carts und MicroNova bündeln ihre Testkompetenz im Elektro- und Hybridbereich

In Zukunft wird sich der Anteil von Fahrzeugen mit Elektromotoren stark erhöhen, sei es ergänzend zur Hauptantriebskomponente oder als vollständiger Ersatz des Verbrennungsmotors. Diese Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge verfügen im Gegensatz zu Fahrzeugen mit den bisherigen Verbrennungsmotoren über zusätzliche elektrische Komponenten. Dazu zählen neben den Elektromotoren etwa Batterien oder Wechselrichter. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen für die Testabteilungen bei Fahrzeugherstellern und Zulieferern, z.B. durch hohe Spannungen und Leistungen oder durch die gekoppelte Simulation von Elektromotor und Verbrennungsmotor.

Mit Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Simulatoren von carts und von MicroNova (NovaSim) können Unternehmen Einzelsteuergeräte und Gesamtverbünde gefahrlos in hoher Qualität testen, bevor diese Steuergeräte in realen Fahrzeugen verbaut werden. Um die Ergebnisse und damit den Nutzen von Tests zu maximieren, arbeiten carts und MicroNova bereits jetzt eng zusammen. So wurden die Kompetenzen gebündelt und die Produktentwicklung auf eine gemeinsame Basis gestellt. Neue Test- und Simulationslösungen erarbeiten beide Unternehmen damit künftig Hand in Hand.

Entwicklung der Hybridsimula­tion
Sowohl carts als auch MicroNova haben langjährige Erfahrung in der Realisierung von HiLs für einzelne Steuergeräte. Im Rahmen der Entwicklung von Einzelsteuergeräten wurden sowohl von MicroNova als auch von carts HiL-Simulatoren für Hybridsteuergeräte erstellt, wie z.B. für Steuergeräte von Verbrennungsmotoren, E-Maschinen und Batterien. Diese Erfahrung bildet die Basis für den Aufbau von komplexen Simulatoren für Steuergeräteverbünde, sowohl beim Antrieb als auch für das Gesamtfahrzeug.

Anforderungen an die HiL-Simulation im Hybridbereich
Worin unterscheiden sich die Anforderungen an die HiL-Simulation im Hybrid­bereich von den bisherigen Anforderungen?
Auf technischer Ebene sticht vor allem die um bis zu drei Größenordnungen reduzierte Schrittweite für die Simulation von Umgebungsmodellen heraus. So müssen z.B. für Elektromotoren oder Wechselrichter Schrittweiten im Bereich von wenigen 10 µs zwingend eingehalten werden – damit ist die Grenze des technisch Möglichen bei Verwendung von Standardprozessoren mit Standard-IOs erreicht. Höhere zeitliche Auflösungen erfordern zwingend die Verwendung von FPGA-basierten Lösungen.

In Fahrzeugen ist eine Bordnetzspannung von 12 V üblich. Um die benötigten Antriebsenergien für Elektrofahrzeuge zu liefern, sind zusätzlich leistungsfähige Batterien notwendig. Diese verwenden üblicherweise Gleichspannungen bis 600 V. Für die neuen Systeme sind aufgrund der zusätzlichen Spannung umfangreiche Sicherheitsauflagen zu beachten. Selbst wenn eine Batterie nur simuliert wird, können solche Spannungen in Testaufbauten auftreten. Mit Hilfe einer einfachen Schutzvorrichtung wird das Testpersonal vor solchen hohen Spannungen zuverlässig geschützt.

Zusätzlich zu diesen hohen Spannungen sind hohe Genauigkeiten für die Zellsimulation von Batterien zu garantieren. Um etwa den Ladezustand von Einzelbatterien hinreichend darzustellen, sind teilweise Genauigkeiten im mV-Bereich erforderlich. Damit gehen hohe Anforderungen an die analogen Zellensimulationen einher. Zusätzlich zu diesen Genauigkeiten müssen HiL-Simulatoren auch noch die bei der Zellbalancierung auftretenden Ströme im Ampere-Bereich abbilden.

Während bei klassischen Verbrennungsmotoren die Simulation für ein Einzelsteuergerät eine große Testabdeckung ermöglichte, ist dies bei Hybridfahrzeugen nicht mehr zwingend der Fall. In bestimmten Konfigurationen befinden sich Verbrennungsmotor und E-Maschine auf einer Welle. Die Wechselwirkung ist so stark, dass beide Steuergeräte in einer gemeinsamen Konfiguration mit übergreifenden Simulationsmodellen betrieben werden müssen.

Referenzprojekte im Hybrid­bereich
Auf der NovaSim-Plattform basierende Verbund-HiLs sind für die Simulation von mehreren E-Maschinen, Verbrennungsmotoren und Wechselrichtern erstellt worden. Mit der HiL-Familie NovaSim verfolgt MicroNova einen kompakten Ansatz. Eine Simulation von Verbrennungsmotor, Wechselrichtern und zwei Elektromotoren lässt sich z.B. in einem Gehäuse mit nur 12 Höheneinheiten unterbringen. Testingenieure können einen solchen Simulator somit sogar auf dem Schreibtisch nutzen, z.B. für die Entwicklung von Steuergeräte-Software.

carts und MicroNova bündeln ihre Testkompetenz im Elektro- und Hybridbereich

carts-Systeme decken dank ihres modularen Konzepts und einem gewachsenen Funktionsumfang einen sehr großen Bereich an Testanforderungen ab. Die Hybrid-HiL-Systeme finden bei Komponentenlieferanten sowie in Abteilungen für Systemintegration Anwendung.

Die frühen carts-Hybridsysteme dienten noch dazu, erste Schritte mit kleineren Fehleraufschaltungen nach OBD1-Standard zu realisieren. Dazu gehörten einzelne Steuergeräte-Signale sowie CAN-Signale im Bereich Hybrid und Antrieb. Die neueren Hybrid-Systemgenerationen haben dagegen deutlich an Funktionsumfang zugelegt. Die wichtigsten Merkmale der Funktionserweiterung sind z.B., dass Anwender mehrere Steuergeräte-Typen ohne große Umrüstzeiten an einem Hybrid-HiL betreiben können. Die Zellspannungen und Ströme realisieren die Systeme mit einer hohen Auflösung von 16 Bits. Die Crash-Signal-Generierung lässt sich variabel online über die carts-Bediensoftware einstellen, um so die Abschaltbedingungen nach einem simulierten Fahrzeugcrash an definierten Grenzen testen zu können.

Der Erfahrungsbereich von carts erstreckt sich dabei von HiL-Systemen für einzelne Steuergeräte bis hin zu Gesamtfahrzeugsimulatoren mit gekoppeltem Betrieb der Hybridanteile.

Niedervoltarbeitsplatz Batteriesimulator

MicroNova-Angebotsspektrum im Hybridbereich
Das Angebotsspektrum von MicroNova basiert auch im Hybridbereich auf der NovaSim-Plattform. Hierbei handelt es sich um ein auf dem PXI-Bus basierendes MultiCore-System. Im Hybridbereich reicht das Einsatzspektrum vom Test einzelner Steuergeräte bis hin zur Prüfung abgegrenzter Steuergeräte-Verbünde. Mit der NovaSim-Plattform werden die folgenden Eigenschaften erreicht:

• FPGA-basierte Simulation von Elek­­­tro­motoren:

Damit lässt sich innerhalb eines HiL-Systems die An­zahl der zu simulierenden Elektromotoren einfach skalieren. Die hoch performante Simulation der E-Ma­schinen läuft in den hinzugefügten FPGA-Karten und belastet die Rechenknoten nicht.

• Reservierung von Prozessoren auf einem MultiCore-System für schnelle Simulationen:

In aktuellen Anwendun­­gen ist z.B. ein Prozessor für schnelle 50 µs Schleifen zur Simulation von Wechselrichtern reserviert. Diese ho­­hen Simulationsgeschwindigkeiten werden zuverlässig eingehalten.

• Für die Simulation von Steuer­geräteverbünden mit Hybridumfang ideal geeignet:

Durch die hohe Rechenleistung der verwendeten Mehrkernprozessoren können alle notwendigen Simulationen eines Hybridsystems auf einem Simulationsrechner ablaufen. Dies ermöglicht eine sehr einfache Implementierung der Simulationsmodelle, da durch die hohe Rechenleistung keine aufwändige Verteilung von Modellen durchgeführt werden muss.

carts-Angebotsspektrum im Hybridbereich
carts bietet HiL-Simulationen für alle in einem Fahrzeug verwendeten Steuergeräte. Im Hybridbereich sind dies Komponenten für Verbrennungsmotoren, E-Maschinen und Batterien. Je nach Anwendung stehen die folgenden Leistungsmerkmale zur Verfügung:

Batterie-Simulation
1. Der Batterie Simulator von carts kann auf unterschiedlichen Konzepten basierende Batterie-Steuergeräte testen. Dazu gehören:

• Zentrale Batterie-Steuergeräte
• Dezentrale, über verschiedene Busse gekoppelte Batterie-Steuer­geräte
• Zell-Controller Nachbildung durch I2C-Bus und CAN
• Elektrische Nachbildung der ein­­zelnen Batteriezellen

2. Zellspannung und -temperatur werden mit sehr hoher Auflösung (16 Bits AO-Karte) nachgebildet. Die Messung der Zell-Balancierungströme erfolgt eben­­­­falls mit sehr hoher Auflösung (16 Bits).
3. Die Kaskadierung der galvanisch freien Zellsimulationen ermöglicht es, komplette Batterien bis hin zu mehreren 100 V Gesamtspannung nachzu­bilden.
4. Der Betrieb unterschiedlicher Batterietypen (LiIon, NiMh) kann durch Modelltausch mit einem einzigen HiL-System realisiert werden.
5. Die Systeme können alle im Zusammenhang mit Batterien möglichen Fehler – wie z.B. Zellendefekt, Verschweißung von Schützen, Unterbrechung der CAN-Busse, Crash-Signale usw. – reproduzierbar testen.

Simulation von E-Maschinen
1. Hochauflösende E-Maschinenmodelle bilden Pulswechselrichter nach. Die Kombination aus hoher Rechenleistung der verwendeten Hardware und dem optimierten Simulationsmodell von carts ermöglicht es, die Simulation der E-Maschine mit einer Schrittweite von wenigen µs in Software zu rechnen.
2. Einfache Parameteränderungen erlauben eine Anpassung an verschiedene E-Maschinen.
3. Die Kopplung eines E-Maschinen-Modells mit einem Batterie-Modell ermöglicht die Nachbildung eines Zwischenkreises.
4. Die carts-Systeme unterstützen unterschiedlichste Encoder-Typen der Firmen BOSCH, Tamagawa, Vogt und Continental. Die Simulatoren bilden die unterschiedlichen Ausgangssignale der verschiedensten Lagegeber nach und können damit Steuergeräte verschiedener Hersteller bedienen. Auch hier sind die kurzen Umrüstzeiten der modularen carts-Systeme ein entscheidender Wettbewerbsvorteil.
5. Die modularen carts-Komponenten für Hybrid und die weiteren Fahrzeugkomponenten (Antriebsstrang, Kom­fort-Elektronik) erlauben es, das Test­sys­tem für unterschiedlichste Anforderungen zusammenzustellen. Diese reichen von einem einfachen Niedervoltarbeitsplatz für Software-Entwickler bis hin zu Gesamtfahrzeugsimulationen mit Hybridanteil, bei dem vollständige Batteriestapel mit 600 V Gesamtspannung simuliert werden können.
6. Ein Niedervoltarbeitsplatz für Software-Entwickler besteht aus Modulen in CTR-Technik. Dank der kompakten Bauform ist der Einsatz auf einem Schreibtisch ebenso möglich wie die Integration in ein CTR-Rack. Aufgrund der Nachbildung der CellController-Funktionalität kann für verschiedene Bauformen von Hybridsteuergeräten ein Niedervoltarbeitsplatz realisiert werden, ohne den Entwickler der Gefahr der Arbeit im direkten Hochvoltbereich auszusetzen. Niedervoltarbeitsplätze finden im Besonderen bei der Vorentwicklung von Steuergeräte-Software Verwendung, um schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium die programmierten Funktionalitäten testen zu können.

E-Maschinen-Simulator von carts – Einzelplatzsystem zur E-Maschinen-Nachbildung

Gesamt-HiL mit Hybrid-Anteilen
Der Gesamt-HiL umfasst verschiedene Fahrzeugbereiche wie Antriebsstrang, Motor, Komfortbereich und Infotainment und bietet die Möglichkeit, alle in einem Fahrzeug vorhandenen Steuergeräte im Verbund zu betreiben. In diesen Verbund lässt sich zum Beispiel auch der Hybridantrieb integrieren.

Gemeinsame Strategie von carts und MicroNova
carts und MicroNova bündeln ihre Entwicklungen mit den in beiden Firmen vorhandenen Lösungen. Die Time to Market verkürzt sich entsprechend.

Die Architektur von carts-HiLs basiert auf einem hochgradig modularen Konzept. Dabei sind unabhängige Simu­lationen von Einzelsteuergeräten über schnelle serielle Busse an zentrale Simulationsrechenknoten gekoppelt. Somit lassen sich Einzel- und Gesamt-HiLs mit dem gleichen Aufbaukonzept realisieren.

Das domänenspezifische Wissen, wie z.B. Anschaltung von Steuergeräten, Ersatzlasten für Steuergeräte, Simulation von Sensoren usw., liegt in den I/O-Subsystemen. Um dieses Knowhow auch Kunden von NovaSim zur Verfügung stellen zu können, haben carts und MicroNova eine Anbindung über die seriellen Hochgeschwindigkeitsbusse realisiert. Die Lösung erlaubt es, alle I/O-Subsysteme von carts einfach in die NovaSim-Architektur zu integrieren.

Eine erste Anwendung besteht in der Einbindung der von carts realisierten Simulation von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen, die zu einer Simulation von kompletten Lithium-Ionen-Bat­terien zusammengeschaltet werden können.

Vorteile der gemeinsamen Hybridsimulatoren
Das Beispiel der Batteriesimulatoren zeigt, dass die hochgradig modulare Architektur der carts-Simulatoren einfach in die NovaSim-Architektur übernommen werden kann. Damit steht z.B. die in vielen Referenzprojekten gesammelte carts-Erfahrung zur Simulation von Batteriezellen auch Kunden von NovaSim zur Verfügung.

Fazit und Ausblick
Künftig werden alle technologischen Neuentwicklungen bei carts und MicroNova auf einer gemeinsamen Basis erfolgen. Beispiele für erste gemeinsame Projekte sind die oben erwähnte Simulation von Batteriezellen sowie die Simulation von Sensoren, die auf der SENT-Schnittstelle basieren. Die Simulation weiterer komplexer analoger und digitaler Sensoren befindet sich bereits in der Entwicklung. Durch die Bündelung der Entwicklungskompeten­zen ist die Realisierung neuer Anfor­derungen sowohl für NovaSim- als auch für carts-Kunden schneller möglich.

Für NovaSim- und für carts-Kunden besteht Investitionsschutz. (Automotive spezifische) Neuentwicklungen stehen für beide Plattformen zur Verfügung. Beide Unternehmen decken im gezeigten Anwendungsbereich für Elektro- und Hybridfahrzeuge den vollständigen Funktionsumfang zur Simulation von kompletten Hybridfahrzeugen ab. Die Bündelung der Entwicklungsaktivitäten führt zu höheren Stückzahlen in den Produkten und dadurch zu attraktiveren Preisen für den Kunden. Sowohl Hersteller als auch Zulieferer verfügen damit über die richtigen Werkzeuge, um an den kommenden Fahrzeuggenerationen zu arbeiten und damit ihren eigenen Erfolg langfristig zu sichern.