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Vernetztes Prüfen verkürzt Entwicklungszeiten

Basierend auf einem VPN-gestützten firmenübergreifenden Netzwerk, haben Forscher neue Methoden für einen cyberphysischen Prüfansatz zur Vernetzung von Leistungsprüfständen erarbeitet. Diese neuen Methoden wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Verbundvorhabens TechReaL zur standort- und partnerübergreifenden Vernetzung von vorhandenen Komponenten- und Systemprüfständen entwickelt. Die maßgebende Zielsetzung ist die Reduzierung von Kosten und Zeit durch eine frühzeitige Inbetriebnahme und Prüfung von Einzelkomponenten auf realitätsnaher Gesamtsystemebene.

Die Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen und Systemen findet heutzutage nicht nur an einem Ort statt. Um ein Gesamtsystem testen zu können, müssen bislang die Komponenten an einem Standort zusammengeführt werden. In mehreren Industriebereichen wie der Automobilentwicklung oder in maritimen Anwendungen besteht großes Interesse daran, die damit verbundenen zeitlichen, finanziellen und logistischen Aufwendungen zu reduzieren.

Partner im Projekt TechReaL

  • Fraunhofer LBF (Verbundkoordination)
  • Fraunhofer IISB
  • AVL Deutschland GmbH
  • AVL SET GmbH
  • Schaeffler Technologies AG & CO. KG
  • BMW AG (Assoziierter Partner)


Reduzierung von Entwicklungszeit und -kosten

Die Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft haben dazu in den vergangenen drei Jahren daran gearbeitet, wie sich auf Basis der Digitalisierung und moderner Netzwerktechnologien Komponenten und Prüfstände verteilt und standortübergreifend vernetzen und zu einem Gesamtprüfsystem verbinden lassen. Im Projekt TechReaL wurde eine vernetzte Prüfumgebung für einen elektrischen Pkw-Antriebsstrang inkl. Traktionsbatterie standortübergreifend aufgebaut und im Dezember 2018 erfolgreich abgeschlossen. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesem Ansatz eine Reduzierung der Entwicklungszeit und -kosten von 15 % möglich ist.

Die technische Grundlage des vernetzten Prüfens bildet ein standortübergreifendes VPN-Netzwerk, das die in ganz Deutschland verteilten unterschiedlichen Prüfstände und Computer miteinander über das Internet verbindet. Dieses Projektnetzwerk muss einerseits die Anforderungen der partnerübergreifenden multilateralen Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Knoten sicherstellen. Auf der anderen Seite gilt es, einen ungewollten externen Zugang ins firmeneigene Hauptnetzwerk zu unterbinden.

Eine weitere essentielle technische Grundlage für das realitätsnahe vernetzte Prüfen ist die Hardware-in-the-Loop Technologie (HiL). Hierbei wird ein real vorhandenes Teilsystem am Prüfstand in eine virtuelle Umgebung eingebunden. Letztendlich kann so eine realitätsnahe Prüfung erfolgen, da das zu testende Teilsystem unter denselben Bedingungen wie im Gesamtsystem eingebunden ist. Die virtuelle Umgebung simuliert hierbei die restlichen fehlenden Teilsysteme des Gesamtsystems.

In TechReaL wurde eine innovative Erweiterung des klassischen HiL-Ansatzes erarbeitet: Es befinden sich nicht nur eine, sondern mehrere reale Komponenten in der Prüfung, und der geschlossene Signalaustausch findet über das Internet statt. Die Prüfung der realen Komponenten, virtuell ergänzt zu einem Gesamtsystem, läuft in Echtzeit gleichzeitig an mehreren partnerübergreifenden Standorten. Durch die Verbindung der mechanischen Komponenten mit Software und dem Internet spricht man hier auch von einem cyberphysischen System.

AVL entwickelt technische Lösungen für vernetzte HiL-Prüfungen

Bedingt durch die Kommunikation über das Internet und der damit verbundenen schwankenden Übertragungsqualität kann es zu Signalverzögerungen kommen. Die Projektergebnisse zeigen, dass diese Latenzzeit typischerweise deutlich länger ist, als die Datenaustauschrate, welche die Dynamik des gesamten HiL-Systems benötigt. Latenzen beeinträchtigen die Ergebnisgüte und können bis zu einem Ausfall der Simulation und Prüfung führen. Zur Lösung dieser Herausforderung wurde von AVL zusammen mit den Projektpartnern eine Methodik entwickelt, die auf digitalen Zwillingen aufsetzt. Sie besteht aus einem Simulationsmodell des Prüflings und einer Identifikationsstrategie der zugehörigen Modellparameter. Die parallel zur Prüfung ablaufende Simulation des digitalen Zwillings prognostiziert die Austauschsignale zwischen den Komponenten und stellt so einen kontinuierlichen Datenaustausch und Prüfablauf sicher. Um die Qualität der Schätzung sicherzustellen, wird der digitale Zwilling anhand von aktuell gemessenen Signalen an der realen Komponente aktualisiert.

Diese Methodik wurde für den Use Case der Hochvolt-Batterie im Zusammenhang mit der Prüfung anderer Antriebsstrangkomponenten und der Gesamtfahrzeugsimulation erfolgreich umgesetzt und in vernetzten Prüfungen getestet. Es wurde das Spannungssignal aus der Batterie ausgewertet, das als Eingangsgröße für die Fahrzeugsimulation an einem anderen Standort dient. Aufgrund der Latenzzeit in der Kommunikation wurden Fehler in Höhe von bis zu 20 % gemessen. Mit dem Einsatz der entwickelten Methodik konnte der Fehler auf 0,1 % reduziert werden.

In diesen Arbeiten waren die AVL Deutschland GmbH und die AVL SET GmbH maßgeblich beteiligt am Aufbau des Projektnetzwerkes und der Entwicklung von weiteren echtzeitfähigen partnerübergreifenden Simulationsmodellen für das cyberphysische Prüfen. Weitere Arbeiten in diesem zukunftsträchtigen und hochspannenden Thema laufen bereits bzw. sind geplant.

Kundennutzen

Durch die zuverlässige vernetzte HiL-Komponentenprüfung entfällt die Zusammenführung von Komponenten in ein Gesamtsystem wodurch die Entwicklungskosten insgesamt um bis zu 15 % reduziert werden können.