Test des véhicules hybrides Subaru grâce à la simulation Hardware-in-the-Loop

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"En adoptant la simulation basée FPGA sur plates-formes matérielles et logicielles NI, nous avons atteint la vitesse de simulation et la fidélité au modèle requises pour la vérification d'une unité de contrôle électronique (ECU) pour moteur électrique. Nous avons divisé le temps de test par 20 comparé à l'estimation faite pour un test équivalent sur un dynamomètre."

- Mr. Tomohiro Morita, FUJI Heavy Industries, Ltd.

The Challenge:
Utiliser le test automatique afin de développer un nouveau système de vérification capable de satisfaire la qualité de contrôle requise pour l'unité de contrôle électronique (ECU) de moteur électrique de la Subaru XV Crosstrek Hybrid, premier véhicule hybride de série de Subaru, et créer des conditions rudes, difficiles à obtenir avec de vraies machines.

The Solution:
Construire un système de vérification à l'aide de la plate-forme NI FlexRIO permettant l'exécution automatique de toutes les séquences de test et reproduisant les environnements de test les plus rigoureux afin de garantir à l'utilisateur le plus haut niveau de sécurité, tout en atteignant la vitesse de contrôle nécessaire et en respectant les échéances serrées.

Author(s):
Mr. Tomohiro Morita - FUJI Heavy Industries, Ltd.

À l'heure actuelle, les automobiles sont équipées d'un très grand nombre d'ECU permettant de gérer des fonctionnalités étendues et des commandes avancées. Dans un véhicule hybride, l'ECU de moteur joue un rôle encore plus complexe dans la mesure où elle gère l'interaction entre le moteur conventionnel et le moteur électrique, accompagné de ses systèmes d'alimentation.

Fuji Heavy Industries, maison mère de Subaru, a entrepris de développer son premier véhicule hybride : la Subaru XV Crosstrek Hybrid. Il s'agit du premier essai pour fournir un véhicule hybride de série ciblant aussi bien le marché domestique japonais que le marché nord-américain. Nos ingénieurs avaient déjà développé une ECU de moteur pour un précédent prototype hybride, mais le composant ne répondait pas aux exigences rigoureuses déterminant la mise sur le marché. Pour le véhicule de série, l'ECU nécessitait différentes fonctionnalités de contrôle afin d'éviter tout dommage au niveau de la carrosserie et garantir la sécurité du conducteur et des passagers, y compris dans des scénarios difficiles, voire impossibles à tester sur du matériel physique.

Par exemple, sur route verglacée, une roue peut subir une brusque perte de traction. En cours d'accélération cela peut entraîner une augmentation considérable de la vitesse du moteur et doit être traité avec précaution. Toutefois, ce comportement ne peut pas être reproduit physiquement sur un dynamomètre et il est difficile et chronophage à reproduire sur une piste d'essais. Étant donné que des algorithmes de contrôle complexes pour des conditions de sécurité spécifiques comme celles-ci doivent être développés et vérifiés, le test devait tenir compte des conditions de fonctionnement inhabituelles afin de satisfaire le niveau de qualité requis pour un véhicule de série.

Une nouvelle approche

Nos ingénieurs ont connecté l'ECU à une simulation de moteur électrique en temps réel pour tester et vérifier tout un éventail de conditions, y compris les cas extrêmes susceptibles d'endommager le système dans le cadre de tests mécaniques traditionnels. Ils ont développé un mécanisme pour confirmer cette approche de simulation logicielle avec trois principaux objectifs pour réussir les tests :

● Vérifier les fonctionnalités de l'ECU dans diverses conditions, notamment dans des environnements extrêmes, difficiles à créer ou à répliquer

● Faire correspondre les cas de test aux exigences pour garantir une parfaite couverture de test

● Effectuer des tests de régression avec facilité afin de rapidement valider les itérations de conception

Pour atteindre ces objectifs, notre équipe a utilisé une approche de diagramme en V afin de lancer le processus de conception et de vérification (Diagramme 1). Le diagramme décrit une méthodologie en plusieurs phases pour la validation de la conception et du déploiement de logiciels embarqués, y compris les tests à chaque étape. À plusieurs étapes du processus de conception, l'équipe avait besoin que le système hardware-in-the-loop (HIL) vérifie l'ECU de moteur en la comparant à la simulation temps réel qui représentait très précisément le véritable moteur du véhicule. De plus, avec le système HIL, nos ingénieurs pouvaient répondre aux exigences de traçabilité en enregistrant automatiquement les résultats de test et en automatisant les tests de régression lorsque qu'une modification était apportée à l'ECU.

Diagramme 1. Processus de développement (diagramme en V) pour l'ECU de moteur

Succès du système

Le nouveau système de vérification est composé d'une ECU de moteur réel et d'un système HIL qui simule le fonctionnement du moteur (diagramme 2). Le système HIL peut représenter n'importe quelle condition de fonctionnement du moteur en définissant des paramètres physiques tels que l'inductance ou la résistance. Il peut également définir les paramètres de l'électronique de puissance, notamment les états défectueux ou les scénarios de test comme les combinaisons de couple de charge et de vitesse de rotation souhaitée. En modifiant simplement un paramètre au milieu du test, le système HIL peut aisément simuler des scénarios de test complexes comme l'exemple précédent de perte de traction ou même une défaillance de l'électronique de puissance dans l'onduleur qui détruirait le matériel physique. Lorsque l'opérateur demande une séquence de test, le système HIL répond comme le ferait un moteur réel. La réponse de l'ensemble du système peut ensuite être confrontée aux attentes afin de confirmer que le contrôleur traite correctement le cas de test.

Diagramme 2. Environnement de vérification utilisant le système HIL

Comme ce processus nécessitait des performances de calculs très élevées, nous étions convaincus que National Instruments était le seul fournisseur à pouvoir satisfaire ces exigences. Pour composer notre système, nous avons choisi du matériel basé sur les modules FPGA NI FlexRIO , à savoir des contrôleurs au format PXI équipés de circuits FPGA. Les modules exécutaient un modèle représentant le fonctionnement simulé des moteurs, avec tous les programmes déployés utilisant le logiciel de conception de systèmes NI LabVIEW.

Nous avons créé le scénario de test pour l'exécution séquentielle de chaque séquence de test sous la forme d'un tableau Excel. Nous avons défini le temps pour le pas d'exécution à 1 ms et décrit les conditions de test, telles que le couple et la vitesse de rotation, de manière chronologique dans le tableau Excel. Conformément à ces conditions, l'ECU de moteur fonctionne et envoie des signaux, comme par exemple un signal de modulation de largeur d'impulsion, au système HIL. Le système HIL reçoit ces signaux puis simule le fonctionnement d'un moteur réel. Plus spécifiquement, le processus de calcul s'effectue et génère un résultat à la même vitesse que le moteur réel. Les signaux qui en découlent et représentant le couple et le courant triphasé sont renvoyés à l'ECU de moteur.

Nous automatisons le processus de vérification à l'aide de LabVIEW afin de lire et d'exécuter les tableaux Excel pour les scénarios de test, avec les résultats obtenus écrits automatiquement dans le tableau Excel pour le rapport de test. Pour ce faire, l'équipe a eu recours à Visual Basic for Applications dans Excel.

Avantages de la plate-forme NI

Dans le système HIL, la vitesse de la boucle de simulation, équivalente à la résolution temporelle en simulation, était un facteur critique. Pour l'ECU de moteur, la vitesse de la boucle devait être inférieure ou égale à 1,2 µs pour que le simulateur puisse fonctionner. La plupart des plates-formes de simulation proposées par les autres fournisseurs utilisent des microprocesseurs pour les calculs, ce qui se traduit par une vitesse de boucle de l'ordre de 5 µs à 50 µs.

Le matériel NI FlexRIO utilise le circuit FPGA pour que les tâches de contrôle et de calculs répondent aux exigences de traitement, ce qui offre également un avantage significatif en termes de performances. La possibilité d'atteindre la vitesse de simulation requise de 1,2 µs a été décisive pour l'adoption de la plate-forme NI FlexRIO dans le cadre de cette application. De plus, comme le NI FlexRIO dispose d'une mémoire RAM dynamique intégrée de capacité élevée, nous avons pu utiliser le modèle JMAG-RT proposé par la chaîne d'outils logiciels JMAG de JSOL Corp. Cela a permis de représenter les caractéristiques hautement non linéaires aussi proche que possible du moteur réel.

De plus, nos ingénieurs ont pu programmer le FPGA sur le matériel NI FlexRIO de manière graphique à l'aide du module NI LabVIEW FPGA, ce qui a permis de développer un système intégrant la technologie FPGA dans un laps de temps très bref sans recourir à un langage textuel tel que le langage de description de matériels.

Toutes les séquences de test développées peuvent être exécutées automatiquement en seulement 118 heures. On peut estimer qu'effectuer manuellement tous les tests prendrait 2 300 heures. Le test automatique limite également le temps supplémentaire et les risques engendrés par des erreurs humaines susceptibles de se produire avec le test manuel. Le système HIL présentait d'autres avantages en termes de gain de temps : notamment une diminution significative du nombre de procédures d'installation, comme la préparation d'un banc moteur et d'un véhicule de présérie. Par ailleurs, il dispensait le personnel de test de toute qualification nécessaire à la manipulation des équipements haute tension.

Pour chaque séquence de test, l'équipe préparait un tableau Excel permettant de générer un rapport de test par avance en enregistrant les valeurs simulées de courant triphasé et de couple à des intervalles de temps de 1ms. Les valeurs obtenues à partir du test HIL ont été écrites de manière séquentielle dans le tableau Excel et comparées aux valeurs attendues correspondantes afin de déterminer le résultat des tests.

Author Information:
Mr. Tomohiro Morita
FUJI Heavy Industries, Ltd.
Japan

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