Ford​社、​NI​の​VeriStand​および​INERTIA​アド​オン​を​使用​し​て​燃料​電池​テスト​システム​を​実装

Michael P.C. Cornwall, Wineman Technology, Inc.

"NI​の​VeriStand​と​INERTIA​アド​オン​の​おかげ​で、​使い​やすい​ツール​で​HIL​テスト​の​開発​および​実装​が​できる​よう​に​なり​ま​した。​また、​VeriStand​の​プラグ​イン​アーキテクチャ​により、​Ford​社​特有​の​アプリケーション​の​ニーズ​に​合わせ​て​環境​を​カスタマイズ​する​こと​が​でき​ま​した。" ​

- Michael P.C. Cornwall, Wineman Technology, Inc.

課題:

Ford Motor​社​が​開発​した​乗用車​用​燃料​電池​の​シミュレーション、​制御、​監視​を​行う​ため​の​HIL(Hardware-​in-​the-​Loop)​テスト​システム​を​開発​する。 ​

ソリューション:

NI​の​VeriStand​の​リアルタイム​テスト​環境、​Wineman Technology​社​製​の​INERTIA​制御​ソフトウェア​アド​オン、​NI PXI​ハードウェア​を​テスト​システム​の​ベース​と​する​こと​で、​Ford​社​は​様々​な​燃料​電池​テスト​を​1​つ​の​テスト​システム​で​実施。 ​

作成​者:

Michael P.C. Cornwall - Wineman Technology, Inc.
​Todd VanGilder - Wineman Technology, Inc.
​Darryn La Zar - Wineman Technology, Inc.
​Todd VanCamp - Ford Motor Company

 

 

 

燃料​電池​は、​水素​ガス​および​大気​中​の​酸素​を​電気​エネルギー​と​水​に​変換​する​電気​化学​装置​です。​Ford Motor​社​は、​乗用車​に​電力​を​供給​する​ため​の​代替​エネルギー​源​として​燃料​電池​の​研究​を​進​め​てい​ます。​燃料​電池​の​研究​では、​以下​を​実現​する​ため​の​テスト​システム​が​必要​です。

 

  • 車両​から​燃料​電池​へ​の​入力​信号​の​シミュレーション
  • 燃料​電池​と​周辺​システム​の​制御​および​監視
  • 解析​データ​の​収集
  • 将来​の​燃料​電池​試作​へ​の​簡単​な​適応

 

燃料​電池​は、​厳密​に​平衡​化​した​温度、​フロー、​冷却​材​圧力​の​制御、​および​正確​な​供給​リソース​の​制御​を​必要​と​し​ます。​エンジン​制御​装置​(ECU)​は、​燃料​電池​を​電子​的​に​制御​する​こと​で​ドライバー​の​入力​に​応答​し​ます。​ECU​は、​コントローラ​エリア​ネットワーク​(CAN)​の​受信​および​送信​バス​信号​を​介​し​て​閉ループ​制御​を​提供​し​ます。​Ford​社​の​燃料​電池​開発​チーム​は​新しい​燃料​電池​の​試作​の​開発​後、​新しい​燃料​電池​に​対応​する​テスト​スタンド​構成​を​す​ば​やく​調整​する​必要​が​あり​ます。

 

 

ハードウェア​と​ソフトウェア​の​包括​的​な​ソリューション​構築

Ford Motor​社​は、​基本​的​な​制御、​データ​収集、​監視​システム​アーキテクチャ​を​提供​する​ソフトウェア​ソリ​ュ​ー​ション​を​開発​する​ため、​NI​ゴール​ドア​ライアン​ス​パートナー​で​あるWineman Technology社を​選択​しま​した。​当社​は、​より​使い​やすい​テスト​ソフトウェア​環境​を​提供​する​ため、VeriStandINERTIA​リアルタイム​制御​アド​オンを​選定​し​て​開発​および​実装​を​行​いま​した。​ハードウェア​について​は、NI PXISCXI、NI​の​再​構成​可能​I/​O(RIO)FPGA(field-​programmable gate array)​モジュール、​HIL​システム​に​モジュール​式​プラットフォーム​を​提供​する​EtherCAT​リモート​I/​O​デバイス​を​選定​しま​した。​VeriStand API​を​使用​し​て、LabVIEWの​アプリケーション​を​カスタマイズ​する​こと​で、​より​柔軟性​に​優​れ​た​ユーザ​インタフェース​を​実現​する​こと​が​でき​ま​した。

 

リアルタイム​な​ソフトウェア​アプリケーション​の​開発

VeriStand​と​Real-​Time PXI​は、​リアルタイム​な​データ​ロギング​による​確定​的​な​制御​を​提供​し​ます。​VeriStand INERTIA​リアルタイム​制御​アド​オン​により、​温度、​圧力、​フロー​制御​モード​の​動的​な​切り替え​を​簡単​に​行える​マルチ​モード​比例​積分​微分​サポート​が​実現​しま​した。

 

当社​は、​VeriStand​の​プラグ​イン​アーキテクチャ​と​すぐ​に​使用​可能​な​機能​を​活用​し​て、​アプリケーション​固有​の​ハードウェア​および​ソフトウェア​機能​を​作成​しま​した。​これらの​プラグ​イン​は​アプリケーション​全体​で​完全​に​統合​さ​れ​て​いる​ため、​VeriStand​に​搭載​さ​れ​て​いる​他の​機能​と​同様​の​確定​的​な​性能​を​備え​てい​ます。​また​当社​では、​強化​さ​れ​た​アラーム​機能​(アラー​ム​マト​リ​クス)​と、​対象​の​ECU​の​出力​を​エミュレート​する​車両​システム​コントローラ​(VSC)​の​プラグ​イン​を​作成​しま​した。​これらの​プラグ​イン​は​どちら​も、​リアルタイム​状態​応答​を​必要​と​する、​重要​な​機能​を​実行​し​ます。

 

アラー​ム​マト​リ​クス​プラグ​イン​では、​チャネル​と​車両​システム​の​状態​を​監視​し​ます。​定義​可能​な​警告​レベル​および​車両​システム​の​状態​に​基​づ​い​て、​アラー​ム​マト​リ​クス​が​アクション​を​実行​し、​VSC​システム​の​出力​を​低減​し​ます。​VSC​プラグ​イン​は​燃料​電池​システム​の​ゲート​ウェイ​として​機能​し、​車両​ECU​の​シミュレーション​を​行い​ます。​VSC​は、​燃料​電池​システム​から​電源​および​冷却​要件​を​受け取り、​システム​状態​が​要求​さ​れ​た​レベル​を​提供​し​て​いるか​を​確認​し、​CAN​バス​を​経由​し​て​その​レベル​を​要求​する​か、​燃料​電池​システム​に​レポート​を​返し​ます。

 

車両​モデル​と​の​接続

VeriStand​を​使用​し、​カスタム​LabVIEW​コード、​MathWorks​社​の​MATLAB®​で​開発​さ​れ​た​モデル、​および​他の​開発​環境​で​作成​さ​れ​た​コンパイル​済み​の​モデル​と​接続​しま​した。​そして​VeriStand​環境​に​CAN​データベース​を​アップ​ロード​し、​信号​を​モデル​出力​に​リンク​さ​せ​ま​した。​モデル​が​実行​さ​れる​と、​リアルタイム​ロジック​により​電子​負荷​が​正しい​状態​に​維持​さ​れ​ます。

 

次​の​反復​で、​Ford​社は車両​シミュレーション​用​の​VeriStand​アド​オン​で​ある​Dynacarを​選択​しま​した。​この​アド​オン​を​使用​し​て、​燃料​電池​を​実装​する​対象​車両​を​選択​でき​ます。​Ford​社​の​技術​者​は、​プ​ル​ダウン​メニュー​を​使用​し​て、​複雑​な​モデル​を​必要​とせ​ず​に​シミュレータ​を​設定​し、​対象​車両​を​厳密​に​複製​する​こと​が​でき​ます。​システム​に​Dynacar​を​追加​する​こと​で、​Ford​社​の​燃料​電池​開発​チーム​は​実際​の​ドライバー​を​ループ​に​組み込む​の​に​必要​な​ハードウェア​を​使用​する​こと​が​でき​ます。​つまり、​テスト​スタンド​を​離れる​こと​なく​実際​の​運転​条件下​で​車両​内​の​システム​を​評価​する​こと​が​できる​の​です。

 

 

ユーザ​インタフェース​の​カスタマイズ

LabVIEW​の​アプリケーション​を​カスタマイズ​する​こと​で、​VeriStand​を​動的​に​設定​し、​システム​に​接続​さ​れ​て​いる​モニタ​数​に​基​づ​い​て​オン​デマンド​で​表示​さ​れる​様々​な​ツール​と​I/​O​画面​を​ユーザ​に​提供​する​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​これらの​画面​と​ツール​によって、​カスタマイズされた​GUI​機能​の​提供​が​可能​に​なり、​Ford​社​が​アプリケーション​に​必要​と​する​表示​が​可能​に​なり​ます。​また、​チャンネル​構成、​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション、​計算​チャンネル、​テスト​プロファイル​生成​など​の​VeriStand​機能​と​の​相互作用​も​実現​でき​ます。

 

素​早く​センサ​を​変更​し​て​新しい​燃料​電池​に​対応

新しい​燃料​電池​に​使用​さ​れる​センサ​は​プロトタイプ​によって​様々​です。​そのため、​テスト​スタンド​の​第一​の​要件​は​シームレス​な​センサ​の​変更​で​した。​テスト​スタンド​オペレーション​と​連携​し​て​燃料​電池​の​相互作用​を​把握​する​に​は、​セン​サ​フィードバック​が​不可欠​です。​この​関係​を​把握​する​に​は、​ロギング​および​テスト​スタンド​データ​と​の​同期​が​必要​に​なり​ます。​EtherCAT​リモート​I/​O​シャー​シ​を​使用​する​こと​で、​燃料​電池​を​テスト​セル​に​投入​する​前​に、​センサ​を​交換​し​て​シャー​シ​に​接続​する​こと​が​でき​ます。​したがって、​技術​者​が​次に​テスト​する​燃料​電池​を​接続​し​て​いる​間​も​テスト​スタンド​は​動作​する​こと​が​可能​です。​これ​により、​時間​と​資源​を​節約​でき​ます。​また、​VeriStand​内​の​EtherCAT​デバイス​設定​を​使用​し​て、​新しい​各​燃料​電池​の​センサリスト​を​アップデート​する​こと​も​でき​ます。

 

複雑​な​テスト​ソリ​ュ​ー​ション​を​安定​し​て​提供

Wineman Technology​社​は、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​および​Ford Motor​社​と​緊密​に​連携​し、​非常​に​複雑​な​代替​燃料​車​アプリケーション​の​直感​的​な​ソリューション​を​実現​しま​した。​当社​は​長年​にわたり​高性能​リアルタイム​制御​および​データ​収集​システム​を​開発​し、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​と​緊密​に​連携​し、​NI​リアルタイム​ハードウェア​および​ソフトウェア​プラットフォーム​に関する​豊富​な​知識​を​培​って​き​ま​した。​その​おかげ​で​Ford Motor​社​の​テスト​システム​要件​を​全て​満たす​こと​が​できる、​高度​かつ​強力​で​柔軟性​の​ある​使い​やすい​システム​を​実現​でき​た​の​です。

 

MATLAB® は、​MathWorks, Inc.​の​登録​商標​です。

 

著者​情報:

Michael P.C. Cornwall
Wineman Technology, Inc.
​1668 Champagne Dr
​Saginaw, MI
​Tel: 989-771-3000

図​1. ​ ​乗用車​用​燃料​電池​を​評価​する​ため​の​柔軟​な​HIL​テスト​システム​を​必要​として​い​た​Ford Motor​社 ​
図​2. ​ ​VeriStand、​INERTIA​リアルタイム​制御、​PXI、​SCXI、​FPGA​の​R​シリーズ​モジュール、​EtherCAT​リモート​I/​O​を​統合​した​ターン​キー​ソリ​ュ​ー​ション​を​構築​した​Wineman Technology​社 ​
図​3. ​ ​LabVIEW​の​アプリケーション​を​カスタマイズ​する​こと​で、​必要​に​応​じ​て​適切​な​ツール​と​I/​O​画面​を​プログラム​によって​表示​可能​に ​