Hardware-in-the-Loop-Tests von elektrischen Fahrzeugantrieben

• Hardware-in-the-loop tests of electric traction drives

Etzold, Konstantin; Andert, Jakob Lukas (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Um die Entwicklungsaufwände für die Integration, die Kalibrierung und das Testen neuer elektrischer Fahrzeugantriebe zu reduzieren, werden vermehrt Entwicklungstätigkeiten in vorgelagerte Projektphasen verschoben. Im Rahmen dieser Vorverlagerung, des sogenannten Frontloadings, werden bevorzugt Prüfstände an Stelle von Prototypenfahrzeugen verwendet (Road2Rig-Ansatz). Für viele Validierungsschritte ist es entscheidend, dass die Prüflinge, wie zum Beispiel elektrische Antriebe, am Prüfstand in Wechselwirkung zu den benachbarten Fahrzeugkomponenten getestet werden. In dieser Arbeit wird die Methodik vorgestellt, wie mithilfe des Hardware-in-the-Loop-Ansatzes diese Wechselwirkungen bereits an Komponentenprüfständen mit parallellaufender Echtzeitsimulation abgebildet werden und auf diese Weise elektrische Antriebe in einem virtuellen Fahrzeug kalibriert und validiert werden. Der Hardware-in-the-Loop-Aufbau wird als kaskadierte Regelkreise eines Mehrgrößensystems theoretisch beschrieben. Dazu werden die mathematischen Gleichungen des Mehrgrößensystems hergeleitet und die Querkopplungen analysiert. Auf Grundlage dieser Analyse wird für die inneren Regelkreise, die Prüfstandsregelung, eine dezentrale Regelung gewählt, welche unter Berücksichtigung von Stabilität und Dynamik eingestellt wird. Als Teil der äußeren Regelkreise werden die Simulationsmodelle eines batterieelektrischen Fahrzeugs auf Basis konkreter Messdaten erstellt. Der elektrische Antrieb, bestehend aus einer permanenterregten Synchronmaschine und einem Pulswechselrichter, wird als Prüfling an einem Traktionsprüfstand aufgebaut und der gesamte Traktionsprüfstand mit den Simulationsmodellen zu einem echtzeitfähigen Hardware-in-the-Loop-Aufbau gekoppelt. Der Hardware-in-the-Loop-Aufbau wird hinsichtlich Reproduzierbarkeit analysiert und mit realen Fahrzeugmessungen von Rollenprüfstandstests erfolgreich validiert. Anschließend wird eine Parametervariation für einen Hochlasttestzyklus, Nürburgring Nordschleife, sowie den Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Cycle (WLTC) durchgeführt. Auf Basis dieser Parametervariation wird der signifikante Einfluss der Wechselwirkungen zwischen dem elektrischen Antrieb und den simulierten Komponenten auf das Fahrverhalten deutlich. Abschließend erfolgt eine exemplarische Machbarkeitsstudie für die Vorverlagerung der Kalibrierung des elektrischen Antriebs. Dazu werden die Antriebsfunktionen der thermischen Abregelung und der Rekuperation sowie ein virtueller Hochvolt-DC-DC-Wandler hinsichtlich verfügbarer Antriebsleistung und Energieeffizienz optimiert und erfolgreich validiert. Diese Fallbeispiele verdeutlichen das Potential von Hardware-in-the-Loop-Tests, um bereits in frühen Entwicklungsphasen elektrische Antriebe in Wechselwirkung zu den virtuellen Gesamtfahrzeugen aussagekräftig zu testen und zu optimieren.