Prüffeldvernetzung
1 Beschreibung
Modulares Hardware-in-the-Loop (HiL) Testsystem zur Prüfung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen von prototypischer und seriennaher Hardware und Software; Einbindung in bzw. Realisierung einer modularen echtzeitfähigen Vernetzung der Prüfstände zu einem Virtuellen Prüffeld.
2 Ziele und Beispiele
2.1. Virtuelles Prüffeld
Allgemeines
Durch eine modulare Vernetzung der Prüfeinrichtungen zu einem Virtuellen Prüffeld wird eine flexible Nutzung und Durchmischung von simulierten und realen Komponenten, Systemen sowie einem Gesamtfahrzeug angestrebt. Hierdurch können neue Entwicklungsmethoden vom realen System zum Modell (Road-to-Rig-to-Desktop) und umgekehrt entworfen, getestet und angewendet werden. Die Prüffeldvernetzung stellt somit die essenzielle Zielsetzung des CMD dar, um einen Mehrwert in der Methodenentwicklung zu ermöglichen. Dies beinhaltet stets die Möglichkeit zur Virtualisierung von Teilkomponenten mittels echtzeitfähiger Modelle. Für die geplanten Prüfstände des CMD verdeutlicht dies die nebenstehende Tabelle.
Beispiele für Prüfszenarien
- Batteriekonfigurationen im Gesamtfahrzeug
Vernetzung: Road-to-Rig/Antriebsstrang + Batteriepack/Batterie-Simulator
Die Kombination von Elektroantriebssystem mit verschiedenen Batteriekonfigurationen wird durch die Kopplung von Road-to-Rig/Antriebsstrang-Prüfstand mit Batteriepack-Prüfstand/Batterie-Simulator ermöglicht. Sollen reale Batteriepacks unterschiedlicher Konfiguration (z.B. Zellen oder Zell-Module, deren Verschaltung und Kapazität) untersucht werden, können diese im Batteriepack-Prüfstand zusätzlich unter thermischer Belastung mit den realen Antriebskomponenten kombiniert werden. Alternativ bietet der Batterie-Simulator sämtliche Freiheiten bei der Batteriegestaltung, einer vorherigen Modellvalidierung auf Zell- bzw. Zell-Modul- oder Batteriepackebene vorausgesetzt.
- Hybrid-Antriebseinheit mit verschiedenen Batteriekonfigurationen
Vernetzung: Powerpack + Elektromotor + Batteriepack/Batterie-Simulator (+Brennstoffzellensystem)
Je nach Topologie eines Hybridantriebs (bspw. Parallel oder Seriell) ergeben sich verschiedene Anforderungen an das Batterie-/Speichersystem. Durch die Kombination des Powerpack-Prüfstandes mit einem Elektromotor und Batteriepack-Prüfstand/Batterie-Simulator können verschiedene Topologien von Hybridantrieben abgebildet werden, wobei die Wahl der Einzelkomponenten flexibel bleibt. Zum Zwecke der Methodenentwicklung müssen sämtliche Komponenten virtualisiert werden und mit den realen Komponenten substituierbar sein. Sollen reale Batteriepacks unterschiedlicher Konfiguration (z.B. Zellen oder Zell-Module, deren Verschaltung und Kapazität) untersucht werden, können diese im Batteriepack-Prüfstand zusätzlich unter thermischer Belastung mit den realen Antriebskomponenten kombiniert werden. Alternativ bietet der Batterie-Simulator sämtliche Freiheiten bei der Batteriegestaltung, einer vorherigen Modellvalidierung auf Zell- bzw. Zell-Modul- oder Batteriepackebene vorausgesetzt. Optional wäre auch eine Erweiterung um Brennstoffzellen-Hybridantriebe denkbar.
- Betriebsstrategie eines Brennstoffzellen-Hybrid-Fahrzeuges
Vernetzung: Road-to-Rig/Antriebsstrang + Elektromotor + Brennstoffzelle + Batteriepack/Batterie-Simulator
Soll das Antriebssystem eines Brennstoffzellen-Hybrid-Fahrzeugs hinsichtlich des Betriebs seiner Komponenten und des Gesamtsystems (Hybridstrategie) untersucht werden, ist eine modulare Einbindung des Brennstoffzellen-Prüfstandes, der Batterie-Prüfstande (Batteriepack-Prüfstand und/oder Batterie-Simulator) sowie des Elektromotoren-Prüfstandes denkbar. Es können sowohl die, falls vorhanden, realen Komponenten oder deren digitaler Zwilling (Modell im Echtzeitrechner des HiL-Testsystems) eingebunden werden. Das HiL-Testsystem bildet die entweder auf seriennahem Steuergerät vorgegebenen oder auf Rapid-Control-Prototyping Hardware eigens entwickelten Hybridstrategien im Kontext einer Gesamtfahrzeugsimulation ab. Bei Bedarf kann dies vollständig virtuell erfolgen oder mit realen Komponenten angereichert werden.
- Analyse der Akustik eines E-Antriebs (NVH)
Vernetzung: Road-to-Rig/Antriebsstrang + Elektromotor
Wenn während des Betriebs eines Elektroantriebsstrangs (im Fahrzeug) unvorhergesehene bzw. störende Vibrationen entstehen bzw. wahrgenommen werden, ist eine Reproduktion der betreffenden Lastfälle im Antriebsstrang- bzw. Road-to-Rig-Prüfstand möglich. Für die hieraus identifizierten Belastungen der elektrischen Maschine könnte eine überarbeitete Applikation der Motorsteuerung Abhilfe schaffen. Dazu werden die ermittelten Messwerte aus dem Antriebsstrang- bzw. Road-to-Rig-Prüfstand zur Parametrierung eines Modells der elektrischen Maschine eingesetzt. Dieses Modell und die spezifizierten Lastfälle werden an den Elektromotoren-Prüfstand übergeben, in dem eine identische Antriebseinheit eingespannt ist. Bestätigen sich die Erkenntnisse aus dem Antriebsstrang- bzw. Road-to-Rig-Prüfstand, kann eine Neu-Kalibrierung der Motorsteuerung erfolgen. Die neuen Parameter können dann direkt im Antriebsstrang- bzw. Road-to-Rig-Prüfstand validiert werden.
- Leistungselektronik im Systemverbund
Vernetzung: Elektromotor + Leistungselektronik + Batterie-Simulator (+Brennstoffzellensystem)
Die Prüfung leistungselektronischer Geräte und Systeme kann über den Komponententest hinaus im Systemverbund notwendig werden. Dazu zählen bspw. DC/DC-Wandler für die bidirektionale Kopplung von Hochvolt- und Niedervoltbordnetz oder die unidirektionale Kopplung von Brennstoffzellensystem und Hochvolt-Bordnetz sowie AC/DC-Wandler in Form von Motorsteuerungen. Durch die Vernetzung der Prüfstände auf hinsichtlich Datenaustausch sowie Energiefluss ist der Betrieb der zu testenden Leistungselektronik mit realen Quellen und Senken an Primär- und/oder Sekundärseite möglich.
2.2. HiL-Testsystem
Grundlegend soll das hier vorgesehene HiL-Testsystem eine modellbasierte Auslegung, Testung sowie Validierung von selbst entwickelten oder bereitgestellten Steuerungs- und Regelungsalgorithmen auf sowohl prototypischer Hardware (Rapid Control Prototyping) als auch seriennaher Zielhardware (Steuergeräte) ermöglichen.
Darauf aufbauen ist eine Erweiterung der Methoden für die modellgestützte Produktentwicklung vorgesehen, in der mittels automatisierter Synthese die aus den Steuerungs- und Regelungsalgorithmen resultierende Software direkt von der Konzeptphase in den Komponententest überführt werden kann.
Eine weitere wichtige Funktionalität des HiL-Testsystems im CMD ist die echtzeitfähige Bereitstellung von Simulationsdaten (online/offline) zum Zwecke einer virtuellen Kopplung mehrerer Prüfstände zu einem Virtuellen Prüffeld. Entsprechend müssen die erforderlichen Hard- und Softwarevoraussetzungen (vordefinierte oder selbst entwickelte Modelle auf derselben Hardware) geschaffen werden, um sowohl Komponenten als auch Gesamtsysteme und deren Umgebungsbedingungen im Automobilbereich in Echtzeit abbilden zu können (Gesamtfahrzeugsimulation).
Beispiel:
Für das Testen modellbasiert entwickelter Verfahren, z.B. zur Fahrzustandsschätzung und Fahrdynamikregelung, sind die Nachbildung der restlichen Fahrzeuginfrastruktur (Restbus-Simulation) und das Generieren physikalischer (Mess-)Größen erforderlich. Um diese Testverfahren ebenfalls auf der Zielhardware (frei programmierbares oder seriennahes Steuergerät) durchführen zu können, sind HiL Systeme mit entsprechenden Simulationsmodellen unabdingbar. Somit können aufwändige Tests im Fahrzeug sowie Fahrmanöver reduziert bzw. bereits im Vorfeld virtuell durchgeführt werden. Hierdurch werden im ersten Schritt Kosten und Zeitaufwand gesenkt und gleichzeitig eine Reproduzierbarkeit der Versuche erreicht. In weiteren Schritten können modellbasierte Entwicklungsmethoden bis zur prototypischen Implementierung und automatisierter Validierung weiterentwickelt werden. Durch ein Virtuelles Prüffeld können die durch Modelle abgebildeten Komponenten auch durch reale Komponenten in den jeweiligen spezifischen Prüfständen (z.B. Elektromotorenprüfstand) ausgetauscht werden. Somit ist eine direkte Auswirkung der oben genannten Fahrdynamikregelung auf die Belastung der realen Maschine darstellbar, siehe auch Abschnitt 2.2.
Kontakt
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Maschinenbau (FMB)
Institut für Mobile Systeme (IMS)
Dr.-Ing. Martin Schünemann
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
Tel.: 0391-67-52952
Fax: 0391-67-42656
