Entwicklungswerkzeuge für Hybrid- und Elektroautos - ETAS

INDUSTRIE SOFTWARE
Entwicklungswerkzeuge für
Hybrid- und Elektroautos
Vor dem Hintergrund der CO 2
-Diskussion werden Hybrid- und Elektrofahrzeuge rasch zur Serienreife
gebracht. Dabei müssen zahlreiche neue Komponenten und Systeme entwickelt und in das Fahrzeug
integriert werden. Mit entscheidend für eine erfolgreiche Markteinführung der neuen Fahrzeugkonzepte
sind Funktion, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Steuerungssoftware und Elektronik. Für den Entwurf,
die Implementierung, den Test, die Integration und die Anpassung von komplexen Funktionen elektronischer
Steuerungen und Regelungen benötigen Ingenieure geeignete Entwicklungswerkzeuge.
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autoren
Dr. Ulrich Lauff
ist im Marketing der ETAS GmbH
in Stuttgart für die technische
Redaktion verantwortlich.
Dr. Christoph Störmer
ist verantwortlich für
die Vorausentwicklung bei der
ETAS GmbH in Stuttgart.
Dipl.-Ing. Thomas Dollmaier
ist im Marketing der ETAS GmbH
in Stuttgart für die Koordination
der Entwicklungsaktivitäten im
Umfeld Hybrid- und Elektrofahrzeuge
verantwortlich.
Dr. Matthias Klauda
ist Geschäftsführer der
ETAS GmbH in Stuttgart.
Aus der Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs
ergeben sich neue Anforderungen
an die elektronischen Steuerungen in
zweierlei Hinsicht. Zum einen müssen
neue Komponenten wie die elektrische
Maschine oder die Hochvolt-Traktionsbatterie
in geeigneter Weise gesteuert, geregelt
oder überwacht werden. Zum anderen
müssen Systeme miteinander vernetzt
und mit Hilfe von zentralen Steuerungen
integriert werden, damit neue Funktionen
wie Boosten oder Cruisen, kooperatives
Bremsen, Start-Stopp-Betrieb, Batterieund
Energiemanagement dargestellt
werden können. Bei der Entwicklung der
neuen Funktionen werden etablierte
Werkzeuge für die Modellierung, die
Simulation, das Prototyping, die Seriencodegenerierung,
den Hardware-in-the-
Loop-Test und die Steuergeräte-Applikation
eingesetzt. Durch die Wahl der
geeigneten Werkzeuge und durch die
Vorverlagerung und Automatisierung von
Validierungs- und Kalibrierungsschritten
im Entwicklungsprozess lassen sich die
Qualität und die Effizienz der Entwicklung
maßgeblich erhöhen.
ZENTRALE STEUERUNGEN
Im Folgenden wird am Beispiel der Hybridsteuerung
die Entwicklung von übergeordneten
Funktionen, die für Hybrid- und
Elektrofahrzeuge charakteristisch sind,
dargestellt. Beim Hybridantrieb werden
die elektronischen Steuerungen von Verbrennungsmotor,
Elektromaschinen, Batterien,
Leistungselektronik, Spezialgetrieben
und Bremse von einer zentralen Steuerung
integriert. Beispielsweise teilt die
Hybridsteuerung die Momentenanforderungen
durch den Fahrer („Gas geben“
oder „Bremsen“) in Abhängigkeit von der
Fahrsituation auf den Verbrennungs- und
den Elektromotor beziehungsweise auf
die mechanische Bremse und den Generator
auf (kooperative Bremse).
❶ zeigt exemplarisch den Einsatz der
Etas-Werkzeugkette. Im ersten Schritt werden
die Fahrfunktionen in den Entwicklungsumgebungen
ASCET oder Matlab/
Simulink modelliert und mittels Streckensimulation
am PC validiert, 1 (A). Im
Anschluss daran lassen sich die neuen
Funktionen auf das Prototyping- und
Schnittstellenmodul ES910 integrieren und
im Fahrzeug validieren, ❷. CAN oder
Flexray verbinden das ES910-Modul mit der
Motorsteuerung, der Getriebesteuerung,
dem Invertersteuergerät, dem Batteriemanagement
und der elektronischen Bremse.
Dieses Modell dient gleichzeitig als Gateway
zwischen den Bussegmenten der verschiedenen
Domänen, 1 (B).
Im darauf folgenden Schritt gilt es, Softwarekomponenten
zu generieren, welche
die Fahrfunktionen auf dem Zielsystem,
dem Hybridsteuergerät, implementieren.
Das Betriebssystem und die Autosar-Laufzeitumgebung
(RTE) des Steuergeräts – im
Beispiel die ressourcenoptimierten RTA-OS
und RTA-RTE-Module – sorgen für eine
zuverlässige Ausführung der Fahrfunktionen.
Codegeneratoren sind serienerprobt.
Sie erfüllen Sicherheitsanforderungen, wie
sie zum Beispiel von ISO 26262 an die Entwicklung
der kooperativen Bremse von
Hybridfahrzeugen gestellt werden, 1 (C).
Um das Systemverhalten im Fehlerfall
abzusichern, wird das Hybridsteuergerät
über die Busschnittstellen an den leistungsfähigen
Multcore-Echtzeit-PC des
Hardware-in-the-Loop-(HiL-)-Systems
angeschlossen und mit Hilfe einer Umgebungssimulation
automatisiert getestet,
1 (D). Eine Function-in-the-Loop-Anbindung,
❸, ermöglicht dabei den Direktzugriff
auf logische Signale im Steuergerät
in Echtzeit.
Es folgt nun die Integration der Hybridsteuerung
in das Testfahrzeug und deren
Appplikation und Erprobung mit INCA,
1 (E). Um den Zeitaufwand für den kostenintensiven
letzten Schritt zu reduzieren,
werden die neuen Funktionen bereits
bei der Simulation am PC, auf dem ES910-
Prototypensteuergerät oder am HiL mit
INCA vorkalibriert, 1 (F).
Aus allen oben genannten Schritten und
Werkzeugen wird ersichtlich, dass die Entwicklung
von Hybridsteuergeräten keine
fundamental anderen Prozessschritte oder
gar Prozesse erfordert. Ungeachtet dessen
bieten geschickte Kombinationen und Erweiterungen
der verfügbaren Tools beträchtlich
Effizienzgewinne.
SPEZIALsteuerungen
FÜR DEN E-ANTRIEB
Für die Entwicklung von speziellen Steuerungen
und Regelungen der Hochvoltbatterie
und des elektrischen Antriebs von
Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden
die konventionellen Entwicklungswerkzeuge
um relevante Schnittstellen erwei­
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INDUSTRIE SOFTWARE
❶ Werkzeugeinsatz bei
der Entwicklung einer
Hybridsteuerung
tert. Bei der Messung von hohen Strömen
und Spannungen mit induktiven Verfahren
und Spannungsteilern sind besondere
Vorkehrungen, zum Beispiel Schutzbeschaltungen,
notwendig.
Die elektronische Regelung der permanentmagnetisch
erregten Drehstrom-Synchronmaschinen
mit Leistungen bis zu
100 kW, die als Motoren und Generatoren
eingesetzt werden, ist aufgrund der hohen
Dynamik des elektrischen Antriebs zeitkritisch
und muss hohen Sicherheitsanforderungen
genügen. Mit Hilfe von Leistungselektronik
(Inverter), die mit PWM-
❷ Das Prototyping- und Schnittstellenmodul ES910 kombiniert hohe Rechenleistung mit OSEK/Autosar-
Echtzeit-Betriebssystem und den Standardschnittstellen LIN, CAN, FlexRay und Ethernet; alternativ zum
FlexRay-Knoten kann das Modul mit zwei zusätzlichen CAN-Schnittstellen erweitert werden
Signalen angesteuert wird, werden hohe
Ströme zwischen der Hochvoltbatterie
und der E-Maschine umgerichtet. Im
Wechselrichterbetrieb werden Moment
und Drehzahl des Motors in Abhängigkeit
vom Drehwert und der Stromaufnahme
über die Einstellung der Spannung und
Frequenz des Drehfelds geregelt. Dadurch
lassen sich Funktionen wie Sanftanlauf,
Drehrichtungsänderung und Blockierschutz
darstellen. Beim Bremsen muss die
E-Maschine sofort ein Gegenmoment aufbauen,
das heißt in den Generatorbetrieb
schalten. Der Drehstrom, den der Generator
erzeugt, wird gleichgerichtet. Mit dem
beim Abbremsen des Fahrzeugs oder im
Schleppbetrieb rekuperierten Strom wird
die Traktionsbatterie nachgeladen.
Die hoch dynamischen Vorgänge im
elektrischen Antrieb müssen mit hoher Zeitauflösung
erfasst werden. Die Zeitraster der
Antriebsregelung liegen im Bereich von
50 µs bis 100 µs. Bei HiL-Tests von Invertersteuergeräten
müssen beispielsweise PWM-
Signale, mit denen die Leistungselektronik
angesteuert wird, aufwändig vermessen
und ausgewertet werden um sicherzustellen,
dass die Reaktion von Inverter und E-
Maschine, welche vom Testsystem simuliert
werden, ohne zeitlichen Versatz in die
Regelung zurückfließen kann. Alternativ
zur Vermessung der physikalischen PWM-
Signale können die numerischen „Trigger“
und Werte der PWM-Duty-Cycles über die
Function-in-the-Loop-Technik unmittelbar
im Steuergerät mit zeitlichem Vorsprung
abgegriffen werden, 3.
Zum Test des Verhaltens der Leistungselektronik
im Fehlerfall wird die E-Maschine
durch intelligente elektrische Nachbildungen
und numerische Simulationen
emuliert. Zur Emulation der Leistungsebene
integriert Etas Lösungen, die sich in
anderen Leistungsanwendungen bewährt
haben, in das Hardware-in-the-Loop-Testsystem
„Labcar“.
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FUNKTIONS-ORIENTIERTE
STRUKTUREN
Beim ausschließlich batteriegetriebenen
Elektroauto wird die Reichweite durch die
hohen Kosten und die derzeit noch geringe
Energiedichte der Batterie limitiert.
Elektroautos müssen mit ihrem Energievorrat
so sparsam wie möglich umgehen.
Dadurch ist ein neues Fahrzeugkonzept
gefordert. Im Bereich Elektrik und Elektronik
werden neben Antrieb, Batterie und
Energiemanagement neue Systeme für
Fahrwerk und Karosserie von Elektroautos
entwickelt. Als Beispiel seien einzeln elektrisch
angetriebene Räder genannt, welche
das Fahren grundlegend verändern. Das
neue Fahrzeugkonzept stellt das Verhalten
des Gesamtsystems in den Vordergrund.
Einzelne Domänen verschmelzen entweder
komplett oder werden eng miteinander
verzahnt. Für die Elektronikstruktur
im neuen Fahrzeugkonzept bilden die in
den letzten Jahren eingeführten Konzepte
und Standardisierungen wie Autosar und
Flexray eine gute Basis.
In der neuen Struktur, in der Softwarefunktionen
und physikalische Steuereinheiten
nicht mehr streng aneinander gebunden
sein werden, sind anstelle der
Steuergeräte die einzelnen Funktionen des
Gesamtsystems die entscheidenden Größen.
Vom Entwurf bis zur Integration in
das Fahrzeug muss das Zusammenspiel
mehrerer Funktionen über die verschiedenen
Entwicklungsschritte hinweg betrachtet
werden. Im Umkehrschluss müssen
die Abhängigkeiten zwischen den
Funktionen erkennbar und verstehbar
sein. Beim Funktionsentwurf gilt es zu
berücksichtigen, dass Funktionen in
unterschiedlichen Systemkonfigurationen
in verschiedenen Varianten eingesetzt
werden. Beispielsweise können Funktionen
in Steuerungen mit unterschiedlichen
Sicherheitsanforderungen zum Einsatz
kommen.
Die Beherrschung der Vielzahl von
Funktionsvarianten ist eine wesentliche
Herausforderung für die Zukunft. Funktionsmodelle
werden nicht jedes Mal neu
erstellt, sondern aus einem Modellbaukasten
zusammengesetzt. Hierfür müssen die
Modelle so generisch beschrieben sein,
dass Generatoren mit Hilfe von Konfigurationen
in der Lage sind, das passende Modellensemble
zu erzeugen und die Funktionsalgorithmen
zu optimieren. Dabei ist
die Generierung von Testfällen und Testabläufen
für die jeweilige Konfiguration
mit beinhaltet. Um Doppelarbeit und Brüche
zu vermeiden, müssen die Generatoren
in der Lage sein, die Modellkonfigurationen
und Testabläufe im nächsten Entwicklungsschritt
konsistent zu erweitern.
ZENTRALSTEUERGERÄTE
Die Optimierung des Gesamtsystems führt
zur besseren Ausnutzung der Ressourcen
und ermöglicht den Ersatz von Steuergerätenetzwerken
durch leistungsfähige
Zentralsteuergeräte. An die Zentralsteuergeräte
werden intelligente Aktoren und
Sensoren angeschlossen.
Aufgrund ihres geringeren Stromverbrauchs
und ihrer höheren Leistung werden
sich Multicore-Prozessoren bei den
Zentralsteuergeräten durchsetzen. Daraus
ergeben sich Anforderungen an die Parallelisierung
von Steuergerätesoftware und
an die Verteilung auf die Prozessorkerne.
Erste Ansätze für eine Standardisierung
der Softwareplattform liegen mit den
Spezifikationen des Betriebssystems (OS),
der Laufzeitumgebung (RTE) und des
neuen Softwaremoduls IOC (Inter-OS
Application Communication) für Multicore-Steuergeräte-Architekturen
durch
Autosar Release 4 vor. Diese Spezifikationen
werden von Etas bereits durch prototypische
Implementierungen
unterstützt.
VIRTUELLE ENTWICKLUNG
Die virtuelle Entwicklung sowohl des Gesamtsystems
als auch der Einzelfunktion
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INDUSTRIE SOFTWARE
❸ Hardware-in-the-Loop-Test eines Invertersteuergeräts
für den elektrischen Antrieb: Zwischen der
Invertersteuerung und der Umgebungssimulation
am Echtzeit-PC (RTPC) werden logische Signale
per XCP-on-Ethernet-Protokoll an der I/O des Steuergeräts
vorbei ausgetauscht („Function-in-the-Loop“/
FiL); dazu wird das Steuergerät mit einer Ethernet-
Schnittstelle (XETK) ausgerüstet und direkt an den
RTPC angeschlossen. Mit dem einfachen und
schnellen Zugriff auf die Variablen und Parameter
von Steuergerätefunktionen ist FiL flexibel einsetzbar
und kann die Kopplung von Steuergerät und Umgebungssimulation
mittels Signalkonditionierung
am HiL-Testsystem sinnvoll ergänzen und zum Teil
ersetzen
gewinnt in hohem Maße an Bedeutung.
Durch virtuelle Systemtests auf leistungsstarken
Host­Rechnern lässt sich die Entwicklung
von Hardware und Software
be schleunigen und das Co­Design verbessern.
Ein Schlüssel hierfür ist die Verfügbarkeit
und Kombinierbarkeit von
Modellen des Steuergeräts, dass heißt des
Prozessors und der Peripherie, der Umgebung,
der Sensoren und Aktuatoren. Voraussetzung
für die Darstellung von virtuellen
Steuergeräten sind gemeinsame
Standards der Hersteller von Prozessoren
und Steuergeräten. Auf der Basis solcher
Standards werden zukünftige Entwicklungswerkzeuge
in der Lage sein, Modellintegrationen
durchzuführen, zu simulieren,
frühzeitig zu testen und zu
optimieren.
Mit dem Werkzeug „Intecrio“ bietet
Etas eine Plattform zur Validierung von
Autosar oder proprietären Matlab/Simulink­
und ASCET­Funktionsmodellen oder
auch Softwaresystemen am PC an. Als
Vorstufe zum virtuellen Steuergerät ist das
Steuergerätebetriebssystem bereits in die
Plattform integriert.
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moDEllBaSIERTE ENTWIcKlUNg
Der Aufwand für die Anpassung von
elekt ro nischen Systemen an das Fahrzeug
nimmt mit der wachsenden Anzahl von
Systemen, Funktionen und Abhängigkeiten
stark zu. Um Kosten­, Zeit­ und Qualitätsziele
zu erreichen, muss die Effizienz der
Applikation ständig verbessert werden.
Durch den Einsatz fortschrittlicher Simulationstechniken
ist die Durchführung von
Kalibrierungen in virtuellen Umgebungen
am Computer oder an HiL­Systemen möglich.
Etas arbeitet derzeit intensiv an
modellbasierten Kalibrationsmethoden.
Dabei wird auf Basis von wenigen Messungen
am realen System mit Hilfe moderner
statistischer Verfahren ein hoch
genaues Modell erstellt, mit dem das Verhalten
von komplexen Steuerungen und
Regelungen mit vielen Parametern am
Rechner optimiert werden kann.
ZUSammENfaSSUNg
Im Elektroauto der Zukunft bilden Elektrik
und Elektronik ein Gesamtsystem. Zur
Entwicklung von Funktionen für Hybridund
Elektrofahrzeuge verwenden Ingenieure
heute die bewährten am Markt verfügbaren
Lösungen.
Tools für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen
der Zukunft sind funktionsorientiert
und unterstützen die Optimierung
des Gesamtsystems. Bewährte
Lösungen, aktuelle Standards und neue
Technologien bilden die Basis für die
künftige Werkzeuglandschaft.
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SEIT 1898 DIE NUMMER 1
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