6. Mai 2020
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Archiv des Autors: Tamara Dardanoglu
Mobilität der Zukunft
Die Balance zwischen komplexen Prüfaufgaben und Entwicklungseffizienz im Prüffeld
Die Balance zwischen komplexen Prüfaufgaben und Entwicklungseffizienz im Prüffeld
Die Veränderungen im Bereich Mobilität und Transport sind aktuell einem stark beschleunigten Veränderungsprozess unterworfen. Klassische globale Megatrends umfassen stark differenzierte nutzer- und kundenspezifische Anforderungen, unterschiedliche Gesetzgebungen, weiter verschärfte Umweltauflagen, beschränkte Ressourcen sowie die Elektrifizierung von Antriebssystemen. Zudem gewinnen Themen wie autonomes Fahren und individuelle, bedarfsgerechte Mobilitätslösungen zunehmend an Bedeutung. Die Realisierung von Lösungen und Produkten erfordert neben den etablierten, beständig weiterzuentwickelnden Technologien auch völlig neuartige Ansätze. Hierzu zählen beispielsweise Maßnahmen aus Digitalisierung, Informationstechnologie und Vernetzung. Die zunehmende Komplexität und Differenzierung stellt weiter steigende Anforderungen, die mit den etablierten Methoden und Prozessen in einem akzeptablen Zeit- und Kostenrahmen nicht mehr zu bearbeiten sind. Neue individuelle und spezifisch zugeschnittene Lösungen und Produkte müssen entwickelt werden, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden. In den vergangenen Jahren haben sich fortschrittliche und leistungsfähige Simulationsverfahren als eine wesentliche Säule im Portfolio der Fahrzeug- und Antriebssystementwicklung etabliert. Zahlreiche klassische Prüf- und Erprobungsmethoden wurden durch die Simulation ganz oder teilweise substituiert. Die zunehmende Systemkomplexität sowie Validierungsanforderungen erfordern jedoch heute und in Zukunft anforderungsspezifisch zugeschnittene Prüf- und Testlösungen zur Absicherung von Funktionssicherheit, Qualität etc.. Die Bereitstellung entsprechend leistungsfähiger Prüf- und Testkapazitäten in einem modernen Entwicklungsumfeld beschränkt sich schon heute nicht mehr auf die rein-logistischen und technologischen Lösungen wie Prüfstände und Messsysteme. Für hocheffiziente Entwicklungsleistungen müssen vielmehr alle Prozessbeteiligten in geeigneter Weise in die Gesamtentwicklungsprozesse eingebunden sein. Hierzu zählen neben Prüffeldstruktur und -Ausrüstung auch wichtige Themen wie z.B. Personalstruktur und -kompetenzen, Methoden, operative Organisation, hocheffiziente Logistik und Informationsvernetzung. Die Konzeption zukünftiger Prüffelder muss sich grundsätzlich an der mittel- und langfristigen strategischen Produktentwicklungsplanung und den sich daraus ableitenden Testanforderungen orientieren. Neben den rein-technischen, operativen und logistischen Anforderungen liegen Schwerpunkte insbesondere auf einem wirtschaftlichen Betrieb, einer ausgewogene Balance zwischen Bereitstellung von Kapazitäten und personellen Ressourcen und deren möglichst hoher Auslastung sowie einer zweckmäßigen Verteilung zwischen Eigenabdeckung und Fremdvergaben. Organisation und Prozesse moderner Prüffelder haben sich in den zurückliegenden Jahren grundsätzlich verändert. Früher waren die Mitarbeiter aus den Entwicklungsbereichen vielfach sehr weitgehend in den Prüffeldbetrieb eingebunden und haben diesen teilweise sogar selbst operativ mitgestaltet. Das Prüffeldpersonal stellte im Wesentlichen die Kapazitäten, die Werkstattressourcen sowie das Bedienpersonal. Die Prüfprogrammdefinition und Auswertungen lagen im Verantwortungsbereich des Engineerings. In den vergangenen Jahren haben sich diverse Aufgabengebiete aus dem Verantwortungsbereich Engineering in die Prüffeldverantwortung verlagert. Heute ist die Prüffeldmannschaft vielfach für die gesamte Prüfergebniserzeugung weitgehend eigenständig verantwortlich. Diesen zusätzlichen Aufgaben muss durch entsprechende Personal- und Engineering-Kapazitäten Rechnung getragen werden. Dazu gehört auch, dass sämtliche Prozesse, aber auch die Konzeption sowie die mittel- und langfristige strukturelle Ausrichtung und Investitionsplanung im Prüffeldverantwortungsbereich liegen. Die zunehmende Verlagerung zahlreicher Aufgabenstellungen aus dem Engineering in den Verantwortungsbereich Prüffeld bedingt, dass heutige Personalstrukturen und Kompetenzumfänge einen erheblich höheren Engineering-Anteil in der Personalstruktur erfordern. Während früher der weitaus größte Anteil einer Prüffeldmannschaft aus Mechanikern sowie einigen Elektrikern und Meistern und sehr wenigen Ingenieuren gestellt wurde, hat sich der Anteil von Technikern und Ingenieuren sehr stark erhöht. Zusätzlich hinzugekommen sind IT-Spezialisten für die Betreuung von komplexen Prüfstandautomatisierungssystemen, Messsystemen sowie weitere Spezialisten diverser Disziplinen für Implementierung und Anwendung moderner Methoden und Tools. Die effiziente und wirtschaftliche Organisation eines modernen Prüffeldbetriebs erfordert die Implementierung durchstrukturierter, effizienter und flexibler Prozesse, die auf wechselnde Anforderungen adaptiert werden können. Dazu zählen das Informationsmanagement, d.h. Handling und Kanalisierung aller eingehenden, intern zirkulierenden sowie aller ausgehenden Informationen, das Versuchs- und Messdatenmanagement, Materialflüsse und Logistik, das Qualitätsmanagement und vieles mehr. Alle Haupt- und Unterstützungsprozesse müssen nahtlos ineinander verzahnt sein und bedürfen der kontinuierlichen Prüfung, Anpassung und Optimierung.
Zukünftige Prüffeldstrategien
Prüffeldorganisation, Prüffeldprozesse
Prüffeldpersonal: Struktur und Kompetenzen
Prüffeldlogistik, Informations-, Material- und Datenfluss
Prüffeld-Arbeits- und Test-Methoden
In einem modernen Prüffeld werden bereits heute in einem hohen Maße IT-basierte Methoden und Tools zur Prozessorganisation und Arbeitsabwicklung eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise die datenbankgestützte Erstellung von projektspezifischen Prüfstandaufbau- und Prüfprogrammplänen, weitgehend standardisierte Prüfstand- und Messsysteme, eine hochautomatisierte Prüfprogrammabwicklung, die Integration von Simulationswerkzeugen, die automatisierte Auswertung von Versuchsläufen sowie die datenbankgestützte Ablage von Prüfergebnissen.
Mit der Informationsmanagementsoftware FEVFLEX bietet FEV eine leistungsfähige Lösung, die Aufgaben und Abläufe, Geräte und Medien, Testobjekte und Prüfstände, Messdaten und Testprojekte verwaltet und somit nachhaltig zur Effizienz eines Prüffeldes beiträgt. Zudem kann FEV MORPHEE die Anzahl notweniger Softwareanwendungen auf Prüfständen signifikant reduzieren. Egal ob ECU (HIL), Bauteil, Motor, Antriebsstrang, Fahrzeug oder andere: MORPHEE passt sich an jede Art von Testumgebung an.
Weitere Zeit- und Kostenreduktionen im Entwicklungsprozess lassen sich mit Online- und Offline-DoE-Werkzeugen für die virtuelle Kalibrierung erzielen. FEV xCAL kombiniert Best-in-Class-Modellierungsalgorithmen mit einer intuitiven, workflow-basierten Bedienerführung und ermöglicht so die virtuelle und effiziente Kalibrierung verschiedenster Antriebsstränge und anderer Anwendungen.
Prüffeld: Struktur, Ausrüstung, Ausstattung
Ein modernes Prüffeld stellt heute neben den klassischen Kapazitäten wie Prüfstände für Motoren, Getriebe, Fahrzeuge und Systemkomponenten, Messtechnik usw. auch Umweltsimulationsanlagen bereit. Zukünftig werden sich dazu weitere neue Prüfeinrichtungen zur Darstellung aller erforderlichen Testverfahren im Umfeld des Themas „Autonomes Fahren“ gesellen. In den zurückliegenden Jahren haben leistungsfähige Simulationswerkzeuge diverse klassische Test-Methoden substituiert und neue Methoden und Prüfverfahren sind entstanden. Ein Beispiel hierfür ist die echtzeitbasierte Vernetzung verschiedener Teilsystemprüfstände mit eingebundener Simulation von Systemkomponenten eines Gesamt-Antriebsstrangs, die nicht als Hardware verfügbar sind.
So haben FEV und VKA die „virtuelle Welle“ als wichtiges Werkzeug entwickelt. Die Testumgebung besteht aus räumlich getrennten Prüfständen, die über eine EtherCAT-Verbindung echtzeitgekoppelt sind. Durch die „virtuelle Welle“ werden z.B. die Lastmaschinen von gekoppelten Komponenten-Prüfständen so angesteuert, dass das Systemverhalten einer realen mechanischen Welle entspricht. So lässt sich eine Interaktion – beispielsweise zwischen Motor und Getriebe – erzielen. Dies ist bereits im Prototypenstatus möglich, also bevor beide Komponenten physisch adaptierbar sind. Wertvolle Entwicklungszeit kann so eingespart werden. Weitere Vorteile liegen vor allem in der geschützten Testumgebung und den intensiven Überwachungsmöglichkeiten für das einzelne Testobjekt. So werden Schäden an Prototypen wirkungsvoll vermieden. Weiterhin lassen sich durch die virtuelle Verbindung auch Kombinationen eines Hybridantriebs testen, welche mechanisch noch nicht kompatibel sind und erst umfangreich adaptiert werden müssten.
Virtuelle Welle zwischen zwei Prüfeinrichtungen
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Bereit für die zukünftige Mobilität
E-Motorenprüfstände von FEV
E-Motorenprüfstände von FEV
Elektromobilität gewinnt stetig an Bedeutung und ist mittlerweile ein wesentlicher Bestandteil täglicher Herausforderungen. Hybrid- und Elektrofahrzeuge stellen zwar nach wie vor eine Minderheit dar, die Zahl der Forschungsprojekte steigt allerdings rasant. FEV begleitet seine Kunden auf dem Weg zur elektrischen Mobilität und bietet damit Lösungen für vielschichtige und komplexe Herausforderungen. Neben unterschiedlichen Hybridkonzepten liegt der Fokus auf vollständig elektrischen Antrieben. Als Entwicklungsdienstleister fertigt und vertreibt FEV Prüfstandskomponenten sowie komplette Prüfstände, mit denen Antriebskomponenten getestet werden können. Die Prüfung eines Elektromotors für die mobile Applikation im Fahrzeug ist durchaus mit der eines Verbrennungsmotors zu vergleichen. Es werden jedoch auch die einzelnen Komponenten wie Inverter und Batterien getrennt getestet. Spezielle Batterieprüfstände ermöglichen Tests an Batteriezellen, Batterie-Packs und vollständigen Traktionsbatterien. Um beispielsweise die Lebensdauer der Batterien zu prüfen, werden diese in Klimakammern unterschiedlichen Lade- und Entladezyklen unterzogen.
>> DERZEIT REALISIERT FEV E-MOTOREN-PRÜFSTÄNDE MIT BIS ZU 20.000 U/MIN. ZUKÜNFTIGE PRÜFSTÄNDE ERREICHEN BIS ZU 30.000 U/MIN.
Neue Antriebe – neue Herausforderungen
Komponenten, wie Hochenergiespeicher (Traktionsbatterien), Inverter und Elektromotoren sind verhältnismäßig neu und finden in konventionellen Antriebskonzepten keine Anwendung. Neben der Qualität der einzelnen Komponenten muss auch die kombinierte Anwendung in Fahrzeugen sichergestellt werden. Hersteller und Zulieferer sehen sich vielfältigen Anforderungen gegenüber. Beispielsweise benötigen sowohl Hybridlösungen als auch rein elektrische Antriebe modernste Hochenergiespeicher. Die dort eingesetzten Ströme und Spannungen erreichen bis zu 1.500 Ampère. Prüfstände müssen folglich auf die entsprechenden Sicherheitsbedingungen ausgerichtet und Mitarbeiter geschult werden.Komponentenprüfungen
Entscheidende Unterschiede zum Verbrennungsmotor finden sich im Strom als Antriebsenergie und den weitaus höheren Drehzahlen bei Elektromotoren. Vor zwei Jahren noch war die maximale Drehzahl auf etwa 15.000 U/min begrenzt. Derzeit realisiert FEV E-Motor-Prüfstände mit Drehzahlen bis zu 20.000 U/min. Zukünftige Prüfstände erreichen bis zu 30.000 U/min.
Systemprüfungen
Zusätzlich werden die Komponenten im Rahmen einer Systemprüfung gemeinsam und möglichst realitätsnah getestet. Hierbei sind einerseits die Hybridanforderungen, sprich die Integration der elektrischen Komponenten in den Antriebsstrang, andererseits die rein elektrischen Antriebskonzepte zu berücksichtigen. Neben herkömmlichen Antriebskonzepten kommt nun auch eine so genannte „E-Achse“ zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine hochintegrierte elektrische Antriebseinheit aus der Kombination von Elektromotor, Getriebe, Inverter und Steuergerät.
Die Überprüfung der E-Achsen erfolgt, indem rechts und links Belastungsmaschinen angeschlossen werden, um die Straßenbelastung nachzubilden.
Weitere Herausforderungen ergeben sich aus den Prüfanforderungen, dem Aufbau und den elektrischen Systemkomponenten. Zusätzlich zur bekannten Fahrer-Fahrzeugsimulation erfolgt eine Simulation der klimatischen Bedingungen. Hierbei werden Versuche in Temperaturbereichen von -40 °C bis zu 120 °C realisiert. Umfangreiche Konditionierungssysteme für Kühlmedien des Prüflings, hochgenaue Messungen von Drehzahl und Drehmoment sowie die von Spannung und Strom sind nur einige der neuen Herausforderungen, denen sich FEV in diesem Bereich stellt, um kompetente Lösungen anbieten zu können.
Das Leistungsspektrum der FEV
FEV betreibt, projektiert und realisiert Elektromobilitäts-Prüfstände für interne und externe Kunden. Hierbei kommen sowohl FEV-Belastungsmaschinen und Konditionierungssysteme als auch Tailormade-Lösungen für kundenspezifische Anforderungen zum Einsatz. Das Automatisierungssystem MORPHEE bietet ein hohes Maß an Flexibilität und eine einfache Konfiguration der unterschiedlichen Prüfstandstypen. Zudem liefert FEV nicht nur die benötigten Schnittstellen für die Einbindung von Poweranalysatoren (Messung von Spannung und Strömen von bis 1.500 A und 1.000 V), sondern berät seine Kunden auch bei Auslegung der Prüfstände hinsichtlich Sicherheit und Maschinenrichtlinie zur Erlangung der CE-Konformität.
FEV betreibt, projektiert und realisiert Elektromobilitäts-Prüfstände für interne und externe Kunden.
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Benchmarking von Hybridsystemen
Synergetische Prüfung, Simulation und Designbewertung
Synergetische Prüfung, Simulation und Designbewertung
FEV hat einen auf Benchmarking ausgerichteten System-Engineering-Ansatz entwickelt. Bei diesem Ansatz stellt die synergetische Kombination von Prüfung, Simulation und Designbewertung in der Konzeptphase von Entwicklungsprogrammen für hybride Fahrzeuge grundlegende Informationen bereit. Die vorgeschlagene Methode umfasst mehrere Ebenen – von der allgemeinen Fahrzeugarchitektur bis hin zur detaillierten Komponentenebene. Als Benchmarking-Beispiel wurde ein P2-Plug-in-Hybridfahrzeug im Hinblick auf Markteinschätzung, Antriebsstrang-Layout, Komponenten, Betriebsstrategie und eine zusätzliche Motorstart-Vorrichtung beurteilt. Für die Motorstart-Vorrichtung verspricht der vorgeschlagene Ansatz eine korrekte Marktpositionierung (hinsichtlich Komfort, NVH usw.) und die virtuelle Bestätigung der Fahrzeugziele. Die Analyse des P2-PHEV-SUV auf Systemebene umfasst eine Prüfung auf der Straße und dem Rollenprüfstand, eine Systemsimulation und eine abschließende Designbewertung hinsichtlich Antriebsstrang-Layout, Komponenten und Betriebsstrategie. Bei dem gewählten Fahrzeug handelt es sich um einen derzeit auf dem europäischen Markt erhältlichen SUV mittlerer Größe mit einem P2-Hybrid-Layout. FEV verfügt über eine umfassende Benchmarking-Datenbank. Je nach Konfiguration können verschiedene Parameter zur Beurteilung technischer Lösungen und zur Einschätzung von Markttrends miteinander verglichen werden. Obwohl die meisten OEMs P2-PHEV-Lösungen mit einer elektrischen Reichweite von 25 bis 40 Kilometern anbieten, kann im Hinblick auf P2-PHEV-SUVs beobachtet werden, dass nur wenige Fahrzeuge 50 Kilometer und damit die chinesische Subventionsgrenze erreichen. Aufgrund strengerer regulatorischer Einschränkungen und technologischer Verbesserungen der Batterien (Energiedichte und Kosten pro kWh) kann man jedoch von einer Steigerung der elektrischen Reichweite auf 70 bis 80 Kilometer in naher Zukunft ausgehen. Im Hinblick auf installierte elektrische Leistung positionieren sich die meisten OEMs derzeit im Bereich von 60 bis 100 kW, als eine Funktion von Markenidentität („sportlich“ ggü. „komfortabel“), Fahrzeugmasse und projizierter spezifizierter elektrischer Fahrleistung. Es wird ebenfalls eine Steigerung der installierten Leistung auf ca. 80 bis 110 kW als Funktion der Fahrzeugmasse erwartet. Hinsichtlich anderer Fahrzeugziele (z. B. Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit) und Referenzspezifikationen von Komponenten (z. B. Drehmoment der Elektromaschine, Batteriegröße, Leistung des Ladesystems) können ähnliche Schlussfolgerungen gezogen werden. Beim Level 1-Benchmarking analysiert FEV echte Fahrzeuge im Hinblick auf Leistung und Kraftstoff-/Energieeffizienz. Diese Eigenschaften werden mithilfe minimaler, eingriffsfreier Prüfausrüstung im Rahmen standardmäßiger Benchmarking-Verfahren untersucht, einschließlich der Beurteilung der Beschleunigung von 0 auf 100 km/h, der Elastizität bei 50 bis 80 km/h und des Kraftstoff-/Energieverbrauchs in für sowohl die Gesetzgebung als auch Kunden relevanten Fahrzyklen. Bei der Level 2-Bewertung werden die Effizienz der Komponenten, Stromfluss und Betriebsstrategien analysiert.
Fahrzeugtypologie: P2-PHEV
Benchmarking eines P2-PHEV-SUV
Marktanalyse
Fahrzeuganalyse
Zusätzlich zum Abgleich mit Katalogwerten werden Standard-Fahrzyklen innerhalb wiederholbarer Grenzbedingungen zur Analyse und zum Vergleich der Auswirkungen verschiedener Antriebsstrang-Konfigurationen und der implementierten Energiemanagementstrategien verwendet.
Tatsächliche Fahrsituationen stellen ebenfalls Informationen zu Off-Cycle-Kraftstoffeffizienz, Stromverbrauch oder elektrischer Reichweite einerseits und der Kalibrierung von Fahrmodi je nach Batterie-Ladezustand und Streckenführungsinformationen andererseits bereit.Antriebsstranganalyse
Im ersten Fall wechselt die Schaltkupplung am Anfang in den Gleitmodus und die Geschwindigkeit des P2-Elektromotors wird leicht erhöht. Für die anschließende Beschleunigung des Verbrennungsmotors wird die Trennkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und P2 geschlossen und das P2-Drehmoment gesteigert, um den Verbrennungsmotor auf Zielgeschwindigkeit zu bringen, während die P2-Geschwindigkeit gleich bleibt. Nach der Beschleunigung des Verbrennungsmotors wird das Antriebsmoment des P2-Elektromotors zum Verbrennungsmotor übertragen, bevor die Schaltkupplung geschlossen wird. Bei Motorstart mit einem dedizierten Anlasser läuft der Elektromotor solange auf Spitzendrehmoment, bis der Verbrennungsmotor das Drehmoment des Elektromotors übernehmen kann. Der Anlasser startet den Verbrennungsmotor, der dann mit der Antriebswelle synchronisiert und verbunden wird, um das Drehmoment zu den Rädern zu bringen.
Diese Messungen werden beispielsweise für die Analyse und den Vergleich der Systemleistung im Hinblick auf Zeitaufwand, Startkomfort des Verbrennungsmotors und Auswirkungen auf die Hybrid-Betriebsstrategie verwendet. Die Vor- und Nachteile jeder Konfiguration werden in der FEV-Datenbank dokumentiert, die wichtige Informationen für das Systemdesign bereitstellt.
Im Verlauf der Studie hat FEV wiederholte Beschleunigungen des Fahrzeugs im elektrischen und hybriden Fahrmodus untersucht. Im ersten Fall kann das HV-System aufgrund des Vorhandenseins des Anlassers ohne erforderliche Drehmomentreserve für das Starten des Verbrennungsmotors auf Spitzenleistung arbeiten. Folglich ist die erste elektrische Beschleunigung aggressiv, allerdings beginnt die thermische Lastminderung bereist ab der zweiten Beschleunigungsprüfung.
Bei hybriden Beschleunigungen gibt es bei zehn wiederholten Beschleunigungen von 0 auf 100 km/h keinen messbaren Leistungsabfall des Systems. Der Elektromotor läuft bis zum kontinuierlichen Drehmoment hoch (keine thermische Lastminderung) und volle Lastperioden während den hybriden Beschleunigungen sind wesentlich kürzer als bei rein elektrischer Beschleunigung.
Generell stellen die Ergebnisse der Level 2-Benchmarking-Analysen wichtige Informationen für das Systemdesign in Bezug auf erreichbare Leistung je nach Komponentenspezifikationen und Steuerstrategie bereit.
Simulation
FEV verwendet den Level 1-Simulationsansatz in der Regel zur Unterstützung des Benchmarking von Elektrofahrzeugen hinsichtlich Energiemanagement, Komponentenbewertung und Analyse der Betriebsstrategie.
Der erste Schritt bei jeder Simulationsaktivität ist die Erfassung der Eingabedaten und die Modellvalidierung. Beim Benchmarking von Elektrofahrzeugen führt FEV diese Phase im Verlauf eines systematischen Ansatzes mit mehreren Schritten durch. Zunächst wird der Energieverbrauch an den Rädern während der Antriebs- und Bremsphasen bestimmt. Danach werden die Antriebsverluste im Hinblick auf Getriebewirkungsgrad und Ölerwärmung validiert. Die elektrischen Komponenten werden dann auf Basis der Zyklus-Zeitverläufe der während des elektrischen Fahrens gemessenen mechanischen und elektrischen Signale verifiziert. Abschließend werden der Verbrennungsmotor und die Nebenaggregate validiert. Im Rahmen der gemessenen Zyklen wird ein semi-empirisches Temperaturmodell für den Verbrennungsmotor eingerichtet und der Zeitverlauf des Kraftstoffverbrauchs wird mit den Messungen abgeglichen. Wenn keine Komponentenmessungen für Getriebe, Elektromaschine, Verbrennungsmotor oder HV-Batterie verfügbar sind, basiert die erste Map auf der erweiterten FEV-Datenbank und wird später zur Berücksichtigung der im Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit gemessenen Verluste überarbeitet. Das Simulationsmodell wird mittels einer regelbasierten Betriebsstrategie gesteuert, die zur Widerspiegelung der Betriebspunkte des tatsächlichen Fahrzeugs parametrisiert ist. Das daraus resultierende Modell wird mit fünf Prozent der Zyklusgenauigkeit in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Leistungszeit validiert.
Das Simulationsmodell wird zur Bewertung des Antriebsstrangs im Hinblick auf Leistung und Energieeffizienz, Komponentengröße, Technologiepakete und Betriebsstrategie verwendet.
FEVs Systemsimulations-Toolchain umfasst außerdem die mathematische Optimierung der Betriebsstrategie zusammen mit dem ausgewählten Fahrzyklus mittels diskreter dynamischer Programmierung (DDP).
Auswirkungen auf das Systemdesign
Während der Konzeptphase eines Entwicklungsprogramms für Hybridfahrzeuge müssen im Hinblick auf das Hybrid-Layout mehrere Details festgelegt werden. Je nach Integrationsaufwand, Kostenziel, Synergien mit anderen Plattformen und Anforderungen zu Startkomfort, Leistung, Effizienz oder Kaltstartfähigkeit muss die passendste Lösung definiert werden. Die Auswahlkriterien werden von einer dedizierten Messkampagne und Simulationsaktivitäten unterstützt.
Da der P2-Elektromotor den Motor starten kann, ist ein zusätzlicher Anlasser nicht unbedingt erforderlich. Wenn jedoch nur der P2 zum Motorstart verwendet wird, kann bei Hochlastbetrieb des Elektromotors entweder ein Beschleunigungsabfall während des Starts auftreten oder es muss eine Kraftreserve für den Start des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Diese Nachteile können mithilfe eines zusätzlichen Anlassers vermieden werden.
Die günstigste Anlassvorrichtung ist ein 12 Volt-Ritzelanlasser, der alle Anforderungen für einen zuverlässigen Motorstart und insbesondere den Kaltstart erfüllt. Riemengetriebene Vorrichtungen sind am besten zur Erfüllung der höheren Anforderungen zu NVH und Startkomfort sowie bei Szenarien in Bezug auf Meinungsänderungen geeignet. Riemengetriebene HV-Starter-Generatoren können je nach Verfügbarkeit der modularen Komponenten, maximaler Ausgangsleistung und Energiereserve der Hochspannungsbatterie ebenfalls geeignet sein.
Im Verlauf der Studie untersuchte FEV wiederholte Beschleunigungen des Fahrzeugs im elektrischen und hybriden Fahrmodus.
Da der P2-Elektromotor den Motor starten kann, ist ein zusätzlicher Anlasser nicht unbedingt erforderlich.
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FEV AIRRATE
Berührungslose Messung der Ansaugluft auf Motorenprüfständen
Berührungslose Messung der Ansaugluft auf Motorenprüfständen
Deutlich gestiegene Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrennungsmotoren machen genauere Maßnahmen zur Verbrauchs- und Emissionsminderung erforderlich. Jede Änderung am Motor muss im Prüfstand auf ihre Auswirkungen u.a. auf Emissionen und Kraftstoffverbrauch untersucht werden. Hierbei spielt die genaue Messung der Ansaugluftmenge im Motoransaugtrakt eine wichtige Rolle. Zu diesem Zweck hat FEV das FEV-AirRate entwickelt, das nun in einer optimierten und vollständig überarbeiteten Version erhältlich ist. Das AirRate dient zur berührungslosen Messung von Volumenstrom, Druck, Feuchte und Temperatur der Ansaugluft auf Motorenprüfständen. Aus diesen Parametern wird der Luftmassenstrom in kg/h berechnet und ausgegeben.
Hohe Messgenauigkeit
Das Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren mit 8 Ultraschallsensoren in vier Messpfaden ermöglicht eine sehr hohe Messgenauigkeit über den gesamten Messbereich. Die extrem schnelle Ansprechzeit des Systems sichert auch bei hochdynamischen Vorgängen im Ansaugtrakt eine reproduzierbare Luftmengenmessung. Durch den sehr niedrigen Druckverlust in der Messstrecke des AirRates wird das Motorverhalten nicht beeinflusst. Aufgrund der großen Messbereichsspreizung der Messsysteme AirRate 100 und AirRate 150 kann der komplette Bereich von Einzylindermotoren bis hin zu Nutzfahrzeugmotoren mit nur zwei Gerätegrößen erfasst werden.
Kompaktes Design in nur einem Gehäuse
Das AirRate hat einen sehr geringen Platzbedarf; aufgrund des kompakten Designs ist die gesamte Messtechnik in nur einem Gehäuse untergebracht. Eine separate Verdrahtung von Messeinheit und Ausgabeeinheit entfällt.
Durch den im Gerät integrierten Strömungsgleichrichter werden Verwirbelungen der Ansaugluft wirksam reduziert und das System kann dadurch ohne Verlängerung der Einlaufstrecke beispielsweise unmittelbar hinter einem Rohrbogen eingebaut werden. Eine Integration in Prüfstände, mit oder ohne Ansaugluftkonditionierung, ist dadurch sehr leicht möglich; ebenso eine kurzfristige Umrüstung für den Betrieb mit oder ohne AirRate.
Übersichtliche Bedienung
Besonderes Augenmerk wurde bei der Neuentwicklung auf eine Erhöhung der Messfrequenz sowie eine einfache und übersichtliche Bedienung gelegt.
Im Vergleich zum Vorgängergerät wurde die Messfrequenz mehr als verdoppelt; zusätzlich zur Druck und Temperaturmessung ist jetzt zur Massenbestimmung eine Feuchtemessung im Gerät integriert. Das Vier-Pfad-Design mit insgesamt acht Titan-Ultraschallsensoren gewährleistet eine sehr hohe Messgenauigkeit auch bei schwierigen Strömungsverhältnissen. Zusätzlich erfolgt ein Plausibilitätscheck zwischen den Pfaden, sodass der Drift eines Pfades detektiert und gemeldet werden kann. Aufgrund der Pfadkompensations-Funktionalität kann der Ausfall eines kompletten Pfades – ohne Einschränkung der Messgenauigkeit – vom Gerät kompensiert werden.
Die Bedienung des AirRates erfolgt über das 7“-Touchdisplay mit gut ablesbaren Grafikelementen, über den Webbrowser oder über das WiFi-Interface. Insbesondre letzteres ermöglicht eine sehr leichte Bedienung und Einstellung selbst bei schwierigen und unzugänglichen Einbauverhältnissen – beispielsweise mithilfe eines Smartphones.
Alle Einstellungen sind passwortgeschützt; ein unberechtigtes oder versehentliches Verstellen der Parameter ist dadurch ausgeschlossen. Die Bedienoberfläche sowie die Webmenüs sind mehrsprachig verfügbar und durch den Betreiber erweiterbar.
Geringer Wartungs- und Kalibrierungsaufwand
Neben dem Stromausgang (4 bis 20 mA) steht jetzt auch ein Spannungsausgang (0 bis 10 V) zur Verfügung. Die serielle Schnittstelle mit AK-Protokoll ist voll kompatibel zur bisherigen Version. Ein einfacher Austausch ist somit möglich, da auch die mechanischen Anschluss-Maße beibehalten wurden. Neben der seriellen Schnittstelle ist das AK-Protokoll ebenso über TCP/IP verfügbar.
Die eingesetzten Druck-, Temperatur- und Feuchtesensoren kommunizieren alle über ein digitales Busprotokoll. Hierdurch können sie im Fehlerfall leicht gegen die werksseitig kalibrierten Ersatzteile ausgetauscht werden, eine Neukalibration des Gerätes ist in diesem Fall nicht notwendig.
Das Kalibrierintervall des AirRates liegt bei zwei Jahren und ist somit signifikant besser als bei vergleichbaren Heißfilmmessgeräten mit nur sechs Monaten Kalibrierintervall. Auf Wunsch ist eine DAkkS-Kalibrierung des AirRates möglich.
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Validierung vernetzter Fahrzeuge 2.0
FEV-TST: Frühzeitige Validierung von vernetzten Fahrzeugsystemen und Cybersicherheit
FEV-TST: Frühzeitige Validierung von vernetzten Fahrzeugsystemen und Cybersicherheit
Fahrzeug-Apps, Smartphone-Verbindungen, GPS, Bluetooth, WiFi, 4G/LTE und bald auch 5G sind nur einige der Vernetzungsfunktionen in modernen Fahrzeugen: Das „Vernetzte Fahrzeug“ ist nicht länger eine Vision, sondern eine Realität und damit gehen auch beträchtliche Komplexität und Herausforderungen (z. B. Cybersicherheit) für die Integration all dieser Funktionen in das Smart Vehicle-Ökosystem einher. Als führender Entwicklungsdienstleister begleitet FEV diese Technologien bereits seit ihren ersten Tagen und verfügt so über einzigartiges Know-how von der Entwicklung, Implementierung, Integration bis hin zur Validierung. FEV hat zur Unterstützung dieser unterschiedlichen Programmentwicklungszyklen bzw. -stufen den sogenannten „Telematics System Tester“ (FEV-TST) entwickelt, der selbst in den ganz frühen Entwicklungsphasen zu einem wichtigen Werkzeug für die Integration und Validierung zunehmend komplexer, vernetzter Fahrzeugkomponenten und -systeme geworden ist. Das Testsystem ermöglicht es, alle relevanten Komponenten, Anwendungen, Signale und Daten von vernetzten Fahrzeugen in einer kontrollierten Umgebung zu simulieren und auch aufgezeichnete Szenarien zu reproduzieren. Nach dem erfolgreichen Abschluss von mehreren Serienfertigungsprojekten zur Entwicklung, Integration und Validierung mit vernetzten Fahrzeugen zeigen die Projektergebnisse: Der FEV-TST reduziert Zeit und Aufwand um bis zu 30 Prozent, was gerade vor dem Hintergrund zunehmend kürzerer Innovationszyklen wichtig ist. Des Weiteren werden mithilfe dieser Testsystemplattform enorme Vorteile bei Dauer- und Regressionsprüfungen für u. a. Cybersicherheit erzielt.
„Im Fahrzeug von heute und ganz sicher im Smart Vehicle von morgen ist die Vernetzung ein absolutes Muss, auf das nicht nur die Telematik- und Infotainmentsysteme zurückgreifen, sondern auch die kommenden Funktionen zum autonomen Fahren. Die Vernetzung wird Smart Vehicles möglich machen und dank ihrer Zuverlässigkeit können OEMs eine breite Palette zusätzlicher Anwendungen für den Fahrer und die Gesellschaft als Ganzes anbieten“, erklärt Stephan Tarnutzer, Vice President Electronics und Leiter des globalen Center of Excellence „Smart Vehicle“ bei FEV. „Das Fahrzeug der Zukunft wird Teil des Internet der Dinge sein, Terrabytes von Daten beitragen und beim Fahren große Datenmengen aus unterschiedlichen Quellen erhalten oder verarbeiten – sowohl von innerhalb und ganz sicher auch von außerhalb des Fahrzeugs.“ Aus diesem Grund müssen Systeme vernetzter Fahrzeuge in einem „End-to-End“-Kontext mit einem vernetzten Systemdenken und einer entsprechenden Methodik validiert werden. Das Fahrzeug ist nur ein Teil dieses Systems. Neben den „standardmäßigen bzw. traditionellen“ Fahrzeugfunktionen müssen alle anderen Dienste und Kommunikationsstrukturen sowie alle Komponenten außerhalb des Fahrzeugs (Cloud, Backend, Apps usw.) bei der Validierung berücksichtigt werden. Eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit dem vernetzten Fahrzeug ist die Cybersicherheit, für die täglich neue Bedrohungen thematisiert und validiert werden müssen. „Eine Systemvalidierung, die allen diesen Gesichtspunkten gerecht wird, kann nur durch den Einsatz automatisierter Testsysteme erfolgreich gemeistert werden. Ansonsten wäre die Aufgabe überwältigend und es gäbe nicht genügend Personal, um diese Arbeit manuell, zuverlässig und konsistent auszuführen“, resümiert Tarnutzer.
>> MODERNE SMART VEHICLES SIND MIT BIS ZU 100 STEUERGERÄTEN AUSGESTATTET, DEREN SOFTWARE ZUSAMMENGENOMMEN MEHR ALS 100 MILLIONEN CODEZEILEN UMFASST UND DIE NAHEZU EIN TERABYTE DATEN GENERIEREN
Komplexe vernetzte Fahrzeugsysteme
Mit der FEV-TST-Plattform ist es möglich, die relevanten Signale und Daten in einer kontrollierten Umgebung zu simulieren oder aufgezeichnete Szenarien zu reproduzieren. Hierzu zählen die Fahrzeug-Kommunikationsbusse, das Mobilfunknetz, GPS, Bluetooth und WiFi genauso wie die Nachbildung von Smartphone-Apps, die Verbindung zum Internet für Backend-Dienste, die zur Entwicklung der erforderlichen Anwendungsfälle für das vernetzte Fahrzeugsystem notwendig sind und für die End-to-End-Prüfung verwendet werden. Der FEV-TST kann außerdem unterschiedliche Szenarien für Mobilfunknetz- und GPS-Signale simulieren. So können beispielsweise der Einfluss schwacher Satellitensignale oder Übergabeszenarien für zelluläre Signale von Mast zu Mast bereits im Labor beurteilt werden. „Mit FEV-TST kann das zu testende vernetzte System einfach und in kürzester Zeit mit hunderten unterschiedlicher Szenarien in einer kontrollierten Umgebung validiert und bewertet werden“, so Tarnutzer. „Eine zusätzliche Back-Office-Anwendung bildet eine simulierte Informationskette ab, z. B. den Datenfluss eines Türöffnen-Befehls vom Smartphone über das Backend bis zur Telematikeinheit und den CAN-Bus des Fahrzeugs.“
Die neueste Ergänzung der FEV-TST-Plattform ist auf die Automatisierung verschiedener Prüfungen im Zusammenhang mit der Cybersicherheit ausgerichtet und umfasst mehrere, dem Branchenstandard entsprechende Werkzeuge gegen Cyberangriffe durch die zahlreichen, im Fahrzeugen vorhandenen Angriffsvektoren (d. h. Bluetooth, WLAN, CAN usw.), die auf dem TST simuliert werden. Das FEV-System ermöglicht die Automatisierung der Prüfungen und Validierung im Zusammenhang mit der Cybersicherheit, was während der Entwicklung sowie der Regressionsprüfung äußerst hilfreich ist. Der TST reduziert nachweislich den manuellen Prüfaufwand im Zusammenhang mit derartigen Aktivitäten um über 50 Prozent und ermöglicht so den Einsatz von Ressourcen für andere Prüfarten.
Frühzeitige Entwicklung
Allein die Connectivity-Systeme moderner Fahrzeuge bestehen in der Regel aus über fünf verschiedenen Komponenten unterschiedlicher Zulieferer. Häufig sind nicht alle dieser Komponenten zum gleichen Zeitpunkt in der Entwicklungsphase für Integrations- und Validierungsprüfungen verfügbar. Der FEV-TST kann zur Unterstützung der Entwicklungsbemühungen sowie zur Prüfung und Validierung von Prozessbeginn an eingesetzt werden. Er kann so konfiguriert werden, dass er das echte System realitätsnah abbildet und schnell Anforderungen für jede dieser Komponenten verifiziert. Der TST kann bei den Aufgaben bezüglich Cybersicherheit in einem Entwicklungsprogramm ebenfalls von Anfang an unterstützend wirken und Implementierungslücken bezüglich Cybersicherheit in Komponenten frühzeitig identifizieren.
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Mit FEV die zunehmende Elektronik in Fahrzeugen beherrschen
Das FEV Center of Excellence „Smart Vehicle“
Das FEV Center of Excellence „Smart Vehicle“
Die Funktionen der Smart-Vehicle-Programme der nächsten Generation stellen eine beträchtliche Herausforderung für die Automobilindustrie dar. OEMs liefern sich ein Rennen bei der Entwicklung von Systemen, die eine zuverlässige und effiziente Integration von fahrzeug- und Cloud-basierten Ökosystemen erlauben. FEV verfügt über das Wissen und die Erfahrungen, diese Kundenbedürfnisse und -erwartungen zu erfüllen und kann gleichzeitig eine kosteneffektive und zuverlässige Lösung anbieten. Hierzu bietet FEV nicht nur Expertenwissen und Fachkompetenz, sondern zusätzlich den branchenneuen Einsatz von echten HiL-Systemen für Smart Vehicles. Anfang 2017 hat FEV das globale Center of Excellence (CoE) „Smart Vehicle“ gegründet. Ziel ist es FEVs Kapazitäten in den Bereichen Infotainment, Telematik, fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren zu konzentrieren und zu erweitern. Dazu gehören auch Schlüsselthemen wie funktionale Sicherheit und Cybersicherheit. Jede Generation der Fahrzeugelektronik stellt Produktteams vor die Herausforderung, neue Wege zum Umgang mit einem alten Branchenparadox zu finden: die Entwicklung neuer Features und Funktionen in einer kürzeren Zeitspanne und zu geringeren Kosten. Dies gilt verstärkt im Zusammenhang mit Smart Vehicles, die wie keine zweite Disziplin eine Entwicklung durch weltweite verteilte Teams fordert. Erschwerend kommt hinzu, dass die Arbeit in einem flexiblen Entwicklungsumfeld stattfindet, dessen Anforderungen und Standards in vielen Fällen nicht mehr als eine Richtlinie sind. Das dargestellte Szenario zeigt, warum die Rolle des Systemintegrators so wichtig für den Erfolg von Smart Vehicle-Programmen ist. Erfahrung in allen Phasen der Produktentwicklung hat FEV zum Marktführer in dieser Disziplin gemacht. FEV nutzt leistungsstarke, über lange Jahre weiterentwickelte Prüfwerkzeuge, um die Design- und Engineering-Kapazitäten bei Prüf- und Integrationsdiensten zu unterstützen. „Mit unseren Prüfplattformen wie dem Human Machine Interface Test System oder dem Telematics System Tester haben wir einen entscheidenden Vorteil, um die Ursachen von Mängeln aufzudecken“, erklärt Stephan Tarnutzer, Vice President Electronics bei FEV North America und Leiter des globalen Center of Excellence „Smart Vehicle“. „Diese Werkzeuge werden im internationalen Zusammenspiel von Experten verschiedener Fachrichtungen entwickelt. Beim Auftreten neuer Mängel können sie so zur raschen Charakterisierung und Identifizierung von deren Ursachen neu konfiguriert werden.” Mehrstufige Herangehensweise zur effizienten Integration einer Telematiklösung im Rahmen eines übergreifenden Smart Vehicle-Ökosystems: Stufe 1: Spezifikationsentwicklung Kooperative Workshops mit Kunden zur Entwicklung robuster Telematikanforderungen, d. h. TCU, TSP, Funktionsimplementierung, Cybersicherheit, funktionale Sicherheit usw. Stufe 2: Projektplanung Zusammen mit Kunden Bemühungen zur Erstellung der zeitlichen Programmsteuerung und von Meilensteinen. Stufe 3: Projektinitiierung Kickoff mit Anbieter/Erwartungen, Entwicklung der Prüfmethode usw. Stufe 4: Systemintegrationsdienste End-to-End-Prüfstandstests und Modellierung, Fahrprüfungen, Ursachensuche bei Mängeln usw.
FEV hat ein fortschrittliches, automatisiertes HMI-Prüfsystem entwickelt, das eine durchgehende Validierung von Multi-Media Diensten ermöglicht, die durch Telematik aktiviert werden. Das Smart Vehicle Prüfzentrum der FEV nutzt robuste Telematics System Tester (TST), die das „vernetzte Fahrzeug“ in einer Laborumgebung simulieren.
Hürden für ein erfolgreiches Programm
So führt die Integration von Lösungen für die Vernetzung oder fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme von unterschiedlichen Zulieferern unausweichlich zur Identifizierung von Inkompatibilitäten zwischen Komponenten und Systemen. Das Problem wird noch weiter durch die Kompromisse verkompliziert, die oftmals in der Entwicklungsphase für die Anforderungen eines Projekts eingegangen werden. So finden sich OEMs und Zulieferer aufgrund näher rückender Fristen oft in der wenig beneidenswerten Position, darum feilschen zu müssen, wer am „wenigsten im Unrecht“ ist.Erwiesene Marktführer bei Integrationsdiensten für Smart Vehicles
Die Systemintegrationsprozesse und -tools ermöglichen es, dass Teammitglieder unterschiedlicher Anbieter an einem Projekt zusammenarbeiten. Der Schlüssel zu diesem Dienst liegt im Projektmanagement- und den Fach-Experten, die über umfassende Erfahrung sowohl mit Smart Vehicle-Komponenten als auch -Systemen verfügen. Diese arbeiten synergistisch zusammen mit Experten aus den Bereichen Software-Entwicklern bis hin zur Validierungstechnik. So können technische Probleme verstanden und deren Auswirkungen an weitere Stakeholder kommunizuiert werden.Beispiele der Anwendungsmöglichkeiten dieser Prozesse sind unter anderem:
Leistungsfähige Testwerkzeuge
Als Turnkey-Dienstleister für Systemintegrations- und Validierungsprojekte können sich FEVs Projektmanagement- und Validierungsteams auf die internen Entwicklungsteams für eingebettete Hardware- und Software zurückgreifen. Bei der Beratung zu tiefgehenden Problemen, die das größte Risiko für die zeitliche Programmsteuerung darstellen, ist diese interdisziplinäre Herangehensweise entscheidend.
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FEV macht Software-Qualität messbar
Metrikbasierte Strategien für die Qualitätssicherung von eingebetteter Fahrzeug-Software
Metrikbasierte Strategien für die Qualitätssicherung von eingebetteter Fahrzeug-Software
Die Digitalisierung und der hohe innovative Anspruch treiben wichtige zukünftige Technologien in der Automobilbranche voran. Mit zunehmender Komplexität von Software gehen strengere Qualitäts- und Sicherheitsstandards einher. Ressourceneinschränkungen bei Projekten limitieren jedoch die für Qualitätssicherung (QS) aufgebrachte Zeit. Aus diesem Grund hat FEV eine maßgeschneiderte, optimierte QS-Strategie entwickelt, um die Effizienz und Qualität in Softwareprojekten nachweislich zu verbessern. Die Auswirkung strategischer Entscheidungen auf die Qualität der resultierenden Software wurde anhand von Daten aus 13 Kundenprojekten untersucht. Das Ergebnis: ein besseres Verständnis, wie hohe Qualität erreicht und sinnvoll quantifiziert werden kann.
>> ES WURDEN DATEN AUS 13 PROJEKTEN ZU FAHRZEUGSOFTWARE ANALYSIERT
Der Schwerpunkt der FEV-Forschung liegt auf zwei Hauptthemen: Erstes Ziel ist es, die Qualität eines Softwareprodukts mithilfe geeigneter Metriken zu analysieren, zu formalisieren und zu erfassen. Das zweite Ziel liegt darin, die Einflüsse bestimmter Eigenschaften der Qualitätssicherungsstrategie auf die Ergebnisse eines Projekts zu identifizieren.
Ein pragmatischer Ansatz zur Definition der Qualität eines Softwareprodukts ist dessen Aufteilung in intrinsische und extrinsische Aspekte. Die extrinsische Qualität wird oftmals anhand der Kundenzufriedenheit beurteilt, während intrinsische Qualität am besten mithilfe etablierter Produktqualitätsmodelle, wie dem in der ISO 25010 definierten Modell, quantifiziert werden kann.
Schwerpunkt der Studie
Für die erste Studie schränkte FEV den Untersuchungsumfang auf bestimmte, von der ISO 25010 vorgeschlagene Eigenschaften ein. Dann wurden mithilfe einer Reihe von Metriken bestimmte Qualitätseigenschaften quantifiziert. Dabei wurden vor allem die Anforderungskonformität und das Restfehler-Verhältnis berücksichtigt.
Zur Validierung der Korrelation zwischen Metrik und tatsächlicher Produktqualität und zur Identifizierung von Beziehungen zu bestimmten QS-Strategien wurden Daten von 13 Projekten zu Fahrzeugsoftware erfasst und analysiert. Bei der Analyse wurden statistische Modelle, wie Korrelationskoeffizienten und ANOVA (Analysis of Variance, Varianzanalyse), berücksichtigt.
Ergebnisse
Die Studie hat gezeigt, dass die Kundenzufriedenheit stark mit sowohl der Anforderungskonformität (positive Korrelation) als auch dem Restfehler-Verhältnis (negative Korrelation) korreliert, was auf eine signifikante lineare Beziehung zwischen diesen Metriken hinweist.
Wir treffen die realistische Annahme, dass intrinsische und extrinsische Produktqualität ebenfalls stark miteinander korrelieren. Dann sind beide Metriken – Anforderungskonformität und Restfehler-Verhältnis – geeignete Indikatoren für die intrinsische Produktqualität, da die Kundenzufriedenheit in der Literatur als das Hauptmerkmal für extrinsische Qualität betrachtet wird.
Ausblick
Zuletzt wurden die Auswirkungen verschiedener Qualitätssicherungsstrategien auf die Projektergebnisse analysiert, indem zunächst die angewendeten Prüfmethoden begutachtet und dann die Beziehung zwischen diesen Eigenschaften und den identifizierten Qualitätsindikatoren untersucht wurden. Die ersten Ergebnisse in diesem Bereich sind vielversprechend und FEV ist zuversichtlich, dass in kommenden Projekten auf dieser Basis eine effektive und effiziente QS-Strategie abgeleitet werden kann.
Relevante Eigenschaften des Softwareprodukts und beurteilte Metriken.
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Fokus auf Wiederverwendbarkeit
Verbesserung der agilen Entwicklung von Fahrzeug-Software-Produktlinien mittels Ähnlichkeitsanalyse
Verbesserung der agilen Entwicklung von Fahrzeug-Software-Produktlinien mittels Ähnlichkeitsanalyse
In der Automobilindustrie wachsen die Komplexität der Softwarefunktionen und die geforderten Qualitätsnormen, wie z. B. CMMI und ISO 26262, weiterhin. Gleichzeitig werden immer kürzere Release-Zyklen erwartet. Zudem wandelt sich das Fahrzeug immer mehr zu einem intelligenten Gerät, das in der Lage ist, mit seiner Umgebung zu interagieren und autonom zu reagieren. Folglich erhalten weitere Aspekte, wie Sicherheit oder Datenschutz, eine höhere Priorität. Dieses aktuelle Szenario ist ein gutes Beispiel für die häufig wechselnden und kaum vorhersehbaren Anforderungen der heutigen Automobilindustrie. PERSIST (Powertrain Control Architecture Enabling Reusable Software Development For Intelligent System Tailoring / wiederverwendbare Antriebsstrang-Steuerarchitektur-Software-Entwicklung zur Gestaltung intelligenter Systeme) von FEV wurde gegründet, um vorläufige Antworten auf diese Fragen zu geben. Dieser Ansatz stellt agile Methoden bereit, die flexible Reaktionen auf Änderungen bei den Anforderungen ermöglichen. So lassen sich die Dauer eines Entwicklungszyklus reduzieren und die Qualitätsrisiken prognostizieren, die mit kontinuierlicher Integration verbunden sind. Die Etablierung und die Pflege einer Software-Produktlinie (SPL) gehen im Arbeitsalltag eines Lieferanten mit mehreren gleichzeitig ablaufenden Projekten einher. Daher ist ein Ansatz erforderlich, der es den Projektteams erlaubt, sich auf die Implementierung des benötigten Produkts zu konzentrieren. Gleichzeitig müssen die Etablierung und die Pflege einer Software-Produktlinie mit minimalem Aufwand erfolgen. Durch gezielte Zusammenarbeit zwischen der agilen Softwareentwicklung (Agile Software Development, ASD) und dem Software-Produktlinien-Engineering (Software Product Line Engineering, SPLE) entsteht das leistungsfähige, agile Software-Produktlinien-Engineering (Agile Software Product Line Engineering, APLE). FEV hat eine SPL-Entwicklungsmethode entwickelt, die während der täglichen Projektarbeit wichtiges Feedback für die SPL zur Verfügung stellt und gleichzeitig die zusätzliche Projektarbeit auf ein Minimum reduziert. Die Methode erfordert keine langfristigen Entscheidungen, hält die SPL auf dem neuesten Stand und identifiziert neues Potenzial für wiederverwendbare Komponenten, falls erforderlich. Die wichtigsten, in diesem Verfahren verwendeten, Entwicklungsartefakte sind die Referenzarchitektur, Projektarchitektur, Komponentenspezifikation, Testfälle und die Komponentenimplementierung. Die vorgeschlagene Methode folgt einem komponentenbasierten Project-First-Ansatz: Dies bedeutet, dass das wichtigste Element in der Software-Architektur eine Komponente ist, und dass alle Spezifikationen für eine Komponente zuerst während der Projektentwicklung definiert werden. Eine Komponente gilt nur als in allgemeinerer Weise neu entwickelt, wenn nachgewiesen werden kann, dass eine entsprechende Nachfrage vorhanden ist und eine allgemein genutzte Komponente eine realistische Möglichkeit in mehreren Projekten ist. AE (Application Engineering, Anwendungstechnik) wird den größten Nutzen aus einer bereits etablierten Produktlinie ziehen, und aus Komponenten, die gegenwärtig in verschiedenen Projekten entwickelt werden, ohne eine Verlangsamung durch die Abhängigkeit von allgemein genutzten Komponenten.
>> DIE METHODE FOLGT EINEM KOMPONENTENBASIERTEN PROJECT-FIRST-ANSATZ
Software-Produktlinien-Entwicklung mit Fokus auf die Anwendungstechnik
Schrittweiser Prozess
1 Im ersten Schritt wird eine neue Komponente mittels eines ersten Entwurfs der Schnittstelle mit der damit verbundenen funktionalen Beschreibung definiert.
2 Ihre Position in der Software-Architektur wird unter Berücksichtigung der SPL-Referenzarchitektur beurteilt. Komponenten sind bei PERSIST hierarchisch in einer Reihe von Anordnungen gruppiert. Wenn eine geeignete Komponente identifiziert werden kann, die der angegebenen Komponente scheinbar ähnlich oder mit dieser identisch ist, werden der Name und die Position der Komponente an die Referenzarchitektur angepasst. Dies ist der erste Schritt, in dem die SPL die Projektentwicklung unterstützt. Komplexe Architektur-Entscheidungen können oft durch frühere Erfahrungen unterstützt werden, die in der Referenzarchitektur gespeichert sind.
3 Wenn die Komponente nicht zugeordnet werden kann, muss eine spezifische Position in der Software-Architektur des Projekts definiert werden.
4 In diesem Schritt wird die Entscheidung aus Schritt 3 durch das SPL-Team neu bewertet, um falsch-negative Ergebnisse zu vermeiden.
5 Wenn die Komponente nicht zugeordnet werden kann, wird die vollständige Implementierung von Grund auf durchgeführt. Die neue Komponente wird der Referenzarchitektur hinzugefügt, nachdem ihre Position festgelegt wurde. Wenn die im Rahmen des Projektes spezifizierte Komponente einer Komponente zugeordnet werden kann, wird eine extrinsische Gleichheit in Bezug auf die Referenzarchitektur etabliert.
6 Diese Verbindung kann nicht nur verwendet werden, um die in der Entwicklung befindliche Komponente mit allgemein genutzten Komponenten der SPL zu vergleichen, sondern auch, um sie mit anderen einzelnen, extrinsisch gleichen Komponenten aus verschiedenen Projekten zu vergleichen.
Darüber hinaus können weitere Analysen hinsichtlich Struktur (Schnittstellen) und Semantik (Testfälle, Funktionsmodelle) durchgeführt werden.
7 Wird ein Kandidat mit einer Ähnlichkeit von weniger als 100 Prozent identifiziert, kann das Projektteam diesen zur Finalisierung der eigenen Spezifikationen verwenden, und die Implementierung kann auf den zur Verfügung gestellten Entwicklungsartefakten basieren.
Das Projektteam unternimmt keine zusätzlichen Anstrengungen zur Implementierung einer wiederverwendbaren Komponente, die in der Lage ist, die Anforderungen von beiden oder weiteren ähnlichen Komponenten zu erfüllen. Die identifizierten Ähnlichkeiten dienen nur zur Beschleunigung der Projektentwicklung.
8 In einem parallelen Schritt bewertet das SPL-Team, ob die identifizierten Ähnlichkeiten ausreichend Potential für eine allgemein genutzte, wiederverwendbare Komponente bieten. Basierend auf der Anzahl der ähnlichen Komponenten und dem Grad der Ähnlichkeit auf struktureller und semantischer Ebene muss eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob die Komponente auf Grundlage einer ähnliche Komponente [7] zu implementieren ist oder ob mit Schritt [9] fortgefahren werden soll: Wenn das Potenzial hoch genug ist, wird das SPL-Team eine allgemein genutzte Komponente implementieren, die dann in weiteren Projekten wiederverwendet werden kann.
9 Die vorgeschlagenen Schritte gewährleisten, dass die Projektteams nur solche Komponenten spezifizieren, die so nahe wie möglich an der bereits etablierten Referenzarchitektur sowie an den verfügbaren Komponenten liegen. Im besten Fall können allgemein genutzte Komponenten direkt wiederverwendet werden. Darüber hinaus können alle Ableitungen von der Referenzarchitektur automatisch erkannt und der Grad der Variation bewertet werden. Somit können die potenzielle Degeneration einer etablierten Produktlinie kontinuierlich beobachtet und die Synchronisation zwischen Produkt und Produktlinie iterativ durchgeführt werden.
Bewertung
Die Aktivitäten 1 bis 5 sind bereits gut etabliert, die notwendige Automatisierung für die Aktivitäten 6 bis 8 befindet sich derzeit in der Finalisierungsphase. Allgemein genutzte Komponenten, die in mehreren Projekten verwendet werden, wurden zwar bereits etabliert, basieren jedoch immer auf intensiven manuellen Prüfungen oder einem proaktiven Ansatz. Die Möglichkeit, eine beliebige Referenzarchitektur während der Spezifikation einer neuen Komponente zu untersuchen, wird nicht als zusätzlicher Aufwand betrachtet. Vielmehr bietet die Referenzarchitektur hilfreiche Informationen für Architektur-Entscheidungen.
Gemäß dem aktuellen Status besteht die Referenzarchitektur aus 219 Komponenten, wobei 125 Komponenten (57 Prozent) kein extrinsisch gleiches Gegenstück haben. 94 Komponenten (43 Prozent) der Referenzarchitektur gehören zu mehr als einem Projekt und 61 dieser Komponenten (28 Prozent) sind ebenfalls Teil von mindestens drei Projekten.
Methode für agile Software-Produktlinien-Entwicklung: Die farbig hervorgehobenen Aktivitäten werden vom SPL-Team durchgeführt; die Aktivitäten ohne Hintergrund werden im Verlauf der Projekte durchgeführt
>> DIE POTENZIELLE DEGENERATION EINER ETABLIERTEN PRODUKTLINIE KANN KONTINUIERLICH BEOBACHTET WERDEN, UND DIE SYNCHRONISATION ZWISCHEN PRODUKT UND PRODUKTLINIE KANN ITERATIV DURCHGEFÜHRT WERDEN
Schlussfolgerung
Der vorgeschlagene Ansatz ermöglicht es, die projektorientierte Implementierungsarbeit direkt im Projekt zu realisieren, ohne dabei auf die Vorteile einer entsprechenden SPL zu verzichten. Jedes Projektteam kann von der etablierten Referenzarchitektur profitieren und seine Architektur-Entscheidungen somit beschleunigen, während die Ähnlichkeitsanalyse zusätzliche Grundlagen für die tatsächliche Implementierung bieten kann.
>> DER ANSATZ ERMÖGLICHT ES, DIE PROJEKTORIENTIERTE IMPLEMENTIERUNGSARBEIT DIREKT IM PROJEKT ZU REALISIEREN, OHNE DABEI AUF DIE VORTEILE EINER ENTSPRECHENDEN SPL ZU VERZICHTEN
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Kostenentwicklung von E-Fahrzeugen unter zukünftigen Marktbedingungen
Marktstudie- und Kostenanalyse zu Elektro-, Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen
Marktstudie- und Kostenanalyse zu Elektro-, Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen
Der Anteil von batteriebetriebenen Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeugen („xEV-Fahrzeuge“) an den Neufahrzeugverkaufszahlen liegt lediglich bei ungefähr einem Prozent und damit – aus europäischer Marktperspektive – weit unter den Erwartungen. In Deutschland beträgt der xEV-Marktanteil sogar nur 0,6 Prozent, was etwa 25.000 verkauften Fahrzeugen im Jahr 2016 entspricht. Damit liegt Deutschland sogar unter dem EU-Durchschnitt. Es wird deutlich, dass die von der deutschen Regierung gewährten Kauf- und Steuervorteile bisher keine große Wirkung gezeigt haben: In den ersten drei Monaten wurden nur 4.500 beantragte Verkäufe zum Abschluss gebracht. Trotz der verhaltenen Marktnachfrage hat sich die Anzahl der öffentlichen Ladestationen für Elektrofahrzeuge zwischen 2015 und 2016 verdreifacht. Vor diesem Hintergrund hat FEV Consulting eine Markt- und Kostenstudie durchgeführt, um die Frage zu beantworten, wie sich die Kosten von Elektrofahrzeugen unter zukünftigen Marktbedingungen – darunter steigende Umsatzvolumina, wachsende Nachfrage nach Rohmaterialien und sich entwickelnde Produktionskapazitäten – verändern werden. Das Hauptziel besteht in der Einschätzung, ob xEV-Fahrzeuge hinsichtlich der Kosten mit konventionellen Fahrzeugen konkurrieren können und welche Art von Antrieb den Markt dominieren wird. Vor dem Hintergrund von Dieselgate, gesetzlichen Vorschriften, Regulierungsdruck und technologischen Fortschritten haben sich alternative Antriebe (beziehungsweise xEV-Fahrzeuge) zu einem Schlüsseltrend in der Automobilbranche entwickelt. Zahlreiche europäische OEMs sind davon überzeugt, dass die kritische Masse für Elektrofahrzeuge bald erreicht sein wird: OEMs und Tier-X-Unternehmen investieren gegenwärtig stark in die Entwicklung ihres Angebots an Elektrofahrzeugen und Komponenten für E-Fahrzeuge. Volkswagen gab vor Kurzem den Startschuss für seine xEV-Plattform (MEB), die die Entwicklung des Kompaktfahrzeugkonzepts „I.D.“ mit einer elektrischen Reichweite von 600 Kilometern zum Ziel hat. Daimler stellte auf der Paris Motor Show eine Studie zu einem elektrisch angetriebenen SUV-Coupé mit der Bezeichnung „Generation EQ“ vor, das auf einer dedizierten E-Architektur basiert. Andere OEMs planen ähnliche Konzepte, darunter reine Elektrofahrzeuge sowie Hybrid- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge mit elektrischen Reichweiten von mehr als 350 km. Zusätzlich zu aufsichtsrechtlichen Anforderungen und gesetzlichen Vorschriften sind auch die finanziellen Auswirkungen für OEMs in den nächsten zehn Jahren derzeit noch nicht klar erkennbar. Die Frage, ob xEV-Fahrzeuge einen erheblichen Marktanteil erringen können, ist zum großen Teil von ihrer zukünftigen preislichen Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu Fahrzeugen mit konventionellen Antrieben abhängig.
Beispielhafte Kostenaufschlüsselung für ausgewählte Brennstoffzellen-Komponenten im Jahr 2025 [in €] Ausgewählte Fahrzeugkonzepte zum Kostenvergleich zukünftiger xEVs
Die xEV-Studie von FEV beantwortet die folgenden Schlüsselfragen:
Methodologie und Annahmen
Für die Studie wurden zum Zweck des Kostenvergleichs mehrere Fahrzeugkonzepte mit alternativem Antrieb und ein konventionelles Kompaktfahrzeug definiert. Zu den ausgewählten Modellen gehörten typische PHEV-, BEV- und FCEV-Kompaktfahrzeug-Konfigurationen. Es wurden drei Szenarien entwickelt, um Unsicherheiten in Bezug auf Markt und Technologie zu reflektieren. Diese Szenarien berücksichtigen bestimmte Marktfaktoren, wie die Entwicklung von Technologiekosten und schwankende Preise für Rohmaterialien. Für alle drei Szenarien wurde eine Reihe von Rahmenbedingungen festgelegt, um einen fairen Kostenvergleich der verschiedenen Konzepte zu ermöglichen.
Für die Kosten-Baseline des Jahres 2016 ausgewählte Rahmenbedingungen:
- Fahrzeugsegment: Kompaktauto
- Baseline-Fahrzeug für den Kostenvergleich hat einen konventionellen Verbrennungsmotor mit Start-Stopp-Automatik und 12 Volt-Elektriksystem
- Geringes Produktionsvolumen für Brennstoffzellenfahrzeuge
- Batteriespezifikationen basierend auf gegenwärtigen Marktkonzepten
Für die Kosten-Prognose für das Jahr 2025 ausgewählte Rahmenbedingungen:
- Fahrzeugsegment: Kompaktauto
- Konventionelles Baseline-Fahrzeug ist ein Mild-Hybrid (MHEV, 48 Volt) mit zusätzlichen 12 kW elektrischer Leistung
- Produktionsvolumen für Brennstoffzellen-EV wurde auf 50.000 Stück erhöht
- Höhere spezifische Energie [Wh/kg]
Beispielergebnisse der Studie
Im Jahr 2016 lagen die Kosten von Plug-In-Hybrid- und batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (PHEV und BEV) ungefähr um ein Drittel höher als die eines konventionellen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor und Start-Stopp-Automatik. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (VCEV) weisen nahezu den fünffachen Preis eines konventionellen Fahrzeugs auf. Die Gründe hierfür sind in beschränkten Umsatzvolumina und hohen Kosten für F&E im Jahr 2016 zu suchen.
Für 2025 wird erwartet, dass sich die elektrische Reichweite von xEV-Fahrzeugen bei einer Kosteneinsparung von ungefähr fünf Prozent nahezu verdoppelt (Allrounder-EV). Im Vergleich zu Mild-Hybrid-Vergleichsfahrzeugen mit 48 Volt-Technologie liegen die Kosten ungefähr 20 Prozent höher. Bei verringerter Reichweite von 300 Kilometern (City-EV) liegen die Kosten hingegen auf gleichem Niveau. Die Kosten für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge mit einer elektrischen Reichweite von ungefähr 800 Kilometern sinken zwar voraussichtlich auf ein Fünftel des heutigen Preises, verbleiben jedoch weiterhin rund 60 Prozent über den Kosten des Baseline-Fahrzeugs für das Jahr 2025 (Mild-Hybrid). Es ist zu erwarten, dass die Batteriekosten für konventionelle OEM-Hersteller aufgrund von Massenproduktion und Verbesserungen bei den Zellentechnologien um 50 Prozent sinken werden. Für die Batteriekapazität eines typischen BEV wird eine beträchtliche Steigerung erwartet – von 36 auf bis zu 70 kWh (500–600 Kilometer). Neben dem Vergleich der Gesamtkosten und der Delta-Analyse der ausgewählten xEV-Fahrzeuganwendungen enthält die Studie auch detaillierte Aufschlüsselungen der Antriebskosten in Bezug auf Schlüsselkomponenten wie Elektromotor, Steuergerät, Batterie, Getriebe usw. Jede Schlüsselkomponente wurde weiter in Hauptkostentreiber aufgeschlüsselt – darunter Materialkosten, Rohteilproduktion und -fertigung sowie Gemeinkosten (FEV-Zielkostenansatz). Unsicherheiten in Bezug auf zukünftige Produktionsvolumen werden in den Szenarien „Konservativ“, „Am wahrscheinlichsten“ und „Progressiv“ in Betracht gezogen.
Auswirkungen auf die Automobilindustrie
Vollelektrische Antriebe sind weit weniger komplex als ihre konventionellen Gegenstücke, da zahlreiche Komponenten eines konventionellen Antriebs nicht mehr notwendig sind. Durch steigende EV-Verkaufszahlen werden neben dem Motor auch Verkäufe von Komponenten wie Einspritzventilen, Kraftstoffpumpen, Filtersystemen und Turboladern negativ beeinflusst. Im Gegenzug nimmt die strategische Bedeutung von neuen Komponenten wie Elektromaschinen, Batterien und Leistungselektronik zu. OEMs müssen künftig entscheiden, welcher Anteil der Wertschöpfung innerhalb und außerhalb des Unternehmens erbracht werden soll. Diese Entscheidung – für die Herstellung oder den Einkauf – wird in starkem Maße durch Faktoren wie beispielsweise Kostenwettbewerbsfähigkeit, schwankende Rohmaterialpreise, Fahrzeugreichweite und die zukünftige Entwicklung der Ladeinfrastruktur beeinflusst. Zulieferer – insbesondere die mit einem Produktangebot, das sich auf konventionelle Antriebe konzentriert – werden in den nächsten 15 Jahren einen grundlegenden Wandel durchlaufen müssen, der in drei Schritte untergliedert werden kann:
BIS ZUM JAHR 2025 KÖNNEN E-FAHRZEUGE MIT EINER REICHWEITE VON 300 KM ZU GLEICHEN KOSTEN WIE VERGLEICHBARE MILD-HYBRIDE REALISIERT WERDEN
Modifizierungen/Änderungen von Antriebskonfigurationen in den nächsten 15 Jahren
1 Heute: Strategische Analyse und Vorbereitung der Neuausrichtung
Obwohl sich die Branche im Umbruch befindet, ist nur minimale Zurückhaltung zu verzeichnen. Einerseits ist der Wandel zur Entwicklung von alternativen Antrieben in den Organisationen von bedeutenden OEMs und großen oder spezialisierten Tier-1-Zulieferern bereits sichtbar. Andererseits befinden sich traditionelle Zulieferer, die auf dem Markt für Verbrennungsmotoren tätig sind, noch in der Vorbereitungsphase.
2 2020: Umsetzung der Neuausrichtung und Übergang
Sobald sich die Marktanteile von xEV-Fahrzeugen erhöht haben, müssen Produkt- und Dienstleistungsangebote neu ausgerichtet sowie Wertschöpfungsketten neu organisiert werden. Die Orchestrierung einer geordneten Reduzierung des traditionellen Geschäfts erfordert eine solide strategische Planung und engagierte Umsetzung. Wahrscheinlich werden zunächst ineffiziente Zulieferer dem Wandel in der Branche zum Opfer fallen und aus dem Markt ausscheiden. Als weitere Folge wird sich der zukünftige F&E-Fokus der OEMs noch deutlicher in Richtung Elektrifizierung und anderer wertschöpfender Produktangebote wie Automatisierung und (digitale) Mobilitätsdienstleistungen verschieben.
3 Ab 2025: Abschluss der Übergangsphase
Die Marktanteile von konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotor werden abhängig vom jeweiligen Szenario erheblich schrumpfen. In einem radikalen Szenario sind bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor Umsatzrückgänge auf 75 Prozent des Niveaus von 2016 denkbar. Einerseits werden als Ergebnis von schrumpfenden Marktvolumina weitere – und sogar noch stärkere – Konsolidierungen der verbleibenden Zulieferer im Bereich von konventionellen Antrieben erwartet. Andererseits werden Marktteilnehmer mit einem frühzeitigen strategischen Fokus auf die Neuausrichtung und den Übergang zu den neuen Rahmenbedingungen für den zukünftigen xEV-Markt und technologischen Wettbewerb gut positioniert sein.
Schrittweiser Wandel für Zulieferer in den nächsten 15 Jahren
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FEV xMOD in der Praxis
Echtzeitsimulation für Hybrid-Antriebsstränge
Echtzeitsimulation für Hybrid-Antriebsstränge
Die Entwicklung der komplexen Hybrid-Antriebsstränge der Zukunft in einem zeitlich angemessenen Rahmen erfordert fortschrittliche Tools und Methoden, die Optimierung deren Effizienz sowie die Verbesserung der frühzeitigen Prognose des Fahrzeugverhaltens. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entschied sich FEV für die Fusion realer und virtueller Welten in einer sogenannten Hybrid-Toolchain. Diese Toolchain für die Entwicklung von Hybridantrieben ist das Ergebnis der langjährigen nachgewiesenen Erfahrung des Unternehmens mit Prüftätigkeiten, ihrer ausgeprägten Kompetenz für die Entwicklung und Bereitstellung wettbewerbsfähiger Prüfsysteme wie MORPHEE sowie dem anerkannten Know-how beim Einsatz von Simulationstools zur Entwicklung fortschrittlicher und innovativer Lösungen. Die drei Schritte umfassende Hybrid-Toolchain ist eine praktische Lösung von der Model-in-the-Loop Frontloading-Phase bis zu den X-in-the-Loop Validierungsphasen (wobei „X“ beispielsweise den Verbrennungsmotor, die Batterie oder den Elektromotor darstellt). FEV schlägt die Verwendung eines dedizierten HiL-Schritts vor, der den nahtlosen Übergang zwischen den MiL- und EiL-Phasen ermöglicht. Die auf diese Weise gebildete Hybrid-Toolchain sorgt für die Optimierung der Entwicklung des hybriden Antriebsstrangs und des Energiemanagementsystems (EMS) und erlaubt die Nutzung der Vorteile von simulationsbasierten Methoden. Diese Hybrid-Toolchain basiert auf xMOD, der fortschrittlichen Co-Simulationsplattform von FEV. Die xMOD-Plattform kombiniert eine Integrationsumgebung für verschiedene heterogene Modelle mit einem virtuellen Prüflabor und bietet eine Reihe unterschiedlicher Funktionalitäten wie Integration von heterogenen Modellen, Schutz der Modellinhalte während des Importvorgangs, virtuelle Instrumente und Automatisierung von Prüfverfahren. Darüber hinaus verfügt xMOD über Simulationsfunktionen in verschiedenen Simulationsmodellen: Echtzeit, verlängerte Zeitdauer oder sobald wie möglich. Diese Funktionen haben sich in MiL-, HiL- und EiL-Umgebungen als sehr nützlich erwiesen. Beim ersten Schritt der Hybrid-Toolchain besteht das Ziel in der Erstellung eines Vollhybrid-Fahrzeugmodells der Zielanwendung und der Integration des Modells in die xMOD-Umgebung. Zu diesem Zweck verwendet FEV herkömmliche, auf dem Markt verfügbare Simulationstools und Software. Das modellierte Fahrzeug ist ein Parallel-Hybrid mit einem automatisierten Schaltgetriebe. Die Simulationen werden mit einem innovativen Ansatz unter Verwendung eines 1D-Modells für die Komponenten des Fahrzeugs und Antriebsstrangs durchgeführt. Fahrzyklus-Sollwerte werden an ein Fahrermodell in Simulink gesendet. Basierend auf diesen Sollwerten erzeugt der Fahrer bestimmte Beschleunigungs- und Bremszielwerte für das Fahrzeugüberwachungssystem sowie Getriebezielwerte für das Schaltgetriebe und die Kupplung. Das Fahrzeugüberwachungssystem interpretiert die Beschleunigungs- und Bremszielwerte und steuert das Energiemanagement der Batterie, die Aufteilung des Drehmoments zwischen Verbrennungs- und Elektromotor sowie die Umschaltung des Antriebsstrangmodus zwischen Elektrofahrzeug (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV). Das Energiemanagementsystem (EMS) ist Teil des Fahrzeugüberwachungsmodells. Das EMS schätzt zunächst die zum Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Leistung und die zur Einhaltung der Ladezustandsstrategie der Batterie erforderliche Energie. Basierend auf diesem Energiebedarf entscheidet das EMS, ob das Fahrzeug entsprechend den vom Anwender wählbaren Leistungsniveaus im EV-Modus oder im HEV-Modus betrieben werden muss. Im EV-Modus wird das gesamte Drehmoment vom Elektromotor erzeugt. Dementsprechend leitet das Fahrzeugüberwachungssystem die gesamten vom Fahrer angeforderten Drehmomentzielwerte an den Elektromotor. Im HEV-Modus wird das angeforderte Drehmoment zwischen dem Elektro- und Verbrennungsmotor aufgeteilt, um die Effizienz des Systems zu optimieren. Das im HEV-Modus angeforderte Drehmoment umfasst nicht nur das vom Fahrer zum Antrieb des Fahrzeugs verwendete Drehmoment, sondern auch das geschätzte Drehmoment, das zur Einhaltung des Ladezustandsziels der Batterie erforderlich ist. Die Integration in xMOD umfasst drei Hauptschritte. Zunächst wird das Hybridfahrzeugmodell in einer Co-Simulationsumgebung mit festgelegten Schritten geprüft, um das Anwendungsverhalten der Plattform zu validieren und zum Abschluss die Echtzeitfähigkeit sicherzustellen. Danach wird das Hybridfahrzeugmodell in mehrere Blöcke aufgeteilt, die unterschiedliche Teile der Virtual Test Bed- und Engine-in-the-Loop-Konfigurationen darstellen: Diese drei „Blöcke“ werden schließlich mit dem xMOD-Ziel zusammengeführt und dann in xMOD integriert. Bei diesem Schritt wird außerdem ein Mensch-Maschine-Interface, auch als Dashboard bezeichnet, erstellt, um die maßgeblichen Variablen anzeigen zu können und Zugriff auf die relevanten Systemparameter zu erhalten. Nach der Erstellung dieser Plattform werden die Fähigkeit des Hybridfahrzeugmodells zur Befolgung des Fahrzyklus sowie das Verhalten des Energiemanagementsystems validiert. Diese drei „Blöcke“ werden schließlich mit dem xMOD-Ziel zusammengeführt und dann in xMOD integriert. Bei diesem Schritt wird außerdem ein Mensch-Maschine-Interface, auch als Dashboard bezeichnet, erstellt, um die maßgeblichen Variablen anzeigen zu können und Zugriff auf die relevanten Systemparameter zu erhalten. Nach der Erstellung dieser Plattform werden die Fähigkeit des Hybridfahrzeugmodells zur Befolgung des Fahrzyklus sowie das Verhalten des Energiemanagementsystems validiert.
Möglichkeiten von xMOD:
Die Hybrid-Toolchain von FEV
Die Hybrid-Toolchain in der Praxis
Energiemanagementsystem
Integration in die xMOD-Plattform
Set-up des virtuellen Prüfstands
Nachdem die erste xMOD-Simulationsplattform des Hybridfahrzeugs erstellt wurde, wird der 2. Schritt, der als Virtual Test Bed (VTB) bezeichnet wird, relevant. Dieser Schritt umfasst die Verbindung der xMOD-Simulationsplattform mit einem Prüfstand-Computer sowie die Vorbereitungen und die Validierung des Kommunikationsprotokolls. Eines der Ziele des VTB besteht darin, den Prüfingenieuren und -technikern die Vorbereitung ihrer Prüfverfahren zu ermöglichen. Das VTB muss daher in der Lage sein, die primären Verhaltensweisen des Motorprüfstands in einer virtuellen Umgebung darzustellen.
Aufgrund der im 1. Schritt durchgeführten Arbeiten lassen sich die folgenden Schritte schnell ausführen:
- Integration des Vollhybrid-Fahrzeugmodells und des EMS im zweiten Computer.
- Extraktion des Verbrennungsmotormodells mit den Modellen der Prüfstandsumgebung und deren Integration im dritten Computer.
Ein weiterer Vorteil des Virtual Test Beds besteht in der Möglichkeit, spezifische Prüfverfahren zu entwickeln und zu validieren, bevor mit dem tatsächlichen Motorprüfstand fortgefahren wird. Beispielsweise wurde mithilfe dieses HiL-Schritts eine spezifische Komponente zum Anlassen und Abstellen des Motors entwickelt, geprüft und validiert. Schließlich ermöglicht diese „Konfiguration mit drei Computern“ dem VTB die Validierung des gesamten Kommunikationsprotokolls und der Verfahren auf dem Motorprüfstand zum Zweck der Schulung des Motorprüfstand-Personals. Zudem kann die Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den in Echtzeitprüfungen gewonnenen Ergebnissen verglichen werden.
Parallelhybrid-Antriebsstrang
Einrichtung der endgültigen EiL-Umgebung
Aufgrund der im 1. und 2. Schritt durchgeführten Arbeiten lässt sich dieser letzte Schritt relativ schnell ausführen und erfordert im Vergleich zur herkömmlichen Kalibrierungstestphase kein zusätzliches Personal. Zunächst wird das standardmäßige Prüfstandverfahren für den zuvor vorbereiteten Motor durchgeführt. Dann wird das Motorinstallations-Validierungsprotokoll ausgeführt, um die Sicherheit des Personals und den Schutz des Motors zu gewährleisten. Anschließend können der Motor gestartet und die ordnungsgemäße Funktion des Prüfstand-Automatisierungssystems überprüft werden, beispielsweise durch Kontrollschleifen und Plausibilitätsprüfungen der Messungen. Abhängig vom „Neuheitsstatus“ des Motors (oder nicht) kann eine Einfahrphase durchgeführt werden. Für den Motor in dieser Studie war dies nicht notwendig.
Zum Abschluss kann der Simulationscomputer vom VTB getrennt und (über ein S-Link-Kommunikationsprotokoll) direkt an das Prüfstand-Automatisierungssystem angeschlossen werden. Das Prüfstandverfahren kann vom MORPHEE-Computer des VTB direkt über das Netzwerk heruntergeladen und auf den Prüfstand-Computer hochgeladen werden.
Sobald alle Vorrichtungen angeschlossen sind, hat der Bediener des Prüfstands Zugang zu einer Bibliothek mit verschiedenen Fahrzyklen. Während des Prüfzyklus sendet MORPHEE die für die Fahrbedingungen relevanten Parameter – insbesondere die Fahrgeschwindigkeit – an xMOD und empfängt dann den gewünschten Betriebspunkt des Motors (Motordrehzahl/-drehmoment) vom Fahrzeug und dessen Fahrermodellen. Anschließend regelt MORPHEE die Motordrehzahl direkt durch Ansteuerung des Rollenprüfstands und die Motorlast über eine Simulation der Pedalsignale.
Während des automatisierten Prüfzyklus ist kein Eingriff durch den Bediener des Prüfstands erforderlich. Der Motor kann automatisch gestartet und abgestellt werden und alle Daten (Prüfstandssensoren, ESG-Daten, von xMOD simulierte Variablen und Parameter) werden in der gleichen Datendatei gesammelt.
Der Bediener kann sich daher dank der xMOD-Dashboards auf die Kalibrierung des EMS konzentrieren oder beispielsweise die Parameter des Hybridfahrzeugs (z. B. Masse, Getriebeübersetzungen oder Batteriekapazität) modifizieren.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung dieser Hybrid-Toolchain – und von xMOD – ist die Möglichkeit, ein Motormodell beim EiL-Schritt im xMOD-Computer zu belassen. Auf diese Weise kann xMOD die simulierten Motorvariablen an MORPHEE senden, und diese Werte können mit den Messwerten verglichen werden. Dadurch wird es möglich, den Motor und das Erfassungssystem zuverlässig zu überwachen, um Fehlfunktionen durch Vergleich der physischen Daten mit den Outputs des Motormodells zu erkennen oder vorherzusehen. Dies ermöglicht wiederum Zeit- und Geldeinsparungen, da das Prüfverfahren gestoppt werden kann, sobald eine Anomalie festgestellt wird.
Ausblick
Die Hybrid-Toolchain ist ein äußerst effizientes Werkzeug in der Entwicklung von hybriden Antriebssträngen. Sie bietet zahlreiche Zusatzfunktionen, die beispielsweise zur Entwicklung und Validierung von Fahrerassistenzsystemen erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht die vielseitige und offene Co-Simulationsplattform xMOD die Integration zusätzlicher Modelle wie Umwelt- oder Verkehrsmodelle.
MiL-Konfiguration mit drei Hauptblöcken
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