日産エンジン制御開発における MBD 適用事例と将来動向 日産自動車株式会社パワートレイン EV 技術開発本部パワートレイン EV 制御開発部 EMS 制御開発グループ主管加藤浩志 2019 年 5 月 28 日
Agenda 1. MBD 適用の背景とその要求 日産の歴史 1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 1.2. 日産の MBD 適用の歴史 1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 2. 要求に応える MBD を用いたソリューション 2.1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ 2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス 3. Design から Development への拡大 3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 3.2. MATLAB tool box の活用事例 4. 今後の課題と取り組み 4.1. Function Exchange 手法の確立 4.2. Alliance HIL & Remote HIL
Agenda 1. MBD 適用の背景とその要求 日産の歴史 1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 1.2. 日産の MBD 適用の歴史 1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 2. 要求に応える MBD を用いたソリューション 2.1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ 2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス 3. Design から Development への拡大 3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 3.2. MATLAB tool box の活用事例 4. 今後の課題と取り組み 4.1. Function Exchange 手法の確立 4.2. Alliance HIL & Remote HIL
1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 Global alliance Market Expansion 複雑化する要求に対し 如何に効率的に答えられるか? VC-TURBO Technical Complexity ProPilot Cost/Resources
1.2. 日産の MBD 適用の歴史 2019 年現在約 85% の Project が第 3 世代以降の MBD 開発を適用 1999 年 2006 年 2013 年 Coming soon 1 st Generation 2nd Generation 3rd Generation 4th Generation SIMULINK を用いた制御モデル記述の採用と それを用いた RCP の活用 自動コード生成適用の拡大や 物理モデルと制御モデルを組み合わせたシミュレーション適用 アプリケーション全体を制御モデルで記述し そのモデルを基本とする制御開発プロセスの確立 更なる効率化のため ソフトアーキ MBD プロセスを Global Standard をめざし刷新 MBD フル適用の開始 SKYLINE SENTRA CA X-TRAIL New crossover GT-R
1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 複雑化する要求に対応するため ルールに基づきモジュール化されたソフトウェアとその評価手法を確立する必要がある 1 マルチ OEM/ マルチサプライヤへの対応 Global standard なアーキテクチャ Design rule Supp. A Supp. B Supp. C CMF(Common Module Family) コンセプト : 車両を エンジンルーム コックピット フロントアンダーボディ リアアンダーボディ 電気 / 電子 (EE) アーキテクチャーの 5 つの基本領域に分類するモジュラー アーキテクチャー システム 2 異なる PT システム間 / EE アーキテクチャ間のソフトウェア再利用性 エンジン仕様 / 適用プロジェクト毎にソフトを抜き差しできるアーキテクチャ 3SW 品質と開発スピードの両立 限られた資源と時間の中で 継続的な SW 開発と評価を行うプロセス
Agenda 1. MBD 適用の背景とその要求 日産の歴史 1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 1.2. 日産の MBD 適用の歴史 1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 2. 要求に応える MBD を用いたソリューション 2.1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ 2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス 3. Design から Development への拡大 3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 3.2. MATLAB tool box の活用事例 4. 今後の課題と取り組み 4.1. Function Exchange 手法の確立 4.2. Alliance HIL & Remote HIL
Interface Interface 2.1-1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ ソフトウェアを Engine Function エンジン間流用の Transverse Function Platform の 3 モジュールに分ける Gasoline Engine Function Transverse (Vehicle) Function 水平方向 (Horizontal) topics Global standard parameter Exchangeable vehicle/engine function Process Rules Tools SW module concept Diesel Engine Function Platform Interface Platform Interface Gasoline Standard Platform Diesel Standard Platform 垂直方向 (Vertical) topics Multi platform Global standard parameter AUTOSAR Standard tool chain
2.1-2. ソフトウェア階層化のコンセプト ( 垂直方向 ) OEM 側 を 性能達成の為の OEM Application と デバイス制御の Middleware に分離 OEM とサプライヤ間を AUTOSAR をベースにした Platform I/F で繋ぎ 責任分担を明確化 サプライヤプラットフォーム (MW+BSW) への仕様要求は 要求仕様書の形で提示する 1:Interface between OEM and Supplier 2:OEM Middleware with OEM style guide Model 3:OEM AppricationSW with OEM style guide Model 4:Supplier Platform with AUTOSAR standard from 4th Generation Layer software Architecture AUTOSAR basic structure OEM 3 OEM Application OEM のりしろ sticking tab Supplier Platform Supplier BSW AUTOSAR I/F Supplier OEM Middleware Platform Interface Supplier Middleware AUTOSAR Runtime Environment(RTE) DEM Platform MEM OS CAN/LIN communication stack, memory handling, diagnosis, I/O etc. Microcontroller Hardware Devices 2 1 4 要求仕様書 Complex Drivers
ECU Interface ECU Interface HEV/TV Interface HEV/TV Interface 2.1-3. アプリケーション層のアーキテクチャ ( 水平方向 ) エンジン制御 (GE/DE) 車両制御 (TransVersal Function) をモジュール化し 様々なプロジェクト要求に対し Function の再利用を図る Diesel ECM EV Controller DE EV/HEV Platform Interface Diesel Standard Platform Platform Interface EV(/HEV) Standard Platform Gasoline ECM Vehicle Proj. HEV Controller GE TV-ECU EV/HEV Platform Interface Gasoline Standard Platform Platform Interface HEV(/EV) Standard Platform 10
日産の MBD 制御開発プロセス 左側 V でコンポーネントを作りこみ 右側 V でコンポーネントを束ね 1 つの SW にする System Requirement Study SE New production order PT Req. Study System Simulation dev./registration Calibration Validation System design SE design Plant model develop. System Requirement Statement Make test System Validation s development verification Verification tool management + Plant model Project manager Library (DB) Shopping Control integration Auto I/F check MIL verification s integration Spec. tender issue Basic SW HW Basic SW HW quality verification release HILS Auto Check System validator Auto coding, integration software dev. US A Supplier ECM project management whole project schedule handling, hardware development etc. ECM Project manager
2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 左側 V でコンポーネントを作りこみ 右側 V でコンポーネントを束ね 1 つの SW にする System Requirement Study SE New production order PT Req. Study System Simulation dev./registration Calibration Validation System design SE design Plant model develop. System Requirement Statement Make test System Validation s development verification Verification tool management + Plant model Project manager Library (DB) Shopping Control integration Auto I/F check MIL verification s integration Spec. tender issue Basic SW HW Basic SW HW quality verification release HILS Auto Check System validator Auto coding, integration software dev. US A Supplier ECM project management whole project schedule handling, hardware development etc. ECM Project manager プロジェクト要求管理とインテグレーション
2.2-1. TAG を用いたソフトウェアショッピング プロジェクト要求とソフトウェアの関係を TAG を用いて管理し その TAG を基にショッピングすることにより全体のソフトウェアを作成する 制御ショッピングメニュー 燃料噴射制御共通 燃料噴射制御直噴 ENG 用 燃料噴射制御過給 ENG 用 SW-C に紐づけられた全タグが記載されたリスト TAG 選択 = ショッピング エンジンタイプ 車両システム センサ アクチュエータ有無 販売国 制御ショッピングリスト 燃料噴射制御共通 燃料噴射制御直噴 ENG 用 プロジェクトに必要な TAG が選択された結果のリスト from 4th Generation
Integration 2.2-2. ソフトウェアコンポーネントのインテグレーションプロセス SW-C を全合体したインテグレーションモデル ( テンプレートモデル ) をリファレンスに合体プログラムを作成する ECM Tier1 Supplier Task Exe. order SW-C equal SW1 Void main() { vtemp=vapo*100; SW1 Tmp= mmm*vtemp CHK_TIM() SW-C SW-C Template model SW2 SW3 Void main() { vtemp=vapo*100; Tmp= SW2 mmm*vtemp CHK_TIM() Void main() { vtemp=vapo*100; SW3 Tmp= mmm*vtemp CHK_TIM() Program Integrate SW comp. equal Void main() { Void main() vtemp=vapo*100; { Void main() Tmp= vtemp=vapo*100; { mmm*vtemp Void main() CHK_TIM() Tmp= vtemp=vapo*100; { mmm*vtemp CHK_TIM() Tmp= vtemp=vapo*100; mmm*vtemp CHK_TIM() Tmp= mmm*vtemp CHK_TIM() C code Assemble Model data base *coded by Tier1 case C code data base
2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス System Requirement Study SE New production order PT Req. Study System Simulation dev./registration Calibration Validation System design SE design Plant model develop. System Requirement Statement Make test System Validation s development verification Verification tool management + Plant model Library (DB) ソフトウェアの評価方法 Project manager Shopping Control integration Auto I/F check MIL verification s integration Spec. tender issue Basic SW HW Basic SW HW quality verification release HILS Auto Check System validator Auto coding, integration software dev. US A Supplier ECM project management whole project schedule handling, hardware development etc. ECM Project manager
2.3-1. 日産のソフトウェア評価体系 受入検査 + 組合せ評価 ( 回帰テスト )+ 新規制御評価による網羅的な評価を実施 SW-C コンポーネント評価 System Requirement Study PT Req. Study System design SE design System Simulation Plant model develop. SE System Validation Partial System RCP(Bypass) Requirement Statement & Partial/Full MIL 新規制御評価 verification Verification tool SW-C を用いた組み合わせ評価 New dev./registration management Library (DB) Control integration Basic SW HW System validator quality verification HILS Auto Check + release Supplier Make Auto I/F check Plant model test =>Macro MIL verification 受け入れ検査 Spec. tender Project check manager issue Auto coding, s Basic SW integration =>Acceptance Check software dev. development s integration HW テスト環境毎に テストケース プラントモデル ツールの共通化が重要 =>SW Verification Full Bypass & Full Shopping MIL 組合せ評価 ( 回帰テスト ) HIL US A 新規制御評価 =>SW Validation 組合せ評価 ( 回帰テスト ) =>Macro check =>Detail Function check サプライヤ納入 SW を用いた新規制御評価 サプライヤ納入 SW を用いた組み合わせ評価 OEM/Supplier 間の IF 確認 5 step DR S4: SW Verification S5:System Validation Macro Check Total check by specific driving pattern Detail Function Check Functionality impact check for each function Application Middleware Interface Supplier platform Acceptance Check OEM/Supplier interface Check
2.3-2. プラントモデルの共通化 制御アルゴリズムの検証が目的 (SW Verification) のため 精度と共に高速で評価できる事が重要 = 軽量且つ高精度なモデル デバイスモデル トランスミッション 車両簡易モデルを MATLAB SIMULINK で構築 エンジンモデルは Add-on Toolbox: Powertrain Block Set(PTBS) で構築 Plant modeling Tool MATLAB Simulink プラントモデルは共通化して RCP/MIL/HIL に相互利用可能 + + + PTBS Simulink Add-on Toolbox: Powertrain Blockset Matlab/Simulink based Modeling Tool Resizing Functionality Common Plant models Device Engine Transmission Vehicle MATLAB Simulink MATLAB MATLAB Simulink MATLAB Simulink
2.3-3. テストケースの共通化 自動化 テストケースを共通化し RCP/MIL/HIL の環境で再利用しながらテストを自動化 テスト種類 テスト環境 テストケース テスト結果の判定 新規制御評価 RCP/MIL/HIL DRで提案 DR 内でレビュー Acceptance Check HIL/ 実車 再利用可能 自動判定 Macro Check MIL/HIL 再利用可能 自動判定 Detail Function Check MIL/HIL 再利用可能 自動判定
2.3-4. テンプレートモデルを活用した MIL 評価 (Full MIL) Model Info $Revision: 2-0 $ DebugVer:1 Editor: N910081 Last modified: 27-3-2018 09:22:49 5 fgakuon fgakuon 2 vtq_ce_trgt_fast vtq_ce_trgt_fast 3 vtq_ce_trgt_fast_caj vtq_ce_trgt_fast_caj 4 vknrpm vknrpm 6 fdltadv fdltadv 7 fj10_1st fj10_1st vtq_alt_loss_stc 8 vtq_alt_loss_stc vtq_ac_loss_stc 9 vtq_ac_loss_stc 23 ftaact ftaact vtq_cs_est 1 vtq_cs_est vvxx_bsg_tq_req_sent 24 vvxx_bsg_tq_req_sent 10 vtqwoagbf vtqwoagbf 11 vtq_ce_eng_req_uplim_fast vtq_ce_eng_req_uplim_fast 12 vtq_ce_fast_max vtq_ce_fast_max 13 vtq_ce_fc vtq_ce_fc 14 vtq_cs_fast_max vtq_cs_fast_max 15 vtq_cs_fast_min vtq_cs_fast_min 16 vtq_cs_trgt_fast vtq_cs_trgt_fast 17 vtq_aux_loss_dyn vtq_aux_loss_dyn 18 vtq_aux_loss_stc vtq_aux_loss_stc 19 vtq_eng_sta_fast vtq_eng_sta_fast 21 vtq_isc_fb_fast vtq_isc_fb_fast 20 vtq_eng_los vtq_eng_los 22 vtqfric_cs_est vtqfric_cs_est 25 vrlteng2 vrlteng2 vtq_ce_trgt_fast vtq_ce_trgt_fast_caj vknrpm fgakuon fdltadv fj10_1st vtq_alt_loss_stc vtq_ac_loss_stc ftaact vtq_cs_est vvxx_bsg_tq_req_sent M1015_3B_2x_TQ_CE_EST_10ms vtq12eng <vtq12eng> vtq_ce_est <vtq_ce_est> vteng <vteng> fattrqng2 <fattrqng2> vtq_cs_est_fil <vtq_cs_est_fil> vvxx_bsg_tq_req_sent vtq_cs_est ftaact vtq_ac_loss_stc vtq_alt_loss_stc vtqfric_cs_est vtq_ac_loss_stc vtq_alt_loss_stc fattrqng2 vtq_cs_est_fil vvxx_bsg_tq_req_sent vtq_cs_est ftaact vtq_ac_loss_stc vtq_alt_loss_stc vtqwoagbf vtq_ce_eng_req_uplim_fast vtq_ce_fast_max vtq_ce_fc vtq_cs_fast_max vtq_cs_fast_min vtq_cs_trgt_fast vtq_aux_loss_dyn vtq_aux_loss_stc vtq_eng_sta_fast vtq_isc_fb_fast vtq_eng_los vtqfric_cs_est vrlteng2 vtqfric_cs_est vtq_ac_loss_stc vtq_alt_loss_stc M1015_3B_2x_TQ_CE_EST_WIOAGB_10ms M1015_3B_2x_TQ12FRIC_10ms vtq_ce_est_wioagb <vtq_ce_est_wioagb> vteng2 <vteng2> vtq12eng2 <vtq12eng2> vtq12fric <vtq12fric> 7 vtq12eng 1 vtq_ce_est 5 vteng 6 fattrqng2 2 vtq_ce_est_wioagb 4 vteng2 8 vtq12eng2 3 vtq12fric テンプレートモデルと組み合わせ アプリケーション SW 全体を机上テスト可能新規制御開発の Try & Error や回帰テストを SW 全体で評価できる 大規模モデルのため ビルド時間の短縮とシミュレーション速度の高速化が今後の課題 Template Model (OEM ) Common Plant model MATLAB Simulink Full MIL の実力 : ビルド時間 : 1.5hrs Sim 速度 : 実時間より 10 倍程度遅い... System Requirement Study New SE production order PT Req. Calibration Study System Validation Simulation dev./registration System Plant model System Library design develop. Validation (DB) 新規制御 management System Requirement Statement HILS Shopping Basic SW Auto Check System validator Control HW US design verification integration A quality Verification tool verification SE 開発テスト Make test s development Plant model Auto I/F check MIL verification Basic SW 回帰テスト + Spec. tender Project manager issue s integration ECM project management whole project schedule handling, hardware development etc. ECM Project manager HW release Supplier Auto coding, integration software dev. Trial & Error SW 評価 Full MIL 標準 CAD-PC 上でシミュレーション可能
2.3-5. RCP tool による HIL(or 実機 ) 評価 共通テストケース プラントモデルを使った HIL 環境を用い テンプレートモデル全体を実 ECU バイパスにて評価が可能 RCP 作りこみの効率化と 大幅なソフトウェア納入本数の削減を実現 Template Model All Bypassed with RCP tool BI MWI MWO BO Actual Driver 実車評価 Actual Vehicle Supplier BSW (Actual ECU) Supplier HILS HIL Plant Model Engine component model Engine plant model MATLAB Vehicle plant model Simulink or Driver model 共通 Test Case 共通 Plant Model
Agenda 1. MBD 適用の背景とその要求 日産の歴史 1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 1.2. 日産の MBD 適用の歴史 1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 2. 要求に応える MBD を用いたソリューション 2.1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ 2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス 3. Design から Development への拡大 3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 3.2. MATLAB tool box の活用事例 4. 今後の課題と取り組み 4.1. Function Exchange 手法の確立 4.2. Alliance HIL & Remote HIL
3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 複雑化する制御システム要求に対し 高精度且つ適合も容易になる MPC モデル予測制御の適用を検討 複雑さの増加と共に制御と適合が大変になっていく デバイス増加に伴い 制御の制約条件が複雑化 Model Predictive Control モデル予測制御 Target Disturbance observer Observer MPC Cost function C/GMRES U Plant Controller 複数の制約を同時にとりながら最適な動作点を決める事が可能 Sensor measurement
3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み MPC の世界的権威である京都大学大塚教授と 技術的な仲介役として Integration technology tool 面でのサポートとして MathWorks の協力の下 MPC のエンジン制御適用を実現 Industry Technical mediator University Tool support by 大塚教授 日産の経験 先生の知見 性能 : トレードオフとなる応答速度とスパイクノイズ耐性が同時に向上適合工数 : 数分
NOx(mg/km) Gain[dB] 3.2. Matlab tool box の活用事例 MathWorks の協力を得て空燃比制御 ( 従来制御 ) の適合手法を改善 fmincon 関数を利用したシステム同定 Simulink Design Optimization によるゲイン適合 Frequency[Hz] Controller System identification fmincon() 実データの伝達関数特性にフィッティング Work space 内の任意の変数を変化させ規定の応答になるような最適解を自動探索可能 Emission result (1.6l L4 engine MT RDE95-1 NOx emission) 開発中参考値 NOx: 48.0% CO: 71.4% 適合工数削減効果 35 h/proj.(10days) 日産実績値 32 h/project CO(mg/km) Current New 3.5 h/proj.
Agenda 1. MBD 適用の背景とその要求 日産の歴史 1.1. エンジン制御開発を取り巻く背景 1.2. 日産の MBD 適用の歴史 1.3. 新たにソフトウェア開発に求められる要求 2. 要求に応える MBD を用いたソリューション 2.1. 要求に適したソフトウェアアーキテクチャ 2.2. Project 要求に応じる SW インテグレーションプロセス 2.3. MBD を活用した SW 評価プロセス 3. Design から Development への拡大 3.1. 空燃比制御を題材とした MPC への取り組み 3.2. MATLAB tool box の活用事例 4. 今後の課題と取り組み 4.1. Function Exchange 手法の確立 4.2. Alliance HIL & Remote HIL
4.1. Function Exchange 手法の確立 制御の部品化に向けて Black Box モデル 難読化コード インターフェースルールを OEM/ コンポーネント /ECU サプライヤ間で標準化したい 3rd Party s Function Vehicle Proj. Vehicle Proj. Black Box I/F ルール Full function Plug & Play and Full common process < 課題 > サプライヤ IP を保護しながら如何に容易に組み込むか? Global な標準化に期待!
4.2. Alliance HIL & Remote HIL HIL を含めたテスト環境を alliance パワートレイン ECU 間で共通化 リモート環境により Global でテスト環境を共有化 リソースを共有し 更に時差を利用して設備稼働率を向上 Alliance Convergence HIL Renault France Renault Romania NTCE Spain RNTBCI India Renault Korea NML Japan RENAUL HIL available connection NISSAN HIL available connection ACTR Signal Sensor Signal ULR (Universal Load Rack) Configuration 設定でデバイス動作をシミュレーション 異なる PT システムで共有可能 CAN : Configuration download Device Plant Model
Thank you!