Effiziente Hybridantriebe durch Fahrzeugkommunikation

Konferenz- und Journalpublikationen

Studentische Abschlussarbeiten

  • Maximilian Schmitz, Closed-Loop-Testing: Prüfstandtests einer permanenterregten Synchronmaschine mit Kopplung einer echtzeitfähigen Fahrzeugsimulation

    Masterarbeit an der RWTH Aachen. Betreut von Konstantin Etzold, eingereicht bei Jakob Andert und Marco Günther.

    Im Zuge der Elektrifizierung nimmt die Komplexität von automobilen Antriebssträngen zu. Um dennoch Entwicklungskosten und Entwicklungszeit zu reduzieren, werden Prüfstände anstelle von Prototypenfahrzeugen verwendet (Road-to-Rig-Ansatz). Dabei werden einzelne Komponenten des Antriebsstrangs auf dem Prüfstand getestet und mit einem echtzeitfähigen Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Simulator verbunden. Durch dieses sogenannte Closed-Loop-Testing können Wechselwirkungen zwischen der zu testenden Komponente am Prüfstand und dem simulierten Gesamtfahrzeug untersucht werden.

    In dieser Arbeit wird eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM) im Closed-Loop-Testing untersucht. Als Simulationsumgebung wird ein Automotive Simulation Model-(ASM)-Fahrzeugmodell mit hybridem Antriebsstrang verwendet. Dieses Modell wird zunächst in einen HiL-Simulator integriert. Der HiL-Simulator wird dann mit dem Prüfstand der PMSM zu einem Closed-Loop-Testaufbau zusammengeführt. Danach wird die PMSM in unterschiedlichen Fahrzyklen getestet. Parallel dazu werden Model-in-the-Loop-(MiL)-Ergebnisse generiert.

    Um parallel zu den Temperaturmessungen am Prüfstand auch die Bauteiltemperaturen der elektrischen Maschine berechnen zu können, wird ein thermisches Modell erstellt und in das Fahrzeugmodell integriert. Die Testergebnisse vom Prüfstand werden abschließend mit den MiL-Simulationsergebnissen verglichen und mit Realmessungen eines Fahrzeugs validiert.

  • Marcel Beule, Inbetriebnahme einer permanenterregten Synchronmaschine zur Leistungsvermessung am Prüfstand

    Bachelorarbeit an der RWTH Aachen. Betreut von Konstantin Etzold, eingereicht bei Jakob Andert und Marco Günther.

    Aufgrund der immer strenger werdenden Gesetzgebung bzgl. der Schadstoff- und CO2-Emissionsgrenzen nimmt die Elektrifizierung von automobilen Antriebssträngen stetig zu. Wegen ihrer großen Leistungsdichte werden daher vorrangig permanenterregte Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten (IPMSM) verwendet.

    In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl die Prüfstandseinrichtung mit entsprechenden Kommunikationsschnittstellen als auch der anschließende Inbetriebnahmeprozess zur Leistungsvermessung der permanenterregten Synchronmaschine thematisiert.

    Nach erfolgreich durchgeführtem Inbetriebnahmeprozess konnte die Leistungsvermessung der permanenterregten Synchronmaschine durchgeführt werden. Anschließend erfolgte eine Analyse der Kupfer-, Eisen- und Reibungsverluste der permanenterregten Synchronmaschine. Die Ergebnisse wurden in Verlust- und Effizienzkennfelder abschließend zusammengefasst dargestellt.

  • Nils Kothe, Analyzing the Effectiveness of Coupling Hardware-in-the-Loop with Large Scale VANET Simulation and Software-in-the-Loop

    Masterarbeit bei dSPACE GmbH und an der Universität Paderborn. Betreut von Jannis Sauer und Dominik S. Buse, eingereicht bei Falko Dressler und Heike Wehrheim.

    Die Bedeutung von Elektronik in Fahrzeugen nimmt stetig zu, insbesondere von so- genannten ECUs. Um die Produktionszeit und -kosten von Fahrzeugen zu verringern, ist es daher wesentlich, den Entwicklungsprozess von ECUs zu verbessern. Heut- zutage ist die Schlüsseltechnologie zur Validierung von ECUs HIL-Tests. Außerdem wird der Code einer ECU virtuell mit SIL-Tests validiert bevor es einen physischen Prototyp gibt. Um die Lücke zwischen einer virtuellen SIL Validierung und einer phy- sischen HIL Validierung zu überbrücken, schlage ich vor, die beiden zu cosimulieren. Auf diese Weise können verschiedene Phasen des Entwicklungsprozesses von ECUs dynamisch kombiniert werden.

    Zusätzlich dazu sind durch die technologischen Fortschritte in den letzten Jahren vernetzte Fahrzeuge, die V2X-Kommunikation verwenden, kurz vor der Massenpro- duktion. Daher ist die Nachfrage nach Werkzeugen hoch, die die Entwicklung von ECUs unterstützen, die diese neu verfügbare Technologie nutzen. Tatsächlich können VANET-Simulatoren solche vernetzten Fahrzeuge bereits seit Jahren simulieren. Um also ECUs für vernetzte Fahrzeuge zu validieren, erforscht das Hy-Nets Projekt unter anderem die Kombination von VANET und HIL. In diesem Kontext implementiere und analysiere ich die HIL-Seite einer VANET-HIL Cosimulation.

    In dieser Abschlussarbeit implementiere und analysiere ich eine VANET-HIL-SIL Cosimulationsarchitektur, die die Vorteile aller drei Simulatoren vereint. Mit einer umfangreichen Auswertung zeige ich, dass die Qualität der Co-Simulation hoch ist und nur zu vernachlässigende Irritationen existieren. Durch diese Cosimulation wer- den die entstehenden Anforderungen zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses von ECUs erfüllt und eine Kombination von VANET und HIL ermöglicht.

  • Simon Sandbaumhüter, Prädiktion des Umgebungsverkehrs mittels Car2X-Kommunikation zur energieoptimalen Fahrzeugführung

    Masterarbeit an der RWTH Aachen. Betreut von Markus Eisenbarth, eingereicht bei Uwe Sauer und Jakob Andert.

    Um den zukünftigen Emissionsgrenzwerten für Kraftfahrzeuge zu entsprechen und konkurrenzfähig zu bleiben, sind weitere Fortschritte im Bereich der Effizienzsteigerung unerlässlich. Während dieser Fortschritt in der Motoren- und Antriebsstrangentwicklung nur durch stark steigende Entwicklungskosten zu erreichen ist, ist die Effizienzsteigerung durch energieeffiziente Geschwindigkeitswahl vergleichsweise wenig erforscht und bietet noch ungenutztes Potential.

    Die vorliegende Arbeit behandelt die Berücksichtigung des Umgebungsverkehrs, um sich energieeffizient durch städtische Verkehrsszenarien mithilfe von intelligenter und vorausschauender Geschwindigkeitswahl bewegen zu können. Wenn die Zeitpunkte, zu denen andere Fahrzeuge eine Kreuzung blockieren, bekannt sind, kann der eigene Geschwindigkeitsverlauf dahingehend optimiert werden, dass diese Zeitintervalle durch rechtzeitiges leichtes Verzögern oder Beschleunigen vermieden werden und damit ein Anhalten verhindert werden kann.

    Dazu wird in dieser Arbeit die Prädiktion der Fahrzeuge des Umgebungsverkehrs mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes untersucht. Via Car2X-Kommunikation übermittelte Zustandsgrößen der anderen Verkehrsteilnehmer werden dabei für das Prädiktionsverfahren herangezogen. Dies hat den Vorteil, dass die tatsächlichen Wirkzusammenhänge, die die Bewegungen der Verkehrsteilnehmer beeinflussen, nicht explizit identifiziert und formuliert werden müssen. Es zeigt sich, dass bei hinreichend großer Netztopologie und korrekter Erfassung aller relevanten Fahrzeuge eine hohe Prädiktionsgüte mit einem mittleren Fehler von weniger als einer halben Sekunde im Rahmen der eingesetzten Verkehrsflusssimulation erreichbar ist. Die unzureichende Erfassung von Fahrzeugen stellt jedoch die größte Fehlerquelle dar und verursacht in Extremfällen Prädiktionsabweichungen im zweistelligen Sekundenbereich.

  • René Scheer, Identifizierung von Stromregelwerten unter Nutzung einer automatisierten Parameteridentifikation zur effizienten Drehmomenteinprägung in permanenterregten Synchronmaschinen

    Masterarbeit an der RWTH Aachen. Betreut von Konstantin Etzold, eingereicht bei Jakob Andert und Marco Günther.

    In heutigen Hybrid- und Elektrofahrzeugen finden meist permanenterregte Synchronmaschinen Anwendung, welche eingebettete Magneten im Rotor aufweisen (IPMSM). Aus dieser Einbettung resultiert eine magnetische Asymmetrie des Rotors, wodurch das Drehmoment neben dem synchronen Anteil einen Reluktanzanteil enthält. Zur effizienten Drehmomenteinprägung ist somit, im Gegensatz zu symmetrischen Rotoren, eine Kombination aus dem drehmomentbildenden und dem feldbildenden Statorstrom zu finden. Daher ist eine Charakterisierung der IPMSM zur wirkungsgradoptimierten Wahl der beiden Statorströme notwendig. Weiterhin resultiert aus der gleichzeitigen Einprägung der beiden Statorströme eine gegenseitige Beeinflussung durch den gemeinsamen Flusspfad im Statorjoch. Dies führt zu nichtlinearem magnetischen Verhalten.

    In der vorliegenden Arbeit wurde ein Algorithmus für die Ermittlung von Stromregelwerten unter Nutzung einer automatisierten Parameteridentifikation entwickelt. Dazu wurde die von DENSO für das Forschungsprojekt Hy-Nets entwickelte permanenterregte Synchronmaschine charakterisiert, welche ausgeprägte Feldschwächungs- und Reluktanzanteile aufweist. Zur Regelung sowie zur effizienten Drehmomenteinprägung einer solchen PMSM benötigen sämtliche Regelverfahren ein parametrisiertes Maschinenmodell, um aus den Regelgrößen das gewünschte Drehmoment einzustellen. Speziell IPMSM zeigen aufgrund ihrer magnetischen Anisotropie sowie der stromabhängigen Sättigungs- und Kreuzkopplungseffekte die Notwendigkeit von betriebspunktabhängigen Parametern. Da weiterhin im Regelkreis keine direkte Drehmomentmessung existiert, ist die Genauigkeit des Maschinenmodells sowie ihrer Parameter von hoher Bedeutung.

    Insgesamt konnte ein Werkzeug zur zeitoptimierten Applizierung von E-Drive Systemen entwickelt werden. Dabei ist die Ermittlungszeit zur Charakterisierung am Prüfstand von mehreren Monaten auf wenige Tage reduzierbar. Weiterhin konnte eine vollständige Identifikation der realen Motorparameter automatisiert durchgeführt werden, um das nichtlineare Verhalten der E-Maschine zu charakterisieren.

  • Marius Wegner, Entwicklung eines modellprädiktiven Geschwindigkeitsreglers zur Untersuchung von Energieeinsparpotentialen moderner Antriebsstränge durch Automatisierung

    Masterarbeit an der RWTH Aachen. Betreut von Thorsten Plum, eingereicht bei Jakob Andert und Marco Günther.

    Im Rahmen der Masterarbeit wurde ein modellprädiktiver Geschwindigkeitsregler entwickelt, der auf Basis von Daten, die aus der Vernetzung des Fahrzeugs mit Infrastruktur und anderen Verkehrsteilnehmern gewonnen werden, eine optimale Trajektorie eines betrachteten Ego-Fahrzeuges einregelt.

    Hierfür wurde zuerst eine Methode entwickelt, die den möglichen Lösungsraum auf Basis der gewonnenen Daten zu Ampelschaltungen und vorausfahrendem Verkehr für den modellprädiktiven Regler definiert. Anschließend erfolgte die Entwicklung des Reglers in MATLAB Simulink und dessen Integration in die dSPACE ASM Umgebung.

    Im Anschluss wurde die Auswirkung dieser Regelung auf einen konventionellen, einen batterieelektrischen und einen hybridisierten Antriebsstrang untersucht. Im betrachteten Szenario, einer 4,2 km langen Stadtfahrt durch Aachen, konnten Einsparpotentiale von über 20% zur menschlichen Referenzfahrt für alle drei Technologien bestimmt werden. 

    Abschließend wurden neben der Zusammenwirkung der Geschwindigkeitsregelung mit der Hybridbetriebsstrategie auch die Dimensionierung der Antriebskomponenten sowie die Wechselwirkung mit anderen Verkehrsteilnehmern als zukünftige Entwicklungsschwerpunkte für den Regler identifiziert.