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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)
ATZ 10|2017 119. Jahrgang 37
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
Par
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]
APL Trackkit Kompletter RDE-Zyklus Einzelmodul
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150
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
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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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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)
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Wir machen das Umschalten einfach – auf hocheffiziente Elektroantriebe.
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Im Elektrofahrzeug steckt das Potenzial, die Vision von der emissionsfreien Mobilität wahrzumachen. Mit unserem Produkt-portfolio decken wir sämtliche Technologiebereiche ab, die für die Elektromobilität erfolgsentscheidend sind – vom Elektromotor über die Kraftübertragung und Leistungselektronik bis hin zum Wärmemanagement. Als Innovationsführer im Antriebsbereich bereiten wir den Weg für eine saubere, energieeffiziente Welt.
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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