Renault zjednodušuje vývoj budoucích hybridních a elektrických vozidel pomocí Simcenteru Amesim

Složitost vývoje hybridních vozidel

Snížení emisí CO2 je věčný úkol. Všechny země mají společné limity, které budou od roku 2026 vynuceny zákony. Kvůli novým normám emisí CO2 je dnes elektrifikace vozidel nutností a vývoj hybridních vozidel se tak výrazně zrychlil.

Hybridní pohony jsou mnohem složitější než u pohony vozidel s jedním zdrojem energie (například konvenčních nebo elektrických vozidel), protože existuje celá řada možných kombinací architektur. U paralelních hybridních vozidel lze například pohonné jednotky kombinovat nebo používat nezávisle. U sériových hybridních vozů je pohon zajištěn elektromotorem, ale elektrická energie pochází z jiného zdroje ve vozidle, například ze spalovacího motoru.

Vzhledem k víceoborové povaze hybridních pohonů musí inženýři vyvážit výkon poskytovaný každým ze zdrojů energie, studovat vliv dalších systémových parametrů (například převodovky a chladicích systémů) na výkonnost vozidla a validovat optimální možnosti. Tyto úkoly vyžadují ověření celé řady kombinací a inženýři musí podrobně zpracovat příslušné strategie řízení.

Protože je třeba neustále rychle vyhodnocovat různé architektury hybridních pohonů a vybírat ty nejefektivnější, porovnávat charakteristiky komponent a vyhodnocovat jejich výkonnost v rámci různých jízdních vzorů. Návrh hybridních pohonů vyžaduje správu v celé řadě oborů a zahrnuje v různých fázích návrhu spolupráci různých odborníků – systémových architektů, projektových manažerů a aplikačních specialistů. Inovace vyžadují, aby tito odborníci dokázali řešit složitost a řídit rizika. Správa složitosti výrobků – tedy složitost procesů používaných k tvorbě výrobků a složitost interakcí mezi všemi lidmi zapojenými do vývoje a dodání těchto výrobků – vyvolává následující otázku: Jak do této složitosti vnést opět jednoduchost a dodávat vysoce kvalitní výrobky včas a s rozumnými náklady?

Provádění technologických rozhodnutí v raných fázích návrhu

Renault-Nissan se neustále snaží zavádět inovace a dodávat zákazníkům ekologické automobily za rozumnou cenu. Skupina Renault-Nissan Alliance Group se zavázala snižovat ekologický dopad svých činností a výrobků během celého životního cyklu od návrhu až po recyklaci. Tato aliance drží s plně elektrickými vozidly Renault Zoe a Nissan Leaf v současnosti 70 procentní podíl na trhu s elektromobily a snaží se tento podíl ještě zvětšit vývojem pokročilých hybridních architektur.

Prvním krokem je koncept vozidla Eolab. Eolab je kompaktní a dostupný hybridní automobil s extrémně nízkou spotřebou paliva a nulovými emisemi při cestách kratších než 60 kilometrů při rychlostech pod 120 kilometrů za hodinu. Tato „bezemisní“ hybridní technologie během několika let rozšíří nabídku elektromobilů společnosti Renault.

Aby bylo možné tuto technologii rozvíjet i v budoucnu, implementuje nyní aliance Renault-Nissan specializované nástroje a metodologie. Tato společnost založila oddělení testování a digitálního inženýringu, které zajišťuje vhodné CAE metody a numerické modely umožňující inovace v rámci budoucích projektů. Jeden 12členný tým tohoto oddělení se zaměřuje na zjednodušení práce inženýrů mechatronických systémů. Požadavky inženýrů byly jasné: chtěli platformu pro spolupráci, na níž by mohli hodnotit energetickou syntézu libovolné hybridní konfigurace a činit tak pomocí validačních smyček rozhodnutí již ve fázích předcházejících návrhu.

Inženýři musí být schopni rychle potvrdit splnění cílů v rámci spotřeby paliva, plánovat projekty a navrhovat velikost různých podsystémů. Potřebují tedy snadno použitelné víceoborové simulační prostředí, které jim umožní zjednodušit optimalizaci vybrané hybridní architektury. Tato aplikace bude odborníky využívána k úpravám a ostatními k rychlému testování různých kombinací parametrů. Kvůli těmto požadavkům vyvinula společnost Renault s pomocí nástrojů a odborníků na správu životního cyklu výrobku ze společnosti Siemens Digital Industries Software aplikaci pro simulaci energetické syntézy nazvanou GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy).

Platforma pro virtuální návrh a spolupráci

Platforma GREEN, která byla vyvinuta oddělením testování a digitálního inženýringu, obsahuje aplikačně specifické grafické uživatelské rozhraní (GUI) propojené se Simcenterem Amesim, prostředími MATLAB® a Simulink® a souborovým úložištěm aplikace Excel®. Tato aplikace inženýrům umožňuje rychle parametrizovat modely, spouštět simulace a zpracovávat výsledky. Obsahuje předpřipravený srozumitelný nástroj pro konfiguraci vozidel, který umožňuje výběr mezi více hybridními architekturami. Toto oddělení vyvinulo také obecnou architekturu modelu, která se skládá z „parametrizovatelných“ podsystémů, jež lze jednotlivě aktivovat a deaktivovat.

Tento obecný model byl vytvořen pomocí Simcenteru Amesim od společnosti Siemens Digital Industries Software. Simulink podporuje správu energií a vysokoúrovňové strategie řízení. Uživatelé mohou vytvářet hybridní vozidla s manuální, automatickou, robotizovanou nebo dvojspojkovou převodovkou, umístit motor na přední nebo zadní nápravu, před nebo za spojku atd. Po nastavení architektury lze určit velikost jednotlivých podsystémů – například 30kW nebo 50kW elektrický motor, 1,6 nebo 2L dieselový motor atd. Nastavit lze v podstatě libovolnou konfiguraci.

Inženýři následně mohou určovat a optimalizovat strategie řízení energie a určovat, kdy se má spouštět spalovací motor a kdy se má naopak aktivovat elektrický pohon. Díky možnostem pro definici architektury a výběr podsystémů umožňuje funkce aplikace GREEN pro postprocesing automaticky optimalizovat strategie správy energií podle vybrané mechatronické architektury a parametrů komponent.

Díky těmto funkcím mohou inženýři vybrat požadovanou architekturu, spravovat a vizualizovat parametry a různé scénáře v rámci jednoho integrovaného pracovního postupu, aniž by museli vytvářet strategii správy energie. Nové strategie správy a řízení energií mohou pokročilí uživatelé dle potřeby testovat z hlediska konkrétních požadavků.

Flexibilita a výkonnost aplikace GREEN umožňuje inženýrům nastavit a validovat architekturu, její vybrané podsystémy a pravidla řízení správy energií během několika hodin. Tato aplikace spojuje různé oblasti a inženýry zapojené na stejném projektu a umožňuje jim komunikovat a provádět rozhodnutí na jednom místě. „Aplikace GREEN postavená na Simcenteru Amesim má sjednocovat různé obory a různé systémové inženýry a umožňovat týmům, které spolu nikdy nepracovaly, aby si společně sedli, pobavili se o problémech a našli společné řešení,“ říká Eric Chauvelier, vedoucí pracoviště simulací hybridních a elektrických systémů v oddělení testování a digitálního inženýringu. Výsledkem využití této aplikace je zlepšení spotřeby paliva a energií, zvýšení výkonnosti, provozního rozsahu pohonu a řízení energií v rámci celého pohonu. Kromě toho lze pomocí tohoto nástroje snadno spravovat studie citlivosti, fyzikální charakteristiky a parametry řízení.

Síla Simcenteru Amesim

Nové GUI řešení GREEN bylo vyvinuto na základech Simcenteru Amesim. „Aplikace pro systémovou simulaci mechatronických systémů od společnosti Siemens Digital Industries Software umožňuje využít hotové, ale přizpůsobitelné, ověřené komponenty a sestavovat z nich architektury vozidel od podsystémů až po systémovou integraci,“ říká Chauvelier. „Simcenter Amesim je pružná, ale robustní, páteř. Její víceúrovňový přístup nabízí komponenty, které lze využít v libovolné fázi návrhu: od mapových komponent pro rané fáze až po podrobné modely a ovládání pro pokročilý inženýring při optimalizaci podsystémů a komponent. Díky tomuto víceoborovému základu umožňuje nejen modelování různých pohonných komponent, například elektrických motorů, spalovacích motorů a převodových systémů, ale umožňuje také optimalizovat různé další atributy, například spotřebu paliva, emise, výkonnost a jízdní vlastnosti.“

Společnost Renault při vývoji nástrojů aplikace GREEN úzce spolupracovala s inženýry společnosti Siemens Digital Industries Software. Dostupnost a odbornost tohoto týmu se ukázala být velmi důležitou a pomohla během vývoje aplikace vyřešit řadu kritických problémů. Inženýři technické podpory Simcenteru plně chápou problémy, které řeší jejich zákazníci, a jsou také odborníky na numerické simulační metody.

Simcenter Amesim byl vybrán také kvůli svému potenciálu, protože umožňuje další vývoj aplikace GREEN pro správu nových návrhových požadavků vozidel. Otevřenost Simcenteru Amesim umožňuje jednoduchý vývoj modelů, interakci s vestavěnými řídicími prvky a interakci s dalšími aplikacemi a modely.

Simcenter Amesim umožňuje provádět souběžné simulace v systémech MATLAB a Simulink, díky kterým mohou inženýři lépe vyhodnocovat výsledky a pomocí vestavěného kódu provádět interaktivní úpravy. Možnost vytvářet v rámci Simcenteru Amesim skripty v jazyce Python a ve vysokoúrovňovém jazyce systému MATLAB umožňuje inženýrům řídit zpracování zkoumání energetické syntézy (včetně dat, výpočtů, spouštění simulací, případů užití, analýz a syntézy), díky čemuž lze bez problémů pracovat i se složitými modely.

Flexibilita Simcenteru Amesim umožní další rozvoj aplikace GREEN, rozšíření analýz konvenčních pohonných jednotek a výzkum vztahu mezi spotřebou paliva a výkonností spolu s dalšími klíčovými atributy, například tepelným komfortem, sítí pro správu energií, jízdními vlastnostmi, emisemi atd.