BMW Hydrogen 7用HILテストシステム

投稿​者:

Orazio Ragonesi - MicroNova AG
Franz Dengler - MicroNova AG
Wolfgang Schlüter - BMW Group、Munich

 

BMW Hydrogen 7は、バイフューエルという駆動コンセプトに基づいた世界初のラグジュアリーセダンです。現在まだ開発中ですが、完成した暁には他のBMW車に劣らぬドライビングエクスペリエンスを提供することでしょう。BMW Hydrogen 7は、実質上CO2の排出ゼロで移動する手段を提供するとともに、ラグジュアリーセダンのドライビングエクスペリエンスを兼ね備えています。ソフトウェアの開発タスクとしては、BMWモデルプラットフォームのエンジン制御装置 (ECU) のセットアップおよび安全防護対策を水素自動車の要件に適応させること、およびHILテストを工業的プロセスで改善することが焦点となりました。このHydrogen 7プロジェクトで最初に使用されたHILシステムソリューションは、その他のBMWのパワートレインプロジェクトのHILテストの向上にも利用されました。

 

 

最初の水素エンジンシリーズ車

BMWクリーン・エネルギーの水素自動車構想は、ガソリンやディーゼルなどの二酸化炭素ベースの燃料を水素燃料に移行することで、CO2の排出を低減することを目的としています。再生可能エネルギーから作られる水素は、将来の持続可能な個人移動手段に大きく貢献します。内燃機関と液体水素の組み合わせというコンセプトは、生産コストの点だけでなく、運転時の動力、信頼性、航続距離といった顧客価値の点からも他のコンセプトより優れています。このため、BMW Hydrogen 7は、水素エンジンを積んだ最初のラグジュアリーセダンということになります。

 

持続可能な個人移動手段に水素エンジンを利用

すべてのエンジンに効率的な動力性能を持たせるというコンセプトの下、BMWグループでは、優れた運転性能を保ちながら燃料消費を低く抑えるという、基本的には相反関係にある2つの要素を両立させようと取り組んでいます。この開発の進化形が、BMWクリーン・エネルギーの水素自動車構想です。限りのある化石エネルギー資源とは異なり、水素は再生可能なエネルギー資源である太陽、水、風力、バイオマスなどから無限に作り出すことができます。BMWは、水素駆動の内燃機関に集中的に取り組んでいます。水素駆動のBMW H2Rで記録した時速300 kmという数値は、このエンジンコンセプトの技術的可能性を実証するものです。内燃機関は水素でもガソリンでもエネルギー変換できるので、テクノロジをつなぐブリッジテクノロジの役割を果たします。

 

BMW Hydrogen 7には、水素またはガソリンで駆動できるバイフューエル仕様のV型12気筒エンジンが搭載されています。つまり、水素インフラストラクチャが不十分でも、この車両は日常使用においてBMWに求められる性能を発揮することができます。

 

シリーズ車への適用が少ないのは、水素ステーションの数も限られいるからです必要な水素の量は少ないため、既存のエネルギー源から変換されます。ただし、シリーズ車への水素エンジンの実装は、水素供給インフラストラクチャの需要を生みます。その結果として、水素駆動の自動車の需要も生まれてきます。ここで、BMWクリーン・エネルギー構想が新しいエネルギー源使用の推進役となるのです。

 

BMW Hydrogen 7

BMW Hydrogen 7は現在のBMW 7シリーズに対応しています。このコンセプトは、テストと実際の使用で確認されたテクノロジに基づいています。両エンジンブロックに搭載した可変吸気バルブのハブと調節可能な吸気/排気用カムシャフトが、スロットル不使用のバルブトロニック負荷コントロールを行います。エンジンは、ガソリン駆動の場合はガソリンの直接噴射を、水素駆動の場合は外部キャブレターをそれぞれ使用します。水素駆動モードでのエンジン出力は191 kW、最大トルクは390 Nmです。バイフューエル仕様のメリットは、現時点での水素ステーションのサプライチェーンの不足を補える点にあります。

 

常温で高い揮発性を有する水素は、-250 ℃のタンクに液体状で保存することで、十分なエネルギー密度と航続距離を実現します。水素タンクは低温容器として作られ、その超絶縁性能は厚さ17 mの発泡スチレンに相当します。注入バルブに到達するまでの間に、水素は加温されて気体化します。168リットルのタンクには8 kgの液体水素を保存することができ、これは30リットルのガソリンのエネルギー容量に相当します。水素駆動車の航続距離は200 kmで、ガソリンを使用するとさらに500 km延長することができます。

 

タンクシステムには、別のクーラントの配管があります。エンジン駆動時のタンクの作動圧力は、熱による液体水素の蒸発で維持されます。このプロセスは、クリーン・エネルギーのタンクコントローラで制御されます。安全機能を制御するこの中央コントローラは、燃料補給の手順とガス濃度に加え、重要なタンクパラメータおよび制限値への反応も監視します。コントローラのその他の機能には、車載供給システムの管理、システムステータスに関するドライバ情報、およびサービスセンターとの通信などがあります。総合的な冗長機能を備えたコントローラは、SIL (ソフトウェア安全度水準、国際規格IEC 61508に類似) のレベル3に準拠しています。これは、自動車産業でもトップクラスの要求水準です。

 

BMW開発プロセスの標準ツールとしてのHIL

BMW Hydrogen 7のコントローラ、機能、およびアプリケーションの開発は、試行とテストからなるBMWのシリーズ車開発プロセスの洗礼を受けています。初期概念から高度に動力学的なテストスタンド操作にいたる全段階で、モデルベースの開発手法が適用されています。HILアプリケーションを使用すれば、デプロイしたシミュレーションモデル間で連続性が確保されます。インクリメンタルモデリングの強力なバリアント操作を使用することで、60種以上のHILテストシステムが効率良くアプリケーションに必要なシステム確度を達成します。HILアプリケーションを成功裏に導入し、プロシージャを確立した後は、コストの削減と各メーカーへの依存をなくすことを目的としたHILの工業化が次の課題となります。

 

HILアプリケーション

HIL使用時の主な焦点は依然として、コントローラ、プログラムステート、およびデータステートの起動と保護にあります。これらのアプリケーションの多くは、個々のコントローラに注目したHILシステムのコンポーネントテストとして実行されます。コントローラ (ハードウェア) テストは、電気負荷がある状態でのエラーのログ記録と動作確認が中心となります。ただし、ソフトウェア開発には「スリム」な開発環境が必要です。つまり、新しいコントローラソフトウェアをあらゆる操作ポイントから迅速かつ安全にテストできる環境です。システムレベルでの基本アプリケーションは、コントローラグループでの通信テストを対象とします。最初は部分的なシステム内のテスト、次はすべてのコントローラを含むラボ車両でのテストです。

 

こうしたHILアプリケーションで基本的なコントローラ機能だけをテストする場合でも、車両のコントローラ機能の進歩によって、これらのHILアプリケーションにはより高度のシステム確度とより広範囲のシミュレーションが必要とされます。HILの実施が意味を持つのは、シミュレーションモデルがコントローラの複雑なプロセスモデルに対応する場合に限られます。一方、コントローラ間の連携を必要とする機能は、車両のその他のタスクも対象とした連携テストスタンドまたは複雑な操作シミュレーションのいずれかが必須となり。

 

主にHILシステムの費用対効果に影響するのがHILの基本アプリケーションである一方、HILの戦略的主要業務はコントローラの機能の開発と機能の起動を担当するアプリケーションにあります。というのも、そのようなアプリケーションが基本アプリケーションを有効化するからです。新しいコントローラ機能、新しいコントローラハードウェア、通信技術、センサ技術、およびアクチュエータ技術の開発者は、開発が開始するとHILツールを使用します。

 

すべての情報の準備ができたら、開発プロセス後半の自動安全性テストで、承認済みのシステム拡張機能を備えたHILテストスタンドを使用します。基本的なアプリケーションでは、HILの使用はある程度必須となりますが、開発期間が短く、エンジンテストと車両テストの回数も少ない場合には、開発とスタートアップでHILが使用されるケースが多くなります。現在のHILアプリケーションの開発領域は、アプリケーションデータと機能のプレアプリケーションの監視、およびモデル確度の向上です。

 

BMWモデルプラットフォームに基づいたインクリメンタルモデル

任意のHILアプリケーションに必要なHILシステム確度は、効率が良くて迅速なHIL開発環境を提供するという目的と対立します。コントローラシステムの断続的な進歩において、コントローラハードウェアおよびソフトウェアの個々の開発ステップには、機能の統合、起動、キャリブレーションが含まれ、これらは微調整によって良い結果を生み出します。この最初の段階では、堅牢性に優れた起動環境が簡単に使用できる必要があります。すべての構成データが供給されると、HILは何の問題もなく、いつでも高確度でシステムを表示することができます。ただし、初期の段階では、一貫性のある構成パラメータにリアルタイムでアクセスして、モデルを構成するには大変な努力を要します。しかし、最初の計測が可能になると、モデル確度 (リソースの入力調整をしながら表示可能) は急速に向上します。

 

オフラインCAEシミュレーションの結果に基づいたモデル構成により、サブモデルのモデル確度が実際に向上していきます。つまり、HILシステムで使用されるモデルは、アプリケーションタスクでも使用できるということです。しかし、初期段階の確度とモデル構成の割り当てのトレードオフはやはり明白です。このため、インクリメンタルモデルの基本的アプローチは、現在のアプリケーションに必要とされるシステム確度を表示するのみにとどまります。その後、同一のモデル構造の使用によって、新規データが使用可能になるとすぐにステップ機能のモデル構造が継続的に改善されていき、アプリケーションの確度条件が満たされていきます。

 

効果的にバリアントを使用したプロジェクト間の相互作用

インクリメンタルモデルの前提条件は、バリアントを効果的に使用して、多数の異なるHILテストシステムのシミュレーションモデルを迅速に更新することです。このように構成可能なモデル構造とともにバリアントを扱うことは、すべてのエンジンプロジェクトに同一のモデルプラットフォームを使用するための前提条件となります。これが、BMWモデルプラットフォームの基盤としてSimulinkを使用した主な理由の一つです。

 

水素駆動エンジンの新しいコンセプトを簡単に組み合わせることによって、このコンセプトの効果が示されます。様々なエンジンプロジェクト間の相互作用はこのコンセプトによって発展します。開発方法、制御モデル、およびシミュレーションモデルを全プロジェクト間で共有して使用するには、個々のプロジェクトの実現に一定量の追加的努力を必要とします。同一プラットフォームに新しいプロジェクトを統合するかどうかの判断は、その特別な開発にどれくらいの努力が必要になるかにかかっています。こうした努力は他のすべてのプロジェクトにも同じように維持する必要があるため、プロジェクト間の相乗効果よりも考慮される必要があるのです。このため、クリーン・エネルギーコントローラのHILシステムは自律型のまま維持され、関連するエンジンコントローラシステムがプラットフォームに組み込まれました。1つのプロジェクトのシステム割り当ては、基準プロジェクトの推定開発ステータスを基本として予測できます。この手順はプロジェクト環境には何の影響も与えないため、追加の調整が必要ありません。このため、方法論の割り当てを調整することなく実装することができます。開発プロセス開始後のその他のプロジェクトの進捗状況は、別途追跡する必要があります。対照的に、本当の相乗効果は統合が完了するまで表面化しません。

 

HILシステム割り当ての工業化

HILシステムは長年BMW開発プロセスに組み込まれてきましたが、シリーズ車開発能力を適用する利点と新手法がもたらす可能性を両立させることが常に課題となります。あらゆる開発ステージや個々のテーマを含んだパイロットプロジェクトでは、HILアプリケーションの開発はさらに進みます。「手法の導入」アプリケーションの目的は、新しい手法を確立して、これらの開発コアを開発プロセス全体のプロジェクトすべてにおいて有効にすることです。

 

次のステップでは、手法アプリケーションのバインディング仕様、および必要な準備を伴うシステム割り当ての前提条件の詳細を含む手順の決定が必要になります。このステージでは、複雑性と基本的な品質管理の方法に焦点が絞られます。

 

BMWは、工業化により、HILを割り当てる方法とプロセスを制御しているため、個々のシステムサプライヤに依存することなく、HILアプリケーションをエリア全体に実装することができます。システムの制御には、システム全体に対する統合権限や、プロジェクトの内容に従って単一プロジェクトを異なるサプライヤに割り当てることなどが含まれます。これは、各プロジェクトの処理がそれぞれ異なるサプライヤによって行われるよう手順とインタフェースが設定されている場合に限られます。当然ながら、実行する場合は、プロジェクト間の相互作用を断念したり、共同プロジェクト部分の使用に時間をかけすぎたりしないことが条件となります。

 

これは、領域内で包括的なHILシステムを提供し、必要に応じてシステムを操作してエンドユーザに供給する開発パートナーを選択することとは基本的に矛盾しません。こうした割り当ては、サプライヤの変更に要する一度きりの高コストに左右されるものではありません。割り当ては実際上、あらゆるシステムソリューションのプロジェクト固有の技術的メリット、特に競合的な入札状況でのコストにより決定されます。開発プロセスを継続的に使用していくには、新しいプロジェクトに対してHILテストシステムを常に調整すること、および既存のシステムプールとの連続性を確保することが必要です。

 

HILテストシステムを使用したクリーン・エネルギーコントローラ

Hydrogen 7固有のコントローラはエンジンコントローラで、12気筒のオットーサイクルモータ用に修正したシリアルコントローラ、および航空機構造のエンジンコントローラのアーキテクチャに基づいたクリーン・エネルギーのコントローラがあります。IEC61508に準拠したSIL 3に分類されたソフトウェアは、MATLAB/Simulinkで設計されました。自動コードは、コードジェネレータとしてTargetLinkを使用するAtenaのソフトウェア開発環境で生成されたものです。内部的にはコントローラはすべて時間ベースで機能します。このアプリケーションソフトウェアには割り込み制御モジュールがありません。クランク軸位置に対して数多くのソフトウェアタスクを同時に計算するエンジンコントローラとは対照的です。このため、ソフトウェアインザループ (SIL) テストは、すべての機能に対してモジュールレベルで直接実行することができます。

 

その特別なステータスから、クリーン・エネルギーコントローラは、ハードウェア、関連するシミュレーションモデル、実装したテストスクリプトに関して、その他のBMWコンポーネントとはまったく異なるものです。開発プロジェクトとの緊密な統合から得られるメリットは、他のプロジェクトとの相互作用のメリットを帳消しにする効果があるのは明らかです。このため、関連するHILテストシステムは、コントローラ開発パートナーが手がけている航空プロジェクトの例に従って構築されました。

 

クリーン・エネルギーコントローラは、プロセッサからアクチュエータ制御まで、2チャンネルシステムとして設計されています。プロセッサのエラーステータスに応じて、チャンネルのアクティブ化 (重複して実行される) により、どちらのアクティブ化信号を出力するか、アクティブ化を停止するかが決まります。その他のシステムとの通信は、5つのCAN接続、追加のシリアルバス端子を介して行われます。さまざまなバルブやその他のアクチュエータのパワーアンプには詳細な診断機能があります。

 

このコントローラを使用した開発タスクおよび保護タスクのために、複数のHILテストシステムが構築されました。主な課題は、異なる負荷を統合しながら、同時に全チャンネルに電気エラー信号を供給することでした。アクチュエータの電気的特性の極値でコントローラの機能をテストするため、抵抗負荷と誘導負荷が異なるバリアントでダミー負荷を作成しました。dSPACEリアルタイムシステムを使用したAtenaのシステムソリューションを実装して、部分的に高電流を伴う電気エラー信号の供給、ダミー負荷の印加、および信号処理を行いました。Atenaは、HILシステムの開発およびモデル調整に加え、その構築と操作も担当しました。

 

モーション制御用HILテストシステム

モータ制御用HILテストシステムの概念は、最初からBMW HILテスト設備に不可分の一部でした。水素に固有のエンジン関連のタスクは、HIL開発のベースを提供するBMWのモデルプラットフォームに統合され、このプラットフォームでHydrogen 7は、ハードウェアインタフェースまで含めて、シリーズ車開発の試行とテストにさらされました。Hydrogen 7がHILテストシステムに課した追加要件を満たすため、プロジェクト固有の開発努力を注ぐ必要がありました。エンジン開発におけるすべてのHILプロジェクトは同じレベルで管理されるため、これらの努力はすべてのBMWエンジンプロジェクトに対するHIL割り当ての最適化に活用されました。

 

Hydrogen 7のモータ制御は2つのマスタ/スレーブコントローラから構成され、それぞれがV-12モータの1つのバンクを制御します。モータ制御をHIL操作するには、主となるイモビライザシステムと中央ゲートウェイコントローラに車載コントローラを接続する必要があります。BMWは、水素運転でのモータ制御に固有の機能を開発しました。BMWでのコントローラ機能の開発と保護に関して、そのHILプロセスが標準手順に統合されているため、海外の車両テストでも開発者は変更された機能をHILテストシステムでテストと操作を行い、またオンサイトで直接検出された影響をHILで解析することができます。このシステムはモバイル形式では使用できません。

 

とはいうものの、シミュレータを普通の車のトランクに積んで輸送するには、システムの大きさを最大8または9個のユニットが入る19インチラックに搭載できるようにする必要があります。このため、小型化はこのHILテストシステムが最も必要とする条件でした。BMWが当時提供していたのは、8気筒1コントローラの従来型モータ用のdSPACEのコンパクトシミュレータとMidSize-HILシミュレータをベースにしたポータブルシステムでした。しかし、気筒が12に増え水素運転の信号が追加されると、以前の構成では限界に達しました。HILアプリケーション専用に開発されたプロセッサボード、信号ボードには大きなスペースが必要です。複数のコントローラを使用すると信号が外部端子を流れるため、コントローラのコネクタケーブルの配線が非常に複雑になります。このような状況からBMWは、HILテストシステムの調達と運用のコストを下げる目的で、小型HILテストシステムの新しい概念をスタートさせるための入札募集を行いました。

 

Hydrogen 7に固有のHILテストシステム要件

HILテストシステムは、入力チャンネルおよび出力チャンネルを介して、関連するコントローラのすべてのインタフェースと接続する必要があります。ハードウェアテストではなくコントローラ機能に注目しているため、噴射弁や点火プラグなどの実際の負荷はインストールしません。その代わり、コントローラの出力に電気的なダミー負荷をかけます。実際の負荷または類似モデルでの代替テストでは、2スロットルのみ駆動することができます。Hydrogen 7の2つのモータコントローラはそれぞれ、最新の直接噴射式6気筒モータの通常の信号のみで構成されています。これらの信号にはいくつかの水素専用信号も含まれるようになりました。4つの調節可能なカムシャフトと6つのノックセンサ用の信号生成が、温度範囲全体で継続的なラムダプローブを正確に表示する必要性と相俟って、このHILシステムの複雑性を表しています。これに加えて、2つのCANインタフェースと1つのBSDインタフェースを介した通信、およびSimulinkベースのBMWモデルプラットフォームの統合が複雑性に拍車をかけます。

 

標準のソフトウェアおよびハードウェアコンポーネントを使用した新しいプラットフォームのHIL構造は、dSPACEの代替案でした。計測/オートメーションアプリケーションでは、国際標準のインタフェースを持つコンポーネントを使用します。多数の産業分野のアプリケーションを基礎とする高度に統合されたプラグインボードでは、高速の信号前処理、信号生成、および信号収集が可能です。航空および通信テクノロジでテストされる信号密度と信号周波数の技術により、HILシステムの小型化が可能になります。また、電気コンポーネントのインタフェース (プロセス制御から使用可能) によって、このテクノロジが将来のモータおよびハイブリッドエンジンの車両制御に実装できるようになります。対応する処理回路が必要な回転信号のアナログ収集と出力とは異なり、FPGA (Field Programmable Gate Array) テクノロジでは、必要なインタフェースの構成にかなりの自由度があります。このため、計測/オートメーション分野の標準コンポーネントの技術的可能性も活用でき、HILテストシステムのコスト効率がさらによくなります。

 

HILシステムに新しいハードウェアプラットフォームおよびシステムソフトウェアプラットフォームを使用すると、ソフトウェア側からはBMWモデルプラットフォームの統合と、テストオートメーションソフトウェア接続用のインタフェースが必要になります。BMWモデルプラットフォームおよびオートメーションソフトウェアは既に多数のテストシステムに実装されているため、新しいプラットフォームの構造には個々のテストシステムの構成が組み込まれます。Simulinkで完全に実装されたこのモデルプラットフォームは、コンポーネントモデルと制御モデル、物理的および電気的インタフェース値間でのスケーリング機能で構成されています。これらの信号は内容が変更されることなく、異なるメーカーのテストシステムの電気通信信号に変換することができます。一方、バス通信のプロトコル変換は特有の方法でHILシステムソフトウェアに統合されます。つまり、並列的に作成される必要があります。同じことがHILユーザソフトウェアのインタフェースにも当てはまります。これによりHILシステムの使いやすさが決まるため、操作時の「ルックアンドフィール」が均一であることが重要です。BMWのエンジン開発では、TraceTronicのテストオートメーションソフトウェア、ECU-Testのみが使用されます。新しいHILプラットフォームのアクティブ化には、1回だけ統合インタフェースの調整が必要です。すべてのHILテストシステムにはBMWモデルプラットフォームが使用されており、テストオートメーションはこれらの値にのみアクセスするため、テストスクリプトは異なるHILサプライヤのテストシステム間で何の制限もなく交換することができます。これはいかなる標準化への努力とも関係ありません。

 

プロジェクト環境への再統合で生じるHIL要件

サプライヤはパイロットシステムの作成に伴う追加の時間と労力を負担し、ユーザにはそれを反映した1回限り納入価格が提示されますが、新しいシステムプラットフォームの実装は、追加のエンジニアリングコストを必要とせず短期間ですべてのエンジンプロジェクトに使用できる場合にのみ経済的合理性があります。複数プロジェクトが進行する環境から発生する追加要件は、単一のシミュレータに直接実装する必要はありません。ただし、変換要素はシステムプラットフォームで完全に使用できることが必要です。このため、各HILサプライヤは、実際のプロジェクトとは無関係のテストシステムソリューションをアプリケーション環境において想定される技術開発用に単独で用意する必要があります。個々のプロジェクトのエンジニアリングパートナーと同様、HILサプライヤは使用可能な標準コンポーネントを使用します。さらにHILサプライヤは不足しているコンポーネントの製品開発を開始して、後になって個々のソリューションに追加のエンジニアリング作業が発生しないようにする必要があります。

 

新世代のHILシミュレータをすべてのBMWモデルのオットーサイクルモータおよびディーゼルエンジンに速やかに適用するには、あらゆる種類のピエゾおよびマグネティック噴射システムの噴射弁制御に適用するダミー負荷と信号収集ソリューションが不可欠です。希薄燃焼エンジンの場合だけでなく、BMW高精度噴射を備えたモータのシミュレーションでは、クランク角度と同期した噴射時間の収集と、燃焼サイクルのさまざまな噴射インパルスでの作動電圧の計測が必要です。この場合、高速信号収集と信号前処理が必須となります。信号収集および信号前処理が構成可能な場合、モデルの状況に応じて、たとえばオシロスコープデバイスを経由してバスシステムの信号の収集に使用することができます。

 

Hydrogen 7のモータの開発は、車両構成を1つに限定して行われましたが、その他すべてのBMWモータは最大7モデルに実装されます。HILテストシステムの多くの部分は、多数のセンサインタフェースとアクチュエータインタフェースを持つエンジンコントローラ、および必要なダミー負荷で決定されます。HILシステムで異なる車両環境におけるエンジンコントローラをテストするには、イモビライザ、ゲートウェイ、計測器など、エンジンに関する車両固有のコントローラを標準インタフェース経由でHILに接続します。車載コントローラのセットはラックに搭載され、簡単に交換することができます。同じコンセプトに従って、変速機への負荷ユニットの実装、および変速機コントローラへのコンビネーションHILシステムの実装が射程に入ります。すべてのHILアプリケーションに同一のBMWモデルプラットフォームを適用することで、このコンセプトによるHILの供給/運用の工業化はさらに進展します。同一のインタフェースを経由するBMW固有の機能は、HILテストシステムのメーカーには依存しません。BMW固有のコンポーネントを持つモジュールは一元的かつコスト効率よく製造し構成することができます。また、さまざまなHILシステムに実装する前にリファレンスシステムでテストすることができます。

 

車両モデルの種類が増えれば、バス通信シミュレーションの種類も増加します。機能がネットワーク接続され、HILテストシステムに接続されたコントローラ数が増えたことから、レストバスシミュレーションの重要性が増しています。レストバスシミュレーションはある程度、HILシステム割り当ての最も複雑なタスクになりつつあります。効率のよい堅牢性に優れたHILシステムのアプリケーションでは、ツールでサポートされ、通信の記述ファイル (CANのdbc形式など) に基づいたレストバスシミュレーションの生成と更新が必要です。開発プロセスの全体を通して、メッセージカタログは継続的に変更されます。こうした変更は、HILシステムの個々のコントローラが求める多数のメッセージを参照した結果に基づくもので、プラントモデルとの動的な接続によるものではありません。この場合に重要なのは、レストバスシミュレーションが更新されてもHILモデル環境への再統合が容易に行えることです。通信基盤とメッセージの多様性がダイナミックメッセージのコンテンツを上回った場合、BMWは一部のHILテストシステムに対して、アウトソースしたレストバスシミュレーションシステムを実装します。一部をCAN用に、大部分をFlexRay用に実装したこれらのシステムの構成プロセスは、データベースのボードネットワーク通信に合わせて調節されます。これらのシステムでは、追加のCAN接続により、ダイナミックメッセージとシミュレーションモデルが組み合わされます。CANレストバスシミュレーションのアウトソーシングは、モデルと動的に組み合わされたメッセージの割合が高い場合は意味がないため、レストバスシミュレーションの効率よい運用は、すべてのHILプラットフォームに欠かせないものです。

 

自動車業界での使用が極めて一般的化している、特定の通信インタフェースやBSDバスおよび複数のLINバスは、駆動コントローラのローカル環境で使用されます。例としては、埋め込み領域からの高速センサバスとして使用されるSPIプロトコル、およびイモビライザ通信領域の特殊なフォーマットがあります。LINバスおよびCANバスの構成オプションの要件は類似しています。独自のバスに対しても、新しい通信プロトコルに対する微調整が必要です。特定のハードウェアを変更することなくインタフェースを完全にマッピングできる場合 (FPGAテクノロジを使用したソフトウェア構成など)、簡単に効率よくマッピングすることができます。

 

一部のアプリケーションでは、含まれるコンポーネントのシステムの複雑性と高帯域幅のため、HILテストシステムにマルチプロセッサ構造が必要となる場合があります。このため、すべてのHILプラットフォームは標準化された効率のよい方法で複数の演算ノードを組み合わせるオプションを備える必要があります。

 

HILテストシステムに接続されるのはテストユニットとしてエンジンコントローラに限られるHILアプリケーションとは異なり、HILテクノロジとモデルが、モデルにサポートされるモータまたはコンポーネントのテストスタンドに実装されるケースが増えています。サブタスク、内燃機関全体、またはバルブトレイン調整の駆動要素は、実際のエネルギー束によって動作し、関連する車両操作がコントローラに対して現実に即してシミュレートされます。アプリケーションとは、現実的な環境プロファイルを使用し、モデルの作成が難しいコンポーネントに対するコントローラ機能を詳細に適用する信頼性テストを意味します。さまざまな車両ボードネットワークでの電気エネルギー管理を開発するため、コントローラと車両のバッテリが実際の部品として統合され、実際の電流プロファイルで充電が行われるHILテストシステムが構築されました。こうしたタイプのHILアプリケーションでは、多くの場合、HILタスクの並列実装と高速での計測と制御のテクノロジが必要となります。

 

NovaSimシミュレータを使用したHILテストシステムの実現

Hydrogen 7のモータ制御用HILシステムは、NIパートナーのMicroNovaのNovaSim HILシミュレータに基づいています。MicroNovaはHILテストシステムのメーカー兼インテグレータで、クリーン・エネルギーの機能開発、ソフトウェア開発のエンジニアリングパートナーとしての経験があります。

 

これらのシミュレータの基本的な構造は、NIのハードウェアプラットフォームに基づいています。このプラットフォームでは、リアルタイムコンピュータがPXIバスを介してさまざまなIOボードに接続されています。シミュレーションモデルは、シミュレータの操作も可能なNIのLabVIEWソフトウェアを介してハードウェアとの組み合わせが行われます。このシミュレータグループは、市場で自由に購入できる標準的なコンポーネントをできるだけ多く使用し、それらをいくつかの段階に分けて統合していくのを、基本的な考え方としています。ハードウェアのプラットフォームは、コンパクトPCIバスと互換性があるPXIバスです。このバス向けにいくつかのメーカーが提供しているコンポーネントは数百に上り、それらは計測と自動化テクノロジの分野での世界規模の需要に向けて絶えず進化しています。このため、既存のシミュレーションソフトウェアを変更せずに、第2世代の水素HILに対してさらに強力なリアルタイムコンピュータを採用することに問題は生じませんでした。たとえば、コンパクトPCIバスに基づいたリフレクティブメモリボードをネットワーク接続されたHILプロジェクトに使用して、マルチプロセッサシステム内でコンピュータのカプリングを行いました。ただし、新しいシミュレータでは、ギガビットのイーサネットインタフェースを使用してさらにコスト効率の高いカプリングが採用されています。

 

すべての標準ハードウェアコンポーネントは、MicroNovaにより車両固有の追加コンポーネントとともに標準HILシミュレータに組み込まれます。このタスクは、プロジェクト固有のエンジニアリングに限定されません。実際上より重要なことは、ハードウェアコンポーネントの製品開発、つまりエンジンおよびシャーシフレームテスト用HILアプリケーションの標準必須コンポーネントとして必要なハードウェアコンポーネントの製品開発を開始することです。しかし、これらのコンポーネントは他の分野では使用できません。例としては信号調節ボードがあります。このボードは、ラムダプローブ信号の出力、またはエンジンテストの要件に応じて調節される電気エラーシミュレーション用システムの出力に使用されるものです。

 

ソフトウェアも同じ統合アプローチに従います。基盤として使用するのは、LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA、およびSimulation Interface Toolkitを備えた、LabVIEWソフトウェアパケットです。計測テクノロジ分野などで一般的に使用されているこれらのソフトウェアツールを使用すると、リアルタイム対応コードの生成や、Simulinkモデルからの個々のユーザインタフェースを有効化することができます。システムパートナーのMicroNovaは、車両固有信号のインタフェースに対応する特定のブロックセットでこれらのコンポーネントを拡張します。CAN、LIN、FlexRayなどの標準的な車載バスと、専用のハードウェアボードを介したHILアクティベーションとの通信時に、これらのブロックセットはSimulink統合とレストバスシミュレーションの自動生成を行います。テストオートメーション用のPythonインタフェースにより、HILテストシステムコンポーネントに関するすべてのタスクに簡単にアクセスすることができます。

 

グラフィカルプログラミングにより、再構成可能なFPGAハードウェアに機能を割り当てることができます。噴射/点火アクティベーションなどのモータ特有の信号の収集、関連するクランク軸信号、カムシャフト信号、ノック信号の生成はこのテクノロジに基づいています。このブロックはSimulinkモデルに直接統合でき、また検出器ホイールのプロファイルを指定するなど、プロジェクト固有の調整も構成することができます。また、ブロックセットにより、BSD、SPIなどの独自のバスもFPGAにマッピングすることができます。ハードウェアを変更することなく、HILシステムへの新機能のマッピングが可能なため、将来の要件にも対応することができます。こうした再構成可能なハードウェアの柔軟性が、HILテストシステムの持続的な開発の基盤になっています。ただし、効果的に使用するにはブロックセットが不可欠です。

 

再構成可能なFPGAハードウェアを使用してわかることは、ハードウェア、システムソフトウェア、HIL固有のブロックセット、およびプロジェクト固有のシステム構成の相互作用の中で、アプリケーションの要件がイベントの連鎖の最適な位置で満たされるようインタフェースにインターロックをかける必要があることを示しています。そこで初めて、単一のサプライヤから提供されるシステム専用ソリューションではなく、標準コンポーネントを使用するメリットが明らかになります。標準ハードウェアおよびソフトウェアが重要な役割を担うため、エンジニアリングパートナーであるNIによるサポートの妥当性は一目瞭然です。オープンなPXIのリアルタイムアーキテクチャでありながら、これらの標準ハードウェアコンポーネントは優先的に使用されます。ハードウェアとソフトウェアコンポーネントの継続性と包括性、および製品レベルでのHIL固有の追加タスクの推進は、BMWがこれらのHILシステムをエンジン開発で使用するための前提条件となります。

 

 

システム構成

Hydrogen 7のエンジン制御を開発するため、最初2つのHILシステムを構築しました。システムを導入し、高い負荷率で使用しながらも支障なく手動と自動の両方でテストを実行した後、Hydrogen 7の開発プロセスにさらに2台のシステムを追加しました。図10にこのシステムの構成を示します。

 

バッテリシミュレーションの電源は、リアルタイムコンピュータと信号調節機能とともにメインレベルの下にあります。リアルタイムコンピュータは、2 GHzのコントローラを備えたPXIシステムです。モータHILボードを2枚、CANボードを1枚、アナログ出力ボードを1枚使用することで、以下の信号インタフェースの利用が可能になります。

• 3 x 96 = 288個のデジタル入力または出力:これらは、パルス幅変調 (PWM) 信号や、角度同期を持つ特殊な信号 (カムシャフト、噴射信号など) の生成や収集にも使用することができます。BSDバスやSPIバスなどの特定のシリアルインタフェースは、ハードウェアを追加で開発することなくシミュレータへの組み込みが可能です。
• 24のアナログ入力、56のアナログ出力
• 4つのCANインタフェース

 

アプリケーションのコンテナサイズを小さくするという要件に対しては、高密度のコアコンポーネントにより、I/Oチャンネルとシミュレータのさまざまなコントローラ間の配線を統合することで実現されています。大規模なHILテストシステムと同様、プロジェクト固有の外部配線は、コントローラコネクタのさまざまななピン割り当てを判断できる、コントローラ固有の1:1接続にする必要があります。個々のHILコンポーネントをより簡単に特定できるよう、I/Oボードと信号調節の接続ケーブルは取り付けられていません。1:1接続と同様、これらの標準ケーブルはプロジェクトからは独立したシミュレータの内部配線用コンポーネントです。内部の信号配線は端末パネル背面のシミュレータ上段にあり、シミュレーションが進行中のカバーが開いた状態でもアクセスすることが可能です。

 

まとめと展望

機能開発およびHydrogen 7のモータ制御の保護を目的としたHILアプリケーションが、BMWのHILモデルプラットフォームを通じて既存開発プロセスに完全統合されました。BMWはそのプロセスの仕様化と統合の能力により、HILシステム割り当ての工業化を通じて、特定のプロジェクト要件を実装する一方で他のエンジンプロジェクトで開発されたテクノロジを使用することに成功しました。

 

これにより、Hydrogen 7に使用したHILシミュレータに基づいて、現在のすべてのBMWエンジンコントローラに対応するHILが確立されました。これら10台の小型システムと平行して、電気エネルギー車載供給システム用コントローラの設計にコンビネーションHILテストシステムが使用されています。実際の電流を使用したバッテリやパワーエレクトロニクスを選択的に供給できるという可能性は、ハイブリッドの領域だけでなく、HIL、計測テクノロジ、およびモデルでサポートされたテストスタンドテクノロジの融合を象徴するものといえます。

 

House of Technology Conference:Hardware-in-the-Loop Simulation、ミュンヘン、2007年2月27～28日

 

文献

BMW AG:Eine neue Ära der Mobilität beginnt:Der BMW Hydrogen 7、ミュンヘン、2006年

Atena Engineering GmbH:BMW Wasserstoffprojekt、ミュンヘン、2005年

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、ベルリン、2005年

Schlüter, W., Kvasnicka, P., Kämpf, B.:Model Database for Complex Simulink Models, Model-Based Design Conference、ミュンヘン、2005年

Engelke, M.:HiL gestützter Test von Motorsteuerungssoftware, 3. dSPACEAnwenderkonferenz、シュトゥットガルト、2002年

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Orazio Ragonesi
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