Das kollaborative Framework der FEV | FEV Corporate Magazine

Das modellbasierte, kollaborative Entwicklungs- und Validierungs-Framework der FEV erfüllt die Bedürfnisse von Entwicklungs-, Prüf- und Kalibrierungsingenieuren, die sich mit den Herausforderungen der neuen WLTP- und RDE (Real Driving Emissions)-Zyklen, der E-Mobilität und des autonomen Fahrens beschäftigen. Das Framework ersetzt dank seines revolutionären und disziplinübergreifenden Ansatzes umständliche und komplexe Methoden mit unterschiedlichen Techniken und Werkzeugen. Eine skalierbare Plattform ermöglicht die Größenbestimmung und Validierung des Antriebsstrangs und seiner elektronischen Komponenten am Schreibtisch, bevor sie von ihr durch die anschließenden Phasen, von den Hardware-in-the-Loop- (HiL) und Antriebsstrang-Prüfständen bis hin zu den Straßentests, begleitet werden.

Entwickler sehen sich mit immer komplexeren Systemen und immer mehr Antriebsstrang-Varianten konfrontiert, während gleichzeitig die Produkteinführungszeiten immer kürzer werden. Bisher wurde dieses Problem durch das Frontloading von Entwicklungsschritten in den sequentiellen V-Zyklus der Antriebsstrangentwicklung und die Steigerung der Effizienz von Prüfanlagen gelöst. Mit der Einführung der RDE-Zyklen und der Aufnahme von beispielsweise Temperatur- und Höheneinflüssen wurde diese Herausforderung verstärkt, was den Bedarf an neuen Ansätzen in der Antriebsstrangentwicklung unterstreicht. Frontloading muss mit einer Parallelisierung von Entwicklungsschritten kombiniert werden, was schließlich zu einem multidimensionalen „Road-to-Rig-to-Desktop“-Ansatz führt.

Dieser multidimensionale Ansatz wird vor allem durch die Austauschbarkeit sowie durch eine kontinuierliche Verbesserung der Modelle zwischen den sequentiellen und parallelen Entwicklungsschritten ermöglicht. Eine weitere Herausforderung ist die Nutzung vernetzter Benchmark-, Simulations- und Messdaten in der Entwicklung. Vor diesem Hintergrund hat FEV ein kombiniertes, modellbasiertes Entwicklungs- und Validierungs-Framework mit einer effektiven Informationsmanagementlösung entwickelt.

Kollaboratives Validierungs-Framework

Dieses Framework revolutioniert aktuelle Entwicklungs- und Validierungsprozesse. Bisher wurden die Prozesse mit getrennten Entwicklungsteams und -phasen sowie Validierungsmeilensteinen in jeder Phase nacheinander durchgeführt. Dafür gab es zwei Gründe: Erstens endete jede Validierungsphase mit dem Vorhandensein physischer Prototypen. Zweitens konnten Software-Tools nicht disziplinübergreifend vom Design bis zur Validierung auf der Straße eingesetzt werden. Mit dem kollaborativen Framework von FEV, das auf der MORPHEE-Software-Suite basiert, ist dies nicht länger der Fall.

MORPHEE wurde ursprünglich als Automatisierungssystem für Prüfstände mit der Fähigkeit zum intelligenten Datenmanagement in Echtzeit eingeführt. In der Version MORPHEE xMOD für Simulationsaktivitäten wurden diese ursprünglichen Funktionen um Co-Simulation erweitert: Unterschiedliche, mit verschiedenen Tools wie AMESim, GT-Suite, Dymola, Flowmaster und MATLAB-SIMULINK erstellte Modelle können auf derselben Plattform interagieren. So können verschiedene Fahrzeug- und Motorenkomponenten dargestellt und ihre Interaktionen simuliert werden. MORPHEE xMOD kann beispielsweise für die Validierung eines neuen Hybrid-Antriebsstrangkonzepts oder zur Skalierung des Luftkreislaufs eines neuen Motors, des dazugehörenden Turbos und seines AGR-Systems durch die Evaluation der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs usw. verwendet werden.
In den anschließenden Phasen (Hardware -in-the-Loop, Engine-in-the-Loop) werden Echtzeitdaten aus MORPHEE abgerufen und die physischen Komponenten eingeführt: Zu den Komponenten gehören das Motorsteuergerät (ECU), das Energiemanagementsystem (EMS), das Batteriemanagementsystem (BMS) und der Verbrennungsmotor, der elektrische Motor, die Batterie usw. Die physischen Komponenten werden mit simulierten Modellen von Fahrzeug, Fahrer und Straße kombiniert. So kann in jeder Phase die physische Komponente in einer Umgebung validiert werden, die dem gesamten Fahrzeug und echten Fahrbedingungen stark ähnelt.

>> DAS FRAMEWORK WIRD BEREITS BEI VIELEN PROJEKTEN ERFOLGREICH EINGESETZT, WIRD UND WURDE STÄNDIG OPTIMIERT UND AUSGEBAUT

Harte Echtzeit

Der größte Nachteil in dieser Phase ist, dass die Modelle oftmals vereinfacht und abgeschwächt werden müssen, damit eine Modellausführung in Echtzeit auf dem Prüfstand gewährleistet werden kann. Eine Folge davon ist jedoch, dass die Prüfungen nicht mehr länger vollständig repräsentativ sind. Hier tut sich das FEV-Framework auf Basis von MORPHEE hervor: Es ist um den Faktor 10 bis 40 schneller als alle erhältlichen Lösungen anderer Anbieter. Die Präzision des Modells bleibt vollständig erhalten, da selbst komplexe Modelle in „harter“ Echtzeit auf dem Prüfstand ausgeführt werden können. Das Framework wird bereits bei vielen Projekten erfolgreich eingesetzt, wird und wurde ständig optimiert und ausgebaut.

Dr. Hassen Hadj Amor, Product Group Leader bei FEV Software and Testing Solutions, erklärt die Wichtigkeit harter Echtzeit: „Wir sehen uns mit zunehmend komplexeren Hybrid- und Elektro-Antriebssträngen konfrontiert, während gleichzeitig anspruchsvolle WLTP- und RDE-Zyklen durch den Gesetzgeber eingeführt werden. Ohne die Ausführung von komplexen Modellen in harter Echtzeit kann man keine präzisen Ergebnisse auf HiL- oder Motorenprüfständen erreichen. Eine schnelle Prototypenentwicklung auf dem HiL-Prüfstand oder Kalibrierung des ESG auf dem Motorenprüfstand wäre nicht mehr möglich. MORPHEE xMOD ermöglicht selbst unter komplexen und anspruchsvollen Bedingungen zufriedenstellende Ergebnisse.“

>> KOMPLEXE MODELLE KÖNNEN IN „HARTER“ ECHTZEIT AUF DEM PRÜFSTAND DURCHGEFÜHRT WERDEN

V-CAP – die virtuelle Kalibrierungsplattform

Das Framework bietet eine umfassende Palette an Applikationen. So kann zum Beispiel V-CAP, die virtuelle Kalibrierungsplattform, für die Kalibrierung von ECU-Funktionen verwendet werden. Hierbei kommt eine Simulation zum Einsatz, die den neuen instationären WLTC- und WHTC-Betriebszyklen entspricht, was bis zu 30 Prozent der physischen Prüfungen einspart.
V-CAP ermöglicht es, die ECU des Antriebsstrangs am Computer oder auf dem HiL-Prüfstand zu validieren und vorzukalibrieren. Aufwändige Maßnahmen auf dem Motorprüfstand, Fahrzeugprüfstand oder der Straße entfallen. Dabei bildet V-CAP alle physischen Elemente des Prüfstands oder einer Testfahrt ab – darunter den Verbrennungsmotor, dessen Luftkreislauf und das Abgasnachbehandlungssystem, das Fahrzeug und dessen Fahrer. Die unterschiedlichen Aufgaben könne mithilfe eines einzigen PCs und mit einem einzigen Koordinations-Software-Tool – dem Automatisierungssystem MORPHEE – durchgeführt werden.

Die große Innovation von V-CAP ist, dass sie den Austausch zwischen den Simulations-, Steuerungs-, Kalibrierungs- und Prüfungsteams beschleunigt. Dank seiner hervorragenden Zeit-Management-Funktionen behält MORPHEE die ursprüngliche Genauigkeit der Modelle bei und sorgt so für eine optimale Repräsentativität der Tests. Dies führt je nach Wiederholbarkeit der DoE-Referenzprüfung zu einer drei- bis zehnprozentigen Differenz in den Stickstoffemissionen, was dem erforderlichen Leistungsniveau für Kalibrierungsprüfungen entspricht.

>> DIE GROSSE INNOVATION VON V-CAP IST, DASS SIE DEN AUSTAUSCH ZWISCHEN DEN SIMULATIONS-, STEUERUNGS-, KALIBRIERUNGS- UND PRÜFUNGSTEAMS BESCHLEUNIGT

Drei Ausbaustufen

V-CAP ist in drei Ausbaustufen verfügbar: Die erste Stufe ist eine reine Softwarelösung, die für die Entwicklung von ECU-Kontrollstrategien bestimmt ist. Die zweite Stufe ist in einen Basis-HiL-Prüfstand integriert und ermöglicht somit die ECU-Kalibrierung. In der dritten Stufe umfasst der vollumfängliche HiL-Prüfstand auch den Kabelbaum und die Aktoren. Dank möglicher IO-Prüfungen entspricht diese Stufe bereits weitestgehend der späteren Konfiguration des Fahrzeugs.

MORPHEE als Wegbereiter

Die Vorteile von V-CAP kommen zur Geltung, wenn man einen gängigen Kalibrierprozess betrachtet, bei dem Simulation, jedoch nicht der FEV-Ansatz zum Einsatz kommt: Während das übliche Verfahren vier CPUs und fünf verschiedene Software-Tools für Simulation, Kalibrierung, Automatisierung etc. erfordert, verwendet die Lösung von FEV neben der Anwendungssoftware nur einen PC und die MORPHEE-Software, die alle diese Operationen durchführt. MORPHEE ist einfach und intuitiv zu bedienen: Die Modelle, HMIs, Tests und alle anderen Elemente werden während des gesamten Verfahrens beibehalten – vom MiL (Model-in-the-Loop) bis zum HiL. Sie können danach auch auf dem Motorprüfstand und Fahrzeugprüfstand verbleiben.
Der VCAP-HiL-Schrank ist als FEV-Standardlösung verfügbar. Eine Rollwagen-Version ist mit der ECU und – in Ausbaustufe drei – mit der Peripherie – darunter Einspritzdüsen, Drosselklappe, AGR-Ventil und Turbolader-Steller – verbunden. Der Schrank enthält alle FEV-Signal-Module (Input, Output, Simulationssignal) einschließlich Common-Rail-Druck, Ansaugluftdruck, Partikelfilterdruck, die Positionen der Nockenwelle und der Kurbelwelle sowie die Temperaturen am Ein- und Auslass des Katalysators.

Einfache Anbindung an Komponenten von Drittanbietern

MORPHEE ist sehr flexibel: Sollte ein Kunde bereits über eine Hardwarelösung verfügen, die er behalten möchte, kann die MORPHEE-Software eine Schnittstelle zu dieser ermöglichen. Auch wenn der Kunde bereits über ein Kalibrierungs- oder Automatisierungssystem verfügt, kann MORPHEE mit diesen Systemen kommunizieren, sodass eine Unterbrechung des Prüfbetriebs vermieden wird.

V-CAP-MiL, -HiL und -EiL sind auch als Standalone-Lösung verfügbar. In diesem Fall kann der Benutzer die Integration seiner Modelle eigenverantwortlich betreiben oder den Powertrain- Engineering-Service der FEV nutzen. Die Teams von FEV verwenden seit Jahren extrem aufwändige Modelle – zum Beispiel für die Verbrennung, den Luftkreislauf oder das Abgasnachbehandlungssystem. FEV bietet vollständigen Wissenstransfer an, damit die Kunden Erstellung und Integration der neuen Modelle verstehen.

Die V-CAP-XiL-Lösung ist somit eine leistungsfähige Anwendung, die die Philosophie von FEV-Produkten perfekt veranschaulicht: eine einzigartige virtuelle Arbeitsumgebung, die ein kontinuierliches, simulationsbasiertes Arbeiten bei Kalibriertests ermöglicht – das kollaborative Framework von FEV.

>> V-CAP KANN BIS ZU 30 PROZENT DER PHYSISCHEN PRÜFUNGEN EINSPAREN