The challenges within electric powertrain design are managing multiple physics, time scales and spatial scales. There are existing methods available in different industries for modeling individual functional blocks of the electric powertrain. In this thesis a system level model of an electric vehicle (EV) powertrain is developed by examining different modeling and simulation methods. The final applications of an electrified powertrain can be for instance tractors, dumpers, harvesters and passenger cars. The target of the study is to provide modeling methods for evaluating energy efficiency and the performance of an electric powertrain. We focus on modeling a system including the battery, electric machine and a load.
This Master’s thesis is done for EDR & Medeso oy’s Digital Electrification Laboratory (DEL) co-innovation project, which is a part of the e3Power project funded by Business Finland, that investigates the electrification of vehicles. The modeling and simulation are done in a digital platform using Ansys simulation software. Turku University of Applied Sciences eRallycross car project is used as a public reference for the modeling and simulation of the electric powertrain.
The thesis aims to divide the electric powertrain into functional blocks, analyze functional block models and to define generic functional block parameters for the implementation of a system representation. Developed models utilize actual physical measurements performed on the eRallycross car components. Electrical, thermal and mechanical performance of the electric powertrain is analyzed.
The study shows that it is possible to model and simulate a complex system that includes multiple physics and fidelities. The fidelity of each component model is adjustable and highly dependent of the input values available. Parameter ranges can be defined for individual component models. A main challenge of the study was the lack of component information from the manufacturers side.
The study represents the first trial of a development platform for modeling an electric powertrain on system level. During the DEL project the system model shall be further improved, so that the system model can enable reliability and efficiency improvements of existing electric powertrains, and structural or operational changes for future electric powertrain designs.Sähköisten voimansiirtoketjujen mallien haasteita ovat eri fysiikoiden, aika- ja tila-alueiden hallitseminen. Eri aloilla on vallitsevia menetelmiä yksittäisten sähköisten voimansiirtoketjujen komponenttien mallinnukseen. Tässä tutkimuksessa kehitetään järjestelmätason malli sähköisen ajoneuvon voimansiirtoketjusta tutkimalla eri mallinnus- ja simulointimenetelmiä. Sähköistetyn voimansiirtoketjun sovellusalue voi olla esimerkiksi traktorit, dumpperit, puimurit ja henkilöautot. Työn tavoite on tarjota mallinnusmenetelmiä sähköisen voimansiirtoketjun energiatehokkuuden ja suorituskyvyn arviointiin. Keskitymme mallintamaan järjestelmää, joka koostuu akustosta, sähkömoottorista ja kuormasta.
Tämä diplomityö tehdään EDR & Medeso oy:n Digital Electrification Laboratory (DEL) projektille, joka on osa Business Finlandin rahoittamaa ePower projektia, jossa tutkitaan ajoneuvojen sähköistymistä. Mallinnus ja simulointi suoritetaan digitaalisella alustalla käyttäen Ansys − simulointiohjelmistoa. Turun ammattikorkeakoulun eRallycross projektia käytetään julkisena viitteenä sähköisen voimansiirtoketjun mallinnuksissa ja simuloinneissa.
Tutkimus pyrkii jakamaan sähköisen voimansiirtoketjun komponenteiksi, analysoimaan komponenttien malleja ja määrittelemään geneerisiä komponenttien parametreja järjestelmän esityksen toteuttamiseen. Kehitetyt mallit hyödyntävät fyysisiä mittaustuloksia, jotka suoritetaan eRallycross auton komponenteille. Sähköisen voimansiirtoketjun sähköistä, termistä ja mekaanista suorituskykyä analysoidaan.
Tutkimus osoittaa, että on mahdollista mallintaa ja simuloida monimutkainen järjestelmä, joka sisältää useampaa fysiikkaa sekä tarkkuustasoa. Jokaisen komponenttimallin tarkkuustaso on säädettävissä ja riippuvainen saatavilla olevista sisäänmenoarvoista. Parametrien vaihteluvälit voidaan määritellä yksittäisille komponenttimalleille. Tutkimuksen eräs haaste oli komponenttitietojen puute valmistajien puolelta.
Tutkimus edustaa alustavaa suunnittelualustaa järjestelmätason sähköisen voimansiirtoketjun suunnitteluun. DEL projektin aikana järjestelmämallia parannetaan niin, että järjestelmämalli mahdollistaa parannuksia olemassa olevien sähköisten voimansiirtoketjujen luotettavuudessa ja tehokkuudessa, sekä rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia tulevilla sähköisillä voimansiirtoketjumalleilla.Hantering av multifysik, olika tids- och rumsskalor tillhör utmaningarna av planeringen av elektriska drivlinor. Inom olika industrier finns det metoder för modelleringen av komponenter som tillhör elektriska drivlinor. I denna forskning utvecklas en system modell av en elektrisk fordons drivlina genom att utforska olika metoder kring modellering och simulering. Tillämpningsområden för elektriska drivlinor kan vara till exempel traktorer, dumprar, skördare och personbilar. Målet med detta diplomarbete är att presentera modelleringsmetoder för validering av energieffektivitet och prestation av en elektrisk drivlina. Vi fokuserar på modellering av ett system som består av ett batteri, en elektrisk motor och en belastning.
Detta diplomarbete görs för EDR & Medeso ab:s Digital Electrification Laboratory (DEL) projekt, som tillhör Business Finlands finansierade e3Power projekt där elektrifiering av fordon utforskas. Modellering och simulering utförs på en virtuell platform av Ansys. Åbo yrkeshögskolans eRallycross projekt används som en offentlig referens för modelleringen och simuleringen av den elektriska drivlinan.
Arbetet strävar till att dela upp den elektriska drivlinan i komponenter, analysera komponenterna och identifiera generella parametrar för komponenterna för skapandet av en representation av systemet. Utvecklade modellerna utnyttjar fysiska mätningar som gjorts på eRallycross bilen. Elektriska, värme och mekaniska effekter av den elektriska drivlinan analyseras.
Arbetet visar att det är möjligt att modellera och simulera ett komplext system, som inkluderar flera fysikområden och noggranhetsnivåer. Noggranhetsnivån för varje komponentmodell kan justeras och den är beroende av tillgängliga inputvärden. Räckvidden för parametrarna kan defineras för individuella komponentmodeller. En av arbetets utmaningar var bristen på komponent information från tillverkarens sida.
Forskningen representerar ett basis av en utvecklingsplattform för modellering av en elektrisk drivlina på systemnivå. Under DEL projektet förbättras system modellen på så vis, att system modellen möjlighetgör förbättring av pålitlighet och effektivitet av elektriska drivlinor, och strukturella och funktionella förändringar för framtida modeller av elektriska drivlinor
