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Jun 10, 2023

Porsche Engineering utilise des procédures de test de pointe pour le développement de propulsions électriques, qui comprennent à la fois des tests réels et des tests effectués dans un environnement virtuel. Leur utilisation peut raccourcir considérablement le temps de développement et réduire le nombre de véhicules d'essai nécessaires.

Pour continuer à accroître l'efficacité dans le développement de nouveaux composants et systèmes pour les entraînements électriques, Porsche Engineering utilise des méthodes de test spécifiquement adaptées aux exigences de la technologie haute tension. Par exemple, des batteries haute tension sont testées sur des bancs d'essai de véhicules et de composants sur les sites de Bietigheim-Bissingen et de Nardò, tandis que des environnements de simulation hardware-in-the-loop sont disponibles pour tester le logiciel des onduleurs à impulsions (PI). Cela implique de tester le matériel réel dans un système de véhicule virtuel.

Le PI joue un rôle clé dans les véhicules électriques car il convertit la tension continue de la batterie en tension alternative multiphasée et le champ tournant associé pour le moteur d'entraînement électrique. Lorsque la récupération d'énergie est active en mode overrun, le PI travaille dans le sens inverse et convertit la tension alternative du moteur en une tension continue qui sert à charger la batterie. "Le contrôle PI précis pour les diverses exigences de performance et de confort dans différentes situations de conduite nécessite des algorithmes de contrôle et des fonctions de sécurité très complexes qui doivent être testés avant la mise en service du variateur", explique Rafael Banzhaf, chef de projet technique chez Porsche Engineering. "Cela implique, par exemple, de s'assurer que le système d'entraînement entre dans un état sûr dans des situations exceptionnelles telles qu'un accident avec déploiement d'airbag." Avant le développement du système PI-HiL, les tests devaient être effectués dans le véhicule ou sur un banc d'essai réel, avec toujours un risque que quelque chose soit endommagé en cas d'erreurs logicielles dans l'unité de contrôle.

Porsche Engineering a donc développé un concept de banc d'essai pour tester le logiciel PI, dans lequel le véritable calculateur PI est intégré en tant que matériel dans la boucle (HiL). "L'ECU est exactement le même que la version du véhicule, nous pouvons donc tirer des conclusions fiables sur la fonction du logiciel qui a été installé", déclare Thomas Füchtenhans, ingénieur de développement chez Porsche Engineering. "La seule modification est une déconnexion des composants haute tension des composants basse tension tels que la carte de commande PI dans l'ECU. Ceci est nécessaire pour des raisons fonctionnelles et de sécurité mais n'a aucun impact sur les tests."

Lorsque les tests HiL sont effectués, la carte de contrôle PI n'active pas le matériel réel, mais plutôt une simulation de l'unité de puissance PI. Ceci, à son tour, est lié à des simulations de la batterie haute tension, du moteur d'entraînement électrique, du système de bus et du reste du véhicule afin de prendre en compte l'impact sur le contrôle PI causé par les systèmes du véhicule tels que les airbags ou le système de commande de frein, et le conducteur, sur la commande PI. Inversement, la simulation renvoie des données de capteur virtuel telles que les courants de phase et les températures à l'unité de contrôle PI, fermant ainsi la boucle de contrôle. En raison des exigences élevées en matière de capacité en temps réel, les simulations pour la batterie et le reste du véhicule sont effectuées sur un ordinateur en temps réel (RTPC), tandis que des FPGA encore plus rapides (matrices de portes programmables sur le terrain), qui permettent la simulation de l'ordre de la nanoseconde, sont utilisés pour l'électronique de puissance et le moteur électrique.

Les étendues de test possibles sur le banc de test HiL comprennent principalement des tests fonctionnels selon les exigences du cahier des charges, mais également des tests flash de nouveaux logiciels, des tests de validation comme étape de sécurité avant d'effectuer d'autres analyses dans le véhicule, et des tests des interfaces, des fonctions de diagnostic, temps d'exécution et des tests de cybersécurité et d'endurance virtuelle. "Bien que nous ne puissions pas complètement remplacer les tests sur de vrais bancs d'essai ou dans le véhicule avec le PI-HiL, nous pouvons réduire considérablement leur portée, allégeant ainsi la charge sur les vrais bancs d'essai et réduisant considérablement les coûts tout en augmentant également la sécurité", rapporte Banzhaf .

Le développement du banc d'essai PI-HiL est le résultat d'une étroite collaboration entre les différents sites Porsche Engineering. Six systèmes PI-HiL sont actuellement utilisés et il est prévu d'augmenter cette capacité. "Une caractéristique particulière de notre approche est l'accès à distance complet pour contrôler les bancs d'essai", explique Füchtenhans. "Cela permet, par exemple, aux ingénieurs d'application qui effectuent des tests en Suède ou aux États-Unis de contrôler les simulations depuis leur emplacement. Comme tous les bancs de test sont connectés les uns aux autres et au système d'archivage, les données peuvent être mises à disposition sur les serveurs pour Le site de Shanghai, en particulier, offre à cet égard de grandes opportunités pour une grande efficacité des tests, car il permet la mise en œuvre et l'évaluation des tests 24 heures sur 24 dans le réseau international d'équipes en raison du décalage horaire entre l'Europe et la Chine. "

Un autre avantage du PI-HiL de Porsche Engineering est son haut niveau d'automatisation. La documentation des exigences pour le système de contrôle PI fournie par les clients est automatiquement importée. Les spécifications de test sont ensuite automatiquement dérivées des spécifications du client et utilisées pour générer une variété de cas de test et d'essais qui peuvent être mis en œuvre. "La chaîne d'automatisation fermée augmente l'efficacité tout au long du processus de test. Au lieu de passer plusieurs semaines à créer manuellement plus de 1 000 cas de test pour une série de tests PI, nous n'avons besoin que de quelques heures", déclare Banzhaf.

À l'avenir, il est également prévu d'utiliser des méthodes d'intelligence artificielle (IA) : en utilisant le traitement du langage naturel (TAL), l'IA devrait interpréter correctement les spécifications d'exigences fournies sous la forme d'un simple document texte et les convertir en code lisible par machine. Ceci est utilisé comme base pour générer automatiquement les séquences de test. Aujourd'hui, cette activité est réalisée par des experts qui doivent avoir une maîtrise globale du système. "Notre approche transfère des connaissances d'expert dans le monde numérique, ce qui permet de réduire le temps et les coûts de développement. Les premières validations ont été très réussies. Par conséquent, je suis convaincu que nous utiliserons également l'IA dans le processus de test régulier à moyen terme", explique Banzhaf. .

Même si les procédures de test virtuelles couvrent de plus en plus de domaines, elles ne peuvent toujours pas remplacer complètement les essais réels des batteries haute tension. C'est pourquoi Porsche Engineering dispose d'une vaste infrastructure à Bietigheim-Bissingen, avec des bancs d'essai de véhicules, de systèmes et de cellules. Le premier est utilisé pour analyser plus précisément les batteries au niveau des composants, tandis que le second permet même de tirer des conclusions au niveau de la chimie des cellules. Grâce à une adaptation flexible des profils de conduite et des spectres de charge, les situations de conduite pertinentes pour le test peuvent être simulées. Selon l'objectif du test, le comportement de charge et de décharge de la batterie, sa capacité, ses résistances internes et son comportement en température sont capturés et enregistrés.

Les batteries peuvent être testées dans leur état installé sur les bancs d'essais de véhicules, par exemple pour des mesures de capacité et de courants de batterie dans le cycle de conduite WLTP. Ceci est particulièrement important pour les véhicules d'essai d'endurance, où le test de la batterie tous les 20 000 kilomètres fait partie de la portée obligatoire des tests. "Retirer la batterie pour les tests prendrait trop de temps. Au lieu de prendre environ une semaine avec le retrait, le délai d'exécution entre la livraison du véhicule et la préparation des tests jusqu'aux tests et à l'évaluation des données n'est que d'environ 48 heures pour nous", déclare Dirk Pilling. , Ingénieur Développement Batteries Haute Tension chez Porsche Engineering. Il pointe également un autre aspect : "Une intervention sur la batterie pourrait fausser le test d'endurance du véhicule, par exemple parce que les vis qui la relient à la carrosserie du véhicule sont desserrées puis reconnectées lors d'un remontage ultérieur." Des tests d'étanchéité peuvent être effectués sur des boîtiers de batterie sur un autre banc d'essai. "Les fuites sont causées par la corrosion ou les vibrations, entre autres. Si de l'eau pénètre ensuite dans le système de batterie, cela peut entraîner des courts-circuits", explique le Dr Ulrich Lange, chef de projet batteries haute tension chez Porsche Engineering.

L'atelier intégré joue un rôle clé dans tous les tests de batteries à Bietigheim-Bissingen. "Les batteries y sont préparées pour les mesures et équipées de la technologie de capteur nécessaire, mais des packs de batteries et des modules entiers sont également installés comme prototypes pour les tests, et les batteries sont démontées pour évaluation après le test", explique Lange. Dans certains cas, l'atelier s'occupe également de la préparation des batteries destinées à être testées au Centre Technique de Nardò (NTC).

Au cours des deux dernières années, Porsche Engineering a mis en place une installation de test complète au NTC pour les « tests d'utilisation abusive » sur les batteries haute tension conformément aux normes GB/T et ECE. Cela implique d'examiner comment la batterie réagit en cas d'emballement thermique d'une cellule de batterie, qui pourrait, par exemple, être causé par une surchauffe. Au NTC, ces tests de mésusage sont menés dans un bâtiment. "Les tests d'emballement thermique dans les bâtiments fermés imposent des exigences strictes sur la manière dont les mesures sont effectuées pour garantir que le feu qui brûle dans la batterie reste sous contrôle et n'entraîne aucun dommage", déclare Antonio Toma, coordinateur BEV au centre technique de Nardò.

Par conséquent, l'équipe d'ingénierie de Nardò s'est associée aux experts en sécurité et aux pompiers du NTC pour développer un concept de sécurité sophistiqué. Après la livraison, les batteries sont préparées pour examen avant d'être testées. Les systèmes d'extinction d'incendie qui se déclenchent automatiquement garantissent un haut niveau de sécurité. L'état de la batterie est évalué après le test. Si critique, la batterie doit reposer pendant 24 heures dans une boîte verrouillée équipée de détecteurs d'incendie jusqu'à ce que les experts du NTC puissent commencer à analyser les dommages et à faire leurs conclusions. Après examen, la batterie est stockée dans un abri également équipé d'un système de protection incendie en attendant son élimination.

C'est sur cette base que le NTC propose une prestation complète qui comprend non seulement des tests de surchauffe et d'auto-combustion des cellules, mais également des tests de mauvaise utilisation de la batterie spécifiquement adaptés aux besoins du client, ainsi que des analyses de la résistance au feu du boîtier de la batterie. . L'étendue des services s'étend du stockage, de la préparation et de l'exécution des tests à l'analyse post-mortem et aux rapports détaillés. "Le grand avantage des essais dans le bâtiment d'essai est que nous travaillons dans des conditions de laboratoire. De plus, nous avons une expérience dans le développement automobile, nous connaissons donc les exigences spécifiques et pouvons travailler avec les clients avec cette base commune", explique Toma.

Grâce à sa combinaison de processus réels et virtuels, Porsche Engineering peut proposer des services de test personnalisés. Dans les deux cas, les clients bénéficient de connaissances expertes, de méthodes et de services à la pointe de la technologie.

Porsche Engineering utilise des méthodes de test spécifiquement adaptées aux exigences de la technologie haute tension. Il s'agit notamment de bancs de test conventionnels, mais aussi de bancs de test HiL pour les tests virtuels des contrôleurs PI. L'intelligence artificielle contribuera à y économiser du temps et des coûts de développement à l'avenir.

Texte publié pour la première fois dans le Porsche Engineering Magazine, numéro 1/2023

Auteur : Richard Backhaus

Photos : Rafael Kroetz ; Luca Santini

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