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
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.
Die Komponente "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" (FKI)
Die Komponente "Fahrzeugkarosserie und Innenraum" modelliert die .......
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 Ahängikeiten der Komponenten beschrieben als auch 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: |
Leidig, Ruhe, Schwinne | 27.04.2022 | Akzeptiert | |||
| 405 | A | Eingabe 3: Außentemperatur | Leidig, Ruhe, Schwinne | 27.04.2022 | Akzeptiert | |||
| 406 | A | Eingabe 4: |
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
Komponentenspezifikation
Thermischer Energiehaushalt
Klimatisierung
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 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.
- 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
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.
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. | ||
| 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 |
| 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 |
Nebenverbraucher
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 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 |
Integrationstest
Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil der Aufgabe im Kurs "Systems Design Engineering".
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
Literaturverzeichnis
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs