Światowy producent z branży motoryzacyjnej wykorzystuje oprogramowanie Simcenter do optymalizacji działania pojazdów hybrydowych

Koreańska nowoczesność

W ostatnich dwóch stuleciach ludzkość przeszła niespotykaną wcześniej rewolucję. Nowoczesność przyniosła nam oczywiście wiele zalet: dłuższe życie i jego większy komfort, możliwości komunikacji, szansę na podróże i wiele innych. Jednocześnie stały wzrost populacji, industrializacja oraz globalizacja znacząco obciążają środowisko naturalne. Niestety dopiero w ostatnich dekadach ubiegłego wieku naukowcy zaczęli dzielić się przekonującymi dowodami na to, że powoli, ale nieustannie prowadzimy do nieodwracalnych zniszczeń na naszej planecie.

Nasze pokolenie jako pierwsze w historii ludzkości zastanawia się w jaki sposób kontynuować rozwój technologii, ale równocześnie zmniejszyć jej wpływ na środowisko. Inżynierowie stają więc przed dużym wyzwaniem: muszą tworzyć innowacje, które spełnią wymagania operacyjne i oczekiwania klientów, a jednocześnie sprostają standardom niskiego zużycia energii i emisji zanieczyszczeń. Aby spełnić te wymogi, wiele sektorów, w tym przede wszystkim branża transportowa, będzie musiało na szeroką skalę zmodernizować wykorzystywane technologie oraz procesy.

Nieprzypadkowo koreańskie słowo na nowoczesność brzmi właśnie „hyundai”. Inżynierowie Hyundai Motor Group (HMG), trzeciego największego producenta pojazdów na świecie, już od późnych lat 80. eksperymentują z alternatywnymi, bardziej ekologicznymi metodami napędu, które mogą zastąpić tradycyjne silniki spalinowe (IEC): są to pojazdy na paliwo alternatywne (FFV), pojazdy elektryczne oraz hybrydowe (HEV). Dziś najciekawsze wydają się być właśnie te ostatnie pojazdy, jednak wciąż czekamy na dostępność akumulatorów, które zwiększą ich zasięg, a także na rozwój infrastruktury do ładowania silników elektrycznych.

Kompleksowa inżynieria pojazdów hybrydowych

Projektowanie pojazdów typu HEV wiąże się z licznymi wyzwaniami, na przykład koniecznością określenia konfiguracji, która zadziała najlepiej w danym pojeździe i dla określonych zastosowań. Główna koncepcja zakłada, że silnik elektryczny ma wspomagać silnik spalinowy, aby ten działał w bardziej wydajny sposób. Może go również zastąpić w niektórych sytuacjach, na przykład podczas jazdy po mieście. Inżynierowie poświęcają dużo czasu i energii na wymiarowanie komponentów oraz definiowanie algorytmów kontrolnych, które koordynują działanie silnika elektrycznego i spalinowego w celu osiągnięcia optymalnej wydajności. Równocześnie muszą uwzględnić w swojej pracy inne kluczowe czynniki, takie jak dynamika jazdy oraz komfort.

– Modyfikacja jednego parametru, który ma ulepszyć jeden aspekt wydajności, może negatywnie wpłynąć na inny element. Właśnie dlatego musimy jednocześnie uwzględniać różne atrybuty i w ten sposób osiągnąć optymalną równowagę – tłumaczy Bang Jae-Sung, starszy inżynier w firmie Hyundai. Jae-Sung to jeden ze specjalistów zatrudnionych w centrum R&D firmy Hyundai. Odpowiada za rozwój logiki kontrolnej w pojazdach HEV, która ma zoptymalizować ich działanie. – Zajmujemy się wieloma parametrami i musimy oceniać wiele różnych cyklów jazdy, dlatego dalsza praca w oparciu o próby i błędy byłaby po prostu zbyt czasochłonna i kosztowna – dodaje.

Wdrożenie podejścia opartego o symulację

Wspólnie z ekspertami z firmy Siemens Digital Industries Software inżynierowie firmy Hyundai zbadali możliwość skrócenia czasu rozwoju i obniżenia kosztów poprzez wdrożenie zautomatyzowanego procesu optymalizacji z wykorzystaniem najnowocześniejszych narzędzi symulacyjnych. Specjaliści wspólnie wzięli udział w projekcie, podczas którego przeprowadzili testy, walidację i kalibrację głównego sterownika pojazdu HEV z pomocą symulacji systemu prowadzonej w czasie rzeczywistym i opartej na modelu. Platformy testowe typu HiL („sprzęt w pętli”) stanowią standard branżowy, jednak omawiany przypadek był unikalny, ponieważ jednocześnie uwzględniał kwestie wydajności paliwowej oraz dynamiki jazdy.

– Symulacja typu HiL może być trudna, jeśli chodzi o zbilansowanie różnych atrybutów – uważa Jae-Sung. – Z jednej strony musimy ograniczyć liczbę stopni swobody (DOF), aby prowadzić obliczenia w czasie rzeczywistym. Model symulacji musi być jednak nadal wystarczająco dokładny i prezentować realistyczne rezultaty. To wszystko wymaga wysoce specjalistycznego oprogramowania. Wykorzystaliśmy system Simcenter Amesim™ od firmy Siemens Digital Industries Software, aby stworzyć model urządzenia, który połączyliśmy z kosymulacją modeli sterowników w środowiskach MATLAB, Simulink oraz Stateflow, co pozwoliło nam osiągnąć wszystkie te cele – podkreśla Jae-Sung.

Oprócz hybrydowego modułu sterującego (HCU), który był głównym przedmiotem badania, inżynierowie musieli stworzyć również szczegółowe modele sterowników poszczególnych podsystemów. System zarządzania silnikiem (EMS) kontroluje na przykład wtrysk paliwa, ilość powietrza oraz iskrę potrzebną do wytworzenia momentu obrotowego, regulowanego przez HCU. Jeśli ten element nie zostanie dokładnie zamodelowany, mogą wystąpić znaczące odchylenia przy prognozowaniu wydajności paliwowej oraz stanu naładowania baterii. Inne podsystemy jeszcze bardziej zwiększają poziom złożoności.

Dynamiczny model stworzony w programie Simcenter Amesim obejmował elementy fizyczne, które były niezbędne, aby zaprezentować przepływy energii i przekształcenie paliwa na energię mechaniczną i elektryczną. Jeśli chodzi zaś o ocenę komfortu jazdy, model zawierał wszystkie elementy niezbędne do odtworzenia wibracji w zakresie 0–20 Hz, które są wyczuwalne przez kierowcę. Uwzględniał również informacje o wydajności i stratach energii w głównych komponentach, co było niezbędne do prognozy efektywności paliwowej. Model był budowany stopniowo, od poszczególnych komponentów do poziomu całego pojazdu, walidowany na każdym etapie, a następnie uproszczony na potrzeby obliczeń w czasie rzeczywistym.

Ograniczenie testów fizycznych

– Projekt, który wykonaliśmy wspólnie ze specjalistami Simcenter Engineering pokazał wysoki poziom korelacji między wynikami symulacji HiL oraz rzeczywistym działaniem pojazdu dla wielu atrybutów jednocześnie – mówi Jae-Sung. – Badanie potwierdziło, że możemy wykorzystać to podejście do wczesnej walidacji wydajności, ponieważ pozwala na szybką ocenę tendencji podczas projektowania algorytmów HCU i definiowania wartości kalibracyjnych, dzięki czemu jesteśmy w lepszym punkcie wyjściowym dla fizycznego prototypowania – dodaje.

Wykorzystanie procesów opartych o oprogramowanie Simcenter Amesim pozwala inżynierom firmy Hyundai ulepszyć działanie pojazdów hybrydowych przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i skróceniu czasu pracy. – Dzięki wstępnej definicji głównych wartości kalibracji z pomocą symulacji HiL byliśmy w stanie ograniczyć liczbę fizycznych testów pojazdów o 40% – podkreśla Jae-Sung.

– Obecnie pracujemy nad poszerzeniem zakresu tej metodyki na o wiele większą liczbę scenariuszy testowych. Chcemy dodać do modeli dodatkowe elementy fizyczne, takie jak wpływ temperatury na działanie silnika, geometria silnika, akumulatora i drogi, dynamika wzdłużna i wiele innych – planuje.

Ambicje na przyszłość

Kompleksowa digitalizacja procesu projektowania ekologicznych pojazdów to element długofalowej wizji firmy Hyundai. Opisując swoje cele, przedsiębiorstwo jasno podkreśla ambitne plany: chce zachować pozycję zaufanej, globalnej firmy, a jednocześnie stale ulepszać obsługę klientów i spełniać ich oczekiwania. Aby to osiągnąć, grupa planuje skutecznie dostarczać innowacyjne rozwiązania w zakresie mobilności oparte na ekologicznych technologiach, które są jednocześnie przyjazne dla użytkowników. Logicznym elementem tych starań jest zwiększanie wartości pojazdów poprzez zastosowanie metod cyfrowej transformacji do procesu rozwoju produktów.

Rewolucja trwa jednak dalej. Innowacje, takie jak obliczenia w chmurze, analizy Big Data oraz Internet Rzeczy oferują całkiem nowe możliwości technologiczne. Dzięki nim firmy takie jak Hyundai mogą utrzymywać bliskie relacje z klientami i zdobywać więcej informacji na temat rzeczywistego wykorzystania pojazdów, nawet na poziomie poszczególnych kierowców.

– Wprowadzenie funkcji smart do pojazdów poprzez cyfrowe połączenie procesów rozwoju i eksploatacji będzie stanowić kolejną rewolucję technologiczną – sądzi Jae-Sung. – Spodziewamy się, że działanie i wydajność energetyczną pojazdu można jeszcze bardziej usprawnić poprzez opracowanie logiki sterowania, która odzwierciedla zachowania kierowcy i na bieżąco zbiera dane na temat rzeczywistego natężenie ruchu. Digitalizacja rozwoju pojazdu staje się więc tylko jednym z elementów szerszego procesu – podkreśla.

Taka wizja jest zgodna z obecnymi trendami w branży, wspiera ją również firma Siemens Digital Industries Software. Aby mogła stać się rzeczywistością, Siemens zbiera wszystkie elementy tworzące środowisko, które będzie wspierać wykorzystanie cyfrowego wątku w całym cyklu życia produktu. Ambitne plany rozwoju i przejęcia kolejnych firm pokazują, że Siemens chce wspierać swoich klientów w tworzeniu nowoczesnego podejścia.