Herr Beggiora, was macht den Elektromotor Safran ENGINeUS™ 100 so besonders? 

Der ENGINeUS™ 100 ist der weltweit erste Elektromotor, der gemäß der EASA-Sonderbedingung E-19 für Elektro- und Hybridantriebssysteme zertifiziert wurde. Der Motor ist für den Einsatz in vollelektrischen Flugzeugen mit zwei bis vier Passagieren ausgelegt. Hierzu arbeiten wir auch bereits mit mehreren Kunden zusammen. Darüber hinaus schafft das Projekt die Voraussetzungen für eine Ausweitung auf Anwendungen mit höherer Leistung von bis zu 180 kW, wobei sowohl hybridelektrische als auch rein batteriebetriebene Plattformen für Flugzeuge mit bis zu 19 Sitzplätzen im Fokus stehen, die mit einem vollelektrischen Propeller wie dem ENGINeUS™ 100 ausgestattet sind. Dies ist eine der wichtigsten Prioritäten von Safran im Hinblick auf die Dekarbonisierung der Luftfahrt.

Was genau beinhaltet die EASA-Sonderbedingung E-19? 

Die Sonderbedingung E-19 bietet einen modernen Zertifizierungsrahmen, der neue Antriebsarchitekturen für elektrische und hybride Flugzeugantriebssysteme ermöglicht. Sie wurde entwickelt, weil die herkömmlichen Vorschriften, die für Turbinen und Verbrennungsmotoren gelten, neue Elektro- und Hybridantriebe nicht abdecken. Die SC-E-19-Zertifizierung soll den Einsatz innovativer Technologien ermöglichen und gleichzeitig ein Sicherheitsniveau gewährleisten, das mit dem von herkömmlichen Flugzeugen mit Turbinen- oder Verbrennungsmotoren vergleichbar ist. 

Welche Anforderungen musste der Motor erfüllen, um erfolgreich zertifiziert zu werden? 

Im Wesentlichen bestand das Ziel darin, die eingebettete Software und die Funktionen des Motorsteuerungssystems des ENGINeUS™ 100 im Hinblick auf die strengen Anforderungen an die Zertifizierung und die Betriebssicherheit zu testen und zu validieren. Es musste nachgewiesen werden, dass das Motorsteuerungssystem in der Lage ist, etwaige Störungen angemessen zu erkennen und zu beheben, um gefährliche oder sogar katastrophale Folgen für den Motor oder das Luftfahrzeug zu verhindern. Da es sich hierbei um eine hochkomplexe Motorsteuerungsanwendung handelt, die über zwei Steuerkanäle (COM) und einen unabhängigen Überwachungskanal (MON) verfügt und hohe Anforderungen an die Hochfrequenzsteuerung und -kommunikation stellt, sind Tests im geschlossenen Regelkreis mittels HIL unerlässlich, um die Software zu validieren und die sichere Integration nachzuweisen – insbesondere die Fähigkeit des Systems, auftretende Fehler zu erkennen und darauf zu reagieren.

Welche Herausforderungen haben die strengen Zertifizierungsrichtlinien für Ihre Arbeit mit sich gebracht, und wie haben Sie diese gemeistert?

Eine der größten Herausforderungen bestand darin, einen HIL-Prüfstand zu entwickeln, der in der Lage ist, alle Schnittstellen des Regelsystems zu simulieren und zu erfassen sowie das ENGINeUS™-100-Modell mit hoher Frequenz in Echtzeit auszuführen. Außerdem benötigten wir eine Möglichkeit, interne ENGINeUS™-100-Fehler im Rahmen der Simulation einzuspielen. Gleichzeitig sollte die Testausführung automatisierbar sein, um mit maximaler Effizienz arbeiten zu können. Unser Team musste zudem die dSPACE Toolkette beherrschen, kundenspezifische Automatisierungslösungen entwickeln und dSPACE bei Bedarf in spezielle Entwicklungsprojekte einbinden. Um all dies zu erreichen, haben wir bei Safran Electrical & Power einen internen Vergleich aller vorhandenen Prüfstände für die Steuerung von Elektromotoren durchgeführt. Auf der Grundlage von dSPACE Lösungen haben unsere Ingenieure alle Automatisierungstools intern entwickelt. Unterstützung durch dSPACE war nur gelegentlich für bestimmte Funktionen erforderlich. 

 

Wie sind Sie bei Ihrer Arbeit prinzipiell vorgegangen? 

Wir stützen uns auf einen durchgängigen Entwicklungs- und Testprozess, der modellbasiertes Design (MBD), Model-in-the-Loop (MIL)- und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen sowie physikalische Testläufe miteinander verbindet. Die HIL-Prüfstände sind vollständig in unseren MBD-Prozess integriert. Die Testfälle werden zunächst in der MIL-Simulation ausgeführt und anschließend unter identischen Bedingungen auf dem HIL-Prüfstand nachgestellt (Abbildung 1). Auf diese Weise stellen wir sicher, dass sich die tatsächliche Steuerungshardware in denselben Szenarien wie erwartet verhält und dass die Simulationsergebnisse zuverlässig validiert werden. 

Können Sie das Spektrum der Testfälle beschreiben?

Die Testfälle umfassten die Software-Verifizierung, die Validierung des Motorsteuerungssystems sowie die Fehleranalyse und Fehlerbehebung. Sie wurden gemeinsam von den Software- und Systementwicklungsteams in Übereinstimmung mit den Richtlinien ED-12C / DO-178C und der Sonderbedingung SC E-19 für elektrische/hybride Antriebssysteme entwickelt. 

Was war ausschlaggebend für Ihre Entscheidung, einen dSPACE SCALEXIO HIL-Simulator einzusetzen?

Zu den wichtigsten Kriterien zählten die hohe Echtzeitleistung für hochfrequente Regelkreise – ermöglicht durch die FPGA-Technologie –, die umfassende Unterstützung von Hardware-Schnittstellen wie CAN, RS485, SPI, GPIO und I2C sowie die einfache Integration unserer Modelle in die FPGA-Umgebung. Insbesondere in diesem Punkt hebt sich dSPACE deutlich von anderen Anbietern ab. Dadurch konnten wir die Betriebsumgebung des Steuergeräts modellieren, einschließlich des Umrichters, der elektrischen Systeme, der Flugzeugsteuerungssysteme und der relevanten externen Komponenten. Darüber hinaus können wir Fehlerszenarien simulieren, die wir nicht auf echter Hardware testen möchten, um zerstörende Tests zu vermeiden. Mit dieser Lösung konnten wir Echtzeitsimulationen im Mikrosekundenbereich oder darunter durchführen und komplexe Komponenten wie elektrische Maschinen und Umrichter präzise modellieren.  
 

 

Das klingt danach, als hätten die dSPACE Tools bei Ihrer Arbeit eine entscheidende Rolle gespielt?

Auf jeden Fall. Die dSPACE Tools ermöglichten die Verifizierung und Validierung unseres Motorsteuerungssystems und beschleunigten diesen Prozess erheblich. Ohne den auf SCALEXIO basierenden Prüfstand wäre es nahezu unmöglich gewesen, unseren ehrgeizigen Zeitplan einzuhalten und den Zertifizierungsprozess für den Elektromotor bis Ende 2024 erfolgreich abzuschließen. Der HIL-Prüfstand war sechs Monate lang an sechs Tagen pro Woche in unserem Hauptkonstruktionsbüro in Créteil in Betrieb. Es dauerte nur kurze Zeit, bis sich zwei oder drei unserer Mitarbeiter mit den dSPACE Tools vertraut gemacht hatten, so dass das gesamte Team aus etwa 20 Ingenieuren die automatisierten Testabläufe schnell übernehmen konnte.

Wodurch zeichnen sich die dSPACE Tools besonders aus?

Da fallen mir sofort mehrere Dinge ein, allen voran die enorme Zeitersparnis. Durch die Automatisierung der Testabläufe mit Hilfe von Python-Skripten und dSPACE Automatisierungsfunktionen konnten wir die Dauer der Testkampagnen drastisch verkürzen – von zwei bis drei Monaten bei manueller Arbeitsweise auf nur noch eine Woche. Wir haben die Anzahl der HIL-Prüfstände von zwei im Jahr 2024 auf sieben in nur zwei bis drei Jahren erhöht; alle diese Prüfstände unterstützen unsere Anwendungen im Bereich der Elektromotorantriebe. Insgesamt haben wir auf diesen Prüfständen mehrere tausend Teststunden durchgeführt. Die dSPACE Tools haben die Softwareverifikation erheblich beschleunigt und eine robuste Validierung des Regelsystems ermöglicht, insbesondere in Szenarien mit Fehlereinspeisung. Dadurch konnten wir unseren Zeitplan für die Testverifizierung halbieren und die Integrationsfehler bei der physikalischen Testintegration drastisch reduzieren oder sogar ganz beseitigen, um von Anfang an korrekte Ergebnisse zu erzielen.

Was sind Ihre nächsten Schritte in diesem Projekt?

Aufgrund unserer bislang sehr positiven Erfahrungen planen wir, unseren modellbasierten Entwicklungsprozess weiter auszubauen und HIL-Tests in alle Regelanwendungen für Elektromotoren, Antriebsmotoren oder Generatoren zu integrieren, um robuste, sichere und wettbewerbsfähige Lösungen für die nächste Generation elektrischer Flugzeuge anzubieten.

 

Vielen Dank für das Interview.