Car-in-the-Loop

Gesamtansicht des Car-in-the-Loop-Prüfstandskonzepts

Hintergrund

Mechatronische Systeme sind einer der größten Innovationstreiber in der Automobilindustrie. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene mechatronische Systeme im Bereich Antriebsstrang, Fahrwerk oder Karosserie erfolgreich in Serienfahrzeugen eingeführt.

In der frühen Entwicklungsphase solcher mechatronischer Systeme ist Hardware-in-the-Loop eine etablierte Methode. Bis zu diesem Zeitpunkt werden verschiedene Steuergeräte im Komponentenprüfstand einzeln getestet. Die folgenden Kalibrierungsarbeiten werden hauptsächlich mit dem Fahrzeug im Testgelände oder auf der Straße durchgeführt.

Mit der ständigen Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsysteme, dem Fokus auf autonomes Fahren und der strengeren Regulierung der Fahrzeugemissionen steigt heutzutage die Komplexität mechatronischer Systeme in Fahrzeug erheblich an. Gleichzeitig sieht die Automobilindustrie einen Bedarf an mehr Fahrzeugmodellvielfalt und einer kürzeren Fahrzeugentwicklungszeit. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, einen modellbasierten Entwicklungsprozess zu etablieren und die Entwicklungsarbeit auf Fahrzeug in frühere Entwicklungsphasen abzulagern, sogenannte Front-Loading. Da Tests mit dem Fahrzeug im Testgelände teuer sind und der Korrekturaufwand extrem hoch ist. Um die Lücke zwischen den Komponententests und dem Test mit dem Fahrzeug im Testgelände zu schließen, benötigt man einen Prüfstand, der die Tests der Funktion sowie des Zusammenspiels verschiedener mechatronischer Systeme in Längs-, Quer- und Vertikalfreiheitsgrade auf Gesamtfahrzeugebene ermöglicht. Dies ist die Hauptmotivation für die Entwicklung des sogenannten Car-in-the-Loop Konzepts.

Der Car-in-the-Loop Prüfstand ist eine Weiterentwicklung der heutigen Versuchsaufbauten. Der wichtigste Teil der Forschung besteht in der Entwicklung der Regelgüte und der realistischen Abbildung der Fahrsituationen trotz der Komplexität des Prüfstandsystems aufgrund der Berücksichtigung der Längs-, Quer- und Vertikaldynamik. Das Konzept muss mit einem physischen Prototyp bewiesen werden. Darauf aufbauend sollte eine Methodik entwickelt werden, die eine schnelle Rüstzeit im Sinne von Austausch des Prüflings, Anpassung der Regelungsstrategie und der Übernahme von Projekten aus anderen Entwicklungsphasen ermöglicht. Um dies zu erreichen, sollte der Car-in-the-Loop Prüfstand in ein Modul eingebaut werden, über die Fähigkeit zur automatischen Systemidentifikation verfügen und mit der Integrationsplattform in einem geschlossenen Regelkreis gekoppelt sein. Die Testautomatisierung und die einfache Integration in vorhandene Prüfstände sind zwei weitere wichtige Merkmale. Damit unterstützt der Car-in-the-Loop Prüfstand den modellbasierten Entwicklungsprozess und ermöglicht ein Front-Loading der Entwicklungsarbeit von Fahrzeugsysteme. Es ist besonders attraktiv, wenn Simultaneous Engineering erforderlich ist, um die Gesamtentwicklungszeit zu verkürzen.

Die Anwendung von Car-in-the-Loop deckt ein breites Spektrum bei der Entwicklung mechatronischer Systeme ab. Um ein paar zu nennen:

  • Untersuchung der Interaktion zwischen verschiedenen mechatronischen Systemen in verschiedenen Bereichen (Antriebsstrang, Fahrwerk, Lenkung usw.)
  • Front-Loading der Kalibrierung des mechatronischen Systems auf Prüfstand
  • Sicheres Testen innovativer Fahrerassistenzsysteme und selbstfahrender Fahrzeuge
  • Untersuchungen zum Energieverbrauch von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen durch Nachbildung verschiedener Strecken unter Berücksichtigung der aktiven Lenkung und des aktiven Fahrwerks
  • Analyse der Fahremission unter Berücksichtigung der Querdynamik

Aktueller Entwicklungsstand:

  • Gründliche Systemmodellierung und Analyse
  • Viertelfahrzeug Prototyp (siehe auch Video unten)
  • Validiertes Fahrzeugsimulationsmodell für Echtzeitanwendung mit Prüfstand
  • Validierter Regelungsstrategie für Längs- und Querdynamik (siehe auch Video unten)

Aktueller Forschungsschwerpunkt:

  • Validierung der Regelungsstrategie für Vertikaldynamik auf einem erweiterten Viertelfahrzeug Prototyp
  • Closed-Loop Anbindung mit virtuellen Fahrzeugprototyp
  • Entwicklung einer Methodik für eine adaptive Regelungsstrategie basierend auf einer automatisierten Systemidentifikation
  • Software- und Hardwaremodularisierung für die einfache Integration in vorhandene und zukünftige Prüfstände

Den aktuellen Entwicklungsstand sollen folgende Videos beschreiben:

Dieses Video zeigt eine sinusförmige Lenkbewegung bei konstanter Geschwindigkeit zur Verdeutlichung der Kinematik der Prüfstandswelle des Demonstrators.

In diesem Video ist die Abbildung einer hochdynamischen Testfahrt auf dem Demonstrator zu sehen. Für die Echtzeitsimulation des verwendeten Fahrzeugs (Mini Countryman) wurde die Software CarMaker genutzt.