Seminaraufgabe SoSe 2022: EHF Gruppe FKI

Seite für die Gruppe Fahrzeugkarosserie und Innenraum (FKI)

Autoren: Olga Ruhe; Christian Schwinne; Robert Leidig
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Einleitung

Im Fach „Systems Design Engineering“ aus dem Studiengang "Business and Systems Engineering" wird den Studierenden die strukturierte Entwicklung von komplexen Systemen näher beigebracht. Im Sommersemester 2022 wurde das Projekt zum Hauptthema „Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs“ in drei Gruppen realisiert. Unsere Gruppe hat sich mit dem Unterthema „Fahrzeugkarosserie und Innenraum“ beschäftigt.

V-Modell

Um eine einheitliche Umsetzung des Projekts zu gewährleisten, wird das V-Modell verwendet. Dieses kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden:

die Definitionsphase auf der linken Seite
die Implementierung auf der Spitze des Modells
die Test und Integrationsphase auf der rechten Seite

Der zunehmende Detaillierungsgrad der Definitionsphase wird durch die Schritte Anforderungsdefinition, funktionaler Systementwurf, technischer Systementwurf und Komponentenentwurf gewährleistet.

Anforderungsdefinition: Der erste Schritt des V-Modells besteht in der Zusammenfassung der Anforderungen an das Endprodukt. Hier wird die Frage geklärt was das Endprodukt können soll. Dies können sowohl technische Anforderungen sein (z.B. die Maße des Produkts, Leistungskennzahlen) als auch zum Beispiel optische (Farbe o.ä.). Alle Anforderungen werden in einem Lastenheft zusammengefasst und müssen abgenommen werden.
Funktionaler Systementwurf: Im Anschluss finden die ersten Überlegungen zur Umsetzung der Anforderungen statt. Dabei wird ein Gesamtsystem erstellt sowie weitere Projektdetails beschrieben (z.B. Projektorganisation).
Technischer Systementwurf: Der technische Systementwurf verfeinert den funktionalen. Hier wird das Gesamtsystem in einzelne Komponenten unterteilt. Des Weiteren werden die Abhängikeiten der Komponenten beschrieben sowie die einzelnen Schnittstellen.
Komponentenentwurf: Die unterste Detaillierungsebene bildet der Komponentenentwurf. In diesem Dokument wird die genaue Umsetzung erarbeitet und geplant. Wie kann die Komponente berechnet werden? Wie kann die Komponente entwickelt werden?
Implementierung: Nachdem das Projekt detailliert beschrieben ist kann die Entwicklung des Produkts durchgeführt werden. Hier werden alle geforderten Funktionen programmiert und/oder modelliert.

Bevor das Produkt freigegeben werden kann, werden drei Testphasen durchlaufen. Hierbei wird (wie in Abbildung XX zu erkennen) vom höchsten bis zum geringsten Detaillierungsgrad getestet.

Komponententest: Mit dem Komponententest werden die Funktionen auf der detailliertesten Anforderungsebene getestet (z.B. wurden Werte korrekt berechnet).
Integrationstest: Eine Ebene höher wird getestet, ob die Module gemeinsam funktionieren (Abhängigkeiten, Schnittstellen).
Systemtest: Hier wird das Gesamtsystem in einer optimalen Umgebung getestet. Dabei kann der Kunde entscheiden ob das Produkt den gewünschten Anforderungen entspricht.
Abnahme: Bevor das Produkt endgültig abgenommen wird, wird es in der finalen bzw. möglichst realistischen Umgebung getestet. Dabei sollten auch die Endnutzer bzw. Anwender das Produkt testen.

Werden alle Tests bestanden kann das Produkt erfolgreich abgenommen werden.

Anforderungsdefinition: Lastenheft

Die Anforderungsdefinition beinhaltet die Anforderungen an das Endprodukt des Projekts. In dem daraus entstehenden Lastenheft werden sowohl technische Anforderungen aufgeführt (z.B. die Größe der Fahrgastzelle) als auch Einflussfaktoren (z.B. Sonnenstrahlung) auf das Teilsystem. Zur Erstellung des Lastenhefts wird Microsoft Excel verwendet (Abbildung XX). Hierbei wird in der Typen Spalte zwischen Information (I) und Anforderung (A) unterschieden. Als Informationen werden Einflussfaktoren auf das System bezeichnet, welche bei der Entwicklung beachtet werden müssen. Die kann zum Beispiel der Einfluss der Scheiben der Fahrgastzelle auf die Dämmung sein. Anforderungen hingegen sind direkte Vorgaben an das System (z.B. Maße der Fahrgastzelle).

ID	Typ (I = Info, A = Anforderung)	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Status Auftraggeber	Kommentar Auftraggeber
100	I	1	Dämmung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
101	A		Dämmung gegen Hitze und Kälte [-20°C bis 40°C]/Durchschnittstemperatur 9,1°C (2021)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
102	I		Sonnenstrahlung erhitzt zusätzlich und wird berechnet durch: P_Sonneneinstrahlung; A_Fahrgastzelle	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert mit Einschr.	Hier z. B.: "Die Sonneneinstrahlung muss über ein Signal [Sonnen-Leistung/m²] und über einen Parameter [senkrecht bestrahlte Fläche] bestimmt werden."
103	I		Metallummantelung beeinflusst Dämmung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
104	I		Verluste durch Scheibenflächen	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
105	I		Geschwindigkeit beeinflusst Kühlung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
106	I		Öffnen von Türen und Fenstern	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
107	A		Maße/Außenfläche	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
108	A		davon: Fenster (anderer Dämmfaktor)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
109	A		Das thermische Verhalten muss mit einem Modell simuliert werden, dass am Eingang den Gesamt-Wärmestrom in Watt erhält und daraus die Temperatur im Innenraum bestimmt [inkl. Abkühl- und Aufheizverhalten]	Prof. Göbel	18.05.2022	Akzeptiert
200	I	2	Nebenverbraucher	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
201	A		Beleuchtung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
202	A		Infotainment	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
203	A		Steuergeräte	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
300	I	3	Klimatisierung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
301	A		Wärmepumpe	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
302	A		Alternative: resistive Heizung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
303	A		Regelung: Ist- vs. Solltemperatur	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
304	A		Regelung: Bei Akkustand < 10% komplette Abschaltung der Klimatisierung	Leidig, Ruhe, Schwinne	18.05.2022
400	I	4a	Schnittstellen Eingänge	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
401	A		Globale Signale werden über den Eingangs-BUS eingelesen	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert mit Einschr.	Nur Signale! Parameter werden über Konstant-Blöcke eingelesen.
402	A		Daten von anderen Modulen werden über den EHF-BUS eingelesen	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
403	A		Eingabe 1: Geschwindigkeit(t)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
404	A		Eingabe 2: ~~Luftwiderstand~~ (Anforderung gestrichen, ergibt sich aus ID 403 und 407)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
405	A		Eingabe 3: Außentemperatur	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
406	A		Eingabe 4: ~~Körpermasse und -temperatur~~ (Anforderung gestrichen)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
407	A		Eingabe 5: Spezifikation Fahrgastzelle (Maße, Flächen Türen, Fenster)	Leidig, Ruhe, Schwinne	04.05.2022	Akzeptiert
408	A		Eingabe 6: Öffnungszustand Türen/Fenster (links + rechts)	Leidig, Ruhe, Schwinne	04.05.2022	Akzeptiert
409	A		Eingabe 7: Soll-Innenraumtemperatur	Leidig, Ruhe, Schwinne	04.05.2022	Akzeptiert
410	A		Eingabe 8: Akkustand in Prozent(t)	Leidig, Ruhe, Schwinne	18.05.2022
450	I	4b	Schnittstellen Ausgänge	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
451	A		Berechnete Werte werden über Bus FKI ausgegeben	Leidig, Ruhe, Schwinne	04.05.2022	Akzeptiert
452	A		Ausgabe 1: elektr. Leistungskurve für Klimatisierung	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
453	A		Ausgabe 2: Innentemperatur(t)	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
454	A		Ausgabe 3 : Leistung der eingeschalteten Nebenverbraucher	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
500	I	5	Software / Werkzeuge	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
501	A		Das Modell muss mit Standard-Simulink in MATLAB 2020a ausführbar sein	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
502	A		Nachhaltigkeit: Programmierung nach Namenskonvention	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
503	A		Das Modell ist als Bibliothek ausgeführt, sodass es als Teil des Gesamtprojekts lauffähig ist	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
600	I	6	Dokumentation	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
601	A		Nachhaltigkeit: Kommentierung des Programmcodes	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
602	A		Nachhaltigkeit: Übersichtliche Struktur	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
603	A		Projektmanagement anhand eines V-Modells	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
604	A		Nachhaltigkeit: Projektdokumentation in SVN	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
700	I	7	Wiki-Artikel erstellen	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022
701	A		Beschreibung des Modells	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
702	A		Dokumentation zur Verwendung des Modells	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert
703	A		Dokumentation des Modellierungs- und Programmierungsprozesses	Leidig, Ruhe, Schwinne	27.04.2022	Akzeptiert

Funktionaler Systementwurf

Nachdem die Anforderungsdefinition abgenommen wurde, kann das System im funktionalen Systementwurf in Subkomponenten unterteilt werden. Für den Innenraum des Fahrzeugs sind dies:

Thermischer Energiehaushalt: In dieser Komponente wird die Summe der Wärmeströme im Innenraum der Fahrgastzelle bestimmt, welcher sich unteranderem aus der Sonneneinstrahlung und dem Einfluss der Außentemperatur zusammensetzt.

Klimatisierung: Mit dieser Komponente wird ein Innentemperaturregler simuliert sowie die benötigte elektrische Leistung berechnet.

Nebenverbraucher: Diese Komponente berechnet die Leistungsaufnahme der Nebenverbraucher wie z.B. Beleuchtung, Steuergeräte und Infotaiement.

Technischer Systementwurf

In diesem Entwicklungsschritt wird der "Rahmen" des Systems in Simulink modelliert. Dabei handelt es sich um die Module (hier wird das Modul "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" beschrieben) und deren externe Kommunikationsschnittstellen. Allgemein werden zur Steigerung der Übersichtlichkeit Busse zur Kommunikation verwendet, dabei hat jedes Modul zwei Eingänge: 1. Der "Eingangs_BUS", welcher die im Skript "start.m" konfigurierbaren Eingangssignale enthält, z.B. die aktuelle Soll-Geschwindigkeit "PAR_EHF_v_soll_f64". 2. Der "EHF_BUS", welcher die Ausgangsbusse der drei Module zusammenfasst.

Jedes Modul hat nur einen Ausgang, ebenfalls in Form eines Busses. Dieser fasst alle Ausgangssignale des Moduls zusammen. Für das Modul "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" heißt dieser "FKI_BUS" und fasst die vier Ausgangssignale aktuelle Innentemperatur "FKI_T_Innenraum_f64", gesamte elektrische Leistungsaufnahme "FKI_P_Gesamt_f64", Leistungsaufnahme der Klimatisierung "FKI_P_Klimatisierung_f64" sowie die Leistungsaufnahme der Nebenverbraucher "FKI_P_Nebenverbraucher_f64", zusammen. Die drei Komponenten thermischer Energiehaushalt, Klimatisierung, und Nebenverbraucher, sowie deren Schnittstellen untereinander werden ebenfalls angelegt. Der technische Systementwurf für das Modul FKI ist der folgenden Abbildung 4 zu entnehmen.

Abbildung 3: Erste Skizzierung des technischen Systementwurfs
Abbildung 4: Finaler technischer Systementwurf / Verbindung der Komponenten

Komponentenspezifikation

In diesem Entwicklungsschritt wird die Funktionsweise der einzelnen Komponenten konkretisiert, die Ein- und Ausgänge festgelegt, und verwendete Konstanten und Werte angelegt.

Thermischer Energiehaushalt

Zur Berechnung des Thermischen Energiehaushalts sind Flächen und das Volumen der Fahrgastzelle erforderlich. Die Fahrgastzelle wurde als Quader modelliert, wobei, wie auf der folgenden Abbildung ersichtlich, im oberen rechten Viertel ein Achtel ausgeschnitten ist. Die Eckpunkte der Windschutzscheibe liegen somit jeweils auf der Hälfte der Länge und Breite der Fahrgastzelle, die Scheibe liegt in einem 45°-Winkel.

Die Werte für Länge, Breite, und Höhe stellen lediglich Annahmen dar.

Spezifikation Fahrgastzelle
Maß	Wert	Formel
Länge $l$	$1.6\,m$
Breite $b$	$1.8\,m$
Höhe $h$	$1.6\,m$

Fläche eine Tür/Seite	$2.24\,m^{2}$	$\frac{7}{8}\,l\cdot h$
Fläche alle Fenster	$4.28\,m^{2}$	$\frac{3}{4}\,l\cdot h+b\cdot\sqrt{(\frac{h}{2})^{2}+(\frac{l}{2})^{2}}$
Fläche aus der Draufsicht	$2.88\,m^{2}$	$l\cdot b$
Fläche Dach	$1.44\,m^{2}$	$\frac{1}{2}\,l\cdot b$
Fläche Metall	$11.2\,m^{2}$	$l\cdot h+1.5\,h\cdot b+1.5\,l\cdot b$
Gesamtfläche	$15.48\,m^{2}$	Fläche Metall + Fläche Fenster

Volumen	$4.03\,m^{3}$	$\frac{7}{8}\,l\cdot h\cdot b$

Die Funktionalität des thermischen Energiehaushalts lässt sich in zwei Schritte unterteilen:

1. Bestimmung des Gesamtwärmestroms $\dot{Q}$ , dieser ergibt sich aus der Summe der Einzelwärmeströme (welche jeweils positiv oder negativ sein können) von:

der Klimatisierung (s.u.),
der Wärmeleitung, die sich aufgrund einer Differenz zwischer Innenraum- und Außentemperatur durch die (gedämmte) Karosserie und das Fensterglas ergibt,
und der Wärmestrahlung durch Sonneneinstrahlung auf die Dachfläche.

2. Berechnung der Innenraumtemperatur, dazu wird zunächst die zugeführte Wärme $Q$ durch Integration des Wärmestroms ermittelt. Die resultierende Änderung der Innenraumtemperatur ergibt sich wie folgt, wobei $c$ , $\rho$ und $V$ jeweils Konstanten für die spezifische Wärmekapazität von Luft, die Dichte von Luft, und das Innenvolumen der Fahrgastzelle sind:

$\Delta T = \frac{Q}{c\cdot m} = \frac{Q}{c\cdot \rho \cdot V}$

Durch Addition eines konstanten Startwertes "PAR_EHF_T_Innenraum_Initial_f64" ergibt sich der absolute Wert für die Innenraumtemperatur.

Hinweis: Während der Projektphasen der Komponentenspezifikation und der Implementierung war zunächst die Modellierung des Energiehaushaltes mittels eines PT1-Glieds angedacht.
Da die Herleitung des Faktors K sich als schwierig erwies, wurde zur Sicherstellung eines lauffähigen Programms auf den oben beschriebenen Ansatz ausgewichen.

Klimatisierung

Die Komponente Klimatisierung dient zur Reglung der Innenraumtemperatur auf einen konstanten Sollwert "PAR_EHF_T_Soll_Innenraum_f64".
Zur Kühlung kommt eine Wärmepumpe/Klimaanlage zum Einsatz. Die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors wird als konstant "PAR_FKI_P_WP_el_f64" angenommen, der Betrag der thermischen Leistung (Wärmestrom) wird als höher angenommen. Da Wärmepumpen i.A. bei geringer Differenz zwischen Außen- und Innentemperatur effizienter arbeiten, wird eine Abhängigkeit der Effizienz von der Temperaturdifferenz mittels eines eindimensionalen Lookup-Tables modelliert.
Zum Heizen werden zwecks Vergleichbarkeit der Effizienz bzw. des Energieverbrauchs zwei Ansätze modelliert, zunächst die Verwendung der Wärmepumpe als Heizung, als auch die Verwendung einer rein resistiven Heizung (vgl. Heizlüfter).
Zwischen den beiden Ansätzen kann mittels des Parameters "PAR_EHF_Resistiv_Heizen" gewechselt werden.

Zur Regelung kommt ein einfacher Vergleichsregler mit Hysterese von 1°C zum Einsatz, so wird etwa die Heizung eingeschaltet, wenn die Ist-Temperatur um mindestens 1°C niedriger als die Soll-Temperatur ist und wieder ausgeschaltet, sobald diese erreicht ist. Für die Kühlung ist das Logik identisch, nur dass Soll- und Ist-Temperatur als Eingänge vertauscht sind. Die Benutzung einer Hysterese ist inbesondere beim Kompressor sinnvoll, um die Menge an Ein- und Ausschaltvorgängen zu reduzieren.
Weiterhin ist eine Zwangsabschaltung der Klimatisierung zur Energieeinsparung vorgesehen, wenn der vom Modul ANT bereitgestellte Akkustand unter den Wert von "PAR_EHF_Energiespar_Schwellwert_f64" (z.B. 10 %) fällt.

Nebenverbraucher

Zu den Nebenverbrauchern zählen die Beleuchtung, die Steuergeräte sowie das Infotainment. Alle drei Werte wurden durch Parameter beschrieben.

Beleuchtung: Die Beleuchtung besteht aus einem Parameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" welcher den Wert für die Leistungsaufnahme der Beleuchtung angibt und einem Wahrheitswert (Boolean) "PAR_EHF_Beleuchtung_Aktiv_bool" mit welchem beschrieben wird ob die Beleuchtung an oder ausgeschaltet wird. Der Paramter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" erhält im eingeschalteten Zusatnd den konstanten Wert 200 W und im ausgeschalteten Zusatnd den Wert 0 W.

Steuergeräte: Auch die Leistungsaufnahme der Steuergeraäte wird durch einen konstanten Wert von 15 W beschrieben. Hierfür wird der Parameter "PAR_FKI_P_Steuergeraete_f64" verwendet.

Infotainment: Die einzelnen Elemente des Infotainments (z.B. Radio, Navigation) werden zusammengefasst in einen Parameter "PAR_EHF_P_Weitere_Nebenverbraucher_f64".

Die drei Parameter werden addiert, wodurch eine Gesamtleistung der Nebenverbraucher entsteht. Diese wird im Ausgangswert "FKI_P_Nebenverbraucher_f64" gespeichert und an den FKI BUS weitergeleitet.