Virtueller Fahrversuch bei BMW im Einsatz für Aktivlenkungen
Hardware-in-the-Loop-(HIL)-Prüfstände für das virtuelle Testen von Subsystemen und kompletten Fahrzeugen gehören in der Automobilentwicklung mittlerweile zum Standard. Die BMW AG nutzt das Prüfverfahren beispielsweise zur Optimierung von Aktivlenkungs-Applikationen für die Serie.
Ein aktueller BMW 3er fährt mit Tempo 120 km/h auf der Autobahn. Beim Fahrspurwechsel werden Lenkwinkel und Lenkmoment sukzessive erhöht bis das Fahrzeug zu schnell zu stark einlenkt und übersteuern will. Doch bevor das Heck ausbricht, korrigiert die Aktivlenkung den Fahrfehler unmittelbar, stabilisiert den Wagen und verhilft ihm zurück zur Ideallinie. Diesmal fährt jedoch kein Prototypenfahrzeug auf einer echten Teststrecke. Der 3er fährt den Funktionstest "Fahrspurwechsel" als virtuelles Fahrzeugmodell in einer Echtzeitsimulation - einer von vielen Tests, die auf dem HIL-Prüfstand für Aktivlenkungen im Forschungs- und Innovationszentrum (FIZ) von BMW ablaufen.
Vor gut vier Jahren nahm BMW diesen Prüfstand in Betrieb, bevor die erste Aktivlenkung in Serie ging, die bekanntlich im 5er BMW ihre Premiere erlebte. "Damals hat man aufgrund der Komplexität der Aktivlenkung die Erfüllung sämtlicher für die Serie relevanten Spezifikationen als im Fahrzeug nicht absicherbar angesehen. Der Entwicklungsaufwand und die Erprobung mit physischen Prototypen war für ein solch aufwändig konstruiertes Mechatronik-System einfach zu groß. Mit dem HIL-Prüfstand haben wir sehr viel Zeit und Kosten einsparen können." sagt Stefan Schott, als Entwicklungsingenieur im FIZ tätig im Bereich "Aktive Lenksysteme".
Testen wie im realen Fahrzeug
Der Aufbau des HIL-Prüfstands spiegelt 1:1 die Situation im Serienfahrzeug wider. Für den Testablauf werden die kompletten Lenksysteme der jeweiligen BMW-Baureihen auf dem Prüfstand installiert, ebenso die vollständigen und fahrzeugkonformen Lenksäulen sowie Lenkgetriebe und Servopumpen. Die Aktivlenkung selbst ist für Funktionstests auch unter Witterungseinflüssen in einer Klimakammer mit einem Regelbereich von minus 40 bis plus 130 Grad Celsius installiert. Die Spurstangenkräfte werden von Hydropulszylindern erzeugt. Die elektronische Ansteuerung erfolgt wie im realen Serienfahrzeug.
Das Herzstück des HIL-Prüfstands ist eine Joint-Venture-Einheit der IPG Automotive GmbH und IABG. Während IABG für die Konzeption und die Ansteuerung des Prüfstandes verantwortlich zeichnet, liefert IPG Automotive das zur Simulation nötige Softwaresystem namens CarMaker/HIL - eine umfassende Fahrdynamik-Simulationslösung für Echtzeitanwendungen. Sämtliche Fahrzeug- und Systemkomponenten, die nicht als reale Komponenten in den HIL-Prüfstand integriert sind, sind als Softwaremodule nachgebildet.
Die HIL-Version von CarMaker, die bei BMW installiert ist, verfügt über einen Einschub für weitere reale Kfz-Steuergeräte neben dem Aktivlenkungs-Steuergerät, deren Funktionen ebenfalls im virtuellen Fahrzeug betrieben werden können. Dazu Stefan Schott: "Im realen Fahrzeug kommuniziert das Steuergerät der Aktivlenkung mit dem Steuergerät des elektronischen Stabilitätsprogramms DSC. Ein großer Vorteil für die virtuelle Fahrerprobung ist, dass CarMaker/HIL die hardwaremäßige Integration beider Steuergeräte ermöglicht, denn sonst müssten wir die Regelparameter und -algorithmen der Steuergeräte für jedes zu testende Fahrzeugmodell immer wieder neu eingeben."
CarMaker/HIL für ein breites Anwendungsspektrum
Die Hauptaufgabe des HIL-Prüfstandes ist es abzusichern, dass die Software- und Elektronikansteuerung der Aktivlenkung sowie die Rückwirkungen im Fahrbetrieb im Verbund mit dem Fahrzeug harmonieren. Bis eine Aktivlenkung-Applikation dies erfüllt, werden eine Vielzahl möglicher Fahrfehler und Funktionstests simuliert - vom Lenkwinkelsprung über Spurwechselfahrversuche, Verbrauchs- und Energiemessungen bis hin zum µ-Split-Bremstest. Auch die Einflüsse der Aktivlenkung auf Karosserie und Motoren können simuliert werden, genauso wie die haptischen Rückwirkungen für den Fahrer.
Auf dem Prüfstand lassen sich auch komplette so genannte Betriebslasten-Nachfahrversuche simulieren. Die mit den Fahrzeugdaten parametrierte CarMaker/HIL-Software ermöglicht das virtuelle Nachfahren von Handlingkursen bis hin zu Verbrauchsmessstrecken auf dem Prüfstand, wobei sich bestimmte Parameter gezielt verändern lassen. Schott: "Auf diese Weise können wir das Optimum iterieren, was wir dann im realen Fahrzeug nur noch überprüfen müssen."
Das virtuelle Testprogramm zielt aber nicht nur auf Aktivlenkungs-Entwicklungen für komplett neue BMW-Fahrzeugmodelle ab. Auf dem Weg zum nächsten Facelift werden auch die bereits im BMW 5er sowie in der 3er-, 1er- und 6er-Baureihe verbauten Aktivlenkungs-Systeme auf ihr Optimierungspotential hin untersucht. Schott: "Dazu gehören beispielsweise virtuelle Messungen der Energiesparpumpen, die wir für konventionelle Lenksysteme und auch für die Aktivlenkung durchführen. Deren Volumenstrom und Energieaufnahme ist über die Software veränderbar - was sich ebenfalls sehr gut auf dem Prüfstand abbilden lässt."
Ein weiteres Feld für den HIL-Prüfstand ist die Überprüfung von Rückwirkungen der Aktivlenkung auf die Bordnetzspannung. Spannungswechsel durch Batterieentladung oder Generatoren könnten Probleme machen. Auch für diesen Bereich sind die Ziele klar definiert. Schott: "Wir wollen auch die Erprobung solcher Rückwirkungen zunehmend aus dem realen Fahrzeug auf den Prüfstand bringen um aktuelle Entwicklungen und Fragestellungen zu klären."
Einsparung von Prototypen möglich
Die aktuellen und künftigen Rahmenbedingungen in der Automobilentwicklung sind weitgehend bekannt. Durch den Anstieg der Zahl der Fahrzeugmodelle, durch kürzere Produktentstehungsprozesse und - nicht zu vergessen - durch den wirtschaftlichen Druck wollen die Autohersteller ihre Produktentwicklung effizienter gestalten. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Einsparung teurer physischer Prototypen in allen Entwicklungsbereichen.
Einen signifikanten Beitrag leistet der Einsatz von HIL-Prüfständen mit entsprechend innovativer Software. Bei der Entwicklung von Aktivlenkungs-Applikationen hat BMW bisher jedenfalls viel Hardware einsparen können, wie Stefan Schott bestätigt: "Dank unseres Prüfstandes und vor allem dank der vielseitigen CarMaker/HIL-Software haben wir rund 20 Prozent des Entwicklungsumfangs für das Aktivlenkungs-System der E60-Baureihe darstellen und auf viele Fahrversuche mit physischen Prototypen verzichten können. Bei intelligentem Einsatz des HIL-Prüfstandes können wir durchaus den Aufbau von Prototypen einsparen."
