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Echtzeit-Antriebsstrangsimulation

Ziel: Echtzeitsimulation von Antriebssträngen unkonventioneller Fahrzeugantriebe mit Berücksichtigung des Energieverbrauchs.
Kernthema: Modellierungs-/Simulationsansätze und Methoden.
Verwendung: Optimierung der Systeme (z. B. Betriebsstrategien/Auslegung) mittels Hardware-in-the-Loop-Simulation.
Laufzeit: Sommer 2011 bis Sommer 2014
Ansprechpartner: M.Sc. Stefan Geng

Elektro- bzw. Hybridfahrzeuge werden entwickelt, um den Kraftstoffverbrauch und somit den Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen zu reduzieren. Je nach Antriebsstrang-topologie besteht der Antriebsstrang solcher Fahrzeuge aus unterschiedlichen Konfigurationen von Verbrennungsmotor, elektrischem Antrieb, Getriebe und Energiespeicher. Der Kraftstoffverbrauch hängt hierbei maßgeblich vom Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten, der Konfiguration und der verwendeten Betriebsstrategie ab. Letztere ist in den Steuergeräten bzw. dem Steuergeräteverbund des Antriebsstrangs (Motor-, Getriebe-, Batteriemanagement und übergeordnetes Hybrid- bzw. E-Fahrzeugmanagement) implementiert. Für Entwicklung und Test von Steuergeräten bzw. Steuergerätesoftware wird heute u. a. die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL) eingesetzt.

Dabei wird das dynamische Verhalten des Antriebsstrangs durch ein echtzeitfähiges Antriebsstrangmodell nachgebildet, um an den Steuergeräte-Schnittstellen ein realistisches Streckenverhalten zu emulieren. Diese virtuelle Testumgebung reduziert die Kosten und ermöglicht ein effizienteres Testen unter Laborbedingungen.

Die Herausforderung bei der Entwicklung von entsprechenden Echtzeitmodellen ist einerseits die hohe Dynamik des elektrischen Teilsystems, bestehend aus Elektromotor und Umrichter, und andererseits die sehr variable Struktur des mechanischen Teilsystems (Getriebe). Soll darüber hinaus die Betriebsstrategie mittels der HIL-Simulation optimiert werden, ist es notwendig, die Verlustleistungen und Leistungsflüsse im System korrekt zu berücksichtigen. Dies steht meist im Konflikt zur Echtzeitfähigkeit, da die Berücksichtigung von Verlusten zu einem erhöhten Rechenaufwand des Simulationsmodells führt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Methoden und Ansätze zur Einbindung verbrauchsrelevanter Effekte (z. B. Reibung, Wärme) in die Echtzeitsimulation von alternativen Fahrzeugantrieben zu realisieren und zu untersuchen. Dies soll unter besonderer Berücksichtigung einer möglichst effizienten Modellierung unterschiedlicher Antriebsstrangkonfigurationen erfolgen.