Evolución de las herramientas de modelado existentes con la cadena de herramientas VERDE en GM

En General Motors (GM), el equipo de desarrollo de modelos energéticos y cadenas de herramientas crea y gestiona herramientas que permiten predecir, analizar, desarrollar y validar atributos esenciales del rendimiento de vehículos, como autonomía de conducción, eficiencia de combustible, calidad de conducción y aceleración. Como parte de este equipo, buscamos continuamente formas de mejorar el análisis energético en GM mediante modelado y simulación de energía de vehículos.

El equipo de ingeniería de GM utiliza herramientas de modelado energético desde hace más de 20 años. Desarrollamos estas herramientas internamente para aprovechar el mayor control, velocidad, flexibilidad y confidencialidad que aporta este enfoque, en lugar de depender exclusivamente de paquetes de software comercial (COTS). Aunque la capacidad y eficiencia de las herramientas que desarrollamos seguía aumentando, el número de usuarios que utilizaban estas soluciones internas había comenzado a disminuir. Este descenso se atribuyó a varios factores, como interfaces gráficas obsoletas, dificultades para integrar las herramientas con software de terceros para cosimulación y colaboración limitada con equipos de ingeniería de otros dominios. 

Para abordar muchos de los desafíos persistentes de nuestras herramientas de modelado y simulación existentes, hemos creado VERDE (Vehicle Energy and Range Development Environment). VERDE se ha desarrollado con MATLAB^® y Simulink^®, e incorpora una interfaz gráfica moderna que facilita su aprendizaje y uso para crear y ejecutar modelos (Figura 1). VERDE admite cosimulación con herramientas de terceros para modelar características térmicas, baterías de alta tensión, y ruido, vibración y aspereza (NVH), entre otros aspectos. Además, ofrece precisión y escalabilidad. Nuestros equipos de ingeniería lo utilizan para realizar estudios de optimización a gran escala, además de diseños de experimentos (DOE) en clusters de cálculo de alto rendimiento (HPC). La flexibilidad de VERDE para trabajar con sistemas de propulsión convencionales, híbridos, eléctricos y de celda de combustible, y su capacidad para agilizar una amplia variedad de casos prácticos, desde simulación básica, visualización de datos y generación de informes hasta simulación virtual de hardware-in-the-loop (HIL) más avanzada y pruebas de driver-in-the-loop en tiempo real, han despertado el interés de diversos grupos de ingeniería, lo que ha propiciado un aumento del 40% del número de usuarios respecto a nuestro entorno de modelado anterior. Este artículo ofrece una visión general de cómo se creó VERDE y cómo se utiliza para mejorar el análisis de energía en GM.

Interfaz gráfica y modelo de VERDE

Una de nuestras principales prioridades durante el desarrollo de VERDE fue mejorar la experiencia de uso. La precursora de VERDE era una toolbox de MATLAB personalizada que se había desarrollado internamente en GM durante muchos años. Su interfaz gráfica era compleja y difícil de aprender, lo que complicaba la incorporación de más personal de ingeniería y la adición de nuevas funcionalidades.

Desarrollamos la interfaz gráfica de VERDE con MATLAB App Designer. Incluye numerosas funcionalidades, como pestañas de varios niveles, opciones de árbol dinámicas y gráficos interactivos, que permiten que navegar por ella sea intuitivo y fácil. Como parte del rediseño, decidimos estructurar VERDE de modo que la interfaz gráfica y el modelo de vehículo completo subyacente estuvieran parcialmente acoplados, lo que permite que VERDE admita múltiples arquitecturas de vehículo.

Con esta estructura parcialmente acoplada, la interfaz gráfica de VERDE interactúa con los modelos de vehículo completo que hemos creado para configurar y ejecutar simulaciones. Durante el desarrollo de los modelos en Simulink, Simscape™ y Simscape Driveline™, aprovechamos varias funcionalidades clave para gestionar la escala y complejidad del modelado de un sistema con más de 2.000 parámetros y 200.000 bloques (Figura 2). Por ejemplo, utilizamos una arquitectura de bus para reducir la complejidad y saturación de las líneas, referencias de modelos para crear y mantener una jerarquía de modelos ordenada, y variantes de modelos para modificar los niveles de fidelidad de componentes individuales a medida que los proyectos pasan de definición del programa a desarrollo y refinamiento y, finalmente, producción.

Herramientas de preprocesamiento y posprocesamiento de VERDE

Aunque un escenario de uso sencillo de VERDE consiste en configurar el modelo, realizar una única ejecución de simulación y comprobar los resultados, nuestros equipos de ingeniería suelen tener requisitos que van mucho más allá de este caso práctico básico. Para satisfacer estos requisitos, incorporamos amplias prestaciones de preprocesamiento y posprocesamiento en VERDE.

En cuanto a preprocesamiento, agregamos funcionalidades que permiten comparar modelos entre sí, configurar y ejecutar DOE con un modelo semilla, gestionar datos de entrada procedentes de una base de datos y enviar trabajos a un cluster HPC (Figura 3). La funcionalidad de gestión de datos es una mejora reciente de VERDE que forma parte de nuestros esfuerzos continuos por optimizar la herramienta. Anteriormente, VERDE utilizaba archivos de datos individuales que cada usuario gestionaba y almacenaba localmente. Actualmente, VERDE utiliza una aplicación basada en PostgreSQL^® denominada InSPIRE (Innovative Simulation Parameter Inputs and Results Environment). InSPIRE se ha integrado en VERDE con Database Toolbox™, y almacena entradas de modelos y resultados de simulación en una base de datos relacional, lo que mejora la automatización, generación de informes, análisis y trazabilidad. 

También hemos desarrollado un conjunto de herramientas personalizadas para posprocesar datos de ejecuciones de simulación. Por ejemplo, nuestra herramienta de representación gráfica se utiliza para representar resultados de simulación de series temporales; también permite importar datos de otras fuentes para utilizarlos en gráficas y exportar datos nativos de MATLAB en otros formatos (Figura 4). Otras herramientas de posprocesamiento son una herramienta de cálculo de energía para análisis de balance de energía y una herramienta de correlación de modelos para automatizar comparaciones entre resultados de simulación y pruebas.

Cosimulación con herramientas COTS

Desde el principio, nuestro objetivo no era recrear todas las prestaciones de simulación utilizadas en GM mediante su implementación directa en VERDE. La idea era más bien integrar las herramientas que ya utilizaban nuestros equipos de ingeniería en el marco de VERDE mediante cosimulación. A tal fin, incorporamos compatibilidad para cosimulación directa con diversos tipos de software COTS, como herramientas para modelar sistemas térmicos de vehículos eléctricos, rendimiento térmico y emisiones de motores de combustión interna, y dinámica de vehículos y transmisión (Figura 5). VERDE admite el estándar de interfaz de maqueta funcional versión 2.0 (FMI 2.0), lo que permite integrarlo con software COTS que también cumpla con el estándar.

Debido al diseño modular de VERDE, se pueden extraer subsistemas individuales como módulos independientes para integrarlos con simuladores de tiempo por vuelta y otras herramientas. VERDE también puede ejecutarse en tiempo real para permitir simulaciones de driver-in-the-loop (Figura 6).

Flexibilidad, fidelidad, escalabilidad y precisión

Durante el tiempo que nuestros equipos de ingeniería de GM llevan utilizando VERDE, la herramienta ha cumplido los objetivos clave que establecimos cuando comenzamos a desarrollarla.

Desde el punto de vista de la flexibilidad, VERDE ofrece una amplia gama de opciones para modelado y simulación de energía. Los equipos de ingeniería pueden configurar simulaciones sirviéndose de una combinación de arquitecturas de vehículo; escenarios de conducción centrados en consumo de combustible o rendimiento, por ejemplo; ajustes de control y calibración, y herramientas de cosimulación (Figura 7).

A medida que un proyecto avanza desde las etapas exploratorias iniciales hacia producción, los equipos de ingeniería pueden utilizar VERDE para aumentar la fidelidad de los modelos. Por ejemplo, las simulaciones iniciales pueden utilizar modelos sencillos de temperatura de baterías de alta tensión, como un valor constante o un perfil de temperatura utilizado en simulaciones anteriores. Más adelante, cuando se necesita mayor fidelidad, las simulaciones pueden incorporar cosimulación con una variante basada en una herramienta de modelado térmico más realista.

VERDE también ha demostrado ser escalable. Su comunidad usuaria global ha crecido hasta alcanzar casi 400 personas en diversos dominios de ingeniería. Cuando es necesario, se pueden enviar simulaciones a gran escala, para optimizaciones o DOE, a un cluster HPC directamente desde la interfaz gráfica de VERDE.

Para validar la precisión de las simulaciones de VERDE, comparamos los resultados de pruebas del mundo real con resultados de simulación generados por VERDE. Por ejemplo, en una prueba simulamos la autonomía en millas de un vehículo eléctrico con una configuración específica, y después comparamos los resultados con los resultados medidos de un vehículo eléctrico con una configuración idéntica. La comparación arrojó un valor de R cuadrado (R²) de 0,9998, lo que indica un ajuste excelente entre el modelo y los datos medidos; en promedio, el modelo era aproximadamente un 0,4% más pesimista (Figura 8).

Seguimos mejorando y ampliando VERDE con un calendario continuo de versiones bien definidas y coherentes. Tenemos previstas varias mejoras que impulsarán aún más la colaboración y coordinación entre dominios, como compatibilidad con nuevas herramientas de cosimulación y modelado de durabilidad, además de mejoras de velocidad para ejecutar estudios a gran escala más rápidamente. 

Resumen

A medida que los requisitos de ingeniería de GM han evolucionado, también lo han hecho las herramientas de simulación que utilizamos para analizar nuestros vehículos. La flexibilidad de las plataformas de MATLAB y Simulink nos ha permitido mejorar nuestras herramientas de simulación para satisfacer estas necesidades. Modernizar la interfaz gráfica es un aspecto clave para ayudar a nuestros equipos de ingeniería, pero las mejoras de los modelos de vehículo subyacentes, la arquitectura de cosimulación, la base de datos para gestionar resultados y las herramientas de preprocesamiento y posprocesamiento son igual de importantes. Estas mejoras han requerido una inversión considerable, pero han proporcionado una base aún más sólida para que la próxima generación de profesionales de ingeniería de GM diseñe la siguiente generación de vehículos de GM.

Agradecimientos

Agradecemos especialmente a Nate Wilmot su orientación durante este trabajo y su importante contribución a este artículo y presentación.