Renault rationalise le développement de ses futurs véhicules hybrides et électriques grâce à Simcenter Amesim

La complexité du développement des véhicules hybrides

La réduction des émissions de CO2 est un défi permanent. Il est devenu essentiel que tous les pays s'alignent sur des niveaux communs, ce que la réglementation imposera d'ici 2026. Pour se conformer aux futures normes d'émissions de CO2, l'électrification des véhicules est essentielle, et le développement de véhicules hybrides est passé du statut d'accessoire à celui de nécessité pour tous les constructeurs automobiles.

Les groupes motopropulseurs hybrides sont beaucoup plus complexes que ceux des véhicules à source d'énergie unique, tels que les voitures conventionnelles ou électriques, principalement en raison de la multitude de combinaisons d'architectures possibles. Par exemple, dans les véhicules hybrides en parallèle, plusieurs sources de propulsion peuvent être combinées ou utilisées indépendamment. Dans les véhicules hybrides en série, seul le moteur électrique assure la propulsion, mais l'énergie électrique provient d'une autre source embarquée, comme par exemple un moteur à combustion.

En raison de la nature interdisciplinaire des groupes motopropulseurs hybrides, les ingénieurs doivent équilibrer la puissance requise de la part de chaque source d'énergie, étudier l'impact du choix d'autres systèmes (tels que les transmissions et les systèmes de refroidissement) sur la performance énergétique du véhicule, et valider les meilleures options. Ces tâches impliquent l'étude d'un certain nombre de combinaisons et exigent également des ingénieurs qu'ils détaillent les stratégies de contrôle appropriées.

Il est donc impératif d'évaluer rapidement les différentes architectures de groupes motopropulseurs hybrides et de sélectionner les plus efficaces, de comparer les caractéristiques des composants et d'évaluer leurs performances sur différents types de conduite. La conception d'un groupe motopropulseur hybride nécessite la gestion de plusieurs domaines physiques et implique la collaboration de différents experts (architectes de système, chefs de projet et spécialistes des applications) au cours des différentes étapes du cycle de conception. L'innovation exige de ces experts qu'ils surmontent la complexité et gèrent les risques. La gestion de la complexité des produits, c'est-à-dire la complexité des processus utilisés pour créer ces produits et la complexité des interactions entre toutes les personnes impliquées dans le développement et la livraison de ces produits, soulève une question simple : Comment réintroduire un peu de simplicité dans cette complexité et fournir des produits de haute qualité dans les délais et à des coûts raisonnables ?

Prendre des décisions technologiques dès les premières étapes de la conception

En tant que quatrième constructeur automobile mondial, Renault-Nissan est guidé par l'innovation et la différenciation, et l'un des facteurs de différenciation actuels est la capacité à fournir des véhicules écologiques à des coûts raisonnables. Le groupe de l'alliance Renault-Nissan s'est engagé à réduire l'impact environnemental de ses activités et de ses produits tout au long de leur cycle de vie, de la conception au recyclage. L'alliance détient déjà environ 70 % du marché mondial des véhicules électriques, avec des véhicules entièrement électriques tels que la Renault Zoe et la Nissan Leaf, et vise à élargir sa gamme de véhicules en développant des architectures hybrides avancées.

Le concept car Eolab est une première étape. Compacte et abordable, l'Eolab est une nouvelle voiture hybride rechargeable offrant une très faible consommation de carburant et une mobilité sans émission sur des trajets de moins de 60 kilomètres à des vitesses allant jusqu'à 120 kilomètres par heure. Cette technologie hybride "zéro émission" viendra compléter l'offre électrique de Renault dans les prochaines années.

Afin de développer cette technologie pour l'avenir, l'alliance Renault-Nissan met actuellement en œuvre des outils et des méthodologies spécifiques. L'entreprise a créé un service baptisé Test and Digital Engineering (tests et ingénierie numérique) afin de fournir au groupe les méthodes d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) et les modèles numériques nécessaires pour stimuler l'innovation dans les projets futurs. Dans ce service, une équipe de 12 personnes se concentre sur la simplification du travail des ingénieurs en systèmes mécatroniques. Les exigences des ingénieurs sont claires : ils souhaitent disposer d'une plateforme collaborative pour évaluer la synthèse énergétique de n'importe quelle configuration hybride, afin de faciliter la prise de décision en phase de préconception avec des boucles de validation.

Les ingénieurs doivent rapidement confirmer les objectifs de consommation de carburant, planifier les feuilles de route du projet et dimensionner les différents sous-systèmes. Ils ont besoin d'un environnement de simulation multiphysique facile à utiliser pour simplifier l'optimisation de l'architecture hybride choisie. Cette plateforme sera utilisée par des experts pour la personnalisation, et par des non-experts pour tester rapidement des combinaisons de paramètres. Pour répondre à ces besoins, Renault a développé une plateforme de simulation de synthèse énergétique appelée GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy) avec l'aide des outils et du personnel de Siemens Digital Industries Software, spécialiste de la gestion du cycle de vie des produits (PLM).

Une plateforme de conception virtuelle et collaborative

Développée par le service de tests et d'ingénierie numérique, la plateforme GREEN est une interface utilisateur graphique (GUI) spécifique à une application, liée au logiciel Simcenter Amesim, à l'environnement MATLAB®, à l'environnement Simulink® et au référentiel de fichiers du tableur Excel®. La plateforme permet aux ingénieurs de paramétrer rapidement les modèles, d'effectuer des simulations et de post-traiter les résultats. Elle comprend un configurateur de véhicules hybrides préétabli et complet qui permet aux utilisateurs de choisir entre plusieurs architectures hybrides. Le service a également développé une architecture générique de modèle d'usine composée de sous-systèmes "paramétrables" qui peuvent être activés ou désactivés individuellement.

Le modèle générique de l'usine physique est créé à l'aide de Simcenter Amesim de Siemens Digital Industries Software. La gestion de l'énergie et les stratégies de contrôle de haut niveau sont prises en charge par Simulink. Les utilisateurs peuvent créer des véhicules hybrides dotés d'une transmission manuelle, automatique, robotisée ou à double embrayage, et placer le moteur électrique sur l'essieu avant ou arrière et avant ou après l'embrayage, entre autres options. Une fois l'architecture définie, il est possible de déterminer la taille de tous les sous-systèmes, par exemple, un moteur électrique de 30 kW ou 50 kW, un moteur diesel de 1,6 ou 2 litres, etc. Toutes les combinaisons peuvent être facilement configurées.

Les ingénieurs peuvent alors définir et optimiser la stratégie de contrôle de l'énergie, en spécifiant quand démarrer le moteur à combustion, à quel niveau de couple et quand et comment le moteur électrique prend le relais du moteur thermique. Compte tenu de la définition de l'architecture et des choix de sous-systèmes, la capacité de post-traitement de la plateforme GREEN optimise automatiquement les stratégies de gestion de l'énergie en fonction des paramètres de l'architecture mécatronique et des composants sélectionnés.

Grâce à ces capacités, les ingénieurs peuvent sélectionner une architecture, puis gérer et visualiser les paramètres et divers scénarios de roulement à l'aide d'un flux de travail intégré et convivial, sans avoir à créer la stratégie de gestion de l'énergie. Les nouvelles stratégies de gestion et de contrôle de l'énergie peuvent être facilement testées en fonction des besoins pour des recherches spécifiques et par des utilisateurs plus expérimentés.

La flexibilité et la puissance de la plateforme GREEN permettent aux ingénieurs de définir et de valider une architecture, ses sous-systèmes sélectionnés et les lois de contrôle de la gestion de l'énergie en quelques heures. La plateforme rassemble différents domaines d'expertise et ingénieurs d'application impliqués dans un même projet en facilitant la communication et la prise de décision avec un langage commun. "La plateforme GREEN basée sur Simcenter Amesim est destinée à unir différents domaines d'expertise et différents ingénieurs systèmes, et permet à des équipes qui n'ont jamais collaboré de se réunir et de communiquer sur leurs problèmes d'ingénierie pour trouver des solutions communes", commente Éric Chauvelier, responsable méthode et simulation pour les systèmes hybrides et électriques au sein du service Test and Digital. La plateforme fournit des résultats concernant la consommation de carburant et d'énergie, les performances, les points de fonctionnement du groupe motopropulseur et le flux d'énergie à travers la chaîne cinématique. En outre, les études de sensibilité sur les caractéristiques physiques ou les paramètres de contrôle peuvent être facilement gérées à l'aide de l'outil.

La puissance de Simcenter Amesim

La nouvelle interface graphique de la solution GREEN a été développée à partir de Simcenter Amesim. "La plateforme de simulation de systèmes mécatroniques de Siemens Digital Industries Software fournit des composants validés standard mais personnalisables pour élaborer des architectures complètes de véhicules, des sous-systèmes à l'intégration des systèmes", ajoute M. Chauvelier. "Simcenter Amesim est un pilier flexible et robuste. Son approche à plusieurs niveaux fournit des composants qui s'adaptent à toutes les étapes de la conception : de la définition basée sur des modèles pour la définition précoce de l'architecture, à des modèles plus détaillés, en passant par l'actionnement pour l'ingénierie avancée afin d'optimiser les sous-systèmes et les composants. Grâce à sa nature multi-domaine, il permet non seulement de modéliser différents composants du groupe motopropulseur tels que les moteurs électriques, les moteurs à combustion et les systèmes de transmission, mais aussi d'équilibrer les attributs du véhicule tels que la consommation de carburant, les émissions, les performances et la maniabilité."

Renault s'est fortement appuyée sur les ingénieurs de Siemens Digital Industries Software pour le développement des outils GREEN. La disponibilité et l'expertise de l'équipe se sont révélées précieuses pour le constructeur automobile et ont permis de résoudre des problèmes critiques lors du développement de la plateforme. Les ingénieurs de Simcenter comprennent parfaitement les défis d'ingénierie auxquels sont confrontés leurs clients et maîtrisent également les techniques de simulation numérique.

Simcenter Amesim a également été sélectionné pour son fort potentiel et permettra de faire évoluer la plateforme GREEN afin de gérer les nouvelles exigences en matière de conception de véhicules. L'ouverture de Simcenter Amesim permet l'évolution rationalisée des modèles, l'interaction avec les commandes intégrées et l'interaction avec d'autres plateformes ou modèles.

Simcenter Amesim a démontré une grande flexibilité, permettant la cosimulation avec MATLAB et Simulink afin d'améliorer la lisibilité des contrôles et l'interactivité avec le code embarqué. La possibilité de créer des scripts avec le langage de programmation libre Python et le langage informatique de haut niveau MATLAB dans Simcenter Amesim permet aux ingénieurs de contrôler le flux de travail d'une étude de synthèse énergétique (y compris les données, les calculs, le lancement de la simulation, le cas d'utilisation, l'analyse et la synthèse), ce qui permet une exécution sans faille de modèles complexes.

La flexibilité de Simcenter Amesim permettra une évolution future de la plateforme GREEN afin d'étendre les analyses aux groupes motopropulseurs conventionnels et d'effectuer des analyses de compromis entre leur consommation de carburant et leurs performances avec d'autres attributs clés, y compris le confort thermique, la gestion de l'énergie du réseau de bord, la conduite, les gaz d'échappement et autres.