MicroNova AG, Orazio Ragonesi
BMW 주행의 즐거움과 실질적으로 배기가스 배출 없는 이동성의 이점을 동시에 선사하는 설계의 새로운 하이브리드 차량인 BMW Hydrogen 7에 사용될 엔진 시뮬레이터를 개발 중입니다.
National Instruments의 소프트웨어 및 하드웨어를 사용하여 엔진을 위한 완벽한 HIL 테스트 환경을 설계합니다.
Orazio Ragonesi - MicroNova AG
Franz Dengler - MicroNova AG
Wolfgang Schlüter - BMW Group, 뮌헨
BMW Hydrogen 7은 현재 개발 단계 중에 있는 바이퓨얼 드라이브 콘셉트의 최초의 프리미엄 세단이며, BMW 고유의 편안한 승차 경험을 그대로 제공합니다. BMW Hydrogen 7은 이산화탄소를 거의 배출하지 않는 동시에 프리미엄 세단의 승차감을 그대로 제공하는 길을 열었습니다. 엔진 컨트롤 유닛의 소프트웨어 개발 태스크, 셋업 및 보호를 위해 BMW 모델 플랫폼은 수소 요구조건에 적합하도록 맞추어졌으며, HIL은 더욱 개선된 방식으로 산업화된 프로세스를 타겟팅합니다. Hydrogen 7 프로젝트에 최초로 사용되었던 HIL 시스템 솔루션이 다른 BMW 파워트레인 프로젝트를 위한 HIL 공급 향상을 위해 사용되었습니다.
BMW CleanEnergy 수소 이니셔티브는 가솔린, 디젤 등의 이산화탄소 기반의 연료에서 수소 연료로 전환함으로써 이산화탄소 배출 억제를 그 목표로 하고 있습니다. 재생 수소 생성은 미래의 인류 기동성을 지속하는 데에 공헌하게 될 것입니다. 내연 엔진과 액체 수소가 통합되면 생산 비용뿐만 아니라 드라이빙 다이나믹스, 안정성, 순항 범위와 같은 고객 가치에 있어서도 다른 여러 개념과 비교하여 월등히 우수합니다. BMW Hydrogen 7은 수소 엔진이 장착된 최초의 고급 세단입니다.
BMW 그룹은 모든 엔진에 대한 효율적인 다이나믹스 개념을 염두에 두고 높은 성능과 낮은 연료 소모를 동시에 달성하기 위해 연구하고 있습니다. 이것이 더욱 구체화되어 수소 이니셔티브인 BMW CleanEnergy가 도입되었습니다. 한정적인 화석 에너지와는 달리 수소는 태양, 물, 바람, 바이오매스와 같은 재생 가능한 에너지로부터 무제한 생성할 수 있습니다. BMW는 수소 구동 연소 엔진에 초점을 맞추고 있습니다. 수소 구동 BMW H2R의 300 km/h 속도 기록을 통해 본 엔진의 기술적인 잠재력을 엿볼 수 있습니다. 연소 엔진은 에너지를 수소 또는 가스로 변환하므로 브리지 기술 역할을 합니다.
BMW Hydrogen 7에는 수소 또는 가스로 구동되는 바이퓨얼 12 기통 V 엔진이 있습니다. 따라서, 아직 수소 인프라스트럭처가 충분하지 않음에도 불구하고 BMW의 일반 기능을 갖춘 실생활에 적합한 자동차가 완성됩니다.
본 차량의 수가 한정적이므로 수소 충전소의 수도 한정적일 수 밖에 없습니다. 필요한 수소의 양이 적으므로 수소는 기존 에너지 소스로부터 전환됩니다. 그러나, 시리얼 차량에 수소 엔진을 실행하는 것은 수소 공급 인프라스트럭처의 수요를 낳게 되었으며 따라서 수소 구동 자동차에 대한 요구가 생겨나게 되었습니다. 여기서 BMW CleanEnergy 이니셔티브는 새로운 에너지 소스 사용에 대한 원동력으로 작용합니다.
BMW Hydrogen 7은 현재의 BMW 7에 해당합니다. 이 개념은 테스트되고 검증된 기술을 기반으로 합니다. 가변 흡입 밸브 허브 및 조정 가능한 입력단/출력단 캠 샤프트가 양쪽 엔진 블록에 있어 밸브트로닉 언쓰로틀드 부하 조정이 가능합니다. 가솔린으로 작동되는 경우 엔진은 가솔린 직접 주입구를 사용하고, 수소로 가동될 때에는 외부 기화를 사용합니다. 수소 가동 모드에서 엔진은 191 kW의 엔진 파워와 최고 390 Nm의 토크입니다. 바이퓨얼 모델의 장점은 수소 충전 시설 부족에 대응할 수 있다는 점입니다.
수소는 일반 온도에서 매우 휘발성이 강하며, 충분한 에너지 밀도와 순항 범위를 확보하기 위해 섭씨 -250°에서 액체 상태로 저장됩니다. 수소 탱크는 저온 용기로 되어 있으며, 17미터 두께의 스티로폼 벽에 해당되는 우수한 단열이 제공됩니다. 주입 밸브로 이동하는 과정에서 수소는 온난 과정을 거쳐 가스로 변합니다. 168 리터 탱크는 8 kg의 액체 수소를 보관할 수 있으며 이는 가솔린 30 리터의 에너지 용량입니다. 수소 차량의 항속 거리는 200 km이며 가솔린 항속 거리는 500 km입니다.
탱크 시스템에는 개별 냉각제가 있습니다. 운전 동안 탱크의 작동 압력은 열 입력을 통한 수소가 증발하는 방식으로 유지됩니다. CleanEnergy 탱크 컨트롤러가 과정을 컨트롤합니다. 본 보안 관련 기능의 중앙 컨트롤러는 또한 중요 탱크 파라미터, 제한 값에 대한 반응뿐 아니라 연료 주입 과정 및 가스 농도까지 모니터링합니다. 컨트롤러의 추가 기능으로는 온보드 공급 시스템 관리, 시스템 상태에 관한 드라이버 정보, 서비스 센터와 통신 등이 있습니다. 종합적인 중복 기능이 있는 컨트롤러는 자동차 업계에서 가장 높은 요구사항 클래스인 SIL3 보안 레벨(Software Integrity Level. IEC Norm 61508과 유사)을 준수합니다.
BMW Hydrogen 7의 컨트롤러, 함수, 어플리케이션 개발은 이미 시행 및 테스트된 BMW 시리얼 개발 프로세스를 통해 진행되었습니다. 초기 콘셉트에서 고도의 다이나믹 테스트 스탠드 작업에 이르기까지 모든 단계는 모델 기반의 개발 방법을 적용합니다. HIL 어플리케이션 맥락에서 보면 배포된 시뮬레이션 모델의 계속성이 보장됩니다. 강력한 변수 처리를 사용하는 점증적 모델을 사용하면 60개 이상의 HIL 테스트 시스템이 어플리케이션에 요구되는 시스템 정확도를 효율적으로 확보할 수 있습니다. HIL 어플리케이션을 성공적으로 계획하고 절차를 확립한 후에는 비용을 절감하고 개별 제조업체에 의존하지 않기 위한 목적으로 HIL 산업화에 초점을 맞추게 됩니다.
HIL 사용의 주안점은 컨트롤러의 시작 및 보호, 프로그램 상태, 데이터 상태입니다. 대부분의 어플리케이션은 개별 컨트롤러에 초점을 맞추어 HIL 시스템에서 컴포넌트 테스트로 실행됩니다. 컨트롤러(하드웨어) 테스트는 전기 로드에서 에러 로깅 및 동작에 초점을 맞춥니다. 그러나 소프트웨어 개발을 위해서는 새로운 컨트롤러 소프트웨어가 모든 실행 포인트에서 신속, 안전하게 테스트되는 개발 환경이 요구됩니다. 시스템 레벨에서의 기본 어플리케이션은 컨트롤러 그룹에서 통신 테스트로써, 우선 부분적인 시스템 내에서 실시하고 그 후 모든 컨트롤러가 있는 실험 차량에서 진행합니다.
기본 컨트롤러 기능만이 HIL 어플리케이션으로 테스트되지만, 차량의 컨트롤러 기능이 발달함에 따라 HIL 어플리케이션을 위한 더 높은 시스템 정확도 및 대규모 시뮬레이션 스펙트럼이 요구되었습니다. HIL 운영은 시뮬레이션 모델이 컨트롤러의 복합 프로세스 모델에 부합할 때에만 의미가 있습니다. 반면 크로스 컨트롤러 기능은 컴비네이션 테스트 스탠드 또는 차량 관련 태스크의 복합 동작 시뮬레이션을 실행합니다.
HIL 시스템의 비용 효율성에 주로 관여하는 HIL 기본 어플리케이션 이외에, HIL의 전략적 주요 업무는 기능 개발 및 컨트롤러의 기능 시작 어플리케이션입니다. 이것이 기본 어플리케이션을 가능케 하는 요소이기 때문입니다. 새로운 컨트롤러 기능, 새로운 컨트롤러 하드웨어, 통신 기술, 센서 기술 및 액추에이터 기술 개발자는 개발을 시작할 때 HIL 도구를 사용합니다.
개발자에 의해 시작되고 모든 정보가 사용 가능해지면, 개발 과정에서 차후에 진행되는 자동화 안전 테스트를 위해 HIL 테스트 스탠드가 사용됩니다. 기본 어플리케이션에서 HIL의 사용은 어느 정도에 이르기까지는 의무적인 반면, 기능 개발 및 시작을 위한 HIL의 사용은 더욱 짧은 개발 기간 및 더욱 적은 엔진 및 차량 테스트로 진행됩니다. HIL 어플리케이션의 현재 개발 영역은 어플리케이션 데이터 모니터링 및 기능의 사전 적용을 진행하는 동시에 모델 정확도를 증대하는 것입니다.
특정 HIL 어플리케이션에 필요한 HIL 시스템 정확도는 효율적이며 신속한 HIL 개발 환경을 제공하고자 하는 목표와 상충됩니다. 컨트롤러 시스템의 주기적인 향상에 있어 컨트롤러 하드웨어 및 소프트웨어의 개별 개발 단계는 기능의 통합, 시작, 교정을 포함하며, 그 후 미세 조정이 뒤따릅니다. 이와 같은 첫 번째 단계를 위해 견고한 시작 환경이 반드시 구비되어 있어야 합니다. 모든 구성 데이터가 제공되면 HIL 시스템은 높은 정확도로 오류 없이 시스템을 디스플레이합니다. 그러나, 초기 단계에서 모델 구성을 위해 리얼타임으로 구성 파라미터에 접근하기 위해서는 많은 노력이 필요합니다. 그러나 첫 측정을 사용할 수 있게 되면 관리 가능한 리소스 입력으로 표시할 수 있는 모델 정확도가 빠르게 증가합니다.
오프라인 CAE 시뮬레이션의 결과에 기반한 모델 구성은 하부 모델을 위한 높은 모델 정확도로 이어집니다. HIL 시스템에 사용되는 모델은 어플리케이션 태스크를 위해 사용됩니다. 그러나 초기 단계에서 정확도와 공급의 할당 간 절충이 여전히 필요합니다. 따라서 점증적인 모델링의 기본 접근은 현재 어플리케이션에 요구되는 시스템 정확도만을 디스플레이하는 것입니다. 결과적으로, 새로운 데이터가 사용 가능해지는 즉시 모델 구성을 지속적으로 향상시키기 위해 동일한 모델 구조가 사용됩니다. 따라서 어플리케이션의 정확도 요구 조건을 만족할 수 있습니다.
점증적 모델링을 위한 필수 조건은 효율적 변수 처리로써, 이를 통해 여러 다른 HIL 테스트 시스템에서 시뮬레이션 모델을 신속하게 업데이트할 수 있습니다. 본 변수 처리와 구성 가능한 모델 구조 병행은 모든 엔진 프로젝트를 위해 동일한 모델 플랫폼을 사용하기 위한 필수 조건입니다. 이것이 바로 BMW 모델 플랫폼을 위해 Simulink가 사용되는 주요 이유입니다.
수소 구동 엔진을 위해 새로운 개념을 통합함으로써 그 효율성이 입증되었고, 이를 통해 여러 엔진 프로젝트 간의 시너지가 발생하게 됩니다. 개발 방법, 컨트롤 모델, 시뮬레이션 모델을 여러 프로젝트 간 사용하기 위해서는 개별 프로젝트를 실현하기 위해 일정 정도의 추가 노력이 필요합니다. 통일된 플랫폼에 새로운 프로젝트를 통합할지 여부는 프로젝트 간의 시너지 효과보다는 다른 모든 프로젝트에서 지속되어야 하는 특수 개발에 필요한 노력에 달려 있습니다. 따라서 CleanEnergy 컨트롤러를 위한 HIL 시스템은 독립적으로 유지되는 반면, 관련된 엔진 컨트롤러 시스템은 플랫폼에 통합됩니다. 단일 프로젝트를 위한 시스템 할당은 참조 프로젝트를 기반으로 하여 추론적인 개발 상태를 사용합니다. 프로젝트 환경에 영향을 미치지 않는 본 과정은 부가의 조정이 필요하지 않기 때문에 편리하게 통합될 수 있습니다. 개발 단계가 시작된 후 다른 프로젝트에서 발생되는 경과는 반드시 개별 관리되어야 합니다. 그와는 대조적으로 실제의 시너지는 통합이 완성되기 전까지는 발생하지 않습니다.
HIL 시스템이 수년 동안 BMW 개발 프로세스의 고유의 부분으로 자리잡았지만, 시리얼 개발을 위한 어플리케이션의 장점과 새로운 방법의 잠재성 사이의 조율에는 항상 어려움이 따릅니다. 다양한 개발 단계와 개별 주제가 있는 파일럿 프로젝트에서 HIL 어플리케이션은 더욱 개발됩니다. 방법 어플리케이션의 목적은 전체 개발 과정에서 각 개발 코어의 경과를 더욱 효율적으로 하기 위한 방법을 확립하는 것입니다.
다음 단계는 절차를 결정하는 것으로, 여기에는 방법 어플리케이션의 스펙 및 시스템 할당에 필요한 필수조건에 대한 세부 사항 등이 포함됩니다. 본 단계에서 복합성 컨트롤 및 기본적인 품질 관리 전략이 최우선 과제인 반면, 뒤따르는 산업화에서는 비용 감축 및 개별 공급업체로부터 독립에 중점을 둡니다.
산업화로, BMW는 HIL 할당의 방법 및 프로세스를 컨트롤하는 것을 의미하게 되었습니다. 즉, HIL 어플리케이션은 개별 시스템 공급업체에 의존하지 않고 전 영역에 널리 구축됩니다. 시스템 컨트롤에는 전체 시스템을 위한 통합 능력 및 단일 프로젝트를 프로젝트에 따라 다른 공급자에게 부과하는 능력이 포함됩니다. 이것은 서로 다른 프로젝트가 서로 다른 공급자에 의해 처리되는 방식으로 절차 및 인터페이스가 결정될 때에만 가능합니다. 물론 이것은 프로젝트 간 발생하는 시너지를 포기하거나 조인트 프로젝트 부분 사용을 위해 시간을 허비하지 않고도 가능합니다.
이는 개발 협력 업체(도메인에서 종합 HIL 시스템을 제공하고 필요시 운영 및 최종 사용자에게 제공)를 선택하는 것과 상충되는 개념은 아닙니다. 이와 같은 업무는 공급자 변경으로 인한 일회성의 높은 비용으로 일관되는 것은 아닙니다. 사실상, 과제는 다양한 시스템 솔루션의 프로젝트 특정 기술적 혜택, 특히 경쟁적인 입찰 상황에서의 비용 등과 관련하여 발생합니다. 개발 프로세스에서 지속적인 사용을 위해서는 HIL 테스트 시스템을 새로운 프로젝트에 맞게 지속적으로 조정해야 하며, 새로운 시스템상에서 기존 시스템 풀(pool)이 지속됨을 보호해야 합니다.
Hydrogen 7을 위한 특정 컨트롤러는 엔진 컨트롤러로써, 12 기통 Otto 모터를 위한 수정된 시리얼 컨트롤러와 비행기 구조로부터 채택된 엔진 컨트롤러의 아키텍처에 기반한 CleanEnergy 컨트롤러입니다. 소프트웨어(SIL 3 레벨, IEC61508 준수)는 MATLAB/Simulink에서 설계되었습니다. 자동 코드는 Atena 소프트웨어 개발 환경에 의해 생성되었으며 코드 생성기로 TargetLink를 사용합니다. 내부적으로 컨트롤러는 시간 단위로 작동합니다. 어플리케이션 소프트웨어에는 인터럽트로 컨트롤되는 모듈이 없습니다. 이는 크랭크샤프트 포지션에 대해 광범위한 소프트웨어 태스크를 동시에 계산하는 엔진 컨트롤러와 대조적입니다. 따라서 SIL(Software-in-the-Loop) 테스트는 모든 기능을 위해 모듈 레벨에서 직접 수행됩니다.
CleanEnergy 컨트롤러는 하드웨어, 관련 시뮬레이션 모델, 및 실행되는 테스트 스크립트와 관련하여 다른 BMW 컴포넌트에 비해 월등히 우수합니다. 개발 프로젝트로 긴밀히 통합된다는 장점은 다른 프로젝트와 가능한 시너지를 상쇄합니다. 따라서 항공 프로젝트의 예를 따라 관련된 HIL 테스트 시스템이 컨트롤러 개발 협력업체에서 구축되었습니다.
CleanEnergy 컨트롤러는 프로세서에서 액추에이터 컨트롤에 이르기까지 2-채널 시스템으로 설계됩니다. 프로세서의 에러 상태에 따라, 반복적으로 실행되는 채널 활성은 어떤 활성 신호가 출력인지, 또는 활성 중지 여부를 결정합니다. 다른 시스템과의 통신은 5개의 CAN 연결 및 시리얼 버스 터미널에서 발생합니다. 다양한 밸브 및 기타 액추에이터의 파워 증폭기에는 상세한 진단이 있습니다.
본 컨트롤러로 개발 태스크 및 보호 태스크를 위해 여러 HIL 테스트 시스템이 구축되었습니다. 주요 과제는 모든 채널에 대해 전기적인 에러 신호를 동시에 공급하면서 서로 다른 로드를 통합하는 것입니다. 구동되는 요소의 전기적 프로퍼티의 극단값으로 컨트롤러 기능을 테스트하기 위해서 서로 다른 저항 및 인덕턴스 로드가 있는 더미 로드가 구축되었습니다. dSPACE 리얼타임 시스템을 사용하는 Atena 시스템 솔루션은 부분적으로 고전류가 있는 전기적인 에러 신호 공급, 더미 로드 및 신호 프로세스를 위해 실행됩니다. Atena에서는 또한 개발 및 모델 조정뿐만 아니라 HIL 시스템 구축 및 작동을 진행하였습니다.
시작부터 모터 컨트롤을 위한 HIL 테스트 시스템의 콘셉트는 BMW HIL 테스트 시설의 주요한 부분이었습니다. Hydrogen 7 엔진과 관련된 수소 관련 특정 태스크가 HIL 개발 기반을 제공하는 BMW 모델 플랫폼에 통합되었습니다. HIL 테스트 시스템에 대한 Hydrogen 7의 추가 요구 사항을 적절히 충족하기 위해서 프로젝트별 개발이 진행되어야 했습니다. 엔진 개발에서 모든 HIL 프로젝트를 일률적으로 컨트롤하기 때문에 본 개발은 모든 BMW 엔진 프로젝트를 위한 HIL 할당을 극대화하기 위해 사용되었습니다.
Hydrogen 7의 모터 컨트롤은 두 개의 Master-Slave 컨트롤러로 구성되어 있으며 각각 V12 모터의 하나의 뱅크를 컨트롤합니다. 모터 컨트롤의 HIL 작동을 위해, 차량 컨트롤러의 연결은 중앙 게이트웨이 컨트롤러뿐 아니라 키 이모빌라이저 시스템을 위해서도 필수적입니다. BMW는 수소 작동과 관련된 모터 컨트롤의 특정 기능을 개발하였습니다. BMW에서 컨트롤러 기능의 개발 및 보호를 위해 HIL 프로세스는 심지어 외국에서 차량 테스트에서도 개발자들이 HIL 테스트 시스템에서 수정된 기능을 테스트 및 운영할 수 있고 현장에서 즉시 그 효과를 분석할 수 있도록 표준 절차에 통합됩니다. 시스템은 모바일 작업에 사용되지 않습니다.
일반 자동차의 트렁크로 시뮬레이터를 운송하기 위해서 시스템은 19인치 랙(최대 8-9 랙 유닛)에 맞아야 합니다. 따라서 컴팩트한 구조는 본 HIL 테스트 시스템에서 중대한 요구 사항입니다. BMW에서는 8 기통 및 하나의 컨트롤러가 있는 기존 모터를 위해 dSPACE 컴팩트 시뮬레이터 및 중형 HIL 시뮬레이터를 기반으로 하는 휴대용 시스템을 제공하고 있습니다. 그러나, 12 기통으로 확장 및 수소 운영을 위한 추가 신호로 인해 기존의 구성은 한계를 뛰어넘었습니다. HIL 어플리케이션을 위해서만 개발된 프로세서 보드 및 신호 보드는 많은 공간을 요구합니다. 여러 컨트롤러를 사용하게 되면 외부 터미널을 통해 신호가 흐르기 때문에 컨트롤러 커넥터 케이블이 매우 복잡해집니다. 이러한 이유로 BMW에서는 HIL 테스트 시스템의 조달 및 운영을 위한 비용 절감을 목적으로 하는 컴팩트한 HIL 테스트 시스템을 위한 새로운 개념에 착수하기 위해 입찰을 선언하기에 이르렀습니다.
HIL 테스트 시스템은 입력 채널 및 출력 채널을 통해 관련 컨트롤러의 모든 인터페이스를 수집해야 합니다. 하드웨어 테스트가 아닌 컨트롤러 기능이 주요 관심이므로 주입 밸브 또는 점화 플러그와 같은 실제 로드가 설치되지 않습니다. 그 대신 컨트롤러 출력이 전기적 더미 로드로 충전됩니다. 단 두 개의 조절판만이 실제 로드 또는 유사한 모델로 테스트하는 데에 실행됩니다. Hydrogen 7의 두 개의 모터 컨트롤러 각각은 직접 주입구가 있는 현대식 6기통 모터의 모든 일반적인 신호로 구성됩니다. 이는 여러 수소 특정 신호에 의해 확장되었습니다. 4개의 조정 가능한 캠샤프트 및 6개의 노크 센서를 위한 신호 생성뿐만 아니라 전체 온도 범위에서 연속 Lambda 프로브를 정확하게 디스플레이해야 하는데, 이는 HIL 시스템의 복합성을 잘 보여줍니다. 컴팩트한 구조와 별도로 이는 또한 BMW의 HIL 테스트 시스템에서 표준입니다. 이는 또한 두 개의 CAN 인터페이스와 하나의 BSD 인터페이스를 통한 통신 및 Simulink 기반의 BMW 모델 플랫폼 통합에도 적용됩니다.
표준 소프트웨어 및 하드웨어 컴포넌트를 사용하여 새로운 플랫폼에서의 HIL 구조는 BMW 엔진 개발에 수년간 사용되었던 dSPACE 및 ETAS 하드웨어 및 시스템 소프트웨어 기반을 대체합니다. 측정 및 자동화 어플리케이션은 국제 표준화된 인터페이스로 컴포넌트를 사용합니다. 여러 산업 영역에서의 어플리케이션을 기반으로 하여 고도로 통합된 플러그인 보드는 신속한 프로세싱, 신호 생성, 및 신호 수집을 위해 사용 가능합니다. 항공 및 텔레커뮤니케이션 기술에서 테스트되는 신호 밀도 및 신호 주파수는 HIL 시스템의 컴팩트한 구조를 가능하게 합니다. 프로세스 컨트롤로 인해 사용 가능한 전기 컴포넌트를 위한 인터페이스는 미래의 모터 및 하이브리드 엔진의 차량 컨트롤을 위해 기술이 실행될 수 있음을 보장합니다. 특정 프로세싱 회로로 회전 지향적인 신호를 아날로그 수집 및 출력하는 것과 달리, FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술은 요구되는 인터페이스의 자유로운 구성을 허용합니다. 따라서, HIL 시스템을 능가하는 더욱 많은 양과 측정 및 자동화 영역의 표준 컴포넌트의 기술적인 잠재성이 결합되면 더욱 비용 효율적인 HIL 테스트 시스템 옵션이 됩니다.
HIL 시스템을 위한 새로운 하드웨어 플랫폼 및 시스템 소프트웨어 플랫폼을 사용하기 위해서는 BMW 모델 플랫폼의 통합 및 테스트 자동화 소프트웨어의 연결을 위한 인터페이스가 요구됩니다. BMW 모델 플랫폼 및 자동화 소프트웨어가 이미 여러 테스트 시스템에서 실행되기 때문에 구조는 개별 테스트 시스템의 구성을 통합합니다. Simulink에서 완벽하게 실행되는 모델 플랫폼은 컴포넌트 모델, 컨트롤 모델뿐만 아니라 물리적, 전기적 인터페이스 값 간의 스케일링으로 구성되어 있습니다. 본 신호는 여러 다른 제조업체의 테스트 시스템에서 전기적으로 전송된 신호로 변경 없이 전환되는 반면, 버스 통신의 프로토콜 변환은 특별히 HIL 시스템 소프트웨어에 통합됩니다. 이는 반드시 병렬로 생성되어야 합니다. 이는 HIL 사용자 소프트웨어 인터페이스에도 동일하게 적용됩니다. 이것이 HIL 시스템이 얼마나 사용자 친화적인가를 결정하므로, 처리에 있어서 동일한 "룩 앤 필"이 중요합니다. BMW 엔진 개발은 독점적으로 TraceTronic 테스트 자동화 소프트웨어 ECU 테스트를 사용합니다. 새로운 HIL 플랫폼을 활성화하려면 통합 인터페이스를 일회성으로 조정해야 합니다. 모든 HIL 테스트 시스템이 BMW 모델 플랫폼을 사용하고 테스트 자동화는 단지 이 값만을 평가하기 때문에, 서로 다른 HIL 공급자 간의 테스트 스크립트가 어떤 제약 없이 교환됩니다. 이는 모든 표준화 노력과 별도입니다.
비록 공급자들이 파일럿 시스템 구축에 드는 시간과 노력을 감수하며 배달 비용은 사용자에게 일회성의 비용만을 반영하지만, 새로운 시스템 플랫폼 구축은 모든 엔진 프로젝트가 추가 엔지니어링 비용 없이 단시간에 사용될 때에만 경제적으로 의미가 있습니다. 여러 프로젝트 환경에 따른 추가의 요구사항이 단일 시뮬레이터에 직접 실행될 필요는 없습니다. 그러나 변환 요소는 반드시 시스템 플랫폼에서 사용 가능해야 합니다. 따라서 각각의 HIL 제조업자들은 기술 개발을 위해서 실제의 프로젝트와는 관계없는 테스트 시스템 솔루션을 반드시 독립적으로 준비해야 합니다. 개별 프로젝트의 엔지니어링 파트너와 마찬가지로 HIL 공급자들은 사용 가능한 표준 컴포넌트를 사용합니다. 또한 공급업자들은 개별 솔루션에 대한 광범위한 엔지니어링 노력을 후반부에 진행해야 할 상황을 피하기 위하여 빠진 컴포넌트 제품 개발을 반드시 시작해야 합니다.
새로운 HIL 시뮬레이터를 모든 BMW 모델 Otto 모터 및 디젤 엔진에 신속하게 적용하기 위해서 다양한 Piezo 및 마그네틱 주입 시스템을 위한 주입 밸브 컨트롤을 위한 더미 로드 및 신호 생성 솔루션이 필수적입니다. BMW High Precision Injection이 있는 모터용 시뮬레이션을 위해서는 린 번 엔진뿐 아니라, 주입 횟수의 크랭크 각도 동시 수집, 및 내연 주기의 다양한 주입 임펄스를 위한 활성화 전압 측정이 필요합니다. 이 경우 신속한 신호 수집 및 신호 예비 처리가 필수적입니다. 신호 수집 및 신호 예비 처리가 구성되면 모델 상태에 따라 오실로스코프 디바이스를 통해 버스 시스템에서 신호를 수집할 수 있습니다.
Hydrogen 7 모터는 단 하나의 차량 구성에서 개발된 반면 모든 다른 BMW 모터는 최대 7개 모델에서 실행됩니다. HIL 테스트 시스템의 대부분은 많은 개수의 센서 인터페이스와 액추에이터 인터페이스가 있는 엔진 컨트롤러 및 필요한 더미 로드에 의해 결정됩니다. HIL 시스템에서 여러 다른 차량 환경으로 엔진 컨트롤러를 테스트하기 위해서는 엔진과 관련된 차량 특정 컨트롤러(이모빌라이저, 게이트웨이, 인스트루먼트 등)가 표준화된 인터페이스를 통해 HIL에 연결되어야 합니다. 차량 컨트롤러 세트는 랙에 마운트되며 변경이 편리합니다. 동일한 개념이 변속기 로드 유닛 실행 및 변속기 컨트롤러를 위한 복합 HIL 시스템도 결정합니다. 모든 HIL 어플리케이션을 위한 동일한 BMW 모델 플랫폼을 사용한 후, 본 개념은 HIL 공급 및 운영의 산업화를 더욱 증진시킵니다. 동일한 인터페이스를 통해 BMW 특정 기능에 접근하는 것은 HIL 테스트 시스템 벤더와 무관합니다. BMW 특정 컴포넌트가 있는 모듈은 중앙, 비용 효율적으로 생산 및 구성되며, 다양한 HIL 시스템에 실행되기 이전에 참조 시스템에서 테스트됩니다.
자동차 모델의 다양성으로 인해 버스 통신 시뮬레이션도 더욱 다양해집니다. 네트워크화된 기능 및 HIL 테스트 시스템에 연결된 컨트롤러의 개수 증가로 인해, 나머지 버스 시뮬레이션의 중요성이 높아지고 있습니다. 일정 정도를 살펴볼 때 HIL 할당의 가장 복합적인 태스크로 인식됩니다. HIL 시스템의 효율적이며 견고한 어플리케이션을 위해서는 통신 설명 파일에 기반한 나머지 버스 시뮬레이션의 도구 지원 생성 및 업데이트가 필요합니다(예, CAN용 dbc-포맷). 전체 개발 과정 동안 메시지 카달로그는 지속적인 변경이 불가피합니다. 이러한 변경은 많은 수의 메시지 때문이며, HIL 시스템의 개별 컨트롤러에 의해 발생하는 것이며, 플랜트 모델에 다이나믹하게 연결되어 있지는 않습니다. 이 경우, 나머지 버스 시뮬레이션이 업데이트되었을 때 HIL 모델 환경으로의 어떠한 복합적인 재통합도 요구되어서는 안된다는 사실이 중요합니다. 통신 기반 및 메시지 다양성이 다이나믹 메시지 내용을 능가할 경우, BMW는 일부 HIL 테스트 시스템에 아웃소싱한 나머지 버스 시뮬레이션 시스템을 실행합니다. CAN 일부 및 FlexRay의 대부분에 실행되었던 이러한 시스템의 구성 절차는 데이터 베이스의 보드 네트워크 통신에 따라 맞추어집니다. 이러한 시스템에서 추가의 CAN 연결이 시뮬레이션 모델에 대한 다이나믹 메시지와 병행됩니다. 모델에 다이나믹하게 커플된 메시지의 비율이 너무 높을 경우에 CAN 나머지 버스 시뮬레이션 아웃소싱이 적합하지 않으므로, HIL 플랫폼에서 나머지 버스 시뮬레이션의 효율적인 처리가 강조됩니다.
자동차 산업에서 매우 일반적인 BSD 버스 및 여러 LIN 버스뿐만 아니라 특정 통신 인터페이스는 실행 컨트롤러의 로컬 환경에서 사용됩니다. 그 예로 SPI 프로토콜을 들 수 있는데, 이는 임베디드 영역에서 빠른 센서 버스로 사용되며, 또한 이모빌라이저 통신 영역에서 특수 포맷으로 사용됩니다. LIN 버스 및 CAN 버스의 구성 옵션에 대한 요구 사항은 유사합니다. 독점 버스는 또한 새로운 통신 프로토콜에 미세한 조정을 요구합니다. 예를 들어, 인터페이스가 소프트웨어 구성을 통해 완벽하게 매핑될 수 있다면 효율적인 매핑이 간단해집니다.
일부 어플리케이션은 시스템 복합성 및 관련 컴포넌트의 높은 대역폭으로 인해 HIL 테스트 시스템의 멀티 프로세서 스트럭처를 요구합니다. 따라서 모든 HIL 플랫폼은 표준화되고 효율적인 방식으로 여러 연산 노드를 커플링하는 옵션을 갖추고 있어야 합니다.
엔진 컨트롤러만이 테스트 유닛으로써 HIL 테스트 시스템에 연결되어 있는 HIL 어플리케이션과 별도로, HIL 기술 및 모델은 모델 지원 모터 또는 컴포넌트 테스트 스탠드를 위해 점차적으로 실행되고 있습니다. 하위 태스크, 전체 연소 엔진, 또는 밸브 트레인 조정의 구동 요소는 실제 에너지 흐름으로 운영되며, 관련 차량 작동은 컨트롤러를 위해 실제와 같이 시뮬레이션됩니다. 어플리케이션은 신뢰도 테스트로써, 실제와 같은 환경 프로필 및 모델을 만들기 힘든 컴포넌트를 위한 컨트롤러 기능의 세부적인 어플리케이션을 사용합니다. 다양한 차량 보드 네트워크에서 전기적 에너지 관리를 개발하기 위해서, HIL 테스트 시스템이 구축되었습니다. 여기서 컨트롤러 및 차량 배터리는 실제 파트로 통합되었으며, 실제 전류 프로필로 충전됩니다. HIL 어플리케이션의 이러한 유형은 HIL 어플리케이션의 병렬 실행, 신속한 측정 및 컨트롤 기술을 요구합니다.
Hydrogen 7 모터 컨트롤을 위한 HIL 시스템은 MicroNova의 NovaSim HIL 시뮬레이터를 기반으로 합니다. MicroNova는 CleanEnergy 기능 개발 및 소프트웨어 개발을 위한 엔지니어링 협력 업체의 경험을 지닌 HIL 테스트 시스템 제조업체 및 통합업체입니다.
이러한 시뮬레이터의 기본 구조는 실시간 컴퓨터가 PXI 버스를 통해 다양한 IO 보드에 연결되는 National Instruments 하드웨어 플랫폼을 기반으로 합니다. 시뮬레이션 모델은 시뮬레이터를 작동시킬 수 있는 National Instruments LabVIEW 소프트웨어를 통해 하드웨어와 결합됩니다. 시뮬레이터 그룹의 기본적인 원리는 시장에서 쉽게 사용 가능한 표준 컴포넌트를 가능한 한 많이 사용하는 것이며 여러 스테이지로 컴포넌트로 통합하는 것입니다. 컴팩트한 PCI 버스와 호환 가능한 PXI 버스는 하드웨어 플랫폼입니다. 여러 제조업체들은 수백 가지의 컴포넌트를 제공하고 있으며, 이는 측정 및 자동화 기술에 전 세계적으로 사용하기 위해 꾸준히 향상되고 있습니다. 따라서 수소 HIL의 2세대를 위한 더욱 강력한 리얼타임 컴퓨터를 기존 시뮬레이션 소프트웨어를 변경하지 않고 별 무리 없이 사용할 수 있게 되었습니다. 예를 들어, 컴팩트 PCI 버스에 기반한 리플렉티브 메모리 보드는 멀티프로세서 시스템에서 컴퓨터 커플링을 위해 네트워크 연결된 HIL 프로젝트에서 사용됩니다. 그러나, 더욱 새로운 시뮬레이터는 기가비트 이더넷 인터페이스를 통해 더욱 비용 효율적인 커플링을 사용합니다.
모든 하드웨어 표준 컴포넌트는 자동차 특정 추가 컴포넌트와 통합됩니다. 태스크는 프로젝트 특정 엔지니어링에만 관련된 것은 아닙니다. 사실상, 엔진 및 섀시 프레임 테스트를 위한 HIL 어플리케이션의 필수적인 표준 부분으로 필요한 하드웨어 컴포넌트를 위한 제품 개발을 착수하는 것이 더욱 중요하지만 이는 다른 영역에서는 사용될 수 없습니다. 그 예로는 Lambda 프로브 신호의 출력을 위한 신호 컨디셔닝 보드 또는 엔진 테스팅 요구 조건에 맞추어진 전기 에러 시뮬레이션을 위한 시스템입니다.
소프트웨어는 동일한 통합 접근 방식을 따릅니다. 기본은 LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA 및 Simulation Interface Toolkit이 포함된 LabVIEW 소프트웨어 패킷입니다. 측정 기술 등에 일반적으로 사용되는 본 소프트웨어 도구가 있으면 리얼타임 가능 코드 및 Simulink 모델로부터 해당 사용자 인터페이스 생성이 가능합니다. 시스템 파트너로써 MicroNova는 인터페이스를 위한 특정 블록 세트로 이러한 컴포넌트를 자동차 특정 신호로 확장합니다. 특수화된 하드웨어 보드를 통한 HIL 활성화가 있는 CAN, LIN, 또는 FlexRay와 같은 표준 차량 버스 통신 동안, 본 블록 세트에는 Simulink 통합 및 나머지 버스 시뮬레이션 자동화된 생성을 갖추고 있습니다. 테스트 자동화를 위한 Python 인터페이스로, HIL 테스트 시스템 파트와 관련된 모든 태스크에 간편한 접근이 가능합니다.
재구성 가능한 FPGA 하드웨어는 그래픽 프로그래밍을 통해 기능이 지정될 수 있습니다. 점화 및 주입 등 모터 특정 신호 수집, 크랭크 샤프트 신호, 캠샤프트 신호 및 노크 신호의 생성은 본 기술을 기반으로 합니다. 블록은 Simulink 모델에 직접 통합될 수 있으며, 반면 프로젝트 특정 조정은 예를 들어 검출기 휠 프로파일을 명시함으로써 구성됩니다. BSD, SPI와 같은 독점 버스는 블록 세트로 FPGA에 매핑됩니다. 하드웨어가 변경되지 않고, HIL 시스템은 새로운 기능을 매핑할 수 있으며, 따라서 미래의 요구 사항에 적용될 수도 있습니다. 이와 같은 재구성 가능한 하드웨어의 유연성은 HIL 테스트 시스템의 지속가능한 개발을 위한 기반입니다. 그러나, 효율적인 사용은 블록 세트를 통해서만 가능합니다.
재구성 가능한 FPGA 하드웨어의 사용은 하드웨어, 시스템 소프트웨어, HIL 특정 블록 세트 및 프로젝트 특정 시스템 구성의 상호 작용 내에서 애플리케이션 요구 사항이 체인의 최상의 위치에서 충족되는 방식으로 인터페이스가 연동되어야 함을 보여줍니다. 이 때 비로소 독점 시스템 솔루션과 대비하여 표준 컴포넌트 사용의 혜택이 명확해집니다. 표준 하드웨어 및 소프트웨어가 중요한 역할을 하기 때문에, 엔지니어링 파트너인 내쇼날인스트루먼트의 지원이 얼마나 적합한지 분명해집니다. 개방형 PXI 리얼타임 아키텍처임을 제외하고도 이러한 표준 하드웨어 컴포넌트는 차별성을 지니고 있습니다. 하드웨어 및 소프트웨어 컴포넌트의 지속성 및 종합성, 및 제품 레벨에 대한 HIL 특정 추가 태스크의 발전 등은 BMW가 엔진 개발 시 HIL 시스템을 사용한 전제 조건이었습니다.
Hydrogen 7 엔진 컨트롤 개발을 위해 두 개의 HIL 시스템이 구축되었습니다. 수동 및 자동 테스트를 위한 시스템이 성공적으로 도입되어 광범위하게 사용된 후, Hydrogen 7 개발 프로세스를 위해 두 개의 부가 시스템을 조달하였습니다. 그림 10은 시스템의 구조를 나타냅니다.
배터리 시뮬레이션을 위한 전원 공급은 리얼타임 컴퓨터와 신호 컨디셔닝과 함께 메인 레벨 아래에 위치합니다. 리얼타임 컴퓨터는 2 GHz 컨트롤러가 있는 PXI 시스템입니다. 두 개의 모터-HIL 보드, 하나의 CAN 보드, 및 아날로그-아웃 보드로 다음의 신호 인터페이스를 사용할 수 있습니다.
비록 어플리케이션이 소규모 컨테이너를 명시하고 있지만, 코어 컴포넌트의 고밀도로 인해 IO 채널과 시뮬레이터의 다양한 컨트롤러 간의 와이어링 통합이 쉬워집니다. 대형의 HIL 테스트 시스템과 마찬가지로, 프로젝트 특정 외부 와이어링은 컨트롤러 커넥터의 다양한 핀 할당을 디스플레이하는 컨트롤러 특정 1:1 연결에 한정됩니다. 개별 HIL 커넥터의 더 나은 식별을 위해, IO 보드 및 신호 컨디셔닝을 위한 연결 케이블은 설치되지 않습니다. 1:1 연결로, 본 표준 케이블은 프로젝트 독립적인 시뮬레이터의 내부 와이어링 컴포넌트입니다. 내부 신호 분배는 터미널 패널 후면의 최상위 시뮬레이터 레벨에 위치하며, 커버가 열렸을 때 시뮬레이션 진행되는 동안 접근 가능합니다.
Hydrogen 7 모터 컨트롤의 기능 개발 및 보호를 위한 HIL 어플리케이션은 BMW HIL 모델 플랫폼을 통해 기존의 개발 프로세스에 완벽하게 통합되었습니다. 프로세스 스펙 및 통합 능력으로 BMW는 HIL 할당의 산업화를 통해 다른 엔진 프로젝트를 위해 개발된 기술을 사용하기 위해 특정 프로젝트 요구 사항을 실행할 수 있었습니다.
HIL은 Hydrogen 7에 사용된 HIL 시뮬레이터에 기반하여 모든 현재 BMW 엔진 컨트롤러를 위해 구축되었습니다. 이 10개의 컴팩트 시스템과 함께 HIL 시험 시스템이 전기 에너지 온보드 공급 시스템의 컨트롤러 설계에 사용되고 있습니다. 배터리와 전력 전자장치를 실제 전류로 대체 공급할 수 있는 가능성은 하이브리드 영역뿐만 아니라 HIL, 측정 기술 및 모델 지원 테스트 스탠드 기술의 병합을 예시합니다.
기술 회의: HIL 시뮬레이션, Munich, 27.-28.2.2007
문헌
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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. dSPACEAnwenderkonferenz, Stuttgart, 2002
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