Was sind Tests in der Automobilindustrie?

Wichtigste Erkenntnisse

• HIL ist die Plattform, auf der software mit dem tatsächlichen Timing, I/O sowie dem Fehlerverhalten des Steuergeräts zusammenkommt.
• Sicherheitskritische Fahrzeugsysteme sollten vor kostspieligen Fahrzeugtests die HIL-Phase erreichen, da auf dem Prüfstand gefährliche Szenarien ohne physisches Risiko wiederholt werden können.
• Die Laufzeit des Teststands, die Qualität der Schnittstellen und die Offenheit der Toolchain bestimmen den Nutzen von HIL stärker als die Größe des Teststands oder dessen visuelle Komplexität.

Tests der Automobilindustrie wird das eigentliche Steuergerät mit einem Echtzeit-Fahrzeugmodell abgeglichen, sodass Sie Steuerungs-, Zeitablauf- und Sicherheitsfehler bereits vor Tests auf der Rennstrecke oder auf der Straße erkennen können.

Die Automobilhersteller produzierten im Jahr 2023 weltweit 93.546.599 Fahrzeuge, sodass sich ein kleiner Fehler bei der Validierung auf Millionen von Einheiten auswirken kann. Angesichts dieser Größenordnung kommt der Validierung eine entscheidende Bedeutung zu. Man Tests nicht mehr nur Tests Diagramm, Tests hardware in einem Serienfahrzeug verbaut wird. HIL nimmt in diesem Ablauf einen besonderen Platz ein. Es verbindet software mit dem physikalischen Verhalten von Steuergeräten unter Closed-Loop-Bedingungen. Ein Batteriesteuergerät, ein Lenkungs-Steuergerät oder ein Kamerasteuergerät kann in der Offline-Simulation stabil erscheinen und dennoch versagen, sobald Latenz, Skalierung oder Sensorausfälle auftreten. Bei HIL werden diese Probleme sichtbar, während das Risiko unter Kontrolle bleibt.

Was HIL Tests in der Validierung im Automobilbereich Tests

HIL steht für hardware“. Wenn Sie fragen, was HIL in der Automobilindustrie ist, lautet die kurze Antwort: Das Steuergerät bleibt physisch vorhanden, während der Rest des Fahrzeugs simuliert wird. Das Steuergerät führt seine software echter hardware aus. Der Simulator liefert die Anlage, Sensor-und Datenfusion, Lasten und Fehlerzustände im geschlossenen Regelkreis.

Anhand einer Motorsteuerung lässt sich das Prinzip leicht veranschaulichen. Die ECU liest die simulierte Kurbelwellenposition, die Drosselklappenstellung und den Ladedruck aus und sendet anschließend Zünd- oder Drehmomentbefehle zurück an den simulierten Antriebsstrang. Dieser Regelkreis läuft mit der von der Steuerung erwarteten Zeitsteuerung ab. Man kann denselben Kaltstart, dieselbe Drehmomentanforderung oder denselben Sensorfehler so oft wie nötig wiederholen.

Genau diese Wiederholbarkeit ist der Grund, warum Tests Automobilbereich so wichtig sind. Auf dem Prüfstand lässt sich zeigen, wie sich ein Steuergerät verhält, wenn es mit realen I/O, Busverkehr und Fehlerabläufen konfrontiert wird – und nicht nur software idealen software . Man erhält ein präziseres Ergebnis als Tests reinen Tests ein sichereres Ergebnis als bei frühen Tests. Darin liegt der praktische Nutzen von HIL.

„Gute HIL-Arbeit schafft Vertrauen, weil sie konkret ist.“

HIL geht nach Tests software in die Validierungsphase über

HIL folgt auf Model-in-the-Loop und software, sobald die Regelungslogik korrekt erscheint und die nächste Frage hardware betrifft. Es findet vor den Testfahrten auf der Rennstrecke und den Flottenversuchen statt. Diese Reihenfolge ist wichtig, da viele Fehler auf Schnittstellen und zeitliche Abläufe zurückzuführen sind. Regelungsgleichungen allein können diese Fehler nicht aufdecken.

Eine Traktionskontrollfunktion kann Code-Tests bestehen und dennoch Radgeschwindigkeitsimpulse falsch verarbeiten, sobald der eigentliche Mikrocontroller über seinen realen I/O verrauschte Eingangsdaten ausliest. HIL deckt diese Lücke frühzeitig auf. Ingenieur:innen denselben Start bei geteilter Reibung zehnmal mit identischem Radschlupf, identischer Buslast und identischem Bremsbedarf wiederholen. Der Fehler wird dadurch nachvollziehbar und ist nicht mehr nur eine Anekdote.

Wird dieser Schritt übersprungen, werden hardware auf spätere Phasen verlagert. Die Testteams verbringen dann kostbare Testzeit damit, einem übersehenen Interrupt, einer Busüberlastung oder einer fehlerhaften Sensorskala nachzugehen. HIL verkürzt diesen Zyklus, da die Testumgebung kontrolliert und wiederholbar ist. Sie können die Ursache schneller eingrenzen und die Testzeit im Fahrzeug für Fragen reservieren, die nur ein Fahrzeug beantworten kann.

Sicherheitskritische Steuergeräte sollten vor kostspieligen Straßentests einem HIL-Test unterzogen werden

Steuergeräte, die die Sicherheit, das Drehmoment, den Energiefluss oder die Wahrnehmung beeinflussen, sollten vor jeder kostspieligen Fahrzeugkampagne einer HIL-Prüfung unterzogen werden. Diese Steuergeräte sind mit Fehlerfällen konfrontiert, die sich auf einer Teststrecke nur schwer sicher nachstellen lassen. Mit HIL lassen sich diese Fälle ohne physisches Risiko wiederholen. Deshalb haben Brems-, Lenk-, Batterie-, Wechselrichter- und ADAS-Einheiten oberste Priorität.

Ein Bremssteuergerät ist ein eindeutiges Beispiel. Hier lassen sich Radgeschwindigkeitsausfälle, Hydraulikdruckfehler und „Split-Mu“-Stops simulieren, ohne den Fahrer zu gefährden. Ein Batteriemanagement-Steuergerät verdient die gleiche Behandlung, da Zellungleichgewichte, Schützfehler und thermische Grenzwerte vor der Skalierung der Akkupacktests im geschlossenen Regelkreis geprüft werden müssen. Die gleiche Logik gilt für die Lenk- und Antriebssteuerung.

Ein nützlicher HIL-Prüfstand beginnt mit Latenzbudgets

Ein nützlicher HIL-Prüfstand beginnt mit einem Zeitbudget für jeden Signalpfad. Wenn das Timing der Schleife nicht stimmt, liefert selbst ein gutes Modell falsche Ergebnisse. Die Abtastzeiten, die Buslatenz, I/O und das Timing für die Fehlerinjektion müssen im Vorfeld festgelegt werden. Nur so sind die Ergebnisse hinsichtlich „bestanden“ oder „nicht bestanden“ vertrauenswürdig.

Ein Motorsteuergerät, das alle 50 Mikrosekunden den Strom abtastet, reagiert ganz anders, wenn der Prüfstand verzögerte Werte liefert. Gute Teams erfassen die Latenz von der Ausführung im System über I/O bis hin zur ECU und zurück in den Simulator. OPAL-RT eignet sich oft für diese Phase, da Ingenieur:innen eine deterministische Ausführung und eine offene Integration mit bestehenden Modellierungs- und Automatisierungstools Ingenieur:innen . Die Plattform ist dabei weniger wichtig als die Einhaltung der Zeitvorgaben.

• Die Gesamtlatenz im geschlossenen Regelkreis bleibt innerhalb der Auslegungsannahmen des Reglers.
• I/O analogen und digitalen I/O passt sich den Sensorbereichen und der Pin-Zuordnung an.
• Der Netzwerkverkehr spiegelt den erwarteten Nachrichtenablauf und die Busauslastung wider.
• Die Fehlerinjektion erfolgt genau an der Auslösestelle im Testfall.
• Die Protokolle nutzen dieselbe Taktreferenz, sodass Ursache und Reaktion zeitlich übereinstimmen.

Diese Prüfungen verhindern, dass Phantomfehler unnötige Zeit auf dem Prüfstand verschwenden. Sie zeigen zudem auf, wann schnellere I/O, ein schlankeres Modell oder eine andere Aufteilung zwischen Prozessor- und FPGA-Ressourcen erforderlich sind. Die Qualität der Einrichtung entscheidet über den Nutzen von HIL, lange bevor der erste skriptgesteuerte Test läuft.

Die HIL-Simulation des Antriebsstrangs hängt von der Genauigkeit des Modells bei transienten Zuständen ab

HIL für den Antriebsstrang funktioniert nur, wenn das Anlagenmodell auch bei abrupten Transienten glaubwürdig bleibt. Eine Genauigkeit im stationären Betrieb reicht nicht aus. Anfahrdrehmoment, regeneratives Bremsen, Gangwechsel und Batteriegrenzen treten innerhalb von Millisekunden auf. Ihr Steuergerät reagiert auf diese Momente, daher muss der Simulator mit entsprechendem Timing und numerischer Stabilität reagieren.

Ein Wechselrichter-Regler kann während einer sanften Drehzahlanstiegsphase einwandfrei funktionieren, bei einem plötzlichen Gaspedalanschlag jedoch Schwankungen aufweisen, wenn die Gleichstrom-Bus-Spannung absinkt und der Motorstrom an seine Grenze stößt. Ein Getrieberegler kann bei einem abrupten Hochschalten dieselbe Unstetigkeit zeigen, wenn die Modelle für Kupplungsdruck und Motordrehmoment zu weich ausgelegt sind. Der Fahrer spürt solche Ereignisse sofort. Deshalb ist die Genauigkeit bei Transienten wichtiger als eine saubere, gleichmäßige Kurve.

Die Detailgenauigkeit eines Modells ist mit Kosten verbunden, daher sollten Sie diese dort einsetzen, wo die Regelungsmaßnahmen besonders empfindlich sind. Bei einigen Wechselrichtertests kommt es auf die Details der elektrischen Schaltvorgänge an. Für viele Überwachungsprüfungen reichen Mittelwertmodelle aus. Leistungsfähige HIL-Programme passen die Modelltiefe an die jeweilige Fragestellung an und vergleichen anschließend die Reaktion auf dem Prüfstand mit den gemessenen Kurven aus Prüfstand- oder Fahrzeugversuchen.

Für ADAS-HIL werden Sensormodelle benötigt, die Vorteil entsprechen

Für ADAS-HIL werden Sensor- und Szenenmodelle benötigt, die nicht nur „saubere“ Erkennungsergebnisse, sondern auch schwierige Fälle abbilden. Kamera-, Radar-, Lidar- und software versagt software in Grenzfällen. Diese Grenzfälle entscheiden über das Systemverhalten. Wenn der Prüfstand keine Verdeckungen, Blendungen, Störsignale oder zeitliche Schwankungen reproduzieren kann, sagt die Erfolgsquote nicht viel aus.

Systeme zur Vermeidung von Frontalzusammenstößen reduzierten die von der Polizei gemeldeten Auffahrunfälle um 50 % bei den vom IIHS untersuchten Fahrzeugpaaren, was zeigt, warum die Validierungsqualität weit über reine Prüfstandsmesswerte hinaus von Bedeutung ist. Eine sinnvolle ADAS-Konfiguration simuliert beispielsweise einen Fußgänger, der hinter einem geparkten Transporter hervortritt, ein Motorrad, das aus einem engen Winkel einfährt, oder ein Einfädeln bei tiefstehender Sonne. Die Steuerung muss dann unter wiederholten Bedingungen die Erkennungszeit, die Objektklassifizierung und die Ausweichlogik unter Beweis stellen.

Die Genauigkeit der Sensoren ist nur ein Teil der Aufgabe. Der gesamte Stack hängt auch von synchronisierten Zeitstempeln, Aktuatorverzögerungen sowie der Brems- und Lenkreaktion ab. Lücken in der Kette können dazu führen, dass die Wahrnehmung besser aussieht, als das System tatsächlich ist. ADAS-HIL beweist seinen Wert, wenn die Situationserkennung, die Sensor-und Datenfusion sowie die Fahrzeugreaktion in einem geschlossenen Regelkreis aufeinander abgestimmt bleiben.

Mangelhafte Schnittstellen verfälschen die HIL-Ergebnisse vor Tests

Mangelhafte Schnittstellen können die HIL- Ergebnisse verfälschen, selbst wenn der Regler und das Modell einwandfrei sind. Die meisten Fehler im Prüfstand entstehen an den Rändern des Aufbaus. Signalaufbereitung, Erdung, Skalierung und Lastemulation beeinflussen, was die Steuereinheit wahrnimmt. Ein falscher „Pass“ entsteht dort genauso leicht wie ein falscher „Fehler“.

Ein auf dem Prüfstand skalierter Drosselklappeneingang von 0 bis 5 V kann den Messbereich eines Seriensensors von 0,5 bis 4,5 V überdecken und die Plausibilitätslogik des Reglers verfälschen. Ein Radgeschwindigkeitssignal mit sauberen Rechteckwellen kann Störsignale und fehlende Zähne, wie sie bei hardware tatsächlichen hardware vorkommen, übersehen. Aus diesem Grund verdienen Schnittstellenkarten, Lastboxen und Anschlusskabel die gleiche Überprüfung wie das Anlagenmodell. Sie sind Teil des Testsystems.

Sie sollten die Schnittstellenvalidierung als eigenständige Aufgabe betrachten. Überprüfungen der Pin-Zuordnung, Kalibrierungsüberprüfungen und Testläufe mit Fehlerinjektion decken die meisten Fehler am Prüfstand auf, bevor diese eine Testkampagne zunichte machen. Sobald die Schnittstellen validiert sind, lassen sich Fehler mit weitaus größerer Sicherheit auf die ECU-Logik zurückführen. Das ist der Unterschied zwischen aussagekräftigen HIL-Ergebnissen und bloßem „Prüfstand-Theater“.

Dank offener Toolchains bleiben HIL-Prüfstände über verschiedene Fahrzeugprogramme hinweg einsetzbar

Offene Toolchains sorgen dafür, dass HIL-Prüfstände weiterhin nützlich bleiben, da Fahrzeugprogramme schneller voranschreiten als die Laborbudgets. Wiederverwendbare Modelle, Skripte und Schnittstellen verhindern, dass die Validierungsarbeit jedes Mal von Grund auf neu begonnen werden muss, wenn sich ein Steuergerät oder ein Netzwerk ändert. Das ist wichtiger als die Treue zu einem bestimmten Stack. So bleibt der Aufwand für die Prüfstände auf den technischen Nutzen ausgerichtet.

Ein Labor, in dem ein Batteriecontroller gegen eine Wechselrichter-ECU ausgetauscht, die gleichen Automatisierungsskripte beibehalten und I/O neu geroutet werden können, I/O den Prüfstand neu aufbauen zu müssen, kann mit demselben Personal mehr Testfälle validieren. Dieser praktische Bedarf erklärt die Eignung von Plattformen wie OPAL-RT, bei denen Offenheit und deterministische Ausführung die Wiederverwendung über Antriebsstrang-, Fahrwerks- und ADAS-Arbeiten hinweg unterstützen. Leistungsfähige Werkzeuge sind nach wie vor auf solide Modellannahmen und eine disziplinierte Testgestaltung angewiesen.

Gute HIL-Arbeit schafft Vertrauen, weil sie konkret ist. Sie belegt Timing, Schnittstellen, Fehlerbehandlung und Regelverhalten unter reproduzierbaren Bedingungen. Wenn diese Disziplin gegeben ist, wird HIL zur klarsten Brücke zwischen software und Fahrzeugvertrauen. Das ist der Standard, den Ihr Labor anstreben sollte.