AVLリスト、HILによる電子ストレージ試験装置の検証を実施

はじめに：制御ソフトウェアテストにおけるAVLの役割

AVLは、自動車産業におけるパワートレインシステムの開発、シミュレーション、試験、統合を手掛ける世界最大の独立系企業です。AVL e-Storage BTEシステム製品ラインは、自動車、オフハイウェイ、船舶、航空、定置型電源アプリケーション向けの電動駆動系コンポーネントの特性評価と検証のために設計・最適化されています。 e-Storageシステムは、バッテリーテスターまたはバッテリーエミュレーターとして機能する動的かつ安定した双方向DC電源を提供します。自動化システムと組み合わせることで、単一コンポーネント（電動ドライブ、インバーター、バッテリー、燃料電池、スーパーキャパシタ）から完全な電動パワートレインシステムに至るまで、幅広い試験範囲を実現します。

モジュール式で拡張可能な構造のため、e-Storageシステムは顧客固有の要件に合わせて適応できます。動的性能、精度、広範囲な電圧範囲、安定性を特徴とし、事前定義された負荷プロファイルに従うことが可能です。これにより、被試験デバイスを実際の動作環境に曝すエミュレーションを実現し、様々なシナリオにおける動作を実証できます。

コントローラアルゴリズムを早期に実ターゲットハードウェアへ移植できるため、特に制御ハードウェア構成における多くの課題をシステム統合前に解決できる。これにより開発時間とコストの大幅な削減が実現される。

ローランド・グロイール博士
BU 電動化・レーシングテストシステム
AVL List, グラーツ, オーストリア

HIL設計とテストは、新世代e-Storage製品に最先端制御戦略を導入する上で重要な役割を果たす。AVLはアジャイル制御器開発プロセス、完全自動化されたファームウェアテスト、およびファームウェア回帰テストを採用し、Typhoon 技術を用いて数千の自動テストケースを開発した。このファームウェアテスト手法により、研究開発チームは制御アルゴリズム開発とソフトウェア検証の時間と労力を削減でき、結果として新機能・新製品の市場投入期間を短縮できた。 さらに、HILテストベッドがあらゆるデバイスをエミュレートできる能力、および並列動作機能により、デバイスバリエーションの在庫維持にかかる投資コストも大幅に削減されました。

課題：テスト機器のファームウェアに対するHILテスト。

用途に基づき、AVL e-Storage BTEシステムは、高いダイナミクス、広範な電圧範囲（通常8～800 V）、低残留リップル、多様な負荷条件下での安定性といった要件を満たす必要があることを理解しました。 本システムはさらに、バッテリーテスター、バッテリーエミュレーター、電動機インバーターテスターとして機能し、異なるユースケースに対応するよう設計されている。この多様性とリアルタイムのフェイルセーフ動作は、電力電子システムのデジタル制御に特化したマイクロコントローラーの実装に依存しており、これらは徹底的なテストと検証が必要である。

上記の要件を満たすため、開発およびテストエンジニアチームは、3つの主要なシステム要素を同時に取り組む必要があった。すなわち、スケーラブルなハードウェア設計、信頼性の高いアプリケーションソフトウェア、そして最も困難な課題であった高度な制御戦略である。寄生効果や非線形性を考慮するだけでは不十分であり、組み込み制御システムをハードウェアに実装するには、スイッチング挙動をリアルタイムで観察・分析できる開発およびテスト環境が必要であった。

ソリューション：HILを用いた組込みソフトウェア開発。

組み込み制御ソフトウェアの迅速な検証を確保するため、中核にTyphoon 6シリーズリアルタイムシミュレーションデバイスを用いたHILテストを実施した。使用中のHILテストベッドは、4台のHIL604ユニットと、自動テストスクリプト設定用のIndustrial Premium Toolbox PackageおよびTyTest Toolboxで構成される。 パワーコントローラユニット（PCU）内のマイクロコントローラの演算能力と動作特性は、アダプタボードを介したHILシステムとの簡易インターフェースにより評価される。この構成は、迅速制御プロトタイピング（RCP）、ソフトウェア回帰テスト、ならびに全デバイスにおける完全なファームウェアとそのバリエーションの自動テスト（並列運転テストや安全テストを含む）に活用される。

HILテストを活用することで、閉ループ制御の検証だけでなく、アプリケーションソフトウェアの開発初期段階からのテストとデバッグが可能になります。これは、エラーを早期に発見・修正しやすくなるため重要です。このため、HILを用いたソフトウェア開発は、実ハードウェアを扱う際の典型的なコストや潜在的な損害を回避できるため、より迅速であるだけでなく、より低コストで安全でもあります。 HILシステムは逆方向にも活用できる。様々な条件下でシミュレートされたハードウェア上でソフトウェアを柔軟に評価することで、要求される性能要件に最適なハードウェア構成を見つけやすくなる。

これらのテストの忠実度は非常に高く、ハードウェアプロトタイプ環境で得られた測定値はHILシミュレーションのデータとほぼ完全に一致する。 総じて、C-HILはモデルベースシステム開発の全Vカーブ（システム仕様定義、設計、プロトタイピング、テスト、検証、さらには保守まで）を通じて、最終製品の複数要素（組込みソフトウェア、アプリケーションソフトウェア、ハードウェア）を支援するツールとして機能します。保守はしばしば見過ごされがちですが、e-Storage Systemのような製品ファミリ向けに組込みソフトウェア、ハードウェア、自動テストスクリプトのデジタルコピーを用意することで、プロジェクト文書化とシステム保守が容易になります。

結論：HILは制御ソフトウェアの開発と検証を加速する。

HILテスト駆動設計を活用することで、製品開発のV字曲線における全段階を通じて、製品成熟度の複数の段階で開発効率を向上させることが可能となる。 電力電子製品向け組み込み制御ソフトウェアの開発において、HILプラットフォームは特に有益である。アプリケーションソフトウェアおよびハードウェア開発と並行して迅速な制御プロトタイピングを可能にするためだ。これにより制御ソフトウェアは検証され、実際の制御ハードウェアへ移植され、動作テストを経てシステム統合前に最適な構成を見出せる。これら全てが開発プロセスの高速化をもたらし、同時にコスト削減と安全性向上を実現する。