HIL-Testsysteme für den BMW Hydrogen 7

Orazio Ragonesi,MicroNova AG

„Die Aussicht auf die Erzeugung von regenerativem Wasserstoff ist ein Beitrag zur Sicherung der individuellen Mobilität der Zukunft.“

– Orazio Ragonesi, MicroNova AG

Die Aufgabe:

Entwicklung von Motorsimulatoren für den BMW Hydrogen 7, ein neues Hybridfahrzeug, das die Freude am Fahren eines BMW mit den Vorteilen einer praktisch emissionsfreien Mobilität verbinden soll.

Die Lösung:

Entwickeln einer vollständigen HIL-Testumgebung für Motoren mithilfe von Software und Hardware von National Instruments

Autor(en):

Orazio Ragonesi –MicroNova AG
Franz Dengler –MicroNova AG
Wolfgang Schlüter – BMW Group, München

 

Der BMW Hydrogen 7 ist das weltweit erste Premiumfahrzeug mit Bi-Fuel-Antriebskonzept. Er befindet sich derzeit in der Entwicklung und wird nach seiner Fertigstellung für die BMW-typische Fahrerfahrung sorgen. Der BMW Hydrogen 7 ebnet den Weg zu einer nahezu emissionsfreien Mobilität, gepaart mit dem Fahrerlebnis eines Premiumfahrzeugs. Im Rahmen der Softwareentwicklung wurde der Aufbau und die Absicherung der Motorsteuergeräte für die BMW-Modellplattform an die Wasserstoffanforderungen angepasst und die HIL-Auslieferung durch den Einsatz von industrialisierten Prozessen verbessert. Die Verfügbarkeit von HIL-Systemlösungen, die erstmals beim Projekt Hydrogen 7 zum Einsatz kamen, diente auch der Verbesserung der HIL-Bereitstellung für andere Antriebsprojekte von BMW.

 

 

Das erste serienmäßige Wasserstoffauto

Die Wasserstoffinitiative Clean Energy von BMW hat zum Ziel, den Ausstoß von CO2 zu vermeiden, indem von kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel auf Wasserstoff umgestellt wird. Die Perspektive der regenerativen Wasserstofferzeugung ist ein Baustein zur Sicherung der individuellen Mobilität der Zukunft. Die Kombination aus Verbrennungsmotor und Flüssigwasserstoff ist anderen Konzepten in Bezug auf die Produktionskosten, aber auch in Bezug auf Kundenwerte wie Fahrdynamik, Zuverlässigkeit und Reichweite überlegen. Der BMW Hydrogen 7 ist damit das erste Premiumfahrzeug mit Wasserstoffantrieb.

 

Wasserstoffmotor für nachhaltige individuelle Mobilität

Mit dem Konzept der effizienten Dynamik für alle Motoren arbeitet die BMW Group daran, den grundsätzlichen Zielkonflikt zwischen höherer Fahrleistung und gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch zu überwinden. Eine weitere Entwicklung ist die Wasserstoffinitiative BMW CleanEnergy. Im Gegensatz zu endlichen fossilen Energiequellen kann Wasserstoff in unbegrenzten Mengen aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wasser, Wind oder Biomasse erzeugt werden. BMW legt den Schwerpunkt auf den wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor. Der Geschwindigkeitsrekord von 300 km/h durch den wasserstoffbetriebenen BMW H2R zeigte das technische Potenzial dieses Antriebskonzepts. Der Verbrennungsmotor kann Energie in Wasserstoff oder Benzin umwandeln und dient daher als Brückentechnologie.

 

Der BMW Hydrogen 7 verfügt über einen Bi-Fuel-V-Motor mit 12 Zylindern, der sowohl mit Wasserstoff als auch mit Gas betrieben werden kann. Das bedeutet, dass dieses Auto trotz der noch unzureichend ausgebauten Wasserstoffinfrastruktur die erwartete Leistung eines BMW für den täglichen Gebrauch bietet

 

Die begrenzte Anzahl an Serienfahrzeugen hängt mit der begrenzten Anzahl an Tankstellen für Wasserstoff zusammen. Aufgrund der geringen Mengen an Wasserstoff, die benötigt werden, wird Wasserstoff aus konventionellen Energieträgern umgewandelt. Die Implementierung von Wasserstoffmotoren in Serienfahrzeugen führt jedoch zu einer Nachfrage nach einer Wasserstoffversorgungsinfrastruktur, die wiederum die Nachfrage nach wasserstoffbetriebenen Autos erhöht. Die Initiative BMW CleanEnergy ist hier eine Triebfeder für die Nutzung neuer Energiequellen.

 

BMW Hydrogen 7

Der BMW Hydrogen 7 entspricht dem aktuellen BMW 7. Dieses Konzept baut auf einer erprobten und bewährten Technologie auf. Die variable Saugventilnabe und die verstellbaren Einlass- oder Auslassnockenwellen an beiden Motorblöcken ermöglichen eine ungedrosselte Valvetronic-Laststeuerung. Beim Benzinbetrieb verwendet der Motor die Benzindirekteinspritzung und beim Wasserstoffbetrieb einen externen Vergaser. Im Wasserstoffbetrieb verfügt der Motor über eine Motorleistung von 191 kW und ein maximales Drehmoment von 390 Nm. Der Vorteil des Bi-Fuel-Modells ist, dass es die derzeit bestehenden Lücken in der Lieferkette von Wasserstofftankstellen schließen kann.

 

Wasserstoff, der bei normalen Temperaturen sehr flüchtig ist, wird in flüssiger Form in einem Tank bei -250° Celsius gelagert, um eine ausreichende Energiedichte und Reichweite zu erzielen. Der Wasserstofftank ist wie ein Kryobehälter aufgebaut und seine Superisolierung entspricht einer 17 Meter dicken Styroporwand. Auf dem Weg zu den Einspritzventilen wird der Wasserstoff in einem Erwärmungsprozess gasförmig. Ein 168-Liter-Tank fasst 8 kg flüssigen Wasserstoff, der die Energiekapazität von 30 Litern Benzin hat. Ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug verfügt über eine Reichweite von 200 Kilometern und kann zusätzlich 500 Kilometer zurücklegen, wenn das Auto mit Gas betrieben wird.

 

Das Tanksystem verfügt über einen separaten Kühlmittelzweig. Der Betriebsdruck des Kraftstofftanks wird im Fahrbetrieb durch die Verdampfung von Wasserstoff durch Wärmezufuhr aufrechterhalten. Der CleanEnergy-Tank-Controller steuert diesen Prozess. Dieser zentrale Controller der sicherheitsrelevanten Funktionen überwacht auch den Betankungsvorgang und die Gaskonzentration sowie kritische Tankparameter und das Verhalten bei Überschreitung von Grenzwerten. Weitere Funktionen des Controllers sind die Verwaltung des Bordnetzes, die Fahrerinformation über den Systemstatus und die Kommunikation mit der Servicezentrale. Der Controller entspricht mit seinen umfassenden Redundanzfunktionen der Sicherheitsstufe SIL3 (Software Integrity Level, ähnlich der IEC-Norm 61508), der höchsten Anforderungsklasse in der Automobilindustrie.

 

HIL als Standardwerkzeug im BMW-Entwicklungsprozess

Die Entwicklung des Controllers, der Funktionen und der Anwendung des BMW Hydrogen 7 haben den bewährten Serienentwicklungsprozess von BMW durchlaufen. Vom ersten Konzept bis zum hochdynamischen Prüfstandsbetrieb kommen in allen Phasen modellbasierte Entwicklungsmethoden zum Einsatz. Im Rahmen von HIL-Anwendungen wird die Kontinuität der eingesetzten Simulationsmodelle sichergestellt. Durch die Verwendung einer leistungsstarken Variante zur Verarbeitung der Inkrementalmodellierung wird sichergestellt, dass die über 60 HIL-Testsysteme auf effiziente Weise die für die Anwendungen erforderliche Systemgenauigkeit erreichen. Nach dem erfolgreichen Roll-out der HIL-Anwendungen und der Etablierung des Verfahrens liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Industrialisierung der HIL mit dem Ziel, die Kosten zu senken und die Abhängigkeit von einzelnen Herstellern zu vermeiden.

 

HIL-Anwendungen

Der Schwerpunkt der HIL-Nutzung liegt weiterhin auf der Inbetriebnahme und Sicherung von Controllern, Programmzuständen und Datenzuständen. Die meisten dieser Anwendungen laufen als Komponententests auf HIL-Systemen, wobei der Schwerpunkt auf einem einzelnen Controller liegt. Bei den Tests der Controller (Hardware) liegt der Schwerpunkt auf der Fehlerprotokollierung und dem Verhalten unter elektrischen Lasten. Die Softwareentwicklung erfordert jedoch eine „schlanke“ Entwicklungsumgebung, in der neue Controller-Software schnell und sicher in allen Betriebspunkten getestet werden kann. Auf Systemebene ist die Basisanwendung der Test der Kommunikation im Controller-Verbund; zunächst innerhalb eines Teilsystems und dann im Laborfahrzeug mit allen Controllern.

 

Auch wenn bei diesen HIL-Anwendungen nur grundlegende Controller-Funktionen getestet werden, erfordert die Weiterentwicklung der Controller-Funktionen in Fahrzeugen eine höhere Systemgenauigkeit und ein größeres Simulationsspektrum für diese HIL-Anwendungen. Eine HIL-Operation ist nur sinnvoll, wenn die Simulationsmodelle den komplexen Prozessmodellen der Controller entsprechen. Die Controller-übergreifende Funktionalität führt hingegen zwangsläufig dazu, dass entweder Kombinationsprüfstände oder komplexe Verhaltenssimulationen von weiteren Aufgaben rund um das Fahrzeug durchgeführt werden.

 

Neben den Basisanwendungen von HIL, die vor allem die Wirtschaftlichkeit von HIL-Systemen ausmachen, sind Anwendungen in der Funktionsentwicklung und der funktionalen Inbetriebnahme von Controllern das strategische Kerngeschäft von HIL, da hierdurch die Basisanwendungen ermöglicht werden. Der Entwickler von neuen Controller-Funktionen, neuer Controller-Hardware, Kommunikationstechnik, Sensorik und Aktorik nutzt das HIL-Tool zu Entwicklungsbeginn.

 

Wenn alle Informationen verfügbar sind, werden HIL-Prüfstände mit genehmigten Systemerweiterungen für die automatisierten Sicherheitstests verwendet, die im späteren Verlauf des Entwicklungsprozesses durchgeführt werden. Bei grundlegenden Anwendungen ist die Verwendung von HIL in gewissem Maße verpflichtend, während die Verwendung von HIL für die Entwicklung und Inbetriebnahme durch die kürzere Entwicklungszeit und weniger Motor- und Fahrzeugtests begründet ist. Der aktuelle Entwicklungsbereich von HIL-Anwendungen ist die Überwachung von Anwendungsdaten und die Vorabanwendung von Funktionen bei gleichzeitiger Erhöhung der Modellgenauigkeit.

 

Inkrementelle Modellierung auf Basis der BMW-Modellplattform

Die für bestimmte HIL-Anwendungen erforderliche Genauigkeit des HIL-Systems steht in Konflikt mit dem Ziel, eine effiziente und schnelle HIL-Entwicklungsumgebung bereitzustellen. Bei der regelmäßigen Weiterentwicklung von Contoller-Systemen werden in den einzelnen Entwicklungsschritten von Contoller-Hardware und -software Integration, Inbetriebnahme und Kalibrierung der Funktionen durchgeführt, gefolgt von der Feinabstimmung. Für diese erste Phase muss eine stabile Startumgebung zur Verfügung stehen. Wenn alle Konfigurationsdaten bereitgestellt werden, kann HIL-Systeme jederzeit problemlos mit hoher Genauigkeit anzeigen. In den frühen Phasen ist der Zugriff auf konsistente Konfigurationsparameter in Echtzeit für die Modellkonfiguration jedoch ziemlich aufwändig. Doch nachdem die ersten Messungen vorliegen, steigt die Modellgenauigkeit, die mit überschaubarem Aufwand dargestellt werden kann, schnell an.

 

Die Modellkonfiguration auf der Basis der Ergebnisse einer Offline-CAE-Simulation führt tatsächlich zu einer höheren Modellgenauigkeit für Teilmodelle. Das bedeutet, dass die auf HIL-Systemen verwendeten Modelle auch für Anwendungsaufgaben genutzt werden können. Der Zielkonflikt zwischen der Genauigkeit in der Anfangsphase und der Zuteilung von Vorräten ist nach wie vor offensichtlich. Daher besteht der grundlegende Ansatz der inkrementellen Modellierung darin, nur die Systemgenauigkeit anzuzeigen, die für die aktuelle Anwendung erforderlich ist. Im Anschluss daran wird eine einheitliche Modellstruktur verwendet, um die Modellkonfiguration in einer Schrittfunktion kontinuierlich zu verbessern, sobald neue Daten zur Verfügung stehen, um den Genauigkeitsanforderungen der Anwendung gerecht zu werden.

 

Effiziente Variantenbehandlung als Voraussetzung für projektübergreifende Synergieeffekte

Die Voraussetzung für eine inkrementelle Modellierung ist ein effizientes Handling von Varianten, das eine schnelle Aktualisierung von Simulationsmodellen auf einer Vielzahl von unterschiedlichen HIL-Testsystemen ermöglicht. Gemeinsam mit der konfigurierbaren Modellstruktur ist dieses Handling eine Voraussetzung für die Nutzung der einheitlichen Modellplattform für alle Motorenprojekte. Dies ist einer der Hauptgründe, warum Simulink als Basis für die BMW-Modellplattform verwendet wurde.

 

Die einfache Integration eines neuen Konzepts für einen wasserstoffbetriebenen Motor verdeutlicht die Effizienz dieses Konzepts, mit dem Synergien zwischen den verschiedenen Motorenprojekten entwickelt werden. Jede projektübergreifende Nutzung von Entwicklungsmethoden, Steuerungsmodellen und Simulationsmodellen bedingt einen gewissen Mehraufwand bei der Umsetzung des einzelnen Projektes. Die Entscheidung, ob ein neues Projekt in die einheitliche Plattform integriert wird, richtet sich nicht nach dem Synergieeffekt zwischen den Projekten, sondern nach dem Aufwand für die Spezialentwicklung, die dann in allen anderen Projekten weitergeführt werden muss. Daher wurden die HIL-Systeme für den CleanEnergy-Controller autonom gehalten, während die zugehörigen Motor-Controller-Systeme in die Plattform integriert wurden. Bei einer Systemzuweisung für ein einzelnes Projekt kann der abgeleitete Entwicklungsstatus eines Referenzprojekts als Grundlage dienen. Bei dieser Vorgehensweise, die keine Auswirkungen auf das Projektumfeld hat, sind keine weiteren Anpassungen erforderlich, so dass sie ohne Abstimmung mit der Methodenvergabe durchgeführt werden kann. Die Fortschritte, die bei anderen Projekten nach Beginn des Entwicklungsprozesses erzielt werden, müssen gesondert verfolgt werden. Echte Synergieeffekte treten dagegen erst nach Abschluss der Integration auf.

 

Industrialisierung der HIL-Allokation

Obwohl HIL-Systeme seit vielen Jahren ein fester Bestandteil des Entwicklungsprozesses bei BMW sind, ist es immer wieder eine Herausforderung, den Nutzen der Anwendung für die Serienentwicklung mit dem Potenzial neuer Methoden in Einklang zu bringen. In Pilotprojekten mit verschiedenen Entwicklungsstufen und Einzelthemen werden die HIL-Anwendungen weiterentwickelt. Der Rollout der Methodenanwendung zielt darauf ab, die Methoden zu etablieren, um den Fortschritt dieser Entwicklungsschwerpunkte projektübergreifend im gesamten Entwicklungsprozess wirkungsvoll umzusetzen.

 

Im nächsten Schritt erfolgt die Festlegung der Verfahren, die eine verbindliche Spezifikation des Methodeneinsatzes beinhaltet und die Voraussetzung für die Systembereitstellung mit den notwendigen Vorbereitungen konkretisiert. In dieser Phase geht es darum, die Komplexität zu beherrschen und grundlegende Strategien des Qualitätsmanagements zu entwickeln.

 

Mit der Industrialisierung steuert BMW die Methoden und Prozesse der HIL-Allokation, sodass HIL-Anwendungen flächendeckend eingesetzt werden können, ohne von einzelnen Systemlieferanten abhängig zu sein. Die Steuerung des Systems beinhaltet die Integrationskompetenz für das Gesamtsystem und die Fähigkeit, einzelne Projekte projektbezogen unterschiedlichen Zulieferern zuzuordnen. Dies ist nur möglich, wenn die Abläufe und Schnittstellen so festgelegt sind, dass die verschiedenen Projekte von verschiedenen Anbietern bearbeitet werden können. Dies kann natürlich nur dann umgesetzt werden, wenn nicht auf die projektübergreifenden Synergieeffekte verzichtet wird und nicht zu viel Zeit für die Nutzung gemeinsamer Projektabschnitte aufgewendet werden muss.

 

Dies steht nicht im grundsätzlichen Widerspruch zur Auswahl von Entwicklungspartnern, die umfassende HIL-Systeme in einer Domäne bereitstellen und ggf. auch betreiben und dem Endanwender zur Verfügung stellen. Eine solche Zuweisung wird nicht von den hohen Einmalkosten eines Zuliefererwechsels dominiert. Vielmehr erfolgt die Vergabe im Hinblick auf die projektspezifischen technischen Vorteile der verschiedenen Systemlösungen und insbesondere im Hinblick auf die Kosten in einer Ausschreibungssituation im Wettbewerb. Die kontinuierliche Verwendung im Entwicklungsprozess erfordert eine ständige Anpassung der HIL-Testsysteme an neue Projekte und die Gewährleistung der Kontinuität mit dem vorhandenen System-Pool.

 

HIL-Testsysteme für den CleanEnergy-Controller

Die spezifischen Controller für den Hydrogen 7 sind die Motorcontroller, die modifizierte Seriencontroller für den 12-Zylinder-Ottomotor sind, und der CleanEnergy-Controller, der auf der Architektur eines aus dem Flugzeugbau übernommenen Motorcontrollers basiert. Die Software, die gemäß IEC61508 als SIL 3 klassifiziert ist, wurde in MATLAB/Simulink entwickelt. Der Autocode wurde mit einer Softwareentwicklungsumgebung von Atena generiert, die TargetLink als Codegenerator verwendet. Intern arbeitet der Controller vollständig auf Zeitbasis. Im Gegensatz zu Motor-Controllern, die umfangreiche Softwareaufgaben synchron zur Kurbelwellenposition berechnen, verfügt die Anwendungssoftware nicht über interruptgesteuerte Module. Daher können Software-in-the-Loop-Tests (SIL) direkt auf der Modulebene für alle Funktionen durchgeführt werden.

 

Der CleanEnergy-Controller ist aufgrund seines besonderen Status in Bezug auf die Hardware und die zugehörigen Simulationsmodelle sowie die implementierten Testskripte mit anderen BMW Komponenten nicht vergleichbar. Die Vorteile einer engen Integration in das Entwicklungsprojekt wiegen mögliche Synergien mit anderen Projekten deutlich auf. Daher wurden die zugehörigen HIL-Testsysteme in Anlehnung an das Luftfahrtprojekt beim Entwicklungspartner der Controller aufgebaut.

 

Der CleanEnergy-Controller ist als 2-Kanal-System konzipiert, von den Prozessoren bis zur Stellantriebssteuerung. Die redundant ausgeführte Kanalaktivierung entscheidet je nach Fehlerzustand eines Prozessors, welches Aktivierungssignal ausgegeben wird oder ob die Aktivierung gestoppt wird. Die Kommunikation mit anderen Systemen erfolgt über fünf CAN-Anschlüsse und weitere serielle Busanschlüsse. Die Leistungsverstärker der verschiedenen Ventile und sonstigen Aktoren werden ausführlich diagnostiziert.

 

Für Entwicklungs- und Absicherungsaufgaben mit diesem Controller wurden mehrere HIL-Testsysteme aufgebaut. Die größte Herausforderung bestand darin, die verschiedenen Lasten zu integrieren und gleichzeitig elektrische Fehlersignale auf allen Kanälen einzuspeisen. Um die Funktionen des Reglers mit den extremen Werten der elektrischen Eigenschaften der Stellglieder zu testen, wurde die Dummy-Last mit verschiedenen Varianten der ohmschen und induktiven Last aufgebaut. Für die Einspeisung der elektrischen Fehlersignale mit teilweise hohen Strömen sowie für die Dummy-Lasten und die Signalverarbeitung wurden Atena-Systemlösungen mit einem dSPACE-Echtzeitsystem umgesetzt. Atena führte auch die Entwicklung und die Modellanpassung sowie den Bau und den Betrieb der HIL-Systeme durch.

 

HIL-Testsysteme für die Motorsteuerung

Das Konzept des HIL-Testsystems für die Motorsteuerung war von Anfang an ein integraler Bestandteil der HIL-Testanlage von BMW. Die wasserstoffspezifischen Aufgabenstellungen zum Motor wurden in die BMW-Modellplattform integriert, die eine in der Serienentwicklung erprobte HIL-Entwicklungsbasis für den Hydrogen 7 bis hin zu den Hardwareschnittstellen bietet. Um den zusätzlichen Anforderungen, die der Hydrogen 7 an das HIL-Testsystem stellte, gerecht zu werden, mussten projektspezifische Entwicklungsarbeiten durchgeführt werden. Aufgrund der einheitlichen Steuerung aller HIL-Projekte in der Motorenentwicklung wurden diese zur Optimierung der HIL-Allokation für alle BMW-Motorenprojekte genutzt.

 

Der Motor-Controller des Hydrogen 7 besteht aus zwei Master-Slave-Controllern, die jeweils eine Bank des V-12-Motors steuern. Für den HIL-Betrieb der Motor-Controller ist eine Anbindung der Fahrzeug-Controllern für die Wegfahrsperre sowie des zentralen Gateway-Controllers erforderlich. BMW hat die speziellen Funktionen der Motorsteuerung für den Wasserstoffbetrieb entwickelt. Bei der Entwicklung und Absicherung der Controller-Funktionen bei BMW ist der HIL-Prozess so in das Standardverfahren integriert, dass die Entwickler auch bei Fahrzeugtests im Ausland modifizierte Funktionen auf HIL-Testsystemen testen und betreiben und vor Ort gefundene Effekte direkt mit dem HIL analysieren können. Die Systeme werden nicht im mobilen Betrieb verwendet.

 

Um den Simulator im Kofferraum eines normalen PKWs transportieren zu können, ist es jedoch erforderlich, dass das System in ein 19-Zoll-Rack mit maximal 8 – 9 HE eingebaut wird. Daher stellte der kompakte Aufbau eine zentrale Anforderung an dieses HIL-Testsystem dar. BMW bietet seit einiger Zeit portable Systeme auf Basis des dSPACE Kompaktsimulators und des MidSize-HIL-Simulators für konventionelle Motoren mit 8 Zylindern und einem Regler an. Durch die Erweiterung auf 12 Zylinder und zusätzliche Signale für den Wasserstoffbetrieb ist die bisherige Konfiguration jedoch an ihre Grenzen gestoßen. Prozessor- und Signalplatinen, die nur für HIL-Anwendungen entwickelt werden, benötigen viel Platz. Der Einsatz mehrerer Controller führt zu sehr komplexen Controller-Anschlusskabeln, da die Signale über externe Anschlüsse fließen. Dies hat BMW zum Anlass genommen, ein neues Konzept für kompakte HIL-Testsysteme auszuarbeiten, um die Kosten für die Beschaffung und den Betrieb von HIL-Testsystemen zu senken.

 

Spezifische Anforderungen an HIL-Testsysteme für den Hydrogen 7

Das HIL-Testsystem muss über Eingangskanäle und Ausgangskanäle alle Schnittstellen der beteiligten Controller erfassen. Da die Funktion des Steuergeräts und nicht der Test der Hardware im Mittelpunkt steht, werden keine realen Lasten wie Einspritzventile oder Zündkerzen installiert. Stattdessen werden die Controller-Ausgänge mit elektrischen Dummy-Lasten belastet. In einem alternativen Test mit einer realen Last oder mit einem analogen Modell können nur die beiden Drosseln betrieben werden. Jedes der beiden Motor-Controllern des Hydrogen 7 umfasst alle typischen Signale eines modernen 6-Zylinder-Motors mit Direkteinspritzung. Sie wurden um mehrere wasserstoffspezifische Signale erweitert. Die Signalerzeugung für 4 verstellbare Nockenwellen und 6 Klopfsensoren sowie die Notwendigkeit, die kontinuierliche Lambdasonde im gesamten Temperaturbereich exakt darzustellen, unterstreichen die Komplexität des HIL-Systems. Dies gilt auch für die Kommunikation über zwei CAN-Schnittstellen und eine BSD-Schnittstelle sowie für die Integration der Simulink-basierten BMW-Modellplattform.

 

Als Alternative zur Umsetzung auf Basis von dSPACE bot sich eine HIL-Struktur in einer neuen Plattform unter Verwendung von Standard-Soft- und Hardware-Komponenten an. Bei Mess- und Automatisierungsanwendungen kommen Komponenten mit international standardisierten Schnittstellen zum Einsatz. Basierend auf Anwendungen in zahlreichen Industriebereichen stehen hochintegrierte Steckkarten für die schnelle Signalvorverarbeitung, Signalerzeugung und Signalerfassung zur Verfügung. In der Luftfahrt- und Telekommunikationstechnik erprobte Signaldichten und Signalfrequenzen ermöglichen einen kompakten Aufbau von HIL-Systemen. Schnittstellen für elektrische Komponenten, die von der Prozesssteuerung zur Verfügung gestellt werden, gewährleisten, dass die Technologie für die Fahrzeugsteuerung zukünftiger Motoren und Hybridmotoren eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zur analogen Erfassung und Ausgabe von rotationswinkelorientierten Signalen mit spezifischen Verarbeitungsschaltungen erlaubt die FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Array) eine weitgehend freie Konfiguration der benötigten Schnittstellen. Die höheren Stückzahlen, die weit über die HIL-Systeme hinausgehen, zusammen mit dem technologischen Potenzial von Standardkomponenten aus dem Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik bieten daher eine kostengünstigere Variante von HIL-Testsystemen.

 

Der Einsatz einer neuen Hardware- und Systemsoftwareplattform für HIL-Systeme erfordert von der Software die Integration der BMW-Modellplattform sowie eine Schnittstelle für die Anbindung der Testautomatisierungssoftware. Da die BMW-Modellplattform und die Automatisierungssoftware bereits auf zahlreichen Testsystemen implementiert sind, berücksichtigt die Struktur die Konfiguration der einzelnen Testsysteme. Die Modellplattform, die vollständig in Simulink implementiert ist, umfasst die Komponentenmodelle und die Steuerungsmodelle sowie die Skalierung zwischen physikalischen und elektrischen Schnittstellenwerten. Diese Signale können auf Testsystemen verschiedener Hersteller unverändert in das elektrisch übertragene Signal umgesetzt werden, wobei die Protokollumsetzung der Buskommunikation gezielt in die HIL-Systemsoftware integriert wird. Sie muss parallel erstellt werden. Das Gleiche gilt für die Schnittstellen der HIL-Anwendersoftware. Da dies für die Benutzerfreundlichkeit eines HIL-Systems entscheidend ist, ist ein einheitliches „Look and Feel“ der Bedienung wichtig. Bei der Entwicklung von BMW-Motoren kommt ausschließlich die Testautomatisierungssoftware ECU-Test von TraceTronic zum Einsatz. Die Aktivierung einer neuen HIL-Plattform erfordert eine einmalige Anpassung der Integrationsschnittstelle. Da alle HIL-Testsysteme die BMW-Modellplattform nutzen und die Testautomatisierung nur auf diese Werte zugreift, können Testskripte zwischen den Testsystemen verschiedener HIL-Anbieter ohne Einschränkungen ausgetauscht werden. Dies gilt unabhängig von jeglichen Standardisierungsbemühungen.

 

HIL-Anforderungen, die sich aus der Wiedereingliederung in die Projektumgebung ergeben

Auch wenn der Zulieferer den Mehraufwand für die Erstellung eines Pilotsystems übernimmt und der Lieferpreis die einmalige Belastung für den Nutzer widerspiegelt, ist die Einführung einer neuen Systemplattform nur dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn sie ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand und in kurzer Zeit für alle Motorenprojekte eingesetzt werden kann. Die zusätzlichen Anforderungen, die sich aus der Umgebung mit mehreren Projekten ergeben, müssen nicht direkt in den einzelnen Simulator implementiert werden. Die Umwandlungselemente müssen jedoch auf der Systemplattform vollständig verfügbar sein. Daher muss der jeweilige HIL-Lieferant eigenständig projektunabhängige Testsystemlösungen für denkbare technische Entwicklungen im Anwendungsumfeld bereitstellen. Wie ein Engineering-Partner im individuellen Projekt nutzt der HIL-Anbieter die verfügbaren Standardkomponenten. Außerdem muss er mit der Produktentwicklung der fehlenden Komponenten beginnen, um später einen hohen Engineering-Aufwand für individuelle Lösungen zu vermeiden.

 

Um die neue Generation von HIL-Simulatoren zeitnah auf alle Otto- und Dieselmotoren der BMW-Modelle anwenden zu können, sind Dummy-Loads und Signalerfassungslösungen für die Einspritzventilsteuerung für die verschiedenen Piezo- und Magneteinspritzsysteme unerlässlich. Eine Simulation für Motoren mit der BMW High Precision Injection erfordert, nicht nur bei Magerverbrennungsmotoren, eine kurbelwinkelsynchrone Erfassung der Einspritzzeiten und die Messung der Ansteuerspannungen für die verschiedenen Injektionsimpulse eines Verbrennungszyklus. In diesem Fall ist eine schnelle Signalerfassung und Signalvorbereitung unerlässlich. Wenn die Signalerfassung und -vorverarbeitung konfigurierbar ist, kann sie z. B. dazu genutzt werden, Signale in einem Bussystem über ein Oszilloskop in Abhängigkeit vom Modellzustand zu erfassen.

 

Der Motor des Hydrogen 7 wurde in nur einer Fahrzeugkonfiguration entwickelt, während alle anderen BMW Motoren in bis zu 7 Modellen eingesetzt werden. Große Teile eines HIL-Testsystems werden durch die Motor-Controller mit ihren zahlreichen Sensor- und Aktorschnittstellen und den notwendigen Dummy-Lasten bestimmt. Um die Motor-Controller auf einem HIL-System mit unterschiedlichen Fahrzeugumgebungen testen zu können, werden die für den Motor relevanten fahrzeugspezifischen Controller wie Wegfahrsperre, Gateway und Instrument über eine standardisierte Schnittstelle mit dem HIL-System verbunden. Die Fahrzeug-Controller werden auf einem Rack montiert und können leicht ausgewechselt werden. Das gleiche Konzept bestimmt die Implementierung von Lasteinheiten auf Getriebe- und Kombinations-HIL-Systemen für Getriebe-Controller. Nach der Nutzung der einheitlichen BMW-Modellplattform für alle HIL-Anwendungen wird mit diesem Konzept die Industrialisierung der HIL-Versorgung und des Betriebs weiter vorangetrieben. Der Zugriff auf BMW-spezifische Funktionen über einheitliche Schnittstellen ist unabhängig vom Hersteller des HIL-Testsystems. Module mit BMW-spezifischen Komponenten können zentral und kostengünstig produziert und konfiguriert werden. Sie können auf Referenzsystemen getestet werden, bevor sie auf den verschiedenen HIL-Systemen implementiert werden.

 

Mit der Vielfalt der Fahrzeugmodelle steigt auch die Vielfalt bei der Simulation der Buskommunikation. Mit vernetzten Funktionen und einer steigenden Anzahl von Controllern, die an die HIL-Testsysteme angeschlossen sind, gewinnen die Restbus-Simulationen zunehmend an Bedeutung. In gewisser Weise zählen sie mittlerweile zu den komplexesten Aufgaben der HIL-Allokation. Eine effiziente und robuste Anwendung von HIL-Systemen erfordert eine werkzeuggestützte Generierung und Aktualisierung der Restbussimulation auf Basis der Beschreibungsdateien für die Kommunikation (z. B. dbc- Format für CAN). Während des gesamten Entwicklungsprozesses können die Nachrichtenkataloge kontinuierlich geändert werden. Diese Änderungen beziehen sich auf eine große Anzahl von Nachrichten, die von einzelnen Controllern im HIL-System erwartet werden und nicht dynamisch mit den Regelstreckenmodellen verbunden sind. In diesem Fall ist es wichtig, dass keine komplexe Reintegration in die HIL-Modellumgebung erforderlich ist, wenn die Restbus-Simulation aktualisiert wird. Wenn die Kommunikationsbasis und die Vielfalt der Nachrichten die dynamischen Nachrichteninhalte übersteigen, implementiert BMW ausgelagerte Restbussimulationssysteme auf einigen HIL-Testsystemen. Der Konfigurationsprozess dieser teilweise für CAN und fast durchgängig für FlexRay ausgelegten Systeme ist bis hin zur kartenbasierten Netzwerkkommunikation der Datenbank abgestimmt. Bei diesen Systemen werden die dynamischen Nachrichten über einen zusätzlichen CAN-Anschluss mit den Simulationsmodellen verknüpft. Da eine Auslagerung der CAN-Restbussimulation bei einem hohen Anteil an dynamisch an das Modell gekoppelten Nachrichten nicht sinnvoll ist, ist eine effiziente Handhabung der Restbussimulation auf allen HIL-Plattformen zwingend erforderlich.

 

In der lokalen Umgebung der Antriebs-Controller werden spezifische Kommunikationsschnittstellen sowie der BSD-Bus und mehrere LIN-Busse, die in der Automobilindustrie sehr verbreitet sind, eingesetzt. Beispielhaft seien hier das SPI-Protokoll, das als schneller Sensorbus eingesetzt wird, aus dem Embedded-Bereich oder spezielle Formate im Bereich der Wegfahrsperrenkommunikation genannt. Die Anforderungen an die Konfigurationsmöglichkeiten von LIN-Bussen und CAN-Bussen sind ähnlich. Die proprietären Busse müssen darüber hinaus leicht an die neuen Kommunikationsprotokolle angepasst werden. Wenn Schnittstellen über eine Softwarekonfiguration, z. B. FPGA-Technologie, vollständig zugeordnet werden können, ohne spezifische Hardwareänderungen, wird die effiziente Zuordnung vereinfacht.

 

Einige Anwendungen erfordern aufgrund der Systemkomplexität und der hohen Bandbreite der beteiligten Komponenten eine Multi-Prozessor-Struktur des HIL-Testsystems. Daher muss jede HIL-Plattform die Möglichkeit bieten, mehrere Rechenknoten in standardisierter und effizienter Form zu koppeln.

 

Neben den HIL-Anwendungen, bei denen nur die Motor-Controller als Prüflinge an das HIL-Testsystem angeschlossen sind, werden HIL-Technologien und -Modelle nun auch zunehmend für modellgestützte Motor- oder Komponentenprüfstände eingesetzt. Dabei wird die Teilaufgabe, der gesamte Verbrennungsmotor oder die Stellglieder einer Ventiltriebsverstellung mit realen Energieströmen betrieben und der damit verbundene Fahrzeugbetrieb für den Controller realitätsnah simuliert. Zu den Anwendungen gehören Zuverlässigkeitstests mit realistischen Umgebungsprofilen und detaillierte Anwendungen der Controller-Funktionen für Komponenten, für die sich nur schwer ein Modell erstellen lässt. Für die Entwicklung des elektrischen Energiemanagements in verschiedenen Fahrzeugbordnetzen wurde ein HIL-Testsystem aufgebaut, in dem die Controller und die Fahrzeugbatterien als echte Teile integriert waren und mit realen Stromprofilen geladen wurden. Diese Arten von HIL-Anwendungen erfordern häufig eine parallele Implementierung von HIL-Aufgaben und eine schnelle Mess- und Regeltechnik.

 

Realisierung von HIL-Testsystemen mit NovaSim-Simulatoren

Die HIL-Systeme für die Motorsteuerung des Hydrogen 7 basieren auf den HIL-Simulatoren NovaSim des NI Partners MicroNova. MicroNova ist ein Hersteller und Systemintegrator von HIL-Testsystemen mit Erfahrung als technischer Partner für die Entwicklung von CleanEnergy-Funktionen und Softwareentwicklung.

 

Die grundlegende Struktur dieser Simulatoren basiert auf der Hardwareplattform von National Instruments, auf der Real-Time-Computer über einen PXI-Bus mit verschiedenen I/O-Karten verbunden ist. Die Simulationsmodelle werden über die LabVIEW-Software von National Instruments mit der Hardware gekoppelt,die auch den Simulatorbetrieb ermöglicht. Die Grundidee hinter der Simulatorgruppe ist es, möglichst viele auf dem Markt frei verfügbare Standardkomponenten zu verwenden und diese stufenweise zu integrieren. Der PXI-Bus, der zum kompakten PCI-Bus kompatibel ist, bildet die Hardware-Plattform. Mehrere Hersteller bieten Hunderte von Bauelementen für diesen Bus an, die ständig für die Verwendung in der Mess- und Automatisierungstechnologie erweitert werden. Daher war es kein Problem, für die zweite Generation von Wasserstoff-HILs leistungsfähigere Real-Time-Computer einzusetzen, ohne Änderungen an der bestehenden Simulationssoftware vorzunehmen. So wurden in vernetzten HIL-Projekten für die Kopplung von Rechnern in Multiprozessorsystemen Spiegelspeicherkarten auf Basis eines kompakten PCI-Busses eingesetzt. In neueren Simulatoren kommt jedoch die kostengünstigere Kopplung über die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle zum Einsatz.

 

Alle Standard-Hardwarekomponenten werden von MicroNova mit automobilspezifischen Zusatzkomponenten zu einem Standard-HIL-Simulator kombiniert. Die Aufgabe umfasst nicht nur das projektspezifische Engineering. Vielmehr gilt es, die Produktentwicklung für Hardware-Komponenten anzustoßen, die als wesentliches Standardteil in HIL-Anwendungen für Motor- und Fahrwerksrahmen-Tests benötigt werden, aber in anderen Bereichen nicht eingesetzt werden können. Dazu gehören z. B. Signalaufbereitungskarten für die Ausgabe von Lambdasondensignalen oder Systeme zur elektrischen Fehlersimulation, die an die Anforderungen der Motorenprüfung angepasst sind.

 

Die Software folgt demselben Integrationsansatz: Grundlage ist das LabVIEW-Softwarepaket mit LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA und dem Simulation Interface Toolkit. Diese Softwaretools, die z. B. in der Messtechnik häufig verwendet werden, ermöglichen die Erzeugung von echtzeitfähigen Programmcode und der entsprechenden Benutzeroberfläche von Simulink-Modellen. MicroNova erweitert als Systempartner diese Komponenten um spezifische Blocksets für die Schnittstellen zu fahrzeugspezifischen Signalen. Bei der Kommunikation von Standard-Fahrzeugbussen wie CAN, LIN oder FlexRay mit einer HIL-Ansteuerung über spezialisierte Hardwareboards beinhalten diese Blocksets eine Simulink-Integration und die automatisierte Erzeugung der Restbussimulation. Die Python-Schnittstelle für die Testautomatisierung ermöglicht den einfachen Zugriff auf alle Tasks, die sich auf die Bestandteile des HIL-Testsystems beziehen.

 

Der rekonfigurierbaren FPGA-Hardware kann durch grafische Programmierung Funktionen zugewiesen werden. Die Erfassung von motorspezifischen Signalen wie Zünd- und Einspritzaktivierung und die damit verbundene Generierung von Kurbelwellen-, Nockenwellen- und Klopfsignalen basieren auf dieser Technologie. Die Blöcke lassen sich direkt in die Simulink-Modelle integrieren, wobei die projektspezifische Anpassung z. B. durch die Angabe des Profils des Detektorrades konfiguriert wird. Die proprietären Busse, wie BSD oder SPI, werden ebenfalls mit Blocksätzen auf dem FPGA abgebildet. Ohne Änderungen an der Hardware kann das HIL-System neue Funktionen abbilden und somit an zukünftige Anforderungen angepasst werden. Diese Flexibilität der rekonfigurierbaren Hardware bildet die Grundlage für eine nachhaltige Entwicklung der HIL-Testsysteme. Eine effiziente Verwendung ist jedoch nur mit Blocksätzen möglich.

 

Der Einsatz von rekonfigurierbarer FPGA-Hardware zeigt, dass im Zusammenspiel von Hardware, Systemsoftware, HIL-spezifischen Blocksets und projektspezifischer Systemkonfiguration die Schnittstellen so ineinandergreifen müssen, dass die Anwendungsanforderungen an der bestmöglichen Position in der Kette erfüllt werden. Nur dann werden die Vorteile der Verwendung von Standardkomponenten im Vergleich zu proprietären Systemlösungen eines Zulieferers sichtbar. Da die Standard-Hardware und -Software eine wichtige Rolle spielt, ist die Relevanz der Unterstützung durch den Engineering-Partner National Instruments offensichtlich. Trotz der offenen PXI-Real-Time-Architektur werden diese Standardhardwarekomponenten bevorzugt. Die durchgängige und umfassende Integration der Hard- und Softwarekomponenten sowie die Weiterentwicklung der HIL-spezifischen Zusatzaufgaben auf Produktebene waren die Voraussetzung für den Einsatz dieser HIL-Systeme in der Motorenentwicklung bei BMW.

 

 

Systemstruktur

Für die Entwicklung der Motorsteuerung des Hydrogen 7 wurden zunächst zwei HIL-Systeme eingerichtet. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme und intensiven Nutzung der Systeme sowohl für manuelle als auch automatisierte Tests wurden zwei weitere Systeme für den Entwicklungsprozess des Hydrogen 7 angeschafft. In Abbildung 10 ist die Struktur des Systems dargestellt.

 

Das Netzteil für die Batteriesimulation befindet sich unterhalb der Hauptelebene mit dem Real-Time-Computer und der Signalaufbereitung. Der Real-Time-Computer ist ein PXI-System mit einem 2-GHz-Controller. Mit zwei Motor-HIL-Karten, einer CAN-Karte und einer Analog-Out-Karte stehen die folgenden Signalschnittstellen zur Verfügung:

  • 3 x 96 = 288 digitale Ein- oder Ausgänge: Diese können auch zur Erzeugung und Erfassung von pulsweitenmodulierten (PWM) Signalen und speziellen Signalen mit Winkelsynchronität (z. B. Nockenwelle, Einspritzung) verwendet werden. Auch spezielle serielle Schnittstellen wie der BSD- oder SPI-Bus lassen sich ohne zusätzliche Hardwareentwicklungen in den Simulator integrieren.
  • 24 Analogeingänge, 56 Analogausgänge
  • 4 CAN-Schnittstellen

 

Obwohl die Anwendung eine kleine Containergröße vorschreibt, erleichtert die hohe Dichte der Kernkomponenten die Integration der Verkabelung zwischen den I/O-Kanälen und den verschiedenen Controllern im Simulator. Genau wie größere HIL-Testsysteme ist die projektspezifische externe Verkabelung auf eine controllerspezifische 1:1-Verbindung beschränkt, mit der die verschiedenen Pinbelegungen der Controller-Anschlüsse abbildet werden. Um die einzelnen HIL-Komponenten besser identifizieren zu können, sind die Anschlusskabel für die I/O-Boards und die Signalkonditionierung nicht verlegt. Als 1:1-Verbindungen sind diese Standardkabel Bestandteil der projektunabhängigen internen Verdrahtung des Simulators. Die interne Signalverteilung befindet sich auf der oberen Simulatorebene hinter dem Anschlusspanel und kann auch während der Simulation zugegriffen werden, wenn die Abdeckung geöffnet ist.

 

Schlussfolgerung und Perspektiven

Die HIL-Anwendung zur Funktionsentwicklung und Absicherung der „Hydrogen 7“-Motorsteuerung wurde über die HIL-Modellplattform von BMW vollständig in die bestehenden Entwicklungsprozesse integriert. Mit Prozessspezifikationen und Integrationskompetenz gelang es BMW, die spezifischen Projektanforderungen umzusetzen, um die entwickelten Technologien über eine industrialisierte HIL-Allokation für andere Motorenprojekte zu nutzen.

 

Basierend auf den für Hydrogen 7 verwendeten HIL-Simulatoren wurde für alle aktuellen BMW-Motor-Controller ein universelles HIL-System eingerichtet. Neben diesen 10 kompakten Systemen wird für den Controller-Entwurf für das geräteeigene Stromversorgungssystem ein HIL-Testsystem verwendet: Die Möglichkeit, Batterien und Leistungselektronik alternativ mit echtem elektrischen Strom zu versorgen, ist ein Beispiel für die Verschmelzung von HIL, Messtechnik und modellgestützter Prüfstandstechnik nicht nur im Hybridbereich.

 

House of Technology Conference: Hardware-in-the-Loop-Simulation; München, 27.-28.2.2007

 

Literaturhinweise

BMW AG: Eine neue Ära der Mobilität beginnt: Der BMW Hydrogen 7, München, 2006

Atena Engineering GmbH: BMW Wasserstoffprojekt, München, 2005

Schlüter, W.: Rollout integrierter Hardware-in-the-Loop-Anwendungen, Konferenz: Simulation und Test in der Funktions- und Softwareentwicklung für die Automobilindustrie, Haus der Technik, Expert Verlag, Berlin, 2005,

Schlüter, W., Kvasnicka, P., Kämpf, B.: Model Database for Complex Simulink Models, Model-Based Design Conference, München, 2005

Engelke, M.: HIL-gestützter Test von Motorsteuerungssoftware, 3. dSPACE-Anwenderkonferenz, Stuttgart, 2002

MATLAB® ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc. Andere erwähnte Produkt- und Firmennamen sind Marken oder Handelsmarken der jeweiligen Unternehmen.

 

Informationen zum Autor:

Orazio Ragonesi
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Abbildung 10: Kompakter HIL-Simulator Auf der oberen Ebene befindet sich das Anschlussfeld für den Controller mit den Anzeigeelementen und der dahinter liegenden Signalverteilung.