FEV xMOD in der Praxis

Echtzeitsimulation für Hybrid-Antriebsstränge

28. Juni 2017 | Software & Testing Solutions

Die Entwicklung der komplexen Hybrid-Antriebsstränge der Zukunft in einem zeitlich angemessenen Rahmen erfordert fortschrittliche Tools und Methoden, die Optimierung deren Effizienz sowie die Verbesserung der frühzeitigen Prognose des Fahrzeugverhaltens. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entschied sich FEV für die Fusion realer und virtueller Welten in einer sogenannten Hybrid-Toolchain. Diese Toolchain für die Entwicklung von Hybridantrieben ist das Ergebnis der langjährigen nachgewiesenen Erfahrung des Unternehmens mit Prüftätigkeiten, ihrer ausgeprägten Kompetenz für die Entwicklung und Bereitstellung wettbewerbsfähiger Prüfsysteme wie MORPHEE sowie dem anerkannten Know-how beim Einsatz von Simulationstools zur Entwicklung fortschrittlicher und innovativer Lösungen. Die drei Schritte umfassende Hybrid-Toolchain ist eine praktische Lösung von der Model-in-the-Loop Frontloading-Phase bis zu den X-in-the-Loop Validierungsphasen (wobei „X“ beispielsweise den Verbrennungsmotor, die Batterie oder den Elektromotor darstellt).

Die Hybrid-Toolchain von FEV

FEV schlägt die Verwendung eines dedizierten HiL-Schritts vor, der den nahtlosen Übergang zwischen den MiL- und EiL-Phasen ermöglicht. Die auf diese Weise gebildete Hybrid-Toolchain sorgt für die Optimierung der Entwicklung des hybriden Antriebsstrangs und des Energiemanagementsystems (EMS) und erlaubt die Nutzung der Vorteile von simulationsbasierten Methoden. Diese Hybrid-Toolchain basiert auf xMOD, der fortschrittlichen Co-Simulationsplattform von FEV. Die xMOD-Plattform kombiniert eine Integrationsumgebung für verschiedene heterogene Modelle mit einem virtuellen Prüflabor und bietet eine Reihe unterschiedlicher Funktionalitäten wie Integration von heterogenen Modellen, Schutz der Modellinhalte während des Importvorgangs, virtuelle Instrumente und Automatisierung von Prüfverfahren. Darüber hinaus verfügt xMOD über Simulationsfunktionen in verschiedenen Simulationsmodellen: Echtzeit, verlängerte Zeitdauer oder sobald wie möglich. Diese Funktionen haben sich in MiL-, HiL- und EiL-Umgebungen als sehr nützlich erwiesen.

Die Hybrid-Toolchain in der Praxis

Beim ersten Schritt der Hybrid-Toolchain besteht das Ziel in der Erstellung eines Vollhybrid-Fahrzeugmodells der Zielanwendung und der Integration des Modells in die xMOD-Umgebung. Zu diesem Zweck verwendet FEV herkömmliche, auf dem Markt verfügbare Simulationstools und Software. Das modellierte Fahrzeug ist ein Parallel-Hybrid mit einem automatisierten Schaltgetriebe.

Die Simulationen werden mit einem innovativen Ansatz unter Verwendung eines 1D-Modells für die Komponenten des Fahrzeugs und Antriebsstrangs durchgeführt. Fahrzyklus-Sollwerte werden an ein Fahrermodell in Simulink gesendet. Basierend auf diesen Sollwerten erzeugt der Fahrer bestimmte Beschleunigungs- und Bremszielwerte für das Fahrzeugüberwachungssystem sowie Getriebezielwerte für das Schaltgetriebe und die Kupplung. Das Fahrzeugüberwachungssystem interpretiert die Beschleunigungs- und Bremszielwerte und steuert das Energiemanagement der Batterie, die Aufteilung des Drehmoments zwischen Verbrennungs- und Elektromotor sowie die Umschaltung des Antriebsstrangmodus zwischen Elektrofahrzeug (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV).

Energiemanagementsystem

Das Energiemanagementsystem (EMS) ist Teil des Fahrzeugüberwachungsmodells. Das EMS schätzt zunächst die zum Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Leistung und die zur Einhaltung der Ladezustandsstrategie der Batterie erforderliche Energie. Basierend auf diesem Energiebedarf entscheidet das EMS, ob das Fahrzeug entsprechend den vom Anwender wählbaren Leistungsniveaus im EV-Modus oder im HEV-Modus betrieben werden muss. Im EV-Modus wird das gesamte Drehmoment vom Elektromotor erzeugt. Dementsprechend leitet das Fahrzeugüberwachungssystem die gesamten vom Fahrer angeforderten Drehmomentzielwerte an den Elektromotor. Im HEV-Modus wird das angeforderte Drehmoment zwischen dem Elektro- und Verbrennungsmotor aufgeteilt, um die Effizienz des Systems zu optimieren. Das im HEV-Modus angeforderte Drehmoment umfasst nicht nur das vom Fahrer zum Antrieb des Fahrzeugs verwendete Drehmoment, sondern auch das geschätzte Drehmoment, das zur Einhaltung des Ladezustandsziels der Batterie erforderlich ist.

Integration in die xMOD-Plattform

Die Integration in xMOD umfasst drei Hauptschritte. Zunächst wird das Hybridfahrzeugmodell in einer Co-Simulationsumgebung mit festgelegten Schritten geprüft, um das Anwendungsverhalten der Plattform zu validieren und zum Abschluss die Echtzeitfähigkeit sicherzustellen. Danach wird das Hybridfahrzeugmodell in mehrere Blöcke aufgeteilt, die unterschiedliche Teile der Virtual Test Bed- und Engine-in-the-Loop-Konfigurationen darstellen:

  • Block 1: „Prüfungsautomatisierung“ sendet die Fahrzyklus-Sollwerte und steuert den Informationsaustausch zwischen den Blöcken. Dabei wird die Umgebung des Automatisierungssystems emuliert, die im 2. und 3. Schritt in MORPHEE integriert wird.
  • Block 2: “Fahrzeug-, Fahrer-, Energiemanagementsystem- und Antriebsstrangmodelle“ enthält alle Modelle außer dem Modell für den Verbrennungsmotor.
  • Block 3: „Verbrennungsmotormodell mit entsprechender Prüfstandsumgebung“ enthält das Verbrennungsmotormodell und die entsprechenden Inputs und Outputs, die für den 2. und 3. Schritt erforderlich sind.

Diese drei „Blöcke“ werden schließlich mit dem xMOD-Ziel zusammengeführt und dann in xMOD integriert. Bei diesem Schritt wird außerdem ein Mensch-Maschine-Interface, auch als Dashboard bezeichnet, erstellt, um die maßgeblichen Variablen anzeigen zu können und Zugriff auf die relevanten Systemparameter zu erhalten. Nach der Erstellung dieser Plattform werden die Fähigkeit des Hybridfahrzeugmodells zur Befolgung des Fahrzyklus sowie das Verhalten des Energiemanagementsystems validiert.

Diese drei „Blöcke“ werden schließlich mit dem xMOD-Ziel zusammengeführt und dann in xMOD integriert. Bei diesem Schritt wird außerdem ein Mensch-Maschine-Interface, auch als Dashboard bezeichnet, erstellt, um die maßgeblichen Variablen anzeigen zu können und Zugriff auf die relevanten Systemparameter zu erhalten. Nach der Erstellung dieser Plattform werden die Fähigkeit des Hybridfahrzeugmodells zur Befolgung des Fahrzyklus sowie das Verhalten des Energiemanagementsystems validiert.

Möglichkeiten von xMOD:

  • Einheitliche Darstellung aller heterogenen Modelle, deren Einfachheit und Vollständigkeit die Integration und Co-Simulation sowie den Schutz der Modellinhalte ermöglicht.
  • Abstraktion der Modellierungs-sprache mithilfe von virtuellen Instrumenten, um die Modelle für Personen einfach verständlich zu machen, die nicht an der Erstellung der Modelle beteiligt waren oder die keine Kenntnisse der Sprachen haben, in denen die Modelle geschrieben wurden.
  • Schwerpunkt auf Verwendung der Modelle (die stets in den gewöhnlichen Modellierungsumgebungen erstellt werden) und Bereitstellung ergonomisch konzipierter Merkmale für die Interaktion mit den Simulationen, die Durchführung der Prüfungsverfahren und die Verwendung der Ergebnisse.

Set-up des virtuellen Prüfstands

Nachdem die erste xMOD-Simulationsplattform des Hybridfahrzeugs erstellt wurde, wird der 2. Schritt, der als Virtual Test Bed (VTB) bezeichnet wird, relevant. Dieser Schritt umfasst die Verbindung der xMOD-Simulationsplattform mit einem Prüfstand-Computer sowie die Vorbereitungen und die Validierung des Kommunikationsprotokolls. Eines der Ziele des VTB besteht darin, den Prüfingenieuren und -technikern die Vorbereitung ihrer Prüfverfahren zu ermöglichen. Das VTB muss daher in der Lage sein, die primären Verhaltensweisen des Motorprüfstands in einer virtuellen Umgebung darzustellen.

Aufgrund der im 1. Schritt durchgeführten Arbeiten lassen sich die folgenden Schritte schnell ausführen:

  • Integration des Vollhybrid-Fahrzeugmodells und des EMS im zweiten Computer.
  • Extraktion des Verbrennungsmotormodells mit den Modellen der Prüfstandsumgebung und deren Integration im dritten Computer.

Ein weiterer Vorteil des Virtual Test Beds besteht in der Möglichkeit, spezifische Prüfverfahren zu entwickeln und zu validieren, bevor mit dem tatsächlichen Motorprüfstand fortgefahren wird. Beispielsweise wurde mithilfe dieses HiL-Schritts eine spezifische Komponente zum Anlassen und Abstellen des Motors entwickelt, geprüft und validiert. Schließlich ermöglicht diese „Konfiguration mit drei Computern“ dem VTB die Validierung des gesamten Kommunikationsprotokolls und der Verfahren auf dem Motorprüfstand zum Zweck der Schulung des Motorprüfstand-Personals. Zudem kann die Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den in Echtzeitprüfungen gewonnenen Ergebnissen verglichen werden.

Grafik - FEV xMOD

Parallelhybrid-Antriebsstrang

Einrichtung der endgültigen EiL-Umgebung

Aufgrund der im 1. und 2. Schritt durchgeführten Arbeiten lässt sich dieser letzte Schritt relativ schnell ausführen und erfordert im Vergleich zur herkömmlichen Kalibrierungstestphase kein zusätzliches Personal. Zunächst wird das standardmäßige Prüfstandverfahren für den zuvor vorbereiteten Motor durchgeführt. Dann wird das Motorinstallations-Validierungsprotokoll ausgeführt, um die Sicherheit des Personals und den Schutz des Motors zu gewährleisten. Anschließend können der Motor gestartet und die ordnungsgemäße Funktion des Prüfstand-Automatisierungssystems überprüft werden, beispielsweise durch Kontrollschleifen und Plausibilitätsprüfungen der Messungen. Abhängig vom „Neuheitsstatus“ des Motors (oder nicht) kann eine Einfahrphase durchgeführt werden. Für den Motor in dieser Studie war dies nicht notwendig.

Zum Abschluss kann der Simulationscomputer vom VTB getrennt und (über ein S-Link-Kommunikationsprotokoll) direkt an das Prüfstand-Automatisierungssystem angeschlossen werden. Das Prüfstandverfahren kann vom MORPHEE-Computer des VTB direkt über das Netzwerk heruntergeladen und auf den Prüfstand-Computer hochgeladen werden.

Sobald alle Vorrichtungen angeschlossen sind, hat der Bediener des Prüfstands Zugang zu einer Bibliothek mit verschiedenen Fahrzyklen. Während des Prüfzyklus sendet MORPHEE die für die Fahrbedingungen relevanten Parameter – insbesondere die Fahrgeschwindigkeit – an xMOD und empfängt dann den gewünschten Betriebspunkt des Motors (Motordrehzahl/-drehmoment) vom Fahrzeug und dessen Fahrermodellen. Anschließend regelt MORPHEE die Motordrehzahl direkt durch Ansteuerung des Rollenprüfstands und die Motorlast über eine Simulation der Pedalsignale.

Während des automatisierten Prüfzyklus ist kein Eingriff durch den Bediener des Prüfstands erforderlich. Der Motor kann automatisch gestartet und abgestellt werden und alle Daten (Prüfstandssensoren, ESG-Daten, von xMOD simulierte Variablen und Parameter) werden in der gleichen Datendatei gesammelt.
Der Bediener kann sich daher dank der xMOD-Dashboards auf die Kalibrierung des EMS konzentrieren oder beispielsweise die Parameter des Hybridfahrzeugs (z. B. Masse, Getriebeübersetzungen oder Batteriekapazität) modifizieren.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung dieser Hybrid-Toolchain – und von xMOD – ist die Möglichkeit, ein Motormodell beim EiL-Schritt im xMOD-Computer zu belassen. Auf diese Weise kann xMOD die simulierten Motorvariablen an MORPHEE senden, und diese Werte können mit den Messwerten verglichen werden. Dadurch wird es möglich, den Motor und das Erfassungssystem zuverlässig zu überwachen, um Fehlfunktionen durch Vergleich der physischen Daten mit den Outputs des Motormodells zu erkennen oder vorherzusehen. Dies ermöglicht wiederum Zeit- und Geldeinsparungen, da das Prüfverfahren gestoppt werden kann, sobald eine Anomalie festgestellt wird.

Ausblick

Die Hybrid-Toolchain ist ein äußerst effizientes Werkzeug in der Entwicklung von hybriden Antriebssträngen. Sie bietet zahlreiche Zusatzfunktionen, die beispielsweise zur Entwicklung und Validierung von Fahrerassistenzsystemen erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht die vielseitige und offene Co-Simulationsplattform xMOD die Integration zusätzlicher Modelle wie Umwelt- oder Verkehrsmodelle.

Grafik - FEV xMOD

MiL-Konfiguration mit drei Hauptblöcken

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