Archiv der Kategorie: Engineering Service

Elektrifizierung – Software- und Testlösungen

E-Mobilität

19. Juni 2019 | Engineering Service

E-Mobilität

Es wird prognostiziert, dass vollelektrische und Hybrid-Fahrzeuge innerhalb der nächsten zehn Jahre einen Marktanteil von 90 Prozent erreichen werden. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in der Zahl an Prüfständen für E-Mobilität und Batterien wider, die aktuell gebaut werden. Im Folgenden soll erläutert werden, welche Aspekte bei dieser neuen Art von Prüfständen zu beachten sind und welches Vorgehen beim Prüfprozess zu empfehlen ist.

Ein wesentlicher Aspekt ist die Batterieprüfung. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien erreichen eine Energiedichte, die um das 20- bis 30-fache unter der von Benzin liegt. Um eine Kostenparität zu Benzinfahrzeugen zu erzielen, müssen die Kosten für die Batterien entsprechend um das Vierfache gesenkt werden. Kurzfristig ist dies kaum umsetzbar und so gilt es, die Kalibrierung des Batteriemanagementsystems (BMS) umgehend zu optimieren, wozu präzise ­ Mittel auf dem Prüfstand notwendig sind. Für die Batterieprüfstände wird ein hochautomatisierter und personalsparender Prozess benötigt, der alle Prüfstände in Echtzeit überwacht und entsprechend schnelle Reaktionen ermöglicht – die Dateiformate müssen identisch sein, egal aus welcher Quelle sie stammen. In manchen Prüfzentren hat jedes Gerät ein eigenes Dateiformat, was sich auf die Produktivität des Prüfzentrums auswirkt. Zudem ist die Sicherheit im Hinblick auf Batterien ein Thema von besonderer Bedeutung: Extreme Umgebungsbedingungen, in denen die Chemie innerhalb der Batterie außer Kontrolle geraten könnte, müssen unbedingt im Auge behalten werden. Strenge Batterieprüfungen einschließlich Brandversuchen, Überspannungstests, Crash-Tests und Tiefentladungstests sind erforderlich. Doch auch, wenn die Batterie das empfindlichste Element ist, das es zu prüfen gilt, so wirft die Prüfung der Elektromotoren ebenfalls technologische Herausforderungen auf. Neu entwickelte Motoren können bis zu 25.000 U/min erreichen und in manchen Phasen kommt es dabei zu einem plötzlichen Temperaturanstieg, der sich nachteilig auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Auch in diesem Fall ermöglicht eine Optimierung des globalen Energiemanagementsystems (EMS) die Beherrschung kritischer Fälle und erhöht die Lebensdauer des E-Motors.

FEV bringt die wichtigsten Aspekte eines E-Mobility-Prüfzentrums und der Systementwicklung in drei Schritten auf den Punkt: Zunächst geht es um das automa­tisierte Management und die umfassende Überwachung der Prozesse und der Prüfstände mithilfe der Software-Suiten FEVFLEX™ und MORPHEE®. Zweitens muss eine Standardisierung der Prüfstand­lösungen beziehungsweise der Prüfzellen erfolgen. Und schließlich bedarf es einer Kalibrierung der Steuergeräte und einer Optimierung des Energiemanagements, wofür eine erweiterte Anwendung der Simulation erforderlich ist. Diese Vision ist das Ergebnis der mehr als zehnjährigen Erfahrung im Betrieb zweier Prüfzentren in München und in Saint Quentinen-­Yvelines (Frankreich), die mit 22 Prüfständen zur Prüfung von Batterien sowie zahlreichen E-Motor- und E-Achsprüfzellen ausgestattet sind.

Abb. 1: Über FEVFLEX™ und MORPHEE® gesteuerter Prüfprozess im E-Mobilitäts-Prüfzentrum

Vollautomatisierter Prozess

Ein vollautomatisierter Prozess ist ein entscheidender Faktor in jedem modernen Prüfzentrum, aber besonders wichtig ist die vollständige Automatisierung in einem Batterieprüfzentrum. Dies wird durch den Einsatz von Software wie ­ z.B. FEVFLEX™ und MORPHEE® gewährleistet. FEVFLEX™ ist eine modulare Software-Suite für das Management und die Überwachung des gesamten Prüffelds.

Sämtliche an FEVFLEX™ gesendeten Daten werden von MORPHEE®, dem Automatisierungssystem von FEV, erzeugt. Doch die elektrische Revolution steht gerade erst am Anfang. Batterien, Elektromotoren und die allgemeine Fahrzeugarchitektur werden sich noch weiterentwickeln. In dieser Hinsicht sind die Upgrade-Fähigkeit und Modularität von FEVFLEX™ und MORPHEE® wichtige Merkmale, die für die Software sprechen. Die offenen Software-Lösungen können vom Anwender einfach und vor allem ohne zusätzliche Entwicklungskosten konfiguriert werden. MORPHEE® kann über dieselbe Programmierschnittstelle an alle Arten von Geräten angeschlossen werden. Die Software ­erzeugt und synchronisiert Ergebnisdateien in einem identischen Format, egal von welchem Gerät sie stammen.

Prüfzellen: Standardlösungen

2019 ist für FEV Software and Testing Solutions ein besonderes Jahr, in dem neue Prüfzellen und Standardlösungen für Prüfstände eingeführt werden. Im Laufe der Jahre hat FEV viele Prüfstände gebaut, sowohl an eigenen Standorten als auch an Kundenstandorten in Europa, Asien und Amerika. Die Erfahrungen reichen von kompletten Engineering-Projekten bis hin zur einfachen Automation. Auf der Grundlage dieses Know-hows hat FEV Standardlösungen für Prüfstände und Prüfzellen entwickelt, bei denen eigene Produkte von FEV sowie Produkte von genehmigten Lieferanten zum Einsatz kommen. Dank dieser Standardisierung kann FEV die Kosten besser kontrollieren und kürzere Einführungszyklen anbieten. Das Angebot deckt dabei alle erforderlichen Dimensionen auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge und insbesondere die sicherheitsbezogenen Aspekte ab.

Abb. 2: OSIRIS® Powermeter in einem E-Motorprüfstand

FEV bietet Batterieprüfstände an, die für jeden Testfall gerüstet sind: Zellenprüfstände mit bis zu 24 Zellen je Klimakammer, Modulprüfstände mit bis zu sechs Modulen und integrierte Batteriepack-Prüfstände, entweder in begehbaren Kammern oder in besonders großen Klimakammern. Das Angebotsspektrum wird zudem durch Standardprüfstände für E-Motoren erweitert, die zur Charakterisierung von Elektromotoren eingesetzt werden. Der wichtigste Aspekt bei dieser Art von Prüfstand ist die Fähigkeit, bei sehr hohen Drehzahlen und in einem hochdynamischen Prozess unter Berücksichtigung von Vibrationen prüfen zu können. FEV stellt daher modernste E-Motoren-Prüfstände einschließlich perfekt abgestimmter Dynamometer her. Die Prüfstandlösungen für E-Motoren ermöglichen Drehzahlen bis 25.000 U/min. Die MORPHEE®-Softwarelösung für den Prüfstand ersetzt die Prüfstandsteuerung und bietet einfache Konnektivität zu den Rechnern. Der E-Antriebsstrang wird optimiert, indem verschiedene Anwendungsfälle (Autobahn, städtische oder ländliche Straßen) und unterschiedliche Faktoren (unter anderem Spannungs- und Stromsignale, Frequenz vs. Winkelposition und Drehzahl, Management von Drehmomentspitzen) berücksichtigt werden. In diesem Fall wird das OSIRIS® Powermeter von FEV verwendet, um die Effizienz des E-Antriebsstrangs zu analysieren. Hierbei wird die Leistung vor und hinter dem Inverter sowie vor und hinter dem Elektromotor gemessen.

Abb. 3 : e-CollCon™

FEV bietet einzigartige Lösungen, die nicht nur die Optimierung, sondern auch die Validierung des kompletten Antriebsstrangs erleichtern. Dauerlaufprüfungen, die mechanische Zyklen (Vibrationen, Begrenzer, Differenzial) und plötzliche Temperaturwechsel (Abkühlung, Rotor-Thermomanagement) simulieren, müssen ebenfalls durchgeführt werden. Bei dieser Konfiguration ist es wichtig, nicht nur den E-Motor, sondern den kompletten Antriebsstrang zu prüfen. Auf dem E-Achsprüfstand ist es möglich, das gesamte System in den nachgeordneten Schritten des Entwicklungsprozesses zu prüfen. Dabei kommen sowohl MORPHEE® als auch OSIRIS® sowie Dynamometer von FEV und Kühlwasserkonditionierungsanlagen wie das sogenannte eCoolCon™ zum Einsatz.

Optimierung des Energiemanagementsystems

Abb. 4: Optimierung des EMS – Simulation am Prüfstand mit MORPHEE®

Der letzte wichtige Erfolgsfaktor für ein E-Mobilitäts-Prüfzentrum ist die Fähigkeit, die Kalibrierung der verschiedenen Rechner und des Energiemanagementsystems (EMS) des Antriebsstrangs zu optimieren. Diese Fähigkeit war bereits auf dem Gebiet der konventionellen Motoren eine Stärke von FEV und gilt ebenso für Elektro- oder Hybridmotoren. FEV hat dies durch die Entwicklung von Software mit zwei charakteristischen Merkmalen erreicht: ein sehr hohes Leistungsniveau sowie vollständige Kompatibilität unter den einzelnen Komponenten. In den ersten Entwicklungsphasen wird mithilfe von xMOD™, einer virtuellen Versuchs- und Co-Simulationsplattform, durch Co-Simulation verschiedener Modelle (zum Beispiel E-Motor, Batterie, Fahrer und komplettes Fahrzeug) ein komplexes System erzeugt. In der Folge können virtuelle Versuche auf derselben Plattform durchgeführt werden, um die Steuerungsregeln im Vorfeld zu validieren. Im nächsten Schritt werden mithilfe des über MORPHEE® gesteuerten Prüfstands – in diesem Fall der Batterie- und BMS-Prüfstand oder der Prüfstand für den E-Antriebsstrang – die zuvor validierten Modelle integriert. Dafür wird das Batterie- oder E-Motor-Modell durch das physische Teil ersetzt. Alle anderen Komponenten werden beibehalten, um eine möglichst genaue Repräsentation des Antriebsstrangs in seiner Umgebung zu erhalten. Da xMOD™ und MORPHEE auf der gleichen Entwicklungsplattform basieren, folgen die Schnittstellen, Tests und Modelle allesamt dem gleichen Prozess vom Beginn bis zum Ende. FEV bezeichnet dies als Collaborative Framework. Es gilt zu beachten, dass die außergewöhnliche Simulationsleistung dieser Tools, die um das 10- bis 40-fache schneller sein können als andere Lösungen auf dem Markt, die Prüfung von hochkomplexen Modellen auf dem Prüfstand in Echtzeit ermöglicht.

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Zuverlässiger Partner bei der Gesamt­fahrzeugentwicklung

Aus einer Hand – Teil II

18. Juni 2019 | Engineering Service

Aus einer Hand – Teil II

Teil zwei von drei aus der Reihe „Gesamtfahrzeugentwicklung aus einer Hand“

Den ersten Teil aus dieser Reihe finden Sie hier.

FEV hat sich innerhalb der letzten Dekade zu einem Engineering-Dienstleister entwickelt, der das gesamte Service-Spektrum in der Fahrzeugentwicklung abdecken kann. In drei Beiträgen wird auf die Fahrzeugmodule Rohbau, Exterieur/Interieur, Licht und Sicht und das Fahrwerk eingegangen. Dabei werden Fahrzeugeigenschaften wie Akustik, Fahrdynamik, passive und aktive Sicherheit und auch Dauerfestigkeit betrachtet. Entwicklungswerkzeuge sind hier die virtuelle und reale Erprobung. Begleitet werden die Aktivitäten von diversen Steuerungsaufgaben wie Benchmarking mit anschließendem Targetsetting, Versuchs- und Prototypenplanung, Gewichtsmanagement und Homologation.

FEV übernimmt Verantwortung für die komplette Bandbreite der Gesamtfahrzeugentwicklung sowie für die Entwicklung einzelner Module und für punktuelle Konstruktions- und Berechnungsumfänge einzelner Bauteile. Die Tatsache, dass die Entwicklungskompetenz für Antrieb, Getriebe und Fahrzeug aus einer Hand kommen, macht FEV zu einem optimalen Entwicklungspartner – auch für elektrifizierte Fahrzeuge. Besondere Expertise bietet FEV bei der Konversion konventionell angetriebener Fahrzeuge zu Elektromobilen, da gerade hier die eng verzahnte und parallele Entwicklung von Antriebsstrang und Fahrzeug zu einem optimalen Ergebnis führt. Im Weiteren werden einige Aufgaben aus der Gesamtfahrzeugentwicklung vorgestellt.

Licht und Sicht

In der Automobilentwicklung nimmt der Bereich „Licht und Sicht“ eine zentrale Rolle an der Schnittstelle von Design, Komfort und Sicherheit ein. Aufgrund langjähriger Erfahrung bietet FEV seinen Kunden eine umfassende Betreuung in der Vor- und Serienentwicklung. Die besondere Spezialisierung liegt in der Berechnung, Auslegung und fertigungsgerechten Konstruktion von Scheinwerfern, Rückleuchten, Seiten- und Interieurleuchten. Egal, ob Laser-Licht-Entwicklungen für Scheinwerfer oder transparente OLEDs für Rücklichtanwendungen, beim Setzen neuer Standards nimmt FEV vielfach eine Vorreiterrolle ein. Das Unternehmen verfügt über ein breites Know-how und Kompetenzen im Bereich mikrooptischer Komponenten, wie der MLA-Technologie und der REALEYES 3D-Technologie. Der bionische Ansatz der Mikro-Linsen-Array-Technologie (MLA; Abbildung 1) ermöglicht erstmals die Realisierung von LED-Projektoren mit gänzlich neuen Eigenschaften: Die kompakte Größe des LED-Projektors mit scharfen Projektionsbildern auf beliebigen Geometrien unter kleinstem Einfallswinkel.

Abb. 1: Die Mikro-Linsen-Array-Technology (MLA)

>> BEIM SETZEN NEUER STANDARDS NIMMT FEV VIELFACH EINE VORREITERROLLE EIN

Mit Einsatz der REALEYES 3D-Technologie ist es möglich, 3D-Grafiken und Logos „vor“ einem Display erscheinen zu lassen, ohne eine 3D-Brille oder andere Hilfsmittel zu benötigen. Diese höchst innovative Technologie wird aktuell für den Automotive-Bereich weiterentwickelt und bietet unter anderem hinsichtlich Fahrerinformationen und Sicherheit große Potenziale.

Test und Validierung

Die Fahrzeugentwicklung ist von hohen Kunden- und Marktanforderungen geprägt. Zuverlässigkeit ist neben Innovation, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit eine wichtige Voraussetzung, die sich direkt auf die Folgekosten auswirkt. Die länderspezifische Gesetzgebung stellt grundlegende Anforderungen an ein vollständiges Fahrzeug. Diese liegen jedem Entwicklungsprojekt als Basis zugrunde und definieren somit den Entwicklungsprozess. Ein wichtiger Schritt hierbei ist die Validierung, bei der die Erfüllung dieser Anforderungen nachgewiesen wird.

Der Begriff Validierung beinhaltet die Themen Dauerfestigkeit, Funktion und Leistung. Dafür verfügt FEV über umfangreiche Testmöglichkeiten sowie umfassende Kenntnisse der erforderlichen Zielparameter. Im Dauerfahrversuch wird die Dauerfestigkeit des Antriebsstrangs, der Fahrwerkskomponenten und der Fahrzeugzellenstruktur validiert. Bei einem Validierungsprüfprogramm für das geplante Einsatzspektrum eines Fahrzeugs wird die akkumulierte Strecke in verschiedene Fahrabschnitte unterteilt, die Stadtverkehr, Autobahnfahrten sowie Fahrten auf Landstraßen, auf Straßen mit schlechten Oberflächen sowie Bergstraßen repräsentieren. Ebenfalls enthalten sind Heiß- und Kaltlanderprobungen. Jeder Abschnitt stellt eine andere Herausforderung für den Antriebsstrang und das gesamte Fahrzeug dar.

>> DIE LÄNDERSPEZIFISCHE GESETZGEBUNG STELLT GRUNDLEGENDE ANFORDERUNGEN AN EIN VOLLSTÄNDIGES FAHRZEUG

Diese Testszenarien berücksichtigen jedoch noch nicht die Besonderheiten von ADAS-/AD-Fahrzeugen. Um ein geeignetes Testprogramm für diese Fahrzeuge zu entwickeln, müssen neue Szenarien definiert werden, welche die Steuergeräte auf verschiedenen Ebenen testen. Diese neuen Szenarien hängen mehr von der Umgebung der geplanten Route ab, etwa Ampeln, Straßenmarkierungen und anderen Verkehrsteilnehmern, als von der Route selbst. Der Einfluss dieser umgebenden Elemente sowie deren Verfolgung müssen systematisch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Steuergeräte untersucht werden. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass ein erheblicher Anteil dieser Elemente räumlich und zeitlich veränderbar ist. Mit dem FEV Advanced Road Rating System (ARRS) basieren die Tests für ADAS-/AD-Fahrzeuge auf objektiven Bewertungskriterien, um verschiedene Testrouten vergleichbar zu machen. Der Fokus des ARRS-Ansatzes liegt auf objektiven und effizienten Robustheitstests von ADAS-/AD-Systemen in der realen Welt. Damit ist FEV in der Lage, Testmethoden für die Validierung zukünftiger Technologien wie besagter Systeme systematisch und effizient zu entwickeln.

Fahrzeugakustik (Noise Vibration Harshness – NVH)

Abb. 2: Überblick der NVH-Bereiche bei FEV

Fahrzeuginnengeräusche und Schwingungen werden vom Endkunden direkt erlebt und sind daher ein wichtiges, oft unbewusst wahrgenommenes Entscheidungskriterium für den Kauf eines Fahrzeuges. Sie sollen einerseits als angenehm wahrgenommen werden, andererseits aber auch je nach Fahrzeugklasse die Dynamik ausdrücken und zur Marke passen. Das Außengeräusch des Fahrzeugs ist Gegenstand gesetzlicher Vorgaben: Zum einen wird das Vorbeifahrtgeräusch begrenzt, um die Belastung für andere Verkehrsteilnehmer und Anwohner zu reduzieren. Zum anderen werden für den Fußgängerschutz Warngeräusche für potenziell sehr leise Elektrofahrzeuge vorgeschrieben (Abbildung 2). Für die Erreichung dieser NVH-Ziele ist eine konsequente Betrachtung von Akustik und Schwingungen im gesamten Fahrzeugentwicklungsprozess notwendig. Das beginnt mit einer dezidierten Definition der Zielwerte auf Gesamtfahrzeugebene. Hieraus werden dann – basierend auf Erfahrungen mit dem Vorgängerfahrzeug, Wettbewerbsvergleichen oder der systematischen Betrachtung der Geräuschtransferpfade – Zielwerte für die einzelnen Komponenten wie etwa Motor, Getriebe, Karosserie und Motorlager abgeleitet.

Abb. 3: Überblick der NVH-Bereiche der FEV

In der frühen Phase des Entwicklungsprozesses werden die Auslegung des Gesamtkonzeptes und auch das detaillierte Layout der akustisch relevanten Komponenten durch Simulationen unterstützt. Das beinhaltet zum Beispiel die Mehrkörpersimulation des Antriebsstrangs und die „Finite Elemente Simulation“ der Karosserie. Im weiteren Projektverlauf wird mit wachsendem Reifegrad der Hardware die Erreichung der Akustikziele auch durch Messungen und Subjektivbewertungen überprüft. Gegebenenfalls werden notwendige Optimierungen an die Bauteilverantwortlichen gemeldet (siehe Abbildungen 3 und 4).

Abb. 4: Antriebsstrang- und Fahrzeug-NVH – Abtastung durch Oberflächenschallabstrahlung mittels P-U-Sonde

Dieser etablierte Prozess steht durch die aktuellen Trends in der Automobilindustrie wie Elektrifizierung und autonomes Fahren vor neuen Herausforderungen.

Klicken Sie hier um den dritten Teil dieser Artikelreihe zu lesen.
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