Entwicklung von Produkt- und Systemtests für Energiespeichersysteme auf einem Hardware-in-the-Loop (HiL) System

Diplomarbeit von Stephan Letsche

Einleitung:

Vor 125 Jahren begann die Geschichte des modernen Automobils. Zu dieser Zeit, im Jahr 1886, meldete Carl Benz seinen Motorwagen zum Patent an. In der Folgezeit bis Ende des 19. Jahrhunderts traten unterschiedliche, miteinander konkurrierende Antriebskonzepte hervor, die bis zur Serienreife entwickelt wurden. Noch um 1900 waren in den USA 40 Prozent der Automobile Dampfwagen, 38 Prozent Elektrowagen und 22 Prozent Benzinwagen. Doch 1912 beendete Charles Kettering mit der Erfindung des elektrischen Anlassers den größten Nachteil der Benziner: die mühsame Start-Kurbelei, die so vielen Autobesitzern Knochen zertrümmert oder sogar das Leben gekostet hatte. Eine hohe Reichweite, der niedrige Preis sowie die hohe Energiedichte der fossilen Kraftstoffe bedingten, dass sich der Hubkolbenmotor schließlich durchsetzen konnte.

Bis in die heutige Zeit haben sich vor allem zwei Antriebskonzepte des Hubkolbenmotors durchgesetzt; Otto- und Dieselmotoren. Diese Antriebe wurden unter den Aspekten ‘Antriebsleistung, Drehmoment- und Drehzahlcharakteristik, Wirkungsgrad, Absolutverbrauch, Abgasemissionen, Bauform, Gewicht, Volumen, Produktionskosten, Komfort bei Bedienung und Betrieb, Lebensdauer und Wartung’ bis in die Gegenwart ständig weiterentwickelt und nahezu perfektioniert.

Somit erreicht der mittlere Wirkungsgrad eines Otto-Motors derzeit im ‘Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ)’ Werte bis zu 20 Prozent. Der Wirkungsgrad eines Diesel-Motors erzielt sogar Werte bis zu 25 Prozent.

Heutige Verbrennungsmotoren sind darüber hinaus hervorragend geeignet, um selbst hohe Emissionsanforderungen zu erfüllen. Dieselmotoren sind vor allem im Treibstoffverbrauch sehr gut aufgestellt. Dennoch ist eine weitere Reduktion der Abgasemissionen bzw. des Verbrauchs notwendig.

Die Notwendigkeit ergibt sich vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen an die Reduktion von Schadstoffemissionen bei gleichzeitig hohen Treibstoffpreisen. Die Umweltverträglichkeit des Fahrzeugs ist auch in den Augen der Verbraucher ein Entscheidungsfaktor bei der Kaufwahl. Desweiteren lassen das hohe Sicherheitsbedürfnis, der Wunsch nach mehr Komfort und Benutzerfreundlichkeit seitens des Verbrauchers einen Zuwachs an elektrischen und elektronischen Systemen von 20 Prozent im Jahr 2003 auf 40Prozent im Jahr 2015 erwarten.

Der Verbraucher setzt bei hohem Qualitätsanspruch niedrige Kosten voraus. Automobilhersteller stehen vor der Herausforderung unter Beachtung der gesetzlichen Vorschriften und der Kundenwünsche die eigenen Produkte gegenüber dem Wettbewerb abzugrenzen. Diese Differenzierung können sie nur noch unter Verwendung modernster Informations- und Kommunikationssysteme im Fahrzeugverbund erreichen. Solche Systeme setzen sich sowohl aus zunehmend komplexeren Hardware- als auch Softwarekomponenten zusammen, deren Funktionsumfang stetig ansteigt und analog die Fehleranfälligkeit erhöht. Fehleranfälligkeit ist ein entscheidender Qualitätsfaktor in der Entwicklung von Steuergeräten und erfordert im Hinblick auf immer kürzer werdende Entwicklungszeiten eine signifikante Erhöhung der Testaktivitäten im Rahmen der Fehlerprävention und –detektion. Es gilt Testtiefe und Entwicklungsqualität trotz der zunehmenden Komplexität von Steuergeräten und Steuergeräteverbund zu erhöhen, ohne den dafür bereitzustellenden Aufwand außer Acht zu lassen. Dieser ist infolge wirtschaftlicher Faktoren immer auf ein optimales Minimum zu reduzieren.

Es muss daher gewährleistet sein, dass das zu entwickelnde System den Anforderungen des Kunden voll entspricht sowie jegliche Interaktion mit seiner Umwelt erfasst und unter Einhaltung harter Echtzeitkriterien verarbeitet. Hierzu zählen neben normalen Umgebungssituationen auch Ausnahmebedingungen, die es zu analysieren und entsprechend zu implementieren gilt. Jegliche auftretende Fehler während des Entwicklungsprozesses müssen frühestmöglich entdeckt und beseitigt werden, um dessen Aufwand und Wirtschaftlichkeit in festgelegten Grenzen zu halten. Es zeigt sich schnell, wie unabdinglich ein methodisches Vorgehen in der Entwicklung von Steuergeräten ist.

Das Thema dieser Diplomarbeit greift den Bedarf eines methodischen Vorgehens in der Entwicklung Software-determinierter Systeme anhand des Testens von Energiespeichersystemen auf. Es bedarf hierzu zunächst eines grundlegenden Verständnisses über die Einordnung von Energiespeichersystemen in die Antriebsstruktur moderner Fahrzeuge und ihres strukturellen Aufbaus. Kapitel 2 bietet einen Überblick. Die Notwendigkeit der in [Sax08] geforderten, methodischen Vorgehensweise umschreibt den kompletten Entwicklungsprozess und mit ihm auch die Betrachtung gegenwärtiger Testprozesse und –methoden, um den kundenorientierten Anforderungen an das Produkt zu genügen.

Kapitel 3 nimmt sich der Thematik an; es betrachtet die Umsetzung des aktuellen Entwicklungsprozesses in der Continental Automotive Group und analysiert die gegenwärtige Einordnung des Testens. Hierdurch wird die Grundlage für den Titel und die Aufgabe dieser Diplomarbeit geschaffen: ‘Entwicklung von Produkt- und Systemtests für Energiespeichersysteme auf einem Hardware-in-the-Loop (HiL) System’.

Kapitel 4 greift das titulierte Testsystem auf und ordnet es in die Reihe verfügbarer Komponententesttechnologien ein. Darüber hinaus werden sie im Hinblick auf ihre Einsatzmöglichkeiten im V-Modell unterschieden.

In Kapitel 5 wird basierend auf den Erkenntnissen der vorhergehenden Kapitel ein differenziertes, methodisches Testkonzept für den Software- und Systemtest entwickelt. Es unterscheidet die Anforderungen der genannten Teststufen auf funktionaler Ebene und bewertet mögliche HiL-Aufbauten bzw. -Testsysteme anhand sog.3 Merkmale. Ziel dieses Testkonzepts ist es, unter Berücksichtigung der gegebenen Testmittel eine ausreichende Validation gegen die Software- und Systemanforderungen zu erreichen. Es gilt anschließend die erlangten Erkenntnisse getrennt für den Software- und Systemtest auszuwerten und zusammenzufassen.

Es folgen die exemplarische Validation des (jeweils) empfohlenen Testaufbaus in Kapitel 6 und der Ausblick in Kapitel 7.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
1.1	Aufgabenstellung	1
1.2	Vorwort	2
1.3	Motivation	3
1.4	Übersicht	5
2.	Grundlagen Energiespeichersysteme für Fahrzeugantriebe	6
2.1	Motivation zur Entwicklung von Hybrid-Antrieben	6
2.2	Moderne Hybrid-Antriebe	7
2.2.1	Mikro-Hybrid	8
2.2.2	Mild-Hybrid	9
2.2.3	Voll-Hybrid	9
2.3	Einordnung und Aufbau des Energiespeichersystems	11
2.3.1	Rolle und Bedeutung in elektrischen Fahrzeugantrieben	11
2.3.2	Aufbau des Energiespeichersystems	12
3.	Testen als Teil des System-Entwicklungsprozesses	15
3.1	Motivation und Bedeutung des Testens in der Entwicklung Software-determinierter elektronischer Systeme	15
3.2	Entwicklung nach dem V-Modell	16
3.3	Der reale Testprozess als Teil des Entwicklungsprozesses	21
3.3.1	Teststrategie	22
3.3.2	Testplanung	23
3.3.3	Testspezifikation	24
3.3.4	Testrealisierung	24
3.3.5	Testauswertung	24
3.4	Validierung und Verifikation im Entwicklungsprozess	26
3.4.1	Klassifikation der Testmethoden	28
3.4.2	Formale Verifikation	30
3.4.3	Dynamische Testmethoden	31
3.4.4	Zusammenfassung und Fazit	35
3.5	Automatisiertes Testen	38
4.	Testumgebung eines Energiespeichersystems	40
4.1	Grobklassifikation dynamischer Testtechnologien	40
4.1.1	Model-in-the-Loop (MiL)	40
4.1.2	Software-in-the-Loop (SiL)	41
4.1.3	Rapid Control Prototyping und Onboard Test	42
4.1.4	Processor-in-the-Loop (PiL)	43
4.1.5	Hardware-in-the-Loop (HiL)	44
4.2	Grundlegender Aufbau des HiL-Testsystems	45
4.2.1	Architektur und Auswahl der Hardwarekomponenten	45
4.2.2	Auswahl der Entwicklungswerkzeuge	49
4.3	Konfiguration der HiL-Testumgebung	52
5.	System- und Softwaretest in der Hardware-in-the-Loop-Umgebung	54
5.1	Entwicklung eines Testkonzepts	54
5.1.1	Differenzierung der Anforderungen von Software- und Systemtest	55
5.1.2	Qualifikationseinstufung der Aufbauvarianten	72
5.2	Zusammenfassung und Auswertung	99
6.	Validierung des Testsystems am elektrischen Prüfstand	106
6.1	Ableitung repräsentativer Testfälle	106
6.2	Implementierung der Testfälle	112
7.	Ausblick	114
8.	Literaturverzeichnis	115
9.	Anhang	A
9.1	Definitionen	A
9.2	Tabellenverzeichnis	I
9.3	Abbildungsverzeichnis	K
9.4	Abkürzungsverzeichnis	N
9.5	Abbildungs- und Tabellenanhang	O

Textprobe:

Kapitel 4, Testumgebung eines Energiespeichersystems:

4.1, Grobklassifikation dynamischer Testtechnologien:

Die nachfolgend beschriebenen Testtechnologien basieren auf dem Prinzip der modellbasierten Funktionsentwicklung. In frühen Entwicklungsphasen ermöglichen sie den Entwurf von ausführbaren Steuer- bzw. Regelalgorithmen der Software innerhalb einer simulierten oder gar realen Testumgebung. Die entworfenen Funktionen liegen hierbei jeweils als geschlossenes Systemmodell mit entsprechenden Systemschnittstellen vor. Diese gilt es über eine geeignete Testumgebung gezielt zu stimulieren und auszulesen.

Die nachfolgend vorgestellten X-in-the-Loop-Systeme finden ausgehend von der Modul- bis hin zur Systemebene Verwendung im rechten Zweig des V-Modells. Dort liegt lediglich die Testumgebung als Modell vor. Allen nachfolgend vorgestellten Testtechnologien ist demnach das Vorhandensein eines Prozessmodells mitsamt Prozessschnittstellen gemein.

4.1.1, Model-in-the-Loop (MiL):

‘Ist das Testobjekt durch ein Modell der Software beschrieben, so spricht man von Model-in-the-Loop-Tests (MiL-Tests)’.

Hierbei liegen die zu testenden Funktionen bzw. Algorithmen der Software als geschlossene Modellsysteme mit und ohne Rückwirkung vor, d.h. die zu testenden Softwarefunktionen werden nicht auf der Zielhardware implementiert. Stattdessen werden sie, als Modell zusammengefasst, in eine ausführbare Simulation transformiert und auf einem PC ausgeführt.

Diese Arbeitsschritte passieren im V-Modell in der Software Designphase. Dort werden Softwarefunktionen auf Grundlage der SW-Komponentenarchitektur entwickelt. Die MiL-Testtechnologie begleitet und unterstützt diese Entwicklungsphase. So kann das Funktionsmodell bspw. in der Modellierungssprache UML oder der Modellierungs-Software Simulink® vorliegen und Rückschlüsse für einen optimalen Lösungsansatz liefern.

4.1.2, Software-in-the-Loop (SiL):

‘Ersetzt man die als Modell formulierte Software unter Beibehaltung der Testumgebung durch ein (automatisch) übersetztes und ausführbares Programm, so spricht man von Software-in-the-Loop-Tests (SiL-Tests)’.

SiL-Tests haben den Vorteil, dass sie frühzeitig im Software-Entwicklungsprozess, wenn die Zielhardware noch nicht zur Verfügung steht, eingesetzt werden können. Die Testumgebung liegt weiter in Form eines simulierten Umgebungsmodells vor. Die ‘eingebetteten’ Softwarekomponenten werden daher durch simulierte Eingangssignale (Sensorwerte etc.) stimuliert und können auf ihr funktionales Verhalten getestet werden.

Die Softwarefunktionen liegen in Codeform vor. Alle internen Größen können beobachtet werden, sodass eine hohe Testtiefe erreicht wird. SiL-Tests bieten deshalb ideale Möglichkeiten, um einzelne oder mehrere Softwarekomponenten auch in Bezug auf Ausfallsicherheit und Robustheit zu überprüfen.

Im V-Modell werden parallel die Hardware- und Mechanikkomponenten der betreffenden Subsysteme entwickelt. Sie werden allerdings erst auf Subsystemebene zusammengefügt und daher im SiL-Test außer Acht gelassen. Er ist nicht auf Integrationstests der Hardware und Software ausgerichtet, sondern richtet den Fokus allein auf die Verifikation einzelner Funktionsblöcke bzw. Softwarekomponenten, d.h. Schnittstellentests einzelner und mehrerer Module im Verbund. Das Gesamtsystem Software wird aus pragmatischen Gründen erst auf Subsystemebene validiert:

‘Durch die Simulation von fehlerhaften Signalen und Störungen kann die Ausfallsicherheit und die Robustheit der SW getestet werden. Im Falle eines Fehlverhaltens lässt sich die Schwere des Fehlers durch Abschätzung der Auswirkung auf weitere Funktionalitäten abschätzen’.

4.1.3, Rapid Control Prototyping und Onboard Test:

Beim sog. Rapid Control Prototyping wird der Softwarecode mittels einer Prototypen-Hardware in eine reale Umgebung (d.h. im Prototypenfahrzeug) integriert. Da diese jedoch meist ebenfalls Gegenstand der Entwicklung ist, ist sie in frühen Projektphasen nicht immer verfügbar. Die Software umfasst das Modell einer spezifizierten, zu entwickelnden Funktion. Diese Methode ist demzufolge dazu geeignet, Spezifikationsfehler zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess festzustellen. Hardwareseitige Probleme können auf diese Weise nicht gefunden werden. Rapid Prototyping gewinnt gegenüber Software-in-the-Loop auf Kosten höherer Komplexität an Realitätsnähe.

Mit der Existenz erster Prototypenfahrzeuge kommen Onboard-Testsysteme zum Einsatz. Die Möglichkeiten sind vergleichsweise begrenzt. Dies folgt zum einen aus der realen Umwelt, die aufgrund ihrer Komplexität nur eingeschränkt steuerbar ist. Zum anderen wird das Testobjekt direkt vom Benutzer stimuliert, sodass Zeitvorgaben mitunter nicht immer eingehalten werden können. Onboard-Testsysteme sind aber dennoch unverzichtbar, da sie das Testobjekt in seiner endgültigen Ausprägung validieren.

4.1.4, Processor-in-the-Loop (PiL):

Ebenso wie bei einem SiL-Test wird im PiL-Test die Systemumgebung durch ein am PC simuliertes Umgebungsmodell repräsentiert. Das zu testende System selbst setzt sich aus einer Hardwareplattform, dem sog. Evaluierungsboard, und der zu testenden Software bzw. Softwarekomponenten zusammen. Jenes Evaluierungsboard beinhaltet in der Regel den im Steuergerät verwendeten und namensgebenden Prozessor. Auf diesen wird der Softwarecode mithilfe eines Target-Compilers überspielt.

‘Für die Anbindung der Ein- und Ausgänge einer Umgebungssimulation an die Steuerungsalgorithmen werden statt der realen Hardwareports so genannte Softwareschnittstellen verwendet. Über diese virtuellen Ports kann die Software stimuliert und das Verhalten analysiert werden. Durch diese Testversion können auch Laufzeiteffekte und das Echtzeitverhalten überprüft werden’.