Testialustan suunnittelu hybridiajoneuvojen hardware-in-the-loop simulaatioihin

Recent changes to vehicle type-approval regulations have increased demand for testing methods, which better represent real-world driving conditions. Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is seen as an attractive alternative for pure simulations and real-world operation measurements. The goal of this work was to provide a functional testbed for engine testing, as well as for HIL simulations of Hybrid Electric Vehicles (HEVs). In addition, a state-of-the-art review of HIL was considered an important goal of the work. The theory behind HIL, and real-time systems in general, is depicted using a wide variety of examples from automotive applications relating to hybrid power sources. The knowledge gained from the literature was used to design and build a testbed in a form of an engine dynamometer. The testbed can be used to emulate rotational forces, such as load torques on a driveshaft. The testbed’s fast hardware connections enable real-time testing. The scope of the design was in mechanical design and in specification of the hardware components. Initial Internal Combustion Engine (ICE) steady-state and transient tests were done to partially validate the testbed. However, the performance was assessed to not be at an acceptable level. For example, only speed tracking passed the non-road transient cycle tracking assessment. Torque tracking and the derived power curves failed the assessment narrowly. However, the test results indicate that with proper tuning of the control software, the system performance should get better. The system response was slow at this point, but the transient behavior itself was fast. Also, in steady-state, torque and speed ripple were low. Only the preparations for HIL simulation were carried out, since the testbed was not validated to be functional enough for the much more demanding HIL tests. The preparations involved building a simulation model of a series-parallel hybrid Refuse-Collecting Vehicle (RCV), which is to be used for the verification of the designed system’s HIL capabilities. The model was independently verified to be suitable to be used for the physical tests.Viimeaikaiset muutokset ajoneuvojen tyyppihyväksyntään ovat lisänneet tarvetta testausmetodeille, jotka paremmin vastaavat oikean elämän ajo-olosuhteita. HIL-simulaatio nähdään houkuttelevana vaihtoehtona pelkälle simulaatiolle sekä ajoneuvon ajonaikaisille mittauksille. Tämän työn tavoitteena on tarjota toimiva testilaite moottoridynamometritestaukseen sekä hybridiajoneuvojen HIL-simulaatioihin. Lisäksi, HIL:in nykytilanteen kuvausta pidettiin tärkeänä työn tavoitteena. HIL:in, ja yleisemmin reaaliaikaisen testauksen, tausta ja teoria selvitettiin laaja alaisesti käyttäen esimerkkejä hybridivoimanlähteisiin liittyvistä ajoneuvoalan käyttökohteista. Kirjallisuutta hyödyntäen, testipenkki suunniteltiin ja rakennettiin. Testipenkkiä voidaan käyttää emuloimaan pyöriviä voimia, kuten vetoakseliin kohdistuvia vääntöjä. Testipenkin nopeat yhteydet mahdollistavat reaaliaikaisen testauksen. Suunnittelu oli rajattu pääasiassa mekaaniseen suunnitteluun ja komponenttien määrittelyyn. Sähkö- ja ohjelmistosuunnittelu määriteltiin yleisellä tasolla. Alustavat polttomoottorilla tehdyt vakaiden ajopisteiden ja transienttiajojen testit toteutettiin testipenkin osittaiseksi validoinniksi. Kuitenkin, laitteen suorituskyky ei yltänyt halutulle tasolle. Esimerkiksi, ainoastaan nopeusseuranta läpäisi transienttiajo testin, mutta vääntö- ja voimaseurannat epäonnistuivat täpärästi. Tulokset kuitenkin osoittavat luottamusta siitä että testipenkki saadaan aikanaan halutulle tasolle ohjelmistopuolen kontrollereja säätämällä. Tällä hetkellä systeemin vasteaika on liian pitkä, vaikka muuten dynamiikka on nopeaa. Lisäksi, vakaissa ajopisteissä vääntö- ja nopeushuojunta ovat alhaisia. Ainoastaan valmistelut HIL-simulaatiota varten saatiin toteutettua, sillä testipenkkiä ei saatu reaaliaikasta testausta vaativalle tasolle. Valmistelut sisälsivät hybridijäteauton simulaatiomallin rakentamisen, jota tullaan aikanaan käyttämään testipenkin HIL toimivuuden validointiin. Simulaatiomalli varmistettiin itsenäisenä toimivaksi, ja siten soveltuvaksi tuleviin fyysisiin testiajoihin