Entwicklungswerkzeuge für Hybrid- und Elektroautos INDUSTRIE SOFTWARE. Vor dem Hintergrund der CO 2

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1 INDUSTRIE SOFTWARE Entwicklungswerkzeuge für Hybrid- und Elektroautos Vor dem Hintergrund der CO 2 -Diskussion werden Hybrid- und Elektrofahrzeuge rasch zur Serienreife gebracht. Dabei müssen zahlreiche neue Komponenten und Systeme entwickelt und in das Fahrzeug integriert werden. Mit entscheidend für eine erfolgreiche Markteinführung der neuen Fahrzeugkonzepte sind Funktion, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Steuerungssoftware und Elektronik. Für den Entwurf, die Implementierung, den Test, die Integration und die Anpassung von komplexen Funktionen elektronischer Steuerungen und Regelungen benötigen Ingenieure geeignete Entwicklungswerkzeuge. 42

2 autoren Dr. Ulrich Lauff ist im Marketing der ETAS GmbH in Stuttgart für die technische Redaktion verantwortlich. Dr. Christoph Störmer ist verantwortlich für die Vorausentwicklung bei der ETAS GmbH in Stuttgart. Dipl.-Ing. Thomas Dollmaier ist im Marketing der ETAS GmbH in Stuttgart für die Koordination der Entwicklungsaktivitäten im Umfeld Hybrid- und Elektrofahrzeuge verantwortlich. Dr. Matthias Klauda ist Geschäftsführer der ETAS GmbH in Stuttgart. Aus der Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ergeben sich neue Anforderungen an die elektronischen Steuerungen in zweierlei Hinsicht. Zum einen müssen neue Komponenten wie die elektrische Maschine oder die Hochvolt-Traktionsbatterie in geeigneter Weise gesteuert, geregelt oder überwacht werden. Zum anderen müssen Systeme miteinander vernetzt und mit Hilfe von zentralen Steuerungen integriert werden, damit neue Funktionen wie Boosten oder Cruisen, kooperatives Bremsen, Start-Stopp-Betrieb, Batterieund Energiemanagement dargestellt werden können. Bei der Entwicklung der neuen Funktionen werden etablierte Werkzeuge für die Modellierung, die Simulation, das Prototyping, die Seriencodegenerierung, den Hardware-in-the- Loop-Test und die Steuergeräte-Applikation eingesetzt. Durch die Wahl der geeigneten Werkzeuge und durch die Vorverlagerung und Automatisierung von Validierungs- und Kalibrierungsschritten im Entwicklungsprozess lassen sich die Qualität und die Effizienz der Entwicklung maßgeblich erhöhen. ZENTRALE STEUERUNGEN Im Folgenden wird am Beispiel der Hybridsteuerung die Entwicklung von übergeordneten Funktionen, die für Hybrid- und Elektrofahrzeuge charakteristisch sind, dargestellt. Beim Hybridantrieb werden die elektronischen Steuerungen von Verbrennungsmotor, Elektromaschinen, Batterien, Leistungselektronik, Spezialgetrieben und Bremse von einer zentralen Steuerung integriert. Beispielsweise teilt die Hybridsteuerung die Momentenanforderungen durch den Fahrer ( Gas geben oder Bremsen ) in Abhängigkeit von der Fahrsituation auf den Verbrennungs- und den Elektromotor beziehungsweise auf die mechanische Bremse und den Generator auf (kooperative Bremse). ❶ zeigt exemplarisch den Einsatz der Etas-Werkzeugkette. Im ersten Schritt werden die Fahrfunktionen in den Entwicklungsumgebungen ASCET oder Matlab/ Simulink modelliert und mittels Streckensimulation am PC validiert, 1 (A). Im Anschluss daran lassen sich die neuen Funktionen auf das Prototyping- und Schnittstellenmodul ES910 integrieren und im Fahrzeug validieren, ❷. CAN oder Flexray verbinden das ES910-Modul mit der Motorsteuerung, der Getriebesteuerung, dem Invertersteuergerät, dem Batteriemanagement und der elektronischen Bremse. Dieses Modell dient gleichzeitig als Gateway zwischen den Bussegmenten der verschiedenen Domänen, 1 (B). Im darauf folgenden Schritt gilt es, Softwarekomponenten zu generieren, welche die Fahrfunktionen auf dem Zielsystem, dem Hybridsteuergerät, implementieren. Das Betriebssystem und die Autosar-Laufzeitumgebung (RTE) des Steuergeräts im Beispiel die ressourcenoptimierten RTA-OS und RTA-RTE-Module sorgen für eine zuverlässige Ausführung der Fahrfunktionen. Codegeneratoren sind serienerprobt. Sie erfüllen Sicherheitsanforderungen, wie sie zum Beispiel von ISO an die Entwicklung der kooperativen Bremse von Hybridfahrzeugen gestellt werden, 1 (C). Um das Systemverhalten im Fehlerfall abzusichern, wird das Hybridsteuergerät über die Busschnittstellen an den leistungsfähigen Multcore-Echtzeit-PC des Hardware-in-the-Loop-(HiL-)-Systems angeschlossen und mit Hilfe einer Umgebungssimulation automatisiert getestet, 1 (D). Eine Function-in-the-Loop-Anbindung, ❸, ermöglicht dabei den Direktzugriff auf logische Signale im Steuergerät in Echtzeit. Es folgt nun die Integration der Hybridsteuerung in das Testfahrzeug und deren Appplikation und Erprobung mit INCA, 1 (E). Um den Zeitaufwand für den kostenintensiven letzten Schritt zu reduzieren, werden die neuen Funktionen bereits bei der Simulation am PC, auf dem ES910- Prototypensteuergerät oder am HiL mit INCA vorkalibriert, 1 (F). Aus allen oben genannten Schritten und Werkzeugen wird ersichtlich, dass die Entwicklung von Hybridsteuergeräten keine fundamental anderen Prozessschritte oder gar Prozesse erfordert. Ungeachtet dessen bieten geschickte Kombinationen und Erweiterungen der verfügbaren Tools beträchtlich Effizienzgewinne. SPEZIALsteuerungen FÜR DEN E-ANTRIEB Für die Entwicklung von speziellen Steuerungen und Regelungen der Hochvoltbatterie und des elektrischen Antriebs von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden die konventionellen Entwicklungswerkzeuge um relevante Schnittstellen erwei 01I Jahrgang 43

3 INDUSTRIE SOFTWARE ❶ Werkzeugeinsatz bei der Entwicklung einer Hybridsteuerung tert. Bei der Messung von hohen Strömen und Spannungen mit induktiven Verfahren und Spannungsteilern sind besondere Vorkehrungen, zum Beispiel Schutzbeschaltungen, notwendig. Die elektronische Regelung der permanentmagnetisch erregten Drehstrom-Synchronmaschinen mit Leistungen bis zu 100 kw, die als Motoren und Generatoren eingesetzt werden, ist aufgrund der hohen Dynamik des elektrischen Antriebs zeitkritisch und muss hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Mit Hilfe von Leistungselektronik (Inverter), die mit PWM- ❷ Das Prototyping- und Schnittstellenmodul ES910 kombiniert hohe Rechenleistung mit OSEK/Autosar- Echtzeit-Betriebssystem und den Standardschnittstellen LIN, CAN, FlexRay und Ethernet; alternativ zum FlexRay-Knoten kann das Modul mit zwei zusätzlichen CAN-Schnittstellen erweitert werden Signalen angesteuert wird, werden hohe Ströme zwischen der Hochvoltbatterie und der E-Maschine umgerichtet. Im Wechselrichterbetrieb werden Moment und Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom Drehwert und der Stromaufnahme über die Einstellung der Spannung und Frequenz des Drehfelds geregelt. Dadurch lassen sich Funktionen wie Sanftanlauf, Drehrichtungsänderung und Blockierschutz darstellen. Beim Bremsen muss die E-Maschine sofort ein Gegenmoment aufbauen, das heißt in den Generatorbetrieb schalten. Der Drehstrom, den der Generator erzeugt, wird gleichgerichtet. Mit dem beim Abbremsen des Fahrzeugs oder im Schleppbetrieb rekuperierten Strom wird die Traktionsbatterie nachgeladen. Die hoch dynamischen Vorgänge im elektrischen Antrieb müssen mit hoher Zeitauflösung erfasst werden. Die Zeitraster der Antriebsregelung liegen im Bereich von 50 µs bis 100 µs. Bei HiL-Tests von Invertersteuergeräten müssen beispielsweise PWM- Signale, mit denen die Leistungselektronik angesteuert wird, aufwändig vermessen und ausgewertet werden um sicherzustellen, dass die Reaktion von Inverter und E- Maschine, welche vom Testsystem simuliert werden, ohne zeitlichen Versatz in die Regelung zurückfließen kann. Alternativ zur Vermessung der physikalischen PWM- Signale können die numerischen Trigger und Werte der PWM-Duty-Cycles über die Function-in-the-Loop-Technik unmittelbar im Steuergerät mit zeitlichem Vorsprung abgegriffen werden, 3. Zum Test des Verhaltens der Leistungselektronik im Fehlerfall wird die E-Maschine durch intelligente elektrische Nachbildungen und numerische Simulationen emuliert. Zur Emulation der Leistungsebene integriert Etas Lösungen, die sich in anderen Leistungsanwendungen bewährt haben, in das Hardware-in-the-Loop-Testsystem Labcar. 44

4 FUNKTIONS-ORIENTIERTE STRUKTUREN Beim ausschließlich batteriegetriebenen Elektroauto wird die Reichweite durch die hohen Kosten und die derzeit noch geringe Energiedichte der Batterie limitiert. Elektroautos müssen mit ihrem Energievorrat so sparsam wie möglich umgehen. Dadurch ist ein neues Fahrzeugkonzept gefordert. Im Bereich Elektrik und Elektronik werden neben Antrieb, Batterie und Energiemanagement neue Systeme für Fahrwerk und Karosserie von Elektroautos entwickelt. Als Beispiel seien einzeln elektrisch angetriebene Räder genannt, welche das Fahren grundlegend verändern. Das neue Fahrzeugkonzept stellt das Verhalten des Gesamtsystems in den Vordergrund. Einzelne Domänen verschmelzen entweder komplett oder werden eng miteinander verzahnt. Für die Elektronikstruktur im neuen Fahrzeugkonzept bilden die in den letzten Jahren eingeführten Konzepte und Standardisierungen wie Autosar und Flexray eine gute Basis. In der neuen Struktur, in der Softwarefunktionen und physikalische Steuereinheiten nicht mehr streng aneinander gebunden sein werden, sind anstelle der Steuergeräte die einzelnen Funktionen des Gesamtsystems die entscheidenden Größen. Vom Entwurf bis zur Integration in das Fahrzeug muss das Zusammenspiel mehrerer Funktionen über die verschiedenen Entwicklungsschritte hinweg betrachtet werden. Im Umkehrschluss müssen die Abhängigkeiten zwischen den Funktionen erkennbar und verstehbar sein. Beim Funktionsentwurf gilt es zu berücksichtigen, dass Funktionen in unterschiedlichen Systemkonfigurationen in verschiedenen Varianten eingesetzt werden. Beispielsweise können Funktionen in Steuerungen mit unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen zum Einsatz kommen. Die Beherrschung der Vielzahl von Funktionsvarianten ist eine wesentliche Herausforderung für die Zukunft. Funktionsmodelle werden nicht jedes Mal neu erstellt, sondern aus einem Modellbaukasten zusammengesetzt. Hierfür müssen die Modelle so generisch beschrieben sein, dass Generatoren mit Hilfe von Konfigurationen in der Lage sind, das passende Modellensemble zu erzeugen und die Funktionsalgorithmen zu optimieren. Dabei ist die Generierung von Testfällen und Testabläufen für die jeweilige Konfiguration mit beinhaltet. Um Doppelarbeit und Brüche zu vermeiden, müssen die Generatoren in der Lage sein, die Modellkonfigurationen und Testabläufe im nächsten Entwicklungsschritt konsistent zu erweitern. ZENTRALSTEUERGERÄTE Die Optimierung des Gesamtsystems führt zur besseren Ausnutzung der Ressourcen und ermöglicht den Ersatz von Steuergerätenetzwerken durch leistungsfähige Zentralsteuergeräte. An die Zentralsteuergeräte werden intelligente Aktoren und Sensoren angeschlossen. Aufgrund ihres geringeren Stromverbrauchs und ihrer höheren Leistung werden sich Multicore-Prozessoren bei den Zentralsteuergeräten durchsetzen. Daraus ergeben sich Anforderungen an die Parallelisierung von Steuergerätesoftware und an die Verteilung auf die Prozessorkerne. Erste Ansätze für eine Standardisierung der Softwareplattform liegen mit den Spezifikationen des Betriebssystems (OS), der Laufzeitumgebung (RTE) und des neuen Softwaremoduls IOC (Inter-OS Application Communication) für Multicore-Steuergeräte-Architekturen durch Autosar Release 4 vor. Diese Spezifikationen werden von Etas bereits durch prototypische Implementierungen unterstützt. VIRTUELLE ENTWICKLUNG Die virtuelle Entwicklung sowohl des Gesamtsystems als auch der Einzelfunktion 01I Jahrgang

5 INDUSTRIE SOFTWARE ❸ Hardware-in-the-Loop-Test eines Invertersteuergeräts für den elektrischen Antrieb: Zwischen der Invertersteuerung und der Umgebungssimulation am Echtzeit-PC (RTPC) werden logische Signale per XCP-on-Ethernet-Protokoll an der I/O des Steuergeräts vorbei ausgetauscht ( Function-in-the-Loop / FiL); dazu wird das Steuergerät mit einer Ethernet- Schnittstelle (XETK) ausgerüstet und direkt an den RTPC angeschlossen. Mit dem einfachen und schnellen Zugriff auf die Variablen und Parameter von Steuergerätefunktionen ist FiL flexibel einsetzbar und kann die Kopplung von Steuergerät und Umgebungssimulation mittels Signalkonditionierung am HiL-Testsystem sinnvoll ergänzen und zum Teil ersetzen gewinnt in hohem Maße an Bedeutung. Durch virtuelle Systemtests auf leistungsstarken Host Rechnern lässt sich die Entwicklung von Hardware und Software be schleunigen und das Co Design verbessern. Ein Schlüssel hierfür ist die Verfügbarkeit und Kombinierbarkeit von Modellen des Steuergeräts, dass heißt des Prozessors und der Peripherie, der Umgebung, der Sensoren und Aktuatoren. Voraussetzung für die Darstellung von virtuellen Steuergeräten sind gemeinsame Standards der Hersteller von Prozessoren und Steuergeräten. Auf der Basis solcher Standards werden zukünftige Entwicklungswerkzeuge in der Lage sein, Modellintegrationen durchzuführen, zu simulieren, frühzeitig zu testen und zu optimieren. Mit dem Werkzeug Intecrio bietet Etas eine Plattform zur Validierung von Autosar oder proprietären Matlab/Simulink und ASCET Funktionsmodellen oder auch Softwaresystemen am PC an. Als Vorstufe zum virtuellen Steuergerät ist das Steuergerätebetriebssystem bereits in die Plattform integriert. 46 modellbasierte ENTWIcKlUNg Der Aufwand für die Anpassung von elekt ro nischen Systemen an das Fahrzeug nimmt mit der wachsenden Anzahl von Systemen, Funktionen und Abhängigkeiten stark zu. Um Kosten, Zeit und Qualitätsziele zu erreichen, muss die Effizienz der Applikation ständig verbessert werden. Durch den Einsatz fortschrittlicher Simulationstechniken ist die Durchführung von Kalibrierungen in virtuellen Umgebungen am Computer oder an HiL Systemen möglich. Etas arbeitet derzeit intensiv an modellbasierten Kalibrationsmethoden. Dabei wird auf Basis von wenigen Messungen am realen System mit Hilfe moderner statistischer Verfahren ein hoch genaues Modell erstellt, mit dem das Verhalten von komplexen Steuerungen und Regelungen mit vielen Parametern am Rechner optimiert werden kann. ZUSammENfaSSUNg Im Elektroauto der Zukunft bilden Elektrik und Elektronik ein Gesamtsystem. Zur Entwicklung von Funktionen für Hybridund Elektrofahrzeuge verwenden Ingenieure heute die bewährten am Markt verfügbaren Lösungen. Tools für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen der Zukunft sind funktionsorientiert und unterstützen die Optimierung des Gesamtsystems. Bewährte Lösungen, aktuelle Standards und neue Technologien bilden die Basis für die künftige Werkzeuglandschaft. DoWNloaD DES BEITRagS REaD ThE ENglISh E-magaZINE order your test issue now: SpringerAutomotive@abo-service.info

6 ZUKUNFT LESEN SEIT 1898 DIE NUMMER 1 IN SACHEN AUTOMOBILTECHNIK Bildquelle: Daimler AG Mit den neuesten Ergebnissen aus der internationalen Forschung, Entwicklung und Produktion sowie spannenden Beiträgen von ausgewählten Experten bieten wir die führenden automobil technischen Fach medien für die gesamte Branche. Und weil sich hier immer alles um den Fortschritt dreht, haben auch wir einen Schritt nach vorn gemacht: Die ATZ-Medien im neuen Design sind jetzt noch lesefreund - licher, noch klarer strukturiert und noch ansprechender. JA, ICH MÖCHTE DIE ATZ JETZT TESTEN! Bitte senden Sie mir die beiden nächsten Ausgaben der ATZ Automobiltechnische Zeitschrift zu. Möchte ich die Zeitschrift danach weiterlesen, brauche ich nichts weiter zu tun. Ich erhalte die Zeitschrift zum Preis von nur 224, zzgl. Versandkosten. Das Abonnement kann ich jederzeit nach Erhalt der letzten Ausgabe kündigen. Zuviel gezahlte Beiträge für nicht gelieferte Ausgaben werden erstattet. WIDERRUFSGARANTIE: Diese Vereinbarung kann innerhalb von 14 Tagen schriftlich widerrufen werden. Zur Fristwahrung genügt die rechtzeitige Absendung (Poststempel) an Springer Automotive Media, Leserservice PF 18, Abraham-Lincoln-Str. 46, Wiesbaden. FIRMA STRASSE / NR. VORNAME / NAME PLZ / ORT FUNKTION Bitte schicken Sie mir regelmäßig ihren kostenlosen ATZonline-Newsletter: BRANCHE Einfach Coupon ausfüllen und faxen an +49 (0) oder online bestellen unter -ADRESSE DATUM / UNTERSCHRIFT