Sensorik und Messtechnik: System statt Straße

Testfahrten auf der Straße sind in der Fahrzeugentwicklung gängige Praxis – jedoch teuer und durch äußere Einflüsse wenig reproduzierbar. Subaru hat daher ein neues Hardware-in-the-loop-Testsystem für E-Fahrzeuge entwickelt, das Lastbedingungen wie bei Straßenfahrten reproduzierbar macht. Wie es aufgebaut ist. › von Daisuke Umiguchi, Sho Abe und Kyosuke Tomoyasu

Moderne Fahrzeuge bestehen aus zehntausenden Komponenten, die zusammen Funktionseinheiten bilden wie Motoren, Bremsen, Getriebe und Antriebe. Diese Einheiten werden mithilfe von speziell auf die jeweilige Einheit zugeschnittenen Geräten zunächst einzeln getestet. Beispielsweise wird der Motor in einem Motorprüfstand (Dynamometersystem) und das Getriebe in einem Getriebeprüfstand getestet. Für das Testen elektronischer Steuergeräte kommt ein dediziertes Hardware-in-the-loop-System (HIL) zum Einsatz.

Nachdem die Einheiten einzeln getestet wurden, werden mehrere Einheiten miteinander kombiniert und zusammen getestet. Dies gestaltet sich jedoch zunehmend schwierig: In der Vergangenheit konnten kombinierte Einheiten zusammen getestet werden, selbst wenn die Steuergeräte nicht miteinander koordiniert waren. Bei modernen Fahrzeugen müssen jedoch alle Steuergeräte genau aufeinander abgestimmt und präzise gesteuert werden, um die ordnungsgemäße Funktionsweise zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für Elektrofahrzeuge, weshalb Fahrzeugtests immer häufiger erst dann durchgeführt werden können, wenn alle Einheiten zu einem vollständigen Fahrzeug zusammengefügt wurden.

Die Krux mit den Testfahrten

Herkömmlicherweise wurden Fahrzeugtests mit komplett fertiggestellten Autos durchgeführt, wobei Testfahrer die Fahrzeugleistung und -reaktionen bei echten Straßenfahrten überprüften. Die Tests wurden zunächst auf Teststrecken und anschließend auf öffentlichen Straßen durchgeführt. Auch wenn Testfahrten auf öffentlichen Straßen mit Einschränkungen verbunden sind, war dies die gängige Praxis bei Fahrzeugtests.

Diese Testmethode bringt jedoch verschiedene Herausforderungen und Probleme mit sich. So sind Teststrecken und öffentliche Straßen beispielsweise Witterungsbedingungen ausgesetzt, wobei je nach Wetterlage, etwa durch Regen, Wind oder Schnee, die Straßenverhältnisse beziehungsweise Fahrbahnzustände extrem schwanken. Dadurch kam es bei Durchführung derselben Tests zu teils völlig unterschiedlichen Ergebnissen, was die Reproduzierbarkeit beeinträchtigte.

Aufgrund der Schwierigkeiten mit wechselnden Straßenverhältnissen konnten notwendige Tests zudem nicht zügig durchgeführt werden. Waren darüber hinaus auch Tests in anderen geografischen Regionen wie Europa oder den USA erforderlich, kamen hohe Reisekosten sowie ein hoher zeitlicher Aufwand hinzu, je nachdem wie häufig Tests wiederholt werden mussten.

Ein Prüfstand sollte her

Subaru entschied, Tests nicht mehr auf der Straße durchzuführen, sondern mithilfe eines Prüfstands unter Ausschluss umweltbezogener Faktoren. Das Ziel war es, umfassende Tests unter exakt denselben Bedingungen wiederholt durchführen und dabei Vorgaben wie „Temperatur: 30 Grad Celsius, Steigung: 30 Prozent“ festlegen zu können.

Heute nutzt Subaru für Validierungstests nicht mehr echte Straßen, sondern eine HIL-Simulationslösung von NI basierend auf PXI-Produkten und Labview-Software. Mit der HIL-Lösung können Steuergeräte im Fahrzeug unter Ausschluss von Umweltfaktoren in einer virtuellen Umgebung umfassend und effizient getestet werden, bevor das gesamte System einer Diagnose unterzogen wird.

„Wir konnten mithilfe von NI-PXI-Produkten und Labview in nur ein bis zwei Wochen ein benutzerdefiniertes HIL-System implementieren und unsere Software unternehmensintern entwickeln“, erläutert Daisuke Umiguchi, Electrified Power Unit Research and Experiment Department bei Subaru. „Dadurch waren wir in der Lage, die Anschaffungskosten für das Testsystem auf circa ein Drittel der Kosten für Lösungen anderer Anbieter zu senken. Und da wir bereits mit Labview gearbeitet haben, konnten wir auch unsere Software für ungefähr ein Sechstel der Kosten entwickeln, die für die Beauftragung eines externen Entwicklers angefallen wären.“

Darüber hinaus hat Subaru seine Testlösung auch mit einem Controller-gestützten Dynamometer von Horiba sowie mit dem Virtual-Mechanics-Implementierter Carsim für die Fahrdynamiksimulation ausgestattet, um ähnliche Lastbedingungen wie bei Straßenfahrten zu erzeugen. Das Antriebssystem überträgt die berechneten Werte in Echtzeit an das NI-HIL-System, sodass zwischen den auf dem HIL- und dem Antriebssystem ausgeführten Modellen ein geschlossener Regelkreis entsteht. Somit wird sichergestellt, dass während der Tests immer die passende Last durch das HIL-Interaktionssystem anliegt.

Hohe Akzeptanz gab Ausschlag

Subaru hat sich aus verschiedenen Gründen für die Lösung von NI entschieden. Einer der wichtigsten Gründe war die breite Labview-Anwenderbasis. Da Labview im Hochschulbereich häufig eingesetzt wird, beginnen viele Ingenieure bereits während des Studiums mit der Arbeit in Labview. So hatten zahlreiche Ingenieure bei Subaru schon umfassende Erfahrungen mit der Entwicklungsumgebung und auch bereits verschiedene Tests mit NI-Produkten durchgeführt.

Ein weiterer Aspekt war, dass Produkte anderer Hersteller eher dem Black-Box-Prinzip folgen und so gut wie keine benutzerdefinierten Anpassungen erlauben. NI-Produkte hingegen bieten den großen Vorteil, dass sie fortlaufend an wechselnde Anforderungen angepasst werden können.

Dadurch, dass viele Ingenieure bei Subaru bereits mit Labview gearbeitet haben, konnten die Projektkosten relativ gering gehalten werden. Wäre die Entscheidung zugunsten eines anderen Anbieters gefallen, wäre wahrscheinlich ein Outsourcing des Projekts notwendig geworden. Dadurch hätte die Implementierung des Systems circa sechs Monate in Anspruch genommen und die Entwicklungskosten für das HIL-System hätten sich schätzungsweise verdreifacht. Außerdem wären selbst bei kleinen Änderungen weitere, nicht unerhebliche Kosten angefallen.

Durch die Wahl von Labview als Entwicklungsplattform war Subaru in der Lage, die Software komplett unternehmensintern zu entwickeln. Im Hinblick auf die Gesamtkosten konnte Subaru die Ausgaben für das System auf nur ein Viertel der Kosten anderer Lösungen senken.

Zukünftige Entwicklung

Wie ursprünglich geplant, wird Subaru das System für Fahrzeugtests am Ende der Entwicklungsphase einsetzen. Es dient der abschließenden Qualitätskontrolle durch die Simulation erwartbarer Nutzeraktionen und die Überprüfung auf mögliche Probleme. Mit dem Einsatz des Systems werden die notwendigen Arbeitsstunden im Vergleich zu herkömmlichen Testmethoden um schätzungsweise die Hälfte reduziert. Die Lösung wird zunächst für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Es ist jedoch auch eine künftige Nutzung für alle anderen Fahrzeugtypen geplant. jbi ‹

Autoren

Daisuke Umiguchi arbeitet in der Abteilung Electrified Power Unit Research and Experiment bei Subaru.
Sho Abe ist Assistant Section Leader, Driveline System Designing Team, in der Abteilung Automotive Measurement System Design bei Horiba.
Kyosuke Tomoyasu ist Sales Manager bei der Virtual Mechanics Corporation.

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