Der zunehmenden Komplexität moderner Autos begegnen die Hersteller mit neuen Ansätzen im Bereich der Verifizierung und Validierung. KPIT Technologies hat nun eine Testumgebung entwickelt, mit der virtuelle Batteriemanagementsysteme integriert und simuliert werden können. Auf diese Weise ist eine BMS-Prüfung innerhalb einer SIL-Umgebung möglich.

Heutige Fahrzeuge werden immer komplexer. Themen wie Elektromobilität, autonomes Fahren oder auch vernetzte Fahrzeuge führen dazu, dass die Software-Entwicklung immer mehr zum dominierenden Faktor wird, wenn Hersteller an einem neuen Auto arbeiten. Traditionelle Entwicklungstestmethoden wie Model-in-the-Loop (MIL), Hardware-in-the-Loop (HIL) und Software-in-the-Loop (SIL) stoßen schnell an ihre Grenzen, da die Zeitvorgaben bei mehreren Software-Integrationspunkten eng sind.

Um dieses Problem zu lösen, wenden sich die Hersteller einem umfassenderen Ansatz zur Software-Verifikation und -Validierung zu. In diesem Artikel wird eine Methode zur Bewältigung der Komplexität neuer Technologien in modernen Automobilen durch virtuelle Validierung beschrieben. Konkret handelt es sich um einen von KPIT entwickelten virtuellen Prüfstand, der die dSPACE Werkzeugkette zur Verifikation einer 48-V-Batteriemanagement-Anwendung nutzt.

Herausforderungen bei der integrierten Software-Validierung

Wenn Sie die Qualität eingebetteter Software verbessern wollen, fragen Sie sich vielleicht, ob Sie das einfach durch mehr Tests (Regression) erreichen können. Da das Testen jedoch bereits einen großen Teil der Zeit und Ressourcen eines Projekts in Anspruch nimmt, ist dies kein gangbarer Weg. Die Test- und Debugging-Prozesse eines Unternehmens wirken sich auf eine gesamte Software-Plattform aus, zum Beispiel auf gemeinsam genutzte Software-Bibliotheken, was die Komplexität der Tests erhöht. So kann beispielsweise eine einzige Software-Funktion oder -Komponente in Dutzenden von Varianten verwendet werden (Low-/Mid-/High-End, länderspezifisch usw.). Letztlich führt dies zu Tausenden von Tests, mit dem Nachteil, dass, wenn ein Fehler in einer Variante behoben wird, diese Änderung auch alle anderen Varianten betrifft.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Software-Integrationstests sequentiell und auf einem HIL-Prüfstand durchgeführt werden. Fehler bei der Software-Integration werden daher erst später im Entwicklungszyklus entdeckt, was den gesamten Zeitplan durcheinanderbringen kann. Hardware-in-the-Loop (HIL)-Umgebungen sind für Software-Teams ebenfalls schwer zugänglich, da Integrations- und Testteams in der Regel HIL-Umgebungen gemeinsam nutzen. Jedes Team benötigt möglicherweise eine etwas andere HIL-Konfiguration, deren Einrichtung fehleranfällig und zeitaufwendig sein kann. Dadurch erhöht sich auch die Gesamttestzeit für das gesamte Programm.

Abbildung 1: Integrierter virtueller Prüfstand für Multi-ECU/Domain-Tests.

Integrierte Software-Tests für die agile Entwicklung

All diese Herausforderungen haben dazu geführt, dass rein virtuelle Prüfstände mit einem virtuellen elektronischen Steuergerät (ECU) immer beliebter werden. Führende Automobilhersteller nutzen diesen Ansatz bereits für die integrierte Software-Entwicklung und den integrierten Software-Test. Seit mehr als einem Jahrzehnt werden daher virtuelle Prüfstände entwickelt, die es ermöglichen, das reale Steuergerät durch ein virtuelles Steuergerät (V-ECU) zu ersetzen. Das indische Unternehmen KPIT Technologies ist einer der führenden Anbieter auf diesem Gebiet und unterstützt seine Kunden beim Aufbau virtueller Prüfstände auf Komponenten-, Subsystem- und Systemebene und ermöglicht ihnen so die Änderung von Teststrategien.

„Unser virtueller Prüfstand (Virtual Test Bench, VTB) nutzt Lösungen von dSPACE, um HIL-Prüfstände virtuell auf Komponentenebene nachzubilden, um zum Beispiel das Fahrzeugüberwachungssystem, den E-Drive-Wechselrichter und das Batteriemanagementsystem zu testen“, erklärt Priyanshi Gupta, Tech Lead Virtual Test Bench bei KPIT. Diese virtuellen Prüfstandsets werden durch die Integration der dSPACE Simulationssoftware VEOS, der Architektursoftware SystemDesk, des Streckenmodells wie der dSPACE Automotive Simulation Models (ASM) und der Restbussimulationscontainer erstellt. Darüber hinaus sind Standard-Testtools mit dem VTB verbunden, um eine konsistente Ausführung von Tests über das VTB und HIL zu ermöglichen.

„Dieser Ansatz bietet einen schnelleren Entwicklungs-, Integrations- und Validierungsprozess, der für das gesamte Fahrzeug skalierbar ist und jedem Ingenieur im Unternehmen zur Verfügung steht“, fügt Gupta hinzu. „Dabei lässt sich die Testumgebung mit nur einem Klick einrichten, aktualisieren und bei Bedarf ohne Verzögerung erweitern. Außerdem lässt sie sich problemlos in verschiedene OEM-spezifische Tools und Pipelines für kontinuierliche Integration und kontinuierliche Bereitstellung integrieren, wodurch der Nutzen maximiert wird.“

Anwendungsbeispiel für einen virtuellen HIL-Test eines Batteriemanagementsystems

Das Hauptaugenmerk beim Test des Batteriemanagementsystems (BMS) liegt auf allen Funktionen, die auf mehrere Software- und Hardware-Komponenten verteilt sein können. In der Regel werden diese Tests mit einem HIL-Aufbau durchgeführt, der echte Hardware, Peripheriegeräte und physische Verbindungen erfordert und dem Bediener die Möglichkeit gibt, Hardware und Peripheriegeräte während der Laufzeit abzuschalten. Ein gutes Beispiel für diese Testmethode ist das Verifizieren von Algorithmen nach der Injektion eines peripheren Fehlers (Fehlerinjektion auf Hardware-Ebene) und das anschließende Validieren der Batteriealgorithmen.

In Elektrofahrzeugen (EVs) oder Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) müssen die Batteriepakete konsequent überwacht und verwaltet werden, um die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Elektrofahrzeugsystems zu gewährleisten. Dies erfordert ein BMS, das die Überwachung des Ladezustands der Batterie, einen optimalen Ladealgorithmus und Schaltkreisfunktionen für den Zell- und Wärmeausgleich umfasst. Das BMS muss nicht nur mit anderen Bordsystemen zusammenarbeiten. Es muss auch unter sich schnell ändernden Lade- und Entladebedingungen in Echtzeit funktionieren, zum Beispiel wenn das Fahrzeug beschleunigt oder bremst.

Der Ladezustand (SOC) wird als verfügbare Kapazität gemessen, die von der Zellchemie, Alterungsfaktoren usw. abhängt. Die SOC-Schätzung für das BMS umfasst verschiedene Anwendungskomponenten, Software-Code für Basis-Software (BSW) und komplexe Gerätetreiber (CDD) sowie Eingaben von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs). Angesichts der erhöhten Komplexität solcher Funktionen und der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Software-Schichten sind die Gesamtkomplexität der Software und die Auswirkungen von Software-Fehlern viel ausgeprägter als eine rein lokale Auswirkung, die im Allgemeinen in einem MIL-Test erfasst wird.

Um die Anforderungen an Sicherheit, Robustheit und Qualität der BMS-Software zu erfüllen, bietet eine virtuelle BMS-Steuergeräte-Testumgebung (VTE) das richtige Werkzeug für die Analyse und Validierung der Auswirkungen und Design-Änderungen, nicht nur auf Unit-Ebene, sondern für die gesamte Software.

Abbildung 2 zeigt deutlich, wie sich ein Konstruktionsfehler in einer der Komponenten zur Sensorfilterung auf die gesamte Software auswirkt und welche Konsequenzen er auf Algorithmen, Steuerungen und die kontinuierliche Diagnose hat. Dieses Problem trat während der Validierung der KPIT-BMS-Software-Plattform auf und wurde im VTE entdeckt. „Insgesamt konnten wir 90 % unserer BMS-Software-Plattform erfolgreich mit der dSPACE Werkzeugkette und Umgebung validieren“, sagt Debango Chakrobarty, Solution Architect BMS Controls & Software, KPIT.

Abbildung 2: BMS-Architektur – Analyse der Auswirkungen.

Skalierung und Validierung von Diagnoseserviceprotokollen

Diagnoseservices werden in der Regel von mehreren Gruppen und in konzentrierten Phasen der Funktionalität oder des Protokolls durchgeführt. Die Flexibilität der dSPACE Umgebung half KPIT jedoch bei der Skalierung und Validierung von Diagnoseserviceprotokollen wie Unified Diagnostic Services (UDS) und den damit verbundenen Funktionalitäten. KPIT identifizierte und löste Probleme bei der Erstellung von Diagnosen und der Software-Entwicklung, indem es Standard-Test-Suites wie Open Test Sequence Exchange (OTX) und kundenspezifische Funktionen für seine BMS-Software testete.

Die VHIL-Komponente wurde verwendet, um Fehler zu erzeugen, indem die Eingaben der Streckenmodelle während der Laufzeit geändert wurden. Dadurch wurde sichergestellt, dass die Software die richtigen Diagnosefehlercodes auslöste. Darüber hinaus integrierte KPIT ein Tool eines Drittanbieters zur Durchführung von OTX, um die Einhaltung der Norm zu bestätigen. Auf diese Weise wurde die Reaktion des BMS validiert.

In einem weiteren Test wurden alle physikalischen Parameter innerhalb ihres normalen Bereichs gehalten, um sicherzustellen, dass die Schütze erfolgreich geschlossen wurden, so dass das BMS den Einschaltstatus der Hochspannung über die Hochspannungsanforderung von CAN melden kann. Ein Zellüberspannungsfehler wurde durch das Batteriestreckenmodell eingeleitet, indem die Zellspannung erhöht wurde, bis sie die kritische Überspannungsschwelle überschritt. Daraufhin öffnete das BMS die von der Überspannungsstörung betroffenen Schütze, und der Status wurde über CAN überwacht. Damit wurde eine Closed-Loop-Validierung der Fehlerinjektion sichergestellt.

Im letzten Testfall injizierte KPIT einen Zellentemperatursensor mit einem Untertemperaturfehler in ein Batteriestreckenmodell. Die vom BMS auf dem virtuellen CAN-Bus übertragenen Leistungsgrenzwerte wurden überwacht. Die BMS-Leistungsgrenzen zeigten eine abwärts gerichtete Rampe, was bedeutete, dass das System in den Notlauf übergegangen war. Als Reaktion auf die Ausgänge des thermischen Systems wurden die Befehle zur thermischen Konditionierung des BMS angezeigt.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Tests ermöglichte die virtuelle Testumgebung von KPIT Regressionstests für alle Kommunikationsframes, die Validierung integrierter Funktionen und die Erweiterung auf einen virtuellen Prüfstand auf Fahrzeugebene.

Darüber hinaus ist die Ausführung des virtuellen Prüfstandes in den Workflow der kontinuierlichen Integration / des kontinuierlichen Testens (CI/CT) integriert. Während des gesamten Entwicklungszyklus werden mehr als 100 Daten-Pipelines definiert, um den Test aller Verbraucher von der Komponenten- bis zur Systemebene sicherzustellen. Eine vereinfachte Version des Testablaufs ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Implementierung für den BMS-Prüfstand wird mit Jenkins CI aufgebaut. Diese Pipelines wurden bei verschiedenen KPIT-Kunden mit unterschiedlichen Technologien implementiert.

Abbildung 3: CI/CD-Arbeitsablauf

Die Vorteile einer virtuellen Testumgebung

Da der plattformbasierte Ansatz in der heutigen Produktentwicklungslandschaft immer beliebter wird, bietet ein virtueller Prüfstand wie der KPIT VTE die perfekte Umgebung für die Skalierung, Anpassung und Umwandlung von Komponentenplattformen in mehr Varianten bei gleichzeitiger Maximierung der Testeffizienz.

„Gemeinsam mit dSPACE haben wir diese Testumgebung entwickelt, mit der sich Tests auf Komponenten-, Subsystem- und Fahrzeugebene für alle OEM-Fahrzeugprogramme durchführen lassen“, berichtet Neeraj Patidar, Architect Virtual Test Environment, KPIT. „Die Vorteile liegen auf der Hand: Virtuelle HIL-Aufbauten und -Umgebungen auf Komponentenebene ermöglichen eine schnellere Validierung der Steuergeräte-Software und eine 90-prozentige Steigerung der Testabdeckung während des gesamten V-Zyklus.“ KPIT bietet seinen Kunden VTE-Komponenten als Beschleuniger für OEM-spezifische Implementierungen an. Der VTE bietet eine genaue und stabile Co-Simulationsorchestrierung für Tausende von gleichzeitigen Anwendern, die mehrere Testaufträge gleichzeitig einreichen können.

Mit freundlicher Genehmigung von KPIT Technologies Ltd 

dSPACE MAGAZINE, PUBLISHED SEPTEMBER 2022​​​​​​​

Über KPIT

KPIT Technologies ist ein globaler Partner für das Automobil- und Mobilitätsökosystem, um softwaredefinierte Fahrzeuge Realität werden zu lassen. KPIT ist ein führender unabhängiger Software-Entwicklungs- und Integrationspartner, der die Mobilität auf dem Weg in eine saubere, intelligente und sichere Zukunft unterstützt. Mit 9000 Automobilisten auf der ganzen Welt, die sich auf eingebettete Software, KI und digitale Lösungen spezialisiert haben, beschleunigt KPIT die Implementierung von Technologien der nächsten Generation für den zukünftigen Mobilitätsfahrplan bei seinen Kunden. Mit Entwicklungszentren in Europa, den USA, Japan, China, Thailand und Indien arbeitet KPIT mit führenden Unternehmen der Mobilitätsbranche zusammen und ist dort präsent, wo sich das Ökosystem im Wandel befindet.

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