Dank Werkzeugen von NI bleibt Ford an der Spitze der Innovation

Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

Ford kann auf eine lange Zusammenarbeit mit NI zurückblicken. Wir haben LabVIEW zur Entwicklung verschiedener Aspekte aller brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeuge, die wir herstellen, eingesetzt und erfolgreich ein echtzeitfähiges Embedded-Steuersystem für ein Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen entworfen und implementiert.

- Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

Die Aufgabe:

Entwickeln eines elektronischen Steuergeräts (ECU) für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem, das signifikante Fortschritte bei der Erstellung eines kommerziell rentablen Brennstoffzellensystems demonstriert, das mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren konkurrieren kann.

Die Lösung:

Entwerfen und Implementieren eines Echtzeit-Embedded-Steuerungssystems für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem mit den Modulen NI LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA sowie einem NI-CompactRIO-Controller und Verifizieren des Systems mit LabVIEW und einem Echtzeit-HIL-System (Hardware-in-the-Loop) für PXI-Chassis.

An der Spitze der Innovation

Seit 1992 konzentriert sich die Ford Motor Company auf die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellensystemen (FCS). Trotz unserer erheblichen Fortschritte haben mehrere Mängel verhindert, dass FCS zu einer kommerziell leistungsfähigen Technologie werden, die mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren konkurrieren können. Unser Versuch, diese Mängel zu beseitigen, begann mit erheblichen Verbesserungen in Bereichen wie Systemlebensdauer und Freeze-Starts.

 

In Verbindung mit unserem bahnbrechenden FCS-Design haben wir ein neues Steuerungssystem mittels Rapid Prototyping entwickelt. Während der Entwicklung traten Änderungen auf, da das Designteam das Design iterativ durch Verifizierung nach dem V-Modell des Systems Engineering verfeinerte. Diese Entwurfsänderungen beeinflussen oft die Schnittstellen zwischen Subsystemkomponenten wie dem Luftkompressor-Steuerungsmodul und dem Brennstoffzellen-Steuerungsmodul. Obwohl ECUs für Serienfahrzeuge weithin erfolgreich waren, gibt es bessere Möglichkeiten für Steuerungssysteme im Rapid Prototyping. Anstatt die I/O-Schaltkreise der ECU für Serienfahrzeuge zur Anpassung an Änderungen an der Schnittstelle zu modifizieren, verwenden wir CompactRIO zur schnellen Prototyperstellung unserer Fuel Control Unit (FCU). Mit CompactRIO konnten wir uns schnell an die Entwurfsänderungen anpassen und mit neuen Sensoren und Aktoren experimentieren, um neue Entwurfslösungen zu entwickeln.

 

Wir haben ein HIL-System bestehend aus einem Controller NI PXI-8186 in einem PXI/SCXI-Kombinations-Chassis NI PXI-1010 mit zugehörigen PXI- und SCXI-I/O-Karten, einschließlich eines Controller Area Network (CAN), implementiert, um die Funktionsweise der Steuerungsstrategie zu überprüfen, die im CompactRIO-Controller enthalten sind. Dieses mit LabVIEW Real-Time implementierte HIL-System verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI), die manuelle und automatische Eingabestimuli an das Steuergerät liefert, um den Betrieb der Regelstrategie zu validieren, während das CompactRIO-I/O-Feedback auf dem HIL-Monitor angezeigt wird. Die HIL-Systemvalidierung war sehr erfolgreich und wir mussten nur geringfügige Änderungen an der Strategie vornehmen, nachdem CompactRIO mit der Steuerung der eigentlichen FCS-Anlage begonnen hat.

 

Leistung, wenn Sie sie brauchen

Die Steuerung des Antriebsstrangs in Fahrzeugen erfordert Leistung in Echtzeit. Um den für die Leistung in Echtzeit erforderlichen Determinismus zu bieten, bietet das LabVIEW Real-Time Module ein kommerzielles Echtzeitbetriebssystem (RTOS) für den ausgewählten Controller. Als wir zur Leistungssteigerung von einem NI cRIO-9002 zu einem NI cRIO-9012 Embedded-Echtzeitcontroller wechselten, wechselte LabVIEW Real-Time automatisch von einem Pharlap-RTOS zu einem VxWorks-RTOS. Da NI-Produkte die RTOS-Implementierung unterstützen, konzentriert sich unser Team auf die Bereitstellung eines Brennstoffzellen-Steuersystems anstelle von Details für das RTOS.

 

Der FCS-Controller empfängt verschiedene Eingaben von Sensoren, Aktoren und anderen Controllern und Systemen in einem Fahrzeug. Ein CAN, das heute in Automobildesigns allgegenwärtig ist, überträgt und empfängt einen erheblichen Teil der I/O innerhalb und außerhalb des FCS. Während der Labortests simulierten wir die Master-Fahrzeugsteuerung durch einen umfangreichen Prüfstand auf Basis von LabVIEW, der über CAN mit dem Slave-FCS-Controller kommunizierte. Aus diesen Gründen ist die CAN-Unterstützung von CompactRIO für FCS-Anwendungen in Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Als wir mehr Leistung für unsere CAN-Implementierung benötigten, stellte NI schnell eine unlängst entwickelte Methode zur Unterstützung von CAN auf den schnelleren, VxWorks-basierten Plattformen wie dem cRIO-9012 zur Verfügung. Neben der Verwendung der CAN-Kanal-API war die neue CAN-Rahmen-Kanal-Konvertierungsbibliothek noch schneller als zuvor, wodurch unsere Entwicklungszeit verkürzt wurde.

 

NI-Produkte sind seit jeher dafür bekannt, eine offene Systemarchitektur zu unterstützen. Der NI Measurement & Automation Explorer (MAX) hat problemlos CAN-Nachrichtendatenbanken importiert, die mit einem Werkzeug eines anderen CAN-Herstellers entwickelt wurden. Mit dieser Funktion konnten wir Datenbanken austauschen, ohne CAN-Nachrichtendatenbanken zu übersetzen oder umkodieren.

 

 

 

Nahtlose Technologieintegration

Für dieses Projekt haben wir die Steuerungsstrategie mit dem LabVIEW Professional Development System zusammen mit zwei Zusatzpaketmodulen implementiert. Zuerst haben wir das LabVIEW Real-Time Module verwendet, um die Software in Echtzeit zu implementieren, um den Real-Time-Controller zu programmieren. Als Nächstes haben wir die FPGA-basierte Software mithilfe desLabVIEW FPGA-Modulsimplementiert, um alle I/O einschließlich CAN durchzuführen. Beide LabVIEW-Zusatzpakete wurden nahtlos in die LabVIEW-Entwicklungsumgebung integriert, dabei war die grafische Differenzierung eine der wichtigsten LabVIEW-Funktionen, die wir verwendet haben.

 

Darüber hinaus wurde das NI Echtzeit-Execution Trace Toolkit schnell zu einem wichtigen Werkzeug bei der Lösung chronometrischer Probleme. Mit diesem Toolkit haben wir Bereiche des integrierten Echtzeit-Codes gefunden, die nicht wie erwartet ausgeführt wurden, und den Code so optimiert, dass eine korrekte Leistung in Echtzeit gewährleistet wird. Ohne ein Produkt wie das NI Real-Time Execution Trace Toolkit hätten wir kostspielige externe Testgeräte wie In-Circuit-Emulatoren und Logikanalysatoren benötigt.

 

Während einige Entwickler Schwierigkeiten mit der Implementierung der Versionskontrolle haben, haben wir diese aufgrund der hervorragenden Integration von LabVIEW mit dem Versionskontrollprogramm Microsoft Visual SourceSafe, das wir während der Softwareentwicklung verwendet haben, erfolgreich und nahtlos integrieren können. Durch einen einfachen Rechtsklick auf das Quell-VI-Symbol im LabVIEW-Projektfenster können wir eine Liste von Funktionen wie das Ein- oder Auschecken von Dateien anzeigen. Benutzerfreundliche Software ist entscheidend, wenn es darum geht, die Unterstützung von Entwicklern für Versionsverwaltungssoftware zu erhalten.

 

LabVIEW überall – Warum wir LabVIEW verwenden

Wir haben das Steuerungssystem für unseren ersten intern entwickelten FCS aus verschiedenen Gründen mit LabVIEW entwickelt. Erstens halfen uns die Produktivitätsgewinne durch die intuitive grafische Programmierung und die Integration mit Hardware, das Projekt mit weniger Ressourcen abzuschließen als mit der zuvor verwendeten Software. Zweitens konnten wir dieselbe LabVIEW-Entwicklungsumgebung und ähnliche Hardware für verschiedene technische Projekte nutzen, da die Technologie von NI viele Anwendungen umfasst, darunter etwa Tests, Messungen und integrierte Steuerung. Da LabVIEW-VIs modular sind und eine intuitive Ablaufdiagrammdarstellung haben, können Entwickler Programmcode einfach entwickeln, instand halten und verstehen. Aus diesem Grund konnten wir VIs, die vor mehr als 10 Jahren entwickelt wurden, als Grundlage für unser HIL-System wiederverwenden.

 

 

 

Darüber hinaus speichert unser auf LabVIEW und NI-Hardware basierendes Labortestsystem Testdaten einfach im Dateiformat Technical Data Management Streaming (TDMS) zur Analyse in der Datenmanagementsoftware NI DIAdem. Neben der normalen Datenvisualisierung haben wir DIAdem dafür verwendet, um schnell und automatisch mehrere Datendateien durchsuchen, sodass wir Anomalien finden und Notizen grafisch darstellen konnten. Und schließlich war der technische Support von NI – ein Schlüsselkriterium für den Erfolg – schon immer der beste in der Branche. Ford kann auf eine lange Zusammenarbeit mit NI zurückblicken. Wir haben LabVIEW zur Entwicklung verschiedener Aspekte aller brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeuge, die wir herstellen, eingesetzt und erfolgreich ein echtzeitfähiges Embedded-Steuersystem für ein Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen entworfen und implementiert.

 

Informationen zum Autor:

Kurt D. Osborne
Ford Motor Company
1201 Village Rd
Dearborn, MI 48121
Tel: 313-322-3202
kosborn1@ford.com

Unser Engagement für die Brennstoffzellenforschung (FCS) führte zu Fahrzeugen wie dem ersten vollen, leistungsstarken Brennstoffzellen-Fahrzeug (P2000) und dem ersten weltweiten Plug-in-Hybrid mit Brennstoffzellen (Ford Edge mit HySeries-Antrieb).
Wir haben CompactRIO verwendet, um das bahnbrechende Brennstoffzellensystemdesign zu steuern.
Im Blockdiagramm ist der Echtzeit-CompactRIO FCS-Controller mit einem Echtzeit-HIL-System verbunden, das zur Durchführung der Softwareverifizierung verwendet wird.
Eine einfache, saubere GUI verbirgt das Echtzeit-VI des HIL-Systems