Efficient Hybrid Propulsion using Vehicular Communication

Conference and Journal Papers

Student's Theses

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

    Master's Thesis at RWTH Aachen. Supervised by Konstantin Etzold, refereed by Jakob Andert and 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

    Bachelor Thesis at RWTH Aachen. Supervised by Konstantin Etzold, refereed by Jakob Andert and 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

    Master's Thesis at dSPACE GmbH and Paderborn University. Supervised by Jannis Sauer and Dominik S. Buse, refereed by Falko Dressler and Heike Wehrheim.

    The importance of electronics in vehicles is ever increasing, especially of so-called Electronic Control Units (ECUs). To reduce production time and cost of vehicles, it is therefore essential to improve the development process of ECUs . Nowadays, the key technology for validating ECUs are Hardware-in-the-Loop (HIL) tests. Also, before a physical ECU exists, its code can be validated virtually with Software-in- the-Loop (SIL) tests. To bridge the gap between a virtual SIL validation and physical HIL validation, I propose co-simulating the two. This way, various stages in the development process of ECUs can be combined dynamically.

    On another note, due to technological advancements in recent years, networked vehicles that use Vehicle-to-X (V2X) communication are getting ready for mass production. Therefore, the demand for tools that support the development of ECUs which make use of this newly available technology is high. In fact, Vehicular Ad-Hoc Network (VANET) simulators have been able to simulate such networked vehicles for years. Thus, in order to validate ECUs for networked vehicles, the Hy-Nets project focuses on combining large-scale VANET and HIL among other things. Within this context, I implement and analyze the HIL side of a VANET-HIL co-simulation.

    In this thesis, I implement and analyze a VANET-HIL-SIL co-simulation archi- tecture that combines the advantages of all three simulators. With an extensive evaluation, I show that the quality of the co-simulation is high and that only negligi- ble irritations exist. Through this co-simulation, the emerging demands to improve the development process of ECUs and to enable a combination of VANET and HIL are met.

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

    Master's Thesis at RWTH Aachen. Supervised by Markus Eisenbarth, refereed by Uwe Sauer and 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

    Master's Thesis at RWTH Aachen. Supervised by Konstantin Etzold, refereed by Jakob Andert and 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

    Master's Thesis at RWTH Aachen. Supervised by Thorsten Plum, refereed by Jakob Andert and 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.