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Jul 31, 2023

Porsche Engineering nutzt bei der Entwicklung elektrischer Antriebe modernste Testverfahren, die sowohl reale Tests als auch Tests in einer virtuellen Umgebung umfassen. Ihr Einsatz kann die Entwicklungszeit deutlich verkürzen und die Anzahl der benötigten Testfahrzeuge reduzieren.

Um die Effizienz bei der Entwicklung neuer Komponenten und Systeme für Elektroantriebe weiter zu steigern, setzt Porsche Engineering speziell auf die Anforderungen der Hochvolttechnik abgestimmte Testmethoden ein. An den Standorten Bietigheim-Bissingen und Nardò werden beispielsweise Hochvoltbatterien auf Fahrzeug- und Komponentenprüfständen getestet, für den Test der Software von Pulswechselrichtern (PIs) stehen Hardware-in-the-Loop-Simulationsumgebungen zur Verfügung. Dabei wird die reale Hardware in einem virtuellen Fahrzeugsystem getestet.

Bei Elektrofahrzeugen kommt dem PI eine Schlüsselrolle zu, denn er wandelt die Gleichspannung der Batterie in die mehrphasige Wechselspannung und das zugehörige Drehfeld für den elektrischen Antriebsmotor um. Bei aktiver Energierückgewinnung im Schubbetrieb arbeitet der PI in die entgegengesetzte Richtung und wandelt die Wechselspannung des Motors in eine Gleichspannung um, die zum Laden der Batterie verwendet wird. „Eine präzise PI-Regelung für die unterschiedlichen Leistungs- und Komfortanforderungen in unterschiedlichen Fahrsituationen erfordert hochkomplexe Regelalgorithmen und Sicherheitsfunktionen, die vor der Inbetriebnahme des Antriebs getestet werden müssen“, erklärt Rafael Banzhaf, Technischer Projektleiter bei Porsche Engineering. „Dabei geht es zum Beispiel darum, sicherzustellen, dass das Antriebssystem in Ausnahmesituationen wie einem Crash mit Airbag-Auslösung in einen sicheren Zustand gelangt.“ Vor der Entwicklung des PI-HiL-Systems mussten die Tests im Fahrzeug oder auf einem realen Prüfstand durchgeführt werden, wobei bei Softwarefehlern im Steuergerät immer die Gefahr bestand, dass etwas beschädigt werden könnte.

Porsche Engineering hat deshalb ein Prüfstandskonzept zum Testen der PI-Software entwickelt, bei dem das reale PI-Steuergerät als Hardware-in-the-Loop (HiL) integriert ist. „Das Steuergerät entspricht exakt der Version im Fahrzeug, sodass wir zuverlässige Rückschlüsse auf die Funktion der verbauten Software ziehen können“, sagt Thomas Füchtenhans, Entwicklungsingenieur bei Porsche Engineering. „Die einzige Änderung ist eine Trennung der Hochspannungskomponenten von den Niederspannungskomponenten wie der PI-Steuerplatine im Steuergerät. Dies ist sowohl aus funktionalen als auch aus Sicherheitsgründen notwendig, hat aber keinen Einfluss auf die Tests.“

Bei den HiL-Tests aktiviert die PI-Steuerplatine keine echte Hardware, sondern eine Simulation des PI-Leistungsteils. Dies wiederum ist mit Simulationen der Hochvoltbatterie, des elektrischen Antriebsmotors, des Bussystems und des restlichen Fahrzeugs verknüpft, um die Auswirkungen von Fahrzeugsystemen wie Airbags usw. auf die PI-Regelung zu berücksichtigen Bremsregelsystem und der Fahrer über die PI-Regelung. Umgekehrt liefert die Simulation virtuelle Sensordaten wie Phasenströme und Temperaturen zurück an das PI-Steuergerät und schließt so den Regelkreis. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit werden die Simulationen für die Batterie und den Rest des Fahrzeugs auf einem Echtzeitrechner (RTPC) durchgeführt, während noch schnellere FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) die Simulation ermöglichen Zeiten im Nanosekundenbereich werden für die Leistungselektronik und den Elektromotor eingesetzt.

Zu den auf dem HiL-Prüfstand möglichen Testumfängen gehören in erster Linie Funktionstests gemäß Spezifikationsanforderungen, aber auch Flashtests neuer Software, Validierungstests als Sicherheitsstufe vor weiteren Analysen im Fahrzeug sowie Tests der Schnittstellen, Diagnosefunktionen, Ausführungszeiten sowie von Cybersicherheit und virtuellen Dauertests. „Tests auf realen Prüfständen oder im Fahrzeug können wir mit dem PI-HiL zwar nicht vollständig ersetzen, aber deren Umfang deutlich reduzieren und so die realen Prüfstände entlasten, die Kosten deutlich senken und gleichzeitig die Sicherheit erhöhen“, berichtet Banzhaf .

Die Entwicklung des PI-HiL-Prüfstands ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit verschiedener Porsche Engineering-Standorte. Derzeit sind sechs PI-HiL-Systeme im Einsatz, eine Kapazitätserweiterung ist geplant. „Eine Besonderheit unseres Ansatzes ist der vollständige Fernzugriff zur Steuerung der Prüfstände“, sagt Füchtenhans. „So können beispielsweise Anwendungsingenieure, die Tests in Schweden oder den USA durchführen, die Simulationen von ihrem Standort aus steuern. Da alle Prüfstände miteinander und mit dem Archivierungssystem verbunden sind, können die Daten auf den Servern bereitgestellt werden.“ Ab sofort ist die Teilnahme an allen Teilnehmern möglich. Insbesondere der Standort Shanghai bietet hier große Chancen für eine hohe Testeffizienz, da er aufgrund der Zeitverschiebung zwischen Europa und China eine Testdurchführung und -auswertung im internationalen Netzwerk der Teams rund um die Uhr ermöglicht. "

Ein weiterer Vorteil von PI-HiL von Porsche Engineering ist der hohe Automatisierungsgrad. Die vom Kunden bereitgestellten Anforderungsdokumente für das PI-Regelungssystem werden automatisch importiert. Die Testspezifikationen werden dann automatisch aus den Kundenspezifikationen abgeleitet und zur Generierung verschiedener umsetzbarer Testfälle und Versuche verwendet. „Die geschlossene Automatisierungskette erhöht die Effizienz im gesamten Testprozess. Statt mehrere Wochen damit zu verbringen, die über 1.000 Testfälle für eine PI-Testreihe manuell zu erstellen, benötigen wir nur etwa wenige Stunden“, sagt Banzhaf.

Zukünftig ist auch der Einsatz von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) geplant: Mithilfe der Verarbeitung natürlicher Sprache (Natural Language Processing, NLP) soll die KI in der Lage sein, Anforderungsspezifikationen, die als einfaches Textdokument übermittelt werden, richtig zu interpretieren und in maschinenlesbaren Code umzuwandeln. Dies dient als Grundlage zur automatischen Generierung der Testsequenzen. Heute wird diese Tätigkeit von Experten durchgeführt, die über umfassende Gesamtsystemkenntnisse verfügen müssen. „Unser Ansatz transferiert Expertenwissen in die digitale Welt und hilft so, Entwicklungszeit und -kosten zu sparen. Erste Validierungen waren sehr erfolgreich. Daher bin ich überzeugt, dass wir KI mittelfristig auch im regulären Testprozess einsetzen werden“, erklärt Banzhaf .

Auch wenn virtuelle Testverfahren immer mehr Bereiche abdecken, können sie reale Tests von Hochvoltbatterien noch nicht vollständig ersetzen. Aus diesem Grund unterhält Porsche Engineering in Bietigheim-Bissingen eine umfangreiche Infrastruktur mit Fahrzeug- sowie System- und Zellprüfständen. Ersteres dient der genaueren Analyse von Batterien auf Komponentenebene, letzteres lässt sogar Rückschlüsse auf Zellchemie-Ebene zu. Durch eine flexible Anpassung von Fahrprofilen und Lastkollektiven können die für den Test relevanten Fahrsituationen simuliert werden. Je nach Zielsetzung des Tests werden das Lade- und Entladeverhalten, die Kapazität, die Innenwiderstände und das Temperaturverhalten der Batterie erfasst und aufgezeichnet.

Auf den Fahrzeugprüfständen können Batterien im eingebauten Zustand getestet werden, beispielsweise für Messungen von Batteriekapazität und -strömen im WLTP-Fahrzyklus. Dies ist insbesondere bei Dauertestfahrzeugen wichtig, bei denen die Prüfung der Batterie alle 20.000 Kilometer zum vorgeschriebenen Prüfumfang gehört. „Der Ausbau der Batterie für die Tests würde zu viel Zeit in Anspruch nehmen. Anstatt mit dem Ausbau etwa eine Woche zu dauern, beträgt die Durchlaufzeit von der Anlieferung des Fahrzeugs über die Testvorbereitung bis hin zum Test und der Datenauswertung bei uns nur etwa 48 Stunden“, sagt Dirk Pilling , Entwicklungsingenieur Hochvoltbatterien bei Porsche Engineering. Er weist auch auf einen weiteren Aspekt hin: „Arbeiten an der Batterie könnten den Fahrzeug-Dauertest verfälschen, etwa weil bei einem späteren Wiedereinbau Schrauben gelöst und wieder an die Fahrzeugkarosserie angeschlossen werden.“ Auf einem weiteren Prüfstand können Dichtheitsprüfungen an Batteriegehäusen durchgeführt werden. „Lecks entstehen unter anderem durch Korrosion oder Vibrationsschäden. Dringt dann Wasser in das Batteriesystem ein, kann es zu Kurzschlüssen kommen“, erklärt Dr. Ulrich Lange, Projektleiter Hochvoltbatterien bei Porsche Engineering.

Bei allen Batterietests in Bietigheim-Bissingen spielt die integrierte Werkstatt eine Schlüsselrolle. „Dort werden die Batterien für Messungen vorbereitet und mit der nötigen Sensorik ausgestattet, es werden aber auch ganze Batteriepacks und Module als Prototypen für die Tests aufgebaut und die Batterien nach dem Test zur Auswertung zerlegt“, sagt Lange. In einigen Fällen übernimmt die Werkstatt auch die Vorbereitung von Batterien, die für Tests im Nardò Technical Center (NTC) bestimmt sind.

Porsche Engineering hat im NTC in den letzten zwei Jahren eine komplette Testanlage für „Misuse-Tests“ an Hochvoltbatterien nach GB/T und ECE aufgebaut. Dabei wird untersucht, wie die Batterie reagiert, wenn es zu einem „thermischen Durchgehen“ einer Batteriezelle kommt, was beispielsweise durch Überhitzung verursacht werden kann. Am NTC werden diese Missbrauchstests in einem Gebäude durchgeführt. „Thermische Runaway-Tests in geschlossenen Gebäuden stellen hohe Anforderungen an die Durchführung der Messungen, um sicherzustellen, dass das in der Batterie brennende Feuer unter Kontrolle bleibt und nicht zu Schäden führt“, sagt Antonio Toma, BEV-Koordinator im Nardò Technical Center.

Deshalb entwickelte das Ingenieurteam in Nardò gemeinsam mit den Sicherheitsexperten und Feuerwehrleuten des NTC ein ausgefeiltes Sicherheitskonzept. Nach der Lieferung werden die Batterien für die Prüfung vorbereitet, bevor sie getestet werden. Für ein hohes Maß an Sicherheit sorgen automatisch ausgelöste Feuerlöschanlagen. Nach dem Test wird der Batteriestatus beurteilt. Im kritischen Fall muss die Batterie 24 Stunden lang in einer verschlossenen, mit Brandmeldern ausgestatteten Box ruhen, bis die NTC-Experten mit der Analyse des Schadens und ihrer Feststellung beginnen können. Nach der Untersuchung wird die Batterie in einem ebenfalls mit einem Brandschutzsystem ausgestatteten Unterstand bis zur Entsorgung gelagert.

Auf dieser Grundlage bietet das NTC einen umfassenden Service an, der nicht nur Überhitzungs- und Selbstentzündungstests der Zellen, sondern auch speziell an die Kundenanforderungen angepasste Missbrauchstests der Batterie sowie Analysen der Feuerbeständigkeit des Batteriegehäuses umfasst . Der Leistungsumfang reicht von der Lagerung, Vorbereitung und Testdurchführung bis hin zur Post-Mortem-Analyse und dem detaillierten Reporting. „Der große Vorteil des Testens im Testgebäude besteht darin, dass wir unter Laborbedingungen arbeiten. Darüber hinaus haben wir einen Hintergrund in der Automobilentwicklung, kennen also die spezifischen Anforderungen und können auf dieser gemeinsamen Basis mit Kunden zusammenarbeiten“, sagt Toma.

Durch die Kombination realer und virtueller Prozesse kann Porsche Engineering maßgeschneiderte Prüfdienstleistungen anbieten. In jedem Fall profitieren Kunden von Expertenwissen, Methoden und Dienstleistungen auf dem neuesten Stand der Technik.

Porsche Engineering setzt speziell auf die Anforderungen der Hochvolttechnik abgestimmte Prüfmethoden ein. Dazu gehören konventionelle Prüfstände, aber auch HiL-Prüfstände für den virtuellen Test von PI-Reglern. Künstliche Intelligenz wird dort künftig helfen, Entwicklungszeit und -kosten zu sparen.

Text erstmals veröffentlicht im Porsche Engineering Magazin, Ausgabe 1/2023

Autor: Richard Backhaus

Fotos: Rafael Kroetz; Luca Santini

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