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

Abstract

[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.