Der Gangwechsel muss sicher und so schnell wie möglich erfolgen. Wie kann man sicherstellen, dass in diesen wenigen Mikrosekunden alles zuverlässig funktioniert? Dies ist eine Aufgabe für einen Simulator, der 24 Stunden lang Hochgeschwindigkeitstests ermöglicht und bei der Entwicklung viel Zeit spart.
Um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und den Einsatz umweltschädlicher Stoffe zu reduzieren, setzt die Aisin Corporation zunehmend auf Elektrifizierung. Aisin hat ein integriertes elektromechanisches Shift-by-Wire-System entwickelt, das Aktoren (in diesem Fall Elektromotoren), Untersetzungsgetriebe, Steuergeräte und Sensoren umfasst, um die Schaltvorgänge effizienter zu gestalten. Mit Shift-by-Wire können die Getriebemodi in einem Fahrzeug elektronisch geschaltet werden, ohne dass eine mechanische Verbindung zwischen dem Schalthebel und dem Getriebe besteht. Das spart Gewicht und Platz und macht den Gangwechsel deutlich schneller. Mit der fortschreitenden Automatisierung der Fahrzeugtechnik ist die By-Wire-Technologie unverzichtbar geworden. Das ideale Shift-by-Wire-System von Aisin wurde entwickelt, um schnelles und präzises Schalten als Funktionswert und elektromechanische Integration als Sicherheitswert zu erreichen.
„Wir wollten die neue Technologie so früh wie möglich in der Entwicklung testen, damit wir weniger Zeit in nachgelagerte Schritte investieren müssen“, erklärt Atsuto Ogino, General Manager Chassis and Vehicle Safety System bei Aisin. „Eine unserer größten Herausforderungen war es, Fehler im Mikrosekundentakt in das Shift-by-Wire-System einzuspeisen, um sicherheitskritische Teile der Aktor- oder Elektromotorsteuerung umfassend zu testen. Ein Unterfangen, das uns aufgrund der Komplexität und der erforderlichen Präzision einige schlaflose Nächte bereitet hat.“
Software First für präzisere und schnellere Entwicklung
Software wird nicht nur in Fahrzeugen, sondern auch im Bereich der Entwicklung von Regelsystemen immer wichtiger. Es gibt einen „Software First“-Ansatz, der Software von Hardware trennt und der Software-Entwicklung Vorrang einräumt. Entwicklungen, die aus der wiederholten Evaluierung und Verfeinerung traditioneller Modelle resultieren und die oft zu Problemen führten, wenn Prozesse nicht nach Plan verliefen, gehören damit zunehmend der Vergangenheit an. Stattdessen liegt der Schwerpunkt derzeit darauf, sicherzustellen, dass die durch Simulationen in virtuellen Umgebungen gewonnenen Informationen rechtzeitig in die Entwicklung einfließen. Auf Grundlage dieser Erfahrungen können die realen Produkte dann viel präziser und schneller umgesetzt werden.
Die Prozesse können im Voraus durch Simulation ausgearbeitet werden, so dass die Spezifikationen nicht unbedingt die Fehlersuche abschließen müssen. Design-Reviews auf der Grundlage von Simulationsergebnissen können auch dazu verwendet werden, unklare Spezifikationen zu beseitigen. Die Grundlage für diese Arbeit ist die kontinuierliche Verbesserung von Testumgebungen und -werkzeugen. Diese Verbesserungen machen es möglich, Modelle zur Bewertung von Software in virtuellen Umgebungen statt in realen Fahrzeugen und Maschinen einzusetzen.
Bei Shift-by-Wire-Systemen wird die Evakuierungsleistung erheblich beeinträchtigt, wenn der Betrieb aufgrund einer Störung unterbrochen wird. Daher ist es unerlässlich, den Betrieb in einem sicheren Zustand im Sinne eines ausfallsicheren Konzepts durchzuführen. Gleichzeitig erfordert das Konzept der intrinsischen Sicherheit eine Verringerung der Anzahl der Teile. Als Ergebnis hat die Aisin Corporation einen äußerst zuverlässigen Shift-by-Wire-Aktor mit verbesserter Evakuierungsantriebsleistung entwickelt, indem sie ein integriertes, unabhängiges, redundantes Elektrik-/Elektroniksystem (E/E) als integrierten elektromechanischen Aktor implementiert und gleichzeitig die Anzahl der Teile reduziert hat.
Umfassendes und reproduzierbares Troubleshooting dank HIL-Simulationen
Die Aisin Corporation war der Meinung, dass die HIL-Simulation für die Verifizierung des Shift-by-Wire-Systems geeignet ist, da es sich um ein integriertes elektromechanisches Produkt handelt. Die HIL-Simulation erleichtert die Verifizierung des Produkts während des Entwicklungsprozesses, ohne dass ein integrierter elektromechanischer Prototyp vorhanden ist.
Mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen können unter anderem Fehler eingespeist werden, die in realen Fahrzeugen nur schwer zu reproduzieren sind. Darüber hinaus gewährleistet die Verwaltung von Testmustern in einer Datenbank die Wiederverwendbarkeit, was bedeutet, dass die Muster anschließend für Prüfstands- und reale Fahrzeugevaluierungen verwendet werden können.
„Bei Aisin spielt die HIL-Entwicklung eine wichtige Rolle“, erklärt Herr Ogino. „Die HIL-Entwicklung kombiniert Steuerungen, Schaltungen, Motoren und Getriebe. Das ermöglicht uns flexible Reaktionen bei Simulationen auf Kommunikationsebene, Signalebene, elektrischer Ebene und mechanischer Ebene. In einem sehr frühen Entwicklungsstadium wurde mit Hilfe eines Software-Werkzeugs für elektromechanisches Design ein detailliertes E-Motor-Modell auf der Ebene des mechanischen Designs erstellt: JMAG Designer. Neben den Materialeigenschaften wurden in diesem Modell auch die genauen geometrischen Eigenschaften des Stators, des Rotors und der Permanentmagnete definiert. Anhand definierter Netzpunkte wurde über mehrere Tage eine Finite-Elemente-Simulation (FEM) durchgeführt, deren Ergebnisse in Form einer Round-Trip-Time (RTT)-Datei gespeichert wurden. Mit diesen Ergebnissen waren wir in der Lage, den Reglerentwurf mittels Model-in-the-Loop (MIL)- oder HIL-Simulation abzuschließen, noch bevor der reale E-Motor gefertigt wurde.“
Herr Ogino fügt hinzu: „In Zeiten von Covid-19 war es für die Testingenieure schwierig, für alle Tests vor Ort zu sein. Bei Aisin wurde das dSPACE HIL-System deshalb so angebunden, dass es auch vom Homeoffice aus verfügbar ist. Zu diesem Zweck luden die Testingenieure Testdaten in eine Cloud. Anschließend rief ein PC im Unternehmen diese Daten ab, führte einen Test in Verbindung mit den dSPACE Lösungen durch und schickte einen Testbericht zurück in die Cloud. Das hat reibungslos funktioniert.“
Dateneinspeisung und -evaluierung in Mikrosekundenintervallen
Ein dSPACE HIL-System eröffnete den Ingenieuren neue Möglichkeiten, um das Problem der Injektion und Evaluierung von Fehlern unterschiedlicher Geschwindigkeit, Größe und Ausmaß in Bezug auf sicherheitskritische Teile des Motorsteuerungssystems zu lösen. Herr Ogino führt weiter aus: „Da wir ein SCALEXIO-Echtzeitsystem mit einem sehr schnellen FPGA (Field-Programmable Gate Array)-Board verwendet haben, konnten wir mit der flexiblen dSPACE XSG Electric Components Library und der JMAG Addon-Lib ein hochgenaues (FEM-basiertes), schnelles Elektromotormodell mit geringer Latenz simulieren. Wir konnten auch unsere 24/7-Sweep-Tests mit diesem System evaluieren."
„Normalerweise werden Fehler in regelmäßigen Abständen injiziert, aber es gab Fälle, in denen Fehler nur innerhalb einer bestimmten 10-ms-Testlücke zwischen 213 ms und 223 ms auftraten. Das war die größte Herausforderung, der wir uns stellen mussten“, sagt Herr Ogino. „Um sie zu kontrollieren, haben wir ausgewählte Fehler an genau vordefinierten Stellen im µs- bis ns-Bereich injiziert. Mit diesen Fehlern haben wir das Regelsystem gründlich getestet und evaluiert. Dies funktionierte dank des dSPACE HIL-Systems ohne Probleme. Auch für Testevaluierungen mussten wir kaum Zeit aufwenden, da der Rest der Aufgaben nach Review und Anpassung automatisch erledigt wurde.“
Die Evaluierungen wurden nachts automatisch durchgeführt und die fertigen Berichte sofort an die Beteiligten weitergeleitet. Es war auch möglich, für HIL-Simulationen erstellte Testmuster zu konvertieren und für MIL-Simulationen zu verwenden und umgekehrt. Beide Testmethoden (MIL und HIL) werden bei Aisin erfolgreich für reale Fahrzeuge und Maschinen eingesetzt.
Ziel erreicht
Auf Grundlage der durch die HIL-Simulationen gewonnenen Daten entwickelte Aisin ein Shift-by-Wire-Getriebe, das ein Schaltverhalten mit hoher Positionsgenauigkeit und Ansprechempfindlichkeit bietet. Darüber hinaus ist das neue System dank seiner Schrägverzahnung mit hoher Verzögerung und hohem Wirkungsgrad bei geringer Zähnezahl einfach zu installieren.
Shift-by-Wire wird in Zukunft in einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt werden. Sie ist eine wesentliche Säule für die zunehmende Elektrifizierung und das fortschreitende autonome Fahren.
dSPACE MAGAZINE, veröffentlicht JANUAR 2023
Über AISIN
AISIN CORPORATION ist ein japanischer Automobilzulieferer, der sich auf die Entwicklung und Produktion von Komponenten für die Automobilindustrie spezialisiert hat. Mit dem Ziel, die Zahl der Verkehrstoten auf Null zu reduzieren, bietet das Unternehmen Systemprodukte an, die eine fortschrittliche Steuerung des „Fahrens, Abbiegens und Anhaltens“ ermöglicht, sowie Produkte, die den Fahrspaß und den Komfort verbessern. Die Chassis and Vehicle Safety System Company, deren Geschäftsführer Atsuto Ogino ist, konzentriert sich auf die Entwicklung von peripheren Überwachungssystemen, automatischen Parksystemen und Fahrerüberwachungssystemen. Sein Hauptaugenmerk liegt auf der Simulation von Fahrzeugbewegungen und der Entwicklung von Systemen und Steuerungen.
