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

Use this link to cite
http://hdl.handle.net/2183/29400Collections
- Teses de doutoramento [2195]
Metadata
Show full item recordTitle
Multiphysics Simulation and Model-based System Testing of Automotive E-PowertrainsAuthor(s)
Directors
González-Varela, Francisco JavierNaya, Miguel A.
Date
2021Abstract
[Abstract]
Model-Based System Testing emerges as a new paradigm for the development
cycle that is currently gaining momentum, especially in the automotive industry.
This novel approach is focused on combining computer simulation and real experimentation
to shift the bulk of problem detection and redesign tasks towards the
early stages of the developments. Along these lines, Model-Based System Testing
is aimed at decreasing the amount of resources invested in these tasks and enabling
the early identification of design flaws and operation problems before a full-vehicle
prototype is available. The use of Model-Based System Testing, however, requires to
implement some critical technologies, three of which will be discussed in this thesis.
The first task addressed in this thesis is the design of a multiplatform framework
to assess the description and resolution of the equations of motion of virtual
models used in simulation. This framework enables the efficiency evaluation of different
modelling and solution methods and implementations. In Model-Based System
Testing contexts virtual models interact with physical components, therefore it is
mandatory to guarantee their real-time capabilities, regardless of the software or
hardware implementations.
Second, estimation techniques based on Kalman Filters are of interest in Model-
Based System Testing applications to evaluate parameters, inputs or states of a
virtual model of a given system. These procedures can be combined with the use
of Digital Twins, virtual counterparts of real systems, with which they exchange
information in a two-way communication. The available measurements from the
sensors located at a physical system can be fused with the results obtained from
the simulation of the virtual model. Thus, this avenue improves the knowledge of
the magnitudes that cannot be measured directly by these sensors. In turn, the
outcomes obtained from the simulation of the virtual model could serve to make
decisions and apply corrective actions onto the physical system.
Third, co-simulation techniques are necessary when a system is split into several
subsystems that are coordinated through the exchange of a reduced set of variables
at discrete points in time. This is the case with a majority of Model-Based System
Testing applications, in which physical and virtual components are coupled through
a discrete-time communication gateway. The resulting cyber-physical applications
are essentially an example of real-time co-simulation, in which all the subsystems
need to achieve real-time performance. Due to the presence of physical components,
which cannot iterate over their integration steps, explicit schemes are often
mandatory. These, however, introduce errors associated with the inherent delays of
a discrete communication interface. These errors can render co-simulation results
inaccurate and even unstable unless they are eliminated. This thesis will address
this correction by means of an energy-based procedure that considers the power
exchange between subsystems.
This research work concludes with an example of a cyber-physical application,
in which real components are interfaced to a virtual environment, which requires
the application of all the MBST technologies addressed in this thesis. [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. [Resumo]
Os ensaios de sistemas baseados en modelos xorden como un novo paradigma
de desenvolvemento que actualmente está gañando popularidade, especialmente na
industria automotriz. Este novo enfoque céntrase en combinar a simulación por
ordenador coa experimentación para desprazar a maior parte da detección de problemas
e redeseños cara as fases iniciais do ciclo de produto. Deste xeito, os ensaios
de sistemas baseados en modelos fundaméntanse en diminuír a cantidade de recursos
investidos nestas tarefas e habilitar a identificación temperá de erros de deseño
e problemas durante a operación, aínda se os prototipos do vehículo completo non
están dispoñibeis. Porén, o uso desta estratexia require implementar algunhas tecnoloxías críicas, tres das cales serán tratadas nesta tese.
A primeira tarefa tratada nesta tese é o deseño dun entorno multiplataforma
para avaliar a descripción e resolución das ecuacións da dinámica dos modelos virtuais
empregados nas simulacións. Este entorno permite unha avaluación eficiente
dos diferentes xeitos de modelar os sistemas e dos métodos de resolución e implementación. Neste contexto de ensaios baseados en modelos, os sistemas virtuais
interactúan cos compoñentes dos sistemas físicos, polo tanto é necesario garantir as
súas capacidades de execución en tempo real, independentemente da plataforma de
hardware e software escollida.
En segundo lugar, as técnicas de estimación baseadas en filtros de Kalman son de
grande interese nas aplicacións que usan ensaios baseados en modelos para avaliar os
seus parámetros, entradas ou estados dos modelos virtuais dun certo sistema. Estes
procedementos pódense combinar co uso de xemelgos dixitais, homólogos virtuais
dun sistema físico, co cal manteñen un fluxo bidireccional de intercambio de información. As medidas dispoñíbeis procedentes dos sensores instalados nun sistema
físico pódense combinar cos resultados obtidos da simulación do sistema virtual.
Deste xeito, este enfoque mellora o coñecemento das magnitudes que non poden ser
medidas directamente polos sensores. Á súa vez, os resultados da simulación dos
sistemas dos modelos virtuais poden servir para tomar decisións e aplicar medidas
correctivas ao sistema real.
En terceiro lugar, as técnicas de co-simulación son necesarias cando un sistema
é dividido en varios subsistemas, coordinados a través do intercambio dun reducido
número de variables en momentos puntuais. Este é o caso da maior parte das
aplicacións que seguen a estratexia de ensaios baseados en modelos, nos cales os
compoñentes físicos e virtuais se acoplan mediante unha comunicación en tempo
discreto. Como resultado as aplicacións ciberfísicas son esencialmente un exemplo
de co-simulación en tempo real, na que tódolos subsistemas necesitan cumprir os
requisitos de execución en tempo real. Debido á presenza de compoñentes físicos, que
non poden reiterar os seus pasos de integración, o uso de esquemas explícitos é polo
xeral necesario. Con todo, estes esquemas introducen erros asociados cos atrasos
derivados dunha interface de tempo discreto. Estes erros poden provocar resultados
incorrectos e incluso inestabilizar a co-simulación, de non seren eliminados. Esta
tese aborda a corrección da co-simulación a través de métodos enerxéticos baseados
na potencia intercambiada polos subsistemas.
Este traballo conclúe cun exemplo de aplicación ciberfísica, na que os compoñentes
reais son conectados a un entorno virtual. Isto require o emprego de tódalas tecnoloxías de ensaios baseadas en modelos presentadas ao longo desta tese.
Keywords
Métodos de simulación
Automóviles-Industria y comercio-Simulación por ordenador
Autómoviles-Control automático
Automóviles-Industria y comercio-Simulación por ordenador
Autómoviles-Control automático
Rights
Atribución 4.0 España