Steuergerätetest für E-Fahrzeuge

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In den Forschungs-, Vorentwicklungs- und Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller und -zulieferer wird unübersehbar an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und entsprechenden Mobilitätskonzepten gearbeitet. Manche Produkte haben das Experimentierstadium bereits verlassen, viele andere schicken sich an, diesen in Kürze zu folgen. Damit rückt auch der systematische Test der Fahrzeugelektronik in den Blickpunkt der verantwortlichen Testabteilungen. In den ersten Konzept- und Prototypenphasen wurde vielfach auf bestehende Komponenten von konventionellen Fahrzeugen zurückgegriffen, während der elektrische Antriebsstrang und innovative Funktionen im Fokus standen. Mit der Serienentwicklung der ersten Elektro- und Hybrid-fahrzeuge gilt es nun, die wichtigen Erfahrungen der vergangenen Dekade bezüglich der Absicherung der E/E-Architektur auf die neuen E-Fahrzeuge zu übertragen.
Was ändert sich aber für den Test der Fahrzeugelektronik bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen? Wie müssen die etablierten Teststrategien verändert, ergänzt oder gar ersetzt werden?

Neue Herausforderungen im E-Fahrzeug
Die auffälligste Neuerung in der Bordelektronik sind die neuen Steuergeräte für die elektrischen Antriebskomponenten und die Batterie (Bild 1). 

Bild 1: Neu im E-Fahrzeug sind die Steuergeräte rund um den elektrischen Antriebsstrang sowie der obligatorische Einsatz von Stromspartechniken auf allen Ebenen.

In einem vollelektrischen Fahrzeug ist das Motorsteuergerät durch eines für E-Motoren ersetzt. Das Getriebesteuergerät entfällt. Jedoch umsorgt ein Batterie-Management-System die Akku-Zellen und ein On-Board-Ladegerät ermöglicht das „Tanken“. Die Testabteilungen können die bestehenden Testmethoden auf diese Steuergeräte übertragen. Allerdings müssen dazu die passenden Umgebungssimulationen – insbesondere für die Batterien und Elektromotoren – in die Prüfstände integriert werden. Bei genauer Betrachtung entpuppt sich dies als eine große Herausforderung, da die im elektrischen Antriebsstrang verwendeten hohen Spannungen einen großen Einfluss auf die Prüfstandstechnik haben. Die Herausforderung besteht im Wesentlichen darin, unter diesen Bedingungen für die neuen Systeme die gleiche Prüftiefe und den gleichen Testautomatisierungsgrad wie für die bekannten Elektronikkomponenten zu erreichen.
Mit dem elektrischen Laden zieht auch eine neue Kommunikationsschnittstelle ins Fahrzeug ein: die Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug. Solange es nur darum geht, den eigentlichen Ladevorgang zu steuern und abzusichern, genügen einige einfache elektrische Signale. Für weiter gehende Funktionen wird jedoch eine komplexe Kommunikation benötigt. Solche Funktionen sind beispielsweise das automatische Abrechnen des Aufladens oder das Integrieren des Fahrzeugs in ein „Smart-Grid“ – also eine Kosten-Nutzen-optimierte Ladung des temporär an die Infrastruktur angeschlossenen Fahrzeugs. Rund um den Globus beschäftigen sich verschiedene Entwicklungsgruppen und Standardisierungsgremien mit diesen Themen.

AC-Laden gemäß ISO 15118
Eine zentrale Rolle nimmt sicher die ISO 15118 ein, die das intelligente Laden mit Wechselstrom beschreibt. Die Kommunikation erfolgt über die leistungsführende Leitung (Power Line Communication), nutzt das Internet-Protokoll IP und basiert auf typischen Internettechniken (TCP/UDP, DHCP, XML, JSON, um nur einige zu nennen). Diese Techniken sind zwar weit verbreitet – jeder PC beherrscht die meisten davon – eine Implementierung mit den beschränkten Ressourcen eines Automotive-Steuergeräts ist jedoch neu. Neuen Herausforderungen sehen sich auch die Tester gegenüber, die nun diese Protokolle analysieren und entsprechende Testumgebungen bauen müssen.
Ein weiterer Aspekt: Während bisher die Kommunikation im Fahrzeug zwischen bekannten Steuergeräten abläuft, findet nun eine komplexe Kommunikation zwischen Fahrzeug und einer wechselnden Infrastruktur statt. Um einen reibungslosen Betrieb im Feld zu gewährleisten, ist ein breit aufgestellter Test der Fahrzeugschnittstelle notwendig. Dasselbe gilt für die Ladesäulen. In Zukunft wird vielleicht ein vereinheitlichter Testumfang vereinbart werden können (Stichwort: Conformance Test). Es ist diesbezüglich sicher noch einiges im Fluss; trotzdem müssen für die bereits laufenden Fahrzeugprojekte ausreichende Tests entwickelt werden.
Stromspartechnologien spielen bei der Entwicklung elektrisch betriebener Fahrzeuge eine zentrale Rolle. Im Spannungsfeld zwischen Reichweite, verfügbaren Batterietechnologien und Systemkosten ist elektrische Energie ein extrem knappes Gut. Jedoch werden auch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren energiesparende Systeme diskutiert – Treiber sind hier die Ziele und Verpflichtungen zur Reduktion der CO₂-Emission. Jedes Fahrzeug soll deshalb auf der Ebene der Steuergeräte und Netzwerke so wenig Energie wie möglich verbrauchen.

Energiesparen im Steuergerätenetzwerk
In der Entwicklung von Steuergeräten und Netzwerken werden aktuell verschiedene Ideen verfolgt. Nicht alle Ansätze sind neu, sie werden inzwischen aber mit viel Nachdruck angegangen und finden Eingang in die Standardisierung (insbesondere Autosar).

• Im Teilnetzbetreib (Partial Networking) werden logische Netzwerke gebildet, die nicht mit den physikalischen übereinstimmen müssen. Die energiesparenden Schlafzustände werden auf den logischen Teilnetzen definiert. Sie sind so effektiver einsetzbar, weil in vielen Betriebszuständen weniger Steuergeräte den Schlafzustand verlassen müssen.
• Beim Pretended Networking sind einzelne Steuergeräte so konstruiert, dass sie dem Kommunikationsnetz gegenüber aktiv erscheinen, selbst aber weitest gehend in einen Schlafmodus gehen können. Dies kommt immer dann zur Anwendung, wenn die eigentliche Steuergerätefunktionalität nicht erforderlich ist. Erweiterungen in der Steuergeräte-Hardware sorgen dafür, dass zyklische Botschaften weiterhin versandt werden und der Steuergerätekern unter
• bestimmten Bedingungen wieder geweckt wird.
• Unter dem Stichwort ECU Degradation sind alle Maßnahmen zusammengefasst, bei denen nicht benötigte Teile des Steuergeräts abgeschaltet werden. Dies reicht von einfachem Abschalten elek-trischer Treiberstufen bis zum feingranularen Steuern chip-interner Logikeinheiten.
• Das Zusammenfassen von verschiedenen Funktionen in wenigen Steuergeräten senkt nicht nur den gesamten Energiebedarf, sondern bietet auch ein Einsparpotential bei den Hardware-
• Kosten. Die Autosar-Methodik unterstützt diesen Ansatz bereits durch die ausgeprägte Funktionssicht. Auch sind leistungsfähige Mehrkernprozessoren energieeffizienter als entsprechende Einzelprozessoren in eigenen Steuergeräten.
• Die Entwicklung könnte sogar noch einen Schritt weitergehen und mehrere logische Steuergeräte über eine Virtualisierungsschicht in einem physikalischen Steuergerät zusammenfassen. Dem Einsparpotential steht jedoch die Gefahr unerkannter gegenseitiger Abhängigkeiten entgegen.
• Die ausgefeilten Techniken zur Energieeinsparung erhöhen
• allerdings die Komplexität der Steuergeräte und Netzwerke. Systematische, bereits in den Entwicklungsphasen durchgeführte Tests sind daher wichtiger denn je.

Stromaufnahme differenziert prüfen
Im Test spielt die Stromaufnahme der Steuergeräte eine wichtige Rolle. Bisher wurde die Stromaufnahme als durchschnittliche
Gesamtgröße erfasst oder war von relativ statischen Betriebsmodi – Stichwort Schlafmodus – abhängig. In verbrauchsoptimierten Systemen muss sie jedoch dynamisch in Beziehung zu den Softwarezuständen der Steuergeräte bestimmt werden. Da sich das Einsparpotential aus einer Vielzahl von Einzeloptimierungen ergibt, muss der Tester sehr genau prüfen, ob die Stromaufnahme in den einzelnen Steuergerätezuständen den Erwartungen entspricht. Dasselbe gilt in der Entwicklung: Der Entwickler muss die Leistungsaufnahme bezogen auf den aktuellen Zustand der Software beurteilen können.
Leistungsfähige Testsysteme wie beispielsweise das VT System (Bild 2) von Vector ermöglichen deshalb das präzise Erfassen der Stromaufnahme der zu testenden Steuergeräte und erlauben das Zuordnen zu den Systemzuständen. Die modulare Test-Hardware VT System simuliert die Sensoren und Lasten, stimuliert die Eingänge und misst die Ausgangssignale, erzeugt elektrische Fehler wie Kurzschlüsse und Leitungsbrüche und ermöglicht das Umschalten zwischen den intern simulierten und extern angeschlossenen Sensoren und Lasten. Außerdem steuert das VT System die Versorgungsspannung und ermittelt den aufgenommenen Strom (Bild 2).

Bild 2: Das Stromversorgungsmodul des VT System ermittelt den Strombedarf des Prüflings mit hoher Messgenauigkeit und Zeitauflösung.

Eine schnelle automatische Bereichsumschaltung sorgt dafür, dass sowohl sehr hohe Ströme im Lastbetrieb als auch minimale Ströme in Stromspar- und Schlafmodi mit hoher Auflösung gemessen werden.
Das Automatisieren dieser Tests übernimmt beim VT System CANoe. Diese Software ermöglicht gleichzeitig das Simulieren der restlichen Netzwerkteilnehmer (Restbussimulation) und bedient die Software-Zugänge zum Steuergerät. Außerdem enthält sie umfassende Analysefunktionalitäten, so dass Entwickler das System beispielsweise zum Testen wie zur Fehlersuche verwenden können. CANoe wurde insbesondere für die Analyse, Simulation und den Test von Steuergeräten und -netzwerken entwickelt und ist daher in der Lage, eine Gegenstelle für die verschiedenen Ladesäulen-Schnittstellen zu schaffen. Beim Test eines Ladesteuergeräts wird also die Ladesäule simuliert – und umgekehrt.
Für den Test und die Analyse müssen die Systemzustände der Steuergeräte und Netzwerke aus verschiedenen Signalen ermittelt werden. Das können Bussignale sein, aber auch Hardware-Signale oder Informationen, die über die Diagnose- oder Kalibrierschnittstellen aus dem Steuergerät ausgelesen werden.
So könnte zum Beispiel ein via XCP gelesener Wert über den internen Zustand des Steuergeräts Auskunft geben. Wichtig ist, dass alle Werte wie in CANoe direkt und mit gleicher Zeitbasis zur Verfügung stehen. Mit entsprechender Werkzeugunterstützung ist damit eine Beurteilung des Steuergeräteverhaltens leicht möglich (Bild 3).

Bild 3: In CANoe sind Stromaufnahme und Steuergerätezustand übersichtlich dargestellt und analysierbar.

Dies ist insbesondere in den Entwicklungsphasen und während der Fehlersuche notwendig.
Auf derselben Basis lassen sich auch leicht Testprogramme formulieren und die Tests automatisieren. Die Testabteilungen erreichen damit auch im E-Fahrzeug den hohen Automatisierungsgrad, der sich in den letzten Jahren als wichtiger Bestandteil der Absicherungsstrategie bewährt hat. (av)

(av)