Kurzfassung

Die Förderbekanntmachung „STROM“ des BMBF zielte im Wesentlichen darauf ab, die Themenbereiche Klimaschutz und Energieversorgung; strategische Bedeutung von zukunftsfähiger Mobilität; Verzicht auf fossile Brennstoffe und Elektromobilität als Schlüsseltechnologie zu erforschen. Damit sollte Deutschland als Leitmarkt für Elektromobilität etabliert bzw. gestärkt sowie zusätzlich neue Innovationspartnerschaften zwischen Wirtschaft und Wissenschaft geschlossen werden.

Das Teilvorhaben „Assistenzsysteme für effizienten Energieeinsatz bei Elektrofahrzeugen“ im Verbundprojekt „e-generation“ deckt mit seinen Beiträgen zur Erreichung von Kundentauglichkeit und damit der Marktfähigkeit des Elektrofahrzeugs alle diese Ziele ab.

Im Einzelnen sind folgende Beiträge zu nennen:

1)   Entwicklung eines Assistenzsystems für energieeffizienten Fahrzeugbetrieb mit Ermittlung eines optimalen Geschwindigkeitsverlaufes für die vorausliegende Strecke.

2)   Nutzung des Assistenzsystems wahlweise bei

-  angeleiteter Fahrt (Fahrer erhält Hinweise, wie er die Fahrstrecke energieeffizient befahren kann) oder

-  pilotierter Fahrt (Fahrzeug regelt Geschwindigkeit, Fahrer bekommt Hinweis, wie das System sich entlang der Strecke verhält).

3)   Dabei kann durch verschiedene Betriebsmodi das Systemverhalten den Wünschen des Fahrers angepasst werden, was zu einer Verbesserung der Akzeptanz führt.

4)   Eine Onlineerkennung des aktuellen Fahrstils während der manuellen Fahrt mit 3-stufiger Klassifizierung erlaubt eine Adaption der Hinweise an den Fahrer, um so eine bessere Ausnutzung des Energieeinsparpotenzials zu erreichen.

5)   Durch den Aufbau des Hardware-in-the-Loop Prüfstandes wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Entwicklung, den Test und darauf folgend den erfolgreichen Praxiseinsatz der energieeffizienten, autonomen Längsführung erst ermöglichte.

-  Mit Hilfe des Prüfstands konnte das energieeffiziente Assistenzsystem während der Projektlaufzeit im Prototypenfahrzeug erfolgreich zum Einsatz gebracht werden.

-  Zusätzlich konnte mit Hilfe des Prüfstands der Nachweis einer Verbrauchseinsparung des Assistenzsystems gegenüber Fahrten mit echten Fahrern erbracht werden.

Das zu erforschende Energiemanagement-Assistenzsystem greift direkt ins Antriebsmanagement ein, daher ist die Definition der Funktionalitäten von entscheidender Bedeutung. Es wurde daher zunächst ein funktionales Konzept erarbeitet und hieraus Anforderungen definiert und die Betriebsarten des Fahrerassistenzsystems mit drei Fahrprogrammen (Sport / Normal / Range) sowie drei Betriebsmodi (normaler, angeleiteter und pilotierter Modus) festgelegt.

Im nächsten Schritt wurden die Softwarearchitektur sowie die Schnittstellen zwischen den einzelnen Softwaremodulen ausgearbeitet. Ebenso wurden die Schnittstellen zu anderen Teilprojekten definiert.

Als Hilfsmittel wurde die Modellierung mit Microsoft Visio gewählt, eine zugehörige Signalliste wurde erstellt, wobei eine automatisierte Generierung direkt aus Microsoft Visio möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass die Aktualität bei auch bei Änderungen in der Architektur oder im Ablauf der Software stets gewährleistet ist. Insgesamt wurden folgende Softwaremodule definiert:

• „Energiekoordinator“:  Steuerung der Energieflüsse im Fahrzeug mit möglicher Einschränkung einzelner Systeme für eine mögliche Zielerreichung.
• „E-Fahrregler“: Generierung eines optimalen Geschwindigkeitsverlaufes für die vorausliegende Strecke, Ansteuerung des Antriebs im autonomen Betrieb. Durch Rückführung der aktuellen Geschwindigkeit wird aus der Planung ein Regler.
• „Prädiktionsmodul“: Vorhersage des Energiebedarfs für Antrieb und Nebenverbraucher, Basis ist ein einfaches Fahrzeugmodell, welches verschiedene Parameter über einen robusten und regularisierten Kalman-Filter schätzt
• „Fahrertyperkennung“: Erkennung des Fahrerverhaltes für eine bessere Parametrierung der anderen Module. Das Konzept wurde erarbeitet und mit Matlab/Simulink umgesetzt. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnten Tests erfolgreich durchgeführt werden. Tests im Fahrzeug konnten aufgrund mangelnder Verfügbarkeit der Demonstratorfahrzeuge nicht umgesetzt werden.
• „Reichweitenberechnung“: Berechnung der noch zur Verfügung stehenden Reichweite
• „Streckendaten“:  Es wurde ein Modul zur Konvertierung von Streckendaten erarbeitet, welches Informationen über die vorausliegende Strecke zur Verfügung stellt. Im Rahmen des Projekts konnte dies allerdings nur für zwei definierte Teststrecken durchgeführt werden, da 3D-Streckendaten nur für diese Strecken verfügbar waren. Durch eine Simulation mit Testvektoren konnte die Funktionstüchtigkeit bestätigt werden, ebenso wurde die Funktion in der HIL-Simulation nachgewiesen. Tests im Fahrzeug bestätigten die Funktionstüchtigkeit auf der Strecke.
• „Fahrerhinweise“: Hinweise für den Fahrer im angeleiteten Modus, Hinweise über die Handlungen des Systems im autonomen Modus, um die Akzeptanz des Fahrers für das System zu steigern. Hierzu wurde ein Modul zur Generierung der Hinweise implementiert und durch Simulationsrechnungen mit Testvektoren bezüglich Funktionstüchtigkeit überprüft. Danach konnten Simulationen am HIL-Prüfstand ebenfalls die Funktionstüchtigkeit bestätigen. Abschließenden Tests im Fahrzeug konnten aufgrund mangelnder Verfügbarkeit der Demonstratorfahrzeuge bzw. der Anzeigeelemente nicht umgesetzt werden.

Als Validierungsumgebung wurde ein Hardware-in-the-Loop Prüfstands (Echtzeitrechner im Verbund mit zwei Steuergeräten) realisiert. Dieser eignete sich sowohl für die Unterstützung der Entwicklung der energieeffizienten Fahrfunktion, als auch zum Test dieser Funktion. Der Prüfstand hat so maßgeblich zur Erreichung der Teilprojektziele beigetragen. Es entstand die Erkenntnis, dass selbst ein „kleiner“ Komponenten-HIL bei der Entwicklung einer Fahrzeugfunktion einen sehr großen Nutzen hat, indem er unter anderem den Test der Funktion schon ermöglicht, lange bevor ein Prototypenfahrzeug verfügbar ist.

Mit Hilfe des HIL-Prüfstands konnte anhand von Simulationen eine Verbrauchsreduzierung durch die Anwendung der pilotierten Längsführung nachgewiesen werden.