El proyecto XILforEV desarrolla una nueva metodología para el desarrollo de sistemas complejos para vehículos eléctricos

Este viernes se celebra un workshop sobre desarrollo de producto virtual y producción de todo tipo de vehículos y componentes electrificados, en modo on line, en el que se van a presentar varios proyectos vinculados con el coche eléctrico, como  XILforEV, en el que participa ITAINNOVA. El consorcio, formado por empresas, centros tecnológicos y universidades de Alemania, Francia, Eslovenia, Bélgica y España, ha logrado abaratar la fase de validación experimental.

El proyecto XILforEV tiene por objetivo el desarrollo de una nueva metodología experimental para el desarrollo de sistemas complejos para vehículos eléctricos. Esta metodología está basada en la conexión en tiempo real de bancos de ensayos de distintos subsistemas situados en diferentes localizaciones geográficas que constituirán un entorno experimental X-in-the-loop único. Esta nueva metodología de ensayo permitirá explorar, de forma más precisa que las basadas únicamente en modelos, interdependencias entre los subsistemas que difícilmente podrían ser abordadas hasta los ensayos en vehículo completo.

Para conocer más detalles sobre este proyecto, en esta entrevista a Carlos Bernad, ingeniero del equipo de Simulación y Control de ITAINNOVA, nos desvela los objetivos de este proyecto.

PREGUNTA.-  El objetivo de este proyecto es ¿lograr una nueva herramienta de diseño y prueba para vehículos eléctricos y sus sistemas? ¿Qué singularidades presenta?

RESPUESTA.- Dentro del pacto verde europeo, la electrificación de vehículos combinada con la producción de energía renovable son dos de los pilares con los que se busca alcanzar el ambicioso objetivo de la neutralidad climática para el año 2050. Además de los evidentes beneficios en la reducción de emisiones y en la eficiencia energética por la recuperación de parte de la energía en las frenadas, los vehículos eléctricos también facilitan en muchos aspectos la introducción de distintos niveles de conducción autónoma, al ser más sencillo el control de la tracción y disponer de sistemas eléctricos también para la dirección y el frenado. Sin embargo, la combinación de estas dos grandes tendencias (electrificación y conducción autónoma) aumenta la complejidad del diseño e integración de los distintos subsistemas y componentes de los vehículos.

Para introducir el objetivo del proyecto, es necesario entender la forma en la que se diseñan las plataformas de los distintos vehículos. Los fabricantes del vehículo (OEM) trabajan en el diseño y desarrollo del vehículo como sistema completo, y colaboran con los proveedores de primer nivel (TIER1) para definir las especificaciones de cada uno de los subsistemas (por ejemplo: frenado, dirección, suspensión…) que formarán el vehículo. En unas primeras fases, estas especificaciones muy completas del subsistema se verifican sobre modelos y simulaciones que pueden llegar a una precisión y complejidad elevada, pero que ayudan a reducir la fase experimental. A continuación, los componentes y subsistemas reales se ensayan en bancos de pruebas específicos antes de pasar a los ensayos de vehículo completo.

La introducción de electrónica y software en los distintos subsistemas y componentes mecánicos ha requerido para su desarrollo eficaz y eficiente de la aparición de metodologías llamadas X-in-the-loop (XiL), donde los algoritmos y el hardware de control se comprueban actuando sobre componentes virtuales que emulan los componentes físicos reales y que son fundamentales para anticipar posibles problemas en la integración y funcionamiento conjunto de los distintos subsistemas (tracción, dirección, suspensión, frenado,…) en el vehículo completo.

En este contexto, el proyecto XILforEV tiene por objetivo el desarrollo de una nueva metodología experimental para el desarrollo de sistemas complejos para vehículos eléctricos. Esta metodología está basada en la conexión en tiempo real de bancos de ensayos de distintos subsistemas situados en diferentes localizaciones geográficas que constituirán un entorno experimental X-in-the-loop único. Esta nueva metodología de ensayo permitirá explorar, de forma más precisa que las basadas únicamente en modelos, interdependencias entre los subsistemas que difícilmente podrían ser abordadas hasta los ensayos en vehículo completo.

P.- ¿Se pretende abaratar el coste de un vehículo eléctrico?

R.- Como en una gran parte de los proyectos financiados por Europa para el sector del automóvil, el objetivo es aumentar la competitividad, aunque esto no se busca siempre de forma directa a través de una reducción de costes. Si nos fijamos en la evolución de los vehículos durante los últimos años, aunque los precios de venta de cada gama no han experimentado grandes cambios pero, por el mismo precio, estamos comprando coches que incorporan muchísima más tecnología en seguridad, ayudas a la conducción, entretenimiento… un coche de gama media actual, lleva más tecnología que uno de gama alta de hace 10 años.

Con la llegada del vehículo eléctrico y autónomo, esta incorporación de tecnología todavía aumenta más y, lógicamente, eso tiene un coste en el precio del vehículo. Estudios realizados con ese enfoque, estiman que el coste de la conectividad incrementa el precio un 2%, la electrificación un alrededor de un 15% y la conducción autónoma hasta un 20%. En el caso de este proyecto en concreto, donde más se pretende incidir es en la reducción del time-to-market y en los costes de desarrollo de las nuevas funcionalidades, a la vez que se mantiene la fiabilidad y la seguridad del vehículo. Es decir, más que abaratar el coste de los vehículos eléctricos actuales, que requeriría sobre todo abaratar la tecnología de las baterías y mejorar la economía de escala asociada a las mismas, lo que se busca es aprovechar al máximo las capacidades de la electrificación para mejorar el control y la seguridad de los vehículos, pero minimizando la repercusión en el coste. Por ponerte un ejemplo, uno de los casos de uso del proyecto, es el desarrollo de algoritmos de control que combinen la actuación simultánea de motores eléctricos en cada rueda, las suspensiones activas y el sistema de frenado, para que el vehículo sea más estable en cualquier maniobra y al mismo tiempo mejore el grado de confort de marcha. El nivel al que se puede llegar no es alcanzable en un vehículo de combustión, pero ese nivel trae consigo una complejidad muy alta que requiere de herramientas como las que estamos desarrollando para poderse llevar a cabo en un plazo de tiempo corto y sin afectar a la fiabilidad y seguridad del vehículo.

P.- Se van a utilizar gemelos digitales ¿Por qué se ha elegido esa tecnología?

R.- El desarrollo de los gemelos digitales está muy asociado a la simulación de procesos en industria, ya que la conexión de los modelos computacionales con el sistema real al que representan mediante sensores en línea, combinado con la aplicación de técnicas de Machine Learning permite obtener un modelo de alta  precisión cuyo comportamiento se asemeja fielmente al del sistema real. El gemelo digital permite analizar opciones y tomar decisiones para mejorar el proceso de una forma eficiente y con menos riesgo.

En el contexto del proyecto XILforEV, la utilización de los gemelos digitales es algo distinta ya que no se aplica a un proceso productivo. Las metodologías XIL están basadas en modelos de los componentes físicos, cuya representación precisa de la realidad juega un papel fundamental en el éxito de la metodología, pero además, los modelos no pueden ser infinitamente complejos ya que tienen que hacer predicciones en tiempo real: es necesario buscar un compromiso entre fidelidad y complejidad. Es aquí donde entran en juego los gemelos digitales: durante la ejecución de los ensayos, se obtiene información de los componentes reales, que mediante la aplicación de algoritmos de inteligencia artificial se utiliza para generar una representación precisa del componente modelado, pero al mismo tiempo con poco coste computacional, lo que permite su cálculo en tiempo real.

P.-  ¿Cuál es el papel de ITAINNOVA en este consorcio?

R.- El punto de partida del proyecto en todo lo relativo a la realización de ensayos conectados entre distintos bancos viene del coordinador del proyecto, la Universidad Técnica de Ilmenau en Alemania. Nuestro valor añadido se basa en la utilización de nuestro conocimiento de sistemas de automoción, gemelos digitales y control distribuido para superar dos de los retos técnicos que implica la realización de ensayos simultáneos en distintas localizaciones. Por un lado, en ITAINNOVA somos los responsables del desarrollo e implementación de los gemelos digitales necesarios para modelar los componentes del proyecto con suficiente precisión y bajo coste computacional y, por otro lado, también de desarrollar los algoritmos necesarios para compensar retrasos en las comunicaciones y pérdida de información entre los distintos bancos de ensayo por la conexión a través de internet. Además, contaremos con uno de los bancos de ensayos específicos que se conectarán con el resto: el de suspensión activa.

Es importante destacar que la aproximación que usamos para la generación de los gemelos digitales, no está solamente basada en los datos adquiridos, sino que también utiliza el conocimiento físico de los componentes, lo que consigue acelerar mucho el proceso de generación del gemelo. Es decir, si los modelos puros basados en datos son “cajas negras” y los modelos de simulación basados en la resolución de la física del problema son “cajas blancas” nosotros trabajamos con aproximaciones de “caja gris” que buscan aprovechar lo mejor de ambos enfoques.

P.- En el consorcio se plantea crear una plataforma con el fin de que tenga un gran impacto en la comunidad de diseño de vehículo eléctrico, a través de la conexión de entornos experimentales. Esto ¿qué va a significar?

R.- Es un avance que sobre todo puede simplificar los procesos de integración de nuevos componentes y de nuevos desarrollos sin necesidad de aumentar la inversión en nuevas instalaciones, ya que de esta forma se podrán utilizar bancos de ensayo separados miles de kilómetros como si fueran uno solo. 

Con el estado del arte actual, existen problemas asociados a la integración de los diferentes subsistemas que dependen de proveedores distintos que no pueden detectarse con una aproximación puramente virtual o con bancos de ensayo individuales y, por lo tanto, no se detectan hasta las pruebas finales con el vehículo completo. En esas circunstancias cualquier especificación que no se cumpla traerá consigo un rediseño o modificación que puede suponer cambios en componentes de distintos proveedores dadas las interacciones que hay entre los subsistemas del vehículo y retrasar y encarecer la salida del nuevo modelo al mercado. Con la plataforma experimental que resultará del proyecto, se evitarán esas circunstancias y se abaratará la fase de validación experimental.

P.- ¿Puede decirse que este proyecto contribuye a lo que será el coche del futuro? ¿Cómo será ese coche?

R.- Como todas las herramientas de ingeniería de diseño y desarrollo, este proyecto es una ayuda más para construir y llevar al mercado ese coche que las tendencias marcan que será más inteligente, más seguro y más respetuoso con el medio ambiente. No creo que este proyecto suponga un cambio radical, pero sí que impulsará en la dirección correcta para hacerlo más alcanzable.

Son socios de XILforEV:

Horizon 2020 Call: H2020-LC-GV-2018-2019-2020 (Building a low-carbon, climate resilient future: Green Vehicles)

Topic: LC-GV-02-2018 “Virtual product development and production of all types of electrified vehicles and components”

Type of action: RIA

This project has received funding from the [ Horizon 2020 Call: H2020-LC-GV-2018-2019-2020 (Building a low-carbon, climate resilient future: Green Vehicles) [Euratom research and training programme 2014-2018] under grant agreement No 824333