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Fahrzeugelektrifizierung & Batterie

Ansprechperson: Dr. Alexander Thaler

Dieser Themenkreis beschäftigt sich intensiv mit Methoden zur modellbasierten und automatischen Testfallgenerierung für System- und Diagnosefunktionen unter Einbeziehung von Hardware-Komponenten. Zudem werden Methoden zur Modellverifikation und optimale Informationsgewinnung durch Sensordatenfusion behandelt.

Batterie

Level 1: Modellierung und Simulation von elektrochemischen Eigenschaften
Level 2: Thermische und mechanische Zellmodellierung in 3D
Level 4: Misuse- und Crashsimulation

Die Elektrifizierung der nächsten Fahrzeuggeneration wird primär von der Idee der CO2-Reduktion getrieben. Zudem wird ein Mehrwert in der Funktionalität eingefordert, der sich in einer vernünftigen elektrischen Reichweite niederschlägt. Das Energiespeichersystem ist die Schlüsseltechnologie, um diese Ziele zu erreichen. Eine detaillierte Modellierung des elektrochemischen Systems ist essentiell, wenn es um die Optimierung der Ausnutzung dieser Technologie geht. Die große Herausforderung bei der modellhaften Abbildung ist die disziplinübergreifende Expertise und das notwendige Netzwerk hinsichtlich der wissenschaftlichen und industriellen Partner. Das VIRTUELLE FAHRZEUG bietet eine zentrale Plattform für die Entwicklung der notwendigen Elemente der zukünftigen Mobilität. Der Bereich „Fahrzeugelektrik, Elektronik und Software" entwickelt neue Denkansätze hinsichtlich Methoden, Prozesse für model-based-design, sowie Simulation und Optimierung und auch Systemintegration und Validierung von komplexen E/E Systemen für konventionelle, Voll- und Teilelektrifizierte Fahrzeuge.

 

Forschungsziele:

  • Sicherheit

    • Simulation der Zellverformung
    • Crash und Crush-Betrachtungen
    • Funktionelle Sicherheit (ISO26262)
    • Fahrzeugsicherheit

  • Alterung

    • mechanistische elektrochemische Modelle
    • beschleunigte Alterung
    • Simulation von Kontaminierungseffekten
    • Pre & post-mortem Analyse

  • Thermische Integration

    • 1D und 3D Simulation
    • Real-time Modellierung
    • Strategien zum Thermalmanagement
    • Energy Management

  • Co-Simulation

    • Gekoppelte Simulation: elektrochemisch/thermal/mechanisch
    • Batteriemanagement-Strategien
    • Robuste SoX Ermittlung
    • Optimales Design von Zellen

 

Level 1: Modellierung und Simulation von elektrochemischen Eigenschaften

Unterschiedliche Anwendungsbereiche erfordern unterschiedliche Modelle: Schnelle Spannungs- und Strommodelle haben als Basis die Impedanzspektroskopie und Daten im Zeitbereich. Spezialisierte Modelle wie mechanistische elektrochemische Modelle sind sehr komplex, dafür eignen sie sich um chemische Vorgänge wie die der Alterung abzubilden. Diese Modelle werden ständig verbessert und den Anforderungen angepasst.

 

Level 2: Thermische und mechanische Zellmodellierung in 3D

Die Validierung des Zelldesigns hinsichtlich der thermischen und mechanischen Eigenschaften ist der Schlüsselfaktor zur Darstellung der Lebensdauer. Die Inputs werden auf messtechnischer Basis erarbeitet und liefern die Basis für die thermischen und mechanischen Zellmodelle.

 

Level 3: Modullayout und Betriebsstrategien für Batteriesysteme

Auf Basis der Lebensdauerdaten und der verwandten Alterungsmodellierung werden die Laststrategien für Gesamtbatterien optimiert und die übergeordnete Hybrid- oder Elektrofahrzeugstrategie abgestimmt. Das Batteriemoduldesign wird hinsichtlich der geometrischen Gegebenheiten des Thermalmanagements und der Laststrategie an die Anforderungen evaluiert.

 

Level 4: Misuse- und Crashsimulation

Aufbauend auf dem fundierten elektrochemischen Wissen und der mechanischen Expertise wird eine modellbasierte Verifikation von der Zelle bis zum Batteriesystem durchgeführt. Diese Validierten FE Modelle sind Basis für die Beurteilung der Sicherheitsrisiken in Gesamtfahrzeugcrashsituationen.

Fahrzeugelektrifizierung

HYBCONS: Intelligente Steuerung für Hybridfahrzeuge

Die Entwicklung der Hybridfahrzeug-Technologie ist eine zentrale Aufgabe in der heutigen Automobilindustrie. Die Steuerung des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten im elektrifizierten Antriebsstrang ist im Hybridsteuergerät abgebildet. Die Entwicklung der Hybrid-Software – der Intelligenz des Hybridfahrzeuges – spielt eine entscheidende Rolle. Die Variabilität der zurzeit entwickelten Hybridfahrzeuge, was die Konfiguration des Hybrid-Antriebsstranges, verwendeten Hybrid-Komponenten, Anwendungen usw. betrifft, ist enorm. Das spiegelt sich in den unterschiedlichsten Varianten der  Hybrid-Software-Architektur und deren Umsetzung wider. Eine individuelle Softwarelösung für jede neue Hybrid-Variante führt zu einer massiven Erhöhung der Entwicklungskosten und sehr begrenzter Wiederverwendbarkeit der Software. Das Ziel des laufenden Projektes HYBCONS (Generic Hybrid vehicle control software) ist Entwicklung und Implementierung einer generischen Hybrid-Software für Mild- und Vollhybridfahrzeuge, basierend auf den Einsatz moderner Software-Entwicklungsprozesse.

 

Wesentlich ist hierbei die Daten-konsistente und systematische Entwicklung der generischen Hybrid-Software, von der Anforderungserfassungsphase, dem funktionalem Design, der Implementierung von eingebetteten Systemen, bis hin zur Systemintegration, Verifikation und Validierung auf Gesamtfahrzeugebene. Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der Skalierbarkeit der Software für verschiedenen Hybridfahrzeuge und Plattformvarianten sowie der Wartbarkeit während gesamten Produktlebenszyklus.

 

Im K2 Projekt HYBCONS stellt sich das Projektteam folgenden Herausforderungen:

  • Definition eines universalen Ansatzes zur Spezifikation der verschiedensten Funktionalitäten eines Hybridfahrzeuges sowie der entsprechenden Steuerungsstrategie.
  • Die Software-Architektur muss eine skalierbare und wiederverwendbare Herangehensweise für die Umsetzung der Steuerfunktionen der verschiedenen Varianten von Hybridtopologien unterstützen. Auf der anderen Seite sollte die Software einfach um neue Hybrid-Funktionen und Regelalgorithmen erweiterbar sein.
  • Die Software muss die "Produktions-bezogenen" Anforderungen erfüllen: Sie sollte a) Funktionen und/oder entsprechende Schnittstellen für die Diagnose, Prozessüberwachung, Missbrauchfälle, Notbetrieb usw. enthalten, b) sie sollte in handelsübliche Steuergeräte integrierbar sein und c) leicht kalibrierbar sein.
  • Eine weitere Herausforderung ist die Integration der Hybrid Steuerungssoftware in ein verteiltes eingebettetes System (ein Netzwerk von Steuergeräten einschließlich z. B. Motor-, Batterie-, Elektromotor-Steuergeräte etc.) mit begrenzten Rechen-und Speicher-Ressourcen, so dass die entwickelte Steuerungsanwendung von der Hardware unabhängig bleibt und die effiziente Integration für verschiedene Arten von Hardware-Plattformen unterstützt.

Um mit diesen Herausforderungen umzugehen ist es notwendig, den nahtlosen Entwicklungsprozess während der Dauer des gesamten Projektes anzuwenden und es mit den neuesten Methoden und Teilprozessen zu unterstützen.

 

Zunächst werden die funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen an die Hybridsteuerung erstellt, wobei eine verallgemeinerte Beschreibung der Hybridfunktionen eingesetzt wird. Die erforderlichen Voraussetzungen für die Ableitung einer generischen Software Architektur inkludieren die funktionalen Anforderungen, die Analyse und Co-Simulation der gesamten eingebetteten Hardware / Middleware / Software und den Grundsätzen der "Software Product Lines". Letzteres wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Informatik der TU Graz entwickelt.

 

Als „Proof of Concept" wird die Steuerungssoftware für einen Mild-Hybrid (kein rein elektrisches Fahren) als Basishybridsystem umgesetzt. Die Software wird zudem mit zusätzlichen Funktionen für Diagnose, Prozessüberwachung, Missbrauchsfällen, Notbetrieb usw. erweitert und in ein serienmäßiges Steuergerät integriert sowie in MiL-, SiL- und HiL-Konfigurationen und im Fahrzeug abgesichert (verifiziert und validiert). Die Unterstützung und die engere Zusammenarbeit mit dem Industriepartner AVL List GmbH ist speziell in diesem Teil des Projektes unverzichtbar, da das Hybridfahrzeug einschließlich der Steuergeräte sowie der Test-Werkzeuge beigesteuert werden.

 

Um die Skalierbarkeit zu untersuchen, wird die bestehende Software um Funktionen eines Vollhybrids erweitert. Neben der Funktion des rein elektrischen Fahrens werden auch viel höhere Anforderungen an die Vollhybrid-Steuerung hinsichtlich Energiemanagement und  Start-Stopp Betrieb gestellt.

Ergebnisse der Validierungstests für Mild-hybrid Steuerung im Fahrzeug: gezeigt sind die durch die Steuerungssoftware eingeleitete Hybridfunktionen (Boost, Rekuperation) mit entsprechenden Verläufen der Antriebsmaschinen.