Parceiro líder para OEMs implementa engenharia de sistemas baseado em modelo para desenvolvimento de veículos híbridos

Lidando com a complexidade

Levando em conta o aumento dos preços da gasolina, os efeitos nocivos das mudanças climáticas e as regulamentações resultantes para a limitação das emissões de dióxido de carbono (CO2), a demanda dos consumidores automotivos evoluiu consideravelmente nos últimos anos. Essas condições estabeleceram novas regras para fabricantes de equipamentos originais (OEMs), tornando os produtos e processos muito mais complexos.

Devido a todas essas condições, o interesse na eletrificação de veículos (especialmente para veículos híbridos) está aumentando, assim como o interesse em métodos para seu desenvolvimento virtual e simulação, o que provou ser uma resposta muito eficaz para a situação geral.

Os engenheiros precisam agora lidar com um número cada vez maior de variantes de veículos e grupos motopropulsores para os quais os principais atributos - como desempenho, dirigibilidade, confiabilidade, segurança e conforto - devem ser preservados ou até melhorados. Todos esses parâmetros, que são guiados pela regulamentação e pelas expectativas do mercado, devem ser balanceados e considerados o mais cedo possível no ciclo de projeto, para eficiência máxima de projeto e custo mínimo de desenvolvimento.

É por isso que a integração da simulação do sistema mecatrônico no processo de projeto de veículos tornou-se a maneira mais eficiente de enfrentar esses desafios.

Virtual development at key point for cost efficient development.

Desenvolvendo novas tecnologias

Mais de 100 anos de experiência na produção de veículos e uma ampla gama de serviços fazem da Magna Steyr Engineering a parceira de engenharia e fabricação independente de marca líder mundial para OEMs. Com sede em Graz, na Áustria, a Magna Steyr Engineering foi fundada em 2001, depois que a Magna International Inc. adquiriu a maioria das ações da Steyr-Daimler-Puch AG (fundada em 1864) três anos antes.

Hoje, a empresa possui uma extensa gama de serviços, divididos em três grupos:

1. Serviços de engenharia, desde sistemas e módulos até a engenharia completa de veículos;

2. Serviços de fabricação de contratos de veículos, desde o nicho até a produção em volume; 

3. Produção de sistemas de combustível feitos de aço, plástico e alumínio.

O departamento de serviços de engenharia desenvolve e integra módulos e sistemas, concentrando-se especificamente em veículos inteiros - desde a primeira ideia de design até a prontidão de produção em série, como um provedor de serviços de engenharia ou um balcão único, dependendo das necessidades do cliente.

Para se adaptar às tendências do mercado, a Magna Steyr Engineering concentra seu trabalho em projetos que visam tornar a mobilidade individual mais ecológica. Nesse caso, os veículos híbridos mostraram seu potencial para reduzir o consumo de combustível e as emissões de CO2, enquanto aumentam o desempenho e o conforto, particularmente em combinação com conceitos de downsizing. No futuro, sistemas alternativos reduzirão nossa dependência de combustíveis fósseis ou até mesmo os substituirão por completo.

Customizable modeling and variable parametrization for different hybrid configurations.

Definindo híbrido

Um veículo híbrido usa um motor de combustão interna (ICE) e um motor elétrico para alcançar a máxima potência e economia de combustível com emissões mínimas. Em suma, os veículos híbridos podem produzir corrente elétrica, que é armazenada em uma bateria grande, e usar essa corrente para ajudar a dirigir o carro. Outros aspectos únicos dos sistemas híbridos são a capacidade de captar energia elétrica produzida por um sistema de frenagem regenerativa e a possibilidade de alimentar um gerador com seu próprio motor.

Os híbridos possuem muitos outros recursos ecológicos, como a capacidade de desligar o ICE quando o veículo não está em movimento ou quando a energia do motor elétrico é suficiente para acionar todo o sistema.

Em comparação com os veículos convencionais, a modelagem de veículos híbridos elétricos difere de três maneiras: eles possuem maior grau de liberdade em arquitetura e componentes; eles têm muito mais parâmetros de influência e aumentam a complexidade do sistema; e são mais difíceis de avaliar em termos de consumo de combustível.

Essa complexidade levou a Magna Steyr Engineering a implementar a engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE) em seu processo interno de desenvolvimento de produtos.

Otimizando a simulação e o design do modelo

Dada a enorme complexidade introduzida por tecnologias novas e mais eficientes, a maioria das empresas automotivas tem sido forçadas a mudar a maneira como concebem seus veículos, seus processos e seus procedimentos de projeto e testes.

Agora é um fato que as emissões de CO2 aumentam os custos dos veículos. As empresas devem agora levar em conta os certificados de produção de CO2, as taxas de reciclagem e os impostos ambientais das cidades. Por exemplo, em 2020, a penalidade na Europa por exceder os limites de emissões será de 95 € por grama, uma quantidade significativa de dinheiro que precisa ser levado em consideração.

No entanto, a Magna Steyr Engineering não viu esses desafios como obstáculos. Em vez disso, a empresa viu oportunidades para desenvolver soluções novas e inovadoras. A empresa teve que encontrar medidas custo-eficientes para atingir as metas de consumo de frota. Para superar esse desafio, a Magna Steyr Engineering implementou o MBSE no departamento de gerenciamento de energia e dirigibilidade para desenvolver um ambiente de simulação para avaliação do consumo de combustível e desempenho de condução.

O software Simcenter Amesim™ - uma solução de simulação da especialista em gerenciamento de ciclo de vida de produto (PLM) Siemens PLM Software - foi a escolha certa para melhorar os processos de desenvolvimento virtual da Magna Steyr Engineering. Isso não só ajudou a melhorar a precisão durante a fase de validação da simulação do modelo, mas também simplificou o processo de criação. O Simcenter Amesim foi usado pela primeira vez para avaliar o gerenciamento geral de energia de veículos e realizar análises de sensibilidade de diversos parâmetros, como aerodinâmica, pneus, powertrain, estratégias de mudança e seleção de relações de marchas, entre outros. “O Simcenter Amesim reduziu notavelmente o esforço de análise de simulação”, diz Michael Martin, gerente de simulação de sistema para desempenho de direção e eficiência de combustível na Magna Steyr Engineering. “Permitindo a redução de custos e economia de tempo, Simcenter Amesim está sendo usado agora para abordar mais projetos.”

Como a Magna Steyr Engineering viu o potencial dos veículos híbridos, o Simcenter Amesim tornou-se uma ferramenta confiável para o desenvolvimento de estratégias operacionais, incluindo limitações de potência, equilíbrio de estado de carga, direção elétrica, condução de motores térmicos, recuperação e mudança de ponto de carga e carga.

Para gerenciar o projeto do sistema de um veículo híbrido, uma arquitetura geral em um único ciclo de teste deve ser definida. Isso permite que várias arquiteturas e parâmetros sejam facilmente testados, como localização e tamanho do motor elétrico ou o tamanho da bateria.

Na segunda fase, a otimização do design da arquitetura do sistema escolhida em uma ampla gama de ciclos de testes e situações deve ser realizada usando um modelo muito mais detalhado. Nesta fase, são necessárias simulações em lote, bem como algumas ferramentas de exploração de projeto, ambas disponíveis através do Simcenter Amesim.

O tipo de automóveis que misturam capacidades normais de veículos com a capacidade do veículo elétrico não é tão fácil de modelar, simular e analisar. Para um veículo convencional, apenas uma simulação de ciclo de condução é necessária para estudar o desempenho geral do consumo de energia; para veículos híbridos, são necessários até seis ou mais ciclos de simulação, dependendo das regulamentações locais e do driving range elétrico de um veículo híbrido. Os primeiros cinco ciclos são dedicados ao esgotamento da bateria e ao ciclo final para carregar a sustentação. Este esforço de simulação se beneficia mais da precisão e do desempenho do Simcenter Amesim, que permite a seus usuários obter resultados válidos e determinar o driving range elétrico, o consumo elétrico e o consumo de combustível. Os recursos de personalização do Simcenter Amesim permitiram que os engenheiros da Magna Steyr Engineering desenvolvessem scripts para executar, analisar e resumir ciclos de simulação de uma maneira altamente eficiente.

Além disso, o foco da simulação de veículo híbrido durante o desenvolvimento serial está no teste funcional da própria estratégia operacional. Neste caso, o Simcenter Amesim é usado para fornecer o modelo da planta para o veículo, o que é possível graças a uma co-simulação utilizando o ambiente Matlab® e o ambiente Simulink®, que fornecem a configuração do controlador para resultados ótimos. Como complemento à solução, a Magna Steyr Engineering emprega a ferramenta de edição de submodelos Simcenter Amesim, que permite aos usuários desenvolver seus próprios componentes, bem como usar o software LMS Test.Lab ™, também da Siemens PLM Software, para gerar dados de validação para melhor calibre os modelos numéricos.

Simcenter Amesim allows Magna Steyr Engineering to simulate charge depleting and sustaining in hybrid vehicles.

Entregando inovação e eficiência

“O que mais gostamos no Simcenter Amesim é o suporte rápido”, diz Martin. “Se surgir um problema, o serviço de suporte é realmente capaz de resolvê-lo.” Algumas outras características que têm a Magna Steyr Engineering focada na tecnologia Siemens PLM Software são sua abrangente biblioteca de modelos validados, componentes bem documentados e abertos, e a possibilidade de executar simulação de gerenciamento térmico e de energia em uma ferramenta.

Uma das mais recentes criações da Magna Steyr Engineering é o seu veículo híbrido MILA Plus, que foi projetado e testado com a ajuda do Simcenter Amesim. O MILA Plus é um inovador carro esportivo híbrido de dois lugares que combina construção leve e sofisticada com tecnologia inteligente de acionamento alternativo para produzir o máximo desempenho e também a compatibilidade com o meio ambiente. Com uma gama totalmente eléctrica de 75 km e um peso de 1,520 kg, utilizando o novo ciclo de condução europeu (NEDC) ECE-R 101, o Simcenter Amesim ajudou a Magna Steyr Engineering a reduzir as emissões de CO2 em 32g / km no MILA Plus.

A Magna Steyr Engineering planeja continuar usando o Simcenter Amesim para novas soluções, inteligentes e inovadoras, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias mais limpas e eficientes.