Renault оптимизирует разработку будущих гибридных и электрических транспортных средств с помощью Simcenter Amesim

Сложности при разработке гибридных автомобилей

Производители автомобилей постоянно работают над сокращением уровня выбросов углекислого газа. Очень важно, чтобы количество выбросов во всех странах установилось на одном уровне. К 2026 году это требование закрепят в нормативных документах. Чтобы соблюсти будущие стандарты по выбросам углекислого газа, нужно электрифицировать транспортные средства. Раньше разрабатывать гибридные транспортные средства было желательно, но совсем не обязательно, а теперь это стало необходимостью.

Гибридные силовые агрегаты устроены более сложно, чем силовые агрегаты в автомобилях на одном источнике энергии, таких как традиционные или электрические автомобили. Основная причина в том, что для них существует огромное количество возможных вариантов архитектур. Например, в гибридных автомобилях с параллельной схемой силовой установки несколько источников движущей силы могут работать совместно или по отдельности. В гибридных автомобилях с последовательной схемой, автомобиль приводится в движение с помощью электромотора, но электрическая энергия генерируется другим источником, например, двигателем внутреннего сгорания.

Так как при разработке гибридных силовых агрегатов задействовано множество дисциплин, инженеры должны достичь баланса мощности для каждого источника энергии, изучить влияние решений, принятых по другим системам (например, по системе трансмиссии или охлаждения) на энергетические процессы всего автомобиля, выполнить валидацию оптимальных вариантов. Эти задачи включают в себя исследование ряда комбинаций, а также требуют детализации подходящих стратегий управления.

Поэтому нужно быстро оценивать различные варианты архитектуры силового агрегата и выбирать из них наиболее эффективные, сравнивать характеристики компонентов и анализировать их работу при различных сценариях вождения. При проектировании гибридных силовых агрегатов должны учитываться разные предметные области, соответственно, сразу несколько экспертов должны работать сообща на разных этапах цикла проектирования: разработчики архитектуры, менеджеры проектов и другие специалисты. Разработка инновационных изделий заставляет этих экспертов преодолевать сложности и управлять рисками. Управление ростом сложности изделий — это преодоление трудностей процессов, которые используются для создания этих изделий, а также трудностей взаимодействия между всеми специалистами, вовлеченными в процесс разработки и производства. Поэтому возникает вопрос: как упростить выполнение сложных процессов, чтобы создавать высококачественные изделия в срок, сохранив при этом издержки на приемлемом уровне?

Принятие решений на ранних стадиях проектирования

Компания Renault-Nissan занимает четвертое место по объему производства автомобилей в мире. Для нее очень важно выпускать инновационные изделия, которые отличаются от изделий конкурентов. А одна из главных отличительных особенностей производителей в автомобилестроительной отрасли — это умение создавать экологичные автомобили с минимальными издержками. Альянс Renault-Nissan стремится уменьшить вред, который наносит окружающей среде производство и сами изделия на протяжении всего их жизненного цикла, от проектирования до переработки. Альянс уже занимает примерно 70% мирового рынка электромобилей, предлагая, например, такие модели, как Renault Zoe и Nissan Leaf, но в будущем планирует расширить линейку благодаря разработке передовых гибридных архитектур.

Концепт Eolab — это первый шаг в этом направлении. Компактный и доступный по цене, Eolab — это новый подключаемый гибрид со сверхнизким расходом топлива, который не выделяет выхлопных газов при поездках до 60 километров на скорости до 120 километров в час. Технологию «нулевого выброса» для гибридных автомобилей начнут широко использовать и в электрических автомобилях Renault в течение ближайших нескольких лет.

Чтобы разработать эту технологию, Альянс Renault-Nissan внедряет специальные инструменты и методики. Для разработки подходящих CAE-методов и цифровых моделей компания создала отдел по тестированию и цифровому проектированию, чтобы в будущем разрабатывать еще более инновационные изделия. Отдел состоит из 12 человек. Одна из его команд занимается упрощением работы разработчиков мехатронных систем. Требования инженеров были понятны: они хотели получить платформу для совместной работы, чтобы анализировать баланс мощности в любой конфигурации гибридного автомобиля и упрощать процесс принятия решений с помощью моделей, которые ранее уже прошли валидацию.

Инженерам необходимо быстро подтверждать целевые значения по энергопотреблению, планировать реализацию проекта и определять размер различных подсистем. Им нужна простая в использовании, мультидисциплинарная среда для численного моделирования, которая поможет упростить оптимизацию выбранной архитектуры гибридного автомобиля. Эксперты могут использовать платформу для внесения индивидуальных изменений, а остальные — для быстрого тестирования комбинаций параметров. Чтобы реализовать эти требования, компания Renault разработала платформу для численного моделирования энергетического синтеза, которая называется GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy). Она была создана с помощью решений от компании Siemens Digital Industries Software, а также ее сотрудников.

Виртуальная платформа для совместного проектирования

Платформа GREEN была разработана отделом по тестированию и цифровому проектированию для решения определенных задач. Она представляет собой графический интерфейс пользователя, подключенный к программному обеспечению Simcenter Amesim, средам MATLAB® и Simulink®, а также к хранилищу данных программы Excel®. С помощью платформы инженеры могут быстро выполнять параметризацию модели, запускать численное моделирование и проводить постобработку результатов. Она включает в себя комплексный конфигуратор гибридных автомобилей, в котором пользователь может выбрать нужную архитектуру из нескольких вариантов. Отдел по тестированию и цифровому проектированию также разработал архитектуру типовой модели установки, которая состоит из «параметризируемых» подсистем, которые могут включаться и выключаться индивидуально.

Типовая модель установки была создана с помощью решения Simcenter Amesim от Siemens Digital Industries Software. За управление энергопотреблением и стратегии контроля отвечает Simulink. Пользователи могут, например, создать гибридные автомобили с механической, автоматической, роботизированной коробкой передач или с коробкой передач с двойным сцеплением, размещать электромотор на переднюю или заднюю ось, а также делать многое другое. После настройки архитектуры можно определить размер всех подсистем, например, можно сделать электродвигатель мощностью 30 кВт или 50 кВт, а дизельный двигатель объемом 1,6 или 2 л. Любую комбинацию можно легко конфигурировать.

Затем инженеры могут определить и оптимизировать стратегии управления энергией, указав, когда запускать двигатель внутреннего сгорания и на каком уровне крутящего момента, когда и как электродвигатель сменяет тепловой двигатель. Учитывая определение архитектуры и выбранные решения по подсистемам, функция постобработки на платформе GREEN автоматически оптимизирует стратегии управления энергопотреблением согласно выбранной архитектуре мехатронной системы и параметрам компонентов.

С помощью этих возможностей инженеры могут выбрать архитектуру, а затем управлять параметрами и визуализировать их с использованием интегрированного и интуитивно понятного рабочего процесса. При этом им не нужно будет создавать стратегию управления энергией. Более опытные пользователи смогут легко тестировать новые стратегии управления энергопотреблением, если это потребуется для конкретных целей.

Платформа GREEN настолько гибкая и мощная, что позволяет инженерам определять архитектуру, ее подсистемы и правила управления энергопотреблением, а также проводить валидацию всего за несколько часов. Платформа объединяет различные предметные области и способствует совместной работе инженеров из разных сфер, участвующих в одном и том же проекте, упрощая общение между ними и принятие решений. «Платформа GREEN на базе Simcenter Amesim предназначена для объединения различных предметных областей, а также для совместной работы инженеров, которые занимаются разными системами. Она позволяет командам, которые никогда не работали вместе раньше, сотрудничать, обсуждать проблемы и вместе находить единое решение», — говорит Эрик Шовелье, менеджер по численному моделированию гибридных и электрических систем, отдел тестирования и цифрового проектирования. Платформа позволила изучить потребление топлива и энергии, производительность, рабочие точки силовой установки и поток энергии при трансмиссии. Кроме того, с ее помощью можно легко управлять анализом чувствительности по физическим характеристикам или параметрам контроля.

Возможности Simcenter Amesim

В дополнение к Simcenter Amesim был разработан новый графический интерфейс пользователя для решения GREEN. «Платформа для численного моделирования мехатронных систем от Siemens Digital Industries Software содержит стандартные, но при это настраиваемые, прошедшие валидацию компоненты, с помощью которых можно создать полную архитектуру транспортного средства, от подсистем до интеграции систем, — добавляет Шовелье. — Simcenter Amesim — это гибкое и надежное решение. Этот многоуровневый подход позволяет получить компоненты, которые можно использовать на любой стадии проектирования: от описания модели при помощи карт для определения архитектуры на ранних этапах до создания более детальных моделей и решения сложных задач проектирования с целью оптимизации подсистем и компонентов. Решение охватывает различные предметные области, что не только позволяет моделировать разные компоненты силовой передачи, такие как электромоторы, двигатели внутреннего сгорания и системы трансмиссии, но и помогает достичь баланса между такими показателями, как потребление топлива, уровень выбросов, производительность и дорожные характеристики».

Компания Renault поручила разработку инструментов для платформы GREEN инженерам Siemens Digital Industries Software. Производитель автомобилей оценил готовность оказывать помощь и компетентность команды инженеров, которая помогла разрешить серьезные проблемы по мере разработки платформы. Инженеры Simcenter понимают все сложности, с которым заказчик сталкивается при проектировании. Кроме того, они в совершенстве владеют техниками численного моделирования.

Компания выбрала Simcenter Amesim еще и потому, что у решения большой потенциал. С его помощью можно будет дальше развивать платформу GREEN и управлять новыми требованиями к конструкции транспортных средств. Открытость платформы Simcenter Amesim обеспечивает плавную эволюцию моделей, взаимодействие со встроенными элементами управления и взаимодействия с другими платформами или моделями.

Simcenter Amesim — это очень гибкая платформа, которая позволяет специалистам выполнять совместные вычисления в MATLAB и Simulink, чтобы улучшить восприятие стратегий управления и увеличить интерактивное взаимодействие со встроенным кодом. Возможность создавать сценарии с помощью открытого языка программирования Python и высокоуровневого языка MATLAB в Simcenter Amesim позволяет инженерам контролировать рабочий процесс при оценке баланса мощности (включая работу с данными, расчет, запуск численного моделирования, анализ случаев использования и синтез), что позволяет легко создавать сложные модели.

Гибкость Simcenter Amesim позволит платформе GREEN меняться в лучшую сторону, чтобы в дальнейшем можно было проводить анализ традиционных силовых агрегатов и соотношения потребления топлива и производительности с другими ключевыми показателями, такими как температурный комфорт, управление энергопотреблением в бортовой сети, дорожные качества, уровень выбросов и так далее.