BMW Hydrogen 7 – a világ első, sorozatban gyártott hidrogénhajtású luxusautója
A BMW hidrogénhajtású gépkocsi megalkotását célul kitűző CleanEnergy programjának tágabb értelemben vett célja a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése a fosszilis tüzelőanyagok (benzin, gázolaj) kiváltásával. A hidrogénhajtás elterjedése az egyéni közlekedés jövőbeni fenntarthatóságának egyik záloga lehet. A hidrogénhajtású belsőégésű motor a többi hidrogén üzemanyagú hajtásrendszernél nemcsak az előállítási költségek tekintetében kedvezőbb, de olyan, a fogyasztók szempontjából fontos paraméterei is jobbak, mint a vezetési dinamika, megbízhatóság, illetve a hatótáv. Az új Hydrogen 7-tel a világ első sorozatban gyártott hidrogénhajtású prémiumkategóriás luxuslimuzinja született meg.
A BMW Hydrogen 7-es a jelenleg gyártott 7-es szériának felel meg. A kettős üzemanyagú, 12 hengeres motor mind hidrogénnel, mind pedig benzinnel képes működni. A program kipróbált, már bizonyított technológián, azaz a 6 literes lökettérfogatú, 12 hengeres Otto-motoron alapul.
HiL-rendszerek a BMW Hydrogen 7 fejlesztésében
A HiL (Hardware-in-the-Loop) eredeti alkalmazási területének megfelelően a legnagyobb hangsúly továbbra is a szabályozóegységek hardver- és szoftverelemeinek fejlesztési tesztjeire és validálására kerül. Ezen feladatok nagy részét a komponensek szintjén HiL-tesztrendszereken, az egyes szabályozóegységekre fókuszálva hajtjuk végre. A szabályozóegységek (hardvereszközök) tesztelésénél a középpontban az elektromos terhelés- és hibaszimulálás áll. A szoftverfejlesztéshez ezzel ellentétben „karcsú" fejlesztési környezetre van szükség, amelyben az új szabályozóegység-szoftvert minden üzemi szempontból gyorsan és biztosan tesztelni lehet. A HiL rendszerszintű alkalmazása az összekapcsolt szabályozóegységek közti kommunikáció próbája: először egy részrendszerben, majd az összes szabályozóegységgel a kísérleti járműben.
A Hydrogen 7 főbb szabályozóegységei a motorszabályozók, amelyeket a 12 hengeres Otto motor sorozatban gyártott motorszabályozóinak módosításával alkottunk meg, illetve a CleanEnergy-szabályozóegység, amely egy, a repülőiparban alkalmazott hajtómű-szabályozó architektúráján alapul.
A motorszabályozók HiL-tesztrendszerei
A Hydrogen 7 motorszabályozója egy pár Master-Slave-szabályozóegységből áll, amelyek a V12-es motor egy-egy hengerblokkját irányítják. A motorszabályozás specifikus, a hidrogénüzemhez kapcsolódó funkciói a BMW saját fejlesztései. A BMW-nél a szabályozóegységek funkcióinak fejlesztésénél és minőségbiztosításánál a HiL felhasználása úgy épül be a standard folyamatba, hogy a külföldi gépkocsitesztelések esetében is a fejlesztő a korábban módosított funkciókat mindenekelőtt HiL-tesztrendszereken alkalmazza és teszteli. Ezen kívül a helyben megállapított hatásokat közvetlenül a HiL segítségével elemzi. A rendszereket nem vetik be mobil üzemmódban, ahhoz azonban, hogy a szimulátort egy átlagos személygépkocsi csomagtartójában egyszerűen lehessen szállítani, be kell építeni egy 19 hüvelykes, legfeljebb 8 … 9 egység magas dobozba. A kompakt felépítés ezért az egyik legfőbb követelmény ezen HiL-tesztrendszerekkel szemben. Hagyományos, legfeljebb nyolchengeres és egy szabályozóegységgel rendelkező motorokhoz a BMW-nél ilyen célra már régóta rendelkezésre állnak dSPACE Compact- és MidSize-HiL szimulátoron alapuló, hordozható rendszerek, azonban a 12 hengerre való bővítés és a hidrogénhajtáshoz kapcsolódó további jelzőberendezések meghaladják az eddigi konfigurációk lehetőségeit, mivel a HiL-alkalmazásokhoz kifejlesztett processzor- és jelzőkártyák nagy helyet foglalnak el. Ezenkívül több szabályozóegységgel a külső csatlakozódugókon át történő teljes jelvezetéshez igen sok csatlakozókábelre van szükség. Az összes HiL-tesztrendszer beszerzési és üzemeltetési költsége csökkentésének hosszú távú céljával a BMW megragadta az alkalmat arra, hogy beszállítói pályázat keretében a kompakt HiL-tesztrendszerek új koncepciójának kidolgozását kezdeményezze.
A CleanEnergy-szabályozóegység HiL-tesztrendszerei
A CleanEnergy-szabályozóegység a hidrogéntartály üzemi nyomását a hidrogén melegítésével és elpárologtatásával szabályozza. Ez a központi szabályozóegység ellenőrzi a tankolás folyamatát, szabályozza a gáz összetételét és a tartály létfontosságú paramétereit is, valamint dönt a határértékek elérésekor szükséges beavatkozásokról. Szintén ez a szabályozóegység felügyeli a fedélzeti energiaellátó rendszert és a szervizzel folytatott automatikus kommunikációt, csakúgy, mint a járművezetőnek szolgáltatott rendszerinformációkat.
A CleanEnergy-szabályozóegységet a processzortól a végrehajtó szervek működtetéséig duplikált, kétcsatornás rendszerként valósítottuk meg. A processzorok által közölt hibaállapottól függően dől el, hogy a – szintén redundánsan kialakított – csatornaaktiváló egység melyik csatornának adja az aktiválójelet, illetve, hogy megszakítsa-e az aktiválás folyamatát. Az egyéb rendszerekkel folyó kommunikációra öt CAN-buszcsatlakozó, illetve több soros buszcsatlakozás szolgál. A szelepeket és egyéb beavatkozószerveket meghajtó végfokozatok beépített diagnosztikai eszközökkel rendelkeznek.
A CleanEnergy-szabályozó fejlesztéséhez és validálásához számos HiL-tesztrendszert készítettünk. A legnehezebb feladat a különféle műterhelések integrálása volt oly módon, hogy közben minden csatornára lehessen hibajelet adni.
Hydrogen 7 specifikus követelmények a HiL-tesztrendszerekkel szemben
A HiL-tesztrendszernek bemeneti és kimeneti csatornáin keresztül az érintett szabályozóegységek minden interfészét fel kell ölelnie. Mivel nem a hardverteszt, hanem a szabályozóegységek működése áll a középpontban, nem installálunk valódi terheléseket, például befecskendezőszelepeket vagy gyújtógyertyákat, hanem elektromos pótterheléssel helyettesítjük őket. Csak a két pillangószelep működtethető alternatív üzemmódban valódi terheléssel vagy helyettesítő modellel. A Hydrogen 7 mindkét motorszabályozó egysége rendelkezik egy modern, közvetlen befecskendezéses, hathengeres motor minden jellemző jelzőberendezésével, és kibővült még néhány, speciálisan a hidrogénüzemhez kialakított jelzőberendezéssel. A négy állítható vezérműtengely és hat kopogásszenzor számára való jelgenerálás, valamint a lambdaszondák pontos leképezésének szükségessége a teljes hőmérséklet-tartományban némileg érzékelteti a HiL-tesztrendszerek összetettségét.
A BMW hajtásrendszer-fejlesztésben már régen bevezetett dSPACE és ETAS HiL hardver és rendszerszoftver alapján való megvalósítás alternatívája a HiL egy új platformban, standard szoftver- és hardverkomponensekkel való felépítését tűztük ki célul.
Az elektromos komponenseknek a szabályozástechnikából rendelkezésre álló interfészei biztosítják e technológia alkalmazhatóságát a jövőben kifejlesztett motorok és hibrid hajtások gépkocsivezérlései esetében is. A szögelfordulás-jelek speciális feldolgozó áramkörökkel való analóg rögzítése és kibocsátása helyett az FPGA (Field Programmable Gate Array) technológia a szükséges interfészek messzemenően szabad konfigurációját teszi lehetővé, és a mérésautomatizálás területéről származó standard komponensek technológiai potenciáljával együtt a HiL-tesztrendszerek gyártásának lényegesen gazdaságosabb alternatíváját kínálják.
Egy új hardver- és rendszerszoftver-platform használatához a HiL-rendszerekhez egyrészt a BMW modellplatform integrációjára van szükség, másrészt egy olyan interfészre, amelyhez a tesztautomatizálási szoftverek kapcsolódnak. Mivel a BMW modellplatformot és az automatizálási szoftvert már számos tesztszoftveren alkalmazták, szerkezetük nem függ az egyes tesztrendszerek konfigurációjától. A teljes mértékben Simulinkben implementált modellplatform a komponens- és szabályozóegység-modellek mellett a fizikai és elektromos interfészméretek közti skálázást is magában foglalja. Míg ezen jelzőberendezések esetében az elektromosan átvitt jelekre való átalakítás a különböző gyártók által gyártott tesztrendszereken változtatás nélkül lehetséges, a buszkommunikáció protokollátalakítását specifikusan a HiL-rendszerszoftverbe kötötték be, tehát párhuzamosan kell létrehozni. Ugyanez vonatkozik a HiL kezelőszoftver-felületekre is. Mivel ezek döntőek az adott HiL-rendszer felhasználóbarát volta szempontjából, nagy figyelmet fordítunk az egységes megjelenésre.
A HiL-tesztrendszerek megvalósítása NovaSim szimulátorokkal
A Hydrogen 7 modell motorszabályozásának tesztelésére alkotott HiL-rendszerek alapját a MicroNova által gyártott NovaSim HiL szimulátorok képezik. Ebben a MicroNova nem csak a HiL-tesztrendszerek gyártójaként és integrálójaként szerzett tapasztalatokra támaszkodhatott, hanem a CleanEnergy-program funkció- és szoftverfejlesztésében tervezőpartnerként szerzett projektspecifikus ismeretekre is. Ezen szimulátorok alapja a National Instruments PXI hardverplatform. A PXI kontrolleren valós idejű operációs rendszer fut, és a kommunikáció a PXI-keretben található különböző I/O-kártyákkal a PXI-buszon keresztül valósul meg.
A szimulátor működtetése és a szimulációs modellek összekapcsolása a hardverrel a National Instruments LabVIEW fejlesztői környezetben megírt program segítségével történik, a kiszolgáló számítógéppel való kommunikáció pedig egy Fast-Ethernet kapcsolaton keresztül. A szimulátorcsalád – amennyiben lehetséges – a piacon fellelhető standard komponensekkel dolgozik, és ezeket több szinten integrálja. A kompakt PCI-busszal kompatibilis PXI-busz jó megoldást jelentett, mivel ehhez a buszhoz számos gyártó állít elő több százféle komponenst, amelyeket folyamatosan továbbfejlesztenek annak érdekében, hogy világszerte felhasználhatóak legyenek a mérés- és automatizálástechnika területén. Így a hidrogénhajtást tesztelő másodgenerációs HiL-rendszerekhez a már rendelkezésre álló szimulációs szoftver változtatása nélkül volt lehetséges nagyobb teljesítményű valós idejű számítógépek alkalmazása.
A MicroNova az összes hardver standardkomponenst gépkocsispecifikus kiegészítő komponensek felhasználásával standard HiL szimulátorrá integrálja. A szoftver ugyanezen integrációs követelményekhez idomul: alapja a LabVIEW fejlesztői környezet, illetve a LabVIEW Real-Time modul, a LabVIEW FPGA modul, valamint a Simulation Interface Toolkit. Ezekkel a többek között a méréstechnikában általánosan alkalmazott szoftverekkel a Simulink modellekből valós idejű működésre képes kód és hozzá tartozó kezelőfelület generálható. A MicroNova rendszerintegrátorként ezeket a komponenseket az interfészekhez való speciális blokk-készletekkel gépkocsispecifikus jelzőberendezésekké bővíti. A HiL vezérlésű, speciális hardverkártyákkal történő, standard járműbuszokkal (pl. CAN, LIN vagy FlexRay) való kommunikációban ezek a blokk-készletek egy Simulink-integráción kívül mindenekelőtt a buszkörnyezet szimulációjának automatikus generálását tartalmazzák.
Fontos szerepet játszik az újrakonfigurálható FPGA hardver is, a National Instruments gyártotta PXI-7831R, amelyet az NI LabVIEW grafikus fejlesztői környezet segítségével megfelelő funkcionalitással látnak el. A motorspecifikus jelek, például a gyújtás vagy a befecskendezés vezérlésének rögzítése, valamint a forgattyú-, vezérműtengely- és kopogásjelek generálása e technológián alapszik. A saját buszokat (pl. BSD vagy SPI) is blokk-készletek képezik le az FPGA-ra. Így a HiL-rendszer a hardvereken történő változtatások nélkül tud új funkcionalitásokat leképezni és így a jövőbeli követelményekhez alkalmazkodni. Az újrakonfigurálható hardver ilyen fokú rugalmassága a HiL-tesztrendszerek jövőjének alapja, hatékony alkalmazásuk azonban csak blokk-készletekkel lehetséges.
Az újrakonfigurálható FPGA hardver alkalmazása mutatja, hogy a hardver, rendszerszoftver, HiL-specifikus blokk-készletek és projektspecifikus rendszerkonfiguráció összjátékában az interfészeknek úgy kell egymáshoz kapcsolódniuk, hogy a felhasználói elvárásokat mindig a lánc optimális helyén lehessen megvalósítani. Ennek az az előnye, hogy standard komponenseket, és nem egy adott beszállító saját rendszermegoldásait használjuk fel. A standard hardverek és szoftverek komoly szerepéből következően a National Instruments támogatása igen nagy jelentőségű. A nyitott valós idejű PXI-architektúra ellenére elsősorban a National Instruments által gyártott hardverkomponenseket használjuk.
Rendszerfelépítés
Kompakt HiL szimulátor
A Hydrogen 7 motorszabályzásának kifejlesztéséhez először két HiL-rendszert építettünk fel. Sikeres bevezetésük, majd manuális és automatizált teszteléshez való intenzív használatuk után további két rendszert építettünk fel a Hydrogen 7 fejlesztéséhez. A rendszer felépítését az alábbi kép ábrázolja:
(Forrás: 'House of Technology' Konferencia: HiL Szimuláció, München, 2007. február 27–28.)
Felül található a szabályozóegység csatlakozópanele a kijelzőkkel, mögötte pedig a jelelosztó. Középen helyezkedik egy National Instruments PXI-keretben a valós idejű operációs rendszert futtató, 2 GHz-es PXI kontroller, illetve a jelkondicionáláshoz szükséges modulok, valamint két motor-HiL-kártya, egy CAN-kártya és egy analóg kimeneti kártya, amelyek segítségével rendelkezésünkre állnak az alábbi interfészek:
- 3×96 = 288 digitális be- és kimenet: ezek használhatóak impulzusszélesség-modulált (PWM), valamint szögszinkron jelek (pl. vezérműtengely, befecskendezés) generálására és rögzítésére is. A speciális, soros interfészek, például a BSD vagy az SPI busz is járulékos hardverfejlesztések nélkül integrálhatóak a szimulátorba.
- 24 analóg bemenet, 56 analóg kimenet
- 4 CAN-interfész
A központi komponensek nagy integrációs sűrűsége a felhasználás által előírt kis méret ellenére is lehetővé teszi az I/O-csatornák és a különböző szabályozóegységek kábelezésének integrálását a szimulátorba. A nagy HiL-tesztrendszerekhez hasonlóan a projektspecifikus külső kábelezés mindössze egy 1:1 összeköttetést jelent, amely a szabályozóegységek csatlakozódugóinak PIN-kiosztását képezi le. Az egyes HiL-részkomponensek jobb felismerhetősége érdekében a kép nem ábrázolja az I/O-kártyák és a jelkondicionálás összekötő kábeleit. Ezek a standard kábelek azonban 1:1 összeköttetésként a szimulátor projektfüggetlen belső kábelezésének részei. A belső jelelosztás a felső részben, a csatlakozópanel mögött található, és nyitott fedőlappal akkor is hozzáférhető, ha a szimulátor éppen üzemben van.
Összegzés és kitekintés
A HiL-alkalmazások felhasználását a Hydrogen 7 motor szabályozását végző egységek funkcióinak fejlesztésében, valamint a szabályozók üzembiztonságának garantálásában a BMW HiL modellplatform segítségével teljesen integrálni lehetett a már meglévő fejlesztési folyamatokba.
A Hydrogen 7 teszteléséhez használt HiL szimulátorok alapját a minden jelenleg gyártott BMW motorszabályozó-egység számára épült univerzális HiL-tesztrendszer jelenti. Az eddigi tíz kompakt rendszer mellett, a fedélzeti energiaellátó-rendszer szabályozásának fejlesztésében is használunk HiL-tesztrendszereket, mivel ez lehetőséget nyújt arra, hogy az akkumulátort vagy a teljesítményelektronikát valódi árammal hajtsuk. Ez a tény a HiL, a méréstechnika, valamint a modell-alapú próbapadtechnika összenövését példázza – nem csak a hibridmeghajtás területén.
Forrás: Technológia Háza Konferencia, Hardware in-the Loop Szimuláció – 2007. február 27–28., München (House of Technology Conference: Hardware-in-the-Loop Simulation, Munich, February 27–28, 2007).
