De un vehículo virtual a un UTV todoterreno eléctrico en menos de un año
Ecologismo con un vehículo utilitario eléctrico
El Brawley™ de Vanderhall Motor Works es un vehículo utilitario (UTV) eléctrico. Los UTV, también conocidos como vehículos side by side, son utilitarios todoterreno populares en actividades recreativas, agrícolas, ganaderas y cinegéticas. Con 303 caballos de fuerza y 140 millas de autonomía, el Brawley está diseñado para ser potente y al mismo tiempo respetuoso con el medio ambiente mientras atraviesa dunas de arena y terrenos pedregosos.
El equipo de Vanderhall enfrentó sus propios obstáculos y dificultades cuando comenzó el proceso de diseño. Los vehículos convencionales de gasolina de Vanderhall se basaban en un sistema de propulsión de General Motors®. Empezaron cambiando el motor de combustión interna por hardware y software de un sistema de propulsión eléctrica de otro fabricante. Aunque los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos son más simples y tienen menos componentes (batería, inversor y motor eléctrico únicamente), la integración de cada sistema no funcionó según lo previsto.
“Necesitábamos que el sistema de propulsión eléctrica se comunicara con el resto de los módulos y sistemas de control de General Motors, tales como la dirección asistida y el ABS”, manifestó Christopher Johnson, director de tecnología de Vanderhall. “Pero no fue así. Terminamos con un vehículo difícil de conducir”.
Vanderhall decidió desarrollar un sistema de propulsión, un sistema de control del motor y un sistema de frenado antibloqueo desde cero, una tarea abrumadora para una pequeña startup de capital privado con un número limitado de profesionales de ingeniería. El grupo de ingeniería comprendió que diseñar y probar los algoritmos de control de manera virtual era fundamental para reducir el riesgo de errores a la hora de integrar software y hardware, y desplegar código en un vehículo todoterreno real.
Brawley de Vanderhall Motor Works, un vehículo utilitario eléctrico. (Imagen cortesía de Vanderhall Motor Works)
“Normalmente, se necesitan muchos años y un ejército de codificadores para desarrollar el software de un sistema de control de vehículos. El mercado de vehículos eléctricos cambia con rapidez; de haber tomado una ruta de desarrollo convencional, seguiríamos soñando con un producto y todos nuestros competidores se nos habrían adelantado”.
Decidieron crear un modelo del vehículo con Simulink®. Se asociaron con el fabricante de semiconductores NXP Semiconductor, lo que permitió convertir rápidamente el código de Simulink para ejecutarlo en chips de automoción de NXP® para simular la dinámica y predecir el comportamiento del vehículo antes de realizar pruebas en un vehículo virtual. Con el diseño basado en modelos, tres profesionales de ingeniería de Vanderhall lograron diseñar, simular y desplegar el prototipo del Brawley en tan solo ocho meses. (NXP es una marca comercial de NXP B.V.)
“Normalmente, se necesitan muchos años y un ejército de codificadores para desarrollar el software de un sistema de control de vehículos”, aseguró Johnson. “El mercado de vehículos eléctricos cambia con rapidez; de haber tomado una ruta de desarrollo convencional, seguiríamos soñando con un producto y todos nuestros competidores se nos habrían adelantado”.
Aceleración del desarrollo de software
“Vehicle Dynamics Blockset ofrece una flexibilidad increíble y nos permite crear características innovadoras para el vehículo, y controlar de forma independiente la potencia, rapidez y velocidad de cada rueda”.
El sistema de propulsión del Brawley cuenta con un motor por rueda y características exclusivas que lo distinguen de sus competidores. (Imagen cortesía de Vanderhall Motor Works)
Varias características, en especial cuatro motores eléctricos (uno por cada rueda de 35 pulgadas), distinguen al UTV eléctrico Brawley de sus competidores. Para proporcionar una experiencia de conducción dinámica e intensa, Johnson y su equipo sabían desde el principio que debían tener un control directo de cada motor. Esto permite que el UTV pueda transitar por caminos de tierra en mal estado, tomar curvas rápidas y cerradas, y sortear terrenos irregulares con facilidad.
El proveedor del sistema de propulsión eléctrica no pudo ajustarse a este requisito. Mostraban cierta reticencia a cambiar su hardware, y dado que codificaban los algoritmos de control manualmente, resultaba difícil rediseñar el software.
Johnson decidió desarrollar el hardware del sistema de propulsión internamente, seleccionando parámetros del sistema tales como tamaño de batería, tipo de motor eléctrico y voltaje del sistema. Una vez que finalizaron el diseño de hardware y adquirieron el hardware de prueba, el equipo de ingeniería se dedicó a desarrollar el sistema de frenado antibloqueo, una unidad de control de motor para determinar la velocidad y el par motor, y el control electrónico de estabilidad, que controla automáticamente los frenos de cada rueda, para evitar patinar y perder el control en curvas cerradas. Codificar el software de control manualmente quedó descartado, ya que Vanderhall deseaba sacar el vehículo al mercado rápidamente; por lo tanto, recurrieron al diseño basado en modelos.
El equipo de ingeniería empleó Simulink para diseñar y desarrollar el software de control del vehículo. Con Vehicle Dynamics Blockset™, modelaron el movimiento y la respuesta del UTV, con lo que pudieron ajustar la distancia de frenado y determinar las RPM del motor a las que las ruedas pierden tracción.
Diseñar un sistema de propulsión con un motor por rueda permitió incorporar características exclusivas al vehículo, que lo distinguen de otros. Su sistema de frenado antibloqueo patentado, por ejemplo, no se basa en abrir y cerrar repetidamente las válvulas de presión para evitar que las ruedas se bloqueen. En cambio, el motor eléctrico de cada rueda ajusta el par motor de tal manera que se evita el bloqueo. El proceso ofrece un control preciso sobre el frenado.
“Vehicle Dynamics Blockset ofrece una flexibilidad increíble y nos permite crear características innovadoras para el vehículo, y controlar de forma independiente la potencia, rapidez y velocidad de cada rueda”, afirma Johnson. “Para controlar las ruedas, se debe crear un modelo, una ecuación física de la acción del vehículo. Por ejemplo, saber cuánto pesa el Brawley o el coeficiente de fricción entre la rueda y la carretera, permite modelar la rapidez a la que acelerará el vehículo o girará una rueda en función del par motor que se aplique.
Después de desarrollar el software del sistema de control de motor y el sistema de frenado antibloqueo, había que probarlos junto con la batería. Utilizaron Powertrain Blockset™ para simular el estado de carga (SOC) de la batería, un número fundamental para un UTV eléctrico. Las baterías de litio no son lineales y su carga cambia dinámicamente en un vehículo. Johnson explica que “al acelerar, se está extrayendo tanta energía de las baterías que el voltaje cae, aunque la capacidad no haya cambiado mucho. Es muy difícil estimar el SOC real cuando todas las mediciones cambian constantemente, y es ahí donde Powertrain Blockset resultó de gran ayuda”.
Crearon un vehículo virtual con Simulink para simular el sistema de propulsión y la dinámica del vehículo en tiempo real, y evaluar el comportamiento de los algoritmos de control.
Realizaron simulaciones de diversos casos límite, como, por ejemplo, qué sucede cuando el vehículo efectúa una maniobra de emergencia, o cuando una batería de alto voltaje se sobrecalienta, e implementaron los algoritmos de control en consecuencia. De este modo, pudieron saber con precisión cómo se comporta el vehículo en el mundo real sin necesidad de realizar pruebas físicas.
“No necesitamos pruebas exhaustivas en el mundo real cada vez que realizamos una revisión de código, porque contamos con una simulación dinámica del vehículo muy precisa. De modo que podemos comprobar si el código corregirá algo en exceso y provocará que el vehículo vuelque, por ejemplo”, dice Johnson. “Comprobamos el control de tracción, el control de estabilidad y la distancia de frenado. El vehículo virtual ayuda a acelerar los procesos y nos permite probar todos estos casos con menos personal y menos vehículos físicos”.
Ganancia segura
El diseño basado en modelos permitió concentrar los esfuerzos de desarrollo de software al principio del proceso, antes de contar con el hardware del vehículo. Y el mismo equipo de ingeniería principal pudo pasar de la arquitectura de código de alto nivel a la implementación y pruebas en un chip procesador.
Unas semanas después de iniciar el proceso de diseño del software, el equipo de Vanderhall estaba listo para probar el código en hardware, sirviéndose de Embedded Coder® para generar código C ejecutable en un microprocesador de control del vehículo.
Esto fue a principios de 2020, cuando los cierres por la pandemia comenzaron a ralentizar la industria de los semiconductores. “Nos asociamos con NXP para utilizar su procesador para automoción, unidades de microprocesador de control de motores y paquete de vinculación", agregó Johnson.
NXP no solo fabricó el microprocesador de desarrollo para automoción de alto rendimiento MPC5777C, sino que además proporcionó su Model-Based Design Toolbox para ayudar a Vanderhall a conectar fácilmente el diseño de Simulink con el procesador de NXP.
Razvan Chivu, gerente del grupo de Model-Based Design Toolbox de NXP, afirma que la mayoría de sus clientes de la industria de automoción emplean Simulink. “Es muy importante poder vincular todos los elementos con los que trabajan en Simulink con nuestro hardware NXP para facilitarles el trabajo. La razón principal para utilizar Model-Based Design Toolbox es su capacidad de actuar como puente entre el ecosistema de MathWorks y el de NXP.
Ese puente permite al equipo de Vanderhall probar el software en etapas iniciales y con frecuencia, lo que facilita la transición del vehículo virtual a las pruebas de processor-in-the-loop y acelera el desarrollo de prototipos. Actualmente, Vanderhall está realizando pruebas unitarias del sistema de propulsión de producción y pruebas de conducción de sus vehículos en etapa de desarrollo. Según Johnson, quedan unos meses más de pruebas de durabilidad y ajustes en el código de control antes de que el Brawley esté listo para salir a la carretera. Y cuando lo haga, los baches no serán problema. El Brawley los enfrentará con estilo.
“Es muy importante poder vincular todos los elementos con los que trabajan en Simulink con nuestro hardware NXP para facilitarles el trabajo. La razón principal para utilizar Model-Based Design Toolbox es su capacidad de actuar como puente entre el ecosistema de MathWorks y el de NXP.
Motor eléctrico del sistema de propulsión del Vanderhall Brawley. (Imagen cortesía de Vanderhall Motor Works)
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