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CAE-GESTÜTZTE SOFTWAREENTWICKLUNG FÜR SULEV-ABGASKONZEPTE Immer strengere Abgasgesetzgebungen wie SULEV stellen auch immer höhere Ansprüche an die Entwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen. IAV stellt Simulationswerkzeuge vor, die den Entwicklungsprozess beschleunigen können. 60 ENTWICKLUNG SIMULATION UND MESSUNG

CAE-gestützte Softwareentwicklung für SULEV-Abgaskonzepte

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Page 1: CAE-gestützte Softwareentwicklung für SULEV-Abgaskonzepte

CAE-GESTÜTZTE SOFTWAREENTWICKLUNG FÜR SULEV-ABGASKONZEPTEImmer strengere Abgasgesetzgebungen wie SULEV stellen auch immer höhere Ansprüche an die Entwicklung

von Abgasnachbehandlungssystemen. IAV stellt Simulationswerkzeuge vor, die den Entwicklungsprozess

beschleunigen können.

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ENTWICKLUNG SIMULATION UND MESSUNG

Simulation und Messung

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VIRTUELLE ENTWICKLUNGSUMGEBUNG

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Dieselmotoren und ihren Abgasnachbehandlungssystemen (ANB) besteht darin, die Flottenvorgaben für NOx+NMHC bis 2025 zu erfüllen. Für Niedrigstemissionskonzepte wie SULEV stehen verschiedene ANB-Systeme wie SCR/DPF in Kombination mit SCR zur Auswahl. Hierfür werden Regelungs- und Dosierkonzepte sowie Softwarefunktionen entwickelt, appliziert und bewertet.

Der Beitrag befasst sich mit der Anwen-dung einer virtuellen Entwicklungsum-gebung. Aufgrund der Kopplung der Softwarefunktionen mit einer virtuellen Abgasnachbehandlungsstrecke können bereits sehr früh im Entwicklungsprozess Rückmeldungen durch das spätere System-verhalten untersucht werden. Dies ermög-licht eine signifikante Beschleunigung der Funktionsentwicklung, da nahezu unbe-grenzte Testmöglichkeiten (selbst vor Ver-fügbarkeit realer Versuchsträger) genutzt werden können. Auch messtechnisch schwer zugängliche Größen wie der NH3-Füllstand einzelner SCR-Komponenten sind erfassbar. Des Weiteren können Inter-aktionen zwischen verschiedenen Dosier-strategien oder Regelzielgrößen frühzeitig bewertet und optimiert werden. Die CAE-gestützte Software entwicklung eröffnet plattformübergreifende Testmöglichkeiten in MiL, SiL und HiL (Model-, Software- und Hardware-in-the-Loop), ermöglicht die virtuelle Grundbedatung der Dosier-software und verringert den experimentel-len Testaufwand in der Validierungsphase am Motorprüfstand und im Fahrzeug. Ein entscheidender Punkt dabei ist die Ver-gleichbarkeit zwischen Realität und Simu-lation. Auf Basis eines SULEV-Demonstra-torfahrzeugs hat IAV die Simulationser-gebnisse validiert.

DOSIERSOFTWARE FÜR SULEV-ANB-KONZEPT („TANDEM-SCR“)

Bei der Software-Anforderungsdefinition sind wichtige Kriterien wie Motorroh-emissionsapplikation, Systemarchitektur, Bauteilcharakteristika, Sensorauslegung und -anordnung sowie gesetzliche Vor-gaben zu berücksichtigen.

Zur Bewertung der maximalen System-leistung hat IAV eine aktive, unabhängig voneinander arbeitende NH3-Füllstands-regelung an beiden SCR-Katalysatoren umgesetzt. Dies erfordert eine genaue Berechnung und Regelung der Ammoni-akspeicherung jeder einzelnen SCR-For-mulierung. Dazu muss die NOx- und NH3-Konzentration zwischen SCR/DPF und Unterboden-SCR bestimmt werden, um die Dosierrate zu regeln und die System-leistung zu überwachen. Diese Bestim-mung gilt als schwierigste Aufgabe der gesamten Systemsteuerung. ❶ zeigt die Architektur der Prototypen-IAV-Dosier-software im schematischen Überblick.

Ausgehend von der Funktionsstruktur eines klassischen Unterboden-SCR-Kata-lysators wurden die dort skizzierten Anpassungen vorgenommen, um die Regelungssoftware des Tandem-SCR- Systems zu realisieren.

TOOLS UND METHODIK

IAV verwendet eine CAE-gestützte Um -gebung zur Funktionsentwicklung, um den Zeitbedarf zu verkürzen, den Reife-grad der Software zu erhöhen und zeitauf-wendige Entwicklungsschleifen zu ver-meiden. Durch die Kopplung eines virtuel-len ANB-Streckenmodells mit den zu entwickelnden Regelungsalgorithmen kann das Systemverhalten bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium bewer-tet werden. Das ermöglicht die An passung der Software an die spezifischen Anforde-rungen sowie eine Grundauslegung mit stark reduziertem Ressourcenbedarf, bei-spielsweise hinsichtlich Motorprüfstands- oder Fahrzeugmessungen. Dies bedeutet eine erhebliche Beschleunigung des Ent-wicklungsprozesses und eröffnet nahezu unbegrenzte Testmöglichkeiten in der MiL-, SiL- und HiL-Umgebung. ❷ zeigt den Aufbau der vir tuellen Umgebung.

AUTOREN

OLAF FRIEDRICHSist Teamleiter in der Abteilung

Software- und Funktionsentwicklung bei der IAV GmbH in Berlin.

DANIEL HESSist Abteilungsleiter Software-

und Funktionsentwicklung bei der IAV GmbH in Berlin.

DR. WEI HANist Teamleiter in der Abteilung

Software- und Funktionsentwicklung bei der IAV GmbH in Braunschweig.

PATRICK STRACKE ist Entwicklungsingenieur

in der Abteilung Software- und Funktionsentwicklung bei der

IAV GmbH in Berlin.

Eingänge TKat

Alterung

NOx-Berechnung

Masse-berechnung

Zustände

Ausgänge

1/z

1/z

AdBlue

: Angepasste SCR-Dosiersoftware zur Regelung des SCR/DPF und SCR – Anpassung aufgrund SCR/DPF-Regelung – Softwareerweiterung für zweiten SCR-Katalysator erforderlich – Softwareanpassung aufgrund der motornahen Dosierung – Erweiterung des Dosierungskoordinators

+ –

SCRSCR/DPFeDOC

❶ Schematischer Überblick der SCR-Dosiersoftware

07-08I2014 75. Jahrgang 61

Simulation und Messung

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Selbst messtechnisch schwer zugängli-che Größen (wie der NH3-Füllstand, die axiale Verteilung der NH3-Beladung oder die NH3-Oxidation) sind leicht erfassbar, wodurch verschiedene Funktionskon-zepte sowie deren Applikation bereits am Schreibtisch erarbeitet werden kön-nen. Dies erhöht den Reifegrad insbeson-dere bei der Erstimplementierung in reale Hardware.

Um die Regelungsalgorithmen außer-halb standardisierter Zyklen zu bewer-ten, wird eine erweiterte virtuelle Um -gebung mit einem virtuellen Antrieb-strang durch das bei IAV entwickelte Tool namens Velodyn eingesetzt, ❸.

Die SCR-Dosiersoftware und die Kompo-nenten des virtuellen Abgassystems sind Teil dieser erweiterten virtuellen Umge-bung und können so im Gesamtverbund eines virtuellen Fahrzeugs be trieben wer-den. Dies ermöglicht die Bewertung des Systemverhaltens und der Regelungsas-

pekte unter realen Fahrbedingungen sowie die Bewertung von Langzeiteffekten durch Toleranzeinflüsse oder Drift.

OFFLINE-VERSUCH

Durch die Nutzung der virtuellen Ent-wicklungsumgebung können Software- und Funktionstests zum physikalischen Verhalten der entwickelten Algorithmen effizient durchgeführt werden. Rück-meldungen aufgrund des späteren System-verhaltens sind somit bereits am Schreib-tisch zugänglich, wodurch ein hoher Reifegrad sowie die Vorhersage der Emis-sionsauswirkungen ermöglicht werden. Versuche können exakt und direkt hinter-einander, schneller als in Echtzeit, wieder-holt werden. So können verschiedene Applikationsstrategien ohne Quereinflüsse durch Fahrer oder Umgebungsbedingun-gen und ohne kostenintensive Wieder-holungsmessungen bewertet werden.

Durch die Nutzung virtueller Sen soren können Toleranzeinflüsse und Drifteffekte leicht untersucht werden. Diese Aussagen in einem derart frühen Entwicklungssta-dium ermöglichen eine quantifizierbare Definition von Bauteilspezifikationen im Hinblick auf Robustheit über Lebensdauer. Durch die Einführung statistischer Metho-den besteht bei IAV die Möglichkeit, Tole-ranzeinflüsse direkt während der Vorent-wicklungsphase zu bewerten, was insbe-sondere bei solchen nichtlinearen Syste-men den Entwicklungsprozess fördert.

SOFTWAREENTWICKLUNG

Im Folgenden wird die für die Forschung und Entwicklung eingesetzte Kette der Softwareentwicklungswerkzeuge von IAV vorgestellt. Diese Entwicklungstool-kette ist modular und flexibel, jede belie-bige kundenspezifische Entwicklungsum-gebung kann integriert werden.

+ –

SCRA

bgas

mas

senfl

uss

T6

NO

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NO

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h

AdB

lue-

Mas

senfl

uss

VirtuelleSensoren/Aktoren

SCR/DPF

: NOx-Abgasemissionen: NOx-Umwandlung: NH3-Schlupf: NH3-Speicherung: OBD-Ergebnisse: …

Virtuelle Umgebung

Stimulationsdaten, z.B. von realen Messungen

Steuerungssoft-ware, z.B. Dosierregelung

eDOC

Benutzerdefinierte Fahrprofile und Randbedingungen IAV-Regelungs-

software, z.B. Dosierregelung

Abgasstreckenmodell

Axicat-Einheit Axiheat-Einheit

Paus [Pa]

Umgebung

Einlass Gas

Pein

Auslass Gas

Überwachung

Paus [Pa]

Umgebung

Einlass Gas

Pein

Auslass Gas

Überwachung

Paus [Pa]

Umgebung

Einlass Gas

Pein

Auslass Gas

Überwachung

Axitrap-Einheit

❷ Virtuelle Umgebung: SCR-Dosiersoftware gekoppelt mit SULEV-ANB-Streckenmodell

❸ Erweiterte virtuelle Umgebung (einschließlich Fahrzeug, Abgassystem und Regelungssoftware)

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C-CODE-GENERIERUNG

Die Toolkette zur Softwareimplemen-tierung unterstützt Fließkomma- wie auch Festkommaarithmetik. C-Code- und Da tenbeschreibungsdateien der ent wickelten Regelfunktion in Form von Matlab/Simulink-Modellen, ①, können automatisch generiert werden. Es werden optimierte, erprobte Matlab/Simulink-Blocksets genutzt, die sich zur Code generierung für die Embedded-Anwendungen eignen. Je nach Bedarf wird entweder „Embedded Coder“ oder „TargetLink“ als Codegenerator eingesetzt.

SIL-UMGEBUNG FÜR DEN SOFTWAREMODULTEST

Für Softwaremodultests wird eine SiL-Umgebung für PC mit dem Betriebs-system „Microsoft Windows“ eingesetzt. Die generierten Softwaremodule (C-Code) der entwickelten Regelfunktion, ①, wer-

den für die SiL-Umgebung mithilfe der IAV-Toolkette kompiliert. Der C-Code der Regelfunktion, der mit einer kunden-spezifischen Toolkette für ein bestimm-tes Zielsystem generiert wurde, kann ebenfalls einzeln in die SiL-Umgebung integriert werden.

Das Ergebnis der Softwareerstellung („Software Build“) sind eine PC-aus-führbare Datei, eine HEX-Datei (Code und Daten) und eine A2L-Datei (Daten-beschreibung). Diese drei Dateien bauen die SiL-Umgebung auf. Die zu testenden Softwaremodule können in definierten Tasks (Zeitscheiben) in Echtzeit auf dem PC ausgeführt werden.

Die SiL-Umgebung fungiert wie ein virtuelles Steuergerät. Mithilfe der HEX- und A2L-Dateien ist über ein herkömm-liches Applikationstool in der aktiven SiL-Umgebung der Zugriff auf alle Mess- und Applikationsparameter der Regel-funktion möglich. Daher kann eine Test-automatisierungssoftware (beispiels-weise INCA Flow) in Kombination mit

einem Applikationstool (zum Beispiel INCA) zur Ausführung des Software-modultests eingesetzt werden. Die Testfälle und die Testprozesse werden mit der Testautomatisierungssoftware implementiert. Der Test kann automa-tisch erfolgen, ❹. Die Testergebnisse werden durch die Testautomatisierungs- und die Applikationstools aufgezeichnet und dokumentiert.

SIL-UMGEBUNG FÜR SIMULATION, FUNKTIONSTEST UND APPLIKATION

Die im vorherigen Kapitel beschriebene SiL-Umgebung, ④, kann auch für die Simulation, den Funktionstest und die Applikation am PC eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird eine vollständige oder partielle Simulationsumgebung inklusive der Softwaremodule (C-Code) der Regelfunktion für die SiL-Umgebung kompiliert. Alle Streckenmodelle in der MiL-Umgebung für diese Anwendung sind echtzeitfähig.

07-08I2014 75. Jahrgang 63

75 Jahre MTZ – MTU gratuliert!Seit 75 Jahren ist die MTZ die Zeitschrift der Pioniere innovativer Motortechnik.Dieser Pioniergeist steckt auch in Antrieben aus unserem Hause – etwa im „Fliegenden Hamburger“, dem ICE der 1930er-Jahre.

www.mtu-online.com

Tradition verbindet

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Die Simulation kann in Echtzeit oder noch schneller erfolgen. Manuell vorgege-bene Stimulationsdaten, Simulationser-gebnisse aus dem Streckenmodell (bei-spielsweise virtuelles Fahrzeug) oder Messdaten (wie Abgastests am Rollen-prüfstand) können als Eingangswerte für Funktionstests oder die Applikation am PC herangezogen werden, ❺.

Mit der SiL-Umgebung kann der C-Code bereits in der Frühphase der Entwick-lung überprüft und grundbedatet wer-den, bevor reale Bauteile oder Versuchs-fahrzeuge verfügbar sind. Die implemen-tierten Funktionstestprozesse können testplattformübergreifend für Funktions-tests am HiL oder später am Fahrzeug wiederverwendet werden.

SOFTWAREINTEGRATION IM FAHRZEUG

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Softwareimplementierung in der realen Umgebung. Der Einsatz von Rapid-Prototyping(RP)-Tools ermöglicht eine schnelle und hocheffiziente Software-implementierung in eine Fahrzeugumge-bung. Die Anpassung der Software an wechselnde Hardware und somit Validie-rung unter realen Fahrbedingungen mit sehr kurzen Softwareschleifen ist dabei ein entscheidender Vorteil. Die offline optimierte Dosiersoftware wurde in eine standardisierte RP-Hardware implemen-tiert und am Motorprüfstand sowie im Demonstratorfahrzeug validiert.

Die virtuellen Streckenmodelle wurden schrittweise durch reale Hardwarekompo-nenten ersetzt. So ist es beispielsweise bei paralleler Nutzung des Tools „Velodyn“ und dem Motor prüfstand möglich, einen echten Motor in Kombination mit einem virtuellen Fahrzeug und/oder mit virtu-ellen ANB-Komponenten zu betreiben.

❻ zeigt die Ergebnisse einer Fahrzeug-messung im Vergleich zur Simulation der virtuellen ANB-Komponenten in einem FTP75-Emissionszyklus. Die NOx-Konver-tierungsraten sowie die NOx-Emissionen nach Abgasnachbehandlung zeigen eine sehr gute Übereinstimmung.

Für die Serie muss die Regelungssoft-ware in der kundenspezifischen Steuer-geräteumgebung implementiert werden.

Betrieb derSiL-Umgebung

INCA + INCA Flow

Aufbau der SiL-Umgebung (Ausgabe)*.exe *.a2l *.hex

TestdurchlaufTestskript-Implemen-tierung (z.B. INCA Flow)Testfallspezifizierung

C-Code-Generierung

SiL-Umgebung

C-Code-Integration

Regelungsmodell + Datenverzeichnis

Online-Applikation über XCP

Stimulations-daten/Strecken-modell

C-Code Umfang / Aufzeichnung

Applikateur

Onl

ine-

App

likat

ion

über

XC

P

Matlab-Modell inkl. Exothermia-Systemmodell (z.B. vollständiges Velodyn-Modell)

C-Code-Generierung

StimulationsdatenBetriebsprofil-Stimulationsdaten oder reale Messdaten

IAV MiL-DeskSiL-Umgebung

1 2

Standard-Applikationstool (z.B. INCA)

❹ SiL-Umgebung für den Softwaremodultest

❺ SiL-Umgebung für die Funktionsapplikation

ENTWICKLUNG SIMULATION UND MESSUNG

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Die bereits in virtuellen Umgebungen (MiL, SiL, HiL) und RP-Hardware er -probte Software wird als C-Code mit spezifizierten Schnittstellen in die kun-denspezifische Softwarestruktur inte-griert. Automatisierte plattformübergrei-fende Testskripts (wie bereits im MiL-, SiL- und HiL-Versuch verwendet) können direkt im realen Zielsystem eingesetzt und für fahrzeugspezifische Tests erwei-tert werden. Die mittels virtueller Ent-wicklungsumgebung generierte Grund-bedatung kann unmittelbar übernommen und als Basis für die Serienapplikation verwendet werden.

Die virtuelle Entwicklungsumgebung bietet auch in dieser Entwicklungsphase viele Vorteile: Unerwartete Auswirkun-gen von Messsignalen in realen Messun-gen können bewertet und durch die Simulation in der virtuellen Umgebung eingestuft werden.

Selbst bei Software- und/oder Hard-wareänderungen in einer späten Ent-wicklungsphase können die Folgen ein-fach CAE-gestützt bewertet werden,

ohne alle zuvor durchgeführten Messun-gen wiederholen zu müssen. So können beispielsweise Eingangssignale von kost-spieligen Erprobungsfahrten oder zeit-aufwendige Dauerläufe als Stimulations-daten genutzt und die Auswirkungen von Hardware-/Softwareänderungen vir-tuell bewertet werden.

ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNG

Die CAE-gestützte Funktions- und Soft-wareentwicklung führt zu einer erhebli-chen Beschleunigung des Entwicklungs-prozesses. Die Kopplung der Regelungs-software mit virtuellen Abgassystemen (oder einem vollständigen virtuellen Fahrzeug) ermöglicht bereits in sehr frühen Entwicklungsphasen die einge-hende Analyse des Zielsystems, teilweise selbst vor der Verfügbarkeit von Hard-ware. Virtuelle Tests der spezifizierten Funktionen und des erwarteten physika-lischen Systemverhaltens können schnel-ler als in Echtzeit wiederholt werden.

Wechselwirkungen können bewertet, Sensitivitätsstudien bezüglich Drift oder Toleranzen durchgeführt und Grundbe-datungen offline vorgenommen werden. Dadurch erhöht sich der Reifegrad der implementierten Software und verringert die Notwendigkeit physikalischer Versu-che erheblich. Automatisierte plattform-übergreifende Testskripte können in allen Testphasen (MiL, SiL, HiL, reales Fahrzeug) genutzt werden. Die Funktio-nen werden als C-Code-Modelle mit defi-nierten Schnittstellen entwickelt, die leicht in bereits vorhandene hersteller-spezifische Softwarestrukturen integriert werden können.

Ges

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MessungSimulation

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Zeit [s]

0 500 1000 1500 2000 2500

RohEndemissionen (gemessen)Endemissionen (simuliert)

SULEV30

0

10

20

30

40

70

80

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Emissionsgrenze SULEV30OBD-Grenze SULEV30Status FTP75-MessungStatus FTP75- Simulation

❻ Validierung der Simulationsergebnisse mit Fahrzeugmessung im FTP75-Zyklus

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07-08I2014 75. Jahrgang 65

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