Mikrosekundengenau ins nächste Zeitalter – Simulation mit der NovaSim-E-Motorkarte

Mit der Produktfamilie NovaSim4Hybrid von MicroNova stehen leistungsfähige Hardware-in-the-Loop-Simulatoren zur Absicherung von E-Motor-Steuergeräten zur Verfügung. Das Produktspektrum umfasst sowohl die E-Motor-Emulation mit kompletter Leistungselektronik und realen Strömen als auch die Simulation mit Hilfe einer leistungsfähigen und kompakten NovaSim-E-Motorkarte.

Immer mehr Automobilexperten sagen dem Elektromotor eine große Zukunft voraus. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2020 jeder zweite Neuwagen einen Elektroantrieb besitzen wird, sei es in Form eines Hybridantriebs oder als rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug. Somit stellt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs einen der größten Technologiesprünge in der Geschichte der Automobilindustrie dar. Durch den Einsatz komplexer Steuergeräte zur Regelung des elektrischen Antriebs ergeben sich für die Automobilhersteller neue Anforderungen im Bereich Absicherung sowie der hierfür benötigten Testsysteme.

Mit oder ohne Leistung?
Bei der Wahl des Testsystems stellt sich die Frage, ob die Nachbildung des E-Motors inklusive realer Ströme und Spannungen erfolgen soll oder ob eine Simulation auf Signalebene geeigneter ist. Die Antwort hängt von der Art der durchzuführenden Tests ab.

Eine E-Motor-Emulation stellt reale Ströme und Spannungen des E-Motors nach. Der Einsatz eines solchen Testsystems ist immer dann sinnvoll, wenn das Steuergerät inklusive Leistungselektronik im Fokus der Absicherung steht. MicroNova bietet diese E-Motor-Emulation in Form eines „Power-Hardware-in-the-Loop“-Systems (P-HiL) an. InNOVAtion berichtete in der Ausgabe vom Dezember 2009.

Genauso gibt es Anwendungsfälle, bei denen der Test der Softwarefunktionen des Steuergeräte-Controller-Boards im Vordergrund steht. Dazu eignet sich eine Simulation des E-Motors auf Signalebene, bei der die Leistungselektronik des Steuergeräts im HiL-System simuliert wird. Die Schnittstelle zwischen Prüfling und Testsystem besteht aus Standard Analog- bzw. Digitalsignalen.

Die NovaSim-E-Motorkarte – schneller als jeder Prozessor
Zur Nachbildung des E-Motors inklusive Leistungselektronik bietet MicroNova eine Simulationskarte  an, die auf FPGA-Technologie basiert. Ein HiL-System der NovaSim4Hybrid-Familie, das mit dieser Karte ausgestattet ist, erfüllt alle Anforderungen, die an ein effizientes E-Motor-Testsystem gestellt werden. Dazu gehören:

• Hochgenaue Erfassung der Motoransteuerung: Die Vermessung der PWM-Gate-Treibersignale des Puls-Wechsel-Richters erfolgt mit einer hohen zeitlichen Auflösung von 25 Nanosekunden. Dabei wird die exakte Ansteuerung der High- und Lowside-Transistoren inklusive Totzeiten vermessen und damit eine genaue Modellierung der drei Phasenspannungen erreicht.
• Präzise Berechnung der Phasenströme: Die Ansteuerung von Elektromotoren erfolgt typischerweise im Bereich zwischen 10 und 20 kHz. Um eine hochdynamische Berechnung der drei Phasenströme zu erreichen, muss die Simulation mindestens um Faktor 5 bis 10 schneller als die Ansteuerung gerechnet werden. Die NovaSim-E-Motorkarte ist in der Lage, das Simulationsmodell mit einer Zykluszeit von 500 Nanosekunden zu berechnen. Dies ermöglicht eine exakte Berechnung des Stromverlaufs ohne den Einsatz von zusätzlichen Synchronisierungssignalen, wie sie oft bei Echtzeit-PC basierten Simulationsmodellen mit höherer Zykluszeit notwendig sind. Die berechneten Stromsignale werden über schnelle Digital-Analog-Converter an das Steuergerät ausgegeben.
• Simulation diverser Positionsgeber: Die aktuell berechnete Rotorposition kann über die Simulation diverser Positionssensoren an das Steuergerät weitergegeben werden. Aktuell bietet die E-Motorkarte Unterstützung für Resolver, Sin/Cos-Lagegeber und Inkrementalgeber. Eine kundenspezifische Anpassung an weitere Positionssensoren ist möglich.

Parametrierung und Anbindung des Fahrzeugmodells
Um das  E-Motormodell in ein bestehendes Fahrzeugmodell einzubinden, stellt MicroNova ein Simulink-Blockset für den Austausch relevanter Größen wie Drehzahl und Drehmoment zwischen Fahrzeug- und E-Motormodell bereit. Die Parametrierung der E-Motor typischen Größen, wie Polpaarzahl, Widerstände und Induktivitäten, erfolgt ebenfalls komfortabel über das E-Motor-Blockset und kann zur Laufzeit verändert werden. Somit können auch besondere Testfälle, wie z.B. eine Veränderung der Motorparameter durch Erwärmung, abgedeckt werden. Die Integration des E-Motormodells in das Fahrzeugmodell ist in folgender Abbildung zu sehen.

Parametrierung und Anbindung des Fahrzeugmodells bei einem NovaSim4Hybrid-System

Anwendungsbeispiel: BMW ActiveHybrid – getestet mit NovaSim4Hybrid
BMW ActiveHybrid steht für souveräne Sportlichkeit bei reduziertem Verbrauch. Zum Test der Antriebssteuergeräte setzt die BMW Group auf leistungsfähige NovaSim-Simulatoren. Ein besonderer Fokus beim Einsatz der Testsysteme liegt in der Absicherung von Funktionen aus dem Bereich Energiebordnetz und Powermanagement. Besonders im Rahmen der Hybridentwicklung sind die Testanforderungen an das Energiemanagement sehr hoch, um die Einsparpotentiale eines Hybridfahrzeugs voll ausschöpfen zu können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat MicroNova ein bereits bei der BWM Group eingesetztes NovaSim-System zum NovaSim4Hybrid-System aufgerüstet und durch eine NovaSim-E-Motorkarte ergänzt. Das erweiterte Testsystem unterstützt die Simulation von Verbrennungs- und Elektromotoren im Verbund, so dass sich das komplexe Zusammenspiel der beiden Motoren sowohl für Mild- als auch für Voll­hybridfahrzeuge überprüfen und optimieren lässt.

Fazit
Die beschriebene Simulation mit Hilfe einer NovaSim-E-Motorkarte bietet eine umfangreiche Lösung zur Absicherung von E-Motor-Steuergeräten. Neben dem Einsatz in reinen Komponentenprüfplätzen ist auch eine Integration in bereits bestehende NovaSim-Motor-HiL-Simulatoren möglich. Daraus resultiert eine gesteigerte Testtiefe, auch im komplexen Zusammenspiel der verschiedenen Antriebe bei Hybridfahrzeugen. Durch die E-Motor-Emulation und die NovaSim-E-Motorkarte deckt NovaSim4Hybrid den weiten Bereich von Anwendungsfällen im Test von E-Motor-Steuergeräten ab.