Seminaraufgabe SoSe 2022: EHF Gruppe FKI: Unterschied zwischen den Versionen

Aus HSHL Mechatronik
Zur Navigation springen Zur Suche springen
 
(33 dazwischenliegende Versionen von 3 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 8: Zeile 8:


<!-- Dies hier wird nicht angezeigt -->
<!-- Dies hier wird nicht angezeigt -->
[[Datei:Postauto.png|1000px|thumb|right|Absatz|Abbildung. 1: Symbolbild der Seminaraufgabe]]
[[Datei:Postauto.png|1000px|thumb|right|Absatz|Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe]]




Zeile 15: Zeile 15:
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.
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.


=== Die Komponente "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" (FKI) ===
Die Komponente "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" modelliert die .......


== V-Modell ==
== V-Modell ==


[[Datei:V-Modell.png|500px|thumb|left|Absatz|Abbildung. 2: V-Modell ]]
[[Datei:V-Modell.png|500px|thumb|left|Absatz|Abbildung 2: V-Modell ]]
<br clear = all>
<br clear = all>


Zeile 34: Zeile 32:
#'''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.
#'''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).
#'''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 Ahängikeiten der Komponenten beschrieben als auch die einzelnen Schnittstellen.
#'''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?
#'''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.
#'''Implementierung:''' Nachdem das Projekt detailliert beschrieben ist kann die Entwicklung des Produkts durchgeführt werden. Hier werden alle geforderten Funktionen programmiert und/oder modelliert.
Zeile 182: Zeile 180:
== Technischer Systementwurf ==
== 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.
<gallery widths="450" heights="300">
Datei:TechnischerSystementwurfSketch.jpg|Abbildung 3: Erste Skizzierung des technischen Systementwurfs
Datei:TechnischerSystementwurf.png|Abbildung 4: Finaler technischer Systementwurf / Verbindung der Komponenten
</gallery>
<br clear = all>


== Komponentenspezifikation ==
== Komponentenspezifikation ==


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


=== Thermischer Energiehaushalt ===
=== 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.
[[Datei:Spezifikation Fahrgastzelle.png|350px|thumb|left|Abbildung 5: Schematische Darstellung der Fahrgastzelle]]
<br clear = all>
Die  Werte für Länge, Breite, und Höhe stellen lediglich Annahmen dar.
{| class="wikitable"
|+ Spezifikation Fahrgastzelle
|-
! Maß !! Wert !! Formel
|-
| Länge <math>l</math> || <math>1.6\,m</math> ||
|-
| Breite <math>b</math> || <math>1.8\,m</math> ||
|-
| Höhe <math>h</math> || <math>1.6\,m</math> ||
|-
|  ||  ||
|-
| Fläche eine Tür/Seite || <math>2.24\,m^{2}</math> || <math>\frac{7}{8}\,l\cdot h</math>
|-
| Fläche alle Fenster || <math>4.28\,m^{2}</math> || <math>\frac{3}{4}\,l\cdot h+b\cdot\sqrt{(\frac{h}{2})^{2}+(\frac{l}{2})^{2}}</math>
|-
| Fläche aus der Draufsicht || <math>2.88\,m^{2}</math> || <math>l\cdot b</math>
|-
| Fläche Dach || <math>1.44\,m^{2}</math> || <math>\frac{1}{2}\,l\cdot b</math>
|-
| Fläche Metall || <math>11.2\,m^{2}</math> || <math>l\cdot h+1.5\,h\cdot b+1.5\,l\cdot b</math>
|-
| Gesamtfläche || <math>15.48\,m^{2}</math> || Fläche Metall + Fläche Fenster
|-
|  ||  ||
|-
| Volumen || <math>4.03\,m^{3}</math> || <math>\frac{7}{8}\,l\cdot h\cdot b</math>
|}
Die Funktionalität des thermischen Energiehaushalts lässt sich in zwei Schritte unterteilen:
1. '''Bestimmung des Gesamtwärmestroms''' <math>\dot{Q}</math>, 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 <math>Q</math> durch Integration des Wärmestroms ermittelt. Die resultierende Änderung der Innenraumtemperatur ergibt sich wie folgt, wobei <math>c</math>, <math>\rho</math> und <math>V</math> jeweils Konstanten für die spezifische Wärmekapazität von Luft, die Dichte von Luft, und das Innenvolumen der Fahrgastzelle sind:<br><br>
<math>\Delta T = \frac{Q}{c\cdot m} = \frac{Q}{c\cdot \rho \cdot V}</math><br><br>
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.<br>
Da die Herleitung des Faktors K sich als schwierig erwies, wurde zur Sicherstellung eines lauffähigen Programms auf den oben beschriebenen Ansatz ausgewichen.


=== Klimatisierung ===
=== Klimatisierung ===


Die Komponente Klimatisierung dient zur Reglung der Innenraumtemperatur auf einen konstanten Sollwert "PAR_EHF_T_Soll_Innenraum_f64".<br>
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.<br>
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).<br>
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.<br>
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 ===
=== Nebenverbraucher ===
Zeile 197: Zeile 271:
Alle drei Werte wurden durch Parameter beschrieben.
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 Wharheitswert (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.
*'''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.
*'''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.
Zeile 210: Zeile 284:
=== Thermischer Energiehaushalt ===
=== Thermischer Energiehaushalt ===


Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente Thermischer Energiehaushalt.


[[Datei:Thermischer Energiehaushalt Modellierung.png|800px|thumb|left|Abbildung 6: Modellierung des thermischen Energiehaushalts]]
<br clear = all>


=== Klimatisierung ===
=== Klimatisierung ===


Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente Klimatisierung.
Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert.
Klimatisierung und Heizung haben jeweils einfache Regler mit Hysterese.
Mitteils Switch-Blöcken wurde die Logik realisiert.
[[Datei:Klimatisierung Modellierung.png|800px|thumb|left|Abbildung 7: Modellierung der Klimatisierung]]
<br clear = all>


=== Nebenverbraucher ===
=== Nebenverbraucher ===


Die nachfolgende Abbildung zeigt das Simulink Modell der Nebenverbraucher.  
Die nachfolgende Abbildung zeigt das Simulink-Modell der Nebenverbraucher.  
Für die Beleuchtung wird ein Simulink Switch-Block verwendet. In Port 1 wird das Inputsignal "0" eingegeben, wodurch die Beleuchtung als "ausgeschaltet" angesehen wird. In Port 2 wird der Booleanparameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" übermittelt, welcher überprüft ob die Beleuchtung eingeschaltet ist. Port 3 enthält den Parameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" also den Wert der Leistungsaufnahme der eingeschalteten Beleuchtung.
Für die Beleuchtung wird ein Simulink Switch-Block verwendet. In Port 1 wird das Inputsignal "0" eingegeben, wodurch die Beleuchtung als "ausgeschaltet" angesehen wird. In Port 2 wird der Booleanparameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" übermittelt, welcher überprüft ob die Beleuchtung eingeschaltet ist. Port 3 enthält den Parameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" also den Wert der Leistungsaufnahme der eingeschalteten Beleuchtung.
Dieser Wert der Leistungsaufnahme wird mit einem Simulink Sum-Block mit den Parametern "PAR_EHF_P_Weitere_Nebenverbraucher_f64" und "PAR_FKI_P_Steuergeraete_f64" verrechnet.
Dieser Wert der Leistungsaufnahme wird mit einem Simulink Sum-Block mit den Parametern "PAR_EHF_P_Weitere_Nebenverbraucher_f64" und "PAR_FKI_P_Steuergeraete_f64" verrechnet.
[[Datei:Nebenverbraucher_Modellierung.jpg|800px|thumb|left|Abbildung X: Nebenverbraucher Modellierung]]
[[Datei:Nebenverbraucher Modellierung2.png|800px|thumb|left|Abbildung 8: Modellierung Nebenverbraucher]]
<br clear = all>
<br clear = all>


Zeile 239: Zeile 323:
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
|-
|-
| 100||I||'''1'''||'''Dämmung''' ||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022
| 000||Überprüfung der Parameter||allg.||||Laden der Konstanten aus Parameterdatei||alle Parameter der Datei wurden  erfolgreich geladen||Parameter c_v fehlt||siehe Kommentar||Es fehlt einige Parameter in  Parameterdatei und im Simulinkmodell (z.B. PAR_EHF_T_Innenraum_Initial_f64)
||||
|-
| 001||Programmier- und Namenskonvention||allg.||||||Entspricht Programmier- und Namenskonvention||Entspricht nicht vollständig Namenskonvention||||Namenkonvention von Eingänge und Ausgänge im Simulinkmodell nicht eingehalten
|-
| 002||Rahmenbedingungen eingehalten||300&310||||visuelle Überprüfung der Komponente||Rahmenbedingungen eingehalten||Rahmenbedingungen eingehalten||i. O.||
|-
| 003||Test auf richtige Formel||420||PAR_FKI_Klima_Leistungszahl_f64a=1;PEl=2000W||||P_therm = 2000W||Formel wird nicht umgesetzt||||PAR_FKI_Klima_Leistungszahl_f64 nicht vorhanden; Andere Formel für P_therm wurde im Simulinkmodell verwendet:Keine Verbindung zu P_EL.
|-
| 004||Wenn Innenraumtemperatur Ist > Innenraumtemperatur Soll: Kühlung||500
||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Kühlung||||||Programm nicht lauffähig.
|-
| 005||Wenn Innenraumtemperatur Ist < Innenraumtemperatur Soll: Heizung||510
||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Heizung||||||Programm nicht lauffähig.
|-
| 006||Wenn der Akkustand <  als 10 % ist, sind Heizung und Kühlung immer abgeschaltet.||520
||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Heizung und Kühlung immer abgeschaltet ||||||Programm nicht lauffähig.
|-
| 007||Wenn (T_Ist - T_Soll) > 1°C beträgt, wird die Kühlung eingeschaltet.||610
||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Heizung und Kühlung immer abgeschaltet||||||Programm nicht lauffähig.
|-
| 008||Wenn (T_Soll - T_Ist) > 1°C beträgt, wird die Heizung eingeschaltet||620||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Heizung eingeschaltet||||||Programm nicht lauffähig.
|-
| 009||Wenn (T_Soll > T_Ist) ist, wird die Kühlung abgeschaltet.||630||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Kühlung abgeschaltet||||||Programm nicht lauffähig.
|-
|-
| 101||A||||Dämmung gegen Hitze und Kälte [-20°C bis 40°C]/Durchschnittstemperatur 9,1°C (2021)||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022||Akzeptiert||
| 010||Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.||640 ||||Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen||Heizung abgeschaltet||||||Programm nicht lauffähig.
|-
|-
|}
|}
</div>
</div>
=== Thermischer Energiehaushalt ===
=== Thermischer Energiehaushalt ===
{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
Zeile 258: Zeile 364:
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
|-
|-
| 100||I||'''1'''||'''Dämmung''' ||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022
| 000||Überprüfung der Parameter||allg.||>> parameter_FKI >> ||Laden der Konstanten aus Parameterdatei||alle Parameter der Datei wurden  erfolgreich geladen||alle Parameter der Datei wurden nicht erfolgreich geladen||siehe Kommentar||es fehlt einige Parameter in Parameterdatei und(z.B. PAR_EHF_T_Innenraum_Initial_f64)
||||
|-
| 001||Test alle Eingänge auf 0||allg.||||Einbindung Konstante & Scope||alle Ausgänge = 0||Ausgänge = 0||i. O.||keine
|-
| 002||Überprüfung des Aufbaues||allg.||||Modell überprüfung||Verknüpfungen||||siehe Kommentar||v_ist aktuell noch ohne Verbindung
|-
| 003||Der Thermischen Energiehaushalts wird in einem Simulink-Block ausgeführt.||100||||||||||i. O.||keine
|-
| 004||"Für das Volumen des Innenraums wird die Wandstärke als 0 angenommen somit Außenfläche gleich Innenfläche"||110||||||||||i. O.||keine
|-
| 005||Für die Sonneneinstrahlung wird ein exakt senkrechter Einfallswinkel angenommen.||120||||||||||i. O.||keine
|-
| 006||"Überprüfung für die Berechnung des Wärmestroms durch die Glasscheibe, bei geschlossenen Türen und Fenstern"||200||||Überprüfung der Umsetzung in Simulink||Richtigkeit der Formel||Formel ist richtig bzw. wurde richtig umgesetzt||i. O.||keine
|-
| 007||Überprüfung der Berechnung des Wärmestroms der Karosserie ohne Glas ||210 |||Überprüfung der Formel im Simulink Modell||Richtigkeit der Formel||Formel ist richtig||i. O.||keine
|-
| 008||Überprüfung der Berechnung des Wärmestroms der Sonne||220||||Überprüfung der Formel im Simulink Modell||Richtigkeit der Formel||Formel ist richtig||siehe Kommentar||Abstimmung über Größe A der Dachfläche mit Gruppe FAS - bitte Rücksprache
|-
| 009||Überprüfung der Berechnung des Gesamtwärmestroms||230||||Überprüfung der Formel im Simulink Modell||Richtigkeit der Formel||Formel ist richtig||i. O.||keine
|-
|-
| 101||A||||Dämmung gegen Hitze und Kälte [-20°C bis 40°C]/Durchschnittstemperatur 9,1°C (2021)||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022||Akzeptiert||
| 010||Die Berechnung der Temperatur im Innenraum der Fahrgastzelle, soll auf eine Formel,ähnlich dem PT1 Verhalten zurückgegriffen werden.||240||||Überprüfung der Formel im Simulink Modell||Richtigkeit der DGL und der Zusammengesetzen Übertragungsfunktion in Simulink||Umsetzung stimmt||i. O.||keine
|-
|-
|}
|}
</div>
</div>
=== Nebenverbraucher ===
=== Nebenverbraucher ===
{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
Zeile 277: Zeile 401:
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
| align="center" style="background:#39F;"|'''Kommentar'''
|-
|-
| 100||I||'''1'''||'''Dämmung''' ||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022
| 001||Test alle Eingänge auf 0||allg.||Eingänge = 0||Simulation durch Eingang 0||Ausgang= 0||Ausgang = 0||i. O.||keine
||||
|-
| 002||Berechnung der Nebenverbrauchers wird in einer Komponente (Simulink-Subsystem) ausgeführt.||700||-||Modell überprüfung||Subsystem existiert||Subsystem ist vorhanden||i. O.||keine
|-
| 003||Addition der Leistungen der 3 modellierten Nebenverbraucher.||800||-||Überprüfung Modell||Additionspunkt||Ist vorhanden||i. O.||keine
|-
| 004||Berechnung Beleuchtung. Konstant 200 W wenn an, 0W wenn aus.||810||PAR_FKI_P_Beleuchtung ||Überprüfung der Logik||An = 200 und Aus = 0||Realisierung per Schalter||i. O.||keine
|-
| 005||Berechnung Steuergeräte. Konstant 15W.||820||PAR_FKI_P_Steuergeraete||Überprüfung Variablenwert||Variable hat 15W||||i. O.||keine
|-
|-
| 101||A||||Dämmung gegen Hitze und Kälte [-20°C bis 40°C]/Durchschnittstemperatur 9,1°C (2021)||Leidig, Ruhe, Schwinne||27.04.2022||Akzeptiert||
| 006||Berechnung weitere Nebenverbraucher||830||PAR_P_Weitere_Nebenverbraucher.||Überprüfung der Variable||Parameter ist vorhanden||Parameter ist richtig eingebunden||siehe Kommentar||Was steckt hinter dem Parameter? Vielleicht noch aufschlüsseln oder klar definieren
|-
|-
|}
|}
Zeile 288: Zeile 419:


Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".
Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".
Eine geringfügige Anzahl von formlosen Modultests wurde dennoch durchgeführt, um die Kernfunktionalität des Modells zu überprüfen.<br>
Folgende Testfälle wurden durchgeführt:
{| class="wikitable"
|+ Modultests
|-
! ID !! Test und Parameter !! Erwartung !! Ergebnis !! Ergebnisgrafik (Simulink-Scope)
|-
| 1 || Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung || Die Klimatisierungsleistung ist konstant 0, die Innenraumtemperatur sinkt langsam mit exponentiellem Verlauf von 20°C auf 10°C ab. || Die Innentemperatur sinkt innerhalb von ca. 200 Sekunden von 20°C auf 10°C ab. Start- und Endwert sowie der Temperaturverlauf sind wie erwartet, jedoch ist die Abkühlungszeit unerwartet kurz. ||
[[Datei:FKI Test1.png|left|mini|300px|Abbildung 9: Innentemperaturverlauf Test 1]]
|-
| 2 || Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür offen, keine Sonneneinstrahlung || Durch die geöffnete Tür sinkt die Temperatur schneller ab. || Die Temperatur sinkt wie erwartet schneller ab und erreicht nach ca. 10 Sekunden 10°C. ||
[[Datei:FKI Test2.png|left|mini|300px|Abbildung 10: Innentemperaturverlauf Test 2]]
|-
| 3 || Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, Sonneneinstrahlung 250 W/m^2 || Die Temperatur sinkt langsamer ab und erreicht einen Endwert, der über der Außentemperatur liegt. || Die Temperatur sinkt wie erwartet nicht bis auf die Außentemperatur ab, sie erreicht nach ca. 160 Sekunden knapp 16°C. ||
[[Datei:FKI Test3.png|left|mini|300px|Abbildung 11: Innentemperaturverlauf Test 3]]
|-
| 4 || Klimatisierung an (Wärmepumpen-Heizung), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung || Die Temperatur wird zwischen 19°C und 20°C gehalten, die Heizung läuft im Intervallbetrieb. || Entspricht der Erwartung. ||
[[Datei:Test4.png|left|mini|300px|Abbildung 12: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 4]]
|-
| 5 || Klimatisierung an (Resistive Heizung), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung || Die Temperatur wird zwischen 19°C und 20°C gehalten, die Heizung läuft im Intervallbetrieb, die Intervalldauer und somit der Energieverbrauch ist höher als in Testfall 5. || Entspricht der Erwartung. ||
[[Datei:FKI Test5.png|left|mini|300px|Abbildung 13: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 5]]
|-
| 6 || Klimatisierung an (Wärmepumpen-Heizung), Außentemperatur 30°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung || Die Temperatur wird wie erwartet zwischen 20°C und 21°C gehalten, die Klimatisierung läuft im Intervallbetrieb. || Entspricht der Erwartung. ||
[[Datei:FKI Test6.png|left|mini|300px|Abbildung 14: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 6]]
|}
Die unten abgebildete verwendete Testumgebung besteht aus dem Modul, zur eigenständigen Ausführung sind die Eingänge durch Konstanten ersetzt. Außerdem werden zwei Scopes zur Auswertung verwendet.
[[Datei:FKITest.png|800px|thumb|left|Abbildung 15: Testumgebung für das Modul FKI]]
<br clear = all>


== Systemtest ==
== Systemtest ==
Zeile 298: Zeile 460:


== Fazit ==
== Fazit ==
 
Das Ziel der Seminaraufgabe im Sommersemester 2022 war die Simulation des Energiehaushalts eines Elektrofahrzeugs. Hierzu wurde sich zu Beginn des Seminars für die Vorgehensweise nach dem V-Modell entschieden. Dabei werden anfangs die Anforderungen an das Endprodukt beschrieben, welche Schritt für Schritt an Detail gewinnen. In der Implementierungsphase werden dann (in diesem Fall) die detaillierten Anforderungen mit Matlab Simulink modelliert. In den anschließenden Testphasen wird das Produkt auf allen Ebenen getestet, sodass es im letzten Schritt vom Kunden abgenommen werden kann. Da die Modellierung des Energiehaushalts eines Elektrofahrzeugs sehr umfangreich ist, wurden drei Gruppen gebildet (Antrieb, Farzeugkarosserie Innenraum, Fahrzeuglängsdynamik). Jede Gruppe modellierte ihr jeweiliges Teilgebiet und testete anschließend die Ergebnisse einer anderen Gruppe. Die Gruppe FKI wurde beispielsweise durch das Team ANT getestet, wodurch bis zu dem Zeitpunkt kleine unerkannte Unstimmigkeiten verbessert werden konnten. Durch den Kurs konnte anhand eines praxisnahen Beispiels die Projektabwicklung nach dem V-Modell geübt werden. Im Fokus stand dabei die Definitionsphasen sowie die Implementierungsphase.
 
Die Integration und Ausführung des finalen Gesamtmodells steht noch aus, die Gruppe FLD hat jedoch unter Verwendung einer vorherigen Version des Moduls FKI bereits ein lauffähiges Gesamtmodell im SVN-Order "Software/Bonus" erstellt.
 
Insgesamt ist es trotz reduzierter Durchführung einiger Testphasen gelungen, ein lauffähiges Modul zu erstellen, welches zum Großteil sinnvolle Simulationsergebnisse liefert.
== Literaturverzeichnis ==
 


----
----
→ zum Hauptartikel: [[Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs | Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs]]
→ zum Hauptartikel: [[Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs | Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs]]

Aktuelle Version vom 11. Juli 2022, 00:09 Uhr


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

Abbildung 2: 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.

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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?
  5. 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.

  2. Komponententest: Mit dem Komponententest werden die Funktionen auf der detailliertesten Anforderungsebene getestet (z.B. wurden Werte korrekt berechnet).
  3. Integrationstest: Eine Ebene höher wird getestet, ob die Module gemeinsam funktionieren (Abhängigkeiten, Schnittstellen).
  4. Systemtest: Hier wird das Gesamtsystem in einer optimalen Umgebung getestet. Dabei kann der Kunde entscheiden ob das Produkt den gewünschten Anforderungen entspricht.
  5. 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 3: Erste Skizzierung des technischen Systementwurfs

  • Abbildung 4: Finaler technischer Systementwurf / Verbindung der Komponenten

    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.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Fahrgastzelle


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

Spezifikation Fahrgastzelle
Maß Wert Formel
Länge
Breite
Höhe
Fläche eine Tür/Seite
Fläche alle Fenster
Fläche aus der Draufsicht
Fläche Dach
Fläche Metall
Gesamtfläche Fläche Metall + Fläche Fenster
Volumen

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

1. Bestimmung des Gesamtwärmestroms , 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 durch Integration des Wärmestroms ermittelt. Die resultierende Änderung der Innenraumtemperatur ergibt sich wie folgt, wobei , und jeweils Konstanten für die spezifische Wärmekapazität von Luft, die Dichte von Luft, und das Innenvolumen der Fahrgastzelle sind:



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.

Entwicklung

Thermischer Energiehaushalt

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente Thermischer Energiehaushalt.

Abbildung 6: Modellierung des thermischen Energiehaushalts


Klimatisierung

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente Klimatisierung. Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Klimatisierung und Heizung haben jeweils einfache Regler mit Hysterese. Mitteils Switch-Blöcken wurde die Logik realisiert.

Abbildung 7: Modellierung der Klimatisierung


Nebenverbraucher

Die nachfolgende Abbildung zeigt das Simulink-Modell der Nebenverbraucher. Für die Beleuchtung wird ein Simulink Switch-Block verwendet. In Port 1 wird das Inputsignal "0" eingegeben, wodurch die Beleuchtung als "ausgeschaltet" angesehen wird. In Port 2 wird der Booleanparameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" übermittelt, welcher überprüft ob die Beleuchtung eingeschaltet ist. Port 3 enthält den Parameter "PAR_FKI_P_Beleuchtung_f64" also den Wert der Leistungsaufnahme der eingeschalteten Beleuchtung. Dieser Wert der Leistungsaufnahme wird mit einem Simulink Sum-Block mit den Parametern "PAR_EHF_P_Weitere_Nebenverbraucher_f64" und "PAR_FKI_P_Steuergeraete_f64" verrechnet.

Abbildung 8: Modellierung Nebenverbraucher


Komponententest

Der Komponententest für die Komponente "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" wurde durch die Gruppe ANT (Andreas Mentrup und Christabelle Feunang) durchgeführt. Im Folgenden ist die Dokumentation der Tests zu sehen.

Klimatisierung

Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
000 Überprüfung der Parameter allg. Laden der Konstanten aus Parameterdatei alle Parameter der Datei wurden erfolgreich geladen Parameter c_v fehlt siehe Kommentar Es fehlt einige Parameter in Parameterdatei und im Simulinkmodell (z.B. PAR_EHF_T_Innenraum_Initial_f64)
001 Programmier- und Namenskonvention allg. Entspricht Programmier- und Namenskonvention Entspricht nicht vollständig Namenskonvention Namenkonvention von Eingänge und Ausgänge im Simulinkmodell nicht eingehalten
002 Rahmenbedingungen eingehalten 300&310 visuelle Überprüfung der Komponente Rahmenbedingungen eingehalten Rahmenbedingungen eingehalten i. O.
003 Test auf richtige Formel 420 PAR_FKI_Klima_Leistungszahl_f64a=1;PEl=2000W P_therm = 2000W Formel wird nicht umgesetzt PAR_FKI_Klima_Leistungszahl_f64 nicht vorhanden; Andere Formel für P_therm wurde im Simulinkmodell verwendet:Keine Verbindung zu P_EL.
004 Wenn Innenraumtemperatur Ist > Innenraumtemperatur Soll: Kühlung 500 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Kühlung Programm nicht lauffähig.
005 Wenn Innenraumtemperatur Ist < Innenraumtemperatur Soll: Heizung 510 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Heizung Programm nicht lauffähig.
006 Wenn der Akkustand < als 10 % ist, sind Heizung und Kühlung immer abgeschaltet. 520 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Heizung und Kühlung immer abgeschaltet Programm nicht lauffähig.
007 Wenn (T_Ist - T_Soll) > 1°C beträgt, wird die Kühlung eingeschaltet. 610 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Heizung und Kühlung immer abgeschaltet Programm nicht lauffähig.
008 Wenn (T_Soll - T_Ist) > 1°C beträgt, wird die Heizung eingeschaltet 620 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Heizung eingeschaltet Programm nicht lauffähig.
009 Wenn (T_Soll > T_Ist) ist, wird die Kühlung abgeschaltet. 630 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Kühlung abgeschaltet Programm nicht lauffähig.
010 Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet. 640 Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen Heizung abgeschaltet Programm nicht lauffähig.

Thermischer Energiehaushalt

Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
000 Überprüfung der Parameter allg. >> parameter_FKI >> Laden der Konstanten aus Parameterdatei alle Parameter der Datei wurden erfolgreich geladen alle Parameter der Datei wurden nicht erfolgreich geladen siehe Kommentar es fehlt einige Parameter in Parameterdatei und(z.B. PAR_EHF_T_Innenraum_Initial_f64)
001 Test alle Eingänge auf 0 allg. Einbindung Konstante & Scope alle Ausgänge = 0 Ausgänge = 0 i. O. keine
002 Überprüfung des Aufbaues allg. Modell überprüfung Verknüpfungen siehe Kommentar v_ist aktuell noch ohne Verbindung
003 Der Thermischen Energiehaushalts wird in einem Simulink-Block ausgeführt. 100 i. O. keine
004 "Für das Volumen des Innenraums wird die Wandstärke als 0 angenommen somit Außenfläche gleich Innenfläche" 110 i. O. keine
005 Für die Sonneneinstrahlung wird ein exakt senkrechter Einfallswinkel angenommen. 120 i. O. keine
006 "Überprüfung für die Berechnung des Wärmestroms durch die Glasscheibe, bei geschlossenen Türen und Fenstern" 200 Überprüfung der Umsetzung in Simulink Richtigkeit der Formel Formel ist richtig bzw. wurde richtig umgesetzt i. O. keine
007 Überprüfung der Berechnung des Wärmestroms der Karosserie ohne Glas 210 Überprüfung der Formel im Simulink Modell Richtigkeit der Formel Formel ist richtig i. O. keine
008 Überprüfung der Berechnung des Wärmestroms der Sonne 220 Überprüfung der Formel im Simulink Modell Richtigkeit der Formel Formel ist richtig siehe Kommentar Abstimmung über Größe A der Dachfläche mit Gruppe FAS - bitte Rücksprache
009 Überprüfung der Berechnung des Gesamtwärmestroms 230 Überprüfung der Formel im Simulink Modell Richtigkeit der Formel Formel ist richtig i. O. keine
010 Die Berechnung der Temperatur im Innenraum der Fahrgastzelle, soll auf eine Formel,ähnlich dem PT1 Verhalten zurückgegriffen werden. 240 Überprüfung der Formel im Simulink Modell Richtigkeit der DGL und der Zusammengesetzen Übertragungsfunktion in Simulink Umsetzung stimmt i. O. keine

Nebenverbraucher

Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Test alle Eingänge auf 0 allg. Eingänge = 0 Simulation durch Eingang 0 Ausgang= 0 Ausgang = 0 i. O. keine
002 Berechnung der Nebenverbrauchers wird in einer Komponente (Simulink-Subsystem) ausgeführt. 700 - Modell überprüfung Subsystem existiert Subsystem ist vorhanden i. O. keine
003 Addition der Leistungen der 3 modellierten Nebenverbraucher. 800 - Überprüfung Modell Additionspunkt Ist vorhanden i. O. keine
004 Berechnung Beleuchtung. Konstant 200 W wenn an, 0W wenn aus. 810 PAR_FKI_P_Beleuchtung Überprüfung der Logik An = 200 und Aus = 0 Realisierung per Schalter i. O. keine
005 Berechnung Steuergeräte. Konstant 15W. 820 PAR_FKI_P_Steuergeraete Überprüfung Variablenwert Variable hat 15W i. O. keine
006 Berechnung weitere Nebenverbraucher 830 PAR_P_Weitere_Nebenverbraucher. Überprüfung der Variable Parameter ist vorhanden Parameter ist richtig eingebunden siehe Kommentar Was steckt hinter dem Parameter? Vielleicht noch aufschlüsseln oder klar definieren

Integrationstest

Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".

Eine geringfügige Anzahl von formlosen Modultests wurde dennoch durchgeführt, um die Kernfunktionalität des Modells zu überprüfen.
Folgende Testfälle wurden durchgeführt:

Modultests
ID Test und Parameter Erwartung Ergebnis Ergebnisgrafik (Simulink-Scope)
1 Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung Die Klimatisierungsleistung ist konstant 0, die Innenraumtemperatur sinkt langsam mit exponentiellem Verlauf von 20°C auf 10°C ab. Die Innentemperatur sinkt innerhalb von ca. 200 Sekunden von 20°C auf 10°C ab. Start- und Endwert sowie der Temperaturverlauf sind wie erwartet, jedoch ist die Abkühlungszeit unerwartet kurz.
Abbildung 9: Innentemperaturverlauf Test 1
2 Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür offen, keine Sonneneinstrahlung Durch die geöffnete Tür sinkt die Temperatur schneller ab. Die Temperatur sinkt wie erwartet schneller ab und erreicht nach ca. 10 Sekunden 10°C.
Abbildung 10: Innentemperaturverlauf Test 2
3 Klimatisierung aus (Akkustand < 10%), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, Sonneneinstrahlung 250 W/m^2 Die Temperatur sinkt langsamer ab und erreicht einen Endwert, der über der Außentemperatur liegt. Die Temperatur sinkt wie erwartet nicht bis auf die Außentemperatur ab, sie erreicht nach ca. 160 Sekunden knapp 16°C.
Abbildung 11: Innentemperaturverlauf Test 3
4 Klimatisierung an (Wärmepumpen-Heizung), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung Die Temperatur wird zwischen 19°C und 20°C gehalten, die Heizung läuft im Intervallbetrieb. Entspricht der Erwartung.
Abbildung 12: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 4
5 Klimatisierung an (Resistive Heizung), Außentemperatur 10°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung Die Temperatur wird zwischen 19°C und 20°C gehalten, die Heizung läuft im Intervallbetrieb, die Intervalldauer und somit der Energieverbrauch ist höher als in Testfall 5. Entspricht der Erwartung.
Abbildung 13: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 5
6 Klimatisierung an (Wärmepumpen-Heizung), Außentemperatur 30°C, Tür geschlossen, keine Sonneneinstrahlung Die Temperatur wird wie erwartet zwischen 20°C und 21°C gehalten, die Klimatisierung läuft im Intervallbetrieb. Entspricht der Erwartung.
Abbildung 14: Innentemperaturverlauf und Leistungsaufnahme Klimatisierung Test 6

Die unten abgebildete verwendete Testumgebung besteht aus dem Modul, zur eigenständigen Ausführung sind die Eingänge durch Konstanten ersetzt. Außerdem werden zwei Scopes zur Auswertung verwendet.

Abbildung 15: Testumgebung für das Modul FKI


Systemtest

Der Systemtest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".

Abnahmetest

Der Abnahmetest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".

Fazit

Das Ziel der Seminaraufgabe im Sommersemester 2022 war die Simulation des Energiehaushalts eines Elektrofahrzeugs. Hierzu wurde sich zu Beginn des Seminars für die Vorgehensweise nach dem V-Modell entschieden. Dabei werden anfangs die Anforderungen an das Endprodukt beschrieben, welche Schritt für Schritt an Detail gewinnen. In der Implementierungsphase werden dann (in diesem Fall) die detaillierten Anforderungen mit Matlab Simulink modelliert. In den anschließenden Testphasen wird das Produkt auf allen Ebenen getestet, sodass es im letzten Schritt vom Kunden abgenommen werden kann. Da die Modellierung des Energiehaushalts eines Elektrofahrzeugs sehr umfangreich ist, wurden drei Gruppen gebildet (Antrieb, Farzeugkarosserie Innenraum, Fahrzeuglängsdynamik). Jede Gruppe modellierte ihr jeweiliges Teilgebiet und testete anschließend die Ergebnisse einer anderen Gruppe. Die Gruppe FKI wurde beispielsweise durch das Team ANT getestet, wodurch bis zu dem Zeitpunkt kleine unerkannte Unstimmigkeiten verbessert werden konnten. Durch den Kurs konnte anhand eines praxisnahen Beispiels die Projektabwicklung nach dem V-Modell geübt werden. Im Fokus stand dabei die Definitionsphasen sowie die Implementierungsphase. Die Integration und Ausführung des finalen Gesamtmodells steht noch aus, die Gruppe FLD hat jedoch unter Verwendung einer vorherigen Version des Moduls FKI bereits ein lauffähiges Gesamtmodell im SVN-Order "Software/Bonus" erstellt. Insgesamt ist es trotz reduzierter Durchführung einiger Testphasen gelungen, ein lauffähiges Modul zu erstellen, welches zum Großteil sinnvolle Simulationsergebnisse liefert.

→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs

Abgerufen von „https://wiki-test.hshl.de/wiki/index.php?title=Seminaraufgabe_SoSe_2022:_EHF_Gruppe_FKI&oldid=93599“