Einer für Alle(s) - Entwicklung eines elektrischen Bordnetzes mit dem universellen HiL-Simulator für Diesel- und Ottomotoren
Vierkirchen, Juni 2008: Hardware-in-the-Loop Simulatoren sind für die Entwicklung von Steuergeräten, insbesondere für die Entwicklung von Motorsteuergeräten unverzichtbar geworden. In der Entwicklung von Steuergerätesoftware lässt sich eine erhebliche Effizienzsteigerung durch automatisierte, auf den HiLs durchgeführte Tests erreichen. Für die Steuergeräteentwicklung für Ottomotoren oder Dieselmotoren sind meist unterschiedliche HiL-Systeme im Einsatz.
MicroNova hat seine Produktfamilie NovaSim dahingehend erweitert, dass mit einem HiL-System sowohl der Betrieb von Steuergeräten für Ottomotoren als auch der Betrieb von Steuergeräten für Dieselmotoren möglich ist. Gemeinsam mit der Abteilung „Energiebordnetz und Hybrid“ der BMW Group wurde diese Plattform für Diesel- und Benzinmotoren geplant und erfolgreich in Betrieb genommen. Für den Kunden ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil, da statt zwei HiL-Systemen nur noch ein HiL-System notwendig ist. Bedingt durch den modularen Aufbau der NovaSim-Plattform konnten auch bereits vorhandene HiL-Simulatoren für Motorsteuergeräte des Benzinbetriebs kostengünstig nachgerüstet werden.
Die BMW Group nutzt bereits seit einigen Jahren ein verteiltes NovaSim-System für die Entwicklung von Energiebordnetzen. Die Struktur dieses Systems ist weiter unten dargestellt. Ein HiL-Simulator für Motorsteuergeräte ist über Reflective Memory mit einer Simulation des Energiebordnetzes verbunden. Ein weiteres HiL-System dient zur Simulation des Energiebordnetzes. Die Steuerung der HiL-Simulatoren erfolgt über eine gemeinsame Bedienoberfläche und eine gemeinsame Testautomatisierung. Einsatzgebiet der HiL-Simulatoren ist die Entwicklung von steuergeräteübergreifenden Funktionen.
Bisher waren bei der BMW Group Hardware-in-the-Loop-Simulatoren für Ottomotoren im Einsatz. Für neue Entwicklungsprojekte sollten nun auch Dieselmotoren berücksichtigt werden, jedoch ohne aus Platz- und Kostengründen separate HiL-Systeme für Otto- und für Dieselmotoren zu beschaffen. MicroNova konzipierte daher neue HiL-Simulatoren, die Steuergeräte für beide Typen von Motoren unterstützen. Die Analyse der Anforderungen an die HiL-Systeme ergab, dass sich diese für beide Motorentypen wesentlich weniger unterscheiden, als es die unterschiedlichen Motorenkonzepte vermuten lassen. Viele Sensoren sind identisch und auch die Aktuatoren für die Einspritzung verhalten sich aus Sicht eines HiL-Simulators ähnlich. Aus diesem Grund können die gleichen Ersatzlasten für z.B. Piezo-Injektoren verwendet werden.
Die HiL-Simulatoren der Produktfamilie NovaSim sind abwärtskompatibel und überzeugen aufgrund ihrer Modularität, da sie flexibel erweiterbar sind. Um die vorhandenen HiL-Systeme für Ottomotoren weiterverwenden zu können, sind die neuen HiL-Systeme abwärtskompatibel zu den Bestehenden. Bisherige Steuergeräte können auch an den neuen HiLs betrieben werden. Es ist außerdem möglich, bisherige HiL-Systeme einfach und kostengünstig für den Dieselbetrieb nachzurüsten.
NovaSim HiL-Simulatoren sind in verschiedenen Ausprägungen erhältlich. In dem beschriebenen Fall wurden Compact-HiL-Systeme eingesetzt.
Entscheidung je nach Einsatzgebiet - Mobiler Einsatz oder stationäres Highend-System mit erweiterten Funktionen
Der Compact-HiL ist ein Simulator mit hoher Packungsdichte und daher für den mobilen Testeinsatz geeignet, damit bei Erprobungsfahrten festgestellte Fehler vor Ort analysiert werden können. Das Fullsize-HiL-System wurde für den stationären Einsatz in der Entwicklung von Fahrzeugen und deren Komponenten entwickelt. Im Unterschied zum Compact-HiL ist der Fullsize-HiL mit erweiterten Funktionen für Fehleraufschaltung und für Ruhestrommessung ausgestattet. Dieses Highend-System erreicht eine ideale Performance bezüglich Testmodellierung und Automatisierung. Beide Systeme können exakt an die speziellen Anforderungen bzw. Testvorhaben angepasst werden und erlauben es somit umfangreiche Elektronikprüfungen kosteneffizient durchzuführen. Compact-HiLs und Fullsize-HiLs basieren auf NovaSim RT.
(Abbildung: HiL für Energiebordnetzentwicklung)
NovaSim RT bildet durch Simulation die Umgebung von Steuergeräten nach und ist geeignet für den Integrationstest aller Steuergerätefunktionen, für den Interaktionstest der Komponenten im Verbund und für den Test von Einzelfunktionen. Der Steuerrechner läuft unter einem Echtzeitbetriebssystem, garantiert die Zykluszeiten für die Umgebungssimulation und kommuniziert über LAN mit dem Bedienrechner. Neben der Visualisierung und der Bedienung des vollständigen HiL-Simulators befindet sich in der Regel auch die Entwicklungsumgebung für die Modelle auf dem Bedienrechner. Die Umgebung wird in Simulink durch ein mathematisches Modell dargestellt und in eine auf dem Echtzeitsystem lauffähige Applikation übersetzt. Durch die Verwendung von MATLAB/Simulink als Modellierungsumgebung des Steuergeräteumfeldes ist sowohl die Wiederverwendung bereits bestehender Modelle als auch der Zukauf von kommerziellen Standardmodellen möglich. Eine offene Programmierschnittstelle ermöglicht, dass auch eigener Code auf dem Echtzeitsystem zum Ablauf gebracht und somit in die Echtzeitumgebung im HiL-Simulator eingebunden werden kann.
Das Testautomatisierungskonzept von NovaSim entfaltet die volle Leistungsfähigkeit des HiL-Systems, wenn generisch erzeugte Verifikations- und Integrationstests automatisch ausgeführt werden. Die sichere und dauerhafte Archivierung dieser Testsequenzen und der daraus resultierenden Reports ist sichergestellt.
Vorteile der HiL-Systeme
- Hohe Testtiefe durch Testautomatisierung
- Reproduzierbarkeit von Tests
- Nachbildung von gefährlichen bzw. kostspieligen Testfällen
- Qualitätssteigerung bei kürzerer Projektlaufzeit, erhöhte Produktionsgeschwindigkeit und Sicherheit der Produkte durch erweiterte Testabdeckung und Testtiefe.
MicroNova bietet für die Erzeugung und Messung von motorspezifischen Signalen, z.B. für die Erzeugung von Motorsignalen, Spezialkarten an, die in den HiL-Simulatoren eingebaut sind. Auf diesen flexiblen Karten wird die vom Anwender benötigte Funktionalität flexibel zur Verfügung gestellt. Durch den auf FPGAs (Field Programmable Gate Array = rekonfigurierbare Logik) basierenden Ansatz ist eine Anpassung an neue Anforderungen, wie z.B. Drehung der Kurbelwelle entgegen der Antriebsrichtung, durch ein einfaches Softwareupdate möglich.
Fazit
Wie am Beispiel des integrierten Hardware-in-the-Loop Simulator für Otto- und Dieselmotorsteuergeräte gezeigt, passt sich die HiL-Familie NovaSim flexibel an die Bedürfnisse der Automobilhersteller und deren Zulieferer an. Elektronische Komponenten können mit NovaSim schnell und reibungslos in ein übergeordnetes generisches Testgesamtkonzept eingefügt werden. Dieser Automatisierungsschritt reduziert sowohl redundante Aufwände und Fehleranfälligkeiten als auch die notwendigen Projektzeiten zur Steuergeräteentwicklung.
Mit beiden leistungsstarken HiL-Systemen Compact-HiL und Fullsize-HiL für den mobilen oder den stationären Einsatz werden eine Testüberdeckung und Testtiefe gewährleistet, die dem geforderten Qualitätsanspruch für moderne Fahrzeuge gerecht werden.
