Methode zur Abschätzung der Ergebnisqualität von modularen Gesamtfahrzeugsimulationsmodellen

146 Pages·2017·4.294 MB·German

by  Mark Krausz (auth.)

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Mark Krausz
Methode zur Abschätzung
der Ergebnisqualität von
modularen Gesamtfahr-
zeugsimulationsmodellen
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Universi-
tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit
mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-
zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen,
Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus-
arbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation.
Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH),
Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung
sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und
batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.
Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensent-
wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich
minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und
-strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen
Fragestellungen.
Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/H ybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareent-
wicklung sowie Test und Diagnose.
Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter-
stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator,
einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aero-
akustikwindkanal.
Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert
über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-
nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraftfahrwesen,
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik,
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Mark Krausz
Methode zur Abschätzung
der Ergebnisqualität von
modularen Gesamtfahr­
zeugsimulationsmodellen
Mark Krausz
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2016
D93
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-16546-8 ISBN 978-3-658-16547-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-16547-5
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) ent-
standen.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss. Er hat diese
Arbeit ermöglicht, stets durch Rat und Tat gefördert und durch seine Unterstützung
und sein Engagement, auch über den fachlichen Teil hinaus, wesentlich zum Gelingen
beigetragen. Für die freundliche Übernahme des Mitberichts, die Förderung der vor-
liegenden Arbeit und die äußerst sorgfältige Durchsicht gilt mein Dank gleichermaßen
Herrn Prof. Dr.-Ing. Oliver Sawodny.
Die Erstellung dieser Arbeit wurde erst durch ein Projekt mit der Abteilung Kon-
zepte & Baukästen bei der Dr. Ing h.c. F. Porsche AG ermöglicht. Insbesondere möch-
te ich hier Herrn Dipl.-Ing. Armin Müller, Herrn Dipl.-Ing. Udo Weckenmann und
Herrn Dr.-Ing. Matthias Zimmer danken, die sich alle stets für das Projekt eingesetzt
haben und mit denen ich viele interessante fachliche Diskussionen führen konnte.
Darüber hinaus bedanke ich mich bei allen Mitarbeitern der Kraftfahrzeugmechat-
ronik des FKFS, meinem Bereichsleiter Dr.-Ing. Gerd Baumann und den Mitarbeitern
des IVK (Institut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart) für die gute Zu-
sammenarbeit und die zahlreichen bereichernden fachlichen wie auch nicht fachlichen
Gespräche. Meinen Studenten, die ich über die Jahre am Institut betreut habe, gilt für
die gute Zusammenarbeit und ihre geleisteten Tätigkeiten Dank.

Zum Schluss möchte ich auch von ganzem Herzen meinen Eltern, meiner Schwester,
meinen Großeltern und meiner Freundin Melanie Hömberg danken, dass sie mich im-
mer unterstützt und motiviert haben.

Stuttgart Mark Krausz
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ............................................................................................................... V
Abbildungsverzeichnis ...................................................................................... IX
Tabellenverzeichnis ....................................................................................... XIII
Abkürzungs- und Formelverzeichnis ......................................................... XVII
Kurzfassung .................................................................................................... XXI
Abstract ................................................................................................................ 1
1 Einleitung ......................................................................................................... 1
1.1 Motivation und Aufgabenstellung ....................................................................... 2
1.2 Struktur der Arbeit ............................................................................................... 3
2 Stand der Forschung und Technik ................................................................ 5
2.1 Modellbildung und Simulation in der Entwicklung ............................................ 5
2.1.1 Begriffsdefinitionen .................................................................................. 5
2.1.2 Simulationstechnik in der Fahrzeugentwicklung ...................................... 7
2.1.3 Relevante Entwicklungen der Simulationstechnik in der
Automobilentwicklung.............................................................................. 8
2.2 Methoden der Verifikation und Validierung ..................................................... 13
2.2.1 Begriffsdefinitionen ................................................................................ 13
2.2.2 Allgemeines zur V&V ............................................................................ 15
2.2.3 Verifikation ............................................................................................. 20
2.2.4 Validierung .............................................................................................. 24
2.2.5 Vorgehensmodelle .................................................................................. 30
2.3 Ungenauigkeit von Simulationsergebnissen ..................................................... 31
3 Ermittlung der Genauigkeit des Simulationsergebnisses .......................... 35
3.1 Randbedingungen und Anforderungen.............................................................. 35
3.2 Gesamtprozess ................................................................................................... 36
3.3 Modellbewertung ............................................................................................... 38
3.3.1 Modellfehler ............................................................................................ 38
3.3.2 Glaubwürdigkeit des Modells ................................................................. 46
3.3.3 Vorgehen ................................................................................................. 48
3.4 Szenariobewertung ............................................................................................ 55
VIII Inhaltsverzeichnis

3.4.1 Distanzmaße ............................................................................................ 59
3.4.2 Methoden zur Ermittlung der Ähnlichkeit .............................................. 61
3.4.3 Vorgehen ................................................................................................. 70
3.5 Sensitivitätsbewertung ....................................................................................... 72
3.5.1 Parametervariation .................................................................................. 73
3.5.2 Eingangssignalvariation .......................................................................... 75
3.5.3 Vorgehen ................................................................................................. 77
3.6 Gesamtmodellbewertung ................................................................................... 80
3.6.1 Wahrscheinlichkeitsverteilung ................................................................ 81
3.6.2 Vorgehen ................................................................................................. 83
3.7 Zusammenfassung ............................................................................................. 87
4 Anwendung der Methode am Beispiel eines Gesamtfahrzeugmodells .... 89
4.1 Aufgabenstellung ............................................................................................... 89
4.2 Modellbewertung ............................................................................................... 91
4.3 Szenariobewertung ............................................................................................ 92
4.3.1 Vergleich der Werteverteilung ................................................................ 93
4.3.2 Bestimmung des Mahalanobis-Abstands ................................................ 94
4.3.3 Untersuchung der Toleranzbereiche ....................................................... 95
4.3.4 Punktschattenanalyse .............................................................................. 96
4.3.5 Anpassung des Validierungsraums ......................................................... 96
4.4 Sensitivitätsbewertung ....................................................................................... 97
4.5 Ermittlung der Gesamtergebnisgüte ................................................................ 100
5 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................... 107
5.1 Zusammenfassung ........................................................................................... 107
5.2 Ausblick ........................................................................................................... 108
Literaturverzeichnis ........................................................................................ 109
A. Anhang ......................................................................................................... 115
Abbildungsverzeichnis
Bild 2.1: Verschiedene Simulationsarten in der Fahrzeugentwicklung ................... 8
Bild 2.2: MKS Modell Fahrwerk und Antriebsstrang
[Quelle: SIMPACK GmbH] ..................................................................... 9
Bild 2.3: CFD Simulation [Quelle: FKFS] .............................................................. 9
Bild 2.4: FEM Crashsimulation [Quelle: Volkswagen AG] .................................... 9
Bild 2.5: Signalflussorientiertes Simula-tionsmodell
[Quelle: The Mathworks] .......................................................................... 9
Bild 2.6: Komplexitätsmanagement in der Baukastengestaltung [Quelle:
WZL, RWTH Aachen] ............................................................................ 10
Bild 2.7: Ein Beispiel für verteilte Simulationen
[Quelle: Area Vehicle Electrics/Electronics & Software, ViF] .............. 11
Bild 2.8: Funktionsweise von FMI [31] ................................................................. 12
Bild 2.9: Abhängigkeiten im Begriffsumfeld der Validierung und
Verifikation (übersetzt [36]) .................................................................. 16
Bild 2.10: Beispiel für einen teilautomatisierten Modellaufbau, -test,
Simulation und Auswertung in der Flugzeugentwicklung [45] .............. 19
Bild 2.11: Grafischer Vergleich von Test- und Simulationsdaten (CAE) [55] ....... 25
Bild 2.12: Darstellung des relativen Fehlers zwischen Mess- und
Simulationsdaten [56] ............................................................................. 25
Bild 2.13: Vereinfachte Darstellung des Modellentwicklungsprozesses
(übersetzt [69]) ........................................................................................ 31
Bild 3.1: Anforderungen an die Teilmodelle zur Verwendung im
Gesamtmodell ......................................................................................... 35
Bild 3.2: Gesamtprozess zur Abschätzung der Ergebnisgenauigkeit .................... 37
Bild 3.3: Arten von Fehlern im Modell ................................................................. 39
Bild 3.4: Vergleich der relativen Fehler in Szenarien a & c .................................. 44
Bild 3.5: Beispiel für Auswirkung von Diskretisierungsfehlern ........................... 46
Bild 3.6: Schritte zur Aufdeckung von unbewussten Fehlern im Modell ............. 49
Bild 3.7: Ablauf bei der Überprüfung der Modelle mit Hilfe von
Testszenarien ........................................................................................... 50
Bild 3.8: Notwendige Validierungsmethode in Abhängigkeit der relevanten
Zustandsgröße ......................................................................................... 54
Bild 3.9: Konzept zur Szenariobewertung ............................................................. 56
X Abbildungsverzeichnis

Bild 3.10: Verhältnis des Validierungsraums zum Applikationsraum bei
vollständiger Überdeckung .................................................................... 57
Bild 3.11: Verhältnis des Validierungsraums zum Applikationsraum bei
teilweiser Überdeckung.......................................................................... 58
Bild 3.12: Verhältnis des Validierungs-raums zum Applikationsraum ohne
Überdeckung ........................................................................................... 58
Bild 3.13: Vergleich euklidischer Abstand und Mahalanobis Abstand ................... 60
Bild 3.14: Transformation der Datensätze ............................................................... 62
Bild 3.15: Beispiel für den Quotient von Werteverteilungen .................................. 63
Bild 3.16: Beispiel für die Bewertung mit Hilfe des Mahalanobis Abstands .......... 64
Bild 3.17: Beispiel für Toleranzbereiche um Punkte des Validierungsraums ......... 66
Bild 3.18: Darstellung der Suchbereiche im Punktschattenverfahren ..................... 68
Bild 3.19: Beispielergebnis einer Clusteranalyse .................................................... 69
Bild 3.20: Vorgehen bei der Ähnlichkeitsuntersuchung .......................................... 70
Bild 3.21: Vorgehen nach negativem Untersuchungsergebnis ................................ 72
Bild 3.22: Übersicht über die Arten der Sensitivitätsbewertung ............................. 73
Bild 3.23: Einfluss Variation der Ruhespannung eines
Traktionsenergiespeichers auf die Verlustleistung in einem
Belastungszyklus ..................................................................................... 75
Bild 3.24: Auswirkung der Variation des Eingangssignals P_Soll auf
Ausgangssignal I_Ist ............................................................................... 76
Bild 3.25: Ablauf der Sensitivitätsbewertung .......................................................... 77
Bild 3.26: Benötigte Informationen zur Gesamtmodellbewertung .......................... 81
Bild 3.27: Verschiedene Möglichkeiten der Wahrscheinlichkeitsverteilung
von Werten .............................................................................................. 82
Bild 3.28: Wahrscheinlichkeitsverteilung des Leistungsbedarfs eines
E-Fahrzeugs am Traktionsenergiespeicher bei Konstantfahrt mit
hoher Geschwindigkeit in Abhängigkeit des SoC-Werts ....................... 83
Bild 3.29: Vorbereitung zur Gesamtsystemanalyse ................................................. 85
Bild 3.30: Durchführung Gesamtsystemanalyse ...................................................... 86
Bild 4.1: Quotienten der Werteverteilung der Ausgangsgrößen des
E-Maschinenmodells für das Applikationsszenario B II
(eingekreiste Bereiche treten nur im Applikationsszenario auf) ............ 93
Bild 4.2: Ergebnis der Variation des Parameters M_mot der E-Maschine im
Simulationsszenario Beschleunigung auf Höchstgeschwindigkeit......... 99
Bild 4.3: Ergebnis der Variation des Parameters I_limit der E-Maschine im
Simulationsszenario Beschleunigung auf Höchstgeschwindigkeit......... 99