Prüfstand zur Systementwicklung von elektrfizierten Kraftfahrzeugantrieben
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Prüfstand wird intensiv im Rahmen der Entwicklung von elektrifizierten Kraftfahrzeugantrieben genutzt. Im Mittelpunkt der bisherigen Forschungsaktivitäten stehen Betrachtungen zur Funktionalen Sicherheit sowie zur Optimierung des Zusammenwirkens von Antriebs- und Bremssystem hinsichtlich Energieverbrauch, Fahrkomfort und Sicherheit. Eine eigenentwickelte übergeordnete Prüfstandssteuerung bietet eine hohe Flexibilität. Neben den Steuerungs- und Regelungsalgorithmen für den Prüfstand sind zusätzlich Fahrzeug- sowie Bremsfunktionen integriert. Beispielsweise werden Algorithmen einer aktiven Antiruckeldämpfung und eines Antiblockiersystems (ABS-Regelung) abgearbeitet. Die Prüfstandssteuerung wertet fahrzeugspezifische Sensoren aus, z.B. in den mechanischen Prüfstandsaufbau integrierte ABS-Raddrehzahlsensoren. Dies erlaubt realitätsnahe Betrachtungen und Optimierungen auf Systemebene. Das am Prüfstand nicht vorhandene Fahrzeug sowie der Reifen-Fahrbahn-Kontakt werden mit Hilfe von Hardware-In-The-Loop- Modellen nachgebildet. Eine CAN-Bus-Schnittstelle (Controller Area Network) zur Kommunikation mit Prüflingskomponenten ist ebenfalls implementiert. Im Ergebnis liegt eine offene Prüfstandssteuerung vor, mit hoher Transparenz und vielfältigen Eingriffsmöglichkeiten als Basis für bereits erzielte und zukünftige Forschungsergebnisse. Die mechanische Integration der Prüfstandskomponenten erfolgte ebenfalls als Eigenentwicklung. Rein elektrische Fahrzeugantriebe besitzen meist keine Anfahrelemente, welche die Antriebsräder von der oder den Elektromaschine(n) abkoppeln. Der dauerhafte mechanische Durchgriff kann im Fehlerfall zu einer starken, ungewollten Fahrzeugbewegung führen. Ein weiteres Sicherheitsproblem besteht im Anfahren des Fahrzeugs in eine ungewollte Fahrtrichtung, da ein Übergang zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt nur mit einer geänderten Drehrichtung der Elektromaschine beziehungsweise modifizierten Ansteuerung der Leistungselektronik verbunden ist. Im Fehlerfall nicht korrekt umgesetzte Drehmomente können zu sicherheitskritischen Fahrzuständen führen, insbesondere bei Einzelradantrieben. Ziel im Sinne der Funktionalen Sicherheit ist somit, nicht korrekt umgesetzte Drehmomente zeitnah zu erkennen und geeignete Fehlerreaktionen zu ergreifen. Am Lehrstuhl werden hierfür neuartige Steuerungsverfahren entwickelt und mit bestehenden Ansätzen verglichen. Validierungen am Prüfstand stellen dabei unerlässliche Bestandteile dar. Neben der Modellierung und Simulation trugen experimentelle Untersuchungen am Prüfstand maßgeblich zum deutschen Patent „Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten“ beziehungsweise dessen Weiterentwicklung bei. Forschungsthema hierbei ist die Drehmomentermittlung am Fahrzeugantrieb basierend auf bereits vorhandener Sensorik. Zukünftige Entwicklungen unter Nutzung des Prüfstandes zielen auf (elektro-) mechanische Sicherheitselemente im Antriebsstrang, die im Verbund mit der Ansteuerung der Elektromaschine(n) zusätzliche Redundanzen bei der Fehlerreaktion schaffen. Hierbei werden auch Range Extender mit mechanischem Durchgriff auf die Antriebsräder betrachtet. Bei modernen Personenkraftwagen sind das Antriebssystem und das Bremssystem eng miteinander gekoppelt. Zur experimentellen Untersuchung dieser Kopplung ist eine Fahrzeugbremse mit eigenentwickeltem Bremsaktuator in den Prüfstandsaufbau integriert. Der Bremsaktuator erreicht die Dynamik von serienmäßigen Fahrzeugbremssystemen, bei vollständig transparenten Schnittstellen. Der Prüfstand wird zur Optimierung und Validierung der Funktionsentwicklung im Bereich der Koordination und Fehlerdetektion von Antriebs- und Bremssystem genutzt. Forschungstätigkeiten am Lehrstuhl befassen sich mit einer Optimierung der Bremsenergierekuperation hinsichtlich Energierückgewinnung und Fahrkomfort sowie einer Detektion der korrekten Umsetzung des Fahrerbremswunsches durch die beteiligten Systeme. Die Entwicklung und Validierung eines entsprechenden Steuerungsalgorithmus am Prüfstand führte zu einer weiteren, derzeit noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung. Aufgrund der hohen Flexibilität des Prüfstandes und der zugehörigen Prüfstandssteuerung erfolgen Untersuchungen auch im Bereich der Einzelkomponenten und Subsysteme, wie beispielsweise der Fahrzeuggetriebe sowie der Nebenantriebe. Wesentliche Teile werden zudem in einem FuE- Verbundvorhaben „Aktivlenksysteme in aufgelöster Modulbaukastenstruktur für unterschiedliche Fahrzeugtopologien“ eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DE 102015111409 B3, Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten
Promehl, A.; Falkenstein, J.
- Elektrohydraulischer Bremsaktuator zur Nachbildung von Fahrzeug- Bremssystemen an einem Getriebe-/Antriebsstrang-Prüfstand, 12. Kolloquium Getriebetechnik, S. 217-233, Thelem Universitätsverlag, 2017
Koch, A.; Jakstas, G.; Falkenstein, J.; Beitelschmidt, M. (Hrsg)
- Elektrohydraulischer Bremsaktuator zur Nachbildung von Fahrzeug-Bremssystemen, antriebstechnik 11/2017, S. 136-145, Vereinigte Fachverlage, 2017
Koch, A.; Jakstas, G.; Falkenstein, J.
- Entwicklung eines Hardware-In-The-Loop-Prüfstandes zur Untersuchung der Drehschwingungen und Bremssystemkoordination bei Einzelradantrieben von Elektrofahrzeugen, Universität Rostock, Dissertation, 2017
Koch, A.
- Hardware-in-the-Loop test bench for electric single-wheel-drive vehicles, Automotive Testing Expo Europe 2018
Jakstas G.
