Wenn es um Hybridantriebe geht, ist die japanische Mazda Motor Corporation seit Langem ein Pionier in diesem Bereich. Für das Modell CX-60 hat Mazda zwei verschiedene Antriebsvarianten eingeführt: ein Plug-in-Hybridsystem und ein 48-V-Mildhybridsystem. Beide Varianten wurden im Vorfeld mit dSPACE HIL-Systemen auf Herz und Nieren geprüft, um die bestmögliche Performance und maximale Sicherheit zu gewährleisten. Yasushige Nagira von der Mazda Powertrain Development Division implementierte dSPACE HIL für die Entwicklung und Verifikation der Umrichter in den verschiedenen Antriebsvarianten.
Zwei sehr unterschiedliche Antriebe
Das Hybridsystem des CX-60 schaltet je nach Ladezustand der Bordbatterie und Fahranforderungen effizient zwischen den Fahrmodi um. Das Plug-in-Hybridsystem nutzt die Motormodi Elektrofahrzeug (EV), Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) und Motor. Im Gegensatz dazu nutzt das 48-V-Mildhybridsystem den Verbrennungsmotor als Hauptantrieb und den HEV-Modus als Ergänzung. Beide Systeme arbeiten mit einem 8-Gang-Automatikgetriebe.
Das Plug-in-Hybridsystem (oben) leistet bis zu 327 PS. Der Dieselmotor mit dem 48-V-Mildhybridsystem leistet 200 PS. Bildnachweis: © Mazda
Zeit als Herausforderung
Bei der Entwicklung des Umrichters für den CX-60 gab es mehrere Herausforderungen in Bezug auf die Sicherheit, die erforderliche Leistung und den verfügbaren Installationsraum. Auch die Markteinführungszeit musste so kurz wie möglich sein. So mussten beispielsweise Komponententests zur frühen Validierung von Teilfunktionen durchgeführt werden, um die Gesamtintegration effizienter zu gestalten.
Darüber hinaus musste die Verifikation der Fehlerdiagnose unter sicheren Bedingungen erfolgen, weshalb Tests auf Signalebene durchgeführt wurden. Der Vorteil von HIL-Tests auf Signalebene ist, dass die Simulation ohne das reale Leistungsmodul oder den Motor durchgeführt werden kann. Da keine realen Ströme oder Spannungen vorhanden sind, können die Tests auf die Steuerungssoftware, die Kommunikation und die Systemintegration konzentriert werden. Darüber hinaus können die Teilfunktionen validiert werden, bevor das komplette Steuergerät zur Verfügung steht.
Der Umrichter als Gehirn
Der Umrichter spielt in einem System mit Elektromotoren eine äußerst wichtige Rolle. Er ist sozusagen das Gehirn des Systems, denn er wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom um, um den Elektromotor anzutreiben. Je nach Betriebsart kann er auch zum Laden der Batterie verwendet werden, indem er die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umwandelt, die in der Batterie gespeichert werden kann.
Der Umrichter steuert das Motordrehmoment und letztlich die Fahrzeuggeschwindigkeit. Deshalb ist ihr störungsfreier Betrieb so wichtig, vor allem unter dem Aspekt der Sicherheit. So kann beispielsweise ein plötzlicher und unkontrollierbarer Leistungsabfall einen lebensgefährlichen Zusammenstoß verursachen. Aspekte wie höhere Effizienz und mehr Fahrspaß hängen auch von der optimalen Funktion des Umrichters ab.
Simulation als Schlüssel zum Erfolg
Um den engen Zeitplan und die extrem hohen Sicherheitsanforderungen einzuhalten, entschied sich Mazda für eine Software-Verifikation in einer Simulationsumgebung. In diesem Fall mussten mehr als 100 Fehlerbilder für die Umrichter der beiden Antriebssysteme verifiziert werden. Im Gegensatz zur Simulation mit realen Geräten spart dies viel Zeit und damit Kosten.
Nah an der Realität
Nagira hat sich dieser Herausforderung gestellt und eine HIL-Umgebung entwickelt, die eine simulationsähnliche Verifikation ermöglicht. Der Zweck dieser HIL-Umgebung war es, die folgenden drei Ziele in der Simulationsumgebung zu erreichen, bevor die Software freigegeben wurde:
- Durchführung von Vorversuchen als Fahrzeugsystem, um die Sicherheit zu gewährleisten und eine zeitnahe Entwicklung zu ermöglichen.
- Verifikation der Sicherheitsanforderungen, auch durch Simulation von Fehlerbedingungen.
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Optimieren des Personaleinsatzes für die Vorbereitung und Verifikation mit realen Geräten im Vergleich zu Simulationsumgebungen.
Bei der Entwicklung der HIL-Umgebung gab es viele Dinge zu beachten, um die Aufgabe zu erfüllen. Wir haben beschlossen, unsere Probleme schrittweise anzugehen, indem wir zunächst die entwickelte Umgebung für jeden Verifikationszweck optimieren. Dann haben wir eine Umgebung entwickelt, die eine hochpräzise Verifikation mit Hilfe einer modellbasierten Implementierung ermöglicht.
Die hochpräzise Verifikation mit einer modellbasierten Implementierung war in der HIL-Umgebung problemlos möglich.
Entwicklung der HIL-Umgebung
Die folgenden Fragen und Anforderungen wurden bei der Entwicklung der HIL-Umgebung berücksichtigt:
- Wie können zwei unterschiedliche Verifikationsumgebungen für die zwei verschiedenen Antriebssysteme in kurzer Zeit eingerichtet werden?
- Welche Mechanismen gibt es, um die vielen Verifikationsmuster oder die verschiedenen Modi auf Basis der Testobjekte effizient zu realisieren?
- Wie kann eine Umgebung realisiert werden, in der die Verifikationsgenauigkeit für das Fahrzeugsystem gewährleistet ist?
- Die HIL-Umgebung muss die Simulation von virtuellen Fahrzyklen ermöglichen.
- Die Fehlersimulation muss aus sicherheitstechnischer Sicht modellbasiert sein.
- Die Simulationsumgebung musste alle notwendigen dynamischen Signale bereitstellen, sowohl für die Buskommunikation als auch für dynamische Modellvariablen, um die angeschlossenen Steuergeräte mit der Seriensoftware in einer virtuellen Umgebung zu betreiben.
Eine Reihe von realen Steuergeräten musste an die HIL-Umgebung angeschlossen werden, um den Betrieb des Fahrzeugs und der dem realen Fahrzeug entsprechenden Komponenten zu simulieren.
Die Komplexität der Simulation stieg mit der Anzahl der integrierten Steuergeräte. Außerdem gab es Bedenken, dass die Realisierung des angeschlossenen Steuergeräts in einer Simulation die Reproduzierbarkeit verringern und Zweifel an der Verifikationsgenauigkeit aufkommen lassen würde. Daher war eine zweite Lösung erforderlich. Zu diesem Zweck wurde eine optimierte Umgebung entwickelt, die eine hochgenaue Verifikation mit Hilfe einer Modellbibliothek ermöglicht.
Weiterentwicklung in einer MIL-Umgebung
Mazda hat eine MIL-Umgebung für die Simulation entwickelt und nutzt sie für die Verifikation. Jede Komponente dieser MIL-Umgebung wurde anhand eines realitätsnahen Modells entwickelt, das auf einer modellbasierten Idee aufbaut und einen hohen Realitätsgrad aufweist. Nagira wollte damit ein gewisses Maß an Verifikationsgenauigkeit erreichen, sofern bestimmte Bedingungen erfüllt sind:
- Verwendung einer MIL-Umgebung auf Grundlage eines realistischen Modells.
- Entwicklung einer HIL-Umgebung zur Verifikation eines einzelnen Umrichters unter Verwendung der Bibliothek.
- Kombination einer MIL-Umgebung für die Verifikation eines Fahrzeugsystems und einer HIL-Umgebung für die Verifikation eines einzelnen Umrichters.
Nagira entwickelte zunächst eine eigenständige HIL-Umgebung, die für Unit-Tests verwendet wurde. Anschließend ersetzte er die entwickelte HIL-Umgebung durch den entsprechenden Teil der MIL-Umgebung. Die eigenständige HIL-Umgebung für den Umrichter wurde unter Verwendung der Bibliothek entwickelt. Der Modellteil der HIL-Umgebung verwendet die XSG Electric Library von dSPACE, die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung in einer FPGA-basierten Simulationsumgebung ermöglicht. Für die Teile der PS (Power-Stage)-Module, zum Beispiel den IGBT, wurde ein FPGA-basiertes Umrichtermodell verwendet. Die von dSPACE bereitgestellten Umrichtermodelle wurden an die Kundenanforderungen angepasst, um effiziente und sichere Fehlersimulationen zu ermöglichen.
Erfolgskombination
Durch die Kombination der modellbasierten MIL-Umgebung mit der eigenständigen HIL-Umgebung konnten die folgenden Ziele erreicht werden:
- Realisierung einer Interaktionsumgebung für Fahrzeugmodell, virtuelles Steuergerät, Antriebsmodell und reales Steuergerät.
- Realisierung eines Modells zur Fehlersimulation unter Verwendung der XSG Electric Library und kundenspezifischer Erweiterungen.
- Realisierung der angestrebten Verifikationsgenauigkeit mit einem Minimum von nur zwei realen Steuergeräten.
Unter Verwendung von zwei separaten Lösungen entwickelte Nagira eine Umgebung, die sowohl die Verifikationsziele als auch die Verifikationsgenauigkeit erfüllt. Durch den Einsatz von Modellen und verschiedenen Bibliotheken wurde eine Umgebung realisiert, die eine effiziente Verifikation mit einem Minimum an benötigter Hardware ermöglicht. In Bezug auf die Entwicklung interner Verifikationsumgebungen stellte Nagira fest, dass „wir auch ohne Erfahrung in der HIL-Entwicklung in der Lage waren, jedes System in etwa einem Monat zu entwickeln.“ „Die Verifikation von Elektrofahrzeugen erfordert mehrere Stunden für das Aufladen und andere Vorbereitungen“, erklärte er. „Da die HIL-Umgebung auf dynamischen Modellen basiert, konnten wir die Umgebung schnell anpassen, indem wir zum Beispiel den Ladezustand änderten und neu initialisierten, so dass wir die Verifikation in etwa drei Minuten durchführen konnten.“
Simulierte Verifikation von Fehlern
Für die Prüfung offener Fehler in Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), bei denen es sich um Leistungsgeräte handelt, wurde geschätzt, dass die Verwendung echter Geräte allein für die Vorbereitung des Fehlermoduls mehrere hunderttausend Yen kosten würde. Zudem würde die Vorbereitung Mehrarbeit erfordern. Mit HIL war es jedoch möglich, Fehler mit der Fehlersimulationsfunktion des Umrichtermodells für Leistungsgeräte zu simulieren.
Künftige Entwicklungen
Mit Blick auf die Zukunft strebt die Mazda Motor Corporation eine Automatisierung der Verifikation an, indem sie alle Ursachen, die zu Fehlern führen, definiert. So werden zum Beispiel Verifikationsberichte automatisch unter Verwendung eines gemeinsamen Formats für Konfigurationsdateien erstellt, und die Verifikationszeit wird parallel zu anderen Aufgaben genutzt.
Mit freundlicher Genehmigung der Mazda Motor Corporation
dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT Januar 2025
