Grandes montadoras investem bilhões no desenvolvimento de novos veículos. A Tesla, porém, enfrentou um desafio diferente: criar Tesla Roadster 2008, o primeiro carro esportivo de produção totalmente elétrico, com um orçamento de apenas US$ 145 milhões.
Com recursos limitados, a empresa precisou otimizar a engenharia e acelerar decisões de design inteligentes. A chave para alcançar esse objetivo foi a utilizaçãoDesign Baseado em Modelo com as ferramentas – soluções de engenharia.
Em um motor de combustão interna padrão, mais potência significa mais consumo de combustível e dois terços da energia gerada no motor são dissipados como calor. Como resultado, os projetistas são forçados a sacrificar a potência para obter eficiência de combustível.
Com o Roadster, não precisávamos fazer essa troca. Mais de 85% da energia das baterias é usada para impulsionar o veículo e, quando tornamos o veículo mais potente, também o tornamos mais eficiente. Nossos objetivos de design se concentraram em fazer um carro rápido, seguro e eficiente em termos de energia. O Roadster pode acelerar de 0 a 60 mph em menos de quatro segundos, mas também é ecologicamente correto: tem um alcance de 244 milhas por carga no ciclo combinado da EPA e recarrega o consumo de eletricidade de apenas 28 kWh por 100 milhas de condução.
Os engenheiros da Tesla começaram a usar o ambiente de computação técnica há cerca de três anos para uma variedade de tarefas, incluindo a análise de dados de teste e o desenvolvimento de modelos térmicos dinâmicos iniciais da bateria. Com o tempo, desenvolvemos modelos ambiente de computação técnica para cada sistema principal do carro, incluindo transmissão, motor, eletrônica de potência, freios, pneus e sistemas de controle. Também desenvolvemos modelos para fatores aerodinâmicos e para dinâmica de bateria, resfriamento e perda de energia em cabos.
Combinamos esses modelos em um modelo de sistema completo de todo o carro, que usamos para simular o desempenho geral do veículo, incluindo sua velocidade e alcance potenciais, quanto calor seria gerado a partir de componentes individuais e quanta energia foi perdida para os pneus, resistência ao vento e outros fatores. Ao comparar os resultados simulados com os resultados medidos dos testes de estrada de veículos protótipos, validamos o modelo e o modificamos para melhorar sua precisão.
À medida que o número de modelos ambiente de computação técnica crescia, tornou-se mais difícil para um único engenheiro entender completamente como todos os componentes interagiam entre si. Depois de adotarmos o Design Baseado em Modelo com as ferramentas de modelagem e simulação, fomos capazes de desenvolver um modelo ferramentas de modelagem e simulação de nível superior do veículo que invocava os modelos individuais do subsistema ambiente de computação técnica que já havíamos validado. Essa hierarquia nos ajudou a visualizar a estrutura no nível do veículo de nossas simulações e forneceu documentação ao vivo do conteúdo do modelo (Figura 1).
Figura 1. Modelo ferramentas de modelagem e simulação de desempenho de veículo de alto nível. Clique na imagem para ver a visualização ampliada.
Desde então, substituímos os modelos de subsistema ambiente de computação técnica por modelos ferramentas de modelagem e simulação equivalentes. Ao mesmo tempo, refinamos a arquitetura de simulação para que pudéssemos separar mais facilmente o design do desenvolvimento. O modelo ferramentas de modelagem e simulação de nível superior faz referência a cada componente como um arquivo de modelo ferramentas de modelagem e simulação independente, permitindo-nos aplicar o controle de versão a cada componente. Os engenheiros podem então trabalhar em diferentes componentes em paralelo. Por exemplo, um engenheiro pode editar o modelo da bateria enquanto outro trabalha na transmissão.
Usando as ferramentas de modelagem e simulação, arquitetamos o modelo do veículo para que seja flexível no nível do componente, o que nos permite oferecer suporte a vários modelos de componentes em diferentes níveis de detalhe. O particionamento cuidadoso do modelo entre os limites do nível do componente nos permitiu usar modelos de componentes menos detalhados para acelerar as simulações de todo o veículo. Por exemplo, detalhamos os modelos ferramentas de modelagem e simulação da eletrônica de potência e do motor do Roadster. Executamos simulações para caracterizar o desempenho desses dois componentes usando etapas de tempo de apenas 50 microssegundos.
Incorporamos os resultados da simulação detalhada em uma tabela de pesquisa, que podemos conectar como um modelo de nível superior para simulações mais longas no nível do veículo. Um engenheiro que projeta um inversor pode executar uma simulação dinâmica detalhada no veículo completo, enquanto outro engenheiro usa um modelo menos detalhado do inversor para prever o alcance máximo do veículo. Essa abordagem nos ajuda a adquirir as informações de que precisamos para tomar decisões de design muito mais rapidamente.
Usamos nosso modelo de veículo paramétrico para simular veículos que estão em produção, veículos prestes a entrar em produção e até projetos futuros. Fazemos isso capturando todas as características do carro em um modelo de entrada padronizado que modificamos de simulação para simulação. Essa abordagem é particularmente eficiente para o dimensionamento de componentes. Por exemplo, para simular diferentes configurações de transmissão, em vez de substituir blocos de transmissão ou alterar o modelo ferramentas de modelagem e simulação, simplesmente definimos os parâmetros necessários como vetores de entrada. Em seguida, usamos um script ambiente de computação técnica para invocar várias simulações que varrem as opções de design.
Recentemente, a Tesla iniciou uma iniciativa para melhorar o alcance total do Roadster por mudança. Tínhamos algumas ideias sobre como melhorar o sistema, mas não tínhamos evidências reais de que nossas ideias funcionariam. Como tínhamos um modelo ferramentas de modelagem e simulação bem calibrado do veículo e confiávamos nos resultados da simulação que ele produzia, pudemos quantificar o efeito das mudanças de projeto com dados reais.
Durante os testes de estrada em protótipos Roadster, coletamos dados reais suficientes para refinar e validar nossos modelos. Usando o modelo validado do Roadster original, mapeamos todo o espaço de design para o trem de força Roadster 1.5. Tínhamos uma grande matriz de diferentes configurações de trem de força que incluíam vários tamanhos de motores, configurações de transmissão, químicas de bateria e tamanhos de inversores. Usamos scripts ambiente de computação técnica para varrer centenas de combinações em várias rodadas de simulação que se tornaram progressivamente mais detalhadas.
Esse esforço teria levado anos e sido proibitivamente caro sem modelagem e simulação. Cada protótipo físico leva seis meses ou um ano para ser produzido. Não podíamos nos dar ao luxo de iterar centenas de relações de transmissão em hardware. O trem de força aprimorado agora está funcionando conforme projetado em veículos protótipos.
Com as ferramentas de modelagem e simulação, podemos resolver problemas em domínios que normalmente exigiriam ferramentas de análise especializadas e mais caras. Por exemplo, muitos de nossos modelos iniciais de bateria eram empíricos, com uma fonte de tensão ideal e uma impedância fixa. Agora usamos modelos de primeiros princípios muito mais sofisticados e, como resultado, obtivemos informações valiosas sobre a bateria como um dispositivo eletroquímico. Usamos as ferramentas de modelagem e simulação para construir modelos avançados de circuitos equivalentes que podem prever o desempenho em diferentes estados de carga, taxas de descarga, temperaturas e níveis de envelhecimento.
Usamos uma abordagem semelhante para realizar simulações críticas de segurança para prever o desempenho de resfriamento dentro da bateria e garantir que as baterias não superaquecessem. Para capturar todos os efeitos físicos, químicos e de transferência de calor de múltiplos domínios, normalmente seria necessária uma ferramenta de análise de elementos finitos e um esforço significativo. Com as ferramentas, realizamos análises e obtivemos insights que levaram a avanços dramáticos na tecnologia de baterias. O Roadster tem mais do que o dobro da densidade de armazenamento de energia de qualquer outro veículo elétrico de produção.
À medida que geramos mais e mais dados de teste de estrada, estamos mais uma vez usando o ambiente de computação técnica para processar, visualizar e incorporar resultados de análise em modelos cada vez mais precisos do Roadster. Não poderíamos ter construído este carro sem as ferramentas. Teria sido necessário recursos que nossa nova startup automotiva simplesmente não tinha. Continuaremos a contar com as soluções de engenharia para nos ajudar a tomar decisões de projeto informadas para a próxima geração de veículos Tesla.
Segundo os engenheiros da Tesla:
“Não poderíamos ter construído este carro sem as ferramentas. Teria sido necessário recursos que nossa startup simplesmente não tinha.”
Roadster foi apenas o começo. soluções de engenharia continuam sendo fundamentais para a próxima geração de veículos da Tesla.
Para transformar a ideia do Tesla Roadster em realidade, a equipe de engenharia contou com ferramentas poderosas. Confira abaixo todos os detalhes das ferramentas ambiente de computação técnica & ferramentas de modelagem e simulação: