IODP Success Stories

IODP Success Stories

Die beste Art, um Dinge zu erklären ist es,  eine Geschichte zu erzählen. Lesen Sie einige unserer Erfolgsgeschichten. Erfahren Sie, welche Vorteile Sie erwarten können, wenn Sie Ihre Entwicklungslandschaft vernetzen.

Fahrbarkeit virtueller Fahrzeuge

Können dynamische Fahrzeugmodelle verwendet werden, um Fahrbarkeit auf einem Motorprüfstand zu messen?

Die Antwort ist ja! Ingenieure eines japanischen OEMs untersuchten Fahrbarkeit mit Hilfe der AVL Co-Simulationsumgebung bestehend aus einem virtuellen Fahrzeugmodell und einem hochdynamischen Motorprüfstand.

Dieser OEM, einer der Vorreiter im Bereich virtuelle Fahrzeugentwicklung, kontaktierte AVL mit der Idee eine Testmethodik zu entwickeln, die Fahrbarkeitsuntersuchungen weit früher im Entwicklungsprozess als bisher ermöglicht.

In einem gemeinsamen Projekt konnte bewiesen werden, dass es möglich ist, Fahrbarkeitstests, die normalerweise auf der Straße mit echten Fahrzeugen ausgeführt werden, auf einem Motorprüfstand mit einem virtuellen Fahrzeug durchzuführen.

Warum sollte man Fahrbarkeitsabstimmungen überhaupt früher durchführen?
Die Verlagerung von Fahrbarkeitsuntersuchungen auf den Motorprüfstand hat mehrere wesentliche Vorteile. Die weit früher generierten Ergebnisse ermöglichen es kritische Entscheidungen früher zu treffen. Der Bedarf an Prototypenfahrzeugen wird reduziert. Beide Aspekte führen schlussendlich zu einer Verkürzung des gesamten Entwicklungsprozesses und somit zu einer Senkung der Kosten.

Was war der erste Schritt?
Ingenieure von AVL und des japanischen OEMs hatten bereits Modelle zur Beschreibung transienten Fahrzeugverhaltens entwickelt, welche als Basis für die Fahrbarkeitsuntersuchungen am Motorprüftand verwendet wurden.

In einer „Office“, also einer rein virtuellen Umgebung, wird die Drehmomentansteuerung durch ein Motormodell bereitgestellt. Dieses muss wiederum durch die Aktionen eines Fahrers angeregt werden, der ein gewisses Geschwindigkeitsprofil wie einen Emissionszyklus oder einen bestimmten Satz von fahrbarkeitsrelevanten Manövern abfährt. Der erste Schritt zur Validierung der bestehenden Fahrzeug- und Antriebsstrangmodelle für die Fahrbarkeitsüberprüfung besteht darin, einen realen Motor zu verwenden. Der virtuelle Fahrer steuert dann ein virtuelles Fahrzeug, gekoppelt an einen realen Motor, anhand einer Reihe virtueller Fahrmanöver.

Was ist sind die Grundbedingungen, für diesen Ansatz?
Der erste Schritt war es herauszufinden, ob die bereits entwickelten transienten Modelle in einer Prüfstandsumgebung co-simuliert werden können. Dies erforderte AVL’s Co-Simulationstechnologie Model.CONNECT™, die den Zugriff auf Echtzeitdaten- und Steuerungsparameter ermöglicht. Diese Co-Simulationsplattform erlaubt es, Modelle aus unterschiedlichen Domänen und Tools miteinander zu verbinden und in einer Echtzeitumgebung zu betreiben.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen, die durch die Steuerung der Motordrehzahl mit dem Dynamometer und dem Drehmoment über das Gaspedal laufen, verwendet die AVL-Lösung ein Fahrzeugmodell, um das Drehmoment, das auf dem Schwungrad des Motors oder der Getriebeausgangswelle vorhanden ist, genau vorherzusagen (abhängig von der erforderlichen Konfiguration) und verwendet dabei ein Dynamometer im Drehmomentregelungsmodus.

Dies erfordert eine hochempfindliche Drehmomentregelung und Dynamometer mit niedriger Trägheit, exakte Echtzeitdrehmomentberechnung und eine steife Antriebswellenverbindung zwischen Motor und Dynamometer. Ohne diese drei Dinge ist es nicht möglich die erforderliche Dynamik für Fahrbarkeitsuntersuchungen zu gewährleisten und damit nicht in der Lage, die Ereignisse nachzustellen, die für dir Emulation von fahrbarkeitsrelevanten Situationen erforderlich sind.

Und die Ergebnisse?
Model.CONNECT™ wurde als Plattform für Modelle verwendet, die das Verhalten des Gesamtfahrzeuges einschließlich der Getriebesteuereinheit (TCU) und des Antriebsstrangs definiert. Diese Modelle wurden mit einem Motorprüfstand gekoppelt. Das System wurde dann durch eine Reihe von Fahrmanövern angeregt.

Der japanische OEM konnte das Verhalten seiner Fahrzeuge und die entsprechenden Getriebesteuerfunktionen erfolgreich in eine Motorprüfstandumgebung integrieren.

Virtuelle Kühlsysteme

Können Thermomanagementsysteme für Hybridfahrzeuge ohne Fahrzeug entwickelt werden?

AVL hat eine virtuelle Kühlsystem-Auslegung für ein Hybridfahrzeug entwickelt und am Motorprüfstand getestet.

Kühlsysteme für Hybridfahrzeuge auszulegen und anschließend zu testen erfordert das jeweilige Prototypfahrzeug als Testplattform. Dies kann lange Wartezeiten hervorrufen, besonders wenn das Kühlsystem für eine ganze Reihe von Fahrzeugvarianten optimiert werden muss.

Heutzutage müsste die Simulation von Fahrzeugen doch kein Problem mehr sein?
Es gibt noch weitere Faktoren, die eine Verlagerung der Thermomanagemententwicklung in frühere Phasen verlangen: zum Beispiel die praktischen Schwierigkeiten Tests mit maximaler Geschwindigkeit durchzuführen, die Verfügbarkeit von Fahrern, die Zeit, die für die Installation von Geräten in einem Fahrzeug erforderlich ist und natürlich die Frage der variablen Umgebungsbedingungen. Aber: diese Faktoren können simuliert werden.

Warum also ist es schwierig die Thermomanagemententwicklung auf den Prüfstand zu verlagern?
Die Anzahl und Bandbreite der Tools, die zur Simulation der einzelnen Aspekte eines Hybridfahrzeugs und dessen Kühlsystem verwendet werden, ist groß. Die Tatsache, dass die für die Office-Simulation entwickelten Modelle üblicherweise nicht für Echtzeitanwendungen optimiert sind bedeutet eine zusätzliche Erschwernis:

Die Herausforderung ist, dass nicht nur die komplexen und heterogenen Simulationsmodelle miteinander verknüpft werden, sondern auch Schnittstellen zur Anbindung dieser Umgebung an die Messtechnik und thermische Konditionierung des Prüfstands geschaffen werden müssen. Nur so können realistische Bedingungen für Echtzeittests am Motorprüfstand erzeugt werden.

Und doch wurde es bereits gemacht.

AVL und Partnern ist es gelungen die Rahmenbedingungen für die Fahrzeugtests mit den einzelnen Fahrzeugkomponentenmodellen in einer Co-Simulationsumgebung zu verbinden. So konnte ein Hybridfahrzeug mitsamt Thermomanagement simuliert werden. Diese Gesamtumgebung wurde wiederum mit dem realen Motor am Motorprüfstand gekoppelt, was die Basis für die durchgeführten Tests darstellte.

Eine hochdynamische Kühlmittelkonditionierung am Motorprüfstand wurde verwendet, um die simulierte Kühlmittel-Vorlauftemperatur einzuregeln.

Das Frontloading von Entwicklungsaufgaben auf den Motorprüfstand – ermöglicht durch den Einsatz der Co-Simulation mit Model.CONNECT™ - ermöglicht Entwicklern das Thermomanagement-System und De-Rating Strategien für Hybrid-Fahrzeuge bereits am Motorprüfstand zu testen. Und das ohne das Fahrzeug selbst.

De-rating Strategien in virtueller Welt

Ist die Rennstrecke die beste Testumgebung, um die optimale De-Rating-Strategie für hybridisierte Hochleistungs-Fahrzeuge zu ermitteln?

Diese Frage untersuchte AVL in einem Projekt mit Hochleistungs-Hybridfahrzeugen. Die E-Motoren in solchen Fahrzeugen sorgen für die sofortige zusätzliche Momentenunterstützung in der Beschleunigung.

Aber was passiert, wenn der Elektromotor seine thermische Grenze erreicht hat und vorübergehend gedrosselt werden muss, und der Fahrer sich aber auf das erhöhte (und bisher verfügbare) Drehmoment verlässt?

Was bedeutet de-rating und warum ist es wichtig?
Verbrennungsmotoren werden bewusst so entwickelt, dass sie hunderten von Betriebsstunden bei maximaler Leistung standhalten können. Im Gegensatz dazu können Elektromotoren für kurze Zeiträume auch bei Überlastbedingungen betrieben werden und damit noch mehr Beschleunigung aus dem Antriebsstrang herausholen. Aber die Physik setzt immer eine Grenze, auch für Elektromotoren.

Beispielsweise sind die Wickelkopftemperatur der Elektromaschine, oder die Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik Größen deren Maximaltemperatur keinesfalls überschritten werden darf.

Sobald diese Temperatur überschritten ist, muss der Motor gedrosselt werden, damit die Temperatur der Spule abfallen kann und Schäden vermieden werden.

Betrifft dieses De-Rating des Elektromotors auch den Fahrer?
Falls das De-Rating vom Fahrer nicht vorhergesehen wurde muss die Antwort ja lauten. Daher darf eine solche Situation nicht entstehen. Das bedeutet, dass Ingenieure den kompletten Antriebsstrang unter realen Bedingungen testen müssen, um die optimale Kühlstrategie zu ermitteln und so in der Lage zu sein, ein vorhersagbares Drehmoment für den Fahrer zu garantieren.

Wie also das Unvorhersehbare vorhersehbar machen?
Der einzige Weg um dies zu erreichen ist es, das Fahrzeug in all seinen Facetten und in allen denkbaren Situationen zu testen. Eine Möglichkeit ist es diese Tests auf einer echten Teststrecke, mit einem echten Fahrer durchzuführen, wobei es hier komplexer Instrumentierung und Telemetrie, ebenso wie passender Wetterbedingungen bedarf. Eine Alternative wäre es, diese anspruchsvollen Bedingungen im Labor zu emulieren, wobei Teile des Fahrzeugs physisch vorhanden sind und die Teststrecke und der Fahrer simuliert werden.

De-Rating Strategien in der virtuellen Welt entwickeln…

Dank Model.CONNECT ™ ist es nun möglich, leistungsstärkste Antriebsstränge in virtuellen Fahrzeugen unter simulierten Fahrbedingungen zu betreiben und gleichzeitig die De-Rating- und Kühlungsstrategien zu überwachen und zu optimieren.

Es ist also heute möglich leistungsstarke Hybridfahrzeuge mit reaktionsschneller und vorhersehbarer Leistung darzustellen.

Flash-sets managen

Wer kann mit Sicherheit sagen, welche Datensätze in dieses Hybridfahrzeug geflasht sind?

AVL kann diese Frage mit dem Flashset Manager in Sekunden beantworten.

Tatsächlich gibt es mindestens zwei Fragen, die normalerweise gestellt werden. Die erste ist die oben genannte, und die andere ist "Haben diese Datensätze auch Produktreife?".

Wenn die Motor-Kalibrateure ihre Datensätze übergeben, wird der Begriff "Engineering-Ziele unter normalen Bedingungen erreicht" verwendet. Die Getriebe-Kalibrateure berichten dasselbe. Ebenso die Batterie-Steuereinheit Teams. Bedeutet das, dass alle Kalibrier-Datensätze als eigenständige Kalibrierungen oder gemeinsam als System in einem Hybridfahrzeug getestet wurden?

Sollten wir auf Produktebene denken?
OEMs haben diese Herausforderung bereits seit längerer Zeit, und lösten sie bisher mit komplexen Excel-Listen. Dann kam das Hybridfahrzeug und warf die Kalibrierteams in iterative Schleifen der interdisziplinären Kommunikation. Teams sollten in Bezug auf die Kalibrierdatensatz-Reife auf Produktebene ergo Fahrzeugebene denken.

Attribute wie Fahrbarkeit, Kraftstoffverbrauch, Emissionen und OBD sind praktisch nur auf Produktebene aussagekräftig und sinnvoll, besonders bei Hybridfahrzeugen. Alle Elemente in einer Kalibrierung müssen gegeneinander geprüft werden: In einem Hybridfahrzeug bedeutet dies, dass die Kalibrierungen für den Verbrennungsmotor, den E-Motor und die Batterie nicht unabhängig und getrennt voneinander ausgeführt werden können.

Wie können also die einzelnen Datensätze auf Produktebene verknüpft werden?
Dem Kunden werden die Hybridfahrzeug-Datensätze als System von miteinander verbundenen Kalibrierungen ausgeliefert. Die Reife der Kalibrierungen (Plural!) muss nachvollziehbar sein, allerdings geschieht dies nun nicht mehr in Excel-Listen, da diese anfällig für Tipp-, Überschreib- und Versionierungsfehler sind.

Also, wie weiß man sicher, welche Datensätze auf ein Fahrzeug geflasht werden?
Die von AVL-Kalibrateuren erstellte Flashset-Manager-Software adressiert diese Frage und ist eine Datenbanklösung mit Administrationsrechtsverwaltung. Es dauert jetzt nur mehr Sekunden und nicht mehr Tage, um die genaue Kombination von Hex- und A2L-Dateien zu ermitteln, die im Hybridfahrzeug geflasht wurden.