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PRÜFKONZEPTE FÜR ELEKTRIFIZIERTE ANTRIEBEElektrifizierte Antriebe und die damit einhergehende hohe Varianz der möglichen
Antriebsstrangkonzepte stellen neue Herausforderungen an die Erprobung. Zur
Abbildung dieser unterschiedlichen Funktionsansprüche kann immer weniger ein
statischer Prüfkatalog die nötigen Antworten liefern. APL aus Landau setzt deshalb
auf neue Prüfkonzepte, die sowohl bei Erprobungen auf Gesamtfahrzeugebene als
auch durch Einsatz von Modellen in der Komponentenerprobung (XiL) das Verhalten
des Gesamtsystems beschreiben.
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MESS- UND PRÜFTECHNIK ANTRIEBSSTRANG
Antriebsstrang
BEDEUTUNG DER AKTUELLEN ENTWICKLUNG FÜR DIE ERPROBUNG
Die notwendige Reduzierung der CO2-Emissionen führt aktuell zu einer enor-men Diversifikation im Bereich der elekt-rifizierten Antriebe. Ob existierende, klassische Antriebsstrangkonzepte durch zusätzliche Module elektrifiziert werden, oder die Elektrifizierung von Anfang an als fester Bestandteil eines Triebstrangs entwickelt wird, hängt von vielen Fak-toren ab. Als Folge ergeben sich neue Ansprüche an die mechanische wie auch regelungstechnische Flexibilität eines Prüfstands.
Durch die daraus wachsenden techni-schen Ansprüche an die Prüfung und gleichzeitiger Verkürzung der Produkt-zyklen müssen Entwicklungsprozesse immer weiter optimiert werden. Ein Teil der Entwicklung fällt in den Bereich der Erprobung beziehungsweise Prüfung, wobei zwischen zwei Erprobungs-schwerpunkten unterschieden werden kann: der entwicklungsbegleitenden Funktionsuntersuchung und der Validie-rung über die Lebensdauer.
Die große Vielfalt in der Realisierung eines elektrischen beziehungsweise elek-trifizierten Antriebsstrangs wurde schon häufig anschaulich dargestellt [1]. Diese unterschiedlichen Arten der Umsetzung erfordern ein hohes Maß an Flexibilität. Beispielhaft sollen die Drehzahlunter-schiede genannt werden. Auf der einen Seite stehen Drehzahlen auf Radniveau
mit den entsprechenden Drehmomen-ten, auf der anderen Seite Drehzahlen >15.000/min mit entsprechend geringe-ren Drehmomenten. Anhand dieses Bei-spiels ist ersichtlich, dass eine sehr große Zahl an unterschiedlichen Erprobungen und Anforderungen an den Prüfstand existieren. Dabei spielt es ebenfalls eine Rolle, ob man sich auf einer Sub-Kompo-nentenebene des zu testenden Antriebs-strangs befindet, oder der komplette Triebstrang auf dem Prüfstand aufgebaut werden soll.
An vielen Stellen kann zwar auf die bewährten Konzepte aus dem Verbren-nungsmotor- und Antriebsstrangbereich zurückgegriffen werden, aber die zuneh-mende Komplexität und Intelligenz der getesteten Antriebssysteme erfordern verstärkt den Einsatz von Echtzeitsimu-lationen in der Prüfstandsumgebung.
ERFORDERLICHE INFRASTRUKTUR
Simulationsbasierte Regelungsstrategien an Prüfständen setzen eine leistungsfä-hige Prüfstandshardware voraus. Neben der erforderlichen Rechenleistung für die Modellberechnung im kHz-Bereich müs-sen insbesondere alle relevanten Mess-größen und Stellglieder entsprechende Geschwindigkeiten und Genauigkeiten aufweisen. Ein weiteres Augenmerk ist auf die verwendeten Schnittstellen und deren Tot- und Übertragungszeiten zu legen.
Kern der APL-Plattform ist das HPCi-Echtzeitsystem, in dem die Abarbeitung
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AUTOREN
DIPL.-PHYS. KLAUS BURGARD ist Teamleiter Elektronik bei der
APL GmbH in Landau.
DIPL.-ING. CHRISTOPH KROHN ist Teamleiter Antriebsstrang bei der
APL GmbH in Landau.
DIPL.-ING. (FH) JÜRGEN GEISLER ist Teamleiter E-Traktion und Batterie
bei der APL GmbH in Landau.
➊ Gemessener Spannungs verlauf einer Lithium-Ionen- Batterie bei einer stufenweise Strom entnahme (pulse discharge)
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Antriebsstrang
Mai 2014 Automotive Engineering Partners
des Simulationsmodells, die Prüfstands-regelung, die Erfassung der simulations-relevanten Messgrößen sowie die Ausgabe der Stellgrößen erfolgt. Alle Schnittstellen weisen die erforderliche Leistungsfähig-keit mit hoher Übertragungsgeschwin-digkeit und minimaler Totzeit auf. Im Drehzahlmesssystem findet eine Vor-verarbeitung des Gebersignals statt, die in einer schnellen und exakten Erfas-sung der Drehzahlen ab null resultiert. Drehmomentsignal und Drehzahl wer-den mittels EtherCat kommuniziert. Als Stellglieder fungieren für die Batte-riesimulation ein Fahrzeugenergiesys-tem, das über CAN mit 1 kHz an die Automatisierung angebunden ist, sowie das Umrichtersystem für ein oder meh-rere Prüfstandsantriebe, das intern ebenfalls auf HPCi-Systemen basiert. Die Taskzeiten liegen je nach konkreter Prüfanforderung sowohl im übergeord-neten Echtzeitsystem als auch im Umrichter bei 200 bis 500 µs [2].
ECHTZEITMODELL FÜR LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
Bei Funktionserprobungen von hybriden oder elektrischen Antrieben auf dem Prüfstand wird in der Regel auf den Auf-bau der HV-Batterie verzichtet. An deren Stelle wird auf einen Gleichstromsteller zurückgegriffen, der im einfachsten Falle eine konstante Spannung liefert. In der Realität ist die gelieferte Batteriespan-nung aber keineswegs konstant, sondern vom Ladezustand und dem angeforder-ten Strom abhängig, ➊.
Die Nachbildung des Strom-Span-nungsverhaltens ist am Prüfstand jedoch
zwingend erforderlich, wenn bei Funk-tionserprobungen oder Abstimmungs-arbeiten das Energiemanagement der Antriebssteuerung eine Rolle spielt. Um den DC-Steller in einem sogenannten Batteriemodus betreiben zu können, muss das Strom-Spannungsverhalten der Batterie simulativ nachgebildet werden.
Eine Übersicht über echtzeitfähige Modelle zur Abbildung der Strom-Span-nungscharakteristik von Lithium-Ionen-Batterien findet sich beispielsweise in [3]. Das im Folgenden verwendete Klemm-spannungsmodell aus ➋ stellt dabei einen guten Kompromiss zwischen der Genauig-keit, mit der die Batterie simuliert werden kann und der Anzahl der Modellparame-ter, die durch Messungen an realen Batte-rien gewonnen werden müssen, dar.
REIFEN- UND FAHRZEUGMODELLE
Der Einsatz eines Batteriemodells am Prüfstand erlaubt es, in der Messung ein realitätsnahes und dynamisches Strom-Spannungsverhalten vorzugeben. Analog dazu erreicht man durch den Einsatz eines Reifen- und Fahrzeugmodells rea-listische mechanische Belastungen bei dynamischen Fahrmanövern. Ein Vorteil besteht darin, dass bereits in einer frü-hen Entwicklungsphase verschiedene Tests durchgeführt werden können, die bis vor einigen Jahren nur mit Fahrzeu-gen auf der Straße möglich waren. Dazu zählen beispielsweise bei der Antriebs-strangerprobung Fahrmanöver wie der Knallstart oder Reibwertsprünge zwi-schen Reifen und Fahrbahn.
Die Aufgabe des Fahrzeugmodells besteht darin, die momentane Fahrzeug-
geschwindigkeit und die Reifenaufstands-kräfte hinreichend genau wiederzugeben. Beschränkt man sich auf die Längsdyna-mik, ergibt sich die Geschwindigkeit aus der Integration der Bewegungsgleichung, wobei die angreifenden Kräfte wie Wind-last, Rollreibung oder Hangabtrieb ent-sprechend parametriert werden müssen.
Die Antriebsmomente am Rad werden mithilfe eines Reifenmodells aus der vom Reifen auf die Fahrbahn übertra-genen Kraft berechnet. Da diese Berech-nung in Echtzeit (4 kHz) durchgeführt werden muss, kommt in der Regel ein statisches Reifenmodell wie zum Bei-spiel die Magic Formula [4] zum Einsatz. Eine Parametrierung des Reifenmodells erfolgt auf der Basis von Messungen [5] oder durch aufwendige Modellrech-nungen [6].
Bei APL wurde das beschriebene Rei-fen- und Fahrzeugmodell komplett in Simulink umgesetzt und mithilfe des Simulinkmoduls Real-Time Workshop für die am Prüfstand verwendete Echtzeit-umgebung kompiliert. Dabei wurde teil-weise auf Komponenten des Simulink-moduls SimDriveline [7] zurückgegriffen.
Für den Modelleinsatz am Prüfstand ist eine genaue und schnelle Erfassung der für das Modell relevanten Mess-größen Drehzahl und Drehmoment, insbesondere bei kleinen Drehzahlen, unabdingbar.
Durch den Einsatz des Reifenmodells übernehmen die verwendeten E-Maschi-nen die dynamische Funktion des Sys-tems Reifen-Fahrbahn. Am Prüfstand lässt sich dies realitätsnah abbilden, wenn zum einen das Trägheitsmoment der E-Maschinen in etwa dem des Rei-
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➋ Klemmspannungsmodell als Grundlage des Echtzeitmodells einer Lithium-Ionen-Batterie
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fens entspricht und zum anderen die Regelungsgeschwindigkeit so hoch ist, dass die dynamischen Vorgänge abgebil-det werden können. Untersuchungen am Prüfstand bei APL haben gezeigt, dass dies Regelungszeiten kleiner 0,5 ms für die Drehzahlvorgabe voraussetzt, was auch den im zweiten Abschnitt beschrie-benen, hohen Aufwand bei der Prüf-standsausstattung erklärt.
Ein wesentlicher Vorteil des modellba-sierten Ansatzes besteht darin, dass die Regelungsstruktur und -parametrierung völlig unabhängig von der Konfiguration des zu testenden Antriebsstrangs sind. Im Hybrid- und Elektrobereich bedeutet dies, dass sich sowohl Parallelhybride mit integriertem E-Motor als auch Kon-zepte mit elektrischer Achse und mecha-nischer Kopplung über die Straße ohne Änderungen am Prüfstand realistisch abstimmen und erproben lassen.
ELEKTROANTRIEB AUF DEM PRÜFSTAND
Als Anwendungsbeispiel für den Einsatz der Batteriesimulation am Prüfstand dient der Antrieb eines Elektrofahrzeugs der Kompaktklasse. Der Testaufbau besteht dabei aus dem Elektromotor, an den über eine Kupplung eine E-Maschine als Abtrieb angekoppelt ist. Da am Prüf-stand kein Getriebe aufgebaut ist, ist bei der Regelung der E-Maschine die Über-setzung des gesamten Abtriebs bis zu den Antriebsrädern rechnerisch zu berücksichtigen. Die Auslegung sieht eine Getriebeübersetzung von circa 1:10 vor.
Wegen des nicht aufgebauten Getrie-bes und der dadurch am Prüfstand feh-lenden Gelenkwelle, wurde auf die Ver-wendung des Reifenmodells verzichtet. Die folgenden Ergebnisse beziehen sich
daher auf eine Simulationsumgebung bestehend aus dem Fahrzeugmodell und dem oben beschriebenen Batteriemodell. Das Fahrzeugmodell dient dazu, die Fahrwiderstandskennlinie korrekt wie-derzugeben, die bei niedrigen Geschwin-digkeiten durch die Rollreibung und bei hohen Geschwindigkeiten durch die Windkraft dominiert wird [8].
Untersucht wurde eine Volllastanfahrt mit anschließendem Abbremsvorgang. Dabei wurde zunächst nur das Fahrzeug-modell, nicht aber das Batteriemodell verwendet. Entsprechend wird die Leis-tungselektronik mit einer konstanten Batteriespannung von 320 V, ➌, gespeist. Im zweiten Test, ➍, wurde mithilfe des Batteriemodells ein realistischer Batterie-spannungsverlauf vorgegeben. Im Ver-gleich zur ersten Messung zeigen sich deutliche Unterschiede im Hinblick auf die erreichten Antriebsmomente und die
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➌ Strom und Spannung (links), Antriebsmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit (rechts) bei einer Anfahrt ohne Batteriesimulation
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➍ Strom und Spannung (links), Antriebsmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit (rechts) bei einer Anfahrt mit Batteriesimulation; das Steuergerät erhält keine Information über den Ladezustand
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daraus resultierende Fahrzeuggeschwin-digkeit. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die simulierte Batteriespannung unter 320 V fällt. Schließlich wurde in einer letzten Modifikation der simulierte Ladezustand der Batterie über CAN an das Motorsteuergerät übertragen. Da die im Modell verwendete Lithium-Ionen-Bat-terie relativ klein ausgelegt ist, begrenzt das Motorsteuergerät die Leistung, um die Batterie nicht über Gebühr zu belas-ten. Der Batteriestrom wird dabei durch das Steuergerät kontinuierlich zurückge-nommen. Dies führt, wie in ➎ deutlich zu erkennen ist, zu einem geringeren Antriebsmoment und in der Folge zu einer entsprechend geringeren Endge-schwindigkeit des Fahrzeugs.
Im Vergleich zeigen die drei Messun-gen, wie sich ein Elektroantrieb durch den Einsatz eines Batteriemodells reali-tätsnah testen lässt. Die Batteriesimula-tion erlaubt dabei zusätzlich eine Funkti-onserprobung des Motorsteuergeräts und kann somit HiL-Erprobungen sinnvoll ergänzen.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Anhand des hier vorgestellten Beispiels von Beschleunigungen eines elektrifi-zierten Antriebsstrangs, kann die Wech-selwirkung der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem aufgezeigt werden. Diese Betrachtungen erfordern eine Prüf-technik, die es ermöglicht, Komponenten bis hin zum Gesamtsystem flexibel auf-zubauen und durch entsprechende
Modelle von Umwelt und in der Prüfkon-figuration nicht enthaltener Komponen-ten zu ergänzen. Auf dieser Basis kön-nen funktionale Zusammenhänge des Gesamtsystems erprobt und die Anforde-rungen einsatzspezifischer Prüfkonzepte umgesetzt werden.
LITERATURHINWEISE[1] Balazs, S.: Hybridantrieb unter realen Fahr-bedingungen. Vorhaben Nr. 1011. In: FVV-Abschlussbericht Heft 977/2013, Frankfurt am Main[2] Schulz, V.; Burgard, K.: Echtzeitmodelle von Fahrzeug und Lithium-Ionen-Batterie: Schlüssel-komponenten für den Test von Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen. In: 15. VDI-Tagung Erprobung und Simulation in der Fahrzeugentwick-lung: Mess- und Versuchstechnik. Baden-Baden, 16. und 17. November 2010. VDI Fahrzeug- und Verkehrstechnik, VDI-Verlag Düsseldorf, 2010, S. 31-42[3] Chen, M.; Rincón-Mora, G.A.: Accurate electri-cal battery model capable of predicting runtime and I-V Performance. In: IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 21, Nr. 2, 2006, S. 504-511[4] Genta, G.: Motor Vehicle Dynamics; Modeling and Simulation. In: Series on advances in mathema-tics for applied sciences, Vol. 43, World Scientific, 1997[5] Schmidt, A.; Förschl, S.: Vom realen zum virtuellen Reifen – Reifenmodellparametrierung. In: ATZ 111 (2009), Nr. 3, S. 188-193 [6] Birgersson, F.; Dressler, K.; Baumann, S.; Herkt, S.: Reifensimulation mit Abaqus und MKS-Modellen, 20. Abaqus-Benutzerkonferenz, Bad Homburg, 2008[7] MathWorks Documentation Center: http://www.mathworks.de/de/help/physmod/sdl/index.html, 2013. Einsichtnahme 12.02.2014 [8] Schulz, V.; Burgard, K.: Einsatz von Echtzeit-modellen in Leistungsprüfständen für elektrische Antriebskomponenten. In: HdT-Tagung Trends in der elektrischen Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. München, 29. und 30. November 2011. Schäfer, H.; Expert-Verlag Rennin-gen, 2011
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➎ Strom und Spannung (links), Antriebsmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit (rechts) bei einer Anfahrt mit Batteriesimulation; das Steuergerät erhält als zusätzliche Information den Ladezustand
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