ポルシェ｢カイエン｣のシステム統合｡推進システムとシャシーの大部分を開発

ポルシェ･エンジニアリングは､｢ドライブシステム｣部門も新設して取り組み､ドライビングエクスペリエンスを向上させる

車両にソフトウェアを最適に統合することは、パフォーマンスとカスタマーエクスペリエンスを決定する上で非常に重要だ。これは新型「ポルシェ・カイエン」でも同様で、ポルシェ・エンジニアリングはポルシェおよびサプライヤーとの協力のもと、推進システムとシャシーの大部分を開発したという。

革新的なハードウェアとカスタマイズされたソフトウェアにより、このラグジュアリーSUVはポルシェならではのドライビングエクスペリエンスを提供する。ソフトウェアは、新しい機能を実現し、価値創造においてますます大きな役割を果たすため、車両の決定的な要素になりつつある。

しかし、カスタマーエクスペリエンスはプログラマーのスキルだけに依存するものではなく、ソフトウェアと車両のハードウェアを最適なパフォーマンスで組み合わせ、調和させることも重要だ。

このことは、特にドライビングエクスペリエンスに大きな影響を与える推進システムとシャシーにも当てはまる。そこでポルシェ エンジニアリングは、ハードウェアとソフトウェアのエキスパートがシャシーと推進システムの分野で緊密に連携する「ドライブシステム」部門を新設した。

このチームは、要件定義から機能開発、ソフトウェアやアクチュエーターのキャリブレーション、テスト、検証に至るまで、完全なシステムを開発し、統合する能力を備えているという。

【写真6枚】必要とされるあらゆるスキルを網羅した国際的なチームを編成 

システム・インテグレーションに注力
ポルシェエンジニアリングのドライブシステムディレクターであるエヴァ＝ヴェレーナ・ツィーガーン氏は「私たちの中心的な仕事のひとつは、システムインテグレーションです」と語る。「これには、ECUへのコード実装や、新機能のキャリブレーションとバリデーションが含まれます」

ポルシェ・カイエンの開発が進む中、ポルシェ・エンジニアリングは数多くの開発スコープを担当した。推進システムとシャシーでは、当初からハードウェアとソフトウェアのシームレスな統合が重視された。「カイエンの特徴は、ドライビングの快適性とスポーティさのスペクトルが広いことです」とツィーガーン氏は加える。

「たとえば、アクティブ・アンチロール・スタビライゼーションの場合、革新的なソフトウェアとパラメータ化、そしてシャシー全体への統合によって実現されています。その過程で全輪駆動、前後軸ステアリング、ブレーキ・システム、電気駆動がドライビング・エクスペリエンスに影響を与えるシャシー内の複雑な相互作用を考慮しなければなりません」とツィーガーン氏は説明する。

ツィーガーン氏は、シャシーにおける革新的なシステムの開発とキャリブレーションを、ハードウェアとソフトウェアの相互作用の成功例と呼んでいる。2バルブ・テクノロジーを採用し、伸側と縮側を独立させたダンパーは、ラグジュアリーSUVに初めて採用された。

ポルシェ・エンジニアリングがサプライヤーと共同開発したこのダンパーは、スポーティなドライビングと快適なドライビングの間をより広くカバーし、あらゆる走行シーンで最適なパフォーマンスを発揮する。革新的なハードウェアは、ソフトウェア開発の要件に関しても顕著な違いをもたらした。

「新しい2バルブ・ダンパーにより、コントローラーのコンポーネントを変更し、基本ソフトウェアとの新しいインターフェースを定義する必要がありました」と、ポルシェの開発エンジニアで電動シャーシプラットフォーム(EFP)の責任者であるファビアン・ハイトカンプ氏は報告する。

「さらに、コントロールユニットと基本ソフトウェアについては、旧バージョンから採用できたものはほんのわずかでした。要するに、手を抜かなかったということです」

カリアドとの協力
ポルシェ・エンジニアリングは、新しいコントロールユニットのコンポーネントを担当し、新しい基本ソフトウェアの開発をサプライヤーであるポルシェと、共同でコーディネートした。ポルシェ・エンジニアリングの開発エンジニアでインテグレーション・マネージメントを担当するマーカス・シュミット氏は「私たちは、機能的なソフトウェア全体の責任も負いました」と説明する。

「新しい2チャンバーエアスプリング/2バルブダンパーシステムはより複雑で、さらなるモデルラインのための共同開発でもあるため、従来の10機能から17機能が必要になりました。タイトなスケジュールをこなし、複雑なタスクをこなすため、開発者たちは、新しい制御ユニットと新しい基本ソフトウェアが利用可能になるずっと前に、新しいソフトウェアをテストしました」

「HiL(Hardware-in-Theloop)やテストベンチで、できるだけ早い段階で様々な機能の通信や相互作用をテストするようにしています」とツィーガーン氏は言う。「ポルシェ エンジニアリングでは、各拠点に国際的なチームを結成し、機能開発とHiLテストの両面で早い段階からサポートしています」

ポルシェAGのカイエン・シャシープロジェクトマネージャーであるミヒャエル・ベッカー氏は、このような手法の重要性を次のように強調する。「たとえば、HiLテストでは、個々のソフトウェアコンポーネントがまったく問題なく動作するかどうかをチェックすることができます。また、シャシーには法的な観点に関連する多くのポイントがあることも忘れてはなりません」

開発の初期段階でも、開発者たちはバーチャルな手法のおかげで数多くの最適化を実施することができた。これは、システムやコンポーネントの複雑化が進む将来においても極めて重要なことである。プロセスの開始時には、後にコードが生成されるMATLAB/Simulinkモデルの挙動を調べるMiL(Model-in-the-Loopテスト)が実施された。

その後、Software-in-the-Loopテスト(SiL)で、コードが要件を満たしていることを実証する必要があった。このテストでは、後にECUで使用されるモデルと非常によく似たマイクロプロセッサ上でコードが実行された。新しいECUと新しい基本ソフトウェアが利用可能になると、すぐにHIL(Hardware-in-the-Loop)テストベンチでテストが実施された。

「ポルシェ・エンジニアリングは、機能の開発から基本ソフトウェアへの実装、そしてテストや車両への組み込みに至るまで、一連の流れをカバーすることができました」とハイトカンプ氏は強調する。これは、必要とされるあらゆるスキルを網羅した国際的なチームによって可能となった。

ドイツ、チェコ共和国、ルーマニアのエキスパートが、コード生成と機能開発、そしてSiL、HiLテストやテスト自動化を含むネットワーク化されたチームでのテストと検証を担当した。「ポルシェエンジニアリングは、必要なときに必要なリソースを提供してくれました。このようにして、様々な困難にもかかわらず、プロジェクトを予定通りに完了することができたのです"」とハイトカンプ氏は語る。


摩擦ブレーキと回生ブレーキの絶妙なブレンド
開発者たちは、新型カイエンのブレーキシステムのハードウェアとソフトウェアの相互作用にも焦点を当てた。彼らの課題は ドライバーは、可能な限り最高のペダルフィールを得ることができ、車両減速における油圧摩擦ブレーキと電気モーターのそれぞれの割合を知覚できないようにすること。

この油圧ブレーキと回生ブレーキの「ブレンド」を担当するのが回生機能だ。このミックスの正確な構成は、多くの要因によって決まる。

ポルシェ・エンジニアリングのブレーキ＆ステアリングシステム開発エンジニアであるリサ・ヘルビッヒ氏は、「基本的に、私たちの目標は回復ブレーキを可能な限り使用することで、車両に必要な平均エネルギーを可能な限り削減し、とりわけ車両の電気航続距離を伸ばすことです」と説明する。

「油圧式フリクションブレーキは、たとえば電気モーターの減速が不十分な場合や、リアアクスルのリカバリーが原因で車両が不安定になる可能性がある場合に作動します。ブレーキシステムの相互接続されたソフトウェアコンポーネントも、摩擦ブレーキの変化する特性を最適な方法で補正するのに役立っている。ブレーキの温度と経時的な摩耗の両方が考慮されるます」

特に難しいのは、アルゴリズムが異なる制御ユニット上で実行されることで、そのためブレーキシステム用のソフトウェアは制御ユニットのシステム全体にしか適用できない。eBKVのソフトウェアはサプライヤーから提供されたものだが、機能のキャリブレーションとそのテストはポルシェ・エンジニアリングが担当した。最終的には、ポルシェと共同で車両の承認が行われた。

大幅に向上したペダルフィール
「ポルシェで認可を担当したアレクサンドロス・アタナシアディス氏は「私たちは目標を達成しました。ドライバーは、回復ブレーキとハイドロリックブレーキの切り替え時に、いかなる相互作用も感じることはありません。

先代と比較して、我々は配合をさらに最適化することができました。最終的に私たちは、ソフトウェアの助けを借りて最適に設計することができたペダルフィールによって評価されます」

その一例として、彼は摩擦ブレーキの新しい 「コールド特性 」を挙げている。これは、ブレーキがまだ冷たい状態で走り出すと、ブレーキブーストが大きくなるもので、それによって望ましい一定のペダルフィールが確保される。快適性だけでなく、カイエンの効率もまた、新デザインの減速機能によって改善されている。

新型カイエンのリカペーションの減速能力は最大88キロワットまで引き上げられ、約30パーセント向上した。新型カイエンの減速能力は最大88キロワットで、約30パーセント向上している。さらに、減速はほぼ車両が停止するまで可能で、これまでは時速14kmが限界だった。

ノイズがノイズを抑制
新しいダンパーシステムとハイブリッドブレーキに加えて、ポルシェ・エンジニアリングは新型カイエン用のパルスインバータ(PWR)の開発、テスト、検証にも当初から携わっていた。この場合、内燃エンジンから電気モーターへの移行をドライバーに感じさせないようにすると同時に、車両性能を向上させることが主眼となった。

ほかの特徴として、新しく開発されたパルスインバータは、可変スイッチング周波数と、現在の動作ポイントに応じて最適化される異なる変調方式を特徴としている。

「パルスインバータのパルス周波数を下げると効率が向上し、ソフトウェアによるインテリジェントな制御によって、モーター出力のみを10%向上させることができます」と、ポルシェのパルスインバータ・ソフトウェア＆キャリブレーション・シニアマネージャーであるパスカル・ホイスラー氏は説明する。

「これにはノイズという欠点があります。しかし、この方法ではノイズが発生します。これを解決するには、キャリア周波数の周囲に人工的なノイズを発生させることで、このモーターノイズを希釈します」

しかし、この方法をすべての動作点に適用することはできません。考え方としては コントローラーは数ミリ秒以内に反応し、必要に応じてスイッチング周波数を調整しなければならない。「これは非常に革新的なソリューションです」とホイスラーは言う。「システム効率を向上させると同時に、洗練されたサウンド構成でドライバーに何も聞こえないようにしています」とホイスラー氏は言う。

新型カイエンに搭載されたパルスインバーターは、VWグループ全体でモジュラーシステムとして使用されている。同じ制御ユニットが、5つの異なる電気モーターと3つの異なるトランスミッションを使用するほぼ100種類の車両バリエーションで使用されている。

さらに、それらは異なるプラットフォーム(新しいフォルクスワーゲンE3エレクトロニクス・アーキテクチャーまたはMLBevo)をベースにしている。そのため、この場合のシステム統合は、異なるブランドや車両クラス間の統合も意味し、開発者はそれを実現することに成功した。

ポルシェ・エンジニアリングのパルスインバーター・インテグレーション・プロジェクトマネージャーであるフランク・デッカート氏は「外見上、各車種はコネクターの違いでしか区別できませんが、内部のパーツは常に同じです。私たちは1つのハードウェアですべてのバリエーションをカバーしました」と話す。


キャリブレーションとのバランス調整
キャリブレーションに関わる作業を軽減するため、開発者は約100台の車両のうち、性能やパワートレインなどの点で同等の特性を持つグループを編成した。グループ内の全車両が同じデータを入力することが大きな課題となる。

たとえば、ローターとステーターの熱モデルは、トルク精度と部品保護に大きな影響を与えるが、車両への取り付け位置に大きく依存する。そのため、構成には異なるモデル間のバランスを取る必要があります。キャリブレーションの標準化は、将来のアップデートに大きなメリットをもたらす。

ばらつきを抑えることで、ソフトウエアのメンテナンスの手間を減らすことができる(コンセプトによるコスト効率)。

「全体として、私たちは最先端の制御を備えた一流のシステムを開発しました。ポルシェ・エンジニアリングと緊密に協力し、同僚たちが素晴らしい仕事をしてくれたからこそ、このようなことが実現できたのです」

新型カイエンは2023年7月から発売されている。ポルシェとポルシェ エンジニアリングは現在、このラグジュアリーSUVのバリエーションモデルのシステム統合に共同で取り組んでいる。もうひとつの重要な成功要因は、請負業者とクライアントとの間に高い信頼関係があったことだ。

「このようなプロジェクトの初期段階では、すべてが細部まで定義されているわけではありません。ポルシェのプロジェクトマネージャー、ベッカー氏は言う。「このようなプロジェクトでは、ある日突然、専門家を追加してチームを一時的に拡大しなければならない状況が発生します。

ハードウェアとソフトウェアのエキスパートを早い段階から結集させるというアプローチは、実を結んだ。「カイエン・プロジェクトは、システマティックなシステム統合がいかに重要かを示しています。そして、今日の開発においてシミュレーションが果たす重要な役割も示しています。

シミュレーションがあれば、車両外で統合の準備作業の多くを行い、後で微調整に集中することができます。これが、近年ますます複雑化する技術に対応する唯一の方法なのです」

ポルシェエンジニアリングは、FAS/HAFを含むシャシーシリーズ開発チームのチームマネジメントと、新型ポルシェカイエンの推進システムとシャシーの開発の大部分を担当した。ハードウェアとソフトウェアの最適な相互作用が求められるポルシェらしいドライビングエクスペリエンスに焦点を当てた。プロジェクトの成功の鍵となったのは、すべてのコンポーネントのシステム統合に成功したことだ。

2バルブダンパーシステム
常に革新的なパフォーマンスを発揮 革新的な2バルブダンパーシステムは、ポルシェエンジニアリングとサプライヤーが共同で開発した。革新的なハードウェアは、コントロールユニットのソフトウェアにも大規模な変更を要求した。

コンポーネントの複雑化に加え、他のモデルラインとの共同開発により、従来の10機能から17機能が必要になった。タイトなスケジュールをこなし、複雑なタスクをこなすため、開発者たちは、新しいコントロール・ユニットと新しい基本ソフトウェアが利用可能になるずっと前に、新しいソフトウェアをテストした。

ブレーキ・システム
知覚できない遷移 ブレーキ・システムは2つのコンポーネントで構成されている： 油圧式摩擦ブレーキと電気モーター。この2つの間の移行(ブレンド)は、リカバリー機能のソフトウェアが担当する。

また、温度変動や摩耗などによる摩擦ブレーキの特性の変化も補正する。特に難しかったのは、計算が異なる制御ユニットで実行されることだった。そのため、ブレーキシステムのソフトウェアはECUグループ内でしか適用できなかった。

パルスインバータ
最適化された効率で静か パルスインバータは、ドライバーの電力要求に応じて電気モーターにエネルギーを供給する。そのために、高電圧バッテリーの直流電圧を高周波でオン・オフする。オンとオフの時間の比率がエンジンのパワーを決定する。この周波数を下げると電子機器の効率が上がるが、同時に刺激音も発生する。これを避けるため、ノイズによって周波数をランダムに変化させる。