HIL-Tests für schnelle Validierung
Automatisiertes Testen von ECUs
Mit Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) lassen sich ECUs vor der physischen Systemintegration unter reproduzierbaren Bedingungen validieren. In einen modellbasierten Workflow eingebettet, erlaubt HIL eine kontinuierliche Integration, automatisierte Regressionstests und schnellere Iterationszyklen.
Elektronische Steuergeräte (ECUs) müssen strengen Tests unterzogen werden. In jedem Test-Workflow sind Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) unerlässlich, da sie es Technikern und Ingenieuren ermöglichen, Steuergeräte unter realen Bedingungen zu testen. Dabei werden anstelle von physischer Hardware Echtzeit-Simulationsmodelle verwendet, die im HIL-Kontext oft als »digitale Zwillinge« bezeichnet werden.
Um HIL-Tests erfolgreich durchzuführen, benötigen Unternehmen eine flexible und integrierte Plattform, mit der die digitalen Zwillinge durch Simulation sowie kontinuierliche und automatisierte Tests erstellt werden können. HIL-Tests beschleunigen die Entwicklung, erhöhen die Sicherheit und sind bei guter Umsetzung kosteneffizient.
ECUs sind Echtzeitsysteme, die Regelalgorithmen unter strengen zeitlichen Vorgaben ausführen, Sensordaten erfassen und Aktoren mit deterministischer Latenz ansteuern. Dieses Verhalten ist entscheidend für einen stabilen Betrieb in dynamischen Anwendungen wie Antriebssträngen oder Fahrwerksregelungen. Zeitlicher Jitter oder nicht eingehaltene Zeitvorgaben können Leistung und Sicherheit direkt beeinträchtigen.
Testen von elektronischen Steuergeräten
ECUs sind oft sicherheitskritische Komponenten, deren optimale funktionale Robustheit nur durch rigoroses Testen in einem iterativen Prozess erreicht werden kann. Dadurch wird das Risiko potenzieller Fehlfunktionen minimiert.
Testen gewährleistet einen sicheren Betrieb unter allen Bedingungen – auch unter extremen. Durch kontinuierliches Testen können Fehler bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses erkannt werden, sodass sie noch leicht zu beheben sind. Mithilfe der Tests lassen sich Verzögerungen vermeiden und Kosten senken.
Bei Hochleistungs-Rennfahrzeugen sind kurze Iterationszeiten und Agilität entscheidend, um Regelfunktionen schnell anzupassen. Ein Beispiel ist McLaren Applied Technologies, ein Unternehmen, das ab 2026 alle Formel-1-Teams mit dem zentralen Steuergerät ausstattet – getestet und entwickelt mit Speedgoat.
»McLaren Applied ist stolz darauf, von der FIA ausgewählt worden zu sein, um die neue Standard-ECU (SECU) für die Formel-1-Saisons 2026, 2027, 2028, 2029 und 2030 bereitzustellen. Die Testsysteme von Speedgoat erlauben es uns, alle involvierten Systeme sowohl während der Entwicklungsphase der Produkte als auch bei den fortlaufend durchgeführten Tests von Softwareentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Produkte hinweg gründlich, kontinuierlich und effizient zu testen«, so Max Smith, Programmmanager bei McLaren Applied.
ECUs sind außerdem Komponenten, die in einem komplexen System aus Aktoren und anderen ECUs integriert sind. Tests stellen sicher, dass alle Komponenten fehlerfrei zusammenarbeiten. Sie gewährleisten den gemeinsamen Betrieb und helfen dabei, häufige Kommunikationsprobleme zu erkennen und zu lösen. Tests ermöglichen im Wesentlichen die Einhaltung von Qualitätsstandards, gewährleisten die Kundenzufriedenheit und können Iterationen in späten Prozessphasen verhindern.
Rack-System von Speedgoat für Hardware-in-the-Loop-Tests.
In der Regel umfasst der Entwicklungsprozess mehrere Testphasen. Frühe Steuerungskonzepte werden mittels Model-in-the-Loop (MIL) bewertet, das Softwareverhalten wird mittels Software-in-the-Loop (SIL) getestet und mit HIL-Tests können Techniker und Ingenieure die tatsächliche ECU-Hardware und -Software unter simulierten realen Eingaben und Bedingungen ausführen. In diesem Zusammenhang unterstützt HIL sowohl die anforderungsbasierte Verifikation als auch die Validierung auf Systemebene, wozu auch das Verhalten in Grenzfällen und bei Fehlerbedingungen gehört.
Herausforderungen bei ECU-Tests
Das Testen von ECUs ist eine komplexe Aufgabe. Da ECUs zahlreiche Steuerungsfunktionen übernehmen können, muss das gesamte System umfassend getestet werden – nur so kann sichergestellt werden, dass alle Funktionen und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten validiert werden. Das Testen von ECUs auf Systemebene kann sich schwierig gestalten, da verschiedene Zulieferer beteiligt sind. Es können Kommunikationsprobleme sowie unerwartetes Systemverhalten auftreten. Eine weitere Herausforderung ist die Sicherheit. Es müssen Tests durchgeführt werden, die alle Betriebsszenarien und Fehlerzustände abdecken, ohne Menschen zu gefährden oder die Hardware zu beschädigen.
Andererseits sind kurze Iterationszeiten und Agilität für Innovation sowie eine schnelle Bereitstellung von Updates entscheidende positive Faktoren. Teams müssen in der Lage sein, während der Tests maximale Leistung abzurufen und dabei die geltenden Vorschriften, Normen und Standards einzuhalten. In der Regel ist hierfür die Rückverfolgbarkeit der Testergebnisse erforderlich.
Hardware-in-the-Loop-Tests
HIL-Tests bilden einen wesentlichen Bestandteil des Test-Workflows zur Validierung von Steuerungssystemen und ECUs. Dabei wird das zu testende Gerät (ECU) über reale I/O-Verbindungen und Kommunikationsprotokolle mit dem HIL-Testsystem verbunden.
Ein HIL-Testaufbau besteht aus drei Hauptkomponenten:
dem zu testenden Gerät (ECU) sowie zusätzlichen Komponenten wie Domain-Controllern, Sensoren und Aktoren
einem HIL-Testsystem mit einem deterministischen Echtzeitprozessor, der die emulierten Komponenten ausführt und über I/O-Anbindungen sowie Protokolle verfügt, um Signale für die Kommunikation mit der ECU zu emulieren und Daten zu erfassen
einem Host-Rechner, auf dem die Anwendungssoftware läuft, die die Durchführung der HIL-Tests unterstützt und die Testautomatisierung ermöglicht.
Warum HIL-Tests notwendig sind
Angenommen, es wird ein Steuergerät für den Elektroantrieb getestet und mit realen Komponenten verbunden, beispielsweise einem Leistungsumrichter oder einem Elektromotor. Sobald das System unter Spannung steht, wird es gefährlich. Durch das Testen der Steuerung mit einer virtuellen HIL-Konfiguration wird die Sicherheit gewährleistet und das Risiko von Geräteschäden minimiert. Grenzfälle und Fehlerszenarien lassen sich sicher und reproduzierbar testen.
Durch systematische Fehlerinjektion können zudem das Diagnoseverhalten sowie Ausweichstrategien und Sicherheitsmechanismen evaluiert werden. Auf realer Hardware wären solche Tests oft unpraktisch oder unsicher. HIL-Tests vereinfachen den Prozess und senken die Kosten, da kostspielige Prototypen sowie Zeit auf der Teststrecke eingespart werden können. Außerdem sind Techniker und Ingenieure weniger von Lieferzeiten der Hardware abhängig.
Tests können automatisiert durchgeführt werden – rund um die Uhr und bei jedem Update des Steuerungsdesigns. Wenn das Testen als einfach empfunden wird und die Ergebnisse schnell verfügbar sind, werden Techniker und Ingenieure innovativer. Sie erhalten umgehend Feedback zu ihren Designs, ohne dass ihre neu entwickelten Algorithmen erst auf der ECU laufen und getestet werden müssen.
HIL – Trends und Herausforderungen
Die Einrichtung eines HIL-Testaufbaus ist komplex und kann für Unternehmen eine Herausforderung darstellen. Erstens verfügen einige nicht über die nötige Expertise, um ein HIL-Testsystem einzurichten. Selbst scheinbar grundlegende Aufgaben, wie die Implementierung von Kommunikationsprotokollen, Signalschnittstellen und I/O-Mappings, können zu erheblichen Engpässen führen.
Außerdem kann die Anbindung an Soft- und Hardware von Drittanbietern mitunter einen erheblichen Integrationsaufwand verursachen. Unternehmen übersehen möglicherweise den Bedarf an zusätzlichen I/O, haben Schwierigkeiten, Unterstützung zu erhalten, oder die Modelle laufen nicht in Echtzeit. Sie sind mit dem Aufsetzen der Tests beschäftigt und verlieren dabei viel Zeit. Zudem nimmt die Komplexität der Systeme zu und die Anforderungen an Energieeffizienz und Sicherheit steigen – dies erfordert Rückverfolgbarkeit und Zertifizierung.
Aufgrund des harten Wettbewerbs und des technologischen Fortschritts kann es eine Herausforderung sein, Schritt zu halten. Unternehmen müssen eine große Bandbreite an Softwarevarianten und HIL-Testaufbauten verwalten. Durch die Weiterentwicklung softwaredefinierter Fahrzeugarchitekturen wird die ECU-Software während des gesamten Produktlebenszyklus kontinuierlich aktualisiert. Infolgedessen werden Regressions-, Integrations- und Konformitätstests zu fortlaufenden (oder kontinuierlichen) Aktivitäten statt zu einzelnen Entwicklungsphasen.
Eine integrierte Plattform für HIL-Tests
In der Regel basiert eine effektive HIL-Plattform auf einer nahtlosen Integration von Steuerungsentwicklungsumgebungen und Echtzeit-Testhardware. Eine einheitliche, durchgängige Toolchain für die Steuerungsentwicklung und HIL-Tests ermöglicht Technikern und Ingenieuren, in einer einzigen Umgebung zu arbeiten. So werden Schnittstellenverluste zwischen Entwicklung und Validierung minimiert.
Werden Soft- und Hardware zu diesem Zweck gemeinsam entwickelt, lassen sich Interoperabilitätsprobleme reduzieren sowie Modell-Updates schnell bereitstellen. Außerdem können die Entwickler mühelos zwischen Desktop-Simulation und Echtzeitausführung hin und her wechseln. Um diesen Integrationsgrad zu erreichen, werden in der Praxis häufig Plattformen eingesetzt, die MATLAB und Simulink mit Echtzeit-Testsystemen wie denen von Speedgoat kombinieren.
Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Skalierbarkeit. Eine robuste HIL-Plattform sollte mit zunehmender Modellkomplexität, steigenden I/O-Anforderungen oder sich weiterentwickelnden Systemarchitekturen mitwachsen können. Modell-zu-Hardware-Schnittstellen sollten sich mit minimalem Aufwand konfigurieren lassen und integrierte Tools sollten eine effiziente Testverwaltung und -automatisierung erleichtern. Funktionen wie die Dashboard-basierte Steuerung, Skripting und Orchestrierung auf Anwendungsebene ermöglichen kontinuierliche, unbeaufsichtigte Tests und erleichtern die Integration in CI-Workflows.
Die Unterstützung offener Standards – wie beispielsweise ASAM XIL – ermöglicht es Teams, Tools von Drittanbietern zur Testautomatisierung zu integrieren. Die Kompatibilität mit gängigen Automobilnetzwerken (z. B. CAN und Automotive Ethernet) sowie mit Workflows, die sich an funktionalen Sicherheitsstandards wie ISO 26262 (ASIL A bis D) orientieren, gewährleistet die Anwendbarkeit in regulierten Entwicklungsumgebungen.
Schließlich kann der Zugang zu vollständig betreuten Lösungen von erheblichem Vorteil sein, insbesondere bei komplexen HIL-Konfigurationen. Für Systeme mit einer hohen Anzahl an Kanälen, kundenspezifischer Signalaufbereitung oder anwendungsspezifischer Hardware empfiehlt sich Unterstützung durch Applikationsingenieure – dies verringert das Integrationsrisiko und beschleunigt die Inbetriebnahme. Mit diesem Ansatz können Teams kostspieliges Nacharbeiten und Probleme in späteren Entwicklungsphasen vermeiden. So können sich diese voll und ganz auf die Validierung und Entwicklung konzentrieren, anstatt sich mit infrastrukturellen Herausforderungen befassen zu müssen.
Der Autor
Daniel Fonte
ist HIL-Anwendungsspezialist und Head of Application Engineering bei Speedgoat. Er verfügt über fundierte Fachkenntnisse in den Bereichen modellbasiertes Design, Systemtechnik und Echtzeitanwendungen. Bevor er 2016 zu Speedgoat kam, arbeitete Fonte als beratender Ingenieur für große französische Kunden in den Bereichen Embedded-Software und Automobiltechnik. Er hatte technische Führungspositionen im Bereich Fahrzeugsteuerung inne und wirkte an Programmen für autonomes Fahren bei Renault mit. Zu Beginn seiner Karriere war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Programm »Fusion for Energy« (F4E) tätig und unterstützte dort die Entwicklung von Fernsteuerungssystemen für das ITER-Projekt. Fonte hat einen Master of Science in Maschinenbau mit Spezialisierung auf Robotik und Systeme.
