はじめに ｜パワートレイン制御ソフトウェア開発
電気自動車（EV）パワートレインコントローラーの制御ソフトウェアの開発は複雑な作業であり、常に修正とテストが必要である。まず、機能性と性能を定義するために要件を分析します。次に、制御システムのアーキテクチャを設計し、各パワートレインコンポーネントとの相互作用の仕様を示します。最後に、制御ソフトウエアは、コントローラーの安全な動作を保証するために厳しいテストを受けます。しかし、開発プロセスの最後まで待ってからテストを開始すると、開発中の早い段階ではなく、その時点で不具合が検出された場合、コストの増大とスケジュールの遅延につながる可能性があります。モデルベース設計（MDB）アプローチを採用することで、EVパワートレイン制御ソフトウェアの開発において、このような課題を克服することができます。
モデルベース設計｜その利点とは？
EVパワートレインのような複雑なシステムを開発するには、トップレベルの品質とバグゼロを実現する効率的な設計アプローチが必要です。MBDアプローチを採用することで、効率が向上し、開発期間が短縮されます。MBDは、数学的モデルを使って電動パワートレインをエミュレートし、開発中にコントローラの応答を検証することで、実際の制御システムの信頼性の高いテストを保証します。さらに、開発チームは最新のモデルバージョンを使用して同時並行的に共同作業を行うことができます。
MBD アプローチは、設計段階での継続的な基本テストを促進し、エラーの早期発見と修正を容易にします。その結果、大規模なデバッグを最小限に抑え、時間とリソースを大幅に節約することができます。しかしながら、制御ソフトウェアの開発においては、異なるハードウェア・プラットフォーム間での互換性の確保や、すべてのコントローラ・パラメータへの包括的なアクセスによるシステム性能の最適化など、新たな課題も発生します。
制御設計と検証｜制御ソフトウェア開発の段階
MBDアプローチを使ってEVパワートレイン・コントローラの制御ソフトウェアを開発する場合、いくつかの段階があります。最初のステップは、要件を収集し、MIL（Model-in-the-Loop）手法でシミュレーション・ソフトウェアを使用して制御ロジックをテストすることです。制御ロジックが検証されると、次のステップはSIL（Software-in-the-Loop）手法を用いたソフトウェア設計の検証である。この段階で、ラピッド・コントロール・プロトタイピング（RCP）手法の適用が開始される。これは、デジタルプラントモデルに接続された開発用コンピュータ上でコントローラモデルのシミュレーションを行うものです。これは、実際のコントローラのハードウェアをテストする複雑さを伴わずに、開発中のコントローラのコンセプトをテストする費用効果の高い方法です。
制御ソフトウェアを検証した後、制御コードを入出力インターフェースを備えたリアルタイムハードウェアに転送し、制御戦略を効果的に実行する。この段階では、特定のアプリケーショ ンに最適化された最終的なハードウェアが利用できないため、汎用的な制 御ハードウェアを使用することができる。コントローラコードを配置した後、コントローラをオープンループ動作と入力信号にさらす簡単なテストを実行し、ハードウェアの応答と動作を検証します。
コントローラがハードウェア上でスムーズに動作するようになったら、今度はプラントに対してそれをテストします。HIL（Hardware-in-the-Loop）は、制御対象のプラントをエミュレートし、コントローラのプロトタイピング中に物理的な発電所を必要としないようにします。最後に、HILを使用してシステムをエミュレートし続けながら、コストを最適化したハードウェアコントローラ上で制御コードを実行します。これら2つのステージは、物理的な発電所を、HIL上でリアルタイムに動作し、被試験装置（DUT）や他の機器とインターフェース可能な入出力を持つ適切な計算モデルに置き換えます。
テストの制限や後期のデバッグは、プロジェクトのコストを増大させる可能性があるため、 開発が進むにつれて、問題の特定と修正にますます費用がかかるようになる。開発者が潜在的な問題を迅速に特定して解決できるようにするためには、開発プロセス全体を通じて厳格かつ包括的なテストを実施し、後で高額なデバッグ作業を行う必要性を最小限に抑える必要があります。このようなアプローチは、リソースの利用を最適化し、EVパワートレインコントローラ用の高品質な制御ソフトウェアの提供を保証します。
業界の視点｜市場で入手可能な最先端技術
最適な製品開発のためには、優れたハードウェアとそれをサポートするソリューションが必要です。Infineon、Vector、Typhoon HILは、設計時間とコストを削減し、ソリューションの品質と信頼性を最高レベルに維持する最先端の洗練された開発ツールを提供します。
インフィニオンAURIX™ TC3xx 車載用マイコン
インフィニオンは、MCU用チップ供給におけるマーケットリーダーです。その一例が、AURIX™-TC3xxマイクロコントローラ・ファミリーです。ヘキサコアまでの高性能アーキテクチャ、高度なコネクティビティ、安全性、機能保護機能を備えており、さまざまな車載アプリケーションに最適です。また、AURIX™-TC3xxファミリーのコンセプトは、ASIL-D要件を満たしながら、最適な柔軟性を実現するスケーラブルな機能セットとピン配置を提供します。
32ビットTriCore™プロセッサ・アーキテクチャに基づくAURIX™-TC3xxは、リアルタイム性能と電力効率のバランスをとり、シングルコアからマルチコアまで幅広い性能オプションを提供し、拡張性と設計の柔軟性を実現します。これらのMCUは、ハイブリッド制御ユニット、HEVおよびBEVのインバータ制御、バッテリ管理、DC-DCチャージャおよびコンバータ、モータ管理システムなど、電気自動車およびハイブリッド駆動システムのEVアプリケーションに適しています。
ベクターのVX1000システム
ベクターのVX1000システムは、ECUの測定・適合作業に拡張性の高い高性能ソリューションを提供します。車両、テストベンチ、ラボでシームレスに使用できます。このシステムは、XCPデータによって補完された高解像度レーダーセンサーによって取得された生データを正確に制御します。
VX1000は、ECUと計測・適合ツール間のインターフェースとして、ECU内部データへの迅速なアクセスを可能にし、より高速な転送レートを実現します。自動車業界で広く採用されているXCP on Ethernet経由でPCに接続できるため、スムーズな統合が可能です。
VX1000は、ECUデバッグインターフェース接続用のコンパクトなデバイスサイズ、モジュールとデバイスのガルバニック絶縁、アダプターによる多様なECUコネクターの広範なサポート、ECUソフトウェアへの容易な統合など、数多くの利点を誇ります。VX1000は、自動車業界におけるECU測定・適合の厳しい要件に容易に対応できる包括的かつ効率的なソリューションです。
Typhoon HIL 超高忠実度HIL
Typhoon HILの忠実度の高いエミュレータは、高度なハードウェアとソフトウェアを使用してシステムを正確にテストします。HILのアプローチは、物理的なプロトタイプを作る前にコントローラのテストを可能にし、異なるテスト条件を可能にし、外乱や故障に直面した場合の動作を検証します。
Typhoon HILハードウェアは、強力で柔軟なエミュレーションプラットフォームを提供し、複雑なシステムの電気的特性や動的特性を、幅広いインターフェースや接続オプションを備えた超高忠実度モデルで再現します。さらに、Typhoon HILの垂直統合型ソフトウェアを使用すれば、実システムの仮想モデルを作成し、物理システムの動作を正確に再現するデジタルツインを作成することができます。
デジタル・ツインを活用することで、エンジニアは、故障、ばらつき、過渡現象など、さまざまな条件で設計をテストすることができます。さらに、Typhoon HILソリューションには自動テストへのアクセスが含まれています。これにより、複雑なテストシナリオを作成し、コードリビジョンごとに繰り返しテストサイクルを行うことができます。これにより、テストサイクルの短縮、テストカバレッジの拡大、信頼性の向上といった大きなメリットを得ながら、時間とリソースを節約できます。その結果、より高い製品品質と市場投入までの時間の短縮を実現することができます。
HILのメリット｜Typhoon HILでEVパワートレインコントローラ開発を効率化
EVパワートレイン向けの最先端ソリューションを開発するには、制御開発を効率化する最先端のプロセッサとテストデバイスが必要です。インフィニオンは、堅牢なEVソリューションを開発するための要件を実現する、強力で高品質なMCUを提供します。
テストにTyphoon HILとVectorを使用することで、さまざまなシナリオに対してコントローラを容赦なくテストし、パワートレインのロバストで信頼性の高い動作を保証するプラットフォームを手に入れることができます。Typhoon HILソリューションを使用すると、高性能なインフィニオンのハードウェアとソフトウェアを、忠実に再現された実際のイベントにさらすことができます。その結果、コントローラは幅広い動作シナリオや故障にさらされ、量産ハードウェアを使用したテストに限りなく近いDUT動作の検証が可能になります。自動テストは、アップデートや新機能のたびに、シームレスにコントローラを評価できます。さらに、新しいテストを継続的に組み込むことで、ハードウェアテストにコストをかけることなく、テストカバレッジを拡大することができます。テストを自動化するだけでなく、テストを自動的にレポートし、開発プロセスの信頼できるドキュメントを作成することもできます。
Typhoon HILプラットフォームを使用すれば、インフィニオンの物理的ハードウェア上で制御コードがすでに実行されている状態で、MCUをさまざまなテストシナリオにさらすことができます。しかし、EVパワートレインコントローラの性能を正確に検証するには、システム出力だけでなく、テスト実行中のコントローラの内部状態にもアクセスする必要があります。そのため、ベクターのVX1000ソリューションを使用すれば、ECUの内部データにアクセスして、テストシナリオごとにコントローラーがどのように反応するかを詳細に把握することができます。VX1000システムを使用すると、EVパワートレインECUのデータの読み取りと送信が可能になるため、コントローラの内部状態を測定し、制御ソフトウェアの動作を最適化するために必要な適合を行うことができます。
インフィニオン、ベクター、Typhoon HILソリューションを組み合わせることは、EVパワートレインコントローラ用の制御ソフトウェアを開発し、テストするのに最適な方法です。このアプローチは、時間とコストを節約し、信頼性の高い堅牢な性能を保証します。
クレジット
著者 ｜カシアーノ・F・モラエス、ハイトール・J・テッサロ、グスタボ・ブルインスマ
編集部 ｜ボリス・ジョバノビッチ、ペタル・ガルトナー、デボラ・サント
ビジュアル ｜グスタボ・ブルインスマ、ハイトール・J・テッサロ、ミリカ・オブラドビッチ
