Weiterentwicklung bestehender Modellierungstools mit der VERDE-Toolchain bei GM

Bei General Motors (GM) entwickelt und betreut das Team für Energiemodell- und Toolchain-Entwicklung alle Tools, mit denen GM-Ingenieure zentrale Fahrzeugleistungsmerkmale – darunter Reichweite, Kraftstoffeffizienz, Fahrqualität und Beschleunigung – vorhersagen, analysieren, entwickeln und validieren. Als Teil dieses Teams suchen wir ständig nach Möglichkeiten, die Energieanalyse bei GM durch Fahrzeugenergie-Modellierung und -Simulation voranzubringen.

GM-Ingenieure setzen bereits seit über 20 Jahren Tools zur Energiemodellierung ein. Wir haben diese Tools intern entwickelt, weil uns dieser Ansatz mehr Kontrolle, Geschwindigkeit, Flexibilität und Vertraulichkeit bietet, als sich ausschließlich auf kommerzielle Standardlösungen (Commercial Off-the-Shelf, COTS) zu verlassen. Obwohl die von uns entwickelten Tools immer leistungsfähiger und effizienter wurden, hatte die Zahl der Anwender dieser internen Lösungen zu sinken begonnen. Dieser Rückgang war auf mehrere Faktoren zurückzuführen, darunter veraltete Benutzeroberflächen, Schwierigkeiten bei der Integration der Tools in Software von Drittanbietern für die Co-Simulation sowie die eingeschränkte Zusammenarbeit mit Ingenieuren aus anderen Bereichen. 

Um viele der langjährigen Herausforderungen unserer bisherigen Modellierungs- und Simulationstools anzugehen, haben wir VERDE (Vehicle Energy and Range Development Environment) entwickelt. VERDE wurde mit MATLAB^® und Simulink^® entwickelt und verfügt über eine moderne Benutzeroberfläche, die das Erlernen und die Nutzung beim Erstellen und Ausführen von Modellen erleichtert (Abbildung 1). VERDE unterstützt die Co-Simulation mit Tools von Drittanbietern, unter anderem für die Modellierung thermischer Eigenschaften, von Hochvoltbatterien sowie von Geräusch- und Schwingungsverhalten und Rauheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH). Zudem ist VERDE sowohl präzise als auch skalierbar: Unsere Ingenieure führen damit groß angelegte Optimierungsstudien und statistische Versuchsplanungen (Design of Experiments, DOE) auf Hochleistungsrechenclustern (High-Performance Computing, HPC) durch. Dank seiner Flexibilität bei der Unterstützung konventioneller, hybrider, elektrischer und Brennstoffzellen-Antriebsstränge sowie der Fähigkeit, unterschiedlichste Anwendungsfälle effizienter zu gestalten – von einfacher Simulation, Datenvisualisierung und Berichterstellung bis hin zu anspruchsvolleren virtuellen Hardware-in-the-Loop-Simulationen und Driver-in-the-Loop-Tests in Echtzeit –, hat VERDE das Interesse verschiedenster Engineering-Teams geweckt. Dadurch ist die Zahl der Anwender im Vergleich zu unserer früheren Modellierungsumgebung um 40% gestiegen. Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, wie VERDE entwickelt wurde und wie es eingesetzt wird, um die Energieanalyse im gesamten Unternehmen voranzubringen.

Benutzeroberfläche und Modell von VERDE

Eine unserer obersten Prioritäten bei der Entwicklung von VERDE war die Verbesserung der Benutzererfahrung. Der Vorläufer von VERDE war eine eigene MATLAB-Toolbox, die bei GM über viele Jahre hinweg intern entwickelt worden war. Ihre Benutzeroberfläche war komplex und schwer zu erlernen, was sowohl die Einarbeitung neuer Ingenieure als auch das Hinzufügen neuer Funktionen erschwerte.

Die Benutzeroberfläche von VERDE haben wir mit dem MATLAB App Designer erstellt. Sie umfasst zahlreiche Funktionen für intuitive Bedienbarkeit und einfache Navigation – darunter mehrschichtige Registerkarten, dynamische Baumstrukturoptionen und interaktive Grafiken. Im Zuge der Neugestaltung haben wir uns entschieden, VERDE so zu strukturieren, dass die Benutzeroberfläche und das zugrunde liegende Gesamtfahrzeugmodell teilweise aneinander gekoppelt sind, damit VERDE mehrere Fahrzeugarchitekturen unterstützen kann.

Bei dieser semi-gekoppelten Struktur interagiert die VERDE-Benutzeroberfläche zur Einrichtung und Ausführung von Simulationen mit den von uns erstellten Gesamtfahrzeugmodellen. Bei der Entwicklung der Modelle in Simulink, Simscape™ und Simscape Driveline™ haben wir mehrere zentrale Funktionen genutzt, um die Komplexität und den Umfang der Modellierung eines Systems mit mehr als 2.000 Parametern und 200.000 Blöcken zu bewältigen (Abbildung 2). Beispielsweise haben wir eine Busarchitektur verwendet, um die Komplexität und Unübersichtlichkeit der Signallinien zu verringern. Zudem nutzen wir Modellreferenzen, um eine geordnete Modellhierarchie zu erstellen und zu pflegen, sowie Modellvarianten, um die Detailebenen einzelner Komponenten im Modell zu variieren, während Projekte von der frühen Konzeptphase über Entwicklung und Verfeinerung bis hin zur Serienreife voranschreiten.

Tools für die Vor- und Nachverarbeitung in VERDE

Ein einfaches Nutzungsszenario für VERDE besteht darin, das Modell zu konfigurieren, einen einzelnen Simulationslauf zu starten und die Ergebnisse zu prüfen. Die Anforderungen unserer Engineering-Teams gehen jedoch oft weit über dieses grundlegende Szenario hinaus. Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben wir umfangreiche Funktionen für die Vor- und Nachverarbeitung in VERDE integriert.

Auf der Vorverarbeitungsseite haben wir Funktionen hinzugefügt, mit denen Ingenieure verschiedene Modelle miteinander vergleichen, DOE auf Basis eines Ausgangsmodells einrichten und durchführen, Eingangsdaten aus einer Datenbank verwalten und Jobs an einen HPC-Cluster übermitteln können (Abbildung 3). Die Datenverwaltungsfunktion ist eine der jüngsten Erweiterungen von VERDE und Teil unserer kontinuierlichen Bemühungen, das Tool weiter zu verbessern. Früher arbeitete VERDE mit einzelnen Datendateien, die von den Anwendern lokal verwaltet und gespeichert wurden. Heute nutzt VERDE eine auf PostgreSQL^® basierende Anwendung namens InSPIRE (Innovative Simulation Parameter Inputs and Results Environment). InSPIRE ist über die Database Toolbox™ in VERDE integriert und speichert Modelleingaben und Simulationsergebnisse in einer relationalen Datenbank. Dies ermöglicht eine verbesserte Automatisierung, Berichterstellung, Analyse und Rückverfolgbarkeit. 

Darüber hinaus haben wir eine Reihe maßgeschneiderter Tools für die Nachverarbeitung von Daten aus Simulationsläufen entwickelt. Beispielsweise lassen sich mit unserem Plotter-Tool Simulationsergebnisse als Zeitreihen darstellen, wobei es außerdem Daten aus anderen Quellen für die Darstellung importieren und in MATLAB nativ vorliegende Daten in andere Formate exportieren kann (Abbildung 4). Zu den weiteren Nachverarbeitungstools gehören ein Energieberechnungstool für Energiebilanzanalysen und ein Modellkorrelationstool zur Automatisierung von Vergleichen zwischen Simulations- und Testergebnissen.

Co-Simulation mit COTS-Tools

Von Anfang an war es nicht unser Ziel, alle bei GM genutzten Simulationsfunktionen direkt in VERDE nachzubilden. Vielmehr bestand die Idee darin, bereits von unseren Engineering-Teams genutzte Tools über Co-Simulation in das VERDE-Framework zu integrieren. Zu diesem Zweck haben wir die direkte Co-Simulation mit einer Vielzahl von COTS-Programmen integriert, darunter Tools für die Modellierung thermischer Systeme von Elektrofahrzeugen, des thermischen Verhaltens und der Emissionen von Verbrennungsmotoren sowie der Fahrzeug- und Antriebsstrangdynamik (Abbildung 5). VERDE unterstützt Version 2.0 des Functional Mock-up Interface (FMI 2.0) und lässt sich dadurch in COTS-Software integrieren, die diesen Standard ebenfalls erfüllt.

Dank des modularen Aufbaus von VERDE können einzelne Subsysteme als eigenständige Module extrahiert und in Rundenzeit-Simulatoren und andere Tools integriert werden. Zudem lässt sich VERDE in Echtzeit ausführen und ermöglicht so Driver-in-the-Loop-Simulationen (Abbildung 6).

Flexibilität, Genauigkeit, Skalierbarkeit und Korrektheit

Seit unsere GM-Engineering-Teams VERDE einsetzen, hat es die zentralen Ziele erfüllt, die wir uns zu Beginn der Entwicklung gesetzt hatten.

In puncto Flexibilität bietet VERDE den Teams umfassende Optionen für die Energiemodellierung und -simulation. Ingenieure können Simulationen aus einer Kombination von Fahrzeugarchitekturen, Fahrszenarien (beispielsweise mit Fokus auf Kraftstoffverbrauch oder Fahrleistung), Regelungs- und Kalibrierungseinstellungen sowie Co-Simulationstools zusammenstellen (Abbildung 7).

Während ein Projekt von den frühen Erkundungsphasen in Richtung Serienreife voranschreitet, können Ingenieure mit VERDE die Genauigkeit ihrer Modelle erhöhen. Erste Simulationen können beispielsweise einfache Modelle für die Temperatur der Hochvoltbatterie verwenden, beispielsweise einen konstanten Wert oder ein Temperaturprofil aus früheren Simulationen. Wird später eine höhere Genauigkeit benötigt, können die Simulationen eine Co-Simulation mit einer Variante einbeziehen, die auf einem realistischeren Tool zur thermischen Modellierung basiert.

Zudem hat sich VERDE als skalierbar erwiesen. Seine weltweite Anwender-Community ist auf fast 400 Personen aus unterschiedlichen Engineering-Bereichen angewachsen. Bei Bedarf können Anwender groß angelegte Simulationen (für Optimierungen oder DOE) direkt über die VERDE-Benutzeroberfläche an einen HPC-Cluster übermitteln.

Um die Korrektheit der VERDE-Simulationen zu überprüfen, haben wir die Ergebnisse realer Tests mit den von VERDE erzeugten Simulationsergebnissen verglichen. In einem Test haben wir beispielsweise die elektrische Reichweite in Meilen für eine bestimmte Fahrzeugkonfiguration simuliert und die Ergebnisse anschließend mit den Messwerten eines identisch konfigurierten Elektrofahrzeugs verglichen. Der Vergleich ergab ein Bestimmtheitsmaß (R²) von 0,9998, was eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Modell und Messdaten bedeutet, wobei das Modell im Durchschnitt etwa 0,4% pessimistischer lag (Abbildung 8).

Wir erweitern und verbessern VERDE kontinuierlich mit einem festen Zeitplan klar definierter und regelmäßiger Releases. Mehrere geplante Verbesserungen werden die bereichsübergreifende Zusammenarbeit und Abstimmung weiter stärken, darunter die Unterstützung neuer Co-Simulationstools, die Unterstützung der Haltbarkeitsmodellierung sowie Geschwindigkeitsoptimierungen, damit große Studien schneller ablaufen können. 

Fazit

Genau wie die Engineering-Anforderungen bei GM haben sich auch die Simulationstools weiterentwickelt, mit denen wir unsere Fahrzeuge analysieren. Dank der Flexibilität der Plattformen MATLAB und Simulink konnten wir unsere Simulationstools so verbessern, dass sie diesen Anforderungen gerecht werden. Die Modernisierung der Benutzeroberfläche ist ein zentraler Aspekt der Unterstützung unserer Engineering-Teams. Ebenso wichtig sind jedoch die Weiterentwicklungen der zugrunde liegenden Fahrzeugmodelle, der Co-Simulationsarchitektur, der Datenbank für die Ergebnisverwaltung sowie der Vor- und Nachverarbeitungstools. Diese Verbesserungen haben erhebliche Investitionen erfordert, gleichzeitig jedoch ein noch stärkeres Fundament geschaffen, auf dem die nächste Generation von GM-Ingenieuren die nächste Generation von GM-Fahrzeugen entwickeln kann.

Danksagung

Besonderer Dank gilt Nate Wilmot für die Begleitung dieser Arbeit sowie seinen bedeutenden Beitrag zu diesem Artikel und der zugehörigen Präsentation.