Mit virtuellen Prototypfahrzeugen an den Prüfstand

© IPG Automotive

AUTOREN

Dipl.-Ing. Christian Lensch-Franzen

ist Leiter des Bereichs Engineering bei der APL Automobil-Prüftechnik

Landau GmbH in Landau.

Dipl.-Ing. Michael Friedmann ist Projektingenieur im Team

Basisentwicklung/Forschung im Bereich Engineering bei der APL

Automobil-Prüftechnik Landau GmbH in Landau.

Dr.-Ing. Christian Donn ist Teamleiter Business Develop-

ment bei IPG Automotive in Karlsruhe.

Dipl.-Ing. Christian Rohrpasser ist Ingenieur für Testsysteme und

Engineering bei IPG Automotive in Karlsruhe.

Real Driving Emissions

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ENTWICKLUNG REAL DRIvING EmIssIONs

REPRODUZIERBARE ANTRIEBSENTWICKLUNG DURCH VIRTUALISIERUNG

Die Schadstoffemissionen und der Kraft­stoffverbrauch von Fahrzeugen unter realen Fahrbedingungen auf der Straße rücken immer stärker in den Fokus der öffentlichen Diskussion und der Gesetz­gebung. Die Herausforderung liegt darin, robuste Fahrzeugantriebe zu entwickeln, die im Realbetrieb neben der geforderten Fahrdynamik, Fahrbarkeit und Dauer­haltbarkeit auch die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte beziehungsweise der Herstellerangaben über die Fahr­zeuglebensdauer hinweg gewährleisten. Eine Vielfalt an Einflussgrößen und stei­gende Systemanforderungen erfordern erweiterte Methoden bei der Antriebs­entwicklung, um das Gesamtsystem über den vollständigen Nutzungsbereich robust bezüglich Emissionen darstellen zu können, BILD 1 [1, 2].

Eine Schlüsselrolle im Entwicklungs­prozess nimmt dabei die Quantifizierung

des Einflusses von Einzelmaßnahmen oder Antriebssystemveränderungen ein – auf der Hardwareseite zum Beispiel innermotorische Maßnahmen, Elektrifi­zierung oder Abgasnachbehandlungssys­teme sowie auf der Softwareseite die Kalibrierungsvarianten hinsichtlich einer RDE­optimalen Bedatungs­ und Betriebs­strategie. Die Bewertung und gezielte Entwicklung von technisch optimalen Maßnahmen für verschiedene Fahrzeug­konzepte erfordern repräsentative Real­fahrbedingungen und zugleich die Reproduzierbarkeit und Robustheit von Tests. Diese Reproduzierbarkeit ist bei Straßenfahrten durch eine Vielzahl äußerer und ablaufbedingter Einflüsse nicht gegeben. BILD 2 zeigt beim Emissi­onsvergleich eines Teilsegments der glei­chen, fünfmal gefahrenen RDE­Strecke trotz subjektiv vergleichbarer Fahrweise und ähnlichen Verkehrsbedingungen eine Streuung von 11 % in Bezug auf die kumulierte normierte Emission. Eine ausgewiesene Stärke von Tests am Prüf­stand ist es dagegen, eine hohe Reprodu­

zierbarkeit sowie einen hohen Automati­sierungsgrad erreichen zu können, was an der deutlich geringeren Streuung von 4 % sichtbar wird. Ziel ist es daher, repräsentative Realfahrten flexibel und präzise an Prüfständen abzubilden und somit die Systementwicklung in einer reproduzierbaren Umgebung durchfüh­ren zu können.

METHODIK IM ENTWICKLUNGSPROZESS

Auf den Prüfständen der APL kommt eine testspezifische und auf die Anforde­rungen angepasste Form der Realfahrt­übertragung in die Prüfumgebung zum Einsatz. Es erfolgt analog zur Testmatrix in BILD 3 eine Unterscheidung nach Prüf­standsart und Komplexitätsgrad der abzubildenden Subsysteme.

Dazu wird eine mehrdimensionale Matrix aufgespannt, die auf der Prüfseite entweder rein simulative Betrachtungen am Arbeitsplatz, Komponentenprüf­stände, Dauerlauferprobungen von Systemen, komplexe Motorprüfstände, gesamtheitliche Antriebsstrangerprobun­gen oder die Gesamtfahrzeugbetrach­tung auf dem Rollenprüfstand oder der realen Straße umfasst. Im Bereich der Dauerlauferprobung, deren Ziel es ist, die Betriebsfestigkeit unter Nutzung ver­hältnismäßiger Mittel sicherzustellen, kann die Kurs­ beziehungsweise Last­kollektivvorgabe im einfachsten Fall als Drehzahl/Pedalwert im Zeitverlauf vor­

Die Nutzung virtueller Fahrzeugprototypen und die Inte gration

von Realfahrtsimulation an Prüfständen ermöglicht es, neue

Wege in der Antriebssystementwicklung zu gehen. APL entwickelt

in Zusammenarbeit mit IPG Automotive erweiterte Ansätze für

RDE-optimierte Antriebe.

Real Driving Emissions

BILD 1 Simulationseinsatz entlang der Entwicklungsprozesskette unter RDE-Randbedingungen (© APL)

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gegeben werden. Bei Vorgabe einer Fahr­zeuggeschwindigkeitsspur muss zumin­dest ein einfaches Längsdynamikmodell genutzt und entsprechend parametriert werden. Zur reproduzierbaren Abbildung von wenig dynamischen, gesetzlich vor­geschriebenen Fahrzyklen wie dem NEFZ kann dies ein zielführender und kostengünstiger Ansatz sein.

Der Nachteil bei den bisher beschrie­benen Varianten ist allerdings, dass wesentliche, emissionsbeeinflussende Größen wie Verkehrsfluss, Fahrerverhal­ten/Fahrweise im Vorgabefahrprofil schon zwangsweise integriert sind und sich nach der Aufzeichnung im Fahr­zeug nicht mehr nach ihrem Beitrag zum Bauteilbelastungs­ oder Emissions­kollektiv separieren lassen. Zur robus­ten, flexiblen und zielgerichteten Dar­stellung von Realfahrten als Übertrag von Straßenfahrten und zur Parameter­

und Einflussgrößenvariation ist es daher unabdingbar, eine freie Realfahrt­simulation, wie sie CarMaker von IPG Automotive bietet, am Prüfstand einzu­setzen. Dabei können ein parametrier­bares Fahrermodell sowie verschiedene Detaillierungsformen von Verkehrssi­mulation mit reproduzierbar stochasti­schen Verkehrsereignissen genutzt wer­den, wie im folgenden Abschnitt erläu­tert wird. Durch die durchgängige Nutzung der Simulationsumgebung am Arbeitsplatz und am Motor­, Antriebs­strang­ und Rollenprüfstand können so auch plattformübergreifend dieselben Modelle zum Beispiel zur Fahrerabbil­dung und zur Bedatung von Fahrrobo­tern genutzt werden. Dieses Vorgehen wird bei der APL im Bereich der kom­plexen Funktionserprobung und Appli­kationsvalidierung genutzt, wobei der Fokus auf der Systemrobustheit, dem

Verständnis der für das Emissionsver­halten relevanten Wirkmechanismen, der Untersuchung stochastischer Phäno­mene und einer zielgerichteten Parame­tervariation liegt. Bei guter Modellbil­dung ist der Entwickler mit dem Ansatz des modellbasierten Testens sogar in der Lage, die Parametervariation in Bereiche zu verschieben, die von der Applikationsseite interessant sind, aber über die keine exakte Kenntnis in Form von realen Messdaten vorliegt.

Der Ansatz der Realfahrtsimulation wird in den in BILD 4 dargestellten Ent­wicklungsphasen von der Konzeptphase bis zum SOP genutzt. So ist sicherge­stellt, dass entlang des gesamten Ent­wicklungsprozesses die Einflüsse der Fahrzeugeigenschaften, des Fahrers, des Verkehrs, der Umgebungsrandbedingun­gen und der Fahrstrecke bei der Ausle­gung der Hardware und der Entwicklung

96,2 % 100,0 % 91,3 % 89,4 % 91,3 % 93,6 % 91,1 %

0 %

20 %

40 %

60 %

80 %

100 %

Modul 5 Fahrt 1 Modul 5 Fahrt 2 Modul 5 Fahrt 3 Modul 5 Fahrt 4 Modul 5 Fahrt 5 Mittelwert Straße Mittelwert Prüfstand

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APL Trackkit Kompletter RDE-Zyklus Einzelmodul

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Strecke [%]

Fahrt 1 – Straße Fahrt 2 – Straße Fahrt 3 – Straße Fahrt 4 – Straße MittelwertMotorprüfstand

Mittelwert StraßeFahrt 5 – Straße

BILD 2 Beispielhafter Vergleich der Reproduzierbarkeit von Straßen- und Motorprüfstandsmessungen anhand der Partikelanzahl (© APL)

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Bauteilentwicklung

Generative Fertigung

Werkstoffe /Schadensanalyse

der Betriebsstrategie sowie bei der Kali­brierung berücksichtigt werden. Ist die Prozesskette einmal für ein Produkt durchlaufen, dienen die gewonnenen Erkenntnisse zur Konzeptbewertung und zur Abschätzung der Performance von Derivaten. So können Derivate von bereits zertifizierten Antriebssträngen auf Systemrobustheit getestet und kriti­sche Bereiche frühzeitig im Entwick­lungsprozess identifiziert werden.

REALFAHRTSIMULATION UND NUTZUNG AN PRÜFSTÄNDEN

Die Realfahrtsimulationsumgebung ent­hält echtzeitfähige Modelle, die es ermög­lichen, verschiedenste Fahrzeugtypen mit­samt ihren Fahreigenschaften, dem Fah­rerverhalten, der Verkehrssituation und der Straße mit Umfeld realistisch und prä­zise in der virtuellen Welt darzustellen. Der virtuelle Fahrversuch erlaubt es durch Integration an Prüfständen, eine flexible, teilvirtuelle RDE­Entwicklungsumgebung, BILD 5, aufzubauen und bietet damit erhebliches Potenzial, die Antriebsent­wicklung effizienter zu gestalten.

Grundlage der hier vorgestellten Methode für teilvirtuelle RDE­Tests ist der Aufbau von virtuellen Teststrecken, die aus realen Strecken anhand von Mess­ oder Kartendaten generiert werden und neben der Strecke mit Kurven und Höhen­

profil auch Ampeln und geschwindig­keitsrelevante Verkehrsschilder enthalten. Mit einem anhand von Komponentenda­ten oder Fahrzeugausrollkurven auf die realen Fahrwiderstände angepassten und je nach Projektanforderung mittels Real­fahrtmessdaten validierten Fahrzeug­modell (virtueller Prototyp) werden im Anschluss die virtuellen Testfahrten durchgeführt. Das intelligente Fahrer­modell, das die reproduzierbare Nachbil­dung von verschiedenen Fahrertypen bei selbstständiger Beachtung von Verkehrs­zeichen, Ampeln und Verkehr ermöglicht, spielt dabei eine ebenso zentrale Rolle wie die Abbildung von stochastischen, jedoch zugleich reproduzierbaren Ver­kehrsverhältnissen. Hierzu steht neben einem deterministischen Verkehrsmodell und der Kopplungsmöglichkeit mit einer mikroskopischen Verkehrssimulation (PTV Vissim) auch ein phänomenologi­scher Ansatz zur Verfügung, der es erlaubt, streckensegmentspezifisch ver­schiedene statistische Verkehrsdichten abzubilden. Zusätzlich bietet das Fahrer­modell für den Abgleich von Straßen­ und Prüfstandstests eine Funktion, die das Nachfahren eines aus einer Messung vor­gegebenen Geschwindigkeitsprofils auf der virtuellen Strecke ermöglicht.

Durch die synchronisierte Echtzeit­kopplung von Realfahrtsimulation und Prüfstand wird eine hochperformante

Closed­Loop­Einbindung der zu unter­suchenden realen Systeme in die virtu­elle Umgebung erreicht und somit eine teilvirtuelle Entwicklungsumgebung geschaffen, BILD 6. So können einzelne Teilsysteme wie beispielsweise der Ver­brennungsmotor am Motorprüfstand, aber auch das komplette Fahrzeug an Rollenprüfständen in die Simulations­umgebung integriert und im Quasi­Real­betrieb getestet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist es, dass bei­spielsweise eine aufwendige Verbren­nungsmotormodellierung, die zur früh­zeitigen Bewertung von Verbrauch und Emissionen im transienten Realbetrieb nötig wäre, entfällt [3].

Die Methode erlaubt es zudem, die bei Realfahrten relevanten Einfluss­größen wie Fahrerverhalten, Fahrzeug­eigenschaften, Verkehr und Umgebungs­randbedingungen gezielt oder auch stochastisch zu variieren und die Tests bei Bedarf exakt zu wiederholen. Im Gegensatz zu Gesamtantriebssystem­ oder Fahrzeugprüfständen ist an Teil­systemprüfständen (zum Beispiel Motor­, Getriebe­ oder auch Batterieprüfstände) bis auf den jeweiligen Prüfling auch der Rest des Antriebsstrangs Teil der Simula­tionsumgebung [4] und kann somit flexi­bel variiert werden. Dadurch wird eine virtuelle Elektrifizierung des Antriebs oder auch die Untersuchung in verschie­

Testumgebung Office(MiL)

Komponenten-prüfstand

Dauerlauf-prüfstand

KomplexerMotorprüfstand

Antriebsstrang-prüfstand

Rollen-prüfstand

Realfahrt

Fahrer

Umwelt

Fahrzeug

Chassis

Abgasnachbehandlung

Nebenaggregate

Kühlsystem

Powertrain

Getriebe

E-Motor

Batterie

Verbrennungsmotor

Simulationsumgebung – erforderlich / zielführend zur zeit- und kostenoptimalen Antriebsentwicklung

Simulationsumgebung – optional in Abhängigkeit der Zielsetzung

Simulationsumgebung – nicht zielführend / zu hoher Komplexitätsgrad

Hardware vorhanden

BILD 3 Testmatrix zum Übertrag der Realfahrt in die Prüfumgebung (© APL)

ENTWICKLUNG REAL DRIvING EmIssIONs

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Wir machen das Umschalten einfach – auf hocheffiziente Elektroantriebe.

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denen virtuellen Fahrzeugen ermöglicht, welche die Bewertung des Prüflingsver­haltens in verschiedenen Hybrid­ und Fahrzeugvarianten erlaubt [5].

Die Nutzung von Teilsystemprüfstän­den ist somit bereits in frühen Phasen

des Entwicklungsprozesses sehr effektiv möglich, da so auch grundlegende Kon­zept­ und Bauteilentscheidungen getrof­fen werden können, ohne dass hierzu reale Prototypfahrzeuge zur Verfügung stehen müssen. Im weiteren Verlauf des

Entwicklungsprozesses können zuneh­mend reale Bauteile beziehungsweise Baugruppen an Gesamtantriebssystem­prüfständen bis hin zu gesamten Fahr­zeugen an Rollenprüfständen mit in den Entwicklungs­ und Validierungsprozess

BILD 5 Virtuelle Bestandteile der RDE-Entwicklungsumgebung (© IPG Automotive)

BILD 4 Optimierter Gesamtfahrzeug- Entwicklungsprozess unter RDE-Randbedingungen (© APL)

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integriert werden. Die Testrandbedin­gungen und ­szenarien bleiben jedoch stets die gleichen, was neben der guten Vergleichbarkeit der Testergebnisse zu einer erheblichen Zeit­ und Kostenein­sparung im Gesamtprozess führt. Real­fahrten werden somit für Entwicklungs­ und Applikationstätigkeiten konsequent von der Straße an den Prüfstand verla­gert und können dort automatisiert und unabhängig von witterungsbedingten oder tageszeitabhängigen Einflüssen durchgeführt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Reproduzierbarkeit von Emissions­messungen ist bei Testfahrten auf realen Straßen durch die Vielzahl äußerer und ablaufbedingter Einflüsse nicht gegeben, gleichzeitig jedoch Grundvoraussetzung für eine effektive Antriebsentwicklung. Eine Stärke von Tests am Prüfstand ist es dagegen, eine hohe Reproduzierbarkeit und einen hohen Automatisierungsgrad nutzen zu können. Die beschriebene Methodik erlaubt es, mit steigendem

Simulationsanteil repräsentative Real­fahrten flexibel und präzise entlang des gesamten Entwicklungsprozesses an Prüfständen abzubilden und, anhand von systematischen Variationen, die Einflüsse fahrzeugspezifischer Aspekte (zum Beispiel Gesamtgewicht, Steuer­geräte­Applikationsdatenstand, Betriebs­strategie, Hardwarevarianten), des Fah­rerverhaltens sowie von Verkehrs­ und Umweltrandbedingungen auf Verbrauch, Emissionen und Fahrleistungen zu quantifizieren und kritische Realbe­triebszustände frühzeitig zu erkennen. Die Nutzung von Prüfständen kann durch die beschriebene Virtualisierung erheblich erweitert und die Effizienz im Antriebsentwicklungsprozess nachhaltig gesteigert werden.

LITERATURHINWEISE[1] Lensch-Franzen, C.; Gohl, m.; mink, T.: Impact analysis of fuels, operating fluids and combustion parameters; focus raw emission behavior. 4. Inter-nationaler motorenkongress, Baden-Baden, 2017[2] Lensch-Franzen, C.; Hadler, J.; Gohl, m.; Becker, J.; mink, T. Wang, J.: Die Interaktion zwi-schen Tribologie und Emissionen unter Realfahrt-bedingungen (RDE). 11. Internationale mTZ-Tagung Der Antrieb von morgen, Frankfurt/main, 2017[3] Disch, C.; Koch, T.; spicher, U.; Donn, C.: Engine-in-the-Loop als Entwicklungsumgebung für die Emissionsoptimierung im Hybridkontext. In: mTZ 75 (2014), Nr. 10, s. 70-78[4] Donn, C.; Bensch, v.: Eine echtzeitfähige modellumgebung für die Entwicklung und den Test hybrider und elektrischer Fahrzeuge. 11. Internatio-nale mTZ-Tagung Der Antrieb von morgen, Frank-furt/main, 2017[5] Donn, C.; Pfeffer, R.; Bensch, v.: model-Based Testing on the Engine Test Bench – semi-virtual Examination of Hybrid Powertrain systems in Real Driving Conditions. 2017 JsAE Annual Congress, Yokohama (Japan), 2017

BILD 6 Virtuelle Elektrifizierung am Beispiel des Engine-in-the-Loop-Prüfstands mit unterschiedlichen Fahrzeug- und Antriebsstrangvarianten (© IPG Automotive)

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