Studentische Abschlussarbeiten

Im Zuge der Elektrifizierung der Automobilindustrie werden verschiedene Ansätze zur kontinuierlichen Bremsregelung, zum Brake-blending und zum Bremsendesign untersucht. Einige integrierte Funktionen wie aktives Bremsen und Brake Blending für batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) könnten nur durch die Implementierung eines entkoppelten Brake-by-Wire-Systems (BBW) genutzt werden. In dieser Arbeit werden die Strategien der kontinuierlichen Radschlupfregelung (WSC) und das Brake Blending für ein BEV Sports Utility Vehicle (SUV) mit Heckantrieb (RWD) untersucht. Das Zielfahrzeug verfügt über ein hybrides BBW-System, elektrohydraulische Bremsen (EHB) an den Vorderrädern, und elektromechanische Bremsen (EMB) an den Hinterrädern zusammen mit zwei Radnabenmotoren (IWM) an der Hinterachse. Zu diesem Zweck werden zwei WSC-Methoden - integral Sliding mode (ISM) und proportional integral mit Anti-Windup (PI) - vorgestellt und einer detaillierten numerischen Analyse unterzogen. Eine Reihe von Hardware-in-the Loop (HiL)-Echtzeitsimulationen wurden für die ISM-, PI- und regelbasierten (RB) WSCs sowie für den ungeregelten Modus mit einem geeigneten Prüfstandsaufbau durchgeführt. Da die RB-WSC-Methode derzeit am häufigsten in Fahrzeugen eingesetzt wird und die schwellenwertbasierte Bremsregelung Systemreaktionsverzögerungen aufweist und schwer zu kontrollieren ist, wurden die Ergebnisse der vorgeschlagenen WSCStrategien analysiert und mit denen der regelbasierten (RB) WSC-Methode verglichen. Die Implementierung des vorgeschlagenen Radschlupfreglers zeigte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf Bremsweg, Stabilität, Fahrvehalten sowie Fahrkomfort.

Fahrzeuge spielen heutzutage eine unverzichtbare Rolle im Transportwesen. Die steigende Anzahl an Fahrzeugen wirkt sich dabei problematisch auf die Sicherheit im Verkehrsgeschehen aus. In dieser Arbeit wurde die Querreglung automatischer Fahrzeuge untersucht, um die Fahrsicherheit im zukünftigen Verkehr zu steigern. Die Wirkung der Querreglung wurde durch Hardware-in-the-loop Versuchen getestet. Für die Untersuchung von der Querreglung wurde in dieser Arbeit eine Fahrzeugsimulationssoftware verwendet, um einige Querregler zu entwerfen und zu validieren. Als Bewertungsgröße wurde die Quer- und Winkelabweichung zur geplanten Route verwendet. Die Kontrollwirkungen der Regler wurden durch Simulationen getestet. Danach wurde der lineare modellprädiktive Querregler ausgewählt und für den Fahrsimulator angepasst, so dass das dort verbaute aktive Lenkrad über ein Drehmoment geregelt werden kann. Für die Anpassung wurde ein entsprechender Regler für das Steer-By-Wire System entwickelt, um den vom Querregler ausgegebenen Drehwinkel in ein Drehmoment umzuwandeln. Das vom Regler ausgegebene Drehmoment regelt das aktive Lenkrad und realisiert so ein Lenkradwinkel in der Simulationsumgebung. Dadurch wird die Quersteuerung des Fahrzeugmodells realisiert. Dann wurde ein Hardware-in-the-loop Simulationstest mit einem Echtzeitrechner, einer Fahrzeugsimulationssoftware und einem Fahrsimulator durchgeführt, um die Wirkung der Quersteuerung zu überprüfen.

Die Automobilindustrie erfährt durch die steigende Elektrifizierung des Antriebsstrangs einen Mobilitätswandel. Als wesentliche Ursachen für die dynamische Entwicklung elektrisch angetriebener Fahrzeuge können die Verschärfung der gesetzlichen Vorgaben klimaschädlicher Emissionen sowie die sich immer weiter reduzierenden Erdölressourcen gesehen werden. Elektrifizierte Fahrzeuge emittieren nur geringe Schadstoffmengen in die Umwelt und stellen demnach eine reale Alternative zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor dar. Diese sind des Weiteren in der Lage, kinetische Energie während eines Bremsvorgangs zurückzugewinnen, was dazu führt, dass Radbremsen seltener und weniger intensiv aktuiert. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die genannte Rekuperation eines Elektrofahrzeugs und untersucht ihre Einflussnahme auf die Betriebsweise der Reibungsbremse. Zu diesem Zweck werden mit einem Audi etron RDE-konforme Versuchsfahrten durchgeführt. In Hinblick auf die rekuperationsspezifische Bremsstrategie gilt es zu überprüfen, ob das theoretisch angenommene Rekuperations- bzw. Verzögerungsverhalten mit den Realfahrten bestätigt werden kann. Diese Analyse bildet die Grundlage, die Auswirkungen des regenerativen Bremsens mittels simulativer Untersuchungen zu bewerten. Dafür werden am Schwungmassenprüfstand der TU Ilmenau generische und dynamische Fahrzyklen implementiert, mit denen unterschiedliche reibungsinduzierte und generatorische Belastungskollektive betrachtet werden. Mithilfe der Zyklen soll ermittelt werden, inwieweit das regenerative Verzögerungsverhalten das Betriebsverhalten der Radbremse eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (BEV) beeinflusst. Anhand der ermittelten Messdaten wird gezeigt, dass infolge des regenerativen Bremsverhaltens die Mehrheit der Verzögerungen über die Elektromaschine realisiert werden und somit die Radbremse thermisch entlastet wird. Mit der elektrischen Betriebsweise wird zudem erreicht, dass die Radbremsen sowohl einen stark reduzierten Verschleiß aufweisen als auch erheblich weniger Bremspartikel emittieren. Aufgrund dieser dargestellten Tatsachen ergeben sich neue Sichtweisen und Anforderungen hinsichtlich der Auslegung der Radbremsen.

In den letzten Jahren sind Partikelemissionen und Feinstaubbelastungen in den Fokus der Gesetzgebung gelangt. Dabei stehen Umweltschutz, aber auch die Gesundheit der Menschen im Vordergrund. [2] Nicht-Abgasemissionen, welche zum Beispiel durch Reifen- oder Bremsenabrieb entstehen, wurden als eine signifikante Quelle für Partikelemissionen erkannt. In der Praxis lassen sich diese nur sehr schwer genau messen, da viele Störfaktoren einwirken. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird deshalb eine Gesamtfahrzeugsimulation zur Partikelprädiktion erstellt und in ein Vehicle-in-the-Loop Konzept integriert. Als Grundlage dienen bereits erforschte Modelle des Fachgebiets Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Ilmenau. Ein künstliches neuronales Netz als faktorisiertes Wahrscheinlichkeitsmodell und ein physikalisches Mechanismenmodell werden zur Vorhersage genutzt. Der in Echtzeit mit realen Fahrzeugdaten und Messergebnissen verbundene Digital Twin (DT) kann durch einen Beobachter von Störgrößen bereinigte Messwerte erzeugen und in Zukunft für Mischverkehrssimulationen genutzt werden.

Elektrofahrzeuge tragen zum Klimaschutz bei, indem sie lokal emissionsfrei fahren können und so den CO2-Ausstoß reduzieren. Ebenso ist die Elektrifizierung heutiger Kraftfahrzeuge Teil jeder Firmenstrategie. Im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor bietet die Kompaktheit eines Elektromotors die Vorteile, eine variable Anzahl dieser zu verbauen. Fahrdynamisch werden so neue Regelungsstrategien ermöglicht. Gleichzeitig rückt die Automatisierung moderner Kraftfahrzeuge mehr in den Fokus der Fahrzeugentwicklung. Dies bedingt, dass der Fahrkomfort neuer Mobilitätssysteme eine immer wichtigere Rolle spielt. Aus diesen Entwicklungen heraus befasst sich diese Arbeit mit der Untersuchung verschiedener Antriebskonzepte elektrischer Kraftfahrzeuge hinsichtlich des Fahrkomforts. Dazu wurde eine Analyse der Freiheitsgrade unterschiedlicher Antriebstopologien durchgeführt. Darauf aufbauend wurde das Potenzial zur Fahrzeugstabilisierung dieser abgeschätzt. Dabei erwiesen sich Konfigurationen mit In-wheel-Motoren als am vielversprechendsten. Darüber hinaus ist eine stetige Verlagerung der Fahrzeugerprobung von der Straße in Richtung Prüfstandversuchen zu verzeichnen. So wurde im nächsten Schritt eine Simulationsumgebung mit peripheren Anregungsmechanismen entwickelt, mit deren Hilfe neue Regelungsansätze erarbeitet werden können. Zunächst wurden Störgrößen identifiziert, die den Fahrkomfort beeinflussen. Auf deren Grundlage wurden stochastische Fahrbahnhöhenprofile modelliert und mit einer realen Fahrbahnvermessung verglichen. Weiter wurden zur gezielten Anregung des Fahrzeugs Einzelhindernisse sowie das Fahrmanöver "Doppelter Fahrstreifenwechsel" nach ISO 3888 implementiert. Zum Schluss wurde eine Validierungssimulation der Umgebung durchgeführt. Schwächen zeigte diese vor allem in der Modellierung der realen Fahrbahn. Durch eine Glättung der Rohdaten können diese aber gegebenenfalls beseitigt werden.