Studentische Abschlussarbeiten

Die Fahrzeugindustrie durchläuft derzeit einen rasanten Wandel, der durch die Elektrifizierung, Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung der Fahrzeuge vorangetrieben wird. Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren ausgestattet, die Daten über den Zustand des Fahrzeugs und seine Umgebung sammeln. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, gewinnt die datenbasierte Erprobung immer mehr an Bedeutung. Data-Mining-Methoden werden bereits im Fahrzeugversuch eingesetzt, um Muster in CAN-Messdaten zu erkennen und Fehlerfälle zu identifizieren. Eine mögliche Lösung für das Problem der zeitaufwendigen Entwicklung neuer Anwendungsfälle ist die Nutzung von KI-basierten Elementen wie Klassifikation und Signalmuster-Detektion. Es wurde bereits eine Basisimplementierung eines KI-Modells durchgeführt, um bekannte Fahrmuster wiederzuentdecken. Allerdings ist das bestehende neuronale Netz auf Trainingsdatensätze gleicher Größe angewiesen. Das kann die Benutzerfreundlichkeit einschränken und die Genauigkeit des Modells herabsetzen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten des Trainings von Neuronalen Netzen mit unterschiedlich langen Trainingsdaten. Hierzu werden vier verschiedene Möglichkeiten untersucht. Die erste Möglichkeit befasst sich mit der Kürzung des Datensatzes auf die Länge der kürzesten Datei. Die zweite beschäftigt sich mit der künstlichen Auffüllung des Datensatzes auf die Länge der längsten Datei. Außerdem wird analysiert, ob eine Sequenzierung des Trainingsdatensatzes Vorteile bringen kann. Hierzu werden zwei verschiedene Möglichkeiten erarbeitet. Neben der Mustersuche mit Hilfe eines neuronalen Netzes wird ein neues Modell, die Ähnlichkeitsanalyse, entwickelt, das auf der Ähnlichkeit zwischen einem gesuchten Muster und einer Testdatei basiert. Im nächsten Schritt wird die Python-Implementierung der Modelle beschrieben, die eine generalisierte Schnittstelle bereitstellt, um die Modelle in verschiedenen Anwendungsfällen einzusetzen. Abschließend erfolgt eine Validierung der Ergebnisse anhand von drei unterschiedlichen Anwendungsfällen. Dabei zeigt sich, dass die Sequenzierung des Trainingsdatensatzes nicht empfehlenswert ist. Die Ähnlichkeitsanalyse erweist sich als die zu bevorzugende Methode, wenn es sich um einfache Muster handelt.

Die Risiken und Konflikte bedingt durch den Klimawandel sind allgegenwärtig. Aufgrund dessen sind Reduktion der CO2-Emissionen, Recycling und Ressourcenschonung wesentliche Themen in allen Bereichen, so auch im Automobilbau. Politisch und gesellschaftlich wächst der Druck, Fahrzeuge umweltschonender herzustellen und betreiben zu können. Aktuell sind nur ca. 7,2% der globalen Ökonomie zirkulär. Um diesen Wert zu steigern, braucht es die Initiative der Industrie, der Politik und der Menschen. Das Ziel der Arbeit ist es, eine theoretische Kreislaufwirtschaft in der Automobilindustrie zu modellieren. Es soll eine Wertschöpfungskette nach dem Cradle-to-Cradle-Prinzip erarbeitet, aufgestellt und analysiert werden. Dazu wird die Vorgehensweise im Konzept einer Ökobilanzierung strukturell angewendet. Die bestehende Wertschöpfungskette wird erarbeitet und ihre Herausforderungen analysiert. Darauf basierend werden im nächsten Schritt für die jeweiligen Fertigungsstufen nachhaltige Verbesserungsmöglichkeiten oder neue Herangehensweisen untersucht. Auch Lösungen im Forschungsstadium werden in der Ausarbeitung erfasst. Es wird unter Einbeziehung der verfügbaren Antriebstechnologien der CO2-Ausstoß bei Fahrzeugherstellung, Antriebsherstellung und im Betrieb quantifiziert und verglichen. Zuletzt wird in der Arbeit die Problematik der End-of-Life-Vehicle Rückführung thematisiert. Die Ergebnisse erbrachten eine Vielzahl an Technologien mit teilweise herausragendem Potential, die aktuelle Prozessschritte entweder optimieren oder mit neuen Produktionsmethoden gänzlich ersetzen könnten. Materialien aus Recycling oder auf biologischer Basis haben wesentliche Potentiale, um den CO2-Fußabdruck von Fahrzeugen zusätzlich zu mindern. Es stellte sich heraus, dass eine globale Elektrifizierung der Fahrzeugflotte nicht zwangsläufig die einzig wirksame Lösung ist und Power- oder Biomass-to-Liquid Kraftstoffe als Alternative eine zentrale Rolle einnehmen könnten. Missstände wurden in der fehlenden End-of-Life Handhabung, sowohl von Herstellern als auch durch die Politik, festgestellt und erste Lösungsansätzen erörtert. Da das zeitnahe Etablieren einer Kreislaufwirtschaft notwendig ist, müssen Vertreter aus allen Bereichen zielgerichtet mitwirken. Auf welche Weise dieses Ziel erreicht wird und welche technischen Wendungen dafür eintreten müssen, ist durch die jeweiligen Industrievertreter zu beschließen. Die Möglichkeiten sind multipel und die Kreislaufwirtschaft ist, wenn auch nicht vollständig, durchaus erreichbar.

In den letzten Jahren haben elektrische Antriebsvarianten bei Neufahrzeugen zugenommen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge stoßen zwar keine Abgase aus, sind jedoch beim Fahren durch Reifenabrieb oder Bremsenreibung nicht emissionsfrei. Mit der neuen Euro-7-Norm sollen nun auch diese Emissionen, neben den Abgasgrenzwerten, in die Grenzwertfestlegung für neuzugelassene Fahrzeuge einbezogen werden. Durch die rekuperative Betriebsweise können Feinstaubemissionen im WLTP Brake Cycle beim Elektroantrieb deutlich verringert werden. Reibinduzierte Bremsanteile variieren je nach Elektrifizierungsgrad, weshalb der aktuelle Gesetzesvorschlag elektrifizierungsgradspezifische Korrekturfaktoren vorsieht. Ziel dieser Arbeit ist, anhand unterschiedlicher Abstraktionsgrade und Berechnungsmethoden die Plausibilität der Korrekturfaktoren zu untersuchen. Für die Berechnungen werden Daten aus dem WLTP-Bremszyklus herangezogen. Im Rahmen einer theoretischen Analyse wird der Fahrzyklus für einen Audi e-tron untersucht, um das Maß möglicher Rekuperation während einer Messfahrt zu ermitteln. Des Weiteren werden im Vorfeld notwendige Annahmen getroffen, insbesondere in Bezug auf das Brake Blending. Im zweiten Schritt werden Simulationsdateien aus Hardware-in-the-Loop-Prüfstandsmessungen ausgewertet. Ziel ist es, das Verhältnis zwischen der rekuperativen und reibungsinduzierten Bremsarten herauszuarbeiten. Anschließend wird ein Testlauf auf einem Vier-Rollen-Prüfstand durchgeführt. Dabei werden die Anteile der Rekuperation untersucht und potenzielle Schwierigkeiten während Messung und Auswertung betrachtet. In der theoretischen Auswertung wurden die Korrekturfaktoren erfolgreich angewendet. Mit zunehmender Realitätsannäherung traten vermehrt Schwierigkeiten bei der Analyse auf. Es hat sich herausgestellt, dass es zahlreiche Einflussfaktoren der Ergebnisse gibt. Es müssen alle relevanten Einflüsse sorgfältig aufbereitet werden, um eine korrekte und objektive Analyse zu gewährleisten. Zur Aussage, inwieweit die Korrekturfaktoren repräsentativ sind, sind einige Vorabinformationen notwendig. Bei der Messfahrt auf dem Vier-Rollen-Prüfstand traten zudem Probleme auf, die eine Auswertung unmöglich machten. Zahlreiche Faktoren können das Rekuperationsvermögen eines Elektromotors verschlechtern oder verhindern, weshalb bei der Festlegung der Korrekturfaktoren diese beachtet werden müssen.

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Messkonzepts zur Erfassung der Emissionsverteilung im Fahrzeugnachlauf eines Messfahrzeuges. In den letzten Jahrzehnten wird besondere Beachtung auf die Feinstaubbelastung, insbesondere auf die in urbanen Gebieten überschrittenen PM10 Richtwerte der WHO, gelegt. Vor allem die Automobilbranche trägt hierbei in großen Teilen sowohl zur Entstehung als auch zum Transport des Feinstaubes bei. Zu den Transportmechanismen des Feinstaubes zählen zum größten Teil das Strömungsverhalten im Fahrzeugnachlauf sowie die Resuspension der Partikel von der Fahrbahn. Um diese Prozesse abseits einer Simulation zu erfassen und darzustellen, wurden im Rahmen dieser Arbeit eingangs die Grundlagen zu den Themen Feinstaubemissionen, Kraftfahrzeugreifen, Elastomerreibung und Transportmechanismen von Feinstaub behandelt und Untersuchungen zum aktuellen Stand der Technik geschaffen. Dabei wurde geprüft welche Sensoren sich für die Anwendung eignen und welche Studien zu dem Thema vorhanden sind. Anhand eines Konstruktiver Entwicklungsprozess (KEP) wurde ein Messraster entwickelt, welches die Verteilung des Feinstaubes im Fahrzeugnachlauf messen kann. Vom Fachgebiet Fahrzeugtechnik an der TU Ilmenau, wurde ein Messfahrzeug zur Verfügung gestellt. Bei der Entwicklung des Messrasters wurde auf eine hohe Variabilität geachtet, um im späteren Forschungsverlauf auch mit anderen Fahrzeugen ähnliche Tests durchführen zu können. Ergebnis der Arbeit ist ein Messraster, mit welchem die Konzentration von Feinstaub an verschiedenen Punkten entlang der Höhe und Breite des Fahrzeugnachlaufes gemessen werden kann. Durch die Verschiebung des Messrasters kann zusätzlich die dritte Dimension entlang der Fahrzeuglängsachse hinzugefügt und erfasst werden. Zusätzlich zur Konstruktion und Fertigung des Messrasters, wurden Versuchsfahrten zur Validierung durchgeführt. Dabei wurde aufgezeigt, dass das entwickelte Messraster in der Lage ist, entstandene Feinstaubkonzentrationen zu detektieren und zu quantifizieren. Die Testmessungen zeigten, dass die Feinstaubentstehung und -aufwirbelung von der Fahrgeschwindigkeit und den durchgeführten Fahrmanövern abhängig ist. Eine erhöhte Fahrgeschwindigkeit führte dabei zu einer Erhöhung der Feinstaubaufwirbelung. Auch das Durchführen von Bremsungen führte zu stark erhöhten Feinstaubkonzentrationen.

Die Radschlupfregelung in Form des Antiblockiersystems (ABS) ist eines der wichtigsten und weit verbreitetsten, aktiven Sicherheitssysteme im Fahrzeug. Gängige Algorithmen beruhen dabei immer noch auf empirisch-heuristischen Regeln, die sich aufgrund ihrer Robustheit bis heute bewährt haben, aber auch bedeutende Nachteile haben. Mittlerweile gibt es auch kontinuierliche Regelansätze, die den Radschlupf durchgehend (kontinuierlich) auf das gegenwärtige Optimum einstellen und somit eine verbesserte Leistung versprechen. Besonders vor dem Hintergrund des zunehmenden Anteils mechatronischer Fahrwerkssysteme und vor allem der Zuwachs entkoppelter Bremssysteme begünstigen deren weitere Erforschung aufgrund verbesserter Systemdynamik und fahrerunabhängiger Ansteuerung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer kontinuierlichen Radschlupfregelung für ein hybrides Brake-by-Wire System mit unabhängig voneinander geregelten Aktoren an Vorder- und Hinterachse. Dazu wurde eine bereits bestehende Regelung aufgrund identifizierter Schwächen strukturell modifiziert, um separate Regelparameter an beiden Achsen umzusetzen, damit Systemdynamiken optimal genutzt und die aktive Fahrzeugsicherheit so verbessert werden kann. Die Überprüfung der Wirksamkeit der Modifikationen erfolgte mithilfe von Simulationen verschiedener Bremsmanöver unter Nutzung des realen Bremssystems auf einem Komponentenprüfstand des Fachgebiets Fahrzeugtechnik an der Technischen Universität Ilmenau. Dabei zeigten die Ergebnisse eine deutliche Verbesserung der zuvor definierten Leistungsindikatoren (engl.: Key Performance Indices Indicators, KPIs) gegenüber dem regelbasierten Algorithmus sowie dem alten Reglertuning, welches für beide Achsen identisch war. Die vorliegende Arbeit bestätigt damit das Potential kontinuierlicher Regelungsansätze für zukünftige Fahrzeuggenerationen mit entkoppelten (Brems-)Systemen.