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Der Paradigmenwechsel vom klassischen Antrieb mit Verbrennungsmotoren hin zu Elektroantrieben stellt für die Automobilindustrie eine große Herausforderung dar. Die Beherrschbarkeit neuer Technologien sowie die schnelle Umsetzung in zukunftsfähige Produkte und deren Erprobung sind die Schlüsselfaktoren für den Erfolg der Hersteller und Zulieferer. Eine seit langem bewährte Methode, um Ideen schnell und effizient in erlebbare Lösungen umzusetzen, ist Rapid Control Prototyping (RCP).
Zum Einsatz kommen dabei universelle Entwicklungssteuergeräte, die wesentlich flexibler und leistungsfähiger als Seriensteuergeräte sind. Kennzeichen derartiger Prototyping-Systeme wie der Protronic von AFT Atlas Fahrzeugtechnik sind umfangreiche Ein/Ausgabeschnittstellen, die einfach an unterschiedliche Sensoren und Aktoren anpassbar sind, sowie eine hohe Rechnerleistung.
Die Entwicklung der Regelalgorithmen und -funktionen erfolgt dabei typischerweise in einer grafischen Entwicklungsumgebung mit automatischer Code-Generierung auf Knopfdruck. Allerdings ist auch manuell erstellte Software in Protronic integrierbar. Durch eine frühzeitige Offline-Simulation auf dem PC lassen sich die so entwickelten Funktionen testen und optimieren. Anschließend wird die aus diesem freigegebenen Entwicklungsstadium generierte Software auf ein Entwicklungssteuergerät heruntergeladen und am realen Objekt getestet.
Herausforderung Hybrid- und Elektrofahrzeug
Die nachfolgenden Anwendungsbeispiele zeigen, wie mit Protronic und der dazugehörigen Werkzeugkette zwei „Ideenfahrzeuge“ der Schaeffler-Gruppe innerhalb kürzester Zeit realisiert wurden. Bei dem ersten Praxisbeispiel handelt es sich um den sogenannten „Schaeffler Hybrid“, der den praktischen Vergleich der vielseitigen Möglichkeiten zum Thema Hybrid-Antrieb ermöglicht. Dafür lassen sich mit dem Fahrzeug verschiedene Fahrzeugkonstellationen und Fahrzustände darstellen.
Neben dem serienmäßigen Verbrennungsaggregat des Basisfahrzeugs verfügt das Hybridfahrzeug über einen elektrischen Zentralmotor sowie zwei Radnabenmotoren. Maßgeblich bei der Realisierung des Fahrzeugs war für die Entwickler, dass sich mit ihm verschiedene Antriebskonzepte samt aussagekräftigen Vergleichsmöglichkeiten darstellen sowie realitätsnahe Erprobungen durchführen lassen. Aus diesem Grund sind die verschiedenen Elemente jeweils zuschaltbar; sie umfassen eine große Bandbreite verschiedener Fahrzustände. Dabei reichen die Möglichkeiten vom klassischen Betrieb mit Verbrennungsmotor über die Funktionsweise als Parallel-Hybrid und Seriellem Hybrid bis hin zum vollelektrischen Fahren. Der eingebaute Verbrennungsmotor kann sowohl das Fahrzeug antreiben als auch als Range-Extender gekoppelt werden. Ein automatisiertes Schaltgetriebe vergrößert die Möglichkeiten zusätzlich. Der Energiespeicher, eine 16 kWh starke Lithium-Ionen-Batterie (400 V, 400 A), lässt sich sowohl über Rekuperation oder den Range-Extender als auch über eine externe Stromversorgung (Plug-In-Hybrid) aufladen.
Um in einem kurzem Zeitraum diese Vielfalt an Komponenten und Systemen einerseits zu regeln und andererseits die Funktionsanforderungen der oben genannten Möglichkeiten in einem ganzheitlichen Hybridkonzept in einer Gesamtfahrzeugsteuerung zu verknüpfen, wurde der Ansatz gewählt, diese Anforderungen auf nur einem Steuergerät zu integrieren. Mit der Protronic konnte dies problemlos realisiert werden, da in der Variante als Motorsteuerung bereits ein Einspritzmodul integriert ist und Funktionsmodelle für verbrennungsmotorische Anwendungen verfügbar sind (Bild 1).
Bild 1: Protronic in einem konkreten Prototypeneinsatz.AFT Atlas Fahrzeugtechnik
Im Hybridfahrzeug ist somit ein RCP-Steuergerät verbaut, das einerseits den serienmäßigen Verbrennungsmotor und andererseits auch die Umrichter der Elektromotoren, das Batteriemanagementsystem und alle zusätzlich nötigen Sensoren und Aktoren wie beispielsweise zusätzliche Kühlmittel- und Unterdruckpumpen ansteuert und regelt. Nach wie vor funktionieren durch Restbussimulation auf ihr auch alle Anzeigen und Bedienelemente des Originalfahrzeugs wie zum Beispiel das Armaturenbrett.
Auch im Bereich der Softwareentwicklung für das Hybridfahrzeug nutzten die Ingenieure die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Protronic. Während sie die Verbrennungsmotorregelung mit Hilfe der modellbasierten Softwareentwicklung umsetzten, generierten und integrierten sie die Funktionen der elektrischen Komponenten in klassischer manueller Codeerzeugung.
EV-Prototyp
Mit dem Elektroprototypenfahrzeug ACTIVeDRIVE hat die Schaeffler-Gruppe ein weiteres Ideenfahrzeug für alternative Antriebskonzepte präsentiert. Bei diesem zweiten Praxisbeispiel handelt es sich um ein reines E-Fahrzeug mit einer luftgekühlten Lithium-Ionen Batterie (Gesamtkapazität 17,8 kWh, Nennspannung 396 V), das über Torque-Vectoring-Funktionalitäten verfügt. Das elektrische Torque-Vectoring ermöglicht eine variable Momentenquerverteilung mit Hilfe eines zusätzlichen Elektromotors. Diese Querverteilung kann als Lenkunterstützung, Traktionshilfe oder zur Stabilisierung des Fahrzeugs im Grenzbereich zum Einsatz kommen. Über die Schnittstellen der eingebauten Protronic kann der Anwender durch Aufspielen unterschiedlicher Regelstrategien das Systempotenzial des Aktiven E-Differentials untersuchen und optimieren. Da es sich bei dem beschriebenen E-Fahrzeug um einen Prototypen handelt und der Einsatz einer Torque-Vectoring-Funktionalität in diesem Umfeld eine Neuheit darstellt, war es für die Entwickler wichtig, ein Steuergerät einzusetzen, das ihnen eine höhere Abstraktionsebene bei der Implementierung bietet. So können beispielsweise Einspurmodelle, die in Simulink entwickelt und validiert wurden, als Basis für die Regelungsentwicklung dienen, die in der gleichen Entwicklungsumgebung durchgeführt wird. Mittels Autocodegenerierung lassen sich der C-Code generieren und mit dem automatisierten Build-Prozess die zum Flashen und Applizieren notwendigen Dateien erzeugen. Somit sind eine schnelle Erprobung und kurze Entwicklungszyklen möglich.
Bereits ab Projektbeginn stand für die Verantwortlichen fest, dass sie das Fahrzeug nach dem Umbau dem TÜV vorstellen wollen, um die Straßenzulassung für den Prototypen zu erhalten. Die Entwickler verfolgten deshalb einen CMMI- und ISO-26262-konformen Entwicklungsprozess und konnten durch Einsatz der Protronic auf die von ihr für die Entwicklung von sicherheitskritischen Anwendungen freigegebenen Software-Werkzeuge zurückgreifen.
Sowohl beim E-Fahrzeugprototyp als auch beim Hybridfahrzeug waren die Entwickler auf ein RCP-Steuergerät angewiesen, das ihnen neben der notwendigen Leistungsstärke auch Freiheitsgrade für die Anpassung der Ein- und Ausgabeschnittstellen bietet. Bei der Protronic lassen sich die Parameter (zum Beispiel Offset, Schwellen oder Hysterese) für jeden Eingang individuell einstellen. Möglich wird dies durch den Einsatz von programmierbaren Logikbausteinen, sogenannten FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Die gleiche Einstellbarkeit gilt auch für die Ansteuersignale der Ausgänge. Die Protronic übernimmt beispielsweise im E-Fahrzeug auch die Ansteuerung der Nebenaggregate, wobei aufgrund der integrierten Signalkonditionierung und Leistungsendstufen keine weiteren externen Module notwendig sind (Bild 2).
Bild 2: Anwendungsgebiete der Protronic.AFT Atlas Fahrzeugtechnik
Schon heute ist absehbar, dass die Komplexität und die Anforderungen im Bereich von Hybrid- und Elektro-Anwendungen stark zunehmen werden und Automobilhersteller sowie deren Zulieferer ihre Entwicklungsaktivitäten maßgeblich ausbauen. Mit der neuen Generation, der ProtroniC Topline stellt AFT in Kürze eine zukunftsweisende Entwicklungsplattform mit deutlich mehr Rechenleistung, leistungsfähigeren Kommunikationsschnittstellen und einem integrierten Datenlogger vor, die Entwicklern die notwendigen Freiheitsgrade bietet. (av)
Marco Rohe
(av)
