Zunehmend komplexe Systeme müssen in immer kürzerer Zeit entwickelt
werden. Hierbei ist es von entscheidender Bedeutung, Fehler bereits in
den frühen Phasen der Entwicklung zu entdecken und zu korrigieren. Ein
Ansatz hierfür sind Hardware-in-the-Loop(HIL)-Teststände. Mit HIL wird
ein bestehendes Steuergerät an einer Modellierung seiner späteren
Umgebung getestet. Damit ist eine frühe Analyse des entwickelten
Gerätes möglich.
 Das Kraftfahrzeug-Bordnetz: Garant für Spannungsstabilität und Funktionssicherung
Die Hauptanforderungen an elektrische Kraftfahrzeug-Bordnetze liegen in
der Spannungsstabilität und der Funktionserfüllung. Darunter versteht
man die Startfähigkeit, die abgesicherte Versorgung für elektrische
Verbraucher sicherheitsrelevanter Systeme sowie die Erfüllung der
Anforderungen an diese, wie zum Beispiel der Komfort-Funktionalitäten.
Um dies alles zu garantieren, werden moderne
Fahrzeug-Bordnetze mit Energiemanagement-Funktionalitäten ausgestattet.
Abhängig von der Serienausstattung der betrachteten Fahrzeuge reichen
die Maßnahmen eines Energiemanagements von der reinen Stabilisierung
der Bordnetzspannung durch Erhöhung der Generator-Leerlaufspannung bis
hin zur Vorhersage der Batterie-Startfähigkeit für zukünftige
Zeitpunkte durch eine vorausschauende Diagnose von Lade- und
Batteriezustand.
Ein Energiemanagement-Steuergerät hat daher die primäre Aufgabe, die
jeweils aktuelle Leistungsfähigkeit der Batterie zu ermitteln und
dementsprechend die Verbraucher zu priorisieren.
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Projekt HIL-Prüfstand: Steuergerätefunktion des Energiemanagement-Steuergeräts erproben
Die Aufgabe für die Ingenieure der Abteilung Automobilelektronik im
Technikum Ehningen bestand in der Entwicklung und im Aufbau eines
HIL-Prüfstands, der automatisch die Steuergerätefunktionen eines
Energiemanagement-Steuergeräts gemäß einer vorgegebenen
Prüfspezifikation erprobt. Dabei sollte die Prüfzeit reduziert und eine
Wiederholbarkeit der Prüfungen unter den selben Testbedingungen im
Vordergrund stehen.
Vor diesem Hintergrund werden dem Steuergerät verschiedene
Stimuli wie Spannung, Strom, Temperatur und die Simulation des
Restbusses über CAN-Bus vorgegeben. Die Reaktionen des Steuergerätes
werden als CAN-Botschaften ausgegeben und über CANape und CANoe im
Rechner erfasst und mit den Vorgaben verglichen. Dieser Vergleich und
die erwarteten Werte entscheiden über die korrekte Funktion des
Steuergerätes. Nachdem die Hard- und Software getestet und in Betrieb
genommen war, erfolgte die Erprobungsdurchführung mit anschließender
Dokumentation der Ergebnisse. |
 Das Herzstück des Prüfstands:
Die zentrale Koppelbox – Hochstrom-Netzteil mit Schaltschützen und induktiver Strommessung.
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Das Prüfstandskonzept: Zusammenwirken von Hard- und Software
Die Testspezifikationen für das Steuergerät stellte der Kunde zur
Verfügung. Auf dieser Basis wurden zu Beginn des Projekts ein Konzept
für Hard- und Software erarbeitet. Im Anschluss konnten die
Hardwarekomponenten auf die speziellen Prüfspezifikationen
zusammengestellt und dimensioniert werden. Auf der Softwareseite wurden
zwei kommerzielle Tools von Vector eingesetzt: CANoe für die
Restbussimulation und Erfassung der CAN-Botschaften sowie CANape, um
die Steuergeräte-Parameter aufzuzeichnen.
Die Kommunikation zwischen CANoe und CANape erfolgt dabei über ein mit
Visual-Basic programmiertes Gateway über die
Microsoft-COM-Schnittstelle. Aus den Testspezifikationen wurden nun die
einzelnen Prüfschritte in Schrittketten zusammengestellt und mit Hilfe
einer Ablaufsteuerung in LabView programmiert und ausgeführt. Die
Ablaufsteuerung gibt in diesem Zusammenhang die Stellgrößen vor,
erfasst die physikalischen Messgrößen und sorgt für die
Ergebnisdokumentation. Sie besteht aus vielen wieder verwendbaren
Einzelmodulen – sogenannten funktionalen Blöcken – die wiederkehrende
Prüfabläufe abbilden. Hierzu gehören zum Beispiel zeitliche
Spannungsverläufe, Spannungen und Ströme einstellen, das Warten auf
Ereignisse, die Steuerung von CANoe über CAN sowie die Datenablage. Die
Ablaufsteuerung steuert zudem den zeitlichen Ablauf der einzelnen
Module. Die Information über den zeitlichen Ablauf kommt aus der
Schrittkette.
1 Signalverteilung 2 Screenshot der Bedienoberfläche 3 Messschränke HIL-Prüfstand
Das
gesamte Restbusverhalten für den Prüfling wird mit CANoe simuliert. Das
Senden und Empfangen von Nachrichten an bzw. vom Steuergerät wird durch
einen in CAPL programmierten Messknoten gesteuert (Restbussimulation).
Dadurch werden die Anforderungen der Prüfspezifikation an die
CAN-Kommunikation mit dem Steuergerät (Restbusparameter, Wertevorgabe,
Auslesen von Werten mittels CANape und die Diagnosefunktion)
abgebildet. Bei der Umsetzung dieses Konzepts arbeiteten die
Elektronik-Ingenieure eng mit Kollegen aus dem Versuch zusammen, die
ihre Erfahrung im Prüfstandsbau und der LabView-Programmierung
einbrachten. Niederlassungsübergreifend unterstützten
Bertrandt-Ingenieure aus Ingolstadt die CAPL-Programmierung.
Prüfstandsentwicklung und -aufbau: Koppelbox als zentrales Hardwareelement
Nach der gemeinsamen Konzeptentwicklung im Bertrandt Engineering
Network wurde der Prüfstand in Ehningen aufgebaut. Dieser besteht aus
zwei Messschränken, einer Klimakammer und zwei Laptop-Rechnern. Im
ersten Messschrank befindet sich ein Industrie-PC,
Messwerterfassungskarten von National Instruments und Netzteile mit
Festspannungen sowie weitere programmierbare Netzteile (0–45 V, 0–70
A). Der zweite Messschrank enthält einen Hochstromkonstanter für Ströme
bis 1000 Ampere und entsprechend dimensionierte Schaltschütze zum
Umpolen der Spannung sowie die dazugehörige induktive Hochstrommessung.
Abgeleitet aus den CAN-Bus-Informationen liefert eine bitserielle
Schnittstelle (BSS) Informationen über den Generatorstrom.
Das BSS-Modul bildet hierbei die Schnittstelle zwischen
CAN-Bus und der seriellen Leitung zum Steuergerät. Die
Hardware-Komponente CANstress belastet optional den CAN physikalisch.
Zum »Flashen« des Steuergerätes wird ein Diagnose-Tester eingesetzt.
Die Koppelbox ist das zentrale Hardwareelement des
Steuergeräte-Prüfstands, das alle Hardware-Komponenten miteinander
verbindet. Hier laufen alle Spannungs- und Stromquellen zusammen und
können entsprechend zielgerichtet an das Steuergerät verteilt werden.
Als Ausgangsinformation werden verschiedene Ströme und Spannungen sowie
die Temperatur des Steuergerätes gemessen. Des Weiteren die
verschiedenen Systeme wie zum Beispiel das Ablaufsteuerungsprogramm,
die Restbussimulation und Diagnose-Tester miteinander verbunden.
Erprobung: Steuergeräte-Prüfung im HIL-Püfstand
Vor der eigentlichen Prüfung des Steuergerätes muss eine
Systemintegration durchgeführt werden. Diese dient dazu, das
Zusammenspiel der verschiedenen Software-Module untereinander und mit
der Hardware zu testen. Der Prüfstand ist nun testbereit.
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Systemdarstellung des Hardware-in-the-Loop-Prüfstands
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Die vom Steuergeräte-Entwickler vorgegebenen Testspezifikationen werden
dabei in verschiedene Prüffallgruppen unterteilt, die unterschiedliches
Gewicht auf die verschiedenen Hard-, Software- und
Diagnosefunktionalitäten legen. Die Prüffallgruppen sind wiederum in
Prüffälle unterteilt und diese in einzelne Prüfschritte. Diese
Prüfschritte werden weitestgehend ohne manuelle Eingriffe am
HIL-Prüfstand abgearbeitet. Der Durchlauf einer einzelnen Erprobung
kann von fünf Minuten bis zu mehreren Tagen dauern, wobei in bestimmten
Prüfschritten Wartezeiten bis zu elf Stunden erforderlich sind, um das
Eintreten spezieller Ereignisse überprüfen zu können. Die Erprobungen
finden üblicherweise bei einer Raumtemperatur von +25 °C statt.
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Ein Großteil der Prüfschritte wird anschließend bei Temperaturen von
-40 °C und +70 °C wiederholt. Das zu prüfende Steuergerät befindet sich
hierbei in einer Klimakammer. Die automatisch generierten Ergebnisse
werden nun plausibilisiert und zur Vereinfachung der Auswertung in die
entsprechende Testspezifikation eingetragen.
Fazit
Mit dem in einer niederlassungsübergreifenden
Zusammenarbeit entwickelten HIL-Prüfstand kann Bertrandt Erprobungen
für Energiemanagement-Steuergeräte durchführen. Dabei wird abhängig von
der Prüffallgruppe ein Automatisierungsgrad der Messungen bis zu 100%
erreicht. Ein erhöhter Betreuungsaufwand ist lediglich bei manuellen
Eingriffen, wie beispielsweise beim »Flashen« des Steuergerätes
notwendig. Eine Erweiterung des Prüfungsumfangs nach Kundenwunsch kann
durch Anpassung der CAPL-Programme und Programmierung zusätzlicher
LabView-Module realisiert werden.
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