Les bancs Hardware-in-the-Loop (HIL) permettant de tester virtuellement les sous-systèmes et les véhicules complets font désormais partie des standards dans le développement automobile. BMW utilise par exemple ces moyens d’essais pour l’optimisation de systèmes de directions actives pour des véhicules de série.

La toute dernière BMW Série 3 roule à 120 km/h sur l’autoroute. Lors d’un changement de file, l’angle et le couple de braquage augmentent progressivement au point d’approcher la limite d’adhérence du véhicule et d’entamer un survirage. Avant que l’arrière ne commence à décrocher, la direction active entre en action, corrige immédiatement la faute de conduite, stabilise la voiture et l’aide à se remettre sur la trajectoire idéale. Pourtant, cette fois, ce n’était pas un prototype qui roulait sur une piste d’essai. Cette BMW est un modèle de véhicule virtuel qui effectue une manœuvre de “changement de file” en simulation temps réel. Cela fait partie des nombreux tests simulés sur le banc HIL pour direction active dans le Centre de Développement et de Recherche (FIZ) de BMW.
BMW a commencé à travailler avec ce banc il y a plus de quatre ans, avant que la première direction active ne soit mise en production pour la BMW Série 5. “A l’époque l’idée générale était que, du fait de la complexité de la direction active, il ne pouvait pas être garanti que toutes les spécifications au niveau du véhicule puissent être remplies pour une mise en série. Les efforts de développement et de tests avec de véritables prototypes étaient simplement trop importants pour un système mécatronique si sophistiqué. Avec le banc HIL nous avons économisé énormément de temps et d’argent.” déclare Stefan Schott, ingénieur développement au FIZ dans le département “Systèmes de direction active”.

Tester comme dans un véhicule réel

La construction du banc HIL reproduit en grandeur nature la situation dans un véhicule de série. Pour le déroulement de tests, les systèmes complets de direction de la BMW concernée sont installés sur le banc ainsi que l’intégralité de la colonne de direction conforme au véhicule, le boîtier de direction et les servopompes. La direction active elle-même est installée dans une chambre climatique, dont la plage de régulation peut aller de -40°C à +130°C afin de pouvoir effectuer des essais de fonctionnement dans des conditions climatiques extrêmes. Les forces des bielles de direction sont produites par des machines de charge. Le pilotage électronique est réalisé comme dans un véhicule de série réel.
Le cœur du banc HIL est une unité développée par une joint-venture entre IPG Automotive et IABG. IABG est responsable de la conception et de la régulation du banc, IPG Automotive livre le logiciel nécessaire pour la simulation: CarMaker/HIL - une solution complète de dynamique du véhicule pour applications temps réel. Tous les composants du véhicule et des systèmes de contrôle qui ne sont pas intégrés dans le banc HIL sous la forme de composants réels sont simulés par des modules logi¬ciels.
La version HIL de CarMaker en fonction chez BMW dispose d’un tiroir pour rajouter d’autres contrôleurs véhicules réels à côté de la direction active, dont les fonctions pourront, elles aussi, être contrôlées dans le véhicule virtuel. Stefan Schott ajoute: “Dans un véritable véhicule, le contrôleur de la direction active communique avec le calculateur DSC de contrôle de trajectoire. Un des grands avantages des essais de conduite virtuels est que CarMaker/HIL permet l’intégration hardware des deux contrôleurs. Sans cela, nous aurions dû re-rentrer tous les paramètres de contrôle et les algorithmes des lois de commande pour chaque modèle véhicule à tester”.

CarMaker/HIL, un large éventail d’applications

La principale fonction d’un banc HIL est d’assurer que la régulation software et électronique de la direction active ainsi que le ressenti pen¬dant les manoeuvres de conduite s’harmonisent avec le véhicule global. Avant qu’un système de direction active remplisse ces fonctions, une multitude de cas d’erreurs de conduite et de tests de fonctionnement doivent être simulés - que ce soit des tests de réaction transitoire de lacet, de changement de file, des mesures de consommation et d’énergie ou des tests de freinage mu-split. L’influence de la direction active sur la carrosserie et le moteur peut aussi être simulée, tout comme les sensations haptiques perçues par le conducteur.
Le banc permet aussi de simuler entièrement les tests d’endurance courants. Le logiciel CarMaker/HIL paramétré avec les données du véhicule permet de parcourir sur le banc de manière virtuelle des circuits de conduite ou des parcours de mesure de consommation. Certains paramètres peuvent être changés durant la phase de test. Selon Stefan Schott: “De cette manière nous pouvons rechercher l’optimum et il ne nous reste plus qu’à le vérifier dans le véhicule réel. “
Le logiciel de tests virtuel n’a pas pour seul but de développer la nouvelle direction active des tous derniers modèles de BMW. La prochaine évolution sera l’occasion d’analyser le potentiel d’amélioration des systèmes de direction active déjà intégrés dans les BMW Série 5 ainsi que dans les Série 3, 1 et 6. Stefan Schott ajoute : “Cela comprend par exemple des mesures virtuelles des pompes à économie d’énergie que nous effectuons pour les systèmes de direction conventionnelle et de direction active. Le logiciel peut être utilisé pour ajuster le débit et la consommation d’énergie - ce qui peut aussi être facilement reproduit sur le banc.”
Le banc HIL peut aussi être employé pour vérifier les répercussions de la direction active sur le réseau électrique. Des changements de tension au niveau de la batterie ou des générateurs pourraient créer des problèmes. Dans ce domaine aussi, les objectifs sont clairement définis. Stefan Schott: “Nous cherchons de plus en plus à reporter les tests de ces répercussions du véhicule réel au banc pour les développements actuels et les problématiques spécifiques. “

Possibilité d’économiser sur les prototypes

Les conditions générales, actuelles ou à venir, de développement dans l’industrie automobile sont assez bien connues. Du fait de l’augmentation du nombre des modèles, de la réduction des cycles de vie d’un produit et surtout de la pression économique, les constructeurs automobiles cherchent à optimiser l’efficacité des développements de leur produit. Une attention toute particulière est portée sur l’économie de prototypes physiques onéreux dans tous les domaines de développement.
L’utilisation de bancs HIL, avec le logiciel innovant adapté, apporte une contribution essentielle. Au cours du développement des systèmes de direction active, BMW a pu économiser un très grand nombre de hardwares comme le confirme Stefan Schott: “Grâce à notre banc et surtout grâce à la polyvalence du logiciel CarMaker/HIL, qui a effectué 20% du volume de développement du système de direction active de la Série E60, nous avons pu nous passer de nombreux essais sur piste avec des prototypes. L’utilisation intelligente du banc HIL nous apporte une économie marquante sur la construction de prototypes.”