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 (FLD)
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 arbeiten 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
Im technischen Systementwurf werden die einzelnen Komponenten, sowie deren Zusammenspiel genauer beschrieben. Für diese Entwicklung wurde das Gesamtmodell zunächst auf Papier grob skizziert, bevor ein Simulink-Modell erstellt wird. Hierbei sind die jeweiligen Unterkomponenten als eigenes Subsystem erstellt. Diese werden mit ihren Ein- und Ausgängen untereinander verbunden und bilden so den Rahme der Gesamtkomponente Fahrzeuglängsdynamik (FLD). Die interne Implementierung der Subsysteme wird in diesem Schritt noch nicht durchgeführt. Dies folgt in den nächsten Schritten des V-Modells.
-
Erster Entwurf auf Papier
-
Erster Entwurf in Simulink
-
Finaler Entwurf in Simulink
Die Ermittelten Schnittstellen der einzelnen Komponenten sind in den folgenden Tabellen dargestellt.
1
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
| Eingänge | Beschreibung | 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 |
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_F_Widerstand_f64 | Gesamtkraft der Fahrwiderstände | N |
2
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
| Eingänge | Beschreibung | 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 |
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_F_Bremse_f64 | Bremskraft des Fahrzeuges | N |
3
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| PAR_F_B_Max_f64 | Maximalwert für die Bremskraft | N |
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_v_ist_f64 | Istgeschwindigkeit des Fahzeuges | m/s |
4
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| EHF_Steigung_Prozent_f64 | Gibt die Steigung an, in welcher sich das Fahrzeug befindet. Negative Werte geben ein Gefälle an. | Prozent |
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
| 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 |
Komponentenspezifikation
Nach dem technischen Systementwurf werden die einzelnen Komponenten im Detail spezifiziert. Mithilfe dieser Spezifikationen wird festgelegt, wie die Komponenten umzusetzen sind. Anhand der ermittelten Punkte kann im Anschluss der jeweilige Baustein erstell und implementiert werden.
Durch [Ausklappen] der einzelnen Teilbereiche werden die detaillierten Tabellen zur Komponentenspezifikation dargestellt.
Fahrwiderstände
Die Komponente berechnet die Fahrwiderstände. Im Modell werden dabei Wind- und Rollwiderstand betrachtet. Die Berechnung beruhen auf Parametern zur Geometrie des Fahrzeuges, zur Beschaffenheit des Reifen-Fahrbahnsystems und zur Umgebung des Fahrzeuges.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| 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 |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 2 | Luftwiderstand | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 040 | Die Gesamtgeschwindigkeit wird relativ zur Luft mittels Addition von Fahrgeschwindigkeit und Luftgeschwindigkeit ermittelt | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| Folgende Formel wird für den Luftwiderstand verwendet | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 050 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| v = Gesamtgeschwindigkeit relativ zur Luft | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| c_w = PAR_FLD_cw_Fzg_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| A = PAR_FLD_A_Front_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| ρ = PAR_FLD_roh_Luft_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 3 | Rollwiderstand | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| Folgende Formel wird für den Rollwiderstand verwendet (Multiplikation von Normalkraft und Rollwiderstandsbeiwert) | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 070 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| F_Normal = FLD_F_Normal_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| c_R = PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 4 | Gesamtkraft | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 080 | Die Gesamtkraft ergibt sich aus der Addition von F_Wind und F_Roll | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 |
Bremsen
Die Komponente Bremse berechnet die durch die Fahrzeugbremsen ausgeübte Kraft. Die benötigte Bremsleistung wird durch den Vergleich von Soll- und Ist-Rekuperationsleistung bestimmt. Im Anschluss wird aus dieser Leistung eine Kraft ausgerechnet, welche schließlich auf die maximal erreichbare Kraft der Bremsen begrenzt wird.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_F_B_Max_f64 | Maximalwert für die Bremskraft | 20000 | N |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 2 | Leistung Differenz | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 040 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| P_ist = FLD_P_ist_f64 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| P_soll = FLD_P_soll_f64 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 3 | Berechung der Bremskraft | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 050 | Wenn die Sollleistung negativ ist, dann wird die Bremskraft wie folgt berechnet: | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 060 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| v_ist = FLD_v_ist_f64 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| Die Bremskraft wird auf den Schwellwert PAR_F_B_Max_f64 begrenzt | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 |
Geschwindigkeitsermittlung
Die Komponente berechnet die Geschwindigkeit des Fahrzeugen. Die Berechnung beruht auf der Gesamtkraft des Fahrzeuges, welches durch die Summer der Fahrzeugmasse geteilt wird.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Masse des Fahrzeuges | 2000 | kg |
| PAR_FLD_J_Rad_f64 | Massenträgheitsmoment eines Rades | 70 | kg m² |
| PAR_FLD_r_Rad_f64 | Radius eines Rades | 0,55 | m |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders Angegeben | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 2 | Erstatzmasse des Massenträgheitsmomentes eines Rades | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 040 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| J = PAR_FLD_J_Rad_f64 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| r = PAR_FLD_r_Rad_f64 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 3 | Berechnung der Beschleunigung | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 050 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| 060 | Die Geschwindigkeit wird durch die Integration der Beschleunigung berechnet | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| a_Fzg = FLD_v_ist_f64 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| F_Ges = FLD_F_Ges_f64 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| m_Fzg = FLD_v_ist_f64 | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 |
Hangabtriebskraft
Die Komponente berechnet durch eine Steigung entstehenden Hangabtriebskraft. Die Berechnung beruhen auf Parametern der Steigung, Fahrzeugmasse und der Erdbeschleunigung.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_g_f64 | Erdbeschleunigung | 9,81 | m/s² |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Masse des Fahrzeuges | 2000 | kg |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 2 | Berechnung | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| Folgende Formeln werden für die Berechung verwendet | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| 040 | Die Gesamtgeschwindigkeit wird relativ zur Luft mittels Addition von Fahrgeschwindigkeit und Luftgeschwindigkeit ermittelt | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | |
| 050 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| Die Variablen sind folgendermaßen zuzuordnen: | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| m = PAR_FLD_m_Fzg_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| g = PAR_FLD_g_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| s = EHF_Steigung_Prozent_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| F_Hang = FLD_F_Hang_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | ||
| F_Normal = FLD_F_Normal_f64 | Mario Wollschläger | 12.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 |
Regler
Der Regler berechnet aus der Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges die benötigte Solleistung des Antriebes zur Minimierung der Regelabweichung. Um ein möglichst schnelle Ansprechverhalten ohne ständige Regelabweichung zu realisieren wird ein PID-Regler verwendet. Durch den Vergleich von Soll- und Ist-Leistung des Antriebes wird eine Anti-Windup-Strategie umgesetzt, welche diese ungewünschte Verhalten des I-Anteils des PID-Reglers verhindert.
Die Parameter des PID-Reglers werden mit der Sprungantwortmethode ermittelt. Das vorgehen ist im folgenden Kapitel Programmierung / Modellierung dargestellt. Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| 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 | - |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 2 | Umsetzung | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 040 | Die Sollleistung wird mit einem PID-Regler bestimmt | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 050 | P,I,D Parameter werden mittels Sprungantwortmethode ermittelt | Lukas Honerlage | 16.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 3 | Anti-Windup | Lukas Honerlage | 18.05.2022 | Mario Wollschläger | 19.05.2022 | |
| 060 | Das Anti-Windup Problem wird durch einen Vergleich von Soll- und Istleistung umgesetzt. | Mario Wollschläger | 04.07.2022 | Lukas Honerlage | 04.07.2022 | |
| 070 | Die Regeldifferenz in der Leistung wird bestimmt (Soll - Ist) | Mario Wollschläger | 04.07.2022 | Lukas Honerlage | 04.07.2022 | |
| 080 | Die Regeldifferenz wird mit einem konstaten Wert multipliziert. (Der Wert wird bei der Inbetreibnahme bestimmt) | Mario Wollschläger | 04.07.2022 | Lukas Honerlage | 04.07.2022 | |
| 090 | Die Regeldifferenz wird vor dem Integrator des I-Anteils Abgezogen | Mario Wollschläger | 04.07.2022 | Lukas Honerlage | 04.07.2022 |
Umrechnung P zu F
Mit dieser Komponente wird die vom Antrieb zur Verfügung gestellte Radleistung in eine Kraft umgewandelt. Dies Berechnung erfolgt auf Basis der Momentangeschwindigkeit des Fahrzeuges. Zur Beachtung von Radschlupf wird die Antriebskraft auf einen Maximalwert begrenzt.
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
| 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 |
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| FLD_F_Antrieb_f64 | Die Kraft, welche durch den Antrieb auf das Fahrzeug ausgeübt wird | N |
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
| Parameter | Beschreibung | Wert | Einheit |
| PAR_F_Antireb_Max_f64 | Maximalkraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann | 10000 | N |
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum 1 | Durchsicht von | Datum 2 |
| 1 | Rahmenbedingungen | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 010 | Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 020 | Es gibt keine weiteren Subsysteme | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 030 | Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 2 | Umrechnung Leistung zu Newton | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | |
| 040 | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| F_A = FLD_F_Antrieb_f64 | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| P_A = EHF_V_ist_f64 | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| v_ist = FLD_F_Antrieb_f64 | Lukas Honerlage | 12.05.2022 | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | ||
| 050 | Die Kraft wird auf einen Maximalwert begrenzt | Mario Wollschläger | 18.05.2022 | Lukas Honerlage | 18.05.2022 |
Programmierung / Modellierung
In der Programmierung werden die einzelnen Komponenten entsprechende zuvor definierten Spezifikation umgesetzt. Die Implementierung erfolgt in dem bereits für den technischen Systementwurf erstellten Simulink-Modell.
Fahrwiderstände
Bremsen
Geschwindigkeitsermittlung
Hangabtriebskraft
Regler
Umrechnung P zu F
Komponententest
Fahrwiderstände
| Parameter | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_cw_Fzg_f64 | 0,3 | - |
| PAR_FLD_A_Front_f64 | 3,2 | m^2 |
| PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64 | 0,013 | - |
| PAR_FLD_roh_Luft_f64 | 1,225 | kg/m^3 |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | 2000 | kg |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| EHF_v_Wind_f64 | 6 | m/s |
| EHF_v_Wind_f64 | 41,6667 | m/s |
| FLD_v_ist_f64 | 13,8889 | m/s |
| FLD_v_ist_f64 | 41,6667 | m/s |
| FLD_F_Normal_f64 | 19620 | N |
| FLD_F_Normal_f64 | 1565 | N |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 010 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink Block, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 020 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge, und Parameternamen stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | Alles stimmt mit der KS überein | i. O. | |
| 030 | Test auf richtige Formel (FWind) | 050 | FLD_v_ist_f64=6 EHF_v_Wind_f64=13.8889 | Simulation bei einer normalen Luftgeschwindigkeit von 6 m/s und einer Fahrgeschwindigkeit von 13,8889 m/s (=50 km/h) | Fwind=0.5*cw*A*roh*v^2=0.5*0.3*3.2*1.225*(6+13.8889)^2=232.5941 N | Fwind=232.6 N | i. O. |  |
| 040 | Test auf richtige Formel (FWind) | 050 | FLD_v_ist_f64=41.6667 EHF_v_Wind_f64=41.6667 | Simulation bei einer Luftgeschwindigkeit von 41,6667 (=150km/h) und einer Fahrgeschwindigkeit von 41,6667 m/s (=150 km/h) | Fwind=0.5*cw*A*roh*v^2=0.5*0.3*3.2*1.225*(41.6667*2)^2=4083.3398 N | Fwind=4083 N | i. O. |  |
| 050 | Test auf richtige Formel (FRoll) | 070 | FLD_F_Normal_f64=19620 | Simulation bei einer Normalkraft von 19620 N ( bei 0% Steigung) | FRoll=cr*FNormal=0.013*19620=255,06 N | FRoll=255.1 N | i. O. |  |
| 060 | Test auf richtige Formel (FRoll) | 070 | FLD_F_Normal_f64= 1565 | Simulation bei einer Normalkraft von 1565 N ( bei 8% Steigung) | FRoll=cr*FNormal=0.013*1565=20.345 N | FRoll=20.34 N | i. O. |  |
| 070 | Test auf richtige Formel (FWinderstand) | 080 | FLD_v_ist_f64=41.6667 EHF_v_Wind_f64=41.6667 FLD_F_Normal_f64= 1565 | Simulation bei Luftgeschwindigkeit von 41,6667, einer Fahrgeschwindigkeit von 41,6667 m/s und einer Normalkraft von 1565 N | FWinderstand=FWind+FRoll=4083.3398 + 20.345=4103.6848 N | FWiderstand=4104 N | i. O. |  |
Bremsen
| Parameter | Wert | Einheit |
| EHF_P_ist_f64 | 36,7749 | kW |
| FLD_P_soll_f64 | 35 | kW |
| FLD_v_ist_f64 | 13,8889 | m/s |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| EHF_P_ist_f64 | 36,7749 | kW |
| FLD_P_soll_f64 | 35 | kW |
| FLD_v_ist_f64 | 13,8889 | m/s |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 010 | Test auf richtige Formel | 040 | EHF_P_ist_f64 FLD_P_soll_f64 FLD_v_ist_f64 = 13.8889 m/s | Berechnung bei negativer Soll-Leistung | FB = (Pist-Psoll)/Vist = 5.1677 N | FB = 5.1677 N | i. O. | |
| 020 | Test auf richtige Formel | 060 | EHF_P_ist_f64 FLD_P_soll_f64 FLD_v_ist_f64 = 13.8889 m/s | Berechnung bei positiver Soll-Leistung | FB = (Pist-Psoll)/Vist = 0.1277 N | FB = 0.1277 N | i. O. | |
| 030 | Test auf richtige Formel | 060 | EHF_P_ist_f64 FLD_P_soll_f64 FLD_v_ist_f64 = 13.8889 m/s | Berechnung bei negativer Ist-Leistung | FB = (Pist-Psoll)/Vist = -0.1277 N | FB = -0.1277 N | i. O. | |
| 040 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 050 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge, und Parameternamen stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | PAR_F_B_Max_f64 in Parameterdatei anders benannt | n. i. O. | PAR_F_B_Max_f64 heißt in Simulink PAR_FLD_F_B_Max_f64 |
Geschwindigkeitsermittlung
| Parameter | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_J_Rad_f64 | 0 | kg m^2 |
| PAR_FLD_r_Rad_f64 | 0,55 | m |
| FLD_F_Ges_f64 | ||
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | 2000 | kg |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| FLD_F_Ges_f64 | konstant 1, Rechtecksignal in Testfall 007 | kg m/s^2 |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 001 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 002 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge, und Parameternamen stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | Alles stimmt mit der KS überein | i. O. | |
| 003 | Berechnung der Ersatzmasse m_Ersatz | 040 | J = 1 r = PAR_FLD_r_Rad_f64 = 0.55 | Vergleich m_Erstatz im Modell mit manueller Berechnung | m_Ersatz = J/r^2 = 3.306 | m_Ersatz = 3.306 | i. O. | Wert 0 für PAR_FLD_J_Rad_f64 in Parameterdatei nicht sinnvoll -> Ersatzwert 1 kg m^2 Ein "t" zu viel im Signalnamen ("m_Erstatz") |
| 004 | Berechnung der Beschleunigung a_Fzg | 050 | m_Erstatz = 3.306 FLD_F_Ges_f64 = konstant 1 | Vergleich Inputsignal des Integrators im Modell mit manueller Berechnung | a_Fzg = 4.96*10^-4 gemäß Formel in A. 050 | a_Fzg = 4.96*10^-4 | i. O. | |
| 005 | Berechnung der Geschwindigkeit FLD_v_ist_f64 (positive Kraft) | 060 | m_Ersatz = 0 | Simulation (10 Schritte) | FLD_v_ist_f64 = 10/2000 | FLD_v_ist_f64 = 0.005 | i. O. | |
| 006 | Berechnung der Geschwindigkeit FLD_v_ist_f64 (negative Kraft) | 060 | m_Ersatz = 0 | Simulation (10 Schritte) | FLD_v_ist_f64 = -10/2000 | FLD_v_ist_f64 = -0.005 | i. O. | |
| 007 | Berechnung der Geschwindigkeit FLD_v_ist_f64 (variable Kraft) | 060 | m_Ersatz = 0 FLD_F_Ges_f64 ist Rechtecksignal mit Amplitude 1, ändert Vorzeichen alle 2 Simulationsschritte | Simulation (10 Schritte) | FLD_v_ist_f64 = 0 | FLD_v_ist_f64 = 0 | i. O. |  |
Hangabtriebskraft
| Parameter | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_g_f64 | 9,81 | m/s^2 |
| PAR_FLD_m_Fzg_f64 | 2000 | kg |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| EHF_Steigung_f64 | 8 | % |
| EHF_Steigung_f64 | 0 | % |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 010 | Test auf richtige Formel (Hang) | 040 | Parameter geladen. EHF_Steigung_f64 = 8% PAR_FLD_m_Fzg_f64 = 2000 kg | Simulation bei einer Steigung von 8% | Fhang = (m*g*s)/sqrt(1+EHF_Steigung_f64^2) = 1564,6012 N | Fhang = 1575 N | n. i. O. | Operator muss zu Divide geändert werden  |
| 020 | Test auf richtige Formel (Normal) | 050 | Parameter geladen. EHF_Steigung_f64 = 0% PAR_FLD_m_Fzg_f64 = 2000 kg | Simulation bei einer Steigung von 0% (Normalfall) | Fnormal = (m*g)/sqrt(1+EHF_Steigung_f64^2) = 19620 N | Fnormal = 19620N | i. O. | |
| 030 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 040 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge, und Parameternamen stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | Alles stimmt mit der KS überein | i. O. |
Regler
| Parameter | Wert | Einheit |
| PAR_FLD_KP_f64 (KP) | 7594,5 | |
| PAR_FLD_KI_f64 (KI) | 45566,7 | |
| PAR_FLD_KD_f64 (KD) | 11391,7 |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| EHF_v_soll_f64 | Step bei T = 1 von 0 auf 10 | m/s |
| EHF_v_ist_f64 | 0 | m/s |
| EHF_P_ist_f64 | 0 | W |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 001 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 002 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge, und Parameternamen stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | Alles stimmt mit der KS überein | i. O. | |
| 003 | PID-Regler | 040 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | PID-Regler vorhanden | PID-Regler vorhanden | i. O. | |
| 004 | P-Anteil | 040 | KP = 2, KI = 0, KD = 0 | Simulation (10 Zeitschritte) | P_Soll(10) = (v_soll - v_ist) * KP = 20 | P_Soll ist proportional zur Geschwindigkeitsdiff. = 20 | i. O. |  |
| 005 | I-Anteil | 040 | KP = 0, KI = 0.1, KD = 0 | Simulation (10 Zeitschritte) | P_Soll(10) = (v_soll - v_ist) * 9 * KI = 9 | P_Soll ist proportional zum Integral der Diff. = 9 | i. O. |  |
| 006 | D-Anteil | 040 | KP = 0, KI = 0, KD = 1 | Simulation (10 Zeitschritte) | P_Soll = 0 | P_Soll ist proportional zur Änderungsrate der Geschwindigkeitsdiff. = 0 | i. O. | Sprungeingang führt zu kurz unendlich hohem P_Soll (Steigung d. Geschwindigkeitsdifferenz unendlich) |
| 007 | Ermittlung der Reglerkonstanten | 050 | KD = 0 | Simulation (10 Zeitschritte) | Die Sollleistung mit den ermittelten Parametern aus der Parameterdatei liegt im für ein Fahrzeug üblichen Rahmen | P_Soll erreicht nach 9 Sek. ca. 100 kW. | i. O. |  |
| 008 | Anti-Windup | 060 | Anmerkung | Mangels komplettem Regelkreislaufs kann die Parameterwahl und die Anti-Windup-Maßnahme im Rahmen dieses Komponententests noch nicht validiert werden. |
Umrechnung P zu F
| Parameter | Wert | Einheit |
| PAR_F_Antireb_Max_f64 | 10000 | N |
| Simulationsdaten | Wert | Einheit |
| EHF_P_ist_f64 | 59655,9897 | W |
| EHF_V_ist_f64 | 41,6667 | m/s |
| EHF_P_ist_f64 | 149139,974 | W |
| EHF_V_ist_f64 | 2,77777778 | m/s |
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
| 010 | Rahmenbedingungen eingehalten | 010, 020, 030 | - | Visuelle Überprüfung der Komponente | Simulink Block, keine Subsysteme, alle Einheiten SI | keine Subsysteme, Parameter in SI-Einheiten | i. O. | |
| 020 | Eingänge, Ausgänge und Parameter | - | - | Vergleich Modell mit der Komponentenspezifikation (KS) | Alle Eingänge, Ausgänge und Parameter stimmen mit der KS überein, es gibt keine die in der KS nicht vorhanden sind | Parameter für die Maximalkraft ist nicht gekennzeichnet | n. i. O. |  |
| 030 | Test auf richtige Formel | 040 | EHF_P_ist_f64 = 59655.9897 EHF_V_ist_f64 = 41.6667 | Simulation bei einer Leistung von 59655,9897 W (=80 PS) und einer Fahrgeschwindigkeit von 41,6667 m/s (=150 km/h) | Fa=Pa/v ist = 59655,9867/41,6667 = 1431,74261 N | Fa=1432 N | i. O. |  |
| 040 | Test auf die Begranzung auf einen Maximalwert | 050 | Die Kraft wird auf 10000 begrenzt EHF_P_ist_f64 = 149139.974 EHF_V_ist_f64 = 2.77777778 | Simulation bei einer Leistung von 149139,974 W (=200 PS) und einer Fahrgeschwindigkeit von 2,77777778 m/s (=10 km/h) | FLD_F_Antrieb_f64=10000 N | FLD_F_Antrieb_f64=1e+04 N | i. O. |  |
Integrationstest
Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 nicht Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engeneering im Studiengang BSE.
Systemtest
Der Systemtest war im Sommersemester 2022 nicht Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engeneering im Studiengang BSE.
Abnahmen
Literatur
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs