Multiphysics Simulation and Model-based System Testing of Automotive E-Powertrains

Resumen

Los ensayos de sistemas basados en modelos emergen como un nuevo paradigma de desarrollo que actualmente está ganando popularidad, especialmente en la industria automotriz. Este nuevo enfoque se centra en combinar la simulación por ordenador con la experimentación para desplazar la mayor parte de la detección de problemas y rediseños hacia las fases tempranas del desarrollo. De esta forma, los ensayos de sistemas basados en modelos se centran en disminuir la cantidad de recursos invertidos en estas tareas y habilitar la identificación temprana de errores de diseño y problemas durante la operación, incluso antes de que los prototipos del vehículo completo estén disponibles. Sin embargo, el uso de esta estrategia requiere implementar algunas tecnologías críticas, tres de las cuales serán tratadas en esta tesis. La primera tarea abordada en esta tesis es el diseño de un entorno multiplataforma para evaluar la descripción y resolución de las ecuaciones de la dinámica de los modelos virtuales usados en las simulaciones. Este marco permite una evaluación eficiente de las diferentes formas de modelar los sistemas y de los métodos de resolución e implementación. En este contexto de ensayos basados en modelos, los sistemas virtuales interactúan con los componentes de los sistemas físicos, por lo tanto es necesario garantizar sus capacidades de ejecución en tiempo real, independientemente de la plataforma de software y hardware utilizada. En segundo lugar, las técnicas de estimación basadas en filtros de Kalman son de gran interés en las aplicaciones que usan ensayos basados en modelos para evaluar los parámetros, entradas o estados de los modelos virtuales de un sistema dado. Estos procedimientos se pueden combinar con el uso de gemelos digitales, homólogos virtuales de un sistema físico, con el cual mantienen un flujo bidireccional de intercambio de información. Las medidas disponibles procedentes de los sensores instalados en un sistema físico se pueden combinar con los resultados obtenidos de la simulación del sistema virtual. De este modo, este enfoque mejora el conocimiento de las magnitudes que no pueden ser medidas directamente por los sensores. A su vez, los resultados de la simulación de los sistemas de los modelos virtuales pueden servir para tomar decisiones y aplicar medidas correctivas al sistema real. En tercer lugar, las técnicas de co-simulación son necesarias cuando un sistema se divide en varios subsistemas, coordinados a través del intercambio de un reducido número de variables en momentos puntuales. Este es el caso de la mayor parte de las aplicaciones que siguen la estrategia de ensayos basados en modelos, en los cuales los componentes físicos y virtuales se acoplan mediante una comunicación en tiempo discreto. Como resultado las aplicaciones ciberfísicas son en esencia un ejemplo de co-simulación en tiempo real, en la que todos los subsistemas necesitan cumplir los requisitos de ejecución en tiempo real. Debido a la presencia de componentes físicos, que no pueden reiterar sus pasos de integración, el uso de esquemas explícitos es frecuentemente necesario. Sin embargo, estos esquemas introducen errores asociados con los retrasos propios de una interfaz de tiempo discreto. Estos errores pueden dar lugar a resultados erróneos e incluso inestabilizar la co-simulación, si no son eliminados. Esta tesis aborda la corrección de la co-simulación a través de métodos energéticos basados en la potencia intercambiada por los subsistemas. Este trabajo de investigación concluye con un ejemplo de aplicación ciberfísica, en la que se conectan componentes reales a una simulación por ordenador. Esta aplicación requiere la aplicación de las tecnologías de ensayos basados en modelos presentadas a lo largo de esta tesis.