Labor: Hardware-in-the-Loop Labor für mobile Antriebe

 

Seit dem Wintersemester 2022/23 wird am Lehr- und Forschungsgebiet Mechatronik in mobilen Antrieben (MMP) das Hardware-in-the-Loop Labor für mobile Antriebe angeboten. Die Veranstaltung ist interdisziplinär und richtet sich an Studierende in den Masterstudiengängen Allgemeiner Maschinenbau, Automatisierungstechnik, Automotive Engineering, Energietechnik, Fahrzeugtechnik und Transport, Simulation Sciences, Wirtschaftsingenieurwesen (Fachrichtungen Energietechnik - Elektronik und Regelung, Fahrzeugtechnik) und Computational Engineering Science (CES).

 

Inhalte

Infolge immer strengerer Emissionsgesetzgebungen nimmt die Elektrifizierung und Hybridisierung von Fahrzeugantrieben und somit der Entwicklungsaufwand laufend zu. Die Virtualisierung und Digitalisierung stellt eine Möglichkeit dar, dem gesteigerten Entwicklungsaufwand bei gleichzeitiger Forderung nach kurzen Entwicklungszeiten und geringen Entwicklungskosten zu begegnen. Eine Möglichkeit ist die Durchführung von Hardware-in-the-Loop (HiL)-Tests, bei denen reale Komponenten in eine Echtzeitsimulation des modellierten Gesamtfahrzeugs in einer virtualisierten Umgebung eingebunden und flexibel getestet werden.

Zu Beginn dieses Moduls werden den Studierenden die Grundlagen zum Verständnis von HiL-Methoden näher gebracht. Es wird ein Überblick über HiL-Systeme, elektrotechnische Grundlagen, Automotive-Bussysteme und Echtzeitmodellierung gegeben. Des Weiteren erhalten die Studierenden Einblicke in den Aufbau und die Funktionsweise elektrischer Antriebsstränge. Der Fokus liegt dabei auf dem Erlernen methodischer Kompetenzen im Bereich des Aufbaus und Testings an exemplarischen HiL-Prüfständen für ein Batteriemanagementsystem (BMS) und einer elektrischen Traktionsmaschine.

Im weiteren Verlauf dieses Labors werden die erlernten Kompetenzen in Kleingruppenübungen an HiL-Prüfständen demonstriert. In einem ersten Schritt werden die elektrotechnischen Grundlagen im Rahmen praktischer Übungen am HiL erarbeitet. Die relevanten Automotive-Sensor- und Signalarten sowie Ein- und Ausgänge werden den Studierenden vermittelt. Aufbauend auf diesem Wissen wird der HiL-Aufbau durch die Studierenden selbstständig um die Signalleitungen ergänzt. Die Echtzeitmodelle werden von den Studierenden erweitert und die Ein-/Ausgangsschnittstellen (I/Os) der Hardware mit dem Simulator verknüpft. Des Weiteren werden den Studierenden die Funktionalitäten von BMS mittels eines HiL-Simulators nähergebracht. Die Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine wird über einen zweiten HiL-Simulator für das entsprechende Steuergerät implementiert und appliziert. Mittels eines dritten HiL-Simulators für ein Steuergerät und Aktoren sowie Sensoren eines Verbrennungsmotors eignen sich die Studierenden Fertigkeiten zur Fehleridentifikation und erweiterte Messtechniken in einer Closed-Loop Regelung an.

 

Themengebiete

• HiL-Methoden, wie den Aufbau von Setups, der Entwicklung von echtzeitfähigen Simulationsumgebungen und Durchführung sowie Analyse von Tests
• Einordnung von HiL-Methoden in die Automotive-SW-Entwicklung (V-Modell) und die Antriebsentwicklung (Steuergerätekalibrierung)
• Anwendungsfelder von HiL-Methoden im automobilen Kontext
• Echtzeitmodellierung und -simulation in HiL-Anwendungen
• Elektrotechnik-Grundlagen und Sensor- und Signaltheorie für HiL-Prüfstände
• Praktische Implementierung und Umsetzung der Testfälle am HiL
• Die in der Industrie etablierte Toolkette für HiL-Aufbau und -Anwendungen
• Automotive-Bussysteme und ihre Funktionsweise im Regelungsverbund

• Restbus Simulation eines CAN Netzwerkes

• Inputs und Outputs (I/O) bei Steuergeräten sowie deren Simulation

• Aufbau und Funktionsweise elektrischer Antriebsstränge
• Batteriemodule, Batteriemanagementsysteme (BMS) und BMS-Funktionalitäten
• Regelung permanenterregter Synchronmaschinen
• Grundlagen der echtzeitfähigen Modellierung elektrischer Antriebsstrangkomponenten mittels Field Programmable Gate Array (FPGA) Programmierung

 

Lernziele

Urheberrecht: © FEV Europe GmbH

• Systemverständnis der gesamten HiL-Architektur
• Systemverständnis automobiler Steuergeräte und Umgang mit Bus-Kommunikation
• Systemverständnis der komplexen Interaktionen in geschlossenen Regelkreisen von HiL
• Umgang mit HiL-Werkzeugen zum Aufbau eines Prüfstandes mit realen Steuergeräten und zur Analyse und Bewertung von Testfällen realer Hardwarekomponenten und SW
• Umgang mit komplexen Systemaufbauarten von HiL für konventionelle und elektrifizierte Antriebe moderner Fahrzeuge
• Analyse und Bewertung von Ergebnissen aus HiL(Simulationsergebnisse mit I/O-, Strecken-und Regelungsmodellen)
• Verknüpfung von Theorie und Praxis

 

Lehr- und Lernmethode

Urheberrecht: © RWTH Aachen | MMP

• Vorbereitung für für die praktische Umsetzung im Labor durch gemeinsame Vorbesprechungen und Übungen mit allen Gruppen
• Interaktive Einzelgruppenarbeit mit einer Betreuung für praktische Laboreinheiten
• Sprechstunden nach Vereinbarung und auch kurz vor der Prüfung

 

Vorbesprechung

• In den ersten Vorbesprechungen werden die Grundlagen für die praktischen Laborinhalte unter der Anleitung wissenschaftlicher Mitarbeiter vorgestellt. Im Anschluss daran stellen die Tutoren Übungsaufgaben vor und diese werden gemeinsam durchgeführt.
• Die Vorbesprechung ist in mehrere Blöcke je nach Thema unterteilt.
• Es wird versucht, in der Vorbesprechung die Gruppenbildung von Studierenden für das spätere Labor vorzunehmen. Hier haben Sie die Möglichkeit, sich durch die Angabe von Präferenzen für die Termine der Gruppen anzumelden.
• Beachten Sie, dass wir Ihnen nur dann gesichert einen Platz im Labor anbieten können, wenn Sie sich vorab angemeldet haben und die Vorbesprechungen besucht haben.

 

Kleingruppenübung

• Zur Umsetzung der Vorbesprechungsinhalte und weiteren Intensivierung praktischer Übungsaufgaben werden Laboreinheiten angeboten. In diesen werden die Aufbauarbeiten durch die Studierenden einzelner Gruppen eigenständig mithilfe der Laborbetreuer eigenständig ausgeführt.
• Das Labor findet mehrmals unter der Woche statt. Die Termine zu den unterschiedlichen Gruppen (zwei Gruppen gleichzeitig pro Laboreinheit) des Labors finden Sie in RWTHOnline.

 

Prüfung

Am Ende der Veranstaltung wird Ihr erlerntes Wissen in einer mündlichen Prüfung bewertet. Es werden mehrere Prüfungstermine angeboten, wobei Sie die Möglichkeit haben diese Termine zu beeinflussen um etwaige Kollisionen mit anderen Prüfungsterminen zu vermeiden.

 

Sprechstunden

• Details werden noch bekannt gegeben
• Beginn mit Laboreinheiten
• Anfragen per Mail an:
  orga-hilma@mmp.rwth-aachen.de