Im Rahmen der Forschungsprofessur werden die Forschungsschwerpunkte Elektromobilität und Fahrzeugregelsysteme weitergehend ausgebaut. Fokussiert wird insbesondere die Funktionsauslegung für gegenwärtige Elektro- und Hybridfahrzeuge.

Thema: Entwicklungsplattform zur modellbasierten Funktionsentwicklung von elektronischen Steuergeräten für Kraftfahrzeuge.

Zielsetzung: Der Ausbau umfasst die umfangreiche Erweiterung der strukturierten, modellbasierten und verifikations-orientierten Entwicklungsplattform zur modellbasierten Funktionsentwicklung elektronischer Steuergeräte für Kraftfahrzeuge mit elektrifiziertem Antriebsstrang. Insgesamt umfasst das Vorhaben vier Forschungspläne (FP).

Aufgrund der steigenden Anforderungen und Komplexität fahrzeugtechnischer Systeme ist die Verwendung einer klar strukturierten dabei Entwicklungsmethodik unerlässlich. Die verwendete Methodik basiert auf der mechatronischen Strukturierung mittels Modularisierung und Hierarchisierung im Top-Down-Verfahren. Das komplexe Gesamtsystem wird in intelligente, gekapselte Teilsysteme bestehend aus mechatronischen Komponenten mit definierten Schnittstellen geteilt und hierarchisch strukturiert. Abbildung 1 zeigt exemplarisch die hieraus resultierende mechatronische Struktur des Forschungselektrofahrzeugs Fredy mit den vier Hierarchieebenen der Mechatronischen Funktionsmodule (MFM), der Mechatronischen Funktionsgruppen (MFG), der Autonomen Mechatronischen Systeme (AMS) und der Vernetzten Mechatronischen Systeme (VMS).

Abbildung 1: Mechatronische Strukturierung des FREDY

Das MFM stellt die niedrigste Hierarchieebene dar. Es handelt sich um ein nicht weiter teilbares mechatronisches System bestehend aus einer mechanischen Tragstruktur, Sensorik, Aktorik und Informationsverarbeitung. Dieses gekapselte Modul erfüllt eine definierte Funktionalität, bildet das dynamische Systemverhalten ab und repräsentiert Kinematik, Dynamik und mechatronische Funktionen. Durch die mechanische oder informationstechnische Kopplung mehrerer MFM ergeben sich MFG mit eigener Informationsverarbeitung, welche wiederum zu AMS kombiniert werden können. Die Vernetzung mehrere AMS zu VMS stellt die höchste Hierarchieebene dar. Bei einem (autonomen) Fahrzeug handelt es sich um ein AMS, welches durch Digitalisierung und das Internet der Dinge mit anderen Fahrzeugen zu einem VMS vernetzt wird. Die VMS stellen die Grundlage des autonomen Fahrens dar.

Nach der mechatronischen Strukturierung des Gesamtsystems erfolgt die mechatronische Komposition im Bootom-Up-Verfahren. Zum Entwurf jedes Funktionsmoduls der Informationsverarbeitung wird der in Abbildung 2 dargestellte mechatronische Entwicklungskreislauf herangezogen. Am Beginn der theoretischen Untersuchung steht die Modellbildung. Das technische System wird nach Funktionsprinzipien im Hinblick auf die Anforderung in ein physikalisches bzw. mathematisches Ersatzmodell aus unterschiedlichen Fachdisziplinen wie Mechanik, Hydraulik und Elektronik abgebildet. Es repräsentiert das System-verhalten. Die Regelstrategie, die vom einfachen Regler bis hin zu hierarchisch angeordneten Mehrgrößenregelstrukturen aufgebaut sein kann, wird anhand des Systemverhaltens festgelegt.

Abbildung 2: Mechatronischer Entwicklungskreislauf  

Die anschließende modellbasierte Komposition erfolgt gemäß des Rapid Control Prototypings (RCP) in einem durchgängig verifikationsorientierten Prozess aus Model-in-the-Loop (MiL), Software-in-the-Loop (SiL) und Hardware-in-the-Loop (HiL) nach Abbildung 3, da sich dieser für die Entwicklung und Absicherung mechatronischer Systeme als zeit- und kosteneffizient erwiesen hat. Ausgehend von Anforderungen und Lastenheft erfolgt die MiL-Simulation, in welcher Regelalgorithmen ohne Anspruch auf Echtzeitfähigkeit entwickelt und an einem Fahrdynamikmodell erprobt werden. Aus den simulativ erprobten Regelalgorithmen wird im Rahmen der SiL-Simulation mittels automatischer Code-Generierung ein ausführbarer Target-Code erzeugt, welcher wiederum mit einem Fahrdynamikmodell auf Funktion und Fehler getestet wird. Daraufhin erfolgt die HiL-Simulation, bei welcher ein um physische Teilkomponenten ergänztes, echtzeitfähiges Dynamikmodell zur Funktionsabsicherung und -optimierung verwendet wird. Mithilfe dieser Methodik wird eine durchgängige Entwicklung basierend auf virtuellen Prototypen bis zum fertigen Produkt sichergestellt.

Abbildung 3: Durchgängig modellbasierte, verifikationsorientierte Entwicklungsmethodik 

Nachwuchsförderung: Im Rahmen des Projekts ist eine umfangreiche Förderung des Ingenieursnachwuchses vorgesehen. Kern dieser Förderung ist neben zahlreichen studentischen Arbeiten eine  kooperative Promotion.

Förderung: Das Projekt wird vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur gefördert.