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TU Berlin

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Prüfstand der Zukunft

Hochdynamischer Motorenprüfstand

Durch sich immer weiter verkürzende Entwicklungszyklen von neuen Kraftfahrzeugmodellen bei gleichzeitig ansteigendem Wettbewerbsdruck sind die Automobilhersteller an effektiveren Entwicklungsmethoden interessiert. Allein die Bedatung der notwendigen Steuergeräte in einem Kraftfahrzeug stellt einen enormen Arbeitsaufwand dar. Klassischer Weise werden solche Bedatungen mit Hilfe von teuren (da zeit- und materialaufwendig) Testfahrten und Prüfstandstests durchgeführt. Die Idee des Projektes "Prüfstand der Zukunft" ist es, die längsdynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeugs mit der "Hardware-in-the-Loop" (HiL) Simulation auf einem Verbrennungsmotorprüfstand nachzubilden. Somit können z.B. Bedatungen schon sehr frühzeitig durchgeführt werden.

Durch eine bestehende Kooperation zwischen der IAV GmbH und unserem Fachgebiet, haben wir die Möglichkeit einen hochdynamischen Motorenprüfstand zu nutzen. Im Mai 2005 konnte der Aufbau des Prüfstands bei der IAV GmbH erfolgreich abgeschlossen werden. Somit ist es möglich mit echtzeitfähigen Simulationsmodellen den Prüfstand anzusteuern. Als Entwicklungsumgebung für die Simulationsmodelle kommen hierbei Modelica®/Dymola® und MATLAB®/Simulink® in Verbindung mit der Software RT-LAB® der Firma Opal-RT zum Einsatz.

Speziell die Modelle der mechanischen Komponenten werden Modelica®/Dymola® erstellt. Diese objektorientierte Simulationsumgebung hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen und bietet speziell auf dem Gebiet der Modellierung mechanischer Systeme Vorteile gegenüber den bisher gebräuchlichen signalflussorientierten Simulationswerkzeugen.

Aufbau des Prüfstands

In der folgenden Abbildung ist der schmatische Aufbau des "Prüfstands der Zukunft" zu sehen.

Lupe

Es handelt sich hierbei um ein hochdynamisches Prüfstandssystem. Die Verbrennungskraftmaschine (⇒ Engine) ist direkt mit dem elektrischen Generator gekoppelt. Die elektrische Bremse (⇒ Dynamometer) wird mit Hilfe eines Umrichters (⇒ Drive) angesteuert. Der Umrichter wieder-um erhält seine Regelsignale vom Prüfstandsrechner (⇒ Control System), welcher gleichzeitig für die Datenakquisition und die Steuerung des Verbrennungsmotors über den Pedalwertgeber (⇒ PVS) verantwortlich ist. Außerdem werden zusätzliche Messsignale (z.B. Drehzahl vom Inkrementalgeber, Drehmoment vom Messflansch, usw.) vom Prüfstandsrechner verarbeitet.Da die elektrische Bremse direkt mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, müssen außer den Fahrzeugkomponenten des Triebstrangs (wie z.B. Fahrwiderstand, Rollreibung, usw.) auch das Getriebe und die Kupplung in Echtzeit modelliert werden. Hierzu wird ein Standard-PC mit einem QNX®-Echtzeitbetriebssystem verwendet (⇒ HiL Simulator). Die Kommunikation zwischen HiL-Simulator und Prüfstand bzw. zwischen Fahrzeugmodell und Prüfstandssystem wird über eine Gigabit Netzwerkverbindung (UDP/IP) realisiert. Die Verbindung per Ethernet stellt hierbei eine kostengünstige Alternative zur „Shared Memory“-Verbindung dar. Sollte sich zeigen, dass die Latenzzeiten der UDP/IP-Verbindung zu groß sind, kann immer noch auf eine „Shared Memory“-Lösung zurückgegriffen werden.Die Modellentwicklung erfolgt dabei in den folgenden Schritten:

  1. Erstellung von objektorientierten Modelica®-Simulationsmodellen unter Verwendung des Simulationswerkzeugs Dymola® (⇒ PC Workstation)
  2. Echtzeitaufbereitung der Modelle mit RT-LAB® und MATLAB®/Simulink® und Real-time Workshop® (⇒ PC Workstation)
  3. Ausführen der Echtzeitmodelle auf einem Standard-PC mit dem Echtzeitbetriebsystem QNX® (⇒ HiL Simulator)

RT-Lab bietet des Weiteren die Möglichkeit, den HiL-Simulator zu überwachen. Das soll heißen, man kann sich Simulations- und Messsignale des HiL-Simulators auf dem Arbeitsplatzrechner anzeigen lassen und neue Sollwerte übergeben. Das alles geschieht in Echtzeit. Außerdem stehen für verschiedene Skriptsprachen (wie z.B. MATLAB® oder Python®) Schnittstellen zur Verfügung. Daten können wahlweise direkt in Simulink® oder z.B. auch mit LabVIEW® angezeigt werden.
Ein großer Vorteil der Anbindung per Netzwerk ist auch die Möglichkeit der Fernüberwachung eines laufenden HiL-Versuchs. Auch ist es problemlos mögich, im HiL-Simulator aufgezeichnete Messdaten über das Netzwerk (z.B. (S)FTP) zur Verfügung zu stellen.

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