Fehlersimulation

Verbindungen des Schaltsystems mit dem HIL-Simulator. Pickering

Verteilergetriebe für Fahrzeuge mit Vierrad- beziehungsweise Allradantrieben sind elektromechanische Geräte, die den Schlupf der Räder überwachen und sicherstellen, dass die Energie nur auf die Räder verteilt wird, die keinen Schlupf aufweisen. Ein Steuergerät für Verteilergetriebe verbindet Sensoren und Aktuatoren sowie Schnittstellen mit dem Netzwerk des Fahrzeugs. Wenn der Fahrer einen Gang einlegt, überprüft die ECU, ob das Schalten in diesen Gang möglich ist. Nach Beendigung des Schaltvorgangs gibt sie eine entsprechende Meldung an das Netzwerk ab.

Im Betrieb können verschiedene Fehler auftreten.  So können zum Beispiel ein Kabelbruch vorliegen, benachbarte Leiter einen Kurzschluss haben oder Verbindungen zu hohe Widerstände aufweisen. Um sicherzustellen, dass Verteilergetriebe im Fehlerfall sichere Betriebszustände einnehmen, simulieren die Hersteller diese Fehler.

In einigen Fällen entwickeln Lieferanten von Antriebsstrang-Systemen Testadapter, die es ermöglichen, während der Prüfung des Verteilergetriebes Fehlerzustände herbeizuführen. Dieses manuelle Herbeiführen von Fehlern ist zeitaufwendig und limitiert die Anzahl der Tests, die durchgeführt werden können. Darüber hinaus ist diese Vorgehensweise fehleranfällig.

Fehlersimulation

Breakout-Box wie sie für das Benchtop-Testing benutzt wird. Pickering

„Da ECUs im Automotive-Bereich immer komplexer und intelligenter werden, fragen uns unsere Kunden immer häufiger nach neuen Schaltszenarien für die Fehlersimulation“, berichtet Paul Bovingdon, Produktmanager für Simulationsprodukte bei Pickering Interfaces, einem Anbieter modularer Signalschalt- und Simulationslösungen für elektronische Tests und Verifizierungen mit Hauptsitz in England. „Offenbar gibt es einen Trend hin zu mehr Testautomatisierung, um ECUs detaillierter und in kürzerer Zeit testen zu können.“

In Entwicklung befindliche ECUs werden typischerweise mittels Hardware-In-the-Loop (HIL) Simulation angesteuert. Dabei handelt es sich um ein Testsystem, das die Geräte simuliert, die die ECU ansteuert. So wird beispielsweise ein Stimulus-Instrument angeschlossen, das das Verhalten des Motors simuliert. Gesteuert wird es entweder manuell oder durch einen mit Messinstrumenten ausgestatteten Computer, der die analogen und digitalen Antworten des Steuergeräts erfasst. Wenn es erforderlich war, Fehlerzustände herbeizuführen, wurde dafür meist ein Rangierverteiler benutzt.

Derartige Lösungen haben systembedingte Nachteile, wie zum Beispiel fehlende Wiederholbarkeit, Größe, fortwährende Wartung, die Notwendigkeit profunder Kenntnisse des Bedieners über das System, mögliche menschliche Fehler sowie die Arbeitskosten für die Durchführung und Protokollierung der Tests.

Fehlersimulation

Das programmierbare Widerstands-Modul 40-297 von Pickering. Pickering

Der richtige Weg bei der Verbesserung der HIL-Simulation ist der Einsatz von Fehlersimulations-Einheiten (Fault Insertion Units, FIU). Das sind Module, die elektrische Fehler einschleifen und so Probleme wie Korrosion, Kurzschlüsse/Unterbrechungen und andere elektrische Fehler nachbilden. Die Prüfung unter Einbeziehung von FIUs ist laut Bovingdon wiederholbarer und umfassender und findet Probleme schneller.

Zunächst jedoch zurück zum realen Test des Steuergeräts des Verteilergetriebes. Der Testadapter wurde zwischen dem Verteilergetriebe und seiner ECU eingeschleift. Ein Techniker schaltete die Fehler manuell ein und aus. Das limitierte die Anzahl an Testdurchläufen, die wegen der längeren Testzeiten durchgeführt werden konnten. Außerdem bestand die Gefahr von Bedienfehlern.

Es gab Probleme mit dem Testadapter – die Testingenieure konnten keine resistiven Fehler nachbilden und der Test eines einzigen Prüflings dauerte bis zu acht Minuten. Da der Hersteller des Antriebsstrangs tausende von Tests durchzuführen hatte, war es schnell klar, dass eine Lösung mit geringeren Testzeiten gefunden werden musste.

Automatisieren der Fehlersimulation

Nach der Evaluierung mehrerer Schaltsysteme entschied sich der Hersteller der Antriebsstrang-Systeme für Pickering und beschaffte ein PXI-Chassis, das mit etlichen Fehlersimulations-Schaltmodulen 40-191 bestückt ist, um Kurzschlüsse und Unterbrechungen zu simulieren. Das 40-191-Modul verwendet Halbleiter-Schaltelemente und kann bis zu 40 A auf einem einzelnen Kanal schalten. Das Modul kann über jeden Kanal Signale zum Prüfling senden oder die Verbindung unterbrechen. Die Fehlersimulations-Busse erlauben es, jeden Kanal mit jedem anderen Kanal kurzzuschließen. Sie ermöglichen es auch, jeden Kanal mit externen Signalen wie Spannungsversorgung, Zündung oder Masse zu verbinden, um Fehlerzustände zu simulieren. Das programmierbare Widerstands-Modul 40-297 von Pickering wurde ausgewählt, um resistive Fehler nachzubilden.

Fehlersimulation

Pickerings 30 A PXI-Fehlersimulations-Schaltmodul, Modell 40 191. Pickering

Um einen Unterbrechungsfehler zu simulieren, muss nur ein Kanal geöffnet werden. Um zwei Leitungen kurzzuschließen, werden beide Leitungen an einen der Fehlerbusse des Moduls angeschlossen. Um einen Kurzschluss mit der Versorgungsspannung oder mit Masse zu simulieren, wird die Signalleitung mit einem der Fehlerbusse verbunden, der dann an Masse oder eine externe Spannung angeschlossen wird.

Um einen simulierten resistiven Fehler in einer der Signalleitungen zwischen dem Verteilergetriebe und seinem elektronischen Steuergerät nachzubilden, schaltet der Computer einen variablen Widerstand des 40-297-Moduls zu und variiert dessen Widerstandswert in einzelnen Schritten solange, bis das System eine Unterbrechung erkennt. Sobald ein Fehler eingefügt worden ist, werden ein oder mehrere Fahrszenarien durchgespielt und die Testdaten erfasst. Durch die Automatisierung der Fehlersimulation wurde die Zeit für die Durchführung eines Einzeltests von etwa acht Minuten auf etwa vier Minuten gesenkt. Wenn man berücksichtigt, dass ein typischer Testlauf bis zu 20.000 Einzeltests umfassen kann und länger als einen Monat dauert, um vollständig abzulaufen, werden die Einsparungen offensichtlich.

Analyse der Testergebnisse

Das erste wofür sich die Testingenieure interessierten, waren Hinweise darauf, dass der Test irgendwelche Schäden an der ECU verursacht hatte. Wenn keine Schäden aufgetreten waren, wurde damit begonnen, die Testdaten zu analysieren. Besonders interessant sind die CAN-Signale und das Gesamtverhalten des Systems. Wonach die Testingenieure vor allem suchen, sind Daten, die auf ungewollte Änderungen hinweisen, nebst den entsprechenden Diagnose-Codes.

Das Technik-Team des Lieferanten war äußerst zufrieden damit, wie Pickerings Schaltsystem die Tests automatisierte. Ermutigt durch den Erfolg dieses ersten Schritts arbeiten sie jetzt an einem universellen Testsystem für ihre Verteilergetriebe. Und sie sind sicher, dass ihnen dies mithilfe eines automatisierten Schaltsystems auch gelingen wird.