Renault optimiza el desarrollo de vehículos híbridos y eléctricos con Simcenter Amesim

La complejidad del desarrollo de vehículos híbridos

Reducir las emisiones de CO2 es un reto constante. En este momento, es fundamental que todos los países se alineen al mismo nivel, lo que impondrán las regulaciones en este aspecto para el 2026. Para cumplir con los estándares de emisión de CO2, la electrificación de vehículos es esencial. El desarrollo de híbridos ha pasado a ser imprescindible para cualquier fabricante de coches.

Los motopropulsores híbridos son mucho más complejos que aquellos que tienen los vehículos con una única fuente de energía, como los coches eléctricos o convencionales. Esto se debe, sobre todo, a la multitud de combinaciones de arquitectura que pueden albergar. Por ejemplo, en los vehículos híbridos paralelos, las fuentes de propulsión pueden combinarse o utilizarse de manera independiente. En los de serie, la única propulsión se consigue a través de un motor eléctrico, pero la energía eléctrica proviene de una fuente integrada, como un motor de combustión.

Debido a la naturaleza interdisciplinar de los motopropulsores híbridos, los ingenieros deben equilibrar la potencia de cada fuente energética, estudiar el impacto de otros sistemas (como los de transmisión o refrigeración) en el rendimiento energético del vehículo, y validar otras opciones óptimas. Estas tareas conllevan la investigación de varias combinaciones y requieren estrategias de control detalladas por parte de los ingenieros.

Por lo tanto, existe una necesidad de evaluar rápidamente las distintas arquitecturas de motopropulsión híbridas y de seleccionar las más eficientes. Es imprescindible comparar las características de los componentes y su rendimiento frente a los patrones de conducción. El diseño de un motopropulsor híbrido requiere la gestión de varios dominios de física y supone la colaboración de varios expertos (arquitectos de sistema, gestores de proyecto y especialistas) durante las distintas etapas del ciclo de diseño. En definitiva, los expertos deben ser capaces de superar la complejidad y gestionar los riesgos para poder innovar. La gestión de la complejidad del producto, es decir, la complejidad de los procesos que se utilizan para crear estos productos y la de las interacciones entre las personas que están implicadas en el desarrollo de los mismos, plantea la siguiente cuestión: ¿Cómo puede reintroducir la simplicidad en esta complejidad y seguir ofreciendo productos de alta calidad a tiempo y a un coste razonable?

Toma de decisiones en cuanto a la tecnología en las primeras etapas de diseño

Como el cuarto fabricante de coches más grande del mundo, Renault-Nissan-Mitsubishi está motivado por la innovación y la diferenciación. Uno de sus principales diferenciadores es la capacidad de ofrecer vehículos respetuosos con el medio ambiente a un precio razonable. El grupo Renault-Nissan-Mitsubishi Alliance está comprometido a reducir el impacto medioambiental de sus actividades y productos en su ciclo de vida, desde el diseño al reciclaje. Se adjudica sobre el 70 % del mercado de vehículos eléctricos del mundo, con automóviles totalmente eléctricos como el Renault Zoe y el Nissan Leaf. Pretende ampliar su gama con el desarrollo de arquitecturas híbridas más avanzadas.

El Eolab es el primer paso. Compacto y económico, el Eolab es un híbrido enchufable de bajo consumo y cero emisiones con una autonomía de 60 kilómetros a una velocidad de hasta 120 kilómetros por hora. Esta tecnología híbrida de «cero emisiones» completará la oferta eléctrica de Renault en los próximos años.

Para desarrollar esta tecnología, el grupo Renault-Nissan-Mitsubishi Alliance está implementando herramientas y metodologías determinadas. Ha creado el departamento de ingeniería digital y test para proporcionar los métodos adecuados de ingeniería asistida por ordenador (CAE) y los modelos numéricos con el objetivo de impulsar la innovación en proyectos futuros. Con 12 trabajadores, un equipo de departamento se centra en simplificar el trabajo de los ingenieros de sistemas mecatrónicos. Los requisitos estaban claros: querían una plataforma de colaboración para evaluar la síntesis energética de cualquier configuración híbrida y para facilitar la toma de decisiones en la fase previa al diseño con bucles de validación.

Los ingenieros deben confirmar rápidamente los objetivos de consumo de combustible, planificar el proyecto y dimensionar los distintos subsistemas. Necesitan un entorno de simulación fácil de utilizar que permitirá simplificar la optimización de la arquitectura híbrida elegida. Expertos y no expertos en personalización utilizarán la plataforma para obtener pruebas rápidas de combinaciones de parámetros. Con la intención de satisfacer estas necesidades, Renault ha desarrollado una plataforma de simulación de síntesis energética denominada GREEN (del inglés Global and Rational Energy EfficieNcy). Para ello se ha ayudado de herramientas y personal del especialista en gestión del ciclo de vida del producto (PLM) Siemens Digital Industries Software.

Una plataforma de colaboración para el diseño virtual

Desarrollada por el departamento de ingeniería digital y test, la plataforma GREEN es una interfaz gráfica de usuario (GUI) específica para la aplicación y vinculada al software Simcenter Amesim, el entorno MATLAB®, Simulink® y el repositorio de hojas de cálculo Excel®. La plataforma permite a los ingenieros parametrizar rápidamente modelos, ejecutar simulaciones y posprocesar resultados. Incluye un configurador de vehículos híbridos predeterminado que posibilita a los usuarios la elección de varias arquitecturas híbridas. El departamento también ha desarrollado una arquitectura de modelo de planta genérica compuesta por subsistemas parametrizables que pueden ser activados o desactivados de manera individual.

Ese modelo de planta física se ha creado a través de Simcenter Amesim, de Siemens Digital Industries Software. Simulink es la herramienta que ofrece soporte a la gestión de energía y las estrategias de control. Los usuarios pueden crear vehículos híbridos con caja de cambios manual, automática, robotizada o de doble embrague, y ubicar el motor eléctrico en el eje frontal, lateral o cerca del embrague, entre otros lugares. Una vez que se ha configurado la arquitectura, se define el tamaño de los subsistemas. Por ejemplo, una máquina eléctrica de 30 kW o 50 kW, un motor diésel de 1, 6 o 2 l, etc. Se puede crear cualquier combinación.

A partir de ahí, los ingenieros pueden definir y optimizar la estrategia de control de energía, especificando en qué momento se enciende el motor, a qué nivel de par de torsión y cómo se pasa del motor eléctrico al térmico. Dada la definición de la arquitectura y la elección de subsistemas, la funcionalidad de posprocesamiento de la plataforma GREEN optimiza automáticamente las estrategias de gestión energética de acuerdo a la arquitectura mecatrónica y los parámetros de componentes seleccionados.

Con estas funcionalidades, seleccionan la arquitectura, gestionan y visualizan los parámetros y los distintos escenarios con un flujo de trabajo integrado, sin tener que crear la estrategia de gestión de la energía. Los usuarios más avanzados pueden probar estas estrategias a medida que surjan nuevas investigaciones.

La flexibilidad y potencia de la plataforma GREEN permite a los ingenieros definir y validar una arquitectura, sus subsistemas seleccionados y las leyes de control de gestión de la energía en cuestión de horas. La plataforma reúne varios dominios de experiencia e ingenieros de aplicaciones en un mismo proyecto. A través de un lenguaje común, facilita la comunicación y la toma de decisiones. «La plataforma GREEN de Simcenter Amesim tiene como objetivo unir diferentes dominios de experiencia e ingenieros de sistemas. Permite a los equipos que nunca han colaborado juntos comunicar sus problemas de ingeniería para tratar de buscar soluciones comunes», comenta Eric Chauvelier, mánager de simulación y método para sistemas eléctricos e híbridos en el departamento de ingeniería digital y test. Los resultados que ofrece la plataforma son: consumo de energía y combustible, rendimiento, puntos de funcionamiento de la motopropulsión y flujo energético a través del sistema de transmisión. Además, los estudios de sensibilidad en características físicas o parámetros de control se pueden gestionar fácilmente con esta herramienta.

La utilidad de Simcenter Amesim

La nueva interfaz gráfica de usuario de la solución GREEN se ha desarrollado sobre Simcenter Amesim. «La plataforma de simulación de sistemas mecatrónicos de Siemens Digital Industries Software pone a su disposición componentes validados y personalizados para crear arquitecturas de vehículos completas, desde subsistemas hasta la integración de sistemas», añade Chauvelier. «Simcenter Amesim es un pilar flexible pero sólido a la vez. Su enfoque a varios niveles ofrece componentes que se adaptan a cada una de las etapas de diseño: desde un plan para la definición de la arquitectura hasta modelos más detallados para la ingeniería avanzada. El objetivo es el de optimizar subsistemas y componentes. Gracias a su naturaleza, no solo permite el modelado de varios componentes de tracción como los motores eléctricos, de combustión o los sistemas de transmisión sino también el equilibrio entre los distintos atributos del vehículo como el consumo de combustible, las emisiones, el rendimiento y la conducción.»

Renault ha confiado en los ingenieros de Siemens Digital Industries Software para el desarrollo de las herramientas GREEN. Tanto la disponibilidad como la experiencia del equipo se han mostrado muy valiosas para el fabricante de coches. De esta manera, han resuelto los problemas que se planteaban durante el desarrollo de la plataforma. Los ingenieros de Simcenter entienden los retos de la ingeniería de su cliente y conocen las técnicas de simulación numérica.

Han elegido Simcenter Amesim por su gran potencial. A través de la evolución de la plataforma GREEN podrán gestionar nuevos requisitos de diseños de vehículos. La transparencia de Simcenter Amesim posibilita una evolución optimizada de los modelos y la interacción con los controles integrados y con otras plataformas o modelos.

Simcenter Amesim ha demostrado ser una herramienta muy flexible, que además permite la cosimulación con MATLAB y Simulink para conseguir más legibilidad de los controles y la interactividad con el código integrado. La habilidad para crear scripts con el lenguaje de programación de código abierto Python y MATLAB en Simcenter Amesim permite a los ingenieros controlar el flujo de trabajo de una investigación de síntesis energética (incluyendo datos, cálculos, simulación, usos, análisis y síntesis). Así es como se consiguen modelos complejos sin ningún fallo.

La flexibilidad que aporta Simcenter Amesim facilita la evolución de la plataforma GREEN, que amplía los análisis a motopropulsores convencionales y ejecuta análisis comparativos entre el consumo de combustible y el rendimiento con otros atributos, como la comodidad térmica, la gestión energética, conducción, sistemas de escape, etc.