Duurzame voertuigconfiguraties sneller op de markt dankzij Modular Energy Management Strategy
De ontwikkeling van nieuwe duurzame aandrijfsystemen voor non-road mobile machinery, wegtransport en maritieme applicaties gaat gepaard met hoge R&D kosten en is complex door de grote verscheidenheid aan (voertuig-)configuraties en componenten. Met de Modular Energy Management Strategy (MEMS) biedt TNO ontwikkelaars en engineers een efficiënte en effectieve methode en softwaresuite waarmee de ontwikkelcomplexiteit beheersbaar blijft en de time to market korter wordt.
90% minder uitstoot broeikasgassen wegverkeer
De Europese Green Deal beoogt een verlaging van de uitstoot van broeikasgassen door het wegverkeer met 90% tegen 2050. Naast wegtransport moeten ook non-road en maritieme toepassingen, zoals bouw- en landbouwmaterieel, een forse CO2-reductie realiseren.
Om dit mogelijk te maken, zien we steeds meer verschillende aandrijfsystemen verschijnen: conventionele verbrandingsmotoren met een duurzame brandstof, batterij-elektrische oplossingen, brandstofcellen, en ook hybride-aandrijfsystemen. Elke toepassing heeft vaak een (iets) andere aandrijving voor een lage Total Cost of Ownership (TCO) en een hogere productiviteit.
Voorwaarde is wel dat deze voertuigen en aandrijfsystemen over een efficiënt energiemanagementsysteem beschikken om componenten als de verbrandingsmotor, elektromotor en batterij optimaal aan te sturen. De voertuigcontroller (VCU) bepaalt via een Energy Management Strategy-algoritme continu de optimale verdeling van gevraagde vermogens tussen de verbruikers en energiebronnen, afhankelijk van de inzet en omgevingscondities.
Tijdrovende R&D
Maar juist het ontwikkelen van dit soort energiemanagementsystemen voor elk voertuig, voor iedere toepassing, is door de veelheid aan aandrijf- en energiecomponenten een tijdrovend en kostbaar proces geworden.
Jan-Willem Sangers, Business Developer Sustainable Vehicles bij TNO: “Dat zie je vooral bij de ontwikkeling van non-road mobile machinery, zoals graafmachines, wielladers, en tractoren. Voor iedere taak is er een specifieke variant met een optimale configuratie voor die toepassing. Hierdoor zijn er binnen een product vaak heel veel verschillende configuraties, elk met een individuele combinatie van componenten. Het onderzoeken en bepalen van een optimale Energy Management Strategy voor iedere variant, in elke configuratie, legt een fors beslag op de R&D-capaciteit van een fabrikant”
TNO levert een bijdrage aan deze uitdaging met de ontwikkeling van een Modular Energy Management Strategy (MEMS). Paul Mentink, Senior Research Scientist Integrator Powertrains bij TNO: “Het is een compleet Vehicle Energy Management algoritme dat in principe voor elk type aandrijfsysteem het energy management kan verrichten en voor een optimale verdeling kan zorgen tussen energieverbruikers en energieopslag.”
MEMS in de praktijk
Traditioneel doorloopt een R&D-proces voor elke powertrain configuratie, oftewel topologie, steeds weer dezelfde stappen, legt Mentink uit. “Voor een nieuw product, zeg een tractor, begint dit proces met het inventariseren van de nieuwe componenten. Denk aan innovatieve batterijen, nieuwe elektrische machines en verbrandingsmotoren. Vervolgens worden de mogelijke topologieën bepaald: dit zijn de verschillende combinaties van componenten die we willen onderzoeken. Uiteindelijk resulteert dit in één topologie die aan alle eisen voor die specifieke toepassing voldoet.
Het unieke aan het MEMS-algoritme is de modulaire structuur. Hierdoor kunnen we in korte tijd heel veel verschillende combinaties vergelijken en doorrekenen. Het algoritme houdt voor iedere configuratie dezelfde structuur, waardoor we moeiteloos verschillende powertrain componenten kunnen uitwisselen en topologieën kunnen uitproberen. MEMS maakt een eerlijke vergelijking mogelijk tussen verschillende configuraties, doordat elke topologie wordt aangestuurd door een optimale regelaar.”
TNO heeft becijferd dat deze aanpak in de ontwikkelfase per topologie zo’n 20 procent tijdwinst oplevert ten opzichte van conventionele algoritmes. Bij meerdere configuraties en hergebruik van componenten is er nog een extra besparing, doordat componenten niet opnieuw gekalibreerd hoeven te worden.
Voordelen MEMS
Inmiddels heeft TNO verschillende ontwikkeltrajecten met materieelfabrikanten doorlopen, waaronder grote tractor- en graafmachinefabrikanten. Volgens Mentink zien partners een duidelijke meerwaarde in het modulariteitsaspect en de tijdwinst die het hen oplevert. “Hierdoor kun je sneller tot inzichten komen welke configuraties wel of niet bijdragen aan het gewenste resultaat, zodat je in korte tijd de juiste ontwikkelingsrichting kiest. Ook kunnen er meer exotische combinaties worden onderzocht, waardoor MEMS meer vrijheid biedt om tot nieuwe inzichten te komen.”
Ook zien partners de winst die te behalen is door toepassing van het algoritme in de applicatie zelf. “Tijdens het complete ontwikkeltraject werkt het voordeel van deze methode door: in de R&D-fase levert de methode tijdwinst op, in het voertuig zelf zorgt de methode voor efficiencywinst en betere prestaties.”
De focus van TNO met MEMS ligt op Non-Road Mobile Machinery (NRMM), dus tractoren, graafmachines, wielladers, kraanwagens, maar bijvoorbeeld ook enorme vrachtwagens voor de mijnbouw. Mentink: “NRMM-fabrikanten hebben ontzettend veel voertuig- en powertrainvariaties, dus materieel in alle soorten en maten. Daar is de complexiteit en de variatie het grootst en komt het modulariteitsaspect van MEMS het meest tot zijn recht.”
Toch kan MEMS ook voor on-road toepassingen interessant zijn. “Wetgeving voor vrachtwagens gaat vanaf 2030 ook eisen aan semi-trailers stellen om in combinatie met het trekkende voertuig een bijdrage te leveren aan de gezamenlijke CO2-reductie. Bijvoorbeeld door trailers te voorzien van een elektrisch aangedreven as. Naast de nu nog vaak dieselaangedreven trekker heb je dan ook een trailer met een aandrijfsysteem, die mechanisch en elektronisch zijn gekoppeld. Daarvoor is onze Energy Management Strategy ook interessant, zeker als er ook nog een koelmotor of zonnepanelen zijn geïnstalleerd.”
MEMS is inmiddels van een algoritme doorontwikkeld naar een complete softwaresuite waarmee TNO haar partners zelfstandig leert werken. Jan-Willem Sangers: “We zijn rond 2005 gestart met het ontwikkelen en valideren van de wiskundige formulering van MEMS, aanvankelijk voor één configuratie. Vervolgens hebben we daar een start-to-end methodiek omheen ontwikkeld om tot zo’n wiskundig model te kunnen komen. Daar hebben we een proces op gedefinieerd dat we ondersteunen met een complete softwaresuite, zodat onze partners dat proces probleemloos zelf kunnen doorlopen. Die suite breiden we voortdurend uit met allerlei nieuwe componenten die in de markt beschikbaar zijn. Denk aan de nieuwste elektromotoren, koelunits, of battery packs, maar ook thermische en hydraulische componenten. Door gebruik te maken van componenten uit de bibliotheek verloopt het ontwikkelproces nog sneller, doordat de klant kennis kan hergebruiken en configuraties parallel kan ontwikkelen.”
Ook een onsite introductiepresentatie en demonstratie?
TNO levert de Modular Energy Management-tool met een licentie aan de eindgebruiker. Paul Mentink: "Het algoritme is een open wiskundig model dat de klant uiteindelijk zelfstandig in zijn eigen engineering kan toepassen voor softwareontwikkeling en de applicatie ervan in het voertuig. Vooraf demonstreren we de meerwaarde van de tool en het algoritme in een benchmarkproject met de klant. Met simulaties tonen we bijvoorbeeld de prestatieverbeteringen ten opzichte van hun eigen algoritme."
"Tijdens een meerdaagse on-site workshop leert de klant om met onze methode en software zelfstandig te kunnen werken, om het vervolgens in het R&D-proces te kunnen integreren. Daarop volgen vaak meerdere projecten met de klant gericht op specifieke uitbreidingen of aanvullende ondersteuning voor andere applicaties."