Tradycyjny układ napędowy aut elektrycznych składa się z odrębnych elementów, tj. wysokonapięciowej baterii trakcyjnej z systemem zarządzania (BMS), elektroniki sterującej silnikiem oraz ładowarki pokładowej. Jak wyjaśnia Thomas Wenka, kierownik projektu w Porsche Engineering – trend w motoryzacji zmierza ku integracji komponentów, co pozwala zmniejszyć rozmiary, wagę, koszty, a także zwiększyć niezawodność i wydajność. W odpowiedzi na te potrzeby zespół niemieckiego koncernu opracował baterię trakcyjną AC (prądu przemiennego), łącząc funkcje BMS, falownika i ładowarki w jednym module.

Modularna architektura MMSPC

W ramach rozwoju tej technologii, inżynierowie podzielili baterię wysokonapięciową na 18 modułów, rozmieszczonych w trzech fazach. Dzięki zastosowaniu przełączników półprzewodnikowych możliwe jest indywidualne sterowanie każdym modułem. System, nazwany Modular Multilevel Series Parallel Converter (MMSPC), dynamicznie modeluje krzywą napięcia, przekształcając prąd stały (DC) z baterii trakcyjnej w trójfazowy prąd przemienny (AC) dla silnika. – MMSPC umożliwia zarówno zasilanie silnika podczas jazdy, jak i ładowanie baterii bezpośrednio z sieci AC – tłumaczy Daniel Simon, kierownik techniczny projektu.

Zalety techniczne: bezpieczeństwo i skalowalność

Rozwiązanie oferuje liczne korzyści. Przede wszystkim bezpieczeństwo, bo w przypadku awarii system wyłącza MMSPC, redukując napięcie do poziomu pojedynczego modułu. Uszkodzone ogniwa są wówczas omijane, co umożliwia awaryjny dojazd do warsztatu z ograniczoną mocą (tzw. limp-home mode). Kolejny element to skalowalność, gdyż nowa architektura ułatwia adaptację do różnych wariantów napędów. I wreszcie – szybsze ładowanie, np. impulsowe, zwiększające wydajność.

Platforma obliczeniowa w czasie rzeczywistym

Jak przekonują inżynierowie Porsche Engineering, kluczowym wyzwaniem było opracowanie jednostki sterującej o wysokiej mocy obliczeniowej. – Opóźnienie w przełączaniu modułów mogłoby uszkodzić baterię – podkreśla Simon. Rozwiązaniem okazała się heterogeniczna platforma wieloprocesorowa, łącząca układ FPGA (programowalna macierz bramek) – zapewniający kontrolę w czasie rzeczywistym oraz procesor wielordzeniowy przetwarzający duże ilości danych. – Takie podejście umożliwia dynamiczną rekonfigurację przez oprogramowanie, co jest niemożliwe w konwencjonalnych mikroprocesorach – dodaje Simon.

Testy i perspektywy wdrożenia

Prototypy z baterią AC i nową jednostką sterującą pomyślnie przeszły testy na stanowisku badawczym oraz w pojeździe. Platforma sterująca, zaprojektowana jako uniwersalna, może być adaptowana do innych zadań wymagających obliczeń w czasie rzeczywistym, np. systemów ADAS. – Obecnie planujemy wykorzystywać ją w prototypach, ale po modyfikacjach nadaje się także do produkcji seryjnej – podsumowuje Wenka.