Das Unternehmen

Die Ford Motor Company ist ein weltweit tätiger Automobilhersteller, der für sein Engagement für Innovationen im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeugtechnologien bekannt ist. Der Ford Fusion Hybrid, einer der erfolgreichsten Hybride auf dem Markt und Gewinner der Auszeichnung "North American Car of the Year 2010", ist ein Beispiel für die Bemühungen des Unternehmens um hocheffiziente Antriebssysteme, die durch strenge Tests und Kontrollvalidierung unterstützt werden. Um sicherzustellen, dass seine Hybridsysteme die strengen Erwartungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung erfüllen, integriert Ford fortschrittliche hardware(HIL) Tests in seinen Entwicklungsablauf.

Die Herausforderungen

Bei der Entwicklung des elektrischen Antriebsstrangs des Ford Fusion Hybrid sahen sich die Ford Ingenieur:innen mit komplexen Simulationsanforderungen konfrontiert, insbesondere in Bezug auf den Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) und den zugehörigen Wechselrichter. Das Steuerungssystem basierte auf hochfrequenten PWM-Signalen im Bereich von 2 bis 20 kHz mit Totzeiten von 2 bis 20 Mikrosekunden, was eine Simulationsgenauigkeit erforderte, die weit über die Möglichkeiten herkömmlicher CPU-basierter Systeme hinausging. Die hohe Bandbreite des Motorantriebs, die um mehrere Größenordnungen über der von Verbrennungssystemen liegt, erforderte extrem kleine Simulationszeitschritte, um die Genauigkeit zu erhalten. Hinzu kam, dass Tests an physischen Prototypen im Frühstadium kostspielige Schäden riskierten, so dass eine robuste virtuelle Tests für die Entwicklung und Validierung von Steuerungsstrategien sowohl unter Standard- als auch unter Fehlerbedingungen unerlässlich war.

Die OPAL-RT Lösung

Um diese Anforderungen zu erfüllen, lieferte OPAL-RT einen eDRIVEsim Echtzeit-HIL-Simulator, der speziell auf die Simulation von PMSM-Antrieben und deren Regelverhalten mit hoher zeitlicher Auflösung zugeschnitten ist. Aufgebaut auf einer Multi-Core Intel i7 Plattform mit FPGA-basierten I/O, unterstützt das System Simulationszeitschritte von nur 7 Mikrosekunden und eine digitale Signalauflösung von bis zu 10 Nanosekunden. Durch den Einsatz der Time-Step Averaging Method (TSAM) von OPAL-RT konnte der Simulator hochfrequente Gattersignale und Schaltungsereignisse präzise verarbeiten - auch solche, die kürzer als der Basiszeitschritt der Simulation waren. Das System unterstützte auch Fehlermodus-Verhalten wie Hochimpedanz-Zustände, Fehler bei offener Phase und natürliche Gleichrichtungsmodi. Die Ford Ingenieur:innen integrierten ihre Produktionssteuerung in den Simulator und führten umfangreiche Tests mit RT-LAB und der RTeDRIVE-Simulink-Bibliothek durch, wobei sie die Teilsysteme für eine optimale Leistung auf die CPU-Kerne verteilten. Auf diese Weise konnten sie jeden Motorantrieb, Aufwärtswandler und I/O unabhängig und in Echtzeit modellieren und simulieren.

Die Ergebnisse

Mit der HIL-Plattform von OPAL-RT konnte Ford seine Strategien zur Steuerung des Hybridantriebsstrangs erfolgreich testen und validieren, lange bevor die physischen Prototypen fertiggestellt waren. Das Unternehmen führte gezielte Tests durch, wie z.B. Phasenüberstromschutz, drehmomentabhängige Ladewandleraktivierung und Szenarien zum Hochfahren der Geschwindigkeit, wobei die Steuerung wie in einem realen Fahrzeug arbeitete. Das System reduzierte die Entwicklungszeit und -kosten erheblich, verbesserte die Produktqualität und ermöglichte es Ingenieur:innen , Vorteil und Fehlerszenarien ohne hardware zu untersuchen. Vor allem aber lieferte der Simulator die zeitliche Präzision und Modellflexibilität, die für die Unterstützung von Elektromotorantrieben mit hoher Bandbreite erforderlich ist, so dass die Hybrid-Steuerungssysteme von Ford mit Sicherheit verfeinert, validiert und in die Produktion überführt werden konnten.

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