System testowy HIL dla silników BMW Hydrogen 7

Pierwsze seryjne auto napędzane wodorem

Podjęta przez firmę BMW inicjatywa CleanEnergy ma na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla poprzez zastąpienie wodorem tradycyjnych paliw, takich jak ropa i benzyna, wydzielających dwutlenek węgla w trakcie spalania. Opracowana przez firmę koncepcja tradycyjnego silnika spalinowego spalającego wodór jest znacznie bardziej atrakcyjna od innych rozwiązań, nie tylko pod względem kosztów produkcji, lecz także walorów użytkowych, takich jak dynamika jazdy i zasięg. BMW Hydrogen 7 jako pierwszy spala wodór w klasycznym silniku, a dodatkowo stanowi odpowiednik sprawdzonej konstrukcji aut BMW 7.

System testowy HIL służący do badania silników aut BMW Hydrogen 7

Celem stosowania systemów testowych HIL jest analiza pracy kontrolerów oraz stanu programu i danych. Większość z nich pracuje w systemach z pojedynczym kontrolerem. Testy kontrolerów (sprzętowe) polegają na rejestracji błędów i analizie pracy pod obciążeniem elektrycznym. Tworzenie oprogramowania wymaga środowiska umożliwiającego szybkie i bezpieczne testowanie oprogramowania kontrolera we wszystkich punktach pracy.

Podstawową aplikacją na poziomie systemowym jest test komunikacji z grupą kontrolera; przeprowadzany najpierw lokalnie, a potem w pojeździe testowym z zamontowanymi wszystkimi jednostkami. W przypadku Hydrogen 7 mamy do czynienia z kontrolerami silnika, będącymi zmodyfikowanymi kontrolerami szeregowymi 12-cylindrowej jednostki Otto oraz kontrolerem CleanEnergy, bazującym na architekturze kontrolera silnika zaadaptowanego z konstrukcji lotniczych.

System testowy HIL jako układ sterowania silnikiem

Układ sterowania silnikiem Hydrogen 7 obejmuje parę kontrolerów master-slave sterujących zespołami jednostki V-12. Testowanie układu sterowania w systemie HIL wymaga połączenia z immobilizerem i centralnym kontrolerem systemu. Firma BMW opracowała specyficzne funkcje układu sterowania silnikiem związane z wykorzystaniem wodoru jako paliwa.

Opracowując funkcje kontrolera w zakładach BMW, zintegrowano procesy HIL w ramach standardowych procedur testowych w taki sposób, który umożliwia operowanie zmodyfikowanymi funkcjami przez developerów i analizowanie wyników testów bezpośrednio w systemie HIL. Aby umożliwić przewożenie systemu testowego w bagażniku normalnego pojazdu, konieczne stało się upakowanie części sprzętowej w 19-calowej szafie zawierającej maksymalnie 8–9 kart.

Z tych też względów najważniejszym wymogiem podczas konstruowania systemu testowego HIL było maksymalne ograniczenie jego wymiarów. Od pewnego czasu firma BMW produkuje mobilne systemy testowe bazujące na kompaktowym symulatorze dSPACE i symulatorze MidSize-HIL dla konwencjonalnych silników z 8 cylindrami i pojedynczym kontrolerem. Niemniej jednak, w przypadku jednostki 12-cylindrowej i dodatkowych sygnałów wykorzystywanych przez układ zasilania wodorem, całość systemu przekraczała dopuszczalne rozmiary.

Karty mikroprocesorowe i sygnałowe opracowane wyłącznie pod kątem HIL wymagają dużej przestrzeni. Ponadto, wykorzystanie kilku kontrolerów znacznie komplikuje okablowanie, ponieważ sygnały przechodzą przez zewnętrzne terminale. Wszystko to skłoniło firmę BMW do ogłoszenia przetargu na opracowanie nowej koncepcji kompaktowego i taniego w eksploatacji systemu testowego HIL.

System testowy HIL jako kontroler CleanEnergy

Kontroler CleanEnergy steruje układem regulacji ciśnienia w baku podczas jazdy, nadzoruje proces ładowania paliwa, monitoruje koncentrację gazu i inne parametry krytyczne ze względu na bezpieczeństwo oraz bada reakcję systemu na osiągnięcie wartości krytycznych. Do jego zadań należy też komunikacja z centrum serwisowym i generowanie informacji statusu dla użytkownika.

Kontroler CleanEnergy został zaprojektowany jako system 2-kanałowy wykorzystujący układy takie jak: mikroprocesory oraz układy sterowania siłownikami. Komunikuje się on z innymi obwodami za pośrednictwem pięciu kontrolerów CAN i interfejsów szeregowych. Do testowania pracy tego kontrolera opracowano kilka systemów testowych HIL. Główną trudnością było w tym przypadku zintegrowanie różnego typu obciążeń z koniecznością równoczesnej obsługi sygnałów błędów we wszystkich kanałach.

Specyficzne wymogi Hydrogen 7

System testowy HIL zbiera sygnały od wszystkich interfejsów kontrolerów za pośrednictwem kanałów wejściowych i wyjściowych. Ponieważ testowane są jedynie funkcje kontrolera, a nie sprzęt, w systemie nie są instalowane rzeczywiste obciążenia, takie jak zawory wtryskowe czy świece zapłonowe.

Zamiast nich do wyjść kontrolera są podłączane obciążenia zastępcze. Oba kontrolery analizują wszystkie sygnały typowe dla nowoczesnej 6-cylindrowej jednostki napędowej z bezpośrednim wtryskiem wraz z dodatkowymi sygnałami układu zasilania wodorem. O stopniu złożoności systemu HIL świadczy konieczność generacji sygnałów dla 4 wałków rozrządu z 6 czujnikami spalania stukowego oraz konieczność ciągłego monitorowania sondy lambda w całym zakresie temperatur.

Struktura HIL, bazująca na nowej platformie ze standardowymi komponentami sprzętowymi i programowymi, była alternatywą dla realizacji wykorzystującej dSpace. W odróżnieniu od analogowych systemów akwizycji danych ze specyficznymi układami przetwarzania sygnałów z czujników kąta, układy FPGA dają użytkownikowi możliwość dowolnego definiowania niezbędnych interfejsów.

Technologia ta zapewnia znacznie niższe koszty w przypadku systemów HIL. Oprócz specyficznie zaprojektowanej części sprzętowej HIL konieczna była także integracja oprogramowania testującego w ramach platformy i interfejsów używanych przez BMW. Nowy system musiał być dopasowany do wielu istniejących rozwiązań wypracowanych przez BMW na przestrzeni lat i bazuje na równoległej architekturze oprogramowania zapewniającej dużą wydajność.

Realizacja systemów testowych HIL z symulatorami NovaSim

System testowy HIL dla układu sterowania silnikiem Hydrogen 7 bazuje na symulatorach NovaSim HIL firmy MicroNova. Symulatory te wykorzystują moduły sprzętowe firmy National Instruments. Obejmują komputer czasu rzeczywistego współpracujący z licznymi kartami we/wy podłączonymi do szyny PXI.

Modele symulacyjne opracowano w środowisku NI LabVIEW. Podstawową ideą było wykorzystanie do budowy systemu testowego jak największej liczby komponentów standardowych, powszechnie dostępnych w sprzedaży. Ponieważ na rynku znajduje się wiele komputerów czasu rzeczywistego dla szyny PXI, dostarczanych przez różnych producentów, nie było problemem zwiększenie mocy obliczeniowej komputera czasu rzeczywistego dla symulatora HIL drugiej generacji, przy wykorzystaniu istniejącego oprogramowania.

Wchodzące w skład systemu testowego elementy standardowe były uzupełnione o specjalizowane komponenty elektroniki samochodowej. System pracuje pod kontrolą środowiska LabVIEW uzupełnionego o pakiety LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA i Simulation Interface Toolkit. Narzędzia te pozwoliły na opracowanie kodu pracującego w czasie rzeczywistym oraz interfejsu użytkownika z modeli Simulink. MicroNova opracowała zestaw interfejsów dla sygnałów samochodowych i standardów takich jak CAN, LIN lub FlexRay.

Ich realizacja oparta została na układach FPGA, których struktura jest rekonfigurowana w zależności od bieżących potrzeb. Taka struktura pozwala też na łatwą adaptację HIL do przyszłych potrzeb i wymagań. Ponieważ wykorzystanie konkretnego standardu rozwiązań sprzętowych i oprogramowania jest w przypadku systemu HIL istotnym czynnikiem wpływającym na możliwość osiągnięcia zakładanych celów, projektanci zdecydowali się oprzeć rozwiązanie na produktach National Instruments i architekturze PXI, traktując ją jako preferowaną.

Struktura systemu

Opracowano dwie różne wersje systemu testowego HIL dla silnika Hydrogen 7. Zostały one uruchomione i przebadane w trybie testów manualnych i automatycznych. Strukturę systemu przedstawiono na rysunku 1. Panel sterujący z wyświetlaczami został umieszczony w górnej części urządzenia. Zasilacz symulujący pracę akumulatora wraz z komputerem czasu rzeczywistego i modułami kondycjonowania sygnałów znajduje się na najniższym poziomie, pod jednostka centralną. Komputer PXI pracuje z częstotliwością taktowania 2GHz. W sumie na dwóch płytkach HIL, pojedynczej CAN i karcie wyjść analogowych dostępne są następujące sygnały:

• 3×96 = 288 cyfrowych wejść i wyjść: Mogą one być też wykorzystane do generowania i akwizycji sygnałów PWM i sygnałów specjalnych z synchronizacją kątową, pochodzących np. z wałków rozrządu i układu wtrysku paliwa. Specjalne protokoły, takie jak BSD i SPI, mogą być integrowane w symulatorze bez dodatkowych modułów sprzętowych,
• 24 wejścia analogowe, 56 wyjść analogowych,
• 4 interfejsy CAN.

Choć cała aplikacja jest wielkości małego kontenera, duża gęstość upakowania głównych elementów ułatwia okablowanie pomiędzy kanałami we/wy i poszczególnymi kontrolerami symulatora. Tak samo, jak w przypadku większych systemów HIL, jest tutaj dodane specyficzne dla projektu okablowanie do połączeń 1:1 z kontrolerem. Aby ułatwić identyfikację poszczególnych komponentów HIL, nie instalowano kabli do kart we/wy i modułów kondycjonowania sygnałów.

Orazio Ragonesi
MicroNova AG
www.micronova.de