NovaSim. NovaCarts. Mit innovativen Testlösungen auf der Überholspur. NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim N

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1 NovaSim NovaCarts Mit innovativen Testlösungen auf der Überholspur ts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts m NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCar NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim NovaCarts NovaSim N Automotive Testing kompakt

2 Editorial Testen von Elektronik und Mechatronik Sehr geehrte Leserinnen und Leser, ich freue mich, Ihnen in diesem Format viele interessante Themen aus der Fachabteilung HiL-Simulation und von unserem Partnerunternehmen, der carts GmbH, präsentieren zu können. Im Mittelpunkt steht dabei das Thema Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Simulation, das seit langer Zeit zur Kernkompetenz unseres Unternehmens gehört. Automobilhersteller und Zulieferer vertrauen bereits seit 1996 auf unsere Lösungen, unser Wissen und unsere Erfahrung. Später folgten weitere Branchen wie der Windenergiesektor oder die Forschung. Mit höchstem Qualitätsanspruch verfolgt MicroNova das Ziel, innovative Themen wie etwa Batterie-Simulatoren, neue Elektro- oder Hybridantriebe im Automobilbereich zu bedienen und gleichzeitig die bereits erschlossenen Gebiete konsequent weiterzuentwickeln. So finden Sie in diesem Kompendium unter anderem Artikel über die Simulation von Lambdasonden sowie über die Einführung eines neuen Bus-Tracing-Features in unsere bewährten NovaSim-Systeme. Während im ersten Teil des Kompendiums Anwendungsbeispiele aus dem Automobilbereich und der Windenergiebranche im Vordergrund stehen, widmet sich der zweite Teil ganz den Technologien, die in unseren NovaSim- und NovaCarts-Produktfamilien zum Einsatz kommen. Bei aller Fokussierung auf HiL-Simulation in diesem Kompendium versteht sich MicroNova im Bereich Testing einem der vier Geschäftsfelder des Unternehmens als Anbieter für ganzheitliche Full-Service-Lösungen. Durch die Kombination aus HiL-Systemen, erprobter Software zur Testautomatisierung wie EXAM sowie einem breiten Portfolio an Testing- Dienstleistungen deckt das Unternehmen den gesamten Testprozess von Anfang bis Ende ab. Ich wünsche Ihnen eine informative und unterhaltsame Lektüre! Ihr Martin Sulzbacher Leiter HiL-Simulation 2

3 Automotive Testing kompakt Inhaltsverzeichnis 4 HiL-Simulation für den Bereich Powertrain: Hohe Anforderungen und schnelle Signale 5 Attraktive Kombination: Die koppelbaren NovaCarts- HiL-Systeme für Motoren mit bis zu sechzehn Zylindern 8 Dicke Luft ade dank neuer Lambdasondensimulation 10 MAN Nutzfahrzeuge AG / Große Brummis simuliert auf schnellen Prozessoren Thermodynamische Simulation von Verbrennungsmotoren in Echtzeit 4 14 Elektro- und Hybridmotoren: Schnelle Signale mit aufwändigen Simulationen 15 carts und MicroNova gebündelte Testkompetenz im Bereich Elektro- und Hybridmotoren 18 E-Motor-HiL mit kompletter Leistungselektronik 20 Simulation mit der NovaSim-E-Motor-Karte 22 Zollner Elektronik AG / Universelles HiL-Testsystem mit E-Maschinen-Emulation 24 HiL-Simulation für Fahrzeug- und Starterbatterien: Hohe Genauigkeiten und hohe Spannungen 25 carts und MicroNova bündeln Testkompetenz im Batteriebereich 27 Damit der Hase lange trommelt Test von Lithium- Ionen-Steuergeräten mit der NovaSim-Familie HiL-Simulation für mehr Komfort im Fahrzeug: Viele Steuergeräte, unterschiedliche Stecker, hohe Abhängigkeiten 31 HiL-Multitalent NovaSim-HiL im Einsatz bei Marquardt 35 Frischer Wind: HiL-Simulation und Testautomatisierung für die Windenergiebranche 39 Hoher Bestandsschutz, Erweiterbarkeit und Flexibilität dank Skalierbarkeit und Modularität 40 Anpassungsfähig in allen Lebenslagen: Kleiner modularer Prüfsimulator für den großen Einsatz NovaCarts modularer HiL-Baukasten für den flexiblen Test von Steuergeräteverbünden 46 Der Lebenslauf vom Kleinwagen zum Sportler: Die Karriere eines CTR-HiL von carts 47 Impressum 3

4 HiL-Simulation für den Bereich Powertrain: Hohe Anforderungen und schnelle Signale Motor, Antrieb oder gesamter Antriebsstrang: Die Ansprüche an Hardware-in-the-Loop(HiL)-Systeme in der Fahrzeugdomäne Powertrain sind hoch. Die HiL-Simulatoren verarbeiten eine hohe Anzahl an Ein- und Ausgaben (hohe I/O-Dichte) in kürzester Zeit und simulieren gleichzeitig spezielle Sensoren und Aktoren des Motors. Simulation aller motortypischen Signale Um Automobilhersteller und -zulieferer bestmöglich beim Test von Motorund Antriebssteuergeräten unterstützen zu können, bietet die MicroNova AG einen umfangreichen Baukasten aus Hardware- und Software-Modulen an. Die flexiblen NovaSim-HiL-Simulatoren von MicroNova lassen sich sowohl für Ottomotoren als auch für Dieselmotoren einsetzen. Für die Simulation der dabei notwendigen Motorsignale stehen spezielle Motor- und Klopf-Karten zur Auswahl. Mit jeder Karte lassen sich beliebige Motortypen mit bis zu zwölf Zylindern simulieren. Dabei können alle motortypischen Signale generiert und erfasst werden, unter anderem: Digitale und analoge Kurbelwellensignale Nockenwellensignale Einspritz- und Zündsignale Klopfsignale Anschluss von Echtteilen Über einen 19-Zoll-Einschub lässt sich die Steuergeräte-Peripherie mit den HiL-Simulatoren von MicroNova verbinden; dies ermöglicht den Anschluss von Echtteilen, wie beispielsweise Drosselkappen, sowie elektronische Last-Simulationen. So können selbst komplexe Sensor-Nachbildungen realisiert werden beispielsweise für Einspritzventile, Piezo- und Magnet- Injektoren oder Lambdasonden. Komplexe Sensor- oder Aktuator-Nachbildungen MicroNova hat sich darauf spezialisiert, komplexe Sensor- und Aktuator- Nachbildungen zu realisieren. Speziell für die Lambdasonden-Simulation bietet MicroNova die Möglichkeit, das elektrochemische Verhalten von Lambdasonden wie der CJ135 vollständig nachzubilden. Dabei werden alle relevanten physikalischen Eigenschaften und aktuellen Auswerte-Chips berücksichtigt. Dadurch lässt sich beispielsweise das Starten eines Motors bei Frost simulieren und beliebig oft wiederholen ohne einen realen Motorprüfstand immer wieder aufwändig auf die gewünschte Temperatur kühlen zu müssen. Ein besonderes Highlight ist die Aktuator-Nachbildung: Die MicroNova AG ermöglicht nicht nur die Simulation verschiedener Einspritzmodelle, sondern konnte als erster Anbieter auch eine Nachbildung von Piezo-/Magnet- Injektoren realisieren. Kompakte Bauform Ein weiterer Vorteil der NovaSim-HiL- Systeme ist die kompakte Bauform. Sie ermöglicht effizientes Testen. Die kleinsten Simulatoren lassen sich sogar auf dem Schreibtisch betreiben. Fahrzeug-Busse und Sensorprotokolle Darüber hinaus unterstützen die HiL- Systeme alle gängigen Fahrzeug-Bus- Systeme wie Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN), FlexRay oder Ethernet for Controller and Automation Technology (EtherCAT). Zusätzlich stehen spezielle Sensorprotokolle wie Serial Peripheral Interface (SPI), Single Edge Nibble Transmission (SENT) oder Berkerly Software Distribution (BSD) zur Verfügung. Bei Bedarf kann MicroNova weitere Bus-Systeme realisieren. 4

5 Thomas Sztanek / Fotolia.com Attraktive Kombination: Die koppelbaren NovaCarts-HiL- Systeme für Motoren mit bis zu sechzehn Zylindern Obwohl die Luxusmodell- und Nutzfahrzeugsparten den Herstellern auf den ersten Blick durch hohe Preise auch hohe Einnahmen sichern, ist das Entwicklungsbudget meist begrenzt. Daher ist die Anschaffung von separaten Hardware-in-the-Loop(HiL)-Systemen mit zwölf oder sechzehn Zylindern oft nicht wirtschaftlich, da sie die meiste Zeit nicht in Betrieb wären. HiL- Simulatoren mit bis zu acht Zylindern sind hingegen oft rund um die Uhr im Testbetrieb, weil damit beispielsweise vom Dreizylinder mit Range-Extender bis hin zum Achtzylinder-Motor alle Motorsteuergeräte getestet werden können. Um zukünftig auch kostengünstige und effiziente Tests von Zwölf- und Sechzehnzylinder-Motoren zu ermöglichen, hat die carts GmbH einen universellen Motor-HiL-Simulator konzipiert, der im Verbund (durch Kopplung von zwei Systemen) als HiL- Simulator für Motorsteuergeräte mit bis zu sechzehn Zylindern betrieben werden kann. Dieser Motor-HiL-Simulator lässt sich in nur wenigen Minuten zu zwei unabhängigen Motor-HiLs mit bis zu acht Zylindern umkonfigurieren damit stehen zwei separate HiL-Systeme zur Verfügung. Durch den modularen Aufbau der carts-hil-simulatoren beträgt der Mehraufwand für die Zusammenschaltung nur einen geringen Prozentsatz der Gesamtkosten. Da bei Fahrzeugen mit Zwölf- und Sechzehnzylinder-Motoren häufig zwei Motorsteuergeräte zum Einsatz kommen (Master/Slave-Betrieb), wurde bei der Konzeptionierung des HiL-Simulators darauf geachtet, dass je ein Steuergerät über einen Kabelbaum an den jeweiligen Teil-HiL angeschlossen werden kann. Dadurch erweitert sich die Bandbreite der zu testenden Steuergeräte enorm. Durch den Zusammenschluss von zwei standardisierten Motor-HiL-Simulatoren ist sowohl ein Stand-Alone-Betrieb für bis zu acht Zylinder als auch der Einsatz im Verbund mit mehr als acht Zylindern möglich. Die Kopplung von zwei Systemen kann durch einfaches Umstecken der Bus-Leitungen sowie der Bordnetznachbildung erfolgen. Für den gekoppelten Betrieb wird die gesamte Rechen-Performance von einem erweiterten Master-Echtzeitrechner zur Verfügung gestellt. Hierbei werden beide Racks vom Master-Echtzeitrechner angesteuert und verwaltet. Für den Stand-Alone-Betrieb ist für jedes System ein eigener Echtzeitrechner vorhanden. Das Innenleben des Echtzeitrechners (CPC) kann sich sehen lassen: Es stehen acht Kerne zur Verfügung, mit denen sich selbst komplexeste Modelle rechnen lassen. Um auch sehr zeitkritische Anwendungen wie Zylinderinnendruck oder Zylinderabschaltung realisieren zu können, muss das Simulationsmodell rechtzeitig auf die Steuerbefehle des Steuergeräts reagieren. Hier sind Modellzeiten von wenigen zehn Mikrosekunden (μs) erforderlich. NovaCarts erlaubt es, einzelne CPU- Kerne exklusiv für zeitkritische Modelle zu reservieren. Durch die Isolierung einzelner CPU-Kerne im CPC ist es gelungen, deterministische Reaktionszeiten herunter bis zu wenigen Mikrosekunden zu erreichen, abhängig von der Anzahl der zu bedienenden I/Os. 5

6 Netzteil Subsystem 1 Koppelfeld Subsystem 2 Subsystem Einspritzventile Subsystem Systemversorgung CPC-Adapterbox CPC Ein- bis Achtzylinder 2x Ein- bis Achtzylinder oder 1x Acht- bis Sechzehnzylinder Die Fakten zur PC-Technologie im Überblick: Hochleistungsfähige Intel-basierte Rechenplattform MultiCore-Support (Acht CPU-Kerne im vorliegenden Aufbau; höhere und geringere Anzahl von Kernen möglich) 100-prozentige Anschlusskompatibilität an seriellem Bus Anschluss seriell I/O über PCI-Bus Realtime Linux als Betriebssystem Neue Fahrzeug-Bus-Knoten Erstmals wurde im NovaCarts-Motor- HiL für sechzehn Zylinder auch der neue Fahrzeug-Bus-Knoten (FBK) für den FlexRay-Bus eingesetzt. Dieser baut auf den Standardprodukten der Firma Vector auf. Die Ankopplung an den Echtzeitrechner erfolgt über ein schnelles echtzeitfähiges Netzwerkprotokoll. Neben einer einfachen Möglichkeit von Rest-Bus-Simulationen stehen Standardwerkzeuge zum Aufzeichnen von Bus-Nachrichten wie CANoe zur Verfügung. Für Anwender ergibt sich so eine einfache und hochperformante Möglichkeit zur Erzeugung von Rest-Bus-Simulationen. Zum anderen ist durch die hohe Verbreitung der Vector-Produkte bereits sehr viel Know-how vorhanden. Dadurch reduziert sich der Schulungsaufwand beträchtlich. Pro System stehen sowohl vier CAN- und vier LIN- Busse als auch zwei FlexRay-Kanäle zur Verfügung. Als Beschreibungsformat für die unterstützten Fahrzeug- Busse werden LDF für LIN, DBC für CAN und FIBEX für FlexRay unterstützt. Um die strengen EU-Abgasvorschriften zu erfüllen, werden in zukünftigen Verbrennungsmotoren mehrere Einspritzverfahren pro Zylinder verwendet. Die neuen Motorsteuergeräte steuern je nach Lastzustand zwei unterschiedliche Einspritzventile an Saugrohr oder Direkteinspritzung. Für den Betrieb eines Sechzehnzylinder- Motorsteuergeräts mit sogenannter Twin Injection müssen daher jetzt zweiund- 6

7 dreißig Einspritzsignale und sechzehn Zündsignale winkelsynchron erfasst werden. Dank des modularen Aufbaus der NovaCarts-Simulatoren nicht nur im Zusammenschalten zu großen HiL- Systemen, sondern auch bei den Lastnachbildungen lassen sich diverse Ventiltypen durch den Anschluss externer Lastboxen implementieren. Für folgende Ventiltypen stehen unter anderem Lastboxen zur Verfügung: Common-Rail-Piezo-Injektoren Common-Rail-Magnet-Injektoren Gas-Injektoren Die Auswahl, welche Last genutzt wird, erfolgt über Kodierungen im Kabelbaum. Diese Vorgehensweise gewährleistet einen anwenderfreundlichen und einfachen Wechsel der unterschiedlichen Einspritzventiltypen. Standardisiertes Anschlusskonzept Um den Sechzehnzylinder-Motor-HiL betreiben zu können, wurde auf das von carts standardisierte Anschlusskonzept zurückgegriffen. Die verschiedenen Motorsteuergerätetypen werden mit einem an das Steuergerät angepassten Kabelbaum an den HiL- Simulator angeschlossen. Alle I/Os und Busse werden über den Trennadapter geführt. Dieser bietet dem Nutzer eine hoch variable Schnittstelle an. Dort können externe Messgeräte, beispielsweise ein Echtteil anstelle einer Simulation oder zusätzliche Lasten angeschlossen werden. Fazit Die erprobte, modulare Bauweise der NovaCarts-Motor-Hil-Systeme wurde nun erfolgreich an einem Sechzehnzylinder-HiL-Simulator eingesetzt. Dabei kamen die FlexRay-Tools der Firma Vector Informatik zum Einsatz. Das Motor-HiL-System wird bereits erfolgreich bei einem großen deutschen Automobilhersteller eingesetzt. Durch die im Vergleich zum bisherigen System durchgeführten Erweiterungen um zusätzliche Lasten und Signale ist ein Motorsimulator entstanden, der für nahezu jedes Motorsteuergerät einsetzbar ist. Damit lassen sich auf absehbare Zeit und somit zukunftssicher alle Motorsteuergeräte, auch die mit neuester und umfangreichster Technologie, mit NovaCarts-HiL-Prüfständen betreiben. Durch das Zusammenschalten von zwei Achtzylinder- HiLs zu einem Sechzehnzylinder-HiL beziehungsweise dem Trennen eines Sechzehnzylinder-HiLs in zwei Achtzylinder-HiLs wird ein hoher Nutzungsgrad des Systems und damit eine optimale Nutzung der Investition erreicht. Zusätzlich bietet das Subsystem für höhere Ströme acht Schnittstellen, die den Anschluss diverser Echtteile ermöglichen (AGR, Drosselklappe usw.). Über diese können deren Stellgrößen erfasst und zum Beispiel mit einem Spannungs-Offset versehen an das Steuergerät zurückgemeldet werden. 7

8 christian42, Jag_cz / Fotolia.com Dicke Luft ade dank neuer Lambdasondensimulation Die stetig steigenden Anforderungen an niedrigere Abgasemissionen und geringeren Treibstoffverbrauch erfordern die kontinuierliche Weiterentwicklung von Motoren samt zugehöriger Elektronik. Eine zentrale Rolle spielt dabei die sogenannte Lambdasonde (λ-sonde): Sie ist ein Sensor, der den Restsauerstoffgehalt im Verbrennungsabgas misst, um abhängig vom ermittelten Wert das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff einstellen zu können. Für Benzinmotoren wird in der Regel versucht, eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu erreichen. Dies erfolgt mit entsprechenden Regelungsalgorithmen. Für Dieselmotoren wird die Abgasrückführungsrate über den λ-wert ermittelt, mit dem Ziel Stickoxide und Ruß zu minimieren. Die Lambdasonde ist der Hauptsensor für die Lambdaregelung zur katalytischen Abgasreinigung. Dies ist umgangssprachlich als sogenannter geregelter Katalysator bekannt. Die Ermittlung des Restsauerstoffgehalts erfolgt über einen Regelkreis mit der zugehörigen Auswerteelektronik. Seit der Einführung des Katalysators sind eine oder mehrere Lambdasonden in allen neu produzierten Fahrzeugen verbaut. Für den Test von Motorsteuergeräten ist es notwendig, das elektrochemische Verhalten der Lambdasonde elektronisch vollständig nachzubilden. Damit eine Lambdasonde richtig arbeiten kann, muss sie in einem hohen Temperaturbereich von ca. 700 Grad Celsius betrieben werden; eine geregelte Heizung stellt dies sicher. Um Sensoren zu sparen, besteht zusätzlich zur Messung eines Lambdawerts auch die Möglichkeit einer Temperaturmessung. Damit die Schadstoffe in Abgasen gering bleiben, muss ebenfalls sichergestellt werden, dass in Fahrzeugen verbaute Lambdasonden zuverlässig funktionieren. Deshalb führen in Steuergeräten vorhandene Auswertechips beim Start des Fahrzeugs und im laufenden Betrieb umfangreiche Diagnosen wie beispielsweise Test auf Kabelbruch oder Kurzschluss durch. Seit Beginn der Serienfertigung des geregelten Katalysators im Jahr 1976 hat sich die Auswerteelektronik für die Messung bei Lambdasonden stetig weiterentwickelt. Es werden kontinuierlich mehr physikalische Eigenschaften der Sonden von den Steuergeräten geprüft. Dies hat zur Folge, dass bei Testsystemen wie zum Beispiel Hardware-in-the Loop(HiL)-Simulatoren die Anforderungen an elektronische Nachbildungen für Lambdasonden kontinuierlich steigen. 8

9 HiL-Simulation Mit der neuen Lambdasondensimulation für NovaCarts und NovaSim ist es möglich, in Simulatoren beider HiLFamilien alle relevanten physikalischen Parameter für die Auswerteelektronik in Steuergeräten zu simulieren: Simulation der Temperatur der Lambdasonde Vorgabe des Pumpstroms und damit des Lambdawerts Bedienung aller Diagnosen der aktuellen Auswertechips, wie Prüfung auf Kurzschluss oder unterbrochene Anschlussleitungen Für die Anwender von NovaSim- und NovaCarts-HiL-Systemen ergeben sich damit folgende Vorteile: Betrieb von Steuergeräten ohne Einträge in Fehlerspeicher, das heißt ein Steuergerät kann nicht zwischen Simulation oder realer Sonde unterscheiden Durchführung aller abgasrelevanten Tests von Motorsteuergeräten ohne Verwendung von Motorprüfständen mit realer Verbrennung von Kraftstoffen Test von Funktionalitäten, die mit realen Prüfständen nur unter großem Aufwand durchzuführen sind; dazu gehört etwa das Starten eines Motors bei Frost. In einem HiL-Simulator muss nur über eine Bedienoberfläche oder eine Testautomation ein Temperaturverlauf vorgegeben werden, und der Test kann beliebig oft mit einem HiL-Simulator im Labor wiederholt werden. Bei einem realen Motorprüfstand muss zuerst eine Klimakammer auf Frosttemperatur abgekühlt werden. Erst danach können Hersteller oder Zulieferer einen Testlauf durchführen. Soll dieser Test wiederholt werden, so müsste zuerst gewartet werden, bis der Motor wieder auf Frosttemperatur abgekühlt ist. Fazit Mit der Lambdasondensimulation für NovaCarts und NovaSim steht für den Test von Motorsteuergeräten eine elektronische Simulation zur Verfügung, die alle aktuellen Auswertechips und die physikalische Eigenschaften der Lambdasonden nachbilden kann. Hersteller oder Zulieferer können damit alle abgasrelevanten Funktionalitäten von Motorsteuergeräten automatisch testen ohne dass ein Tropfen Benzin oder Diesel verbrannt werden muss. Abgasstrom Nernstzelle Elektroden (gasdurchlässig) 0,2-0,8 V Heizung (optional) Heizung (optional) Luft Abbildung 1: Aufbau einer Lambdasonde 9

10 MAN Nutzfahrzeuge MAN Nutzfahrzeuge AG / Große Brummis simuliert auf schnellen Prozessoren - Thermodynamische Simulation von Verbrennungsmotoren in Echtzeit Bei der Simulation von Verbrennungsmotoren spielen Modellgenauigkeit und Echtzeitfähigkeit eine zentrale Rolle. Dabei unterliegt die Echtzeitsimulation den zeitlich engen Vorgaben der Zylindertaktung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, lässt sich die Simulationsarbeit mit NovaSim auf mehrere Prozessoren verteilen. Die MAN Nutzfahrzeuge AG entschied sich für die Simulation von Dieselmotoren mit bis zu zwölf Zylindern für die NovaSim-Hardware-in-the-Loop(HiL)- Plattform. In diesem Anwendungsfall wurde ein Multiprozessorsystem mit vier Prozessoren in Verbindung mit einem thermodynamischen Simulationsmodell verwendet. Die Plattform NovaSim NovaSim ist die skalierbare Echtzeitplattform der MicroNova AG und deckt den Bereich von der einfachen Simulation bis hin zu verteilten Mehrprozessorsystemen mit verteilter I/O ab. Auf diese Weise lassen sich folgende Eigenschaften erzielen: I/O-Pin-Anzahl bis hin zu mehreren tausend I/Os Rechenleistung vom Power-PC bis hin zu gekoppelten, verteilten Echtzeitsystemen mit jeweils bis zu 16 Prozessoren Von der Simulation bis zum Betrieb von verteilten, hochleistungsfähigen HiL-Modellen einsetzbar Simulation ohne Lasten sowie zur hochgenauen Simulation von realen Lasten wie Hochdruck- Magnet-Injektoren möglich Einen Überblick über die Skalierungsmöglichkeiten der NovaSim-Plattform gibt Abbildung 1. MAN Nutzfahrzeuge AG Die Angebotspalette der MAN Nutzfahrzeuge AG erstreckt sich von Sechszylinder-LKW-Motoren bis hin zu Zwölfzylinder-Schiffsmotoren. Um für diese Motoren die passenden Steuergeräte zu entwickeln, ist eine realistische Simulation des Motorverhaltens erforderlich. Hier stießen Kennfeldbasierte Mittelwertmodelle an ihre Grenzen, da sie nicht alle benötigten Effekte ohne übermäßig hohen Parametrieraufwand abbilden konnten. Die Verwendung eines echtzeitfähigen thermodynamischen Motormodells ermöglichte die erforderlichen hohen Genauigkeiten. Die NovaSim-Multiprozessorplattform stellt eine leistungsfähige Ablaufumgebung für diese Anforderungen zur Verfügung. Oben ist ein typischer zu simulierender Motor dargestellt. Für höhere Zylinderzahlen kommen zwei baugleiche Steuergeräte (ECU) zum Einsatz. Das eingesetzte HiL-System ist in der Lage, die große Anzahl von I/Os (mehrere 100) in Echtzeit zu behandeln. 10

11 endyna Themos Die TESIS DYNAware GmbH, mit der die MicroNova AG kooperiert, ist ein Anbieter von echtzeitfähigen Simulationsmodellen, welche auf der Nova- Sim-HiL-Plattform ablaufen können. Bei endyna Themos handelt es sich um ein professionelles Software-Paket zur Simulation von Verbrennungsmotoren. Der thermodynamische Modellansatz ermöglicht die detaillierte Abbildung physikalischer Abhängigkeiten im Motor. endyna Themos stellt eine hochwertige Basis für die Entwicklung und den Test von Diesel- und Ottomotor-Steuergeräten dar. Aufgrund der Performance dieser Modelle sind sie für den Echtzeitbetrieb auf der NovaSim-Plattform hervorragend geeignet. Die hohe Genauigkeit des en- DYNA Themos Motormodells erlaubt es ECU-Entwicklern, genaue und zuverlässige Aussagen über das Verhalten von Motoren und den zugehörigen Steuergeräten zu machen. Damit ist sogar eine weitgehende Vorkalibrierung der ECUs am HiL möglich. Die Simulationsmodelle werden unter anderem eingesetzt für: Hardware-in-the-Loop-Tests von Steuergeräten mit Überwachung des Zylinderdruckverlaufs Konzept- und Reglerentwurf unter anderem für zweistufige Turboaufladung, vollvariable Ventilsteuerung und Abgasrückführung Test und Entwicklung von Funktionen zur Abgasnachbehandlung und Onboard-Diagnose. endyna Themos berechnet den zeitlich aufgelösten Druckverlauf im Zylinder, basierend auf einem nulldimensionalen Verbrennungsmodell, dem Wandwärmeverlust über die Zylinder und der Kolben-Kinematik. Durch den physikalischen Modellansatz konnten gekoppelte Effekte wie die Auswirkung der Ladungsverdünnung durch Abgasrückführung auf Drehmomententwicklung und Abgas naturgemäß abgebildet werden. Der hohe Detailgrad der Modelle bei gleichzeitiger Echtzeitanforderung erforderte eine leistungsstarke Hardware und eine HiL-Software, die eine Parallelisierung des Berechnungsvorgangs ermöglichten. Diese Herausforderungen löste NovaSim mit Hilfe einer Quadcore-CPU und eines leistungsstarken Für den Aufbau des HiL-Simulators wurde auf den bewährten NovaSim- HiL-Baukasten zurückgegriffen. Komponenten, wie die Simulation von Lambdasonden, sind darin bereits enthalten. Die Dimensionierung der Simulation der verwendeten Hochdruck- Simulink-Blocksets. Magnet-Injektoren wurde an die physikalischen Gegebenheiten im Die eingesetzte LKW-Bereich angepasst. NovaSim-Hardware In einem Zwölfzylinder-Diesel-HiL sind von oben nach unten die folgenden Komponenten untergebracht: Fehleraufschaltung für 160 Pins. Die Injektoren besitzen eine separate Fehleraufschaltung Breakout-Boxen für 360 I/O-Pins Simulierte Lasten für 16 Hochdruck-Magnet-Injektoren Die eingesetzte NovaSim-Software Die einfache Anbindung der motorspezifischen Inputs und Outputs ist die Basis für den erfolgreichen Einsatz von Modellen zur Simulation von Verbrennungsmotoren. In NovaSim sind hierfür eine Reihe von einfach zu mit konfigurierenden Simulink-Blocksets Strommessung. Für die Injektoren sind LEDs zur Anzeige der Ansteuerung der Injektoren vorhanden ECU-Anschaltung mit weiteren simulierten Lasten QuadCore-CPU mit 2,4 GHz Taktfrequenz PXI-Rack mit I/O-Karten und Signalkonditionierung Not-Aus-Einheit Netzteil vorhanden. Diese umfassen: Analoge Ein- und Ausgabe Digitale Ein- und Ausgabe PWM Ein- und Ausgabe Tabellen-gesteuerte Erzeugung von Kurbel- und Nockenwellensignalen Einspritz- und Zünderfassung (auch Mehrfacheinspritz- und Zünderfassung) Simulink-Blocksets für CAN Simulink-Blocksets für LIN Breakout-Box Failure Injection Unit Fullsize Anschalteinheit Lasten Stecker FIU klein Compact Netzteil CPU FPGA... Signal I / O... Basic Cond. Abbildung 1: Die NovaSim-Plattform 11

12 Abbildung 2: Vier Prozessoren bei der Arbeit Diese Blocksets wurden bereits in zahlreichen NovaSim-HiL-Simulatoren eingesetzt. Auch sogenannte Multirate-Modelle, das heißt Modelle, die Teile mit unterschiedlichen Zykluszeiten beinhalten, werden von NovaSim unterstützt und nutzen die hohe Rechenleistung von Mehrprozessor-Plattformen. In der beschriebenen Anwendung rechnen Teile des Modells parallel auf mehreren Prozessoren, so dass die zeitlichen Anforderungen der Simulation erfüllt wurden. In NovaSim stehen Simulink-Blöcke zur Verfügung, die es ermöglichen, einzelne Berechnungen graphisch verschiedenen Prozessoren zuzuweisen. Die auf den einzelnen Prozessoren ablaufenden Modellteile müssen vom Anwender lediglich in entsprechenden Subsystemen untergebracht werden. Die NovaSim-Plattform sorgt für eine effiziente Zuweisung von Berechnungen an Einzelprozessoren und für die Synchronisation der einzelnen parallelen Berechnungen. Die Nutzung mehrerer Prozessoren wird damit für den Anwender zum Kinderspiel. einzelnen Zylinder sind unterschiedlich lang, weil ein Verbrennungsvorgang zum Beispiel mehr Rechenzeit erfordert als das Ausstoßen der Abgase. Bei den blau dargestellten Threads handelt es sich um die sogenannten Idle- Threads. Diese stellen die Reserve der Rechenzeit am HiL-Simulator dar. Zudem ist noch ausreichend Spielraum für zukünftige Erweiterungen vorhanden. Der HiL-Simulator kann auf zwei Arten bedient werden: Zum einen steht eine komfortable, in LabVIEW realisierte Oberfläche zur Verfügung. Zum anderen ist ein vollautomatischer Betrieb des Simulators über eine auf Python basierende Testautomation möglich. Abbildung 2 zeigt einen Modellschritt mit einer Zykluszeit von einer Millisekunde. Die Hauptschleife ist in Hellrosa dargestellt, die Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern in Rot. Die Berechnung für jeweils vier Zylinder ist in einem Thread zusammengefasst. Die Rechenzeiten für die Abbildung 3: Bedienoberfläche 12

13 Die Bedienoberfläche für den HiL-Simulator ist in Abbildung 3 dargestellt. Für eine einfache Bedienung des HiL- Simulators sind alle Ein- und Ausgänge sowie wichtige Modellvariablen und -parameter an der Bedienoberfläche vorhanden. Der MAN Nutzfahrzeuge AG wurde das HiL-System mit einem komplett parametrierten Modell geliefert. Fazit Durch den Einsatz von bewährten Komponenten aus dem NovaSim-HiL- Baukasten realisierte MicroNova in kurzer Zeit ein für den Kunden maßgeschneidertes HiL-System basierend auf Standards. Dadurch konnte die Simulation des realen Motors wirklichkeitsnah realisiert werden, so dass keine Einträge in den Fehlerspeichern der Steuergeräte mehr auftraten. Für das Steuergerät ist es nicht erkennbar, dass kein realer Motor bedient wird. Das Erreichen einer derartigen Simulationsqualität war möglich, weil: MAN Motordaten in sehr hoher Qualität zur Verfügung stellte. das endyna Motormodell eine Simulation in der benötigten Detaillierung ermöglicht. Nur ein thermodynamischer Modellansatz bildet das Motorverhalten in der geforderten Genauigkeit ab. NovaSim die erforderliche leistungsfähige Hardware- und Softwareumgebung bietet. Für den Kunden ergibt sich ein großer Kostenvorteil, weil jetzt Tests auf dem HiL-Simulator durchgeführt werden können, die früher an teuren Motorprüfständen mit höherem Zeitaufwand und unter weniger reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden mussten. Die Tests können sogar schon gestartet werden, wenn noch kein echter Motor zur Verfügung steht. Die NovaSim-HiL-Plattform ist auch für andere komplexe Anwendungsgebiete wie Fahrdynamikmodelle in Verbindung mit Fahrerassistenzsystemen hervorragend geeignet. Durch die Unterstützung einer fast beliebigen Anzahl von Prozessoren in Multiprozessorsystemen kommen damit HiL- Anwendungen in Reichweite, die bis vor kurzem noch undenkbar gewesen wären. Abbildung 4: Verlauf des Zylinderinnendrucks Exkurs: Thermodynamisches Motormodell Der Kern eines thermodynamischen Motormodells ist die Motorprozesssimulation. Hier werden der Verbrennungsvorgang und die dabei auftretenden Energieströme mit einem physikalischbasierten Ansatz zeitaufgelöst berechnet. Der entscheidende Vorteil im Vergleich zu bisher üblichen Mittelwertmodellen, in denen das stationäre Motorverhalten meist in Kennfeldern hinterlegt ist, ist die Abbildung komplexer Zusammenhänge gemäß physikalischer Wirkprinzipien und die gleichzeitig erreichte höhere Genauigkeit. Somit lassen sich zum Beispiel die direkten Auswirkungen von reduziertem Luftdurchsatz auf Abgastemperatur und Ladedruck sehr genau darstellen. Durch die zeitaufgelöste Berechnung des Verbrennungsvorgangs zeigt sich auch der Einfluss von Einspritzwinkel und Mehrfacheinspritzungen auf den Verlauf des Zylinderinnendrucks über den gesamten Arbeitsbereich des Motors. In Abbildung 4 sind simulierte Zylinderdruckverläufe bei verschiedenen Lastpunkten und Einspritzmustern dargestellt. Ein thermodynamisches Motormodell ist daher für Tests und Entwicklung zunehmend komplexer Regler wie das Abgastemperatur-Management, die zweistufige Turboaufladung, der vollvariable Ventiltrieb, AGR sowie für die Überprüfung der Onboard-Diagnosefunktionalität von großer Bedeutung. 13

14 Elektro- und Hybridmotoren: Schnelle Signale mit aufwändigen Simulationen Neue Antriebstechnologien stellen auch die Hardware-in-the-Loop(HiL)- Simulation vor neue Herausforderungen. Ob Hybrid- oder Elektromotor (E-Motor): In dieser Fahrzeugdomäne müssen meist sehr schnelle Signale verarbeitet werden. Zudem erfordert die Simulation des Leistungsteils hohe Ströme und Spannungen. Das macht umfangreiche Simulationen und Tests notwendig. Speziell für die Simulation von Elektromotoren hat MicroNova die NovaSim- Elektromotor-Karte entwickelt. Diese Komponente ermöglicht unter anderem eine hochgenaue Erfassung der Motoransteuerung über Isolated-Gate- Bipolar-Transistor(IGBT)-Signale sowie eine präzise Berechnung der Phasenströme. Darüber hinaus bietet sie umfangreiche Parametrierungs- und Debug-Möglichkeiten. Um die hohe Dynamik der Regelschleifen eines E-Motors jitterfrei und ohne Einschränkungen abbilden zu können, setzt die NovaSim-Elektromotor-Karte auf neueste FPGA-Technologien. Vollständige Emulation der Leistungselektronik Die MicroNova-HiL-Systeme können über einen 19-Zoll-Einschub mit einem E-Maschinen-Emulator ausgestattet werden, der die Simulation der kompletten Leistungsaufnahme ermöglicht. Auf diese Weise können verschiedenste Motorvarianten und -größen kostengünstig ohne aufwändige mechanische Aufbauten simuliert werden. Zum Test von Serienstreuungen können etwa die Kennwerte des Motormodells während der Laufzeit jederzeit verändert werden. Auch das elektrische Anschlussverhalten lässt sich durch eine exakte Generierung der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen- EMK) sowie eine Modellierung von Wirkwiderstand und Induktivität exakt nachbilden. Dabei werden unterschiedliche Spannungsebenen vom Niedervoltbereich bis zu mehreren hundert Volt unterstützt. Zudem unterstützt der emulierte Elektromotor einen vollständigen Vier- Quadranten-Betrieb mit originalen Leistungswerten. Um die Wärmeentwicklung selbst bei Emulationen mit hoher Leistung gering zu halten, kann der Energiekreislauf entweder über Zwischenkreise oder eine Netzrückspeisung erfolgen. Durch diesen Aufbau lassen sich alle Betriebs- und Fehlerzustände der originalen Steuergeräte unter realen Strombelastungen erproben und selbst komplexe Fehler simulieren. Automobilhersteller und -zulieferer erhalten so aussagekräftige Ergebnisse zur Optimierung von Regelalgorithmen und Funktionen und können die Testtiefe durch den Betrieb der gesamten Wirkkette erhöhen. Multicore-System für eine schnelle Simulationen Um eine hohe Performance und Schrittweiten von wenigen zehn Mikrosekunden (µs) zu gewährleisten, kombinieren die MicroNova-HiL-Systeme im Hybridbereich einen schnellen FPGA zur Signalerfassung und -generierung und einen synchronisierten Multi-Prozessor-Rechner zur Berechnung des Simulationsmodells. Einzelne Kerne des Prozessors lassen sich einzelnen Modellen zuweisen, um Taktraten von bis zu wenigen 10 Mikrosekunden zu ermöglichen. Neben der effizienten Kombination von schneller Ansteuerung und performanter Modell-Berechnung profitieren die NovaSim-Simulatoren so von einer einfach wartbaren Modell-Umgebung. 14

15 RRF, Paul D. Lemke / Fotolia.com carts und MicroNova gebündelte Testkompetenz im Bereich Elektro- und Hybridmotoren Der Anteil von Fahrzeugen mit Elektromotoren hat sich stark erhöht, sei es ergänzend zur Hauptantriebskomponente oder als vollständiger Ersatz des Verbrennungsmotors. Diese Hybridbeziehungsweise Elektrofahrzeuge stellen die Testabteilungen bei Fahrzeugherstellern und Zulieferern vor neue Herausforderungen, beispielsweise durch die gekoppelte Simulation von Elektro- und Verbrennungsmotor. Mit Hardware-in-the-Loop(HiL)-Simulatoren von carts (NovaCarts) und MicroNova (NovaSim) können Unternehmen Einzelsteuergeräte und Gesamtverbünde gefahrlos in hoher Qualität testen, bevor diese Steuergeräte in realen Fahrzeugen verbaut werden. Um die Ergebnisse und den damit verbundenen Testnutzen zu maximieren, arbeiten carts und MicroNova eng zusammen. So wurden die Kompetenzen gebündelt und die Produktentwicklung auf eine gemeinsame Basis gestellt. Entwicklung der Hybridsimulation Sowohl carts als auch MicroNova haben langjährige Erfahrung in der Realisierung von HiL-Simulatoren für einzelne Steuergeräte. Im Rahmen der Entwicklung von Einzelsteuergeräten wurden von beiden Unternehmen HiL- Simulatoren für Hybridsteuergeräte erstellt, darunter Steuergeräte von Verbrennungsmotoren, E-Maschinen und Batterien. Diese Erfahrung bildet die Basis für den Aufbau komplexer 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 beispielsweise für Elektromotoren oder Wechselrichter Taktraten von wenigen 10 Mikrosekunden (μs) zwingend eingehalten werden dadurch ist die Grenze des technisch Möglichen bei Verwendung von Standardprozessoren mit Standard-I/Os erreicht. Höhere zeitliche Auflösungen erfordern zwingend die Verwendung von FPGA-basierten Lösungen. 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. Das Angebotsspektrum von MicroNova im Hybridbereich Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden die auf der NovaSim- Plattform basierenden HiL-Systeme für die Simulation von mehreren E-Maschinen, Verbrennungsmotoren und Wechselrichtern konzipiert. Dabei verfolgt MicroNova einen kompakten Ansatz: eine Simulation von Verbrennungsmotor, Wechselrichtern und zwei Elektromotoren lässt sich so in einem Gehäuse mit nur zwölf Höheneinheiten 15

16 Das Angebotsspektrum von carts im Hybridbereich Auch die NovaCarts-Systeme decken dank ihres modularen Konzepts und Funktionsumfangs ein breites Spektrum an Testanforderungen ab, so dass sie bei Komponentenlieferanten sowie in Abteilungen für Systemintegration Anwendung finden. Blockschaltbild eines Niedervoltarbeitsplatzes unterbringen. Dadurch findet der Simulator sogar auf dem Schreibtisch auf einem MultiCore-System für Reservierung von Prozessoren des Testingenieurs Platz beispielsweise für die Entwicklung von Steuer- In aktuellen Anwendungen ist schnelle Simulationen: geräte-software. beispielsweise ein Prozessor für schnelle Schleifen mit bis zu 50 Das Angebotsspektrum von MicroNova Mikrosekunden (μs) zur Simulation basiert auch im Hybridbereich auf der von Wechselrichtern reserviert. NovaSim-Plattform. Hierbei handelt es Diese hohen Simulationsgeschwindigkeiten werden zuverlässig sich um ein auf dem PXI-Bus-basierendes MultiCore-System. Im Hybridbereich reicht das Einsatzspektrum eingehalten. vom Test einzelner Steuergeräte bis Simulation von Steuergeräteverbünden mit Hybridumfang: hin zur Prüfung abgegrenzter Steuergeräte-Verbünde. Die NovaSim-Plattform ermöglicht dabei: verwendeten Mehrkernprozessoren Durch die hohe Rechenleistung der können alle notwendigen Simulationen eines Hybridsystems auf FPGA-basierte Simulation von Elektromotoren: einem Simulationsrechner ablaufen. Dies ermöglicht eine sehr Damit lässt sich innerhalb eines HiL-Systems die Anzahl der zu einfache Implementierung der simulierenden Elektromotoren Simulationsmodelle, da durch einfach skalieren. Die hoch die hohe Rechenleistung keine performante Simulation der aufwändige Verteilung von E-Maschinen läuft in den hinzugefügten FPGA-Karten und belastet Modellen notwendig ist. die Rechenknoten nicht. Während die ersten carts-hybridsysteme noch dazu dienten, erste Schritte mit kleineren Fehleraufschaltungen nach OBD1-Standard zu realisieren, haben neuere Hybrid-Systeme dagegen deutlich an Funktionsumfang zugelegt. So können Anwender heute problemlos mehrere Steuergeräte- Typen an einem Hybrid-HiL ohne große Umrüstzeiten betreiben. 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. Im Hybridbereich bietet carts HiL- Simulationen für Steuergeräte für Verbrennungsmotoren, E-Maschinen und Batterien (weitere Informationen zum Thema Batterie siehe carts und MicroNova bündeln Testkompetenz im Batteriebereich, S. 25). Je nach Anwendung stehen folgende Leistungsmerkmale zur Verfügung: 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 Taktraten von wenigen Mikrosekunden in Software zu rechnen. 2. Einfache Parameteränderungen erlauben eine Anpassung an verschiedene E-Maschinen. 16

17 3. Die Kopplung eines E-Maschinen- Modells mit einem Batteriemodell ermöglicht die Nachbildung eines Zwischenkreises. 4. Die carts-systeme unterstützen unterschiedliche Encoder-Typen der Firmen BOSCH, Tamagawa, Vogt und Continental. Die Simulatoren bilden die unterschiedlichen Ausgangssignale der 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 weitere Fahrzeugkomponenten (Antriebsstrang, Komfort- Elektronik) erlauben es, das Testsystem für vielfältige Anforderungen zusammenzustellen. Diese reichen von einem einfachen Niedervoltarbeitsplatz für Software-Entwickler bis hin zu Gesamtfahrzeugsimulationen mit Hybridanteil, bei dem vollständige Batteriestapel mit 600 Volt Gesamtspannung simuliert werden können. Gesamt-HiL mit Hybridanteilen Der Gesamt-HiL von carts 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 haben ihre Entwicklungen auch im Hybridbereich gebündelt, um die Einführungszeit (Time to Market) entsprechend zu verkürzen. Ob Anschaltung von Steuergeräten, Ersatzlasten für Steuergeräte oder Simulation von Sensoren: In den I/O- Subsystemen von carts ist umfangreiches domänenspezifisches Wissen vorhanden. Um dieses Know-how auch Kunden von NovaSim zur Verfügung stellen zu können, haben carts und MicroNova eine Anbindung über die seriellen Hochgeschwindigkeits-Busse realisiert. Die Lösung erlaubt es, alle I/O-Subsysteme von carts einfach in die NovaSim-Architektur zu integrieren. Fazit und Ausblick Auch künftig werden alle technologischen Neuentwicklungen bei carts und MicroNova auf einer gemeinsamen Basis erfolgen. Die Simulation weiterer komplexer analoger und digitaler Sensoren befindet sich bereits in der Entwicklung. Durch die Bündelung der Entwicklungskompetenzen lassen sich neue Anforderungen sowohl für Nova- Sim- als auch für NovaCarts-Kunden schneller realisieren. Für Kunden beider Unternehmen besteht Investitionsschutz. Neuentwicklungen stehen sowohl für die Nova- Sim- als auch NovaCarts-Plattformen zur Verfügung. Beide Unternehmen decken im Elektro- und Hybridbereich den vollständigen Funktionsumfang zur Simulation kompletter Fahrzeuge ab. Die Bündelung der Entwicklungsaktivitäten führt zu höheren Stückzahlen in den Produkten und dadurch zu attraktiveren Preisen. Sowohl Hersteller als auch Zulieferer verfügen damit über die richtigen Werkzeuge, um an den kommenden Fahrzeuggenerationen zu arbeiten. 6. Ein Niedervoltarbeitsplatz für Software-Entwickler besteht aus Modulen in Component-Test-Rack(CTR)-Technologie Dank der kompakten Bauform ist der Einsatz auf einem Schreibtisch ebenso möglich wie die Integration in ein CTR. Aufgrund der Nachbildung der Cell-Controller-Funktionalität lassen sich Niedervoltarbeitsplätze für verschiedene Bauformen von Hybridsteuergeräten realisieren, ohne den Entwickler der Gefahr der Arbeit im Hochvoltbereich auszusetzen. Auf diese Weise können die programmierten Funktionalitäten bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium getestet werden. Modularer Aufbau für NovaCarts und NovaSim 17

18 BMW Group E-Motor-HiL mit kompletter Leistungselektronik Elektromotoren werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Ihr Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen erfordert jedoch komplexe Steuerungs- und Regelsysteme. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen an die Testsysteme kontinuierlich. Um auf diese Situation reagieren zu können, bietet die MicroNova AG bereits seit 2009 Lösungen an, die Emulationen von Elektromotor-Steuergeräten enthalten. Mit dem Hardware-in-the-Loop(HiL)- System mit integrierter E-Motor-Emulation können Anwender Steuergeräte im Bereich Elektroantrieb mit der kompletten Leistungselektronik effizient und kostengünstig testen, ohne auf die Gefahren rotierender Motoren achten zu müssen. Während der Zustand des E-Motors bei vielen HiL-Systemen nur durch Signalinformationen simuliert wird, unterstützt der P-HiL reale Leistungen. Bereits bestehende NovaSim-Systeme können einfach zum P-HiL nachgerüstet werden. Prinzipiell stehen bei der Wahl eines Testsystems für Elektroantriebe drei Möglichkeiten zur Nachbildung des Elektromotors zur Verfügung, deren Vor- und Nachteile im Folgenden kurz beschrieben werden. MicroNova verfolgt mit dem P-HiL-Simulator die letztgenannte Variante. Simulation des E-Motors ohne Leistungselektronik Bei der Simulation ohne Leistungselektronik wird nicht nur der Motor selbst, sondern auch der Leistungsteil des Prüflings beziehungsweise des Steuergerätes mittels eines Modells nachgebildet. Dazu wird der Prüfling manipuliert und eine neue Schnittstelle zum Testsystem geschaffen. Der Nachteil bei dieser Variante ist, dass ein wesentlicher Teil des Prüflings durch Manipulation umgangen wird, so dass die Auswirkungen von realen elektrischen Gegebenheiten nicht getestet werden können. Die Grenze zwischen Prüfling und Prüfmittel wird hier aufgeweicht. Anschluss eines realen E-Motors mit einem Dynamometer-Prüfstand Die realistischste Möglichkeit zum Aufbau einer Testumgebung ist es, einen echten Motor an das Steuergerät anzuschließen. Zusätzlich ist für Tests im generatorischen Betrieb eine gebremste Last oder ein zweiter E-Motor zur Erzeugung des Drehmoments notwendig. Allerdings geht dieser Testaufbau zu Lasten der Flexibilität, so dass sich Fehlerzustände wie Überhitzung, Phasenbrüche oder defekte Sensoren nur sehr schwer nachbilden lassen. Auch eine Veränderung der Motorparameter während der Laufzeit ist kaum möglich. Ein weiterer Nachteil für den Laboreinsatz: Die rotierenden Teile solcher Testumgebungen erzeugen einen erheblichen Lärmpegel und stellen zudem ein Gefahrenpotential dar. Emulation des E-Motors Die Emulation von E-Motoren verbindet die Vorteile von Simulation und realem Motor und ermöglicht es, die Tests vom Prüffeld ins Labor zu verlagern. Dadurch haben Anwender die Möglichkeit, das Originalsteuergerät ohne Modifikationen im Laborumfeld ohne große, teure mechanische Aufbauten zu prüfen sowie alle Betriebsund Fehlerzustände unter realen Strombelastungen zu erproben. Im Gegensatz zur E-Motor-Simulation ohne Leistungselektronik wird bei der 18

19 Emulation das elektrische Anschlussverhalten der Motorphasen und Sensoren hochdynamisch nachgebildet. Während bei einer Simulation die Ströme lediglich als berechnete Größen in einem Modell vorliegen, ist die elektrische Schnittstelle der Emulation völlig identisch zum Originalmotor. Die Kennwerte des emulierten Elektromotors können während der Laufzeit jederzeit verändert werden. Ein vollständiger Vierquadrantenbetrieb ist ebenso möglich wie ein generatorischer oder motorischer Betrieb. Für E- Motor-Emulationen mit hoher Leistung ist zudem eine Netzrückspeisung vorhanden. Durch eine realitätsnahe Abbildung und originale Schnittstellen zum Prüfling können Nutzer mit einem Emulator für Elektromotoren alle Anwendungsbereiche in ihrem Testprozess abdecken von Funktions- über Integrationstests bis hin zu End-of-Line- Tests (EOL) in der Produktion. Phasenlage der Spannungen eines dreiphasigen Motors: Die Drehung des Rotors induziert in den Motorphasen Spannungen die Gegen-EMK. Je nach Bauart des Motors entstehen so in Abhängigkeit von Rotor-Winkel und Drehzahl typisch geformte Spannungskurven. Simulationen, die auf die Modellierung der Gegen-EMK verzichten, bilden das Verhalten der Elektromotoren nur unzureichend ab. Leistungsmerkmale der E-Motor-Emulation: Emulation verschiedener Motorvarianten und -größen, beispielsweise von Gleichstrom-, Asynchron- und Synchronmotoren mit einem Leistungsbereich von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt Parametrierung des Motormodells zur Laufzeit, zum Beispiel für den Test von Serienstreuungen Nachbildung des elektrischen Anschlussverhaltens durch exakte Generierung der Gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK/ Gegeninduktionsspannung) und Modellierung des Wirkwiderstands sowie der Induktivität Unterschiedliche Spannungsebenen vom Niedervoltbereich bis zu mehreren hundert Volt werden unterstützt Betrieb über alle vier Quadranten mit originalen Leistungswerten Geringe Wärmeentwicklung durch Energiekreislauf über Zwischenkreise oder Netzrückspeisung Fazit Mit dem beschriebenen P-HiL-System bietet MicroNova eine umfassende Lösung für den Test von E-Motor-Steuergeräten, die sich nahtlos in bestehende HiL-Simulationen integrieren lässt. Mit diesem System können Anwender ihre Regelalgorithmen und Funktionen optimieren und die Testtiefe sowie -qualität merklich steigern. Dies gibt die notwendige Sicherheit, dass Steuergeräte im realen Einsatz unter allen auftretenden Betriebszuständen sicher und zuverlässig funktionieren. Vorteile der E-Motor-Emulation: Kostengünstige Alternative zu teuren mechanischen Aufbauten Anpassung an individuelle Bedürfnisse durch Flexibilität und Parametrierbarkeit Hohe Skalierbarkeit Einsatz von originalen Steuergeräten ohne Modifikation Umfangreiches Einsatzgebiet von Funktionstests bis zu Hardware-/ Software-Integrationstests und EOL Erhöhung der Testtiefe durch Betrieb der gesamten Wirkkette Aussagekräftige Ergebnisse durch reale elektrische Bedingungen Möglichkeit der Simulation von komplexen Fehlern 19

20 National Instruments; WONG SZE FEI / Fotolia.com Simulation mit der NovaSim-E-Motor-Karte Für die Absicherung von Steuergeräten für Elektromotoren bietet die MicroNova AG leistungsfähige Hardware-in-the-Loop(HiL)-Simulatoren an. Möglich ist sowohl eine Emulation des Elektromotors mit kompletter Leistungselektronik und realen Strömen als auch die Simulation mit Hilfe der leistungsfähigen und kompakten NovaSim-E-Motor-Karte. Mit oder ohne Leistung? Welche der beiden Testsysteme sich im Einzelfall besser eignet, hängt von der Art der durchzuführenden Tests ab. Eine E-Motor-Emulation stellt die realen 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 die E-Motor-Emulation in Form eines Hardware-in-the-Loop-Systems an. 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 dabei aus Standard-Analogbeziehungsweise Digitalsignalen. Die NovaSim-E-Motor-Karte schneller als jeder Prozessor Zur Nachbildung des E-Motors inklusive Leistungselektronik bietet MicroNova eine Simulationskarte an, die auf FPGA-Technologie basiert und mit allen NovaSim-HiL-Systemen verwendet werden kann. Dies ermöglicht: 1. Hochgenaue Erfassung der Motoransteuerung: Die Vermessung der PWM-Gate-Treibersignale des Pulswechselrichters erfolgt mit einer hohen zeitlichen Auflösung von 25 Nanosekunden. Dabei wird die exakte Ansteuerung der Highund Lowside-Transistoren inklusive Totzeiten vermessen und damit eine genaue Modellierung der drei Phasenspannungen erreicht. 2. Präzise Berechnung der Phasenströme: Die Ansteuerung von Elektromotoren erfolgt typischerweise im Bereich zwischen 10 und 20 Kilohertz (khz). Um eine hochdynamische Berechnung der drei Phasenströme zu erreichen, muss die Simulation mindestens um Faktor fünf bis zehn schneller als die Ansteuerung gerechnet werden. Die Nova- Sim-E-Motor-Karte ist in der Lage, das Simulationsmodell mit einer Zykluszeit von 500 Nanosekunden zu berechnen. 20