Seminaraufgabe SoSe 2022: EHF Gruppe FLD

Symbolbild der Seminaraufgabe

Fahrzeug-Leangsdynamik-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 Masterstudiengangs BSE der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 1. Fachsemester der Kurs Systems-Design-Engineering angeboten. In diesem Kurs entwickeln Studierende in Zusammenarbeit mit anderen Teams ein technisches System nach dem V-Modell. In dem 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 Gesamtmodells darstellen.

Aufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik (FLD)

Die Komponente Fahrzeuglängsdynamik modelliert die Bewegung in der Längsrichtung des Fahrzeuges. Die Komponente regelt dabei die Fahrzeugleistung anhand einer vom Umgebungsmodell vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit und gibt diese an weitere Komponenten weiter. Von diesen Komponenten werden weitere Daten aufgenommen, aus denen 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 negative Antriebsleistung ausgeben (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 Soll-Geschwindigkeit 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 Eingangsparameter bekommen.	L. Honerlage M. Wollschläger	27.04.2022		Akzeptiert mit Einschr.
010	A		Die Simulation muss die Windgeschwindigkeit als Eingangsparameter 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 Parameter Cw Wert.	L. Honerlage M. Wollschläger	27.04.2022		Akzeptiert
014	A		Die Simulation verarbeitet den Parameter Luftdruck.	L. Honerlage M. Wollschläger	27.04.2022		Akzeptiert
015	A		Die Simulation verarbeitet den Parameter Rollwiderstandsbeiwert.	L. Honerlage M. Wollschläger	27.04.2022		Akzeptiert
016	A		Die Simulation verarbeitet den Parameter Fahrzeugmasse.	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	Umsetzung/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 dokumentiert.	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 Ausgangssignale 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 unterteilt, 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 der 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 entstehende Hangabtriebskraft, welche auf das Fahrzeug wirkt.

• Regler: Die Komponente berechnet die Soll-Leistung 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 wurden die jeweiligen Unterkomponenten als eigenes Subsystem erstellt. Diese werden mit ihren Ein- und Ausgängen untereinander verbunden und bilden so den Rahmen 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.

Fahrwiderstände

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

Bremsen

Die Komponente besitzt folgende Eingänge:

Eingänge	Beschreibung	Einheit
FLD_P_soll_f64	Soll-Leistung des Antriebs	W
FLD_P_ist_f64	Ist-Leistung des Antriebs	W
FLD_v_ist_f64	Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges	m/s

Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
FLD_F_Bremse_f64	Bremskraft des Fahrzeuges	N

Geschwindigkeitsermittlung

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	Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges	m/s

Hangabtriebskraft

Die Komponente besitzt folgende Eingänge:

Eingänge	Beschreibung	Einheit
EHF_Steigung_Prozent_f64	Steigung, 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

Regler

Die Komponente besitzt folgende Eingänge:

Eingänge	Beschreibung	Einheit
EHF_v_soll_f64	Soll-Geschwindigkeit des Fahrzeuges	m/s
EHF_v_ist_f64	Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges	m/s
EHF_P_ist_f64	Ist-Leistung des Fahrzeuges	W

Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
FLD_P_Soll_f64	Soll-Leistung, welche von der Komponente Antrieb angefordert wird	W

Umrechnung P zu F

Die Komponente besitzt folgende Eingänge:

Eingänge	Beschreibung	Einheit
EHF_P_ist_f64	Ist-Leistung, welche durch die Komponente Antrieb ermittelt wird	W
EHF_V_ist_f64	Ist-Geschwindigkeit 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

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 erstellt 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 Berechnungen 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		$F_{Wind}= \frac{1}{2} c_w \cdot A \cdot p \cdot v^2$	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		$F_{Roll} = F_{Normal} \cdot c_R$	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		$P_{Abweichung} = P_{ist} - P_{soll}$	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		$F_{B} = \frac{P_{Abweichung}}{ V_{ist}}$	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 Fahrzeuges. Die Berechnung beruht auf der Gesamtkraft des Fahrzeuges, welche durch die Summe 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

Das Trägheitsmoment rotierender Komponenten wie die Reifen eines Autos kann ebenfalls durch eine Ersatzmasse simuliert werden. Die entsprechende Formel ist den Spezifikationen zu entnehmen. 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 Massenträgheitsmoments eines Rades	Lukas Honerlage	16.05.2022	Mario Wollschläger	18.05.2022
040		$m_{Ersatz} = \frac{J}{r^{2}}$	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		$a_{FZG} = \frac{F_{Ges}}{m_{Fzg} + (4 \cdot m_{Ersatz})}$	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 die durch eine Steigung entstehenden Hangabtriebskraft. Die Berechnung beruht auf Parametern der Steigung, Fahrzeugmasse und 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		$F_{Hang} = m \cdot g \cdot \frac{s}{\sqrt{1 + s^2}}$	Mario Wollschläger	12.05.2022	Lukas Honerlage	18.05.2022
050		$F_{Normal} = m \cdot g \cdot \frac{1}{\sqrt{1 + s^2}}$	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

Fahrzeugleangsdynamik-FLD

Da die Steigung in Prozent angegeben wird, beschreibt diese ebenfalls das Verhältnis der Hangabtriebskraft zur Normalkraft des Fahrzeuges auf die Fahrbahn.

$F_{Hang} = F_{Normal} \cdot s$

Die beiden Kräftevektoren zusammen ergeben die Gewichtskraft, welche auf das Fahrzeug wirkt. Hierbei gilt, dass Normal und Gewichtskraft im rechten Winkel zueinander stehen. Dadurch kann der Satz des Pythagoras angewandt werden. Durch Umformung kann ein Zusammenhang zwischen der Normalkraft $F_{Normal}$ und der Steigung $s$ in Prozent hergeleitet werden.

$\begin{align} && F_g^2 &= F_{Normal}^2 + F_{Hang}^2 \\ \Leftrightarrow && F_g^2 &= F_{Normal}^2 + (F_{Normal} \cdot s)^2 \\ \Leftrightarrow && F_g^2 &= F_{Normal}^2 + F_{Normal}^2 \cdot s^2 \\ \Leftrightarrow && \frac{F_g^2}{F_{Normal}^2} &= 1 + s^2 \\ \Leftrightarrow && (\frac{F_g}{F_{Normal}})^2 &= 1 + s^2 \\ \Leftrightarrow && \frac{F_g}{F_{Normal}} &= \sqrt{1 + s^2} \\ \Leftrightarrow && F_g &= F_{Normal} \cdot \sqrt{1 + s^2} \\ \Leftrightarrow && F_{Normal} &= \frac{F_g}{\sqrt{1 + s^2}} \end{align}$

Durch Multiplikation der Normalkraft $F_{Normal}$ mit der Steigung $s$ kann dann auch die Hangabtriebskraft $F_{Hang}$ errechnet werden. Diese ergibt sich dann zu:

$\begin{align} && F_{Hang} &= F_{Normal} \cdot s \\ \Leftrightarrow && F_{Hang} &= F_g \cdot \frac{s}{\sqrt{1 + s^2}} \end{align}$

Regler

Der Regler berechnet aus der Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges die benötigte Soll-Leistung des Antriebes zur Minimierung der Regelabweichung. Um ein möglichst schnelles 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 dieses 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 Ist-Leistung 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 konstanten 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. Diese Berechnung erfolgt auf Basis der Momentangeschwindigkeit des Fahrzeuges. Zur Beachtung von Radschlupf wird die Antriebskraft auf einen Maximalwert begrenzt.

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		$F_A = \frac{P_A}{v_{ist}}$	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 entsprechend zuvor definierter Spezifikationen umgesetzt. Die Implementierung erfolgt in dem bereits für den technischen Systementwurf erstellten Simulink-Modell. Ebenfalls werden die Parameter angelegt. Alle Parameter, welche von der Komponente Fahrzeuglängsdynamik verwendet werden, sind in einer Matlab-Datei zusammengefasst. Diese Datei wird beim Start des Modells aufgerufen, sodass die entsprechenden Konstanten im Workspace angelegt werden.

% Parameterdatei fuer FLD (Fahrzeuglängsdynamik)
% ***********************************************************\
%
% Projekt: EHF - Energiehaushalt eines Fahrzeugs
%
% Teilprojekt: FLD - Fahrzeuglängsdynamik
%
% Implementierung : MATLAB R2020a
%
% Toolbox : Simulink
%
% Autor : Mario Wollschläger, Lukas Honerlage
%
%************************************************************/

PAR_FLD_cw_Fzg_f64 = 0.3;                   %Cw-Wert des Fahrzeuges (Einheitenlos)
PAR_FLD_A_Front_f64 = 3.2;                  %Stirnfläche des Fahrzeuges (m^2)
PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64 = 0.013; %Koeffizient für die Berechnung des Rollwiderstandes (Einheitenlos)
PAR_FLD_roh_Luft_f64 = 1.225;               %Dichte der Luft (kg/m^3)
PAR_FLD_m_Fzg_f64 = 2000;                   %Masse des Fahrzeuges (kg)
PAR_FLD_g_f64 = 9.81;                       %Erdbeschleunigung (m/s^2)
PAR_FLD_J_Rad_f64 = 70;                     %Massenträgheitsmoment eines Rades (kg m^2)
PAR_FLD_r_Rad_f64 = 0.55;                   %Radus eines Rades (m)
PAR_FLD_F_B_Max_f64 = 20000;                %Maximalwert für die Bremskraft (N) (Abgeschätzt: 1g Verzögerung bei 2 Tonnen Fahzeugmasse)
PAR_FLD_KP_f64 = 7594.5;                    %P-Faktor des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_KI_f64 = 45566.7;                   %I-Faktor für den Integrationsanteil des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_KD_f64 = 11391.7;                   %D-Faktor für den Differentialanteil des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_F_Antrieb_Max_f64 = 10000;          %Maximal Kraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann (N)

Im Folgenden ist die Implementierung der einzelnen Submodule in Simulink zu sehen.

Fahrwiderstände

Fahrzeugleangsdynamik-FLD

Bremsen

Fahrzeug-Bremsen-FLD

Geschwindigkeitsermittlung

Fahrzeug-Geschwindigkeitsermittlung-FLD

Hangabtriebskraft

Fahrzeug-Hangabtriebskraft -FLD

Regler

Fahrzeug-Regler-FLD

Die Regler-Parameter Kp, Ki und Kd werden mittels der Sprungantwortmethode nach Ziegler und Nichols bestimmt. Hierfür wurde ein Einheitsprung in die Regelstrecke eingeleitet und die Sprungantwort aufgenommen. Diese Sprungantwort wurde im Anschluss mittels eines PT1-Gliedes mit Totzeit approximiert. Aus den Kostanten der Approximation können die Regler-Parameter berechnet werden.

• 

  Simulinkmodell zur Auslegung des Reglers Datei:FLD Reglerauslegung.zip

• 

  Sprungantwort und Approximation als PT1 Glied

• 

  Berechnung der Werte des PID-Reglers Datei:FLD Reglerauslegung.xlsx

Umrechnung P zu F

In der Programmierung wird das Problem abgefangen, dass nicht durch Null geteilt werden darf. Wenn die Ist-Geschwindigkeit gleich Null ist, wird diese auf den Wert 0.0001 gesetzt. Durch den sehr kleinen Wert wird das Gesamtergebnis nur so verändert, das es vernachlässigt werden kann.

Fahrzeug-Umrechnung P zu F FLD

Komponententest

Der Komponententest für die Komponenten der Fahrzeuglängsdynamik wurde durch die Gruppe FKI durchgeführt. Im Folgenden ist die Dokumentation der Tests zu sehen.

Fahrwiderstände

Parameter	Wert	Einheit
PAR_FLD_cw_Fzg_f64	0,3	-
PAR_FLD_A_Front_f64	3,2	m²
PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64	0,013	-
PAR_FLD_roh_Luft_f64	1,225	kg/m³
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*v² = 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*v² = 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

Testumgebung der 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

Testumgebung der Geschwindigkeitsermittlung

Parameter	Wert	Einheit
PAR_FLD_J_Rad_f64	0	kg m²
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/s²

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/r² = 3.306	m_Ersatz = 3.306	i. O.	Wert 0 für PAR_FLD_J_Rad_f64 in Parameterdatei nicht sinnvoll ➔ Ersatzwert 1 kg m² 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

Testumgebung der Hangabtriebskraft

Parameter	Wert	Einheit
PAR_FLD_g_f64	9,81	m/s²
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_f64²) = 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_f64²) = 19620 N	Fnormal = 19620 N	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

Testumgebung des Reglers

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 Regelkreislauf 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 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.

Abnahme

Die Abnahme war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.

Fazit

Während des Sommersemesters 2022 war die Seminaraufgabe, den Energiehaushalt eines Fahrzeuges mithilfe des V-Modells zu entwickeln. Angefangen von der Anforderungsdefinition bis zum Komponententest. Die Bereiche Integrationstest, Systemtest und Abnahme waren dieses Semester kein Bestandteil des Kurses. Im ersten Schritt wurden die einzelnen Anforderungen definiert. Im zweiten Schritt wurde der Technische Systementwurf durchgeführt. Dieser beinhaltet eine anfängliche Skizze, welche später in Matlab umgesetzt wurde. Ebenfalls wurden die Ein- und Ausgänge der einzelnen Submodule definiert. In der Komponentenspezifikation wurde in einer Tabelle beschrieben, wie die Umsetzung im Programmierteil aussehen soll. Des Weiteren wurden hier die verwendeten Parameter aufgeführt. Bei der späteren Umsetzung in Matlab/Simulink wurden diese entsprechen der Spezifikation umgesetzt. Zum Schluss wurde der Komponententest der Gruppe FKI durchgeführt, wodurch noch kleine Fehler entdeckt werden konnten. Diese wurden im Anschluss behoben.

Somit wurde mit der Seminaraufgabe die Durchführung des V-Modells praktiziert. Hierbei wurden sowohl die Verifikation als auch die Validierung durchgeführt. Der Hauptaugenmerk lag in diesem Semester auf dem Linken Pfad des V-Modells, wodurch der Entwicklungszweig vollständig durchlaufen wurden. Ebenfalls konnte mit den Komponententests der erste Schritt des rechten Pfades im V-Modell, dem Testen durchgeführt werden.

Literatur

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→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2022: Energiehaushalt eines E-Fahrzeugs