Seminaraufgabe SoSe 2022: EHF Gruppe FLD
Autoren: Mario Wollschläger und Lukas Honerlage
Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs
Einleitung
Im Rahmen des Studiengangs BSE der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 1. Fachsemester der Kurs Systems-Design-Engeneering angeboten. In diesem Kurs entwickeln Studenten in Zusammenarbeit mit anderen Team ein technisches System nach dem V-Modell. Im Sommersemester 2022 wurde der Energiehaushalt eines Fahrzeuges simuliert.
Gesamtmodell
Bei dem Gesamtmodell handelt es sich um eine Simulation in Simulink, welche den Energiehaushalt eines Fahrzeuges mit Längsdynamik, Wärmehaushalt und Energieinhalt der Fahrzeugbatterie umfasst. Diese drei Komponenten werden von unterschiedlichen Gruppen erstellt. Hierbei werden über Schnittstellen relevante Daten ausgetauscht, sodass sie in Zusammenarbeit die Simulationsaufgabe des Gesamtmodelles darstellen.
Aufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik
Die Komponente Fahrzeuglängsdynamik modelliert die Bewegung des Fahrzeuges in der Längsrichtung des Fahrzeuges. Die Komponente regelt dabei die Fahrzeugleistung anhand einer vom Umgebungsmodell vorgegebenen Sollgeschwindigkeit und gibt diese an weitere Komponenten weitert. Von diesen Komponenten werden weitere Daten aufgenommen aus denen dann die Fahrzeugbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet werden.
Anforderungsdefinition
In der Anforderungsdefinition werden die Anforderungen an das System festgehalten. Dabei sind lediglich die zu erfüllenden Aufgaben zu definieren und nicht die Art der Umsetzung. Alle Punkte sollten somit möglichst lösungsneutral beschrieben werden. Für die Komponente Fahrzeuglängsdynamik wurden folgende Anforderungen definiert und mit dem Auftraggeber abgestimmt:
| ID | Typ (I = Info, A = Anforderung) | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum | Kommentar Auftragnehmer | Status Auftraggeber | Kommentar Auftraggeber | |
| 001 | I | 1 | Ausgänge | ||||||
| 002 | A | Berechnete Daten werden über einen Bus ausgegeben. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 003 | A | Die Simulation muss die Geschwindigkeit des Fahrzeuges berechnen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 004 | A | Die Simulation muss die benötigte Antriebsleistung in Watt ausgeben. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 005 | A | Die Simulation muss bei Rekuperation eine Negativeantriebsleistung ausgaben (in Watt) | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 006 | I | 2 | Eingänge | ||||||
| 007 | Für die Berechnung benötigte Daten werden über einen Bus eingelesen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | |||||
| 008 | A | Die Simulation muss die Sollgeschwindigkeit als Eingangssignal bekommen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Korrigiert | Akzeptiert mit Einschr. | alle zeitveränderlichen Werte sind SIGNALE (siehe Systemtheorie 5. Semester MTR) | ||
| 009 | A | Die Simulation muss die Steigung in Prozent als Eingangsparmeter bekommen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert mit Einschr. | ||||
| 010 | A | Die Simulation muss die Windgeschwindigkeit als Eingangsparmeter bekommen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert mit Einschr. | ||||
| 011 | A | Die Simulation muss Antriebsleistung in Watt bekommen | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 012 | I | 2.1 | Eingänge - Konstanten | ||||||
| 013 | A | Die Simulation verarbeitet den Paramter Cw Wert. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 014 | A | Die Simulation verarbeitet den Paramter Luftdruck. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 015 | A | Die Simulation verarbeitet den Paramter Rollwiderstandbeiwert. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 016 | A | Die Simulation verarbeitet den Paramter Fahrzeugsmasse. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 017 | I | 3 | Berechnung | ||||||
| 018 | A | Die Berechungen müssen numerisch druchgeführt werden. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 019 | A | Die Schrittweite der Berechnung muss für die Aufgabe hinreichend schnell sein. Sie muss in der Simulation untersucht werden und darf maximal 1/10 von der kleinsten Systemzeitkostanten betragen! | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Korrigiert | Akzeptiert mit Einschr. | … muss in der Simulation untersucht werden und darf maximal 1/10 von der kleinsten Systemzeitkostanten betragen! | ||
| 020 | A | Das Programm muss eine Minimierung des Regefehlers von Soll- und Ist- Geschwindigkeit anstreben. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 021 | I | 4 | Unsetzung/Software | ||||||
| 022 | A | Das Modell wird in einem Simulink-Block umgesetzt | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 023 | A | Der Simulink-Block wird in einer Bibiliothek bereitgestellt. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 024 | A | Das Modell entspricht den Namenskonventionen für Matlab/Simulink von Prof. Mirek Göbel. (Version 1.1) | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 025 | A | Variablen im Signanalflussplan werden beschriftet, entsprechend den Namenskoventionen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 026 | A | Blöcke im Signanalflussplan werden eingefärbt, entsprechend den Namenskoventionen. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 027 | I | 5 | Rahemnbedingungen | ||||||
| 028 | A | Das Projekt wird nachhaltig im SVN dokumnetiert. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 029 | A | Die Produktentwicklung erfolgt nach dem V-Model. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 030 | A | Alle Ein- und Ausgangssinale werden in SI-Einheiten angegeben, falls nicht anders defniernt. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Akzeptiert | ||||
| 031 | A | Prof. Mirek Göbel bewertet das Projekt mit 1.0. | L.Honerlage M. Wollschläger | 27.04.2022 | Wir arbeit dran. | Akzeptiert mit Einschr. | wenn die Leistung stimmt, gerne ;-))) | ||
Funktionaler Systementwurf
Im Funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteil, für welche eine Teilaufgabe definiert wurde. In Verbindung erfüllen diese Komponenten die Gesamtaufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik.
- Fahrwiderstände: Die Komponente berechnet die Fahrwiderstände, welche auf das Fahrzeug wirken. Im Modell werden dabei Wind- und Rollwiderstand betrachtet.
- Bremsen: Die Komponente berechnet die Bremskraft, welche aufgrund einer zu geringen Rekuperationsleistung benötigt wird.
- Geschwindigkeitsermittlung: Die Komponente berechnet die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Integration der Beschleunigung.
- Hangabtriebskraft: Die Komponente berechnet die durch eine Steigung entstehenden Hangabtriebskraft, welche auf das Fahrzeug wirkt.
- Regler: Die Komponente berechnet die Sollleistung des Fahrzeugs. Im Modell wird ein PID-Regler verwendet.
- Umrechnung P zu F: Die Komponente rechnet die Leistung des Antriebs in die Antriebskraft um.
Weitere Informationen zur Interaktion der Einzelnen Komponenten untereinander finden sich im Abschnitt technischer Systementwurf.
Technischer Systementwurf
Fahrwiderstände
| Eingänge | Einheit | |
| FLD_v_ist_f64 | Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn | m/s |
| EHF_v_Wind_f64 | Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn | m/s |
| FLD_F_Normal_f64 | Normalkraft auf die Fahrbahn | N |
| Ausgänge | Einheit | |
| FLD_F_Widerstand_f64 | Gesamtkraft der Fahrwiderstände | N |
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_cw_Fzg_f64 | Cw-Wert des Fahrzeuges | 0,3 | - |
| PAR_FLD_A_Front_f64 | Stirnfläche des Fahrzeuges | 3,2 | m² |
| PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64 | Koeffizient für die Berechnung des Rollwiderstandes | 0,013 | - |
| PAR_FLD_roh_Luft_f64 | Dichte der Luft | 1,225 | kg/m³ |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Masse des Fahrzeuges | 2000 | kg |
Bremsen
| Eingänge | Einheit | |
| FLD_P_soll_f64 | Sollleistung des Antriebs | W |
| FLD_P_ist_f64 | Istleisutng des Antiebs | W |
| FLD_v_ist_f64 | Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges | m/s |
| Ausgänge | ' | Einheit |
| FLD_F_Bremse_f64 | Bremskraft des Fahrzeuges | N |
Geschwindigkeitsermittlung
Hangabtriebskraft
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| EHF_Steigung_Prozent_f64 | Gibt die Steigung an, in welcher sich das Fahrzeug befindet. Negative Werte geben ein Gefälle an. | Prozent |
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_F_Hang_f64 | Resultierende Kraft aus der Steigung in Newton. | N |
| FLD_f_Normal_f64 | Normalkraft auf die Reifen (wird für Rollwiderstand verwendet) | N |
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_g_f64 | Erdbeschleunigung | 9,81 | m/s² |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Masse des Fahrzeuges | 2000 | kg |
Regler
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| EHF_v_soll_f64 | Sollgeschwindgikeit des Fahrzeuges | m/s |
| EHF_v_ist_f64 | Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges | m/s |
| EHF_P_ist_f64 | Istleistung des Fahrzeugs | W |
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_P_Soll_f64 | Sollleistung, welche von der Komponente Antrieb angefordert wird | W |
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_KP_f64 | P-Faktor des PID-Reglers | 7594,5 | - |
| PAR_FLD_KI_f64 | I-Faktor für den Integrationsanteil des PID-Reglers | 45566,7 | - |
| PAR_FLD_KD_f64 | D-Faktor für den Differentialanteil des PID-Reglers | 11391,7 | - |
Umrechnung P zu F
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| EHF_P_ist_f64 | Istleistung, welche durch die Komponente Antieb ermittelt wird | W |
| EHF_V_ist_f64 | Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges | m/s |
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_F_Antrieb_f64 | Die Kraft, welche durch den Antrieb auf das Fahrzeug ausgeübt wird | N |
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_F_Antireb_Max_f64 | Maximalkraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann | 10000 | N |
Komponentenspezifikation
Fahrwiderstände
| align="center" style="background:#f0f0f0;"|Eingänge | align="center" style="background:#f0f0f0;"|' | align="center" style="background:#f0f0f0;"|' | align="center" style="background:#f0f0f0;"|Einheit |- | FLD_v_ist_f64||Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn||||m/s |- | EHF_v_Wind_f64||Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn||||m/s |- | FLD_F_Normal_f64||Normalkraft auf die Fahrbahn||||N |- | |}
Bremsen
Geschwindigkeitsermittlung
Hangabtriebskraft
| Eingänge | ' | Einheit |
| EHF_Steigung_Prozent_f64 | Gibt die Steigung an, in welcher sich das Fahrzeug befindet. Negative Werte geben ein Gefälle an. | Prozent |
| Ausgänge | ' | Einheit |
| FLD_F_Hang_f64 | Resultierende Kraft aus der Steigung in Newton. | N |
| FLD_f_Normal_f64 | Normalkraft auf die Reifen (wird für Rollwiderstand verwendet) | N |
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_g_f64 | Erdbeschleunigung | 9,81 | m/s² |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Masse des Fahrzeuges | 2000 | kg |
Regler
Umrechnung P zu F
| Eingänge | ' | ' | Einheit |
| EHF_P_ist_f64 | Istleistung, welche durch die Komponente Antieb ermittelt wird | W | |
| EHF_V_ist_f64 | Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges | m/s | |
Programmierung / Modellierung
Komponententest
Integrationstest
Systemtest
Abnahmen
Literatur
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs