BEV故障インジェクション試験用IPG CarMakerコ・シミュレーション

はじめに ｜IPG-Typhoon HILコ・シミュレーションの原点

HTW SaarのJulian Riedel氏の学位論文の一環として、Typhoon HILとIPG CarMakerのコ・シミュレーションが開発されました。この中で、Typhoon HIL HIL604リアルタイムシミュレータは、CAN通信を介してIPG CarMakerに接続され、電気自動車の全輪駆動シミュレーションモデルが作成されました。このシミュレーションモデルは、ラーベンスブルク・ヴァインガルテン大学（RWU）の別の論文でさらに開発されました。詳細なバッテリーモデルとバッテリー管理システム（BMS）は、HIL上のドライブトレインモデルに統合されました。さらに、システムに故障を導入するためのさまざまな方法が統合され、故障注入テスト（FIT）が実施されました。IPG CarMakerとTyphoon HILの協調シミュレーションにより、Typhoon HIL上でシミュレートされた電気コンポーネントのリアルタイム応答を観察し、路上での車両の動的応答を分析することができます。さらに、車両ダイナミクス、ルート、環境の影響を検証し、ドライブトレインの故障が車両挙動に及ぼす影響を正確に分析することができます。

解 説 ｜コ・シミュレーションのセットアップ

コ・シミュレーションを実施するために、HIL604ハードウェア・デバイスと付属のTyphoon HIL Control Centerツールチェーンに加え、ホスト・コンピューター上で動作するIPG Automotive社のCarMakerソフトウェアが採用されている。2つのコンポーネント間の通信は、CANを介して実現されます。セットアップを図1に示す。

車軸に1つずつ、2つの非同期モーターを搭載した全輪駆動のバッテリー電気自動車（BEV）。モデル車両はテスラ・モデルX 100Dをベースにしています。電気モーター、インバーター、コントローラー、バッテリー、バッテリー管理システムなど、すべてのドライブトレインコンポーネントはTyphoon HILシステム上でシミュレートされています。道路、シャーシ、ドライバー、その結果生じる走行抵抗、車両ダイナミクスは、CarMakerシミュレーション環境でシミュレートされます。これらのシミュレーションモデルを組み合わせることで、システムレベルでの包括的な車両シミュレーションが作成され、テストに新たな可能性がもたらされます。

図2に、Typhoon HIL HIL604でシミュレーションしたドライブトレインモデルの概要を示します。このモデルは、HTW Saarの最初の論文で開発された電気自動車の例モデルをベースにしており、Ravensburg-Weingarten大学の詳細なバッテリーとバッテリー管理システム（BMS）モデルで拡張されています。三相インバーターと非同期モーターは、Typhoon HILライブラリから入手したモデルです。図2に示したコンポーネントに加え、フィールド指向の制御、CANトランシーバーとレシーバーもHILデバイス上に表現されている。

バッテリーモデルは、Typhoon HILバッテリーセルモデルを使用した容量103.55kWhの400Vリチウムイオンバッテリーです。バッテリーは2つのストリングで構成され、それぞれが3つのバッテリーモジュールで構成されています。各モジュールは直列32セル、並列9セルで構成されています。さらに、個々のセルを変更する機能が2つのモジュールに統合されています。この機能は、後でバッテリーに障害を導入し、バッテリー管理システム（BMS）とCarMakerの車両の応答をテストする可能性を持つために統合されています。

バッテリー・マネージメント・システムはバッテリーを監視・制御し、各セルの電流、電圧、温度を常時監視します。これにより、深放電、過充電、過熱、短絡に対する保護が保証されます。さらに、BMSは車両の始動時に制御を行い、DCリンク・コンデンサーをプリチャージし、その後メイン・コンタクターを閉じます。

前述したように、車両のダイナミクス、走行ルート、ドライバーはIPG CarMakerでシミュレートされる。CarMakerは、実際の車両とその環境の物理シミュレーションを含む、仮想運転シナリオの表現を容易にするシミュレーションソフトウェアです。さらに、様々な状況下での車両の動的挙動を評価するための仮想ドライビングテストの実行も可能です。IPGムービー機能により、路上での車両の挙動を可視化することができます。図3は、IPGムービーで合成道路をテスト走行中のテスト車両を示しています。

コ・シミュレーションを実施するために、CarMaker で 2 つの電気機械を持つ電動パワートレインを利用し、対応する代替モデルを作成しました。電動パワートレインはHIL（Hardware-in-the-Loop）システム上でシミュレートされるため、この代用モデルにはリアルタイムシミュレータとの通信が含まれ、現在のモータ速度と負荷要求がHILに送信されます。その後、各モーターのトルクがHIL上で計算され、CAN経由でCarMakerに送り返されます。さらにCarMakerは、正面面積、車両重量、抗力係数、タイヤタイプなど、車体に関連するすべてのデータを定義します。

コ・シミュレーションは、両システムの長所を組み合わせたものです。Typhoon HIL上のドライブトレインモデルは、電気コンポーネントの忠実度の高いリアルタイムシミュレーションを可能にします。CarMakerはドライバー、環境、車両ダイナミクスを正確にシミュレーションし、IPG Movie NXに表示します。

Ravensburg-Weingarten Universityの学位論文では、コ・シミュレーションとその利点を利用してフォールト・インジェクション・テストを実施しました。道路走行車両の安全関連電気/電子システムに関するISO 26262によると、重大なエラーに対するシステムの反応を理解し評価することが極めて重要である。そこで、車両モデルに3つの異なる故障を意図的に導入し、故障に対するシステムの反応を評価した。ドライブトレインの電気コンポーネントの応答と、さまざまな走行条件下での車両の動的応答がテストされ、分析された。HIL SCADAを使用することで、組み込まれた故障をワンクリックで起動または停止し、監視することができます。例えば、バッテリー内のセルの温度を変更し、この温度変化に対するバッテリー管理システム（BMS）の応答をテストすることができます。詳細な故障シナリオと解析は、参考論文に掲載されています。

このように、Typhoon HILとIPG CarMakerのコ・シミュレーションとフォールト・インジェクション・テストの組み合わせが、ISO 26262に準拠した機能安全に貢献することが実証されました。この手法は、電気ドライブトレインの評価と最適化のための新たな可能性を開くだけでなく、さまざまなテスト構成とエッジケースのリアルタイムテスト、評価、可視化を可能にし、車両開発と検証における新たな機会を創出します。

参考文献

1. Riedel, J., "Aufbau und Implementuring echtzeitfähigen SiL Co-Simulation eines batteryelektrischen Fahrzeugmodells" 修士論文 HTW Saar, 2022.
2. Konzept, A., "HIL-based Real-Time Co-Simulation for BEV Fault Injection Testing", SAE Technical Paper 2023-24-0181, 2023, https://doi.org/10.4271/2023-24-0181

クレジット

著者 ｜アンニャ・コンツェプト
ビジュアル ｜アンニャ・コンツェプト、カール・ミッケイ
編集 ｜デボラ・サント