Seminaraufgabe SoSe 2022: EHF Gruppe ANT

Autoren: Andreas Mentrup; Christabelle
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

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Abbildung. 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Einleitung

Bei der Bearbeitung von Projekten steht man immer wieder verschiedenen Herausforderungen gegenüber. Bei einer Unkoordinierten Herangehensweise kann es häufig zu Problemen in der Bearbeitung hinsichtlich Zeit und Effizienz kommen. Zudem können Aufgaben ein hohes Maß an Komplexität annehmen und dabei sehr vielschichtig werden. Um im Rahmen der Bearbeitung Koordination und einen Strukturierten Ablauf zu gewährleisten, können hier Entwicklungsmodelle eine Hilfestellung liefern.

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Im Rahmen der Bearbeitung dieses Moduls, wurde die Seminaraufgabe gestellt den Energiehaushalt eines Elektrofahrzeuges zu berechnen. In der weiteren Betrachtung dieser Aufgabe wurde nur die reine Längsdynamik modelliert. Zur Erreichung des Ziels. Wurden drei Gruppen gebildet, welche jeweils einen Bereich der Entwicklung innerhalb des Elektrofahrzeuges übernehmen. Diese Gruppe betrachtet den Entwicklungsprozess des Antriebs E-Maschine gemäß V-Modell.

V-Modell

Bei der Umsetzung dieses umfangreichen Projektes wird das V-Modell angewandt. Das V-Modell ist ein Vorgehensmodell, welches den Entwicklungsprozess in verschiedene Phasen unterteilt und diese definiert. Auf der Linken Seite wird mit den funktionalen/fachlichen Spezifikationen begonnen, welche immer tiefer und detailreicher ausgebaut werden. In der Spitze (unten) erfolgt die Implementierung, welche dann Schritt für Schritt auf der rechten Seite mit der gegenüberliegenden Spezifikation getestet wird. Zu Beginn wurden wurden die Anforderungsdefinitionen in dem Lastenheft zusammengetragen. Anschließend wurde der funktionale Systementwurf mit der gesamten Seminargruppe zusammengetragen. Im nächsten Schritt wurde der technische Systementwurf mit dem technischen Systemplan realisiert. Im vierten Schritt wurde die Komponentenspezifikation für die verschiedenen Komponenten zusammengestellt. Anschließend folgte die Programmierung mit Matlab Simulink. Nach Abschluss der Programmierung wird mit der Testphase begonnen. Hierzu wurden die Komponenten durch anderen Gruppen jeweils getestet.

Abbildung. 2: V-Modell

Anforderungsdefinition: Lastenheft

Zu Beginn des Projektes wurde eine Anforderungsliste erstellt. Die Anforderungen an das Lastenheft sind so allgemein wie möglich und so einschränkend wie nötig beschrieben. Das erste Kapitel definiert die Energieart der Antriebsform. Im nächsten Kapitel werden die einzelnen Energieformen für den Antrieb beschrieben. Im Kapitel 3 geht es um die Überwachung. Im nächsten Kapitel wird die Leistung beschrieben, welche einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen soll. Das letzte Kapitel definiert die Anforderungen an die Dokumentation des Projektes. Einige dieser Anforderungen wurden im Laufe des Projektes angepasst oder ergänzt.

Funktionaler Systementwurf

Der Funktionale Systementwurf ist eine Phase indem funktionaler Hinsicht auf Ebene der Fachanforderungen ein Systementwurf geschrieben wird. Dieser entspricht dem Lastenheft. Der Funktionale Systementwurf gliedert sich in drei Module. Fahrzeug Antriebssystem, Fahrzeugkarosserie Innenraum und Fahrzeug Längsdynamik. Diese Gruppe hat sich mit dem Antriebsystem beschäftigt.

Abbildung 3: Funktionaler Systementwurf

Technischer Systementwurf

Der Technische Systementwurf betrachtet nun eine Stufe tiefer das System als der Funktionale Systementwurf. Auch hier wird unser Technisches System in drei Hauptkomponenten (Teilsysteme) unterteilt. Die Solarzelle, den Akku und der Antrieb die E-Maschine. Die verschiedenen Teilsysteme weisen zum Teil mehrere Ein- und Ausgänge auf und zeigen die Schnittstellen zur Systemumwelt auf.

Abbildung 4: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Für jede Komponenten wurde eine eigene Spezifikation erstellt. Die Komponentenspezifikation zerlegt die drei Teilsysteme in Ihre einzelnen Komponenten. Jede dieser Spezifikationen gibt Aufschluss über die genauen Bezeichnungen der Eingänge, der Ausgänge sowie der verwendeten Parameter.

Solarzelle

Die Solarzelle hat als einzigen Eingang die Sonnenleistungsdichte (PAR_EHF_Phi_Sonneneinstrahlung_f64) und als Ausgang die Leistung der Solarzelle (P_Solar). Der einzige Parameter, der zur Berechnung verwendet wurde ist die Solarfläche (PAR_ANT_ASolar_f64). Die Sonnenleistung wird in der Simulation vorgegeben. Die Ermittlung der vorhandenen Solarfläche hat sich gemäß der Aufgabenstellung ergeben. Als Fahrzeug wurde ein Postauto verwendet, welches vom Modell Street Scooter Work L ist. Daraus hat sich eine Fläche von 5,44 m2 ergeben. Die Solarleistung wurde mit 300 W pro 1,5m^2 angenommen. Die Gesamtleistung beläuft sich somit auf 800 Watt. Der Wirkungsgrad der Nennleistung ist in der Rechnung berücksichtigt. Zur Vereinfachung wurden Standardtestbedingungen für Watt Peak angenommen. Die Bestrahlungsstärke wurde mit 1000W/m^2 gemäß Deutschland (NRW) übernommen bei einem Sonnenlichtspektrum von 1,5.

1. Eingang
   • Sonnenleistungsdichte: PAR_EHF_Phi_Sonneneinstrahlung_f64 [W/m^2]
2. Ausgang
   • Leistung Solarzelle: P_Solar [W]
3. Parameter
   • Solarfläche: PAR_ANT_ASolar_f64 [m^2]

Akku

Der Wirkungsgrad beim laden entspricht 98%. Zur Berechnung der Ladeleistung wird die Solarleistung mit der Rekuperationsleistung addiert. Der Akkustand ergibt sich aus der Formel gemäß Komponentenspezifikation. Die Verbrauchsleistung im Innenraum wurde durch die Gruppe FKI bestimmt und in der Komponente Akku mit der Variable FKI_P_Gesamt_f64 verrechnet. Die notwendige Logik aus Kapitel 5 konnte aus zeitlichen Gründen nicht mehr voll funktionsfähig umgesetzt werden. Die Ladekapazität wurde gemäß Fahrzeug der Aufgabenstellung als fix festgelegt.

1. Eingänge
   • Elektrischer Verbrauch: P_Verbrauch [W]
   • Ladeleistung: P_Laden [W]
   • Verbrauchsleistung Innenraum: FKI_P_Gesamt_f64 [W]
2. Ausgang
   • Akkustand: ANT_Akkustand_f64 [%]
3. Parameter
   • Ladekapazität: PAR_ANT_Ladekapazitaet_f64 = 40 [kWh]
   • Wirkungsgrad: PAR_ANT_WirkungsgradAkku_f64

Antrieb E-Maschine

Der Wirkungsgrad des Elektromotors wurde mit 85% angenommen. Die Eingangsgröße die Sollleistung wird hier vorgegeben. Der Ausgang die Rekuperationsleistung wird als negativ Leistung (P_Verbrauch) des Motors betrachtet. Dabei wird die negativ Leistung zum Betrag genommen und mit dem Rekuperationsgrad multipliziert. Diese anschließend positive Leistung fließt nun in den Akku. Das Übertragungsverhalten dieses Moduls wurde mit einem PT1-Glied realisiert.

1. Eingang
   • Sollleistung: P_Soll [W]
2. Ausgänge
   • Rekuperationsleistung: P_Rek [W]
   • Ist-Leistung (Antriebsstrang): P_Ist [W]
   • Elektrischer Verbrauch: P_Verbrauch [W]
3. Parameter
   • Wirkungsgrad des Elektromotors: PAR_ANT_WirkungsgradMotor_f64
   • Rekuperationsgrad: PAR_ANT_Rekuperationsgrad_F64

Programmierung / Modellierung

Solarzelle

Abbildung 5: Solarzelle

Akku

Abbildung 6: Akku

Antrieb E-Maschine

Abbildung 7: Antrieb E-Maschine

Komponententest

Der Komponententest ist ein Softwaretest, welcher die einzelnen Module auf Ihre Lauffähigkeit und Korrektheit zu überprüfen. Die Lauffähigkeit der Komponenten ist der erste Teil der Überprüfung, welcher möglichst früh erfolgen soll, da Auswirkungen hier auf das gesamte technische System wirken. Für den Komponententest werden alle Komponenten einzeln isoliert betrachtet, da in diesem Schritt der Testphase nur einzelne Komponenten getestet werden und nicht das Gesamtsystem, müssen anschließend noch andere Tests erfolgen. Aufgrund des Zeitlichen Rahmens konnten anschließend keine weiteren Tests mehr durchgeführt werden.

Integrationstest

Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.

Systemtest

Der Systemtest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.

Fazit

Letztlich lässt sich festhalten, dass das Projekt gemäß der Aufgabenstellung und den sich daraus ergebenden Anforderungen bis zu einem gewissen Punkt umsetzen lassen haben. Zu Beginn des Seminars am Anfang des Semesters, wirkte die Aufgabenstellung erst sehr komplex und umfangreich. Durch die Stufenweise Anwendung und Umsetzung der Schritte gemäß V-Modell konnte das Projekt in einzelne Phasen unterteilt sowie strukturiert werden, welches die Bearbeitung erleichterte. Leider konnte die Seminaraufgabe nicht komplett fertig gestellt werden aufgrund von Ereignissen an der Hochschule. Somit konnten die Schritte nach dem Komponententest nicht mehr umgesetzt werden. Nach diesem Seminar lässt sich festhalten, dass das Vorgehen gemäß des V-Modells für komplexere Aufgabenstellungen effektiv und sinnvoll ist und ein hilfreiches Instrument für die Durchführung von diversen Projekten ist.

Literaturverzeichnis

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