A integração otimizada de software no veículo é decisiva para determinar o desempenho e a experiência do cliente. Isso também ocorre com o novo Porsche Cayenne, para o qual a Porsche Engineering desenvolveu grande parte do sistema de propulsão e do chassi em colaboração com a Porsche e fornecedores. Graças ao hardware inovador e ao software personalizado, o SUV de luxo oferece uma experiência de condução caracteristicamente Porsche.
O software está se tornando cada vez mais o fator decisivo no veículo, pois permite novas funções e desempenha um papel cada vez mais importante na criação de valor. No entanto, a experiência do cliente não depende exclusivamente das habilidades dos programadores — também é crucial combinar e harmonizar o software e o hardware do veículo de maneira que resulte em um desempenho ideal. Isso se aplica particularmente ao sistema de propulsão e ao chassi, que influenciam significativamente a experiência de condução. Portanto, a Porsche Engineering fundou a nova divisão ‘Drive System’, na qual especialistas em hardware e software trabalham em estreita colaboração nas áreas de chassi e sistema de propulsão. A equipe tem a capacidade de desenvolver e integrar sistemas completos — desde a definição de requisitos e desenvolvimento de funções, até a calibração de software e atuadores, passando por testes e validação.
Foco na Integração de Sistemas.
“Uma de nossas tarefas centrais é a integração de sistemas”, diz Eva-Verena Ziegahn, Diretora de Sistemas de Propulsão da Porsche Engineering. “Isso inclui a implementação de código nas ECUs, bem como a calibração e validação de novas funções.” A Porsche Engineering assumiu diversas áreas de desenvolvimento enquanto trabalhava no Porsche Cayenne. Desde o início, a integração perfeita de hardware e software foi o foco para o sistema de propulsão e o chassi. “O Cayenne é caracterizado por um amplo espectro de conforto de condução e esportividade”, explica Ziegahn. “Isso é alcançado, por exemplo, no caso da estabilização ativa anti-rolagem, por meio de software inovador e parametrização, bem como pela integração ao chassi como um todo. No processo, precisamos levar em consideração as interações complexas no chassi, onde a tração nas quatro rodas, a direção dos eixos dianteiro e traseiro, o sistema de freios e o sistema de propulsão elétrica influenciam a experiência de condução.”
Além do novo sistema de amortecedores e do freio híbrido, a Porsche Engineering também esteve envolvida desde o início no desenvolvimento, teste e validação do inversor de pulso (PWR) para o novo Cayenne. O principal objetivo foi tornar a transição do motor a combustão para o motor elétrico imperceptível para o motorista, ao mesmo tempo em que se melhora o desempenho do veículo. Entre outras características, o inversor de pulso recém-desenvolvido se destaca por uma frequência de comutação variável e diferentes métodos de modulação, otimizados de acordo com o ponto de operação atual. “Reduzir a frequência de pulso do inversor aumenta sua eficiência, proporcionando um aumento de dez por cento na potência do motor—apenas através de controle inteligente via software,” explica Pascal Heusler, Gerente Sênior de Software e Calibração de Inversores de Pulso na Porsche. “Isso tem um efeito colateral em termos de ruído. No entanto, porque essa abordagem gera ruído, a solução é gerar um ruído artificial em torno da frequência portadora, que dilui esse ruído do motor.”
Ziegahn menciona o desenvolvimento e a calibração de um sistema inovador no chassi como um exemplo de interação bem-sucedida entre hardware e software: Amortecedores com tecnologia de 2 válvulas e estágios separados de rebound e compressão estão sendo usados pela primeira vez no SUV de luxo. Desenvolvidos pela Porsche Engineering em parceria com um fornecedor, eles permitem um espectro mais amplo entre uma condução esportiva e confortável, resultando em um desempenho otimizado em todas as situações de direção. O hardware inovador também fez uma diferença notável em relação aos requisitos para o desenvolvimento de software: “Devido aos novos amortecedores de 2 válvulas, os componentes do controlador precisaram ser modificados e novas interfaces com o software básico tiveram que ser definidas”, como relata Fabian Heitkamp, engenheiro de desenvolvimento da Porsche e responsável pela plataforma de chassi elétrico (EFP). “Além disso, houve pouco que pudemos adotar da versão anterior para a unidade de controle e o software básico. Em resumo: Nenhuma pedra foi deixada sobre a outra.”
Cooperação com a Cariad.
A Porsche Engineering teve a responsabilidade pelos componentes da nova unidade de controle mas também coordenou em conjunto o desenvolvimento do novo software básico com a Porsche no fornecedor. “Também assumimos a responsabilidade pelo software funcional completo”, explica Marcus Schmid, Engenheiro de Desenvolvimento da Porsche Engineering e responsável pela gestão de integração. “Devido à maior complexidade do novo sistema de suspensão a ar de 2 câmaras/amortecedor de 2 válvulas, bem como o desenvolvimento conjunto para outras linhas de modelo, precisávamos de 17 funções em vez das 10 anteriores, algumas das quais vieram de nós e outras da Cariad.”
Para acompanhar o cronograma apertado e dominar a alta complexidade da tarefa, os desenvolvedores testaram o novo software muito antes de a nova unidade de controle e o novo software básico estarem disponíveis. “Tentamos testar a comunicação e a interação das várias funções o mais cedo possível por meio de hardware-in-the-loop (HiL) ou no banco de testes”, diz Ziegahn. “Na Porsche Engineering, montamos uma equipe internacional em nossos diversos locais que nos apoia desde cedo — tanto no desenvolvimento de funções quanto nos testes de HiL.”
A importância de tais métodos também é destacada por Michael Becker, Gerente de Projeto do Chassi do Cayenne na Porsche AG: “Sem esses métodos, não teríamos chance alguma, porque é impossível instalar uma versão de software no carro e simplesmente sair dirigindo imediatamente. Com testes HiL, por exemplo, podemos verificar se os componentes individuais do software funcionam juntos. E não podemos esquecer que há muitos pontos no chassi que são relevantes do ponto de vista legal.”
Mesmo nas fases iniciais de desenvolvimento, os desenvolvedores foram capazes de implementar inúmeras otimizações graças a métodos virtuais, possibilitando focar principalmente no ajuste fino em estágios posteriores do desenvolvimento. Isso continuará a ser crucial no futuro, à medida que a complexidade dos sistemas e componentes continuar a aumentar. No início do processo, foram realizados testes model-in-the-loop (MiL) examinando o comportamento dos modelos MATLAB/Simulink a partir dos quais o código seria gerado posteriormente. O código então teve que demonstrar que atendia aos requisitos em testes software-in-the-loop (SiL). Isso foi seguido por testes processor-in-the-loop (PiL), nos quais o código era executado em um microprocessador muito semelhante ao modelo usado posteriormente na ECU. Assim que a nova ECU e o novo software básico estavam disponíveis, foram realizados testes em bancadas de teste hardware-in-the-loop.
“A Porsche Engineering foi capaz de cobrir toda a cadeia — desde o desenvolvimento de funções e implementação das funções no software básico até os testes e a integração no veículo”, destaca Heitkamp. Isso foi possível graças a uma equipe internacional que abrangeu toda a gama de habilidades necessárias. Especialistas da Alemanha, República Tcheca e Romênia foram responsáveis pela geração de código e pelo desenvolvimento de funções, bem como seus testes e validação em equipes interconectadas, incluindo testes SiL e HiL e automação de testes. “A Porsche Engineering sempre forneceu os recursos necessários exatamente quando precisávamos”, diz Heitkamp. “Dessa forma, conseguimos concluir o projeto no prazo, apesar de todos os desafios.”
Mescla Imperceptível de Fricção e Freio Recuperativo.
Os desenvolvedores também se concentraram na interação entre hardware e software para o sistema de freio do novo Cayenne. A tarefa deles: o motorista deve ter a melhor sensação possível no pedal e não deve conseguir perceber a proporção específica entre o freio de fricção hidráulico e o motor elétrico na desaceleração do veículo. A função de recuperação é responsável por essa ‘mescla’ entre o freio de fricção hidráulico e a frenagem recuperativa. A composição exata dessa mistura depende de numerosos fatores. “Basicamente, nosso objetivo é usar a frenagem recuperativa o máximo possível, reduzindo assim os requisitos médios de energia do veículo e, entre outras coisas, aumentando a autonomia elétrica do veículo,” explica Lisa Helbig, Engenheira de Desenvolvimento de Sistemas de Freio e Direção na Porsche Engineering. “O freio de fricção hidráulico entra em ação, por exemplo, quando a desaceleração do motor elétrico é insuficiente ou quando o veículo poderia se tornar instável devido à recuperação no eixo traseiro.”
Os componentes de software interconectados do sistema de freio também ajudam a compensar as características variáveis do freio de fricção da melhor maneira possível. Tanto a temperatura quanto o desgaste do freio ao longo do tempo são considerados. Um desafio particular é que os algoritmos são executados em diferentes unidades de controle, motivo pelo qual o software para o sistema de frenagem só pôde ser aplicado ao sistema geral de unidades de controle. Enquanto o software para o eBKV originou-se de um fornecedor, a Porsche Engineering cuidou da calibração das funções e dos testes. A etapa final foi a aprovação dos veículos juntamente com a Porsche.
Sentir o Pedal Significativamente Melhor.
“Alcançamos nosso objetivo: o motorista não percebe nenhuma interação durante a transição entre a frenagem recuperativa e a hidráulica,” resume Alexandros Athanasiadis, responsável pela aprovação na Porsche. “Comparado ao seu antecessor, conseguimos otimizar ainda mais a mescla. No final, somos avaliados pela sensação do pedal, que conseguimos projetar de maneira ideal com a ajuda do software.” Como exemplo, ele menciona a nova “característica fria” para o freio de fricção. Ela proporciona um aumento maior na potência de frenagem quando o carro parte enquanto os freios ainda estão frios — garantindo assim a sensação constante do pedal desejada. Além do conforto, a eficiência do Cayenne também foi aprimorada com o novo design da função de recuperação: a capacidade de desaceleração da recuperação do novo Cayenne foi aumentada para até 88 kilowatts, um aumento de aproximadamente 30%. Além disso, a recuperação agora pode ser utilizada quase até que o veículo pare completamente; anteriormente, o limite era de 14 km/h.
Ruído Suprime Ruído.
Além do novo sistema de amortecedores e do freio híbrido, a Porsche Engineering também esteve envolvida desde o início no desenvolvimento, teste e validação do inversor de pulso (PWR) para o novo Cayenne. O principal objetivo foi tornar a transição do motor a combustão para o motor elétrico imperceptível para o motorista, ao mesmo tempo em que se melhora o desempenho do veículo. Entre outras características, o inversor de pulso recém-desenvolvido se destaca por uma frequência de comutação variável e diferentes métodos de modulação, otimizados de acordo com o ponto de operação atual. “Reduzir a frequência de pulso do inversor aumenta sua eficiência, proporcionando um aumento de dez por cento na potência do motor—apenas através de controle inteligente via software,” explica Pascal Heusler, Gerente Sênior de Software e Calibração de Inversores de Pulso na Porsche. “Isso tem um efeito colateral em termos de ruído. No entanto, porque essa abordagem gera ruído, a solução é gerar um ruído artificial em torno da frequência portadora, que dilui esse ruído do motor.”
No entanto, essa abordagem não pode ser aplicada a todos os pontos de operação. A ideia é que o controlador deve reagir dentro de alguns milissegundos e ajustar a frequência de comutação se necessário. “É uma solução muito inovadora,” diz Heusler. “Melhoramos a eficiência do sistema e, ao mesmo tempo, garantimos que, com a sofisticada composição sonora, o motorista não ouça nada.”
O inversor de pulso no novo Cayenne é usado como um sistema modular em todo o Grupo VW—o mesmo módulo de controle é utilizado em quase 100 variantes diferentes de veículos que usam cinco motores elétricos diferentes e três transmissões diferentes. Além disso, eles são baseados em diferentes plataformas—ou a nova arquitetura eletrônica Volkswagen E3 ou MLBevo. Portanto, a integração do sistema neste caso também significou integração entre diferentes marcas e classes de veículos, o que os desenvolvedores conseguiram fazer. “Do lado de fora, as variantes só podem ser distinguidas pelos conectores diferentes, as partes internas são sempre as mesmas.” relata Frank Deckert, Gerente de Projeto para Integração de Inversores de Pulso na Porsche Engineering. “Cobri todos os requisitos de variação com um único hardware.”
Ato de Equilíbrio com a Calibração.
Para reduzir o trabalho envolvido na calibração, os desenvolvedores formaram grupos de aproximadamente 100 veículos com características comparáveis, por exemplo, em termos de desempenho e sistemas de propulsão. Todos os veículos de um grupo recebem a mesma entrada de dados, o que representa um grande desafio. O modelo térmico para o rotor e estator, por exemplo, tem uma grande influência na precisão do torque e na proteção dos componentes, mas, por sua vez, depende fortemente da posição de instalação nos veículos. A configuração, portanto, exige um ato de equilíbrio entre os diferentes modelos. A padronização da calibração traz grandes vantagens para futuras atualizações: ao limitar a variação, o esforço de manutenção do software é reduzido (eficiência de custo por conceito). “Como um todo, desenvolvemos um sistema de primeira linha com controle de ponta,” diz Heusler. “Só conseguimos isso porque trabalhamos em estreita colaboração com a Porsche Engineering e nossos colegas fizeram um excelente trabalho.”
O novo Cayenne está no mercado desde julho de 2023. A Porsche e a Porsche Engineering estão atualmente trabalhando juntas na integração do sistema para as variantes do SUV de luxo. Outro fator de sucesso importante foi o alto nível de confiança entre o contratante e o cliente. “No início de um projeto como esse, nem tudo está definido até o último detalhe. Existem situações em que você precisa intervir de um dia para o outro e expandir temporariamente a equipe com especialistas adicionais,” diz o gerente de projeto da Porsche, Becker. A abordagem de reunir especialistas em hardware e software em um estágio inicial se mostrou frutífera. “O projeto Cayenne mostra como a integração sistemática do sistema é importante,” diz Ziegahn. “E ilustra o papel crucial que a simulação desempenha no desenvolvimento hoje em dia. Com elas, podemos fazer grande parte do trabalho preparatório para a integração fora do veículo e, mais tarde, focar no ajuste fino. Essa é a única maneira de acompanhar a complexidade crescente dos últimos anos.”
A Porsche Engineering lidou tanto com a gestão da equipe de desenvolvimento da série de chassis, incluindo FAS/HAF, quanto com grandes partes do desenvolvimento do sistema de propulsão e do chassis para o novo Porsche Cayenne. O foco estava na experiência de condução característica da Porsche, que exige a interação ideal entre hardware e software. Um fator chave para o sucesso do projeto foi a integração bem-sucedida de todos os componentes.
Sistema de Amortecedor de 2 Válvulas.
Desempenho inovador o tempo todo: O inovador sistema de amortecedor de 2 válvulas foi desenvolvido em conjunto pela Porsche Engineering e um fornecedor. O hardware inovador também exigiu mudanças extensas no software para a unidade de controle: devido à maior complexidade do componente, bem como ao desenvolvimento conjunto para outras linhas de modelos, agora são necessárias 17 funções em vez das 10 anteriores. Para acompanhar o cronograma apertado e dominar a alta complexidade da tarefa, os desenvolvedores testaram o novo software muito antes que a nova unidade de controle e o novo software básico estivessem disponíveis.
Sistema de Freios.
Transição Imperceptível: O sistema de freios é composto por dois componentes: o freio de fricção hidráulico e o motor elétrico. O software da função de recuperação é responsável pela transição (mescla) entre os dois. Ele também compensa as propriedades variáveis do freio de fricção, por exemplo, devido a variações de temperatura ou desgaste. Um desafio particular foi que os cálculos são executados em diferentes unidades de controle. O software para o sistema de freios, portanto, só pôde ser aplicado no grupo de ECU.
Inversor de Pulso.
Silencioso e com eficiência otimizada: O inversor de pulso fornece energia ao motor elétrico dependendo das necessidades de potência do motorista. Para isso, a tensão DC da bateria de alta voltagem é comutada em alta frequência. A relação entre o tempo ligado e desligado determina a potência do motor. Reduzir essa frequência aumenta a eficiência da eletrônica—mas, ao mesmo tempo, sons irritantes também podem ocorrer. Para evitar isso, a frequência é variada aleatoriamente por meio de ruído, de modo que nenhuma frequência única seja perceptível.
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