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
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.
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: 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)
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.
Abbildung X: Nebenverbraucher Modellierung
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
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
000
Wenn (T_Ist > T_Soll) ist, wird die Heizung abgeschaltet.
640
Werte für Eingänge, die die Bedingung erfüllt anlegen
Heizung abgeschaltet
Programm nicht lauffähig.
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".
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".
