Renault semplifica lo sviluppo futuro di veicoli elettrici e ibridi tramite Simcenter Amesim

Complessità nello sviluppo di veicoli ibridi

La riduzione delle emissioni di CO2 è una sfida continua. È essenziale che tutti i paesi si accordino su livelli comuni, come le normative ci impongono di fare entro il 2026. Al fine di rispettare gli standard futuri sulle emissioni di CO2, è essenziale elettrificare i veicoli e lo sviluppo di veicoli ibridi è ormai un imperativo per tutte le case automobilistiche.

I gruppi motopropulsori ibridi sono molto più complicati di quelli dei veicoli che utilizzano una sola fonte di energia, come le auto tradizionali o elettriche, soprattutto a causa dell'alto numero di architetture possibili. Ad esempio, nei veicoli ibridi paralleli è possibile combinare diversi tipi di propulsione, o utilizzarli separatamente. Nei veicoli ibridi seriali, l'unica propulsione è costituita dal motore elettrico, ma l'energia elettrica proviene da un'altra fonte interna, come un motore a combustione.

A causa della natura interdisciplinare dei gruppi motopropulsori ibridi, gli ingegneri devono bilanciare l'alimentazione richiesta da ogni singola fonte di energia, studiare l'impatto delle varie opzioni disponibili per gli altri sistemi (come trasmissione o impianti di raffreddamento) sulle prestazioni energetiche del veicolo e validare le opzioni ottimali. Tutte queste attività richiedono l'analisi di moltissime combinazioni e impongono ai progettisti di illustrare nel dettaglio le strategie di controllo appropriate.

È necessario, pertanto, valutare rapidamente molteplici architetture di gruppi motopropulsori ibridi e scegliere quelle più efficienti, confrontare le caratteristiche dei componenti e valutarne le prestazioni per diverse modalità di guida. La progettazione del gruppo motopropulsore ibrido richiede la gestione di vari domini fisici e la collaborazione di diversi esperti, come architetti di sistemi, project manager ed esperti di applicazioni, durante le varie fasi del ciclo di progettazione. Per innovare, tali esperti devono superare le difficoltà e gestire i rischi. Per gestire la complessità del prodotto, ovvero le complicazioni associate ai processi utilizzati e la complessità delle interazioni fra le persone coinvolte nello sviluppo e nella fornitura, è necessario rispondere a una semplice domanda: Come possiamo ridurre questa complessità e fornire puntualmente prodotti di alta qualità a costi ragionevoli?

Prendere le giuste decisioni nelle fasi iniziali di progettazione

Essendo il quarto produttore di automobili al mondo, per Renault-Nissan è fondamentale innovare e distinguersi dalla concorrenza. Attualmente, uno dei suoi principali fattori distintivi è costituito dalla capacità di realizzare veicoli ecologici a costi ragionevoli. Renault-Nissan Alliance Group si impegna a ridurre l'impatto ambientale delle proprie attività e dei propri prodotti per tutto il loro ciclo di vita, dalla progettazione al riciclo. Il gruppo copre già circa il 70% del mercato mondiale dei veicoli elettrici, con veicoli completamente elettrici come Renault Zoe e Nissan Leaf, e prevede di espandere ulteriormente la propria gamma di veicoli sviluppando architetture ibride avanzate.

Il primo passo è costituito dal concept di veicolo Eolab. Compatto ed economico, Eolab è un nuovo veicolo ibrido plugin, a bassissimo consumo di carburante, che garantisce mobilità a emissioni zero su percorsi fino a 60 km, con velocità massime di 120 km/h. Nei prossimi anni, questa tecnologia ibrida a "emissioni zero" completerà l'offerta elettrica di Renault.

Al fine di sviluppare questa tecnologia per il futuro, Renault-Nissan Alliance sta implementando metodologie e strumenti dedicati. L'azienda ha creato un reparto di ingegneria digitale e test per fornire al gruppo i metodi CAE (Computer-Aided Engineering) appropriati e i modelli numerici necessari, al fine di promuovere l'innovazione nei progetti futuri. Questo reparto, che conta 12 dipendenti, include un team incaricato di semplificare il lavoro degli ingegneri dei sistemi meccatronici. Gli ingegneri avevano espresso chiaramente l'esigenza di utilizzare una piattaforma collaborativa per valutare la sintesi energetica di una configurazione ibrida, al fine di semplificare il processo decisionale con cicli di validazione durante la fase di pre-progettazione.

Gli ingegneri devono confermare velocemente gli obiettivi di consumo carburante, pianificare le roadmap di progetto e dimensionare i vari sottosistemi. Hanno bisogno di un ambiente di simulazione multifisica facile da usare, che semplifichi l'ottimizzazione dell'architettura ibrida prescelta. La piattaforma verrà utilizzata per la personalizzazione, dagli esperti, e per la verifica rapida delle combinazioni di parametri, dai meno esperti. Per soddisfare tali esigenze, Renault ha sviluppato una piattaforma di simulazione della sintesi energetica denominata GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy), con l'aiuto degli strumenti e del personale di Siemens Digital Industries Software, esperto nella gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM).

Piattaforma di progettazione virtuale collaborativa

La piattaforma GREEN, sviluppata dal reparto di ingegneria digitale e test, è un'interfaccia utente (GUI) specifica dell'applicazione, collegata al software Simcenter Amesim, all'ambiente MATLAB®, all'ambiente Simulink® e al repository di file basato sul foglio di calcolo Excel®. Tale piattaforma consente agli ingegneri di parametrizzare rapidamente i modelli, eseguire le simulazioni e il post-processing dei risultati. Include un esaustivo configuratore di veicoli ibridi preconfezionato, che permette agli utenti di scegliere fra diverse architetture ibride. Il reparto ha sviluppato anche l'architettura di un modello di stabilimento generico, formata da sottosistemi "parametrizzabili" che possono essere attivati o disattivati singolarmente.

Il modello di stabilimento fisico generico viene creato con la soluzione Simcenter Amesim di Siemens Digital Industries Software, mentre la gestione dell'energia e le strategie di controllo ad alto livello sono supportate da Simulink. Gli utenti possono creare veicoli ibridi con trasmissione manuale, automatica, robotizzata o a doppia frizione e collocare il motore elettrico sull'assale anteriore o posteriore, prima o dopo la frizione, fra le altre opzioni. Dopo aver impostato l'architettura, è possibile procedere al dimensionamento di tutti i sottosistemi, come una macchina elettrica da 30 kW o 50 kW, un motore diesel da 1,6 o 2 litri e così via, configurando in breve tempo qualunque combinazione.

Gli ingegneri possono quindi definire e ottimizzare la strategia di controllo dell'energia, specificando quando avviare il motore a combustione, con quale livello di coppia, e indicando come e quando la macchina elettrica deve subentrare al motore termico. Una volta definita l'architettura e selezionati i sottosistemi, la funzionalità di post-processing della piattaforma GREEN ottimizza automaticamente le strategie di gestione dell’energia, in base ai parametri dei componenti e all'architettura meccatronica selezionata.

Queste funzionalità consentono ai progettisti di selezionare un'architettura, quindi gestire e visualizzare i parametri e i vari scenari di applicazione, tramite un workflow integrato e intuitivo, senza essere costretti a definire la strategia di gestione dell'energia. Le nuove strategie di controllo e gestione dell'energia possono essere facilmente testate come necessario, per eseguire indagini specifiche, da parte di utenti più esperti.

La flessibilità e la potenza della piattaforma GREEN consentono agli ingegneri di definire e validare un'architettura in poche ore, con i relativi sottosistemi selezionati e le regole di controllo per la gestione dell'energia. La piattaforma combina vari domini di competenze e promuove l'interazione fra diversi ingegneri applicativi coinvolti nello stesso progetto, semplificando la comunicazione e il processo decisionale tramite un linguaggio comune. "La piattaforma GREEN, basata su Simcenter Amesim, permette di unire discipline e ingegneri di sistemi diversi, consentendo a team che non hanno mai collaborato prima, di interagire e discutere dei problemi di progettazione, per trovare una soluzione comune", osserva Eric Chauvelier, Method e Simulation Manager per i sistemi ibridi ed elettrici nel reparto di ingegneria digitale e test. La piattaforma fornisce risultati che indicano il consumo di carburante ed energia, le prestazioni, i punti operativi della motorizzazione e il flusso di energia nell'intera trasmissione. Lo strumento semplifica inoltre la gestione degli studi di sensibilità basati sulle caratteristiche fisiche o sui parametri di controllo.

Vantaggi di Simcenter Amesim

La nuova GUI della soluzione GREEN è stata sviluppata a partire da Simcenter Amesim. "La piattaforma di simulazione dei sistemi meccatronici di Siemens Digital Industries Software fornisce componenti pronti all'uso, ma personalizzabili e validati, per realizzare architetture di veicolo complete, dai sottosistemi all'integrazione fra sistemi", aggiunge Chauvelier. "Simcenter Amesim offre una struttura flessibile ma affidabile. Il suo approccio multilivello fornisce componenti adatti a ogni fase di progettazione: da quelli basati su mappa per la definizione iniziale dell'architettura, ai modelli più dettagliati, fino all'attuazione per la progettazione avanzata e all'ottimizzazione di sottosistemi e componenti. Grazie alla sua natura multidominio, oltre a consentire la modellazione di componenti diversi della trasmissione, come motori elettrici, motori a combustione e sistemi di trasmissione, consente anche di bilanciare caratteristiche del veicolo quali consumo di carburante, emissioni, prestazioni e guidabilità".

Per lo sviluppo degli strumenti GREEN, Renault si è affidata completamente all'esperienza degli ingegneri di Siemens Digital Industries Software. La disponibilità e le competenze del team sono state utilissime al produttore di automobili, permettendogli di risolvere alcuni problemi cruciali durante lo sviluppo della piattaforma. Gli ingegneri di Simcenter hanno compreso perfettamente le problematiche di progettazione del cliente e conoscono alla perfezione le tecniche di simulazione numerica.

La soluzione Simcenter Amesim è stata scelta anche per il suo notevole potenziale e verrà utilizzata per l'evoluzione successiva della piattaforma GREEN, al fine di gestire i nuovi requisiti di progettazione dei veicoli. L'apertura di Simcenter Amesim semplifica l'evoluzione dei modelli, l'interazione con i controlli incorporati e l'interazione con altre piattaforme o modelli.

Simcenter Amesim ha dimostrato di essere una piattaforma estremamente flessibile, che permette la co-simulazione con MATLAB e Simulink, per aumentare la leggibilità dei controlli e l'interattività con il codice incorporato. La possibilità di creare script, utilizzando il linguaggio di programmazione open source Python e il linguaggio di programmazione ad alto livello MATLAB con Simcenter Amesim, permette agli ingegneri di controllare il workflow di un'analisi di sintesi energetica (inclusi dati, calcolo, avvio della simulazione, caso di utilizzo, analisi e sintesi), garantendo la perfetta esecuzione di modelli complessi.

La flessibilità di Simcenter Amesim consente l'evoluzione futura della piattaforma GREEN, al fine di estendere le analisi ai gruppi motopropulsori convenzionali e l'esecuzione di analisi costi-benefici fra consumo carburante e prestazioni, tenendo conto di altri parametri essenziali come comfort termico, gestione dell'energia della rete interna, guidabilità, impianto di scarico e altro.