Veröffentlichungen

This paper introduces a holistic engineering approach for the design of an electric sport utility vehicle focused on the reliable capability of long-distance daily trips. This approach is targeting integration of advanced powertrain and chassis components to achieve energy-efficient driving dynamics through manifold contribution of their improved functions. The powertrain layout of the electric vehicle under discussion is designed for an e-traction axle system including in-wheel motors and the dual inverter. The main elements of the chassis layout are the electro-magnetic suspension and the hybrid brake-by-wire system with electro-hydraulic actuators on the front axle and the electro-mechanical actuators on the rear axle. All the listed powertrain and chassis components are united under an integrated vehicle dynamics and energy management control strategy that is also outlined in the paper. The study is illustrated with the experimental results confirming the achieved high performance on the electric vehicle systems level.

X-in-the-loop (XIL) technologies have been receiving increased attention in modern automotive development processes. In particular, collaborative experiments using XIL tools have efficient applications in the design of multi-actuated, electric, and automated vehicles. The presented paper introduces results of such a collaborative study with XIL, which focused on the feasibility of coordinated real-time (RT) simulations for the control of vehicle dynamics systems. The outcomes are based on extensive co-simulation tests performed with remote connections among different geographical locations. The performed study allowed formulating requirements for further shared and distributed XIL-experiments for functional validation of automotive control systems.

The deposition behavior of brake wear particles on the surface of a wheel and the mechanisms on it have not been fully understood. In addition, the proportion of brake wear particles deposited on the wheel surface compared to the total emitted particles is almost unknown. This information is necessary to evaluate the number- and mass-related emission factors measured on the inertia dynamometer and to compare them with on-road and vehicle-related emission behaviour. The aim of this study is to clarify the deposition behavior of brake particles on the wheel surface. First, the real deposition behaviour is determined in on-road tests. For particle sampling, collection pads are adapted at different positions of a front and rear axle wheel. In addition to a Real Driving Emissions (RDE)-compliant test cycle, tests are performed in urban, rural and motorway sections to evaluate speed-dependent influences. Microscopic analysis is used to determine the particle number concentration and particle size distribution of the samples. Another focus is the analysis of particle deposition behaviour on the wheel surface along inertial dynamometer tests with Economic Commission for Europe (ECE) and Non-Asbestos Organic (NAO)-brake pads. For this purpose, a special setup is used which allows the simulation of realistic flow conditions. In addition to simulating the RDE-compliant test cycle, the novel Worldwide harmonized Light-Duty vehicles Test Procedure (WLTP)-brake cycle is used to ensure real world driving and braking conditions. Finally, simulative investigations on the basis of a transient Computational Fluid Dynamics (CFD) model allow the particle motion to be evaluated under consideration of geometry and flow conditions. By implementing a physical deposition model, it is possible to quantify particle deposition as a function of particle size and material properties. The investigations have shown that < 15 % of the total wear mass deposits on the surface of the wheel. In addition, a correlation with the driving speed could be demonstrated. The highest relative proportions could be determined in the urban and motorway sections, the lowest in the city section. In addition, a clear correlation could be established between pad composition, particle size and deposition position.

Moderne Fahrzeuge werden komfortabler, sicherer und effizienter wie nie zuvor. Um dies zu erreichen, unterliegen sie aufgrund zunehmender Bedeutung von Elektromobilität und Automatisierung einem Systemwandel. Infolgedessen nehmen ihre Komplexität und die damit verbundenen Anforderungen stark zu, was den Entwicklungsaufwand erheblich erhöht. Darüber hinaus wird die Forderung nach kürzer werdenden Durchlaufzeiten immer größer. Daher bedarf es neuartiger Entwicklungsumgebungen, die die Entwicklung solcher Systeme effizienter gestalten. Zwar existieren bereits eine Reihe an Werkzeugen zur Spezifikation des Systementwurfs, jedoch gibt es kein einheitliches Verständnis, keine standardisierten Taxonomien und kein methodisches Vorgehen bei der Systemsynthese. Die wissenschaftliche Arbeit greift dies auf und liefert einen modularen Lösungsansatz zur modellbasierten Entwicklung von Fahrzeugsystemen. Insbesondere spielt die Funktionsabsicherung mit dem sogenannten X-in-the-Loop-Ansatz eine große Rolle, mit dem eine schlanke, robuste und durchgängige Entwicklung möglich werden soll. Hierbei liefert die Arbeit eine einheitliche Schnittstellen-Architektur, mit der das monolithische Vorgehen in der Entwicklung aufgelöst wird. Dabei dienen Simulationswerkzeuge als wichtige Integratoren, mit denen heterogene Prüfumgebungen unabhängig von Werkzeugen, Domänen und Organisationen flexibel miteinander gekoppelt werden können. Die entwickelte Methodologie dient als Rahmen und verringert den Konfigurationsaufwand der Werkzeuge zur Umsetzung von X-in-the-Loop. Damit können die Prozesse zum Systementwurf, zur Systemsynthese und zur Validierung schon frühzeitig in der Entwicklung realisiert werden. Ein weiterer Beitrag der Dissertation ist die Umsetzung einer lokal und global verteilten X-in-the-Loop-Umgebung, die auf ihre Echtzeitfähigkeit, Robustheit und Allgemeingültigkeit überprüft wurde. Dazu wurde eine Beobachter-Distributor-Struktur genutzt, um die verteilten Simulationswerkzeuge und Prüfstände in Echtzeit zu synchronisieren. Als Fallstudie wurde ein elektrohydraulisches Bremssystem betrachtet, da seine Systemarchitektur aufgrund steigender Automatisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugsystemen einem systemischen 'Wandel ausgesetzt ist. Zur Demonstration der Methode werden die domänenspezifischen Verfahren wie Model-in-the-Loop, Test-Rig-in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop und ein gesamtheitliches X-in-the-Loop-Verfahren, das alle Domänen integriert, entwickelt und anhand des elektrohydraulischen Bremssystem miteinander verglichen.

In den letzten Jahrzehnten wurden Fahrzeuge einem tiefgreifenden Einfluss auf die Anforderungen an Sicherheit, Komfort und Umweltfreundlichkeit ausgesetzt. Heutzutage hat der starke Trend zur Umwandlung traditioneller Fahrzeuge in komplexe Systeme und die ständig steigende Anzahl von Elektro- und Elektronikkomponenten die Industrie dazu gezwungen, neue Regelmethoden und deren Entwicklungsprozesse zu entwerfen. Die Optimierung der Bremsverteilung in elektrischen Antrieben mit Brake-by-Wire-Systemen erfordert die Entwicklung fortgeschrittener Schätzfunktionen. Darüber hinaus fördern die Trends zu strengeren Abgasvorschriften und das nachgewiesene Wachstum der Fahrzeugzulassungen den Bedarf an neuen Anwendungen, die die Hersteller über die Umweltfreundlichkeit ihrer Fahrzeugflotte informieren. In diesem Rahmen werden in der vorliegenden Arbeit Steuerungs- und Schätzlösungen für emissionsarme, multi-aktuierte Fahrzeuge vorgestellt, um die Bremsleistung bei gleichzeitiger Überwachung des Bremsverschleißes und der bremsbedingten Partikelemissionen zu verbessern. Die Erreichung dieses Ziels führt zu interdisziplinären Methoden, die von Fortschritten bei numerischen Modellierungs- und Simulationswerkzeugen über die Anwendung innovativer experimenteller und sensorischer Fusionstechniken bis hin zur Entwicklung und Verifizierung neuartiger Algorithmen zur Zustandsschätzung und -steuerung reichen. Die Entwicklung von Steuerungs- und Schätzfunktionen wird durch Modell-, Software- und Hardware-in-the-Loop-Techniken unterstützt, die durch ein neuartiges, an der Technischen Universität Ilmenau entwickeltes Scheibenbremsmodell verbessert werden. Auf dem Prüfgelände durchgeführte Experimente zeigen, dass die Bremsleistung in Brake-by-Wire-Systemen durch Kompensation unerwünschter Schwankungen des Bremsreibungskoeffizienten verbessert werden kann. Die Kompensationsfunktion bietet dem Fahrer eine Bremsservounterstützung, wenn die erforderliche Verzögerung nicht zu erreichen ist. In Hybrid- und Vollelektrofahrzeugen verbessert die Bremsreibungskompensation das Blending mit Elektromotoren, indem eine bessere Verfolgung der Referenzverzögerung sichergestellt wird. Außerdem ermöglicht die Schätzung des Bremsreibungskoeffizienten zusätzliche Bremsüberwachungsfunktionen. Durch neuartige Design-of-Experiments und Data-Mining-Verfahren werden die relevanten Einflüsse auf den Bremsverschleiß und die Partikelbildung erfasst. Die experimentellen Beweise treiben die Implementierung und Identifizierung fortschrittlicher Schätzverfahren voran, die früheren Schätzverfahren überlegen sind. Die vorgeschlagenen Kontroll- und Schätzfunktionen weisen im Vergleich zu anderen Ansätzen nach dem jüngsten Stand der Technik eine höhere Leistung unter realen Fahrbedingungen aus.