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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung zum Prüfen von Prüflingen, wie zum Beispiel Fahrzeugkomponenten, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, Elektromaschinen, Getriebe, Batterien, Antriebsstrangsysteme oder Teilsysteme davon, wobei mindestens zwei Prüflinge über eine Übertragungsanordnung miteinander gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Prüfanordnung.
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Die Anforderungen bei der Entwicklung von Fahrzeugen und deren Komponenten steigen stetig, wobei insbesondere kürzere Entwicklungszeiten und geringere Entwicklungskosten gefordert sind. Gleichzeitig steigt die Komplexität der Prüfstandsversuche durch Verwendung einer immer größer werdenden Anzahl von Sensoren und Aktuatoren. An die Fahrzeugentwicklung und die Entwicklung deren Teilsystemen richten sich daher hohe Anforderungen an die Flexibilität der Prüfabläufe und des Prüfaufbaus.
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Bei herkömmlichen bekannten Prüfanordnungen können zwei Prüfstandanordnungen, die jeweils einen Prüfstand und einen Prüfling umfassen, zur Übertragung physikalischer Größen unmittelbar miteinander gekoppelt sein. Alternativ können auch zwei Prüflinge auf einem gemeinsamen Prüfstand angeordnet sein, wobei die beiden Prüflinge miteinander gekoppelt sind. Zur Kopplung dient eine reale räumlich-körperliche Übertragungsanordnung, die physikalische Größen zwischen den beiden Prüflingen und damit zwischen den beiden Prüfstandanordnungen überträgt. Physikalische Größen können hierbei im allgemeinen Energie oder Medien sein. So kann zum Beispiel Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment übertragen werden. Andererseits können auch Medien, wie zum Beispiel Gase oder Flüssigkeiten übertragen werden.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Prüfanordnung mit einer Prüfstandanordnung für Motoren und einer Prüfstandanordnung für Getriebe, wobei die Prüfstandanordnung für den Motor über eine Verbindungswelle mit der Prüfstandanordnung für das Getriebe verbunden ist. Die Übertragungsanordnung in Form der Verbindungswelle überträgt hierbei Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment als physikalische Größe.
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Ein anderes Beispiel ist eine Prüfstandanordnung für einen Motor sowie eine Prüfstandanordnung für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, wie zum Beispiel einen NOx-Katalysatoren oder einen Dieselpartikelfilter, wobei die beiden Prüfungsanordnungen über eine Abgasleitung miteinander verbunden sind. Die Abgasleitung stellt hierbei die Übertragungsanordnung dar und die physikalische Größe, die zwischen den beiden Prüfstandanordnungen ausgetauscht wird, sind die Abgase.
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Zur Erzielung einer höheren Flexibilität im Bereich des Aufbaus einer Prüfungsanordnung und des Prüfungsablaufs schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Prüfungsanordnung vor, bei welchem mindestens zwei Prüfstandanordnungen mit jeweils einem Prüfstand und einem Prüfling über eine Simulationseinheit für die Übertragung von physikalischen Größen miteinander gekoppelt sind, wobei das Verhalten einer realen Übertragungsanordnung zwischen den beiden Prüfstandanordnungen durch ein Simulationsmodell der Simulationseinheit simuliert wird.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die beiden Prüfstandanordnungen nicht räumlich-körperlich miteinander zu verbinden, so dass die physikalische Größe, die an einem der beiden Prüfstandanordnungen entsteht, direkt der anderen Prüfstandanordnung zugeleitet wird, sondern die beiden Prüfstandanordnungen voneinander zu trennen und über eine Simulationseinheit miteinander zu koppeln. Die Simulationseinheit nimmt einerseits die physikalischen Größen als Eingangsgrößen der einen Prüfstandanordnung auf, simuliert das Verhalten der Übertragungsanordnung und prägt die so simulierten physikalischen Größen als Ausgangsgrößen der anderen Prüfstandanordnung auf.
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Hierzu weist die Simulationseinheit reale Schnittstellen auf, mit denen die Simulationseinheit einerseits mit der einen Prüfstandanordnung und andererseits mit der anderen Prüfstandanordnung zum Austausch physikalischer Größen räumlich-körperlich verbunden ist. Diese realen Schnittstellen sind in der Lage, zum einen physikalische Größen der Prüfstandanordnungen aufzunehmen bzw. zu messen und zu detektieren und zum anderen physikalische Größen den Prüfstandanordnungen aufzuprägen. Dabei agiert die Simulationseinheit bidirektional, das heißt, es werden die physikalischen Eingangsgrößen der einen Prüfstandanordnung von der Simulationseinheit aufgenommen und Ausgangsgrößen der anderen Prüfstandanordnung aufgeprägt und umgekehrt.
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Grundsätzlich ist es hierbei denkbar, dass das Verhalten zumindest einer der Prüfstandanordnungen durch ein Simulationsmodell simuliert wird, also nicht real zur Verfügung steht. Somit lassen sich auch zwei simulierte Prüfstandanordnungen miteinander koppeln oder eine reale Prüfstandanordnung mit einer simulierten Prüfstandanordnung.
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Die physikalischen Größen der Prüfstandanordnungen werden nicht im Vorfeld bestimmt und lediglich wiedergegeben, wie dies bei einer übergeordneten Simulation der Fall wäre, sondern ergeben sich während des Versuchslaufs kontinuierlich und in Echtzeit aus den aktuellen Wechselwirkungen zwischen den Prüfstandanordnungen. Die physikalische Übertragungsanordnung, wie zum Beispiel die drehende Welle, eine elektrische Verbindung, ein Medienaustausch, werden durch entsprechende Quellen bzw. reale Schnittstellen (Dynamometer, Spannungsquelle oder Konditionierungseinrichtung) ersetzt. Diese realen Schnittstellen bilden möglichst exakte physikalische Kopplungen inklusive aller Wechselwirkungen nach.
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Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die realen Schnittstellen der Simulationseinheit selbst wiederum einen physikalischen Einfluss auf das Übertragungsverhalten der Simulationseinheit haben, so dass es erforderlich ist, dass das Simulationsmodell der Simulationseinheit ein Modell der realen Schnittstelle aufweist und physikalische Einflussgrößen der realen Schnittstellen kompensiert.
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Eine der zwei Prüfstandanordnungen kann zum Beispiel einen Motorprüfstand umfassen und die andere der beiden Prüfstandanordnungen einen Getriebeprüfstand. Die Simulationseinheit umfasst hierbei vorzugsweise zwei Dynamometer als reale Schnittstellen, die jeweils mit einer der beiden Prüfstandanordnungen mechanisch verbunden sind. Ein erster der beiden Dynamometer ist hierbei mit einer Kurbelwelle eines Motors (Prüflings) des Motorprüfstands verbunden und ein zweiter der Dynamometer ist mit der Hauptwelle eines Getriebes (Prüflings) des Getriebeprüfstands verbunden. Der Dynamometer am Motor nimmt zum einen die physikalischen Größen, Drehzahl und Drehmoment, des Motors auf und kann andererseits auch Drehmomente, die sich bei einer realen Verbindung von Getriebe in Richtung zum Motor ergeben, auf den Motor aufprägen. Dasselbe gilt für den Dynamometer, der mit dem Getriebe verbunden ist. Beide Prüfstandanordnungen durchlaufen somit exakt die gleichen Zustände in Echtzeit und gleichzeitig, wie bei einer realen Verbindungsanordnung zwischen den beiden Prüfstandanordnungen.
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An der Prüfstandanordnung für einen Motor und der Prüfstandanordnung für ein Getriebe kann jeweils ein Dynamometer an den jeweiligen Wellen des Prüflings (Motor bzw. Getriebe) angekoppelt sein, um eine Verbindungswelle zwischen dem Motor und dem Getriebe zu simulieren. Hierbei ist sicherzustellen, dass vergleichbar zum Einsatz einer realen Verbindungswelle, welche nur geringe, fast vernachlässigbare Torsion und Trägheit aufweist, bei der Simulationseinheit Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen mit identischer Drehzahl und Drehmomenten simuliert werden, um ein möglichst gleichen Verhalten wie bei einer realen Verbindungswelle abzubilden. Vergleichbar zu einer realen Verbindungswelle, welche keinerlei Information über den Fahrzyklus benötigt, wird durch die erfindungsgemäße Prüfanordnung ebenfalls selbständig ein Drehzahl- und Momentengleichgewicht herbeigeführt. Hierdurch werden Schwankungen, dynamische Vorgänge und Peaks bidirektional übertragen, wobei sich die Drehzahl und das Drehmoment erst im Laufe eines Prüflaufs durch die erfindungsgemäße Kopplung ergeben.
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Erzeugt beispielsweise der Motor keine gleichmäßige Drehzahl sondern Schwingungen an seiner Abtriebswelle, so werden diese Schwingungen in Echtzeit von der Simulationseinheit als Eingangsgrößen aufgenommen, wobei die Simulation mit diesen Eingangsgrößen fortgeführt wird. Umgekehrt kann das Getriebe, zum Beispiel auf Basis einer simulierten Rad-Straße-Kopplung, wiederum Rückkopplungen auf die Verbindungswelle, zum Beispiel ungleichförmige Drehzahlen, aufweisen. Diese Größen werden dem Motor als physikalische Größen für dessen Abtriebswelle zurückgemeldet und stellen somit wieder Eingangsgrößen für den Motor dar, auf die dieser wiederum reagiert. Im Zusammenspiel der Rückkopplung in beiden Richtungen ergibt sich ein Gesamtsystem, welches nicht nur jeweils vorgegebene Eingangs- und Ausgangsgrößen aufweist, sondern durch Rückkopplung eingeschwungene Zustände des Gesamtsystems simuliert. Die Verbindungswelle als Übertragungsanordnung zwischen Motor und Getriebe wird demnach als starr simuliert, wobei beide Prüflinge somit verbunden wären, als seien sie real miteinander gekoppelt.
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Diese Simulationstechnik mit Rückkopplungen fordert eine hohe Genauigkeit und Detailtreue in der Simulation und bei realen Komponenten auch eine entsprechend hochentwickelte und genaue Antriebs- und Messtechnik. Alle Komponenten müssen alle Details, inklusive Schwingungen und Schwankungen etc., gleich und in Echtzeit abbilden und so genau und detailliert, wie es die Kopplung erfordert, arbeiten. Dabei dürfen die zur Kopplung der Komponenten notwendigen Hilfseinrichtungen, also die realen Schnittstellen der Simulationseinheit, das System nicht oder zumindest nur sehr geringfügig beeinflussen, das heißt, dass die physikalischen Einflussgrößen der Hilfseinrichtungen (realen Schnittstellen) im Simulationsmodell kompensiert werden müssen. Am Beispiel der Prüfstandanordnung für einen Motor und der Prüfstandanordnung für ein Getriebe müssen somit die zusätzlichen Massenträgheitsmomente der realen Schnittstellen, also der Dynamometer, kompensiert werden.
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Ein weiteres Beispiel ergibt sich aus der Simulation einer Hochvoltverbindung als Übertragungsanordnung zwischen einer Prüfanordnung für eine Hochvoltbatterie und einer Prüfstandanordnung für einen Elektromotor. Wenn der Elektromotor zur Beschleunigung des Fahrzeugs Strom aus der Hochvoltbatterie anfragt, würde die Spannung der Batterie durch inneren Widerstand einbrechen, was gleichermaßen die Spannung am Elektromotor verringert. Man kann hingegen nicht genau vorhersagen, wie hoch der Spannungseinbruch der Hochvoltbatterie beim Beschleunigen sein wird, da dieser von vielen Bauteilparametern abhängt und erst durch Versuche ermittelt werden kann. Die benötigte Stromstärke für eine gegebene Beschleunigung hängt wiederum von der Batteriespannung ab. Diese Wechselwirkung würde solange dauern, bis ein Gleichgewichtszustand an Spannung und Strom erreicht ist. Es ist direkt zu erkennen, dass eine bidirektionale Kopplung nötig ist, um die Spannung für eine Beschleunigung im Systemverbund korrekt zu erproben. Durch die erfindungsgemäße Kopplung der beiden Prüfstandanordnungen kann während des Prüfvorgangs der Spannungseinbruch ermittelt werden.
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Ein weiteres Beispiel ist eine Prüfanordnung aus dem Bereich der Abgasnachbehandlung. Hierbei wäre eine Prüfstandanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine und eine Prüfstandanordnung für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorgesehen, die über eine Übertragungsanordnung, nämlich der simulierten Abgasleitung, miteinander verbunden sind. Der Konvertierungsgrad eines NOx-Katalysators oder Filterwirkungsgrad eines Rußfilters vorgegebener Bauart kann situations- und zeitabhängig simuliert werden. Die Druckverhältnisse sind komplett nachzubilden oder real zu erfassen, wobei die Verbrennungskraftmaschine darauf reagiert. In einer solchen Prüfanordnung wären nicht die einzelnen Komponenten mit ihrem Verhalten dargestellt, sondern das gesamte System, in dem die Abgasstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine und Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie eine real existierende Leitung einbezogen wird und Durchflüsse, Drücke, Temperaturen etc., von der Prüfstandanordnung für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen zurück an die Prüfstandanordnung für die Verbrennungskraftmaschine übertragen werden.
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Ein bevorzugtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Hierin zeigt
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1 ein Simulationssystem mit einer Prüfanordnung gemäß der Erfindung,
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2 eine Simulationseinheit der Prüfanordnung gemäß 1 und
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3 einen Regelkreis mit Kompensation der physikalischen Einflüsse einer realen Schnittstellen der Simulationseinheit.
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1 zeigt ein Simulationssystem zum Prüfen von Fahrzeugkomponenten. Das Simulationssystem umfasst eine Prüfanordnung 18, welche mit einer Hauptsimulationseinheit 14 miteinander gekoppelt ist. Die Prüfanordnung 18 weist eine erste Prüfstandanordnung 1 und eine zweite Prüfstandanordnung 2 auf. Die beiden Prüfstandanordnungen 1, 2 sind über eine Simulationseinheit 3 gekoppelt. Die erste Prüfstandanordnung 1 umfasst einen Motorprüfstand 4 als ersten Prüfstand und einen Motor 5 als ersten Prüfling. Die zweite Prüfstandanordnung 2 umfasst einen Getriebeprüfstand 6 als zweiten Prüfstand und ein Getriebe 7 als zweiten Prüfling. Der Motor 5 weist eine Kurbelwelle 8 auf, die über die Simulationseinheit 3 mit einer Eingangswelle 9 des Getriebes 7 gekoppelt ist. Die Simulationseinheit 3 weist eine Steuereinheit 10 auf, welche einen ersten Dynamometer 11 als erste reale Schnittstelle und einen zweiten Dynamometer als zweite reale Schnittstelle steuert. Die Steuereinheit 10 simuliert mit Hilfe eines Simulationsmodells eine reale Verbindungswelle und steuert die Dynamometer 11, 12 derart, dass die auf die Kurbelwelle 8 und die Eingangswelle 9 wirkenden Drehzahlen und Drehmomente sich so verhalten, als wäre die Kurbelwelle 8 mit der Eingangswelle 9 mit einer realen Verbindungswelle starr mechanisch verbunden. Die Steuereinheit 10 kann zu diesem Zweck einen Computer aufweisen.
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Die zweite Prüfstandanordnung 2 umfasst ferner einen dritten Dynamometer 13, der mit einer Ausgangswelle 19 des Getriebes 7 antriebsverbunden ist. Der dritte Dynamometer 13 ist mit der Hauptsimulationseinheit 14 gekoppelt, welche zum Beispiel unter anderem eine Rad-Straßen-Kopplung eines Fahrzeugs simuliert. Die Hauptsimulationseinheit 14 ist darüber hinaus mit der ersten Prüfstandanordnung 1 verbunden und simuliert einen Fahrer, um dem Motor 5 ein Fahrzyklus aufzuprägen. Somit ist ein geschlossener Kreislauf gewährleistet, um die Fahrzeugkomponenten, hier Motor 5 und Getriebe 7, zu prüfen.
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Durch die Kopplung der beiden Prüfstandanordnungen 1, 2 über die Simulationseinheit 3 ist es einfach, die Anordnung der einzelnen Komponenten innerhalb der Prüfanordnungen zu ändern, ohne dass ein großer Montage- und Demontageaufwand entsteht. Es können selbst Prüfstandanordnungen bzw. Prüflinge miteinander gekoppelt werden, die keine passenden mechanischen Schnittstellen aufweisen. Darüber hinaus können weitere Fahrzeugkomponenten innerhalb der Simulationseinheit simuliert werden, ohne dass diese mechanisch mit eingebunden werden müssten. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Verhalten eines der Prüflinge in seiner Größenordnung virtuell zu verändern. So ist es zum Beispiel möglich, durch Anpassung der Simulation in der Simulationseinheit die grundlegenden physikalischen Größen des Motors bei der Simulation in der Simulationseinheit 3 zu berücksichtigen, diese jedoch in den Größenverhältnissen derart zu ändern, dass ein größerer oder kleinerer Motor simuliert wird.
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2 zeigt die Kompensation der physikalischen Größen der realen Schnittstellen 11, 12, hier den beiden Dynamometern 11, 12. Die Simulationseinheit 3 weist hierzu zunächst ein Simulationsmodell 15 auf, welches die Drehzahlen der beiden Dynamometer 11, 12 aufnimmt und unter Anwendung des Simulationsmodells 15 entsprechende Steuerimpulse für das Drehmoment der beiden Dynamometer 11, 12 errechnet. Hierbei ist es jedoch erforderlich, dass die systemeigenen Massenträgheiten der Dynamometer 11, 12 berücksichtigt werden. Hierzu dienen Simulationsmodelle in Form eines Kompensationsmodells 16 für den ersten Dynamometer 11 und ein Kompensationsmodell 17 für den zweiten Dynamometer 12.
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Der Regelkreis für die Kompensation ist in 3 dargestellt. Die Drehmomente des Motors (TEngine) und des Getriebes (TGearox) werden als Führungsgröße dem Regelkreis zugeführt. Das Simulationsmodell 15 als Regler gibt die Regelgröße in Form der Wellendrehungszahl aus. In der Rückführung wird das Drehmoment aufgrund von Massenträgheiten berücksichtigt (TInertiaComp).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Prüfstandanordnung
- 2
- zweite Prüfstandanordnung
- 3
- Simulationseinheit
- 4
- Motorprüfstand
- 5
- Motor
- 6
- Getriebeprüfstand
- 7
- Getriebe
- 8
- Kurbelwelle
- 9
- Eingangswelle
- 10
- Steuereinheit
- 11
- erster Dynamometer
- 12
- zweiter Dynamometer
- 13
- dritter Dynamometer
- 14
- Hauptsimulationseinheit
- 15
- Simulationsmodell
- 16
- Kompensationsmodell für den ersten Dynamometer
- 17
- Kompensationsmodell für den zweiten Dynamometer
- 18
- Prüfanordnung
- 19
- Ausgangswelle
