Hardware-in-the-Loop-Integrationstests für ein Parallel-Hybridfahrzeug

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"Mithilfe der modularen Hardware und erweiterbaren Software von NI erstellten wir ein zukunftssicheres, zuverlässiges und anpassbares HIL-Prüfsystem."

- Sanjay Mane, TATA Motors

The Challenge:
Entwicklung einer skalierbaren, flexiblen und universellen Hardware-in-the-Loop(HIL)-Plattform zur Validierung der Integration mehrerer elektronischer Steuergeräte (ECUs) für ein Parallel-Hybridfahrzeug

The Solution:
Nutzung der Skalierbarkeit der PXI-Plattform und der einsatzfertigen Funktionalität der Software NI VeriStand zur Erstellung eines Prüfsystems, das gleichzeitig sechs miteinander verbundene ECUs für Fahrzeuge testen konnte und in nur zwei Monaten fertiggestellt wurde

Author(s):
Sanjay Mane - TATA Motors

Über TATA Motors

TATA Motors ist Indiens größtes Automobilunternehmen. Bei Nutzfahrzeugen ist es in jedem Segment Marktführer und gehört zu den Spitzenherstellern von Pkws. Das Unternehmen wurde für seine Kompakt-, Mittelklassen- und Nutzfahrzeuge ausgezeichnet. Überdies ist TATA Motors der weltweit fünftgrößte Lkw- und der viertgrößte Bushersteller.

Wir sind als Teil des Advanced Integration Team für TATA Motors dafür verantwortlich, die Integration wichtiger elektronischer Komponenten in ein Fahrzeug zu validieren, z. B. elektronische Steuergeräte (ECUs) und Kombiinstrumente. In diesem Rahmen tragen wir auch die Verantwortung dafür, auf gemeldete Feldausfälle zu reagieren und sie zu beheben sowie Feedback für die entsprechenden Teams zu erstellen. Im weitesten Sinne ist das Advanced Integration Team eine Brücke zwischen der Entwurfsphase der Fahrzeugentwicklung und dem endgültigen Einsatz des Fahrzeugs.

Details zur Anwendung

Unser Projekt hatte die Erstellung eines universellen Testaufbaus zum Ziel, der sich mit nur geringem Aufwand für Tests beliebiger ECUs anpassen lassen würde. Das System musste außerdem skalierbar sein, um auf mehrere ECUs simultan eingehen zu können. Auch sollte es flexibel genug sein, um mit mehreren ECUs simultan kommunizieren zu können.

Für eines der neueren Parallel-Hybridfahrzeuge trafen wir die Entscheidung, alle ECUs und elektronischen Bauteile in einer Laborumgebung zu integrieren und diese Integration mithilfe eines Hardware-in-the-Loop-Tests zu validieren. Wir wollten möglichst alle denkbaren Feldszenarien bedienen und Problemstellungen lösen können, bevor wir den ersten physikalischen Prototyp montierten. Die Ergebnisse des Integrationstests könnten maßgeblich zur Auswahl der ECU-Software und zur Evaluierung der Optionen von mehreren Anbietern mit mehreren Funktionen beitragen.

Bei der anfänglichen Konzepterstellung des Fahrzeugdesigns isolierten wir vier der wichtigsten ECU-Komponenten und entwickelten den Testplan gemäß der Anforderungen. An dieser Stelle entschieden wir uns für ein HIL-System eines anderen Anbieters, das unserem Bedarf entsprechen würde. Dieses System haben wir später beschafft. Zur selben Zeit verwendeten wir ein PXI-System von NI für HIL-Tests eines bestimmten Steuergeräts für ein anderes Fahrzeug. Wir waren von der Modularität der PXI-Technologie sehr angetan. Wir betrachteten die Vorteile der PXI-Plattform und investierten in ein echtzeitfähiges PXI-System von NI, das wir für zukünftige Anforderungen verwenden könnten.

Im Verlauf der Entwicklung des Fahrzeugdesigns im Laufe der kommenden Monate erhöhte sich die Anzahl wichtiger ECUs von vier auf sechs. Wir verfügten nun im HIL-System des anderen Anbieters, das für unsere ursprünglichen Anforderungen für vier Steuergeräte maßgeschneidert wurde, nicht über genügend Kanäle. An diesem Punkt stellten wir auf das echtzeitfähige PXI-System von NI um und begannen, mit der Software NI VeriStand zu arbeiten.

Wir fügten ein paar Module hinzu, sodass unsere Anforderungen an die Kanalanzahl erfüllt wurden. Nachdem wir uns einige Zeit mit VeriStand befasst hatten, waren wir in der Lage, die Testsoftware für sechs ECUs in unter zwei Monaten zu entwickeln.

Systemarchitektur

Abb. 1: Architektur des Gesamtsystems

Mehrere Regelstrecken wurden innerhalb der VeriStand-Engine simultan ausgeführt, die mit den entsprechenden ECUs über physikalische I/O mittels eines CAN-Netzwerks kommunizierte. Die ECUs wiederum kommunizierten über ein gemeinsames CAN-Netzwerk miteinander. Wir integrierten einige physikalische Komponenten in den Aufbau, z. B. das AGR-Ventil, Motoren und elektrische Lasten.

In den meisten Fällen entsprach die Modell-I/O der Hardware-I/O. Bestimmte nicht standardmäßige Signale, wie etwa die von Nocken- und Kurbelwellen, erforderten jedoch eine Inline-Verarbeitung. Mithilfe des NI LabVIEW FPGA Module und der NI-RIO-Technologie (RIO, rekonfigurierbare I/O) integrierten wir die Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung und Signalverarbeitung für diese Signale in VeriStand, was uns enorme Flexibilität bot.

Abb. 2: Bedienoberfläche des Systems

Im Verlauf des Tests simulierten wir die Fahrbedingungen und überwachten das CAN-Netzwerk auf fehlerhafte Frames und Diagnosemeldungen von verschiedenen ECUs. Diese Frames dienten als Qualitätsindikator der Integration und halfen uns dabei, mögliche Ausfälle zu identifizieren. Des Weiteren isolierten wir Problematiken mit der ECU-Firmware. Wir lieferten dem Designteam, und in manchen Fällen auch den Zulieferern, Rückmeldungen zu diesen Tests.

Wesentliche Vorteile

Das auf NI-Produkten basierende HIL-Prüfsystem unterstützte uns dabei, bestimmte Herausforderungen unseres bisherigen Aufbaus anzugehen und ermöglichte es uns zudem, produktiver zu arbeiten. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:

  • Skalierbarkeit: Wir benötigten skalierbare Prüfsysteme für die unserem Team zugewiesenen Projekte. Dies konnten wir mit PXI erreichen. Anforderungen an die Systemkanäle könnten sich im Laufe der Zeit ändern. Daher stellte eine maßgeschneiderte Lösung ein Hindernis dar. Da sich Module leicht zum PXI-Chassis hinzufügen ließen, war der Upgrade-Prozess recht simpel, und wir konnten unser System weitgehend zukunftssicher gestalten.
  • Flexibilität: Wir wollten ein System erstellen, das wir auch für zukünftige Tests von Steuergeräten für andere Fahrzeugmodelle verwenden konnten. Unser Prüfsystem beinhaltete allgemeine Hardwaremodule und individuell anpassbare Software und war damit flexibel genug. Derselbe Aufbau kann für unterschiedliche ECUs mit nur zwei Änderungen verwendet werden: Es ist ein neues VeriStand-Projekt mit neuen Regelstrecken zu erstellen und die physikalischen Verbindungen zu den neuen ECUs müssen neu hergestellt werden.
  • Produktivität: Manchmal lagen uns für Tests keine physikalischen ECUs vor. In diesen Fällen konnten wir stattdessen das ECU-Simulationsmodell nutzen und die Regelstrecke abbilden. Die einfache Möglichkeit zur Abbildung von Hardware-I/O auf Modell-I/O und Parameter erhöhte die Produktivität erheblich. Ich habe ausschließlich am VeriStand-Projekt gearbeitet und war in der Lage, die Software in weniger als einem Monat zu erstellen.
  • Hardwarequalität: Im Vergleich zu unserem alternativen System war die PXI-Hardware, was Qualität und Zuverlässigkeit betrifft, überlegen. Die Möglichkeit, FPGAs zu programmieren, sorgte außerdem dafür, dass wir beinahe perfekte Systemantworten erzielen konnten.

Gründe für die Auswahl der HIL-Plattform von NI

Mithilfe der modularen Hardware und erweiterbaren Software von NI erstellten wir ein zukunftssicheres, zuverlässiges und anpassbares HIL-Prüfsystem. Die Möglichkeit, das System selbst benutzerdefiniert anzupassen, ließen unser Vertrauen in die Testergebnisse wachsen, und kontinuierlicher Support von NI halfen uns, unsere Zielsetzungen schneller zu erreichen.

Abb. 3: Aufbau des HIL-Systems

Author Information:
Sanjay Mane
TATA Motors

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