Komplexe Ziele trotz Dynamik erfüllen – Entwicklung eines HIL Prüfstands für ein E-Auto-Startup Unternehmen

Was für eine Herausforderung! Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten in einem Startup-Unternehmen für E-Autos (EF/EV) und sollen einen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand entwerfen. Alles ist neu – Hardware, Software, Tools, Tester und Testcode – aber trotzdem muss das System möglichst genau arbeiten und die Betriebsumgebung korrekt simulieren. Darüber hinaus arbeiten Sie an einem Steuergerät (ECU), das mit den EV-Batterien verbaut ist. Für eine gründliche Prüfung müssen diese weit über deren Nennwerte hinaus belastet werden und da das Testumfeld recht gefährlich sein kann, benötigen Sie einen praktisch explosionssicheren Schutzraum.

Alles in allem eine Dynamik mit hohem Risikopotenzial. Und weil es ein Startup ist, gibt es natürlich sehr ehrgeizige Zeitvorgaben, aber ohne bewährte Produkt-Roadmap, anhand der man Prüfstandanforderungen bereits zwei bis drei Jahre im Voraus präzise vorhersagen könnte. Der momentane Horizont liegt hier höchstens bei sechs Monaten und deshalb werden Sie ein sehr flexibles und skalierbares System benötigen.

Hardware-in-the-Loop Simulation für elektronische Kfz-Steuergeräte

Steuergeräte (ECUs) sind das Herzstück vieler Produkte. In der Entwicklungsphase werden HIL-Simulationssysteme zur Prüfung des Betriebsverhaltens von ECUs in einer simulierten Umgebung eingesetzt, die der späteren realen Betriebsumgebung signaltechnisch 1:1 entspricht. Ansteuer- und Messgeräte simulieren die Sensoreingänge der ECU bzw. erfassen und prüfen die Antwortsteuersignale der ECU. Sicherheitsrelevante Steuerungen erfordern eine Zertifizierung, bei der Fehler wie Leitungsbruch und Kurzschluss simuliert werden und das Antwortverhalten der ECU, ob sie vorhersehbar und vor allem sicher reagiert, analysiert wird. Dank automatisierter Fehlersimulationssysteme können solche Verifizierungsverfahren effizient, wiederholbar und kontrolliert durchgeführt werden.

Hardware-in-the-Loop Simulation

Die Umgebungsbedingungen in einem Fahrzeug können oft äußerst rau sein, insbesondere für Sensoren, die einem sehr großen Temperaturspektrum ausgesetzt sind. Fehler können auftreten durch Korrosion, Alterung, Beschädigung oder sogar fehlerhaftem Einbau. . 

Aufgrund vieler Funktionen und Optionen, die in Fahrzeugen verfügbar sind, insbesondere durch mehr elektronische Systeme wie autonomes Fahren, Infotainment, KI und Sicherheit, sind ECUs zunehmend komplexer, sodass die Genauigkeit von HILS von entscheidender Bedeutung ist.

Bei E-Fahrzeugen kommt eine weitere Herausforderung dazu: Während bei einem Verbrenner die Batterie ein relativ einfaches Bauteil ist, ist sie beim E-Auto eine der Hauptbaugruppen, deren Steuereinheit für einen sicheren Betrieb sehr präzise, effizient und garantiert zuverlässig funktionieren muss.

Softwarebasiertes Testen einer Batterie-ECU in einem E-Auto-Startup-Unternehmen

Pickering Interfaces liefert Produkte und Dienstleistungen zur Optimierung bei Entwicklung, Betrieb und Erhaltung von leistungsfähigen elektronischen Test- und Prüfsystemen. Ein Team, das die softwarebasierten Prüfsysteme für Batterie-ECUs in dem Startup entwerfen sollte, kam auf das Unternehmen zu. Man benötige sowohl einen vollständigen HIL-Prüfstand als auch eine kompakte Tischprüfanlage.

Drei Aspekte mussten betrachtet werden: Erstens fand sich das Team in einer sehr dynamischen Welt wieder. Als Startup auf dem Weg in ein neues Marktsegment befand sich das Produktangebot noch im Aufbau, während gleichzeitig ständig neue Anforderungen hinzukamen. Daher gestaltete sich die Planung und Umsetzung langfristiger Teststrategien unter Nutzung derselben Testbausteine als schwierig. Zweitens war einfach alles neu: Software, Hardware und die Sensorik. Sowohl bei Hardware als auch Software mussten Fehler behoben werden und manchmal war nicht ganz klar, ob der Fehler in der Hardware oder Software zu suchen war. Die Batteriekonfiguration war ebenfalls neu. Und selbst das Testteam war neu – zumindest in dieser Zusammenstellung, auch wenn alle Mitglieder sehr erfahrene Fachleute waren. Und drittens war die Testumgebung potenziell gefährlich. Zur Gewährleistung der notwendigen Funktions- und Betriebssicherheit mussten die Batterien weit über deren Nennwerte geprüft werden. Hierzu waren Ströme bis 50 A und hohe Spannungen erforderlich. Daher war eine ausreichende Redundanz äußerst wichtig.

Vor diesem Hintergrund war immer zu gewährleisten, dass das Prüfsystem funktionssicher, präzise und wiederholbar arbeitete und gleichzeitig auf dynamische Entwicklungen in der Hardware und Software reagieren konnte. Das Team nannte es „eine monumentale Herausforderung, alle Teile gleichzeitig zu optimieren und dabei einen äußerst ambitionierten Zeitplan einzuhalten.“

Also musste die Software-Prüfplattform erweiterbar und sehr flexibel sein. Die Entscheidung für Prüf- und Messtechnik auf Basis der De-facto-Standardformate PXI and LXI war hier nur logisch. Das E-Fahrzeug-Startup wollte nicht darauf verzichten, neben dem voll funktionsfähigen HIL-Prüfstand auch eine flexible Tischausführung in seiner Softwareteststrategie einzusetzen.

HIL-Simulationssysteme müssen die zukünftige Betriebsumgebung der Prüflinge nachbilden. Dies lässt sich durch den Einsatz von Modellen oder durch konstruktive, physische Mittel erreichen. Hier kommt es vor allem auf Genauigkeit und Wiederholbarkeit an. Modelle können zwar sehr platz- und kosteneffektiv sein, aber die Genauigkeit kann leiden. Bei Batterien ist die Temperaturregelung sehr wichtig, um eine thermische Zerstörung zu verhindern. Bei Batterien für E-Fahrzeuge können ohne weiteres mehr als 100 Thermistoren zum Einsatz kommen. Das Entwicklungsteam entschied sich für die Verwendung programmierbarer Widerstände für die Simulation der Thermistoren (sie sind schließlich auch eine Art Widerstand). Die programmierbaren Widerstände decken darüber hinaus die gesamte Charakteristik der tatsächlichen Sensoren ab, inklusive der Schwankungen und Abweichungen im Temperaturverlauf – vom EV-Unternehmen als ‚thermisches Isotop‘ beschrieben. Die Simulation von mehr als 100 Sensoren lässt sich allerdings nur mit Hilfe programmierbarer Widerstandskarten mit möglichst vielen Kanälen realisieren, damit die Prüfsysteme nicht zu groß werden. Der Kunde bemerkte, dass das Prüfsystem komplexer sei als das eigentliche System, um alle möglichen Eventualitäten simulieren und testen zu können.

Die Fehlersimulation ist ein weiterer Aspekt: wie bildet man einen Kabelbruch nach und wie sieht die Reaktion darauf aus? Bei der Ansteuerung großer Relais fließen Ströme bis zu 50 A, die so einiges verschweißen können, also muss die gesamte Konfiguration bis 50 A strombelastbar sein und in vorgegebener Zeit reagieren und wirksam abschalten bzw. trennen können.

Lösungen von Pickering

Der Teamleiter für die HIL-Prüfstandentwicklung hatte in seinem vorherigen Aufgabenbereich lange Jahre mit Produkten von Pickering gearbeitet. Da die vorhandenen HIL-Simulationssysteme des Teams nicht flexibel genug waren alle Prüfanforderungen zu erfüllen, hatte man entschieden, sich an Pickering zu wenden. Pickering hat in Zusammenarbeit mit dem Team eine Roadmap für ein HIL-Simulationssystem erstellt, das besser auf deren Anforderungen zugeschnitten war.

Das komplette physische HIL-Simulationssystem auf Basis folgender Produkte von Pickering:

• PXI Batteriezellensimulator (Modell 41-752) 
• PXI programmierbare Widerstandsmodule (kundenspezifische Ausführung des Modells 40-295) 
• PXI Fehlersimulationsschaltmodul (Modell 40-190B) 
• PXI Multiplexer mit hoher Kontaktdichte (Modelle 40-614C und 40-615A)
• PXI 14-slot chassis (Modell 40-914)

Das HIL-Simulationssystem wurde konzipiert für den vollständig automatischen Betrieb und die Durchführung vollständiger physischer Funktionsprüfungen über Nacht und ohne Personal. Für spezifischere und detailliertere Prüfungen hatte sich das E-Fahrzeug-Unternehmen für Tischprüfanlagen entschieden, die mit ähnlichen Produkten aufgebaut und im LXI/USB-Chassis (Modell 60-104-001) mit zwei Slots untergebracht sind. Während beim HIL-Prüfstand das Augenmerk auf Leistung, Skalierbarkeit und Flexibilität der Lösungen von Pickering lag, stand beim Tischprüfgerät die Kompaktheit klar im Vordergrund.

Neben diesen Vorteilen waren laut Entwicklungsteam die Erfahrung von Pickering als langjähriger Anbieter hochwertiger Produkte sowie deren Einfachheit bei Anwendung und Programmierung maßgebliche Kriterien bei der Entscheidung für Pickering. „Bei all den Änderungen, die wir zu bewältigen hatten, war es beruhigend, jemand an unserer Seite zu wissen, auf den man sich verlassen konnte“, so der Kunde.