Entwicklung einer Antriebssteuerung für ein … · ventionellen Antrieb verlorene Bremsenergie...

Entwicklung einer Antriebssteuerung für ein Hybridfahrzeug in einer Rapid Prototyping-Umgebung

Prof. Dr. Dieter Nazareth

2 – Entwicklung einer Antriebssteuerung für ein Hybridfahrzeug in einer Rapid Prototyping-Umgebung

Inhalt

1 Einleitung................................................3

2 DasFahrzeug..........................................4

3 DieBordnetz-Architektur.......................5

4 FunktionsentwicklungmitASCET.........6

4.1 Fahrpedal-Logik ......................................64.2 Berechnung des maximalen Dreh-

moments ..................................................74.3 Drehmomentverteilung ..........................74.4 Drehmomentanstiegsbegrenzung .........84.5 Funktionsmodellierung ..........................8

5 DieErprobung.........................................9

5.1 Offline-Simulation ..................................95.2 Rapid Prototyping ...................................9

6 HöhereAntriebsfunktion.....................10

7 Fazit.......................................................10

8 Abkürzungsverzeichnis........................11

Entwicklung einer Antriebssteuerung für ein Hybridfahrzeug in einer Rapid Prototyping-Umgebung – 3

1 Einleitung

Abbildung 1:

Serieller Plug-in-Hybrid auf Basis eines BMW X5.

Hybride Antriebe für Kraftfahrzeuge sind in aller Munde. Alle Automobilhersteller und viele Zulieferer arbeiten an entsprechenden Konzepten und Komponenten. Um die Studenten praxisnah an diesen aktuellen Themen auszu-bilden, hatte der Maschinenbauprofessor Dr. Prexler die Idee, mit Studenten in drei Semestern einen fahrbaren Prototyp mit Hybridantrieb zu entwickeln. In einem Gemeinschaftsprojekt der Fakultäten Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Landshut ist es gelungen, in nur 18 Monaten einen fahrbereiten seriellen Plug-in-Hybrid mit dem Namen „MBL ex-drive“ zu entwickeln (siehe Abbildung 1).


2 Das Fahrzeug

Basisfahrzeug war ein von der BMW AG zur Verfügung gestellter BMW X5. Aus diesem Fahrzeug wurde der gesamte konventionelle Antriebsstrang entfernt. Als Antrieb dienen nun zwei, in den beiden Achsen verbaute Elektromotoren (siehe Abbildung 2). Damit steht, wie im ursprünglichen Basisfahrzeug, ein Allradantrieb zur Verfügung. Die dritte Sitzreihe des X5 musste den Lithium-Ionen-Batterien weichen, die zusammen eine Spannung von 400 V liefern (siehe Abbildung 3). Aufge-laden werden die Batterien bequem über eine normale 230 V Steckdose (Plug-in-Hybrid). Die bei einem kon-ventionellen Antrieb verlorene Bremsenergie wird beim X5 Hybrid durch die so genannte Rekuperation zurück-gewonnen und wieder in der Batterie gespeichert. Die Kapazität der Batterien bietet dadurch eine Reichweite von bis zu 100 km.

Über einen Range Extender kann die Reichweite jedoch deutlich erhöht werden. Ein Dieselmotor treibt dabei einen Generator an, der die Batterie während der Fahrt auflädt. Der Dieselmotor stammt ursprünglich aus einem Notstromaggregat und wird stationär im verbrauchsop-timalen Betriebspunkt betrieben. Diese Art von Hybrid wird als serieller Hybrid bezeichnet. Die Komplexität ist gegenüber einem parallelen Hybrid, bei dem zwei An-triebsarten verwendet werden, deutlich geringer.

Abbildung 2:

Komponenten des Hybridantriebs.

Abbildung 3:

Einbau der Lithium-Ionen-Batterien im Heck.


Nicht nur der Antriebsstrang des X5 wurde modifiziert, auch beim Bordnetz des Fahrzeugs gab es Änderungen. Um so wenig wie möglich in das bestehende Bordnetz eingreifen zu müssen, wurden für die neuen Hybridfunk-tionen ein weiterer CAN-Bus, der Hybrid-CAN, hinzu-gefügt. An diesem neuen Bus sind die beiden Wechsel-richter (DMC) angeschlossen, welche die Elektroantriebe mit Wechselspannung versorgen (siehe Abbildung 4).

Das Original-Motorsteuergerät (DME) verbleibt im Fahr-zeug, ist aber nun lediglich für das Einlesen der Fahrpe-dalstellung zuständig. Als Steuergerät für die neuen Hy-bridfunktionen wird ein Rapid Prototyping-Modul ES910 verwendet, das gleichzeitig als Gateway zwischen dem originalen Powertrain-CAN und dem Hybrid-CAN dient. Die ES910 übernimmt ferner die Bus-Kommunikation des entfernten Getriebesteuergeräts. Damit ist es möglich, über ein kompaktes Modul, das im Beifahrerfußraum verbaut werden konnte, alle Funktionen in Echtzeit auszuführen.

Abbildung 4:

CAN-Bus-Architektur.

3 Die Bordnetz-Architektur


4 Funktionsentwicklung mit ASCET

Abbildung 6:

Fahrpedalkennlinie bei aktiviertem Rekuperieren.

Abbildung 7:

Fahrpedalkennlinie bei deaktiviertem Rekuperieren.

Bei der Entwicklung der neuen Hybridfunktionen wurde auf die bewährten Entwicklungswerkzeuge von ETAS zurückgegriffen. Ziel war es, in möglichst kurzer Zeit einen Prototyp zu entwickeln, mit dem man konkrete Erfahrungen sammeln kann.

Die Funktionsentwicklung erfolgte mit dem Entwick-lungswerkzeug ASCET. Die Antriebsfunktionen wurden durch eine Schichtenarchitektur strukturiert (siehe Abbildung 5). Die oberste Schicht bilden das Mensch-Maschine-Interface (HMI) und die Berechnung des maximalen Drehmoments. Darunter befinden sich die Drehmomentverteilung und die Drehmomentanstiegs-begrenzung. Die unterste Schicht ist verantwortlich für die CAN-Kommunikation.

4.1 Fahrpedal-Logik

Da die konventionelle Bremse aus Sicherheitsgründen nicht verändert wurde, wird über das Fahrpedal sowohl beschleunigt, als auch elektrisch gebremst (rekuperiert). Die Wegstrecke des Fahrpedals wird dabei, in Abhän-gigkeit vom Rekuperierzustand in drei unterschiedliche Funktionsbereiche aufgeteilt (siehe Abbildungen 6 und 7):

� BremsbereichDas Fahrzeug wird entgegen der Richtung, die der eingelegten Fahrstufe entspricht, abgebremst.

� InaktiverBremsbereichIn diesem Bereich wird das Fahrzeug weder beschleu-nigt noch abgebremst.

� BeschleunigungsbereichDas Fahrzeug wird in die Richtung, die der eingelegten Fahrstufe entspricht, beschleunigt.

Abbildung 5:

Software-Architektur.


Die Funktion des Rekuperierens muss auch ausgeschaltet werden können. So kann verhindert werden, dass die Batterien bei lang andauernder Bergabfahrt überladen werden. Bei der Fahrpedalkennlinie muss deshalb unter-schieden werden, ob Rekuperieren aktiviert oder deakti-viert ist. In Abhängigkeit hiervon, sowie der Stellung des Fahrpedals und der eingelegten Fahrstufe, wird dann die entsprechende Soll-Drehmomentvorgabe berechnet. Die Anwendung des jeweiligen Funktionsbereichs sowie die Berechnung der entsprechenden Soll-Drehmomentvorga-be, erfolgt nach folgendem Prinzip:

� BremsendurchRekuperierenBei einer Stellung von 0 bis LIMIT_R_T und wenn zu-gleich das Rekuperieren als Funktion aktiviert ist. Eine Stellung des Fahrpedals von 0 % entspricht hierbei dem vollen Rekuperieren (maximale Soll-Bremsschub-vorgabe), LIMIT_R_T [%] der Stellung entspricht einer Soll-Bremsschubvorgabe von 0 %.

� InaktiverBereichIn diesem Bereich wird stets eine Soll-Drehmomentvor-gabe von 0 Nm erzeugt und an die DMCs gesendet:

– Von 0 bis (LIMIT_R_T + ∆) der Fahrpedalstellung bei nicht erlaubtem bzw. deaktiviertem Rekupieren.

– Von LIMIT_R_T bis (LIMIT_R_T + ∆ ) der Stellung bei aktiviertem Rekuperieren.

� BeschleunigungsbereichIn diesem Bereich erfolgt der Antrieb in die durch die Fahrstufe festgelegte Richtung (LIMIT_R_T + ∆ bis 100 %). Die Fahrpedalstellung LIMIT_R_T + ∆ soll einer Soll-Drehmomentvorgabe von 0 % des maximal mög-lichen antreibenden Schubs, 100 % Fahrpedalstellung dann 100 % des maximal möglichen antreibenden Schubs entsprechen.

Die Funktion des Rekuperierens darf erst dann deak-tiviert werden, wenn sich entweder das Fahrpedal im inaktiven oder im Beschleunigungsbereich befindet. Das heißt, dass zunächst die Aufteilung nach Abbildung 6 erhalten bleiben soll. Erst wenn die Voraussetzungen erfüllt sind, soll die Aufteilung nach Abbildung 7 angewendet werden. Somit soll ein plötzlicher Brems-kraftverlust während des Bremsvorgangs ausgeschlossen werden. Sollte die Funktion des Rekuperierens nach ei-niger Zeit wieder zur Verfügung stehen, so soll zunächst

die Aufteilung nach Abbildung 6 bestehen bleiben, bis sich die Stellung des Pedals wieder im Bereich zwischen LIMIT_R_T und LIMIT_R_T + ∆ oder im Beschleunigungs-bereich befindet. Erst dann soll wieder die Aufteilung nach Abbildung 7 gelten. Dadurch soll eine plötzliche Bremsung verhindert werden, mit der der Fahrer mögli-cherweise nicht rechnet. Der Fahrer wird über ein Signal informiert, ob die Funktion des Rekuperierens aktiviert oder deaktiviert ist.

4.2 BerechnungdesmaximalenDrehmoments

Die wassergekühlten Wechselrichter und Motoren sowie die Batterien werden temperaturüberwacht. Um ein Überhitzen der Komponenten zu vermeiden, werden in Abhängigkeit von den Temperaturen, die maximalen Drehmomentwerte für beide Achsen ermittelt. Hierzu werden, für jede Achse getrennt, entsprechende Kenn-linien verwendet. Ein weiterer Einflussfaktor ist der Ladezustand der Batterie. Durch die Begrenzung des Drehmomentwertes wird ein Überladen bzw. Tiefentla-den der Batterie verhindert.

4.3 Drehmomentverteilung

Nachdem das Soll-Drehmoment ermittelt worden ist, muss dieses auf die beiden Achsen verteilt werden. Die Verteilung erfolgt dabei variabel nach folgender Strate-gie:

1. Zuerst wird das Drehmoment in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit auf die beiden Achsen verteilt. Dies geschieht unter Verwendung einer Kennlinie mit meh-reren Stützstellen und linearer Interpolation.

2. Die Soll-Drehmomentvorgaben werden anschließend für die Vorder- und die Hinterachse mit den ermit-telten Grenzwerten verglichen. Strategie ist es, das vom Fahrer angeforderte Gesamtdrehmoment soweit wie möglich aufzubauen. Sollte eine Drehmoment-vorgabe an einer Achse den Grenzwert überschreiten, so wird das Drehmoment an dieser Achse begrenzt. Es wird jedoch versucht dies auszugleichen, indem das Drehmoment an der anderen Achse soweit wie möglich (im Rahmen der Grenze) heraufgesetzt wird, um dem Fahrerwunsch nachzukommen. Die ideale Achsverteilung wird also zu Gunsten des Drehmo-mentwunsches aufgegeben.


4.4 Drehmomentanstiegsbegrenzung

Elektromotoren können innerhalb sehr kurzer Zeit ein sehr hohes Drehmoment aufbringen. Um eine Beschädi-gung des Antriebsstrangs zu vermeiden, wird die auf die Antriebswellen wirkende Drehmomentänderung (1. Ab-leitung des Drehmoments nach der Zeit) betragsmäßig auf MAX_TRQ_CH [Nm/s] begrenzt. Dazu wird das durch die Elektromotoren zu erzeugende Drehmoment mit ei-ner Rampenfunktion aufgebaut. Ein sofortiges Abfallen des Drehmoments auf einen betragsmäßig niedrigeren Wert mit gleichem Vorzeichen bzw. auf 0 Nm kann zu keiner Beschädigung führen und ist deshalb möglich (siehe Abbildung 8).

4.5 Funktionsmodellierung

Alle Antriebsfunktionen wurden mit dem Werkzeug ASCET entwickelt. Hierbei kamen Blockdiagramme, Zustandsautomaten und auch bedingte Tabellen zum Einsatz.

Abbildung 8:

Drehmomentanstiegsbegrenzung.


5.1 Offline-Simulation

Im ersten Schritt wurde das Verhalten der Softwarekom-ponenten durch Offline-Simulation erprobt. Abbildung 9 zeigt ein Beispiel eines solchen Experiments, in dem die Drehmomentanstiegsbegrenzung getestet wird. In diesem sind der zeitliche Verlauf der Eingangsgröße (rote Kurve) und der Ausgangsgröße (grüne Kurve) darge-stellt. Die Eingangsgröße wird hierbei durch eine Sinus-Funktion stimuliert. Wie man erkennen kann, baut sich das Drehmoment am Ausgang nur mit einer gewissen Steigung auf. In dem Moment, wo sich die grüne und die rote Kurve schneiden, nehmen beide Kurven (und damit die Eingangs- und die Ausgangsgröße) gemein-sam betragsmäßig ab. Ist der Nullpunkt durchbrochen, baut sich das Drehmoment am Ausgang langsam mit der vorgegebenen Steigung in die andere Richtung auf. Somit kann man sich vom korrekten Verhalten der Klasse überzeugen.

5.2 RapidPrototyping

Im nächsten Schritt wurde das Funktionsmodell mit Hilfe des Werkzeugs INTECRIO auf das Rapid Prototyping-Mo-dul ES910 gebracht. Bevor das Modul im realen Fahrzeug getestet wurde, erfolgte ein weiterer Absicherungsschritt der Gesamtfunktionalität gegenüber einer Restbussimu-lation (siehe Abbildung 10).

Derzeit erfolgt die Erprobung des neuen Antriebssystems sowohl auf einem Rollenprüfstand als auch auf der Straße. Ziel der Erprobung ist es, durch Veränderung viel-fältiger Parametersätze das Fahrverhalten zu optimieren. Im Zentrum steht dabei die Drehmomentverteilung auf die beiden Achsen des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der vorhandenen Energie, der Temperatur aller Kompo-nenten und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Ferner wird mit unterschiedlichen Fahrpedalkennlinien experimen-tiert. Bei den ersten Versuchen hat sich gezeigt, dass man sich bei entsprechender Kalibrierung sehr schnell an das kombinierte Fahr-/Bremspedal gewöhnen kann.

Derzeit werden die Erprobungen noch direkt über das Werkzeug INTECRIO gemacht (siehe Abbildung 11). Maschinenbau- und Informatikstudenten arbeiten dabei Hand in Hand. Als nächster Schritt wird nun eine INCA-Oberfläche entwickelt, mit der die Maschinenbauer die Fahrfunktionen selbst kalibrieren können.

Abbildung 9:

Offline-Simulation der Drehmomentanstiegsbegrenzung.

Abbildung 11:

INTECRIO-Oberfläche zur Überwachung des Systems.

5 Die Erprobung

Abbildung 10:

Panels der Restbussimulation.


Basierend auf den derzeitigen Basisfunktionen, entwi-ckeln jetzt mehrere Studenten höhere Antriebsfunkti-onen. Dabei werden nicht nur Komfortfunktionen, wie z. B. Tempomat oder Halten am Berg entwickelt, sondern auch Sicherheitsfunktionen, wie z. B. eine Schlupfrege-lung für den elektrischen Antrieb. Auch diese Funktionen werden mit ASCET spezifiziert. Ziel ist es, einzelne gekapselte Softwarekomponenten nach AUTOSAR zu entwickeln. Im Vordergrund steht auch hier, wie beim gesamten Projekt, die Studenten praxisnah an modernen Entwicklungsmethoden auszubilden.

Es ist geplant, das Fahrzeug auch in den kommenden Semestern als Entwicklungs- und Ausbildungsplattform zu nutzen. Das Spektrum reicht dabei vom 4-Motoren-antrieb über Hochvoltsicherungen bis hin zu Batteriema-nagementsystemen sowie Anzeige- und Bedienkonzep-ten.

6 Höhere Antriebsfunktion

Abbildung 12:

Überwachung der internen Betriebszustände mit INTECRIO.


Die Hochschule Landshut hat mit dem Projekt X5 Hybrid bewiesen, dass es möglich ist, seriennahe Hybridfahr-zeuge zu bauen, ohne auf den gewohnten Komfort eines konventionellen Fahrzeugs verzichten zu müssen. Für die Entwicklung der neuen Hybridfunktionen wurden die ETAS-Werkzeuge ASCET, INTECRIO, ES910 und INCA entlang des klassischen V-Modells eingesetzt. Damit konnten die Funktionen spezifiziert, abgesichert und letztendlich mit Rapid Prototyping-Technologie im Fahrzeug ausgeführt werden. So war es den Informati-kern möglich, in relativ kurzer Zeit dem Fahrzeug der Maschinenbauer Leben einzuhauchen.

Nähere Informationen zum Projekt finden Sie unter www.ex-drive.de.

Der Beitrag ist erschienen bei: Sirch, Ottmar (Hrsg.): Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen II „Entwicklung einer Antriebssteue-rung für ein Hybridfahrzeug in einer Rapid-Prototyping-Umgebung“: Klaus Beck, Thomas Escherle, Dieter Naza-reth, expert verlag, 2010.

8 Abkürzungsverzeichnis

CAN ControllerAreaNetwork

Datenbus im Kraftfahrzeug und in der Automatisierungstechnik.

CAS CarAccessSystem

Steuerung des Fahrzeugzugriffs, die u. a. den Status der Klemme 15 regelt.

DMC DigitalMotionControl

Versorgt die Elektroantriebe mit Wechsel-spannung.

DME DigitaleMotorelektrik

Konventionelles Motorsteuergerät des BMW X5.

EHB ElektrohydraulischeBremse

Bremsanlage des BMW X5 mit Bremskraft-verstärker, ABS und ESP.

GWS Getriebewahlschalter

Wählhebel des Automatikgetriebes.

7 Fazit

Kontaktadressen

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ETAS K.K. Queen’s Tower C-17F 2-3-5, Minatomirai Nishi-ku Yokohama 220-6217, Japan Telefon +81 45 222-0900 Telefax +81 45 222-0956 [email protected]

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www.etas.com

ETAS/COM_Fi/06.2010

Wussten Sie,

� dass bei einem PKW mit konventi-onellem Verbrennungsmotor nur 7 % der Kraftstoffenergie bei den Reifen ankommt?1

� dass man mit einer vollen, 125 kg schweren Batterie eine Reichweite von 160 km erreicht, aber mit 125 kg Diesel die Reichweite 1.500 km beträgt?2

� dass die Jahresproduktion von 90.000 t Lithiumcarbonat reichen, um 12 Millionen Hybridfahrzeuge auszustatten?3

1 Quelle:TechnischeUniversitätMünchen/

HdT-Tagung“Elektrik/ElektronikinElektro-

undHybridfahrzeugen”,März20102 Quelle:EVONIC2009/ADACZukunftstech-

nologien,München20093 Quelle:http://www.lithiumaktien.com/

EN/566/1590

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