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Jun 10, 2023

Porsche Engineering utiliza procedimientos de prueba de última generación para el desarrollo de propulsores eléctricos, que incluyen tanto pruebas de la vida real como pruebas realizadas en un entorno virtual. Su uso puede acortar significativamente el tiempo de desarrollo y reducir la cantidad de vehículos de prueba necesarios.

Para continuar aumentando la eficiencia en el desarrollo de nuevos componentes y sistemas para accionamientos eléctricos, Porsche Engineering utiliza métodos de prueba específicamente adaptados a los requisitos de la tecnología de alto voltaje. Por ejemplo, las baterías de alto voltaje se prueban en bancos de prueba de vehículos y componentes en las ubicaciones de Bietigheim-Bissingen y Nardò, mientras que los entornos de simulación de hardware en el circuito están disponibles para probar el software para inversores de pulso (PI). Esto implica probar el hardware real en un sistema de vehículo virtual.

El PI juega un papel clave en los vehículos eléctricos porque convierte el voltaje de CC de la batería en voltaje de CA multifásico y el campo giratorio asociado para el motor de accionamiento eléctrico. Cuando la recuperación de energía está activa en el modo de sobrecarga, el PI funciona en la dirección opuesta y convierte el voltaje de CA del motor en un voltaje de CC que se usa para cargar la batería. "El control PI preciso para los diversos requisitos de rendimiento y comodidad en diferentes situaciones de conducción requiere algoritmos de control y funciones de seguridad muy complejos que deben probarse antes de poner en funcionamiento el accionamiento", explica Rafael Banzhaf, líder técnico de proyectos en Porsche Engineering. "Esto implica, por ejemplo, garantizar que el sistema de transmisión entre en un estado seguro en situaciones excepcionales, como un choque con el despliegue de la bolsa de aire". Antes del desarrollo del sistema PI-HiL, las pruebas debían realizarse en el vehículo o en un banco de pruebas real, existiendo siempre el riesgo de que algo pudiera dañarse en caso de errores de software en la unidad de control.

Por lo tanto, Porsche Engineering ha desarrollado un concepto de banco de pruebas para probar el software PI, en el que la ECU PI real está integrada como hardware-in-the-loop (HiL). "La ECU es exactamente igual a la versión del vehículo, por lo que podemos sacar conclusiones fiables sobre la función del software que se ha instalado", dice Thomas Füchtenhans, ingeniero de desarrollo de Porsche Engineering. "La única modificación es la desconexión de los componentes de alto voltaje de los componentes de bajo voltaje, como la placa de control PI en la ECU. Esto es necesario tanto por razones funcionales como de seguridad, pero no tiene impacto en las pruebas".

Cuando se realizan las pruebas de HiL, la placa de control de PI no activa el hardware real, sino una simulación de la unidad de potencia de PI. Esto, a su vez, está vinculado a simulaciones de la batería de alto voltaje, el motor de accionamiento eléctrico, el sistema de autobús y el resto del vehículo para tener en cuenta el impacto en el control PI causado por sistemas del vehículo como las bolsas de aire o el sistema de control de frenos, y el conductor, en el control PI. Por el contrario, la simulación entrega datos de sensores virtuales, como corrientes de fase y temperaturas, a la unidad de control PI, cerrando así el ciclo de control. Debido a las altas demandas de la capacidad en tiempo real, las simulaciones para la batería y el resto del vehículo se llevan a cabo en una computadora en tiempo real (RTPC), mientras que los FPGA (matrices de compuertas programables en campo) aún más rápidos, que permiten la simulación tiempos dentro del rango de nanosegundos, se utilizan para la electrónica de potencia y el motor eléctrico.

Los alcances de prueba posibles en el banco de pruebas HiL incluyen principalmente pruebas funcionales de acuerdo con los requisitos de especificación, pero también pruebas flash de nuevo software, pruebas de validación como un paso de seguridad antes de realizar más análisis en el vehículo y pruebas de las interfaces, funciones de diagnóstico, tiempos de ejecución y de ciberseguridad y pruebas de resistencia virtual. "Si bien no podemos reemplazar por completo las pruebas en bancos de pruebas reales o en el vehículo con PI-HiL, podemos reducir significativamente su alcance, aligerando así la carga en los bancos de pruebas reales y reduciendo significativamente los costos al mismo tiempo que aumenta la seguridad", informa Banzhaf. .

El desarrollo del banco de pruebas PI-HiL es el resultado de una estrecha cooperación entre diferentes ubicaciones de Porsche Engineering. Seis sistemas PI-HiL están actualmente en uso y hay planes para aumentar esta capacidad. "Una característica especial de nuestro enfoque es el acceso remoto total para controlar los bancos de pruebas", dice Füchtenhans. "Esto permite, por ejemplo, que los ingenieros de aplicaciones que ejecutan pruebas en Suecia o EE. UU. controlen las simulaciones desde su ubicación. Dado que todos los bancos de pruebas están conectados entre sí y con el sistema de archivo, los datos pueden estar disponibles en los servidores para todos los participantes con efecto inmediato La ubicación de Shanghai en particular ofrece grandes oportunidades para una alta eficiencia de prueba en este sentido, ya que permite la implementación y evaluación de pruebas las 24 horas en la red internacional de equipos debido a la diferencia horaria entre Europa y China. "

Otra ventaja de PI-HiL de Porsche Engineering es su alto nivel de automatización. La documentación de requisitos para el sistema de control PI proporcionada por los clientes se importa automáticamente. Luego, las especificaciones de prueba se derivan automáticamente de las especificaciones del cliente y se utilizan para generar una variedad de casos de prueba y ensayos que se pueden implementar. "La cadena de automatización cerrada aumenta la eficiencia durante todo el proceso de prueba. En lugar de pasar varias semanas creando manualmente los más de 1000 casos de prueba para una serie de pruebas de PI, solo necesitamos unas pocas horas", dice Banzhaf.

En el futuro, también hay planes para emplear métodos de inteligencia artificial (AI): utilizando el procesamiento de lenguaje natural (NLP), se espera que AI interprete correctamente las especificaciones de requisitos entregadas como un documento de texto simple y las convierta en código legible por máquina. Esto se utiliza como base para generar automáticamente las secuencias de prueba. Hoy en día, esta actividad la realizan expertos que deben tener una amplia experiencia en el sistema general. "Nuestro enfoque transfiere el conocimiento experto al mundo digital, lo que ayuda a ahorrar tiempo y costos de desarrollo. Las validaciones iniciales han sido muy exitosas. Por lo tanto, estoy convencido de que también utilizaremos la IA en el proceso de prueba regular a mediano plazo", explica Banzhaf. .

Aunque los procedimientos de prueba virtuales cubren cada vez más áreas, todavía no pueden reemplazar por completo las pruebas de la vida real de las baterías de alto voltaje. Por este motivo, Porsche Engineering mantiene una amplia infraestructura en Bietigheim-Bissingen, con bancos de pruebas de vehículos, sistemas y células. El primero se utiliza para analizar baterías con mayor precisión a nivel de componentes, mientras que el segundo permite incluso sacar conclusiones a nivel de química celular. Mediante una adaptación flexible de los perfiles de conducción y los espectros de carga, se pueden simular las situaciones de conducción relevantes para la prueba. Dependiendo del objetivo de la prueba, se captura y registra el comportamiento de carga y descarga de la batería, su capacidad, resistencias internas y comportamiento de la temperatura.

Las baterías se pueden probar en su estado instalado en los bancos de pruebas de vehículos, por ejemplo, para medir la capacidad de la batería y las corrientes en el ciclo de conducción WLTP. Esto es particularmente importante para los vehículos de prueba de resistencia, donde probar la batería cada 20 000 kilómetros es parte del alcance obligatorio de la prueba. "Retirar la batería para las pruebas llevaría demasiado tiempo. En lugar de tomar alrededor de una semana con la extracción, el tiempo de respuesta desde la entrega del vehículo y la preparación de la prueba hasta la prueba y la evaluación de datos es de solo unas 48 horas para nosotros", dice Dirk Pilling. , ingeniero de desarrollo de baterías de alto voltaje en Porsche Engineering. También apunta a otro aspecto: "El trabajo en la batería podría falsear la prueba de resistencia del vehículo, por ejemplo, porque los tornillos que la conectan a la carrocería del vehículo se sueltan y luego se vuelven a conectar durante la reinstalación posterior". Las pruebas de fugas se pueden realizar en carcasas de baterías en otro banco de pruebas. "Las fugas son causadas por corrosión o daños por vibraciones, entre otras cosas. Si el agua penetra en el sistema de la batería, esto puede provocar cortocircuitos", explica el Dr. Ulrich Lange, líder del proyecto de baterías de alto voltaje en Porsche Engineering.

El taller integrado juega un papel clave en todas las pruebas de baterías en Bietigheim-Bissingen. "Las baterías se preparan para las mediciones y se equipan con la tecnología de sensores necesaria allí, sin embargo, los paquetes y módulos de baterías completos también se configuran como prototipos para las pruebas, y las baterías se desmontan para su evaluación después de la prueba", dice Lange. En algunos casos, el taller también se ocupa de la preparación de baterías destinadas a pruebas en el Centro Técnico Nardò (NTC).

En los últimos dos años, Porsche Engineering ha establecido una instalación de prueba completa en el NTC para 'pruebas de uso indebido' en baterías de alto voltaje de acuerdo con GB/T y ECE. Esto implica examinar cómo responde la batería en el caso de un "descontrol térmico" de una celda de la batería, que podría, por ejemplo, ser causado por un sobrecalentamiento. En el NTC, estas pruebas de mal uso se realizan en un edificio. "Las pruebas de fuga térmica en edificios cerrados imponen exigencias estrictas en la forma en que se realizan las mediciones para garantizar que el fuego que arde en la batería permanezca bajo control y no provoque ningún daño", dice Antonio Toma, Coordinador BEV en el Centro Técnico Nardò.

Por lo tanto, el equipo de ingeniería de Nardò se unió a los expertos en seguridad y los bomberos del NTC para desarrollar un concepto de seguridad sofisticado. Después de la entrega, las baterías se preparan para su examen antes de someterse a la prueba. Los sistemas de extinción de incendios que se activan automáticamente garantizan un alto nivel de seguridad. El estado de la batería se evalúa después de la prueba. Si es crítica, la batería debe descansar durante 24 horas en una caja cerrada con llave equipada con detectores de incendios hasta que los expertos de NTC puedan comenzar a analizar el daño y hacer sus hallazgos. Después del examen, la batería se almacena en un refugio que también está equipado con un sistema de protección contra incendios a la espera de su eliminación.

Esta es la base sobre la que NTC ofrece un servicio integral que no solo incluye pruebas de sobrecalentamiento y combustión espontánea de las celdas, sino también pruebas de mal uso de la batería específicamente adaptadas a los requisitos del cliente, así como análisis de la resistencia al fuego de la carcasa de la batería. . El alcance de los servicios abarca desde el almacenamiento, la preparación y la ejecución de pruebas hasta el análisis post-mortem y la elaboración de informes detallados. "La gran ventaja de las pruebas en el edificio de pruebas es que trabajamos en condiciones de laboratorio. Además, tenemos experiencia en el desarrollo de automóviles, por lo que conocemos los requisitos específicos y podemos trabajar con los clientes con esa base compartida", dice Toma.

Con su combinación de procesos reales y virtuales, Porsche Engineering puede ofrecer servicios de prueba personalizados. En cualquier caso, los clientes se benefician del conocimiento, los métodos y los servicios de los expertos a la vanguardia de la tecnología.

Porsche Engineering utiliza métodos de prueba específicamente adaptados a los requisitos de la tecnología de alto voltaje. Estos incluyen bancos de pruebas convencionales, pero también bancos de pruebas HiL para pruebas virtuales de controladores PI. La inteligencia artificial ayudará a ahorrar tiempo y costos de desarrollo en el futuro.

Texto publicado por primera vez en Porsche Engineering Magazine, número 1/2023

Autor: Richard Backhaus

Fotos: Rafael Kroetz; luca santini

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