Descrizione di un sistema hardware in the loop per un’applicazione Battery Electric Vehicle

A tal proposito un sistema HIL (Hardware In the Loop) progettato per un powertrain BEV (Battery Electric Vehicle) deve essere in grado di simulare, sia dal punto di vista elettrico/elettronico che dal punto di vista di complessità computazionale, i sensori e quindi le dinamiche associate ad essi, sia di natura meccanica che elettrica.

Per soddisfare questa esigenza, i sistemi HIL che adottiamo per l’allestimento di un ambiente di testing per powertrain full electric, oltre ad essere dotati di opportune schede di condizionamento, sono dotati di potenti processori assistiti da dispositivi elettronici basati su FPGA per l’emulazione di segnali che richiedono un’alta dinamica di simulazione.

I simulatori HIL per veicoli BEV che adottiamo, si compongono essenzialmente di un’unità di processore, schede di I/O e schede per l’emulazione di protocolli di comunicazione automotive (CAN, LIN, FlexRay, Ethernet, SENT).

Particolare attenzione va all’implementazione del modello che simula il comportamento del sistema, adattandosi al contempo agli scopi del testing plan. Il modello viene progettato ed implementato attraverso un linguaggio ad alto livello per permetterne la facile lettura e la successiva manutenzione attraverso un approccio Model-Based Design. Esso è suddiviso in varie sezioni che riguardano i protocolli, le VirtualECU, il Plant e la configurazione dell’Input/Output.

Il Plant è il core del modello, all’interno di esso è definita implicitamente qual è l’accuratezza con cui vengono simulati i vari fenomeni fisici caratterizzanti l’ambiente HIL. In un sistema BEV ad esempio, si può trovare il modello dell’inverter che prende in ingresso la tensione dei gate generata dal controller sotto test e si preoccupa di simulare il comportamento di un inverter reale sottoposto ad una certa tensione di BUS chiamato a consegnare diversi Kilowatt verso i propulsori. I nostri sistemi HIL, essendo sistemi a bassa tensione, puntano a simulare tutti quelli che sono i fenomeni dovuti all’alta tensione attraverso i sensori ed il BUS. 

All’interno del Plant è anche possibile trovare il modello o i modelli dei propulsori adottati. L’accuratezza con cui viene progettato il modello di motore elettrico dipende dal dispositivo sotto test (in genere il controllore) e dal test planning, ovvero dai test che si vogliono effettuare. Per permettere il test completo della logica di controllo, abbiamo equipaggiato i nostri simulatori di schede FPGA, che permettono la simulazione delle grandezze elettriche che interessano il motore anche in fase transitoria, in modo da dare la possibilità di modellare sensori con dinamiche molto più spinte dei convenzionali dispositivi utilizzati per le grandezze meccaniche.

Il modello delle VirtualECU, si preoccupa della simulazione del cosiddetto “rest of the bus” che permette di fornire, mediante i diversi protocolli di comunicazione, i dati che il controller sotto test riceverebbe in un contesto reale dalle altre ECU del veicolo. Per quanto riguarda il panorama BEV dal punto di vista del powertrain ci sono innumerevoli ECU da simulare, come ad esempio le ECU imputate alla guida autonomia, che tra le altre funzioni fissano un target di coppia comunicandola al controller reale sotto test.

Altre ECU da simulare, sono quelle che gestiscono il pacco batterie, le quali si occupano, sia della fase di erogazione della potenza, che della fase di ricarica della batteria stessa, gestendo e controllando opportunamente l’energia disponibile. Anche in questo caso i modelli proposti per le VirtualECUs sono legati fortemente sia alle logiche ed alla macro area SW da testare, che alla complessità dell’architettura diagnostica del SW stesso.

Nei blocchi di Input\Output ci preoccupiamo di modellare i sensori, che ricevendo la grandezza fisica da comunicare al Plant, la traducono in una grandezza elettrica, usando talvolta specifici protocolli per la trasmissione dell’informazione verso le altre ECU sotto test.

I nostri HIL BEV sono basati su piattaforme Scalexio (DSpace) o Speedgoat (Mathworks). Oltre alla configurazione di un ambiente HIL, vi è l’esigenza di progettare schede elettroniche ad-hoc per emulare quelli che sono alcuni carichi reali complessi, come ad esempio le sospensioni adattive, un componente sempre più presente nei veicoli di alta gamma.

Il team che configura un simulatore HIL è in genere composto da:

• uno specialista, che si occupa della parte di interfacciamento hardware, di condizionamento dei segnali;

• uno o più specialisti che si occupano dei modelli, con forte esperienza nello sviluppo di modelli fisici per applicazioni Real Time.

Per un HIL BEV, dove la sfida dello sviluppo dei modelli abbraccia la simulazione di dinamiche elettriche, si necessita di programmatori e modellisti di motori elettrici, specializzati in sistemi FPGA.

Il lavoro di squadra e la collaborazione tra configuratori e modellisti nell’attività di sviluppo e manutenzione di un sistema HIL, risulta fondamentale come la conoscenza del dispositivo sotto test.

L’HIL configurato per sistemi BEV si presta allo svolgimento di test che riguardano il Torque management, Thermal Management e tutte le logiche legate alle ECU sotto test, permettendo un’analisi approfondita, attraverso l’esecuzione di scenari di test completi e soprattutto riproducibili ed automatizzabili, migliorando quindi la robustezza del software delle ECU sotto test ed i tempi di sviluppo del veicolo.