composants et les performances du véhicule, puis de déterminer le groupe motopropulseur optimal.
Ils ont utilisé Simulink pour développer un modèle de système physique du système d'alimentation de la pile à combustible, qui comprend le moteur, la batterie, la pile à combustible et un convertisseur DC/DC.
MATLAB, Simulink, Stateflow et Control System Toolbox™ leur ont permis de développer la stratégie de contrôle hybride (HCS), qui détermine la quantité d'énergie provenant de la pile à combustible. MATLAB les a aidés à trouver la répartition optimale de la puissance entre la pile à combustible et la batterie au cours d'un cycle de conduite spécifique.
Le convertisseur DC/DC augmente la tension de la pile à combustible et contrôle sa puissance. Simscape Electrical™ a été utilisé pour modéliser le circuit, qui a été contrôlé par un contrôleur PI. L'équipe a analysé la réponse en fréquence et la stabilité du circuit en utilisant des diagrammes de Bode et des cartes pôle-zéro dans MATLAB. La simulation leur a permis de vérifier le bon fonctionnement du circuit, de déterminer son efficacité et de calculer les valeurs et les caractéristiques des inductances et autres composants.
Comme la pile à combustible s'allume et s'éteint, elle crée une fonction discontinue qu'il est difficile d'optimiser avec les méthodes traditionnelles. Pour trouver la référence de contrôle optimale, l'UWAFT a donc utilisé Global Optimization Toolbox, qui ne requiert pas que la fonction soit continue. Ils ont également utilisé Deep Learning Toolbox™ pour modéliser l'hydratation des membranes à l'intérieur de la pile à combustible.
L'équipe a utilisé Embedded Coder® pour cibler les contrôleurs de satellites de l'UWAFT dans tout le véhicule afin de réaliser un prototypage rapide avec un contrôleur embarqué.
Elle teste actuellement les composants du groupe motopropulseur, affine la stratégie de contrôle du véhicule, intègre la pile à combustible développée dans le véhicule et étudie les possibilités de réduction de poids.
« Nous aimerions vraiment utiliser d'autres produits MathWorks lors de la compétition et nous espérons en avoir l’opportunité dans le cadre de nos futures carrières, pour de nombreux autres projets », déclare M. Stevens.
Résultats
Facilité de communication. L'environnement MATLAB et Simulink a amélioré l'efficacité en permettant aux membres de l'équipe d'échanger facilement des astuces et des conseils et de s'envoyer par e-mail leurs modèles et leurs résultats pour des travaux ultérieurs.
Gain de temps considérable lors de la phase de design. « Simulink, en particulier, a permis à l'UWAFT d'utiliser l'approche Model-Based Design pour comparer quatre carburants différents, concevoir la pile à combustible d'un SUV ainsi qu’une stratégie de contrôle, tout cela en moins de 10 mois, temps de formation compris. C'est un exploit tout à fait incroyable », souligne M. Stevens. « Sans Simulink, il nous aurait probablement fallu jusqu'à la fin de la compétition de trois ans pour terminer le travail requis au cours de la seule première année ! »
Technologie innovante. « Nous estimons que notre produit final sera le premier véhicule à pile à combustible conçu par des étudiants à offrir des performances compétitives par rapport aux véhicules d'aujourd’hui, tout en répondant aux besoins futurs en matière de kilométrage et d'efficacité », déclare M. Stevens.
