Mejoramiento de Pruebas para Vehículos Híbridos Subaru a través de Simulación Hardware-in-the-Loop

Mr. Tomohiro Morita, FUJI Heavy Industries, Ltd.

"Al adoptar simulación basada en FPGA usando las plataformas de hardware y software de NI, logramos la velocidad de simulación y fidelidad del modelo requeridos para la verificación de una ECU de motor eléctrico. Redujimos el tiempo de prueba a 1/20 del tiempo estimado para pruebas equivalentes en un dinamómetro."

- Mr. Tomohiro Morita, FUJI Heavy Industries, Ltd.

El Reto:

Usar pruebas automatizadas para desarrollar un nuevo sistema de verificación que satisfaga el nivel de calidad de control requerido para la unidad de control electrónico (ECU) del motor en el primer modelo de vehículo híbrido para producción de Subaru, el Subaru XV Crosstrek Hybrid, y crear condiciones de prueba agotadoras que son difíciles de cumplir usando máquinas reales.

La Solución:

Desarrollar un sistema de verificación con la plataforma FlexRIO que haga posible la ejecución automática de todos los patrones de prueba y reproduzca los entornos de prueba más severos para garantizar el nivel más alto de seguridad para el usuario y obtener el nivel de control requerido y cumplir con plazos de tiempo críticos.

 

 

En la actualidad, los automóviles están equipados con un enorme número de ECUs para manejar la extensa funcionalidad y controles avanzados en el vehículo. En un vehículo híbrido, la ECU del motor juega un papel aún más complicado, ya que maneja la interacción entre el motor convencional y el motor eléctrico, junto con sus sistemas de energía.

 

Fuji Heavy Industries, empresa matriz de Subaru, empezó a desarrollar su primer vehículo híbrido, el Subaru XV Crosstrek Hybrid. Este fue nuestro primer intento por proporcionar un modelo de producción de un vehículo híbrido, orientado al mercado japonés y norteamericano. Nuestros ingenieros habían desarrollado una ECU de motor para un prototipo híbrido anterior, pero el componente no cumplió con los rigurosos requerimientos para llevar el vehículo al mercado. Para el modelo de producción del vehículo, la ECU necesitó varias funcionalidades de control para prevenir el daño a la carrocería del vehículo y para asegurar la integridad del conductor y del pasajero bajo varias condiciones operativas, aún en escenarios que serían imposibles o poco prácticos de probar en hardware físico.

 

 

 

Por ejemplo, bajo condiciones de manejo en hielo, una llanta puede experimentar una pérdida repentina de tracción. Durante la aceleración esto puede causar un incremento drástico en la velocidad del motor y debe ser manejado de manera segura. Sin embargo, este comportamiento de seguridad no puede ser reproducido físicamente en un dinamómetro y requiere mucho tiempo y es difícil de reproducir en una pista de pruebas. Puesto que los algoritmos complejos de control para condiciones de seguridad específicas como ésta necesitan ser desarrollados y verificados, las pruebas necesitaban representar las condiciones de funcionamiento periféricas para satisfacer el nivel de calidad requerido para un modelo de producción de vehículo.

 

 

 

 

 

 

Un Nuevo Enfoque

Nuestros ingenieros conectaron la ECU a una simulación de motor eléctrico en tiempo real para probar y verificar una variedad de condiciones, incluyendo casos extremos que de otra manera podrían destruir el sistema en una prueba mecánica tradicional. Desarrollaron un mecanismo para confirmar este enfoque de simulación de software con tres objetivos principales para pruebas exitosas:

● Verificar la funcionalidad de la ECU en varias condiciones, incluyendo entornos extremos que no son fáciles de crear o reproducir

● Relacionar casos de pruebas con requerimientos para garantizar la cobertura completa de la prueba

● Realizar pruebas de regresión con facilidad para validar rápidamente iteraciones del diseño

 

Para alcanzar estas metas, nuestro equipo de ingeniería usó un enfoque de diagrama V para iniciar el proceso de diseño y verificación (Diagrama 1). El diagrama describe una metodología de fases para el diseño de software embebido y la validación de la implementación del sistema, incluyendo puntos de prueba en cada etapa. En varios pasos del proceso de diseño, el equipo necesitó el sistema hardware-in-the-loop (HIL) para verificar la ECU del motor con una simulación del motor en tiempo real que representara de manera exacta el motor real del vehículo. Además, al usar el sistema HIL, nuestros ingenieros podrían cumplir con los requerimientos de trazabilidad al registrar los resultados de la prueba automáticamente y automatizar pruebas de regresión cuando haya un cambio de ECU.

 

 

 

Éxito del Sistema

El nuevo sistema de verificación que se desarrolló consiste en un ECU de motor real y el sistema HIL que simula las operaciones del motor (Diagrama 2). El Sistema HIL puede representar cualquier condición operativa del motor al establecer parámetros físicos como inductancias o resistencias. También establece parámetros de electrónica de potencia, incluyendo condiciones de falla o escenarios de pruebas como combinaciones de torsión de carga y velocidad de rotación deseada. Al simplemente cambiar un parámetro a la mitad de la prueba, el sistema HIL puede simular escenarios de prueba complejos como el ejemplo anterior de pérdida de tracción o hasta una falla de electrónica de potencia en el inversor que podría destruir el hardware físico. Cuando el operador solicita un patrón de prueba, el sistema HIL responde de la manera en que lo haría un motor real y la respuesta del sistema puede entonces ser referenciada con expectativas para validar que el controlador maneja de manera segura el caso de la prueba.

 

 

 

Ya que el rendimiento de cómputo requerido para este proceso era tan alto, pensamos que National Instruments era el único proveedor que podría cumplir con estos requerimientos. Elegimos el núcleo de hardware del sistema basado en los módulos FPGA NI FlexRIO, los cuales son controladores basados en PXI con chips FPGA. Los módulos ejecutaron un modelo representando la operación simulada de los motores, con todos los programas implementados usando el software de desarrollo de sistemas LabVIEW.

 

Creamos el escenario de prueba para la ejecución secuencial de cada patrón de prueba como una hoja de datos de Excel. Establecimos los niveles para tiempo de ejecución en 1 ms y describimos las condiciones de prueba, incluyendo torque y velocidad de rotación, cronológicamente en la hoja de datos de Excel. De acuerdo a estas condiciones, la ECU del motor opera y envía señales, como una señal de modulación de ancho de pulso (PWM), al sistema HIL. El sistema HIL recibe estas señales y después simula la operación de un motor real. De manera más específica, el procesamiento es realizado y el resultado es una salida a la misma velocidad que la del motor real. Las señales resultantes que representan el torque y la corriente trifásica son regresadas a la ECU del motor.

 

Automatizamos el proceso de verificación usando LabVIEW para leer y ejecutar las hojas de datos de Excel para los escenarios de pruebas, con resultados obtenidos y escritos automáticamente a la hoja de datos de Excel para el reporte de la prueba. El equipo uso Visual Basic for Applications en Excel para este proceso.

 

 

 

Beneficios de la Plataforma de NI

En el sistema HIL, la velocidad del lazo de simulación, equivalente a la resolución temporal en la simulación, fue un factor crítico. Para la ECU del motor, la velocidad del lazo necesitaba ser 1.2 µs o menos para que el simulador funcionara. La mayoría de las plataformas de simulación de otros proveedores utilizan CPUs para el cómputo, lo que da como resultado una velocidad de lazo en el rango de 5 µs a 50 µs.

 

FlexRIO usa un FPGA para fines de control y cómputo para cumplir con los requerimientos de procesamiento, lo cual también proporcionó una ventaja significativa en términos de rendimiento de procesamiento de cómputo. La habilidad de conseguir la velocidad de simulación requerida a 1.2 µs fue el factor decisivo para adoptar la plataforma FlexRIO para este sistema. Además, ya que el dispositivo FlexRIO tiene una memoria de acceso aleatorio dinámica integrada de alta capacidad, pudimos usar el modelo JMAG-RT proporcionado por la herramienta de software JMAG de JSOL Corp. Esto hizo posible representar las características no lineales de forma más cercana al motor real.

 

 

Además, nuestros ingenieros pudieron programar el FPGA en el dispositivo FlexRIO gráficamente con el Módulo LabVIEW FPGA, lo cual hizo posible desarrollar un sistema con tecnología FPGA en un corto período de tiempo sin necesidad de utilizar un lenguaje basado en texto, como un lenguaje de descripción de hardware.

 

Todos los patrones de prueba desarrollados pueden ser ejecutados automáticamente en tan solo 118 horas. Realizar todas las pruebas manualmente podría tomar un estimado de 2,300 horas. Las pruebas automatizadas también disminuyen el riesgo y el tiempo adicional relacionado con errores humanos que pueden ocurrir con las pruebas manuales. El sistema HIL brindó ventajas de ahorro de tiempo que incluían una reducción significativa en el número de procedimientos de configuración, tales como preparar un banco de motor y un vehículo de prueba, y eliminó la necesidad de que el personal de pruebas estuviera calificado para manejar equipo de alto voltaje.

 

Para cada escenario de pruebas, el equipo preparó una hoja de datos de Excel que reporta los resultados de la prueba con anticipación, guardando los valores simulados de corriente trifásica y de torque, con intervalos de tiempo de 1 ms. Los valores obtenidos de la prueba HIL fueron escritos de manera secuencial en la hoja de datos de Excel y fueron comparados con los valores esperados correspondientes para determinar el resultado de la prueba.

 

Información del Autor:

Mr. Tomohiro Morita
FUJI Heavy Industries, Ltd.
Japan

Diagrama 1. Proceso de Desarrollo (Proceso de Diagrama V) para la ECU del Motor
Diagrama 2. Entorno de Verificación Usando el Sistema HIL
Figura 1. El nuevo Subaru XV Crosstrek Hybrid, probado con la Plataforma HIL de NI.
Figura 2. El nuevo Subaru XV Crosstrek Hybrid, probado con la Plataforma HIL de NI.
Figura 3. El nuevo Subaru XV Crosstrek Hybrid, probado con la Plataforma HIL de NI.
Figura 4. El nuevo Subaru XV Crosstrek Hybrid, probado con la Plataforma HIL de NI.
Figura 5: Una vista aérea transparente del tren de potencia del Subaru XV Crosstrek Hybrid.