はじめに | Typhoon 協調シミュレーションの起源
HTWザール大学におけるJulian Riedelの修士論文の一環として、Typhoon IPG CarMaker間の共同シミュレーションが開発された。この文脈において、Typhoon 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、電気自動車の四輪駆動シミュレーションモデルが構築された。 このシミュレーションモデルは、ラヴェンズブルク・ヴァインガルテン大学（RWU）における別の論文でさらに発展させられた。詳細なバッテリーモデルとバッテリー管理システム（BMS）がHIL上の駆動系モデルに統合された。さらに、システムに故障を導入する様々な手法が組み込まれ、故障注入試験（FIT）が実施された。 IPG CarMakerとTyphoon 間の共同シミュレーションにより、Typhoon 上でシミュレートされた電気部品のリアルタイム応答を観察し、道路上での車両の動的応答を分析することが可能となる。さらに、車両ダイナミクス、走行経路、環境影響の検証を可能にし、駆動系故障が車両挙動に及ぼす影響を精密に分析する。
ソリューション | 協調シミュレーションの設定
共同シミュレーションを実施するため、HIL604ハードウェアデバイスとTyphoon Control Centerツールチェーンに加え、IPG Automotive社の CarMakerソフトウェアをホストコンピュータ上で稼働させる。両コンポーネント間の通信はCAN経由で実現される。構成は下図1に示す通りである。
車両モデルは、全輪駆動のバッテリー電気自動車（BEV）を表しており、各車軸に1基ずつ計2基の非同期モーターで駆動される。モデル車両はテスラ モデルX 100Dを基にしている。 電動モーター、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、全ての駆動系Typhoon シミュレートされます。路面、シャーシ、ドライバー、それに起因する走行抵抗、および車両ダイナミクスはCarMakerシミュレーション環境で再現されます。これらのシミュレーションモデルを統合することで、システムレベルでの包括的な車両シミュレーションが構築され、新たな試験の可能性がもたらされます。
図2は、Typhoon HIL604上でシミュレーションされた駆動系モデルの概要を示す。このモデルは、HTWザール大学における初期論文で開発された電気自動車の例モデルを基にしており、ラヴェンズブルク・ヴァインガルテン大学において詳細なバッテリーおよびバッテリー管理システム（BMS）モデルが追加拡張されている。 3相インバータと非同期モーターはTyphoon ライブラリから取得したモデルである。図2に示すコンポーネントに加え、HILデバイス上にはフィールド指向制御、CANトランシーバ、およびレシーバも実装されている。
バッテリーモデルは、Typhoon セルモデルを利用した、容量103.55kWhの400Vリチウムイオンバッテリーを表現しています。バッテリーは2つのストリングで構成され、各ストリングは3つのバッテリーモジュールからなります。各モジュールは直列32セルと並列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つのモジュールに組み込まれています。この機能は、後でバッテリーに故障を導入し、CarMakerにおけるバッテリー管理システム（BMS）と車両の応答をテストする可能性を持たせるために統合されています。
バッテリー管理システム（BMS）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、過放電、過充電、過熱、短絡からの保護が確保されます。さらに、BMSは車両始動時に制御を引き継ぎ、DCリンクコンデンサを事前充電した後、メインコンタクタを閉じて動作します。
前述の通り、車両ダイナミクス、走行ルート、およびドライバーはIPG CarMakerでシミュレーションされます。CarMakerは、実車両とその環境の物理シミュレーションを含む仮想走行シナリオの表現を可能にするシミュレーションソフトウェアです。さらに、様々な状況における車両の動的挙動を評価するための仮想走行テストの実行を可能にします。IPG Movie機能により、道路上での車両の挙動を可視化できます。 図3は、IPG Movie上で合成道路を走行中の試験車両を示している。
共同シミュレーションを実施するため、CarMakerでは2つの電動機を備えた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た。電動パワートレインはハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）システム上でシミュレートされるため、この代替モデルにはリアルタイムシミュレータとの通信機能が含まれ、現在のモーター速度と負荷要求をHILへ送信する。 各モーターのトルクはHIL上で計算され、CAN経由でCarMakerに返送される。さらにCarMakerでは、車両ボディに関連する全データ（正面面積、車両重量、空気抵抗係数、タイヤタイプなど）を定義する。
共同シミュレーションは両システムの利点を融合する。Typhoon 上の駆動系モデルは電気部品の高忠実度リアルタイムシミュレーションを可能にする。CarMakerはドライバー、環境、車両ダイナミクスを精密にシミュレートし、それらをIPG Movie NXで表示する。
ラーベンスブルク＝ヴァインガルテン大学における本論文の文脈において、協調シミュレーションを用いた故障注入試験とその利点が実施された。道路車両の安全関連電気電子システムに関するISO 26262によれば、重大なエラーに対するシステムの応答を理解し評価することが極めて重要である。したがって、システムが故障にどう反応するかを評価するため、意図的に3種類の異なる故障を車両モデルに導入した。 駆動系の電気部品の応答と、様々な走行条件下における車両の動的応答を試験・分析した。HIL SCADAを使用することで、埋め込まれた故障をワンクリックで有効化・無効化および監視できる。例えば、バッテリーのセル温度を変更し、この温度変化に対するバッテリー管理システム（BMS）の応答を試験することが可能である。詳細な故障シナリオと分析は、参考文献に記載されている。
したがって、Typhoon CarMakerの共同シミュレーションと故障注入試験を組み合わせることで、ISO 26262に基づく機能安全に貢献することが実証された。この手法は電動駆動系の評価と最適化に新たな可能性を開くだけでなく、様々な試験構成やエッジケースのリアルタイム試験・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する。
参考文献
- リーデル, J., 「バッテリー電気自動車モデルのリアルタイム対応SiL共同シミュレーションの構築と実装」修士論文 HTWザール, 2022年.
- Konzept, A., 「BEV故障注入試験のためのHILベースのリアルタイム共同シミュレーション」, SAE技術論文 2023-24-0181, 2023, https://doi.org/10.4271/2023-24-0181
クレジット
著者 | アンヤ・コンセプト
ビジュアル | アンヤ・コンセプト、カール・ミッケイ
編集者 | デボラ・サント
