Das Gesamtziel der Forschergruppe ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Regelungen für Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren. Die untersuchte Anwendung stellt einen schnellen, zyklischen und stark nichtlinearen Prozess dar. In TP2 werden für schnelle nichtlineare zyklische Prozesse die grundlegenden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die auftretenden Optimalsteuerungsprobleme effizient zu formulieren und in Echtzeit, was für schnelle Prozesse innerhalb weniger Millisekunden bedeutet, auf eingebetteter Regelungshardware numerisch zu lösen. Als Basisregelstrategie soll die Methode der iterativ lernenden Regelung (ILC) mit der Methode der nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (NMPC) kombiniert werden. Das Ergebnis soll ein Echtzeititerationsschema für iterativ lernende NMPC (IL-NMPC) sein, das als Zustands- und Parameterschätzer einen Moving Horizon Beobachter (MHE) nutzt. Um die Herausforderung der Echtzeitfähigkeit zu lösen, sollen die in den IL-NMPC-Optimierungsproblemen vorkommenden Strukturen gezielt in der Numerik genutzt werden. Dies betrifft unter anderem die Ausnutzung der Periodizität in der linearen Algebra der MHE- und NMPC-Probleme und die Entwicklung neuer impliziter Integrationsmethoden, die sich durch eine Verzahnung der Ableitungsgenerierung und den IL-NMPC-Optimierungsiterationen auszeichnen. Zunächst soll die IL-NMPC auf Zyklus-zu-Zyklus Basis arbeiten, also mit einer Abtastzeit von 10-60 ms, die der Zyklusdauer entspricht. Hierbei ist entscheidend, dass die Verzögerung des Stelleingriffs wesentlich kürzer als ein Zyklus sein muss, was durch ein Echtzeititerationsschema mit Aufteilen der Rechenzeit in Vorbereitungs- und Feedbackphase ermöglicht wird. In einem zweiten Schritt soll die IL-NMPC um die Fähigkeit des Stelleingriffs auf verschiedenen Zeitskalen erweitert werden. Dies bedeutet, dass nun auch innerhalb des Zyklus Stelleingriffe durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen Konzepte unterschiedlicher Komplexität erarbeitet werden. Diese reichen bis hin zu der Entwicklung von maßgeschneiderten Multi-Level-Echtzeititerationsschemata, die eine optimierungsbasierte Regelung im kHz-Bereich ermöglichen sollen. Die in dem Teilprojekt entstehenden numerischen Methoden werden für die Anwendung in Verbrennungsmotoren optimiert, sind aber auch applikationsübergreifend für andere zyklische Prozesse einsetzbar. Daher sollen sie im Rahmen eines Tools zur automatischen Codegenerierung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden.
GCAI stellt einen vielversprechenden Ansatz zur gleichzeitigen Minimierung von Verbrauch und Emissionsausstoß in Verbrennungsmotoren dar. Die aus der Verbrennungseinleitung über die Reaktionskinetik resultierende Zyklenkopplung führt jedoch zu zwei maßgeblichen ungelösten Herausforderungen, an deren Lösung aktuell stark geforscht wird: Die starke Abhängigkeit der Verbrennungsstabilität von den Randbedingungen sowie die Einschränkung des Kennfeldbereiches. Die Entwicklung innovativer zylinderdruckgeführter Regelungen wird hier als Lösungsansatz angesehen. In TP3 wird die Hypothese verfolgt, dass durch die Kombination von zwei neuartigen Ansätzen die Verbrennungsstabilität maßgeblich verbessert werden kann und somit die bestehenden Herausforderungen adressiert werden können. Durch den Regeleingriff innerhalb eines Verbrennungszyklus wird in Zusammenarbeit mit TP1 eine In-Zyklus-Regelung realisiert. Weiterhin wird in Zusammenarbeit mit TP5 der Einfluss von direkt eingespritztem Wasser als innerzyklische Stellgröße für GCAI untersucht und bewertet. Eine der Kernaufgaben ist die Erstellung eines echtzeitfähigen Verbrennungsmodells für GCAI, welches sowohl die Korrelationen zwischen einzelnen Größen innerhalb eines Zyklus als auch die Effekte von zugesetztem Wasser berücksichtigt. Bestehende Modelle, welche auf stationären Messungen basieren, sollen zur Abbildung der hochdynamischen Effekte innerhalb eines Zyklus und der Wassereinspritzung erweitert werden. Um die benötigte Datenbasis zu schaffen, werden transiente Untersuchungen durch das gezielte Einprägen von Ausreißerzyklen mittels zyklusindividueller Variation der Stellgrößen durchgeführt. Hierfür steht ein Forschungsmotor mit einem vollvariablen Ventiltrieb und einer frei programmierbaren Motorsteuerung zu Verfügung. Die in TP5 untersuchten Grundlagen bezüglich der Zugabe von Wasser und CO2 werden mit den transienten Motorversuchen abgeglichen und zur Erstellung des physikalisch-chemischen Anteils eines Grey-Box-Modells genutzt. Diese Zusammenhänge werden thermodynamisch analysiert, durch den Vergleich mit 1D Ladungswechsel und 3D CFD-Simulationen plausibilisiert und in echtzeitfähige Modelle überführt. Durch die Implementierung des Reglers in der Echtzeithardware können die Potentiale der Stabilisierung von GCAI durch In-Zyklus Eingriffe realisiert werden. In Zusammenarbeit mit TP1 wird der Multiskalenregler entwickelt, welcher mit TP2 auf die Restriktionen der Echtzeitplattform optimiert wird. Dabei ist eine bedarfsgerechte Aufteilung auf die Ressourcen Mikrocontroller und FPGA nötig. Es erfolgt eine funktionale Absicherung durch MiL-Tests und eine Co-Simulation des Reglers mit den zuvor entwickelten Modellen basierend auf einer 1D-Ladungswechselsimulation. Die Verifikation der Echtzeitfunktionalität wird mit einem HiL-Prüfstandsaufbau umgesetzt. Abschließend erfolgt die Überprüfung des Reglers durch Messungen am Motorprüfstand im transienten Betrieb sowie am Kennfeldrand.
Der aktuell in der Forschung untersuchte Ansatz zur Regelung der Niedertemperaturverbrennung (NTV) ist die zyklusbasierte Regelung. Diese Regelung erlaubt eine Stabilisierung der NTV allerdings nur in einem sehr eingeschränkten Kennfeldbereich. Mit einer zyklusbasierten Regelung können nur zyklusintegrale Systemdynamiken und Störgrößen kontrolliert werden. Die für die Stabilität und Emissionsentstehung der NTV relevanten chemisch, physikalischen Prozesse, die auf innerzyklischen Zeitskalen ablaufen, können nicht beeinflusst werden. Aus diesem Grund untersucht das TP1 die Multiskalenregelung, um auch die kleineren Zeitskalen berücksichtigen zu können. Es wird erwartet, dass mit erfolgreicher Regelung auf diesen kritischen Zeitskalen der Kennfeldbereich deutlich ausgeweitet, der Wirkungsgrad verbessert und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. Die Multiskalenregelung stellt für die Lösung dieses Problems Neuland dar. Hierbei werden die motorischen NTV-Prozesse PCCI und GCAI betrachtet. In TP1 wird die Reglerarchitektur für die Multiskalenregelung bestehend aus der Kombination von Zyklus-zu-Zyklus Regelung und einem In-Zyklus-Regler entwickelt. Um der komplexen nichtlinearen Mehrgrößen-Systemdynamik Rechnung zu tragen, sollen auf einem Modell des Prozesses beruhende optimierungsbasierte Verfahren angewendet werden. Hierfür werden die in TP2 für zyklische Prozesse entwickelten numerischen Methoden zur iterativ lernenden nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (IL-NMPC) als Grundlage verwendet. Prozessspezifisch erfolgt eine Analyse und Bewertung möglicher Stell- und Regelgrößen sowie die Aufteilung dieser Größen auf die verschiedenen Zeitskalen. Darüber hinaus werden auch geeignete Formulierungen der Optimierungsaufgabe untersucht. Die reglerinternen Modelle werden in TP1 in Zusammenarbeit mit TP3 für den GCAI- und mit TP4 für den PCCI-Prozess erarbeitet. Während sich diese beiden Teilprojekte auf die physikalische Modellierung und die quantitative Beschreibung des Prozesses konzentrieren, liegt der Fokus von TP1 darauf, die dort erarbeiteten Beschreibungsformen in eine regelungstechnisch effektiv verwendbare Struktur zu bringen. Hierfür sollen physikalisch motivierte Grey-Box-Modelle entstehen. Zudem werden Störgrößenmodelle entwickelt, die vor dem Hintergrund physikalischer und systemtheoretischer Überlegungen aufgestellt werden sollen. Abschließend werden die entwickelten Regelalgorithmen gemeinsam mit TP3 und TP4 an den jeweiligen Motorenprüfständen validiert. Entscheidende Kriterien stellen dabei der abdeckbare Kennfeldbereich, in dem ein stabiler Betrieb und transiente Lastprofile realisiert werden können, sowie das Potential zur Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung dar.
Das Ziel des Vorhabens UNICARagil ist die Konzeption, Realisierung und Absicherung einer disruptiven modularen sowie skalierbaren Fahrzeugarchitektur und Fahrzeugplattform, die den Ausgangspunkt für eine effiziente nutzerorientierte Darstellung vielfältiger automatisierter Fahrzeugkonzepte darstellt. Kernelemente der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind ein modularer, mechatronischer Baukasten, eine vollständig diensteorientierte und damit update-fähige Software-Architektur, eine leistungsfähige, funktional sichere E/E-Architektur sowie zuverlässige Sensormodule mit integrierter Qualitätsbewertung. Zudem wird das Potential elektrischer Antriebsmodule hinsichtlich der funktionalen Gestaltung in Form sehr wendiger und agiler Fahrzeuge systematisch dargestellt. Auf dieser Grundlage werden die vier elementaren Anwendungen AUTOtaxi, AUTOelfe, AUTOliefer und AUTOshuttle realisiert und erforscht.
Das Ziel des Teilvorhabens ist es, Konzepte fahrzeugintegrierter, bidirektionaler Ladegeräte aufzuzeigen, deren Aufwand mit dem unidirektionaler, kommerzieller Varianten vergleichbar ist. Es soll ein innovatives, bidirektionales Ladegerät erforscht werden, dass sich sowohl durch ein kompaktes Design mit speziellem Luft-Kühlungskonzept als auch einem hohem Wirkungsgrad auszeichnet. Durch den Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleiterschaltern sollen hohe Schaltfrequenzen realisiert werden. Verschiedene Effekte in den passiven Komponenten, die insbesondere beim Betrieb mit hohen Frequenzen zum Tragen kommen, stehen den oft prognostizierten Bauraumvorteilen entgegen. Daher müssen für die zwei verwendeten Wandlerstufen spezielle Filter- und Transformatorkonzepte erforscht werden, um den potentiellen Vorteil der hohen Schaltfrequenzen ausnutzen zu können. Zunächst werden die Spezifikationen des Ladegeräts in Abstimmung mit den Partnern festgelegt. Im Anschluss werden die innovativen Konzepte für das bidirektionale Ladegerät erforscht, was sowohl den Aufbau des Wandlers, das Design der Komponenten als auch den Betrieb und die Regelung umfasst. Mit kleineren Laboraufbauten können dabei Einzelaspekte verifiziert und für die speziellen Anforderungen charakterisiert werden. Nach der Vervollständigung und Optimierung des Designs wird ein Laborprototyp aufgebaut. Zunächst werden die Wandlerstufen einzeln in Betrieb genommen und charakterisiert, bevor das Zusammenspiel und die übergeordnete Regelung getestet werden. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme des Komplettsystems wird dieses ausgiebig charakterisiert und die Simulationsmodelle und Modelle der Komponenten werden verifiziert. Im Anschluss wird die normkonforme Netzeinspeisung des Wandlers getestet.
Mit der Steigerung des Energieinhalts von Traktionsbatterien und damit der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist es erforderlich, auch die Ladeleistung um mindestens den Faktor 2 zu erhöhen. Hier stoßen heutige Elektronik-Bauteile bezüglich Entwärmung oder hohem Wirkungsgrad an ihre Grenzen. Das Interesse von BMW liegt in einer Verbesserung der Ladetechnologie und deutlichen Reduzierung der Ladeverlust um ca. 30% durch - neue Halbleitermaterialien mit reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten, z.B. Galliumnitrid, - Erhöhung der maximal zulässigen Chiptemperatur, - verbesserte Wärmeabfuhrkonzepte auf Basis der Luftgekühlte Wide Band Gap-Leistungselektronik und Mechatronik Technologien. Die Herausforderung für das Projekt ist neben der Wirkungsgraderhöhung und der Temperaturstabilität der Komponenten die Erhöhung der zulässigen Temperaturdifferenz für eine Verbesserung der Kühlung. BMW sieht die Chance, durch den Einsatz von neuen Bauteilen bei gleicher Ladeleistung den für Ladegerät und DC/DC-Wandler notwendigen Bauraum zu verkleinern und bei höherer Ladeleistung eine gegenüber konventionelle Lösungen einhergehende Bauteilvergrößerung zu kompensieren. Der Schwerpunkt für BMW in Luftstrom ist der automotive Ansatz für die luftgekühlten On-board und Off-board Ladegeräte. BMW wird über die Festlegung der funktionalen Anforderrungen und Spezifikationen in der Initialphase kontinuierliche Inputs zu den F&E Arbeiten liefern und die abschließende Validierung der Ladegeräte federführend in eigenen Labors durchführen.
Im Rahmen des Teilvorhabens wird das Labor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (LLA) sich auf Untersuchungen zur Verlustreduzierung und Wärmespreizung in luftgekühlten Systemen konzentrieren und die Einsetzbarkeit der neuen Technologien in den Gebieten Hochvoltanwendungen und Kleinspannungsmotoren sowie auch in anderen Anwendungsfeldern erforschen. Das LLA wird dazu, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Lenze, Demonstratoren aufbauen, die eine Verwertung und Darstellung der Projektergebnisse ermöglichen und den Technologiegewinn aufzeigen. Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe wird an der Spezifikation für luftgekühlte Nebenaggregatswechselrichter mit und ohne Potentialtrennung und DC/DC-Bordnetzwandler in Hochvolttechnologie (AP 1.1) mitarbeiten. Auf Basis dieser Spezifikationen wird ein parametrierbares Entwärmungsmodell aufgebaut um die Realisierbarkeit zu überprüfen(AP 2.1). Im Rahmen des Arbeitspakets 2.2 werden, mit dem Ziel der Verlustleistungsreduktion, DC/DC-Wandlertopologien untersucht. Ausgehend der vorher sowie parallel stattfinden Untersuchungen werden dann realisierbare Konzepte für die zu konstruierenden Demonstratoren entwickelt. (AP 2.3) Auf Basis der Konzeptentwicklung werden dann mehrere Demonstratoren aufgebaut. In AP 3.1 wird einerseits ein Nebenaggregatswechselrichter ohne Potentialtrennung für größere Leistungen und andererseits mit Potentialtrennung für Kleinspannungsmotoren entwickelt und im Rahmen eines Demonstrators realisiert. Außerdem wird ein dritter Demonstrator aufgebaut, der als DC/DC Wandler für den Energieaustausch zwischen HV- und NV-Bordnetz zuständig ist (AP 3.2). Anschließend erfolgen für alle Demonstratoren umfangreiche Labortests (AP 4.1, AP 4.3), mit dem Ziel, die Projektergebnisse nachfolgend in einer Nutzfahrzeugumgebung zu evaluieren (AP 5.1). Außerdem werden in AP 4.2 die Demonstratoren mit Niederspannungsnetzanbindung aller Projektpartner hinsichtlich ihrer Netzrückwirkungen vermessen.
Im Rahmen des Teilvorhabens wird Lenze sich auf Untersuchungen zur Verlustreduzierung und Wärmespreizung in luftgekühlten Systemen konzentrieren und die Einsetzbarkeit der neuen Technologien in den Gebieten Hochvoltanwendungen und Kleinspannungsmotoren sowie auch in anderen Anwendungsfeldern erforschen. Lenze wird dazu, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Hochschule OWL, Demonstratoren aufbauen, die eine Verwertung und Darstellung der Projektergebnisse ermöglichen und den Technologiegewinn aufzeigen. Lenze wird an der Spezifikation für luftgekühlte Nebenaggregatantriebe und DCDC-Wandler in Hochvolttechnologie (AP 1.1) mitarbeiten, ultrakompakte DCDC-Wandler (AP 2.1) erforschen sowie luftgekühlte Systeme konzipieren (AP 2.2). Anhand der vorausgegangenen Arbeitsergebnisse erfolgt dann die Realisierung von zwei Demonstratoren als Nebenaggregatsantriebe (ohne Potentialtrennung für größere Leistungen und mit Potentialtrennung für Kleinspannungsmotoren) (AP 3.1). Außerdem wird ein dritter Demonstrator aufgebaut, der als DC/DC Wandler für den Energieaustausch zwischen HV- und NV-Bordnetz zuständig ist (AP 3.2). Anschließend erfolgen für alle Demonstratoren umfangreiche Labortests, mit dem Ziel, die Projektergebnisse nachfolgend in einer Nutzfahrzeugumgebung zu evaluieren (AP 4.1 und 5.1).
Das Projekt Luftstrom verfolgt das Ziel, die beiden möglichen Optimierungspotenziale, Erhöhung der Temperaturdifferenz und des Wirkungsgrades, konsequent zu nutzen, um so die Vorteile kompakter luftgekühlter leistungselektronischer Komponenten nutzbar zu machen. Innovationsziele, die in Luftstrom verfolgt werden: - Im Idealfall geräuschloses Laden - Reduzierung der Verluste beim Ladevorgang um bis zu 30% - Vereinfachte Fahrzeugintegration luftgekühlter Systeme (Reduzierte Abdichtungs- und Korrosionsproblematik, neue Freiheitsgrade bei Platzierung im Fahrzeug) - Reduktion der Kühl-Peripherie - Erhöhung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems In diesem Rahmen ergibt sich nun die bosch-spezifische Hauptzielstellung eines schalt-, wirkungsgrad- und hochtemperaturoptimierten Endstufendesigns für potentialtrennende HV-LV DC/DC-Wandler unter Einsatz von GaN- Leistungshalbleitern. Aufbau eines Topologiekonzeptes und eines Schaltungsentwurfs für potential-trennende HV-LV DC/DC-Wandler auf Basis schnellschaltender GaN-Leistungsbauelementen Für GaN-Leistungstransistoren geeignetes Endstufendesign unter Berücksichtigung der Auswahl von chip-naher Aufbau- und Verbindungstechnik, Modulkonzeption und Schaltungsentwurf Optimiertes DC/DC-Wandlerdesign unter Berücksichtigung von Energiespeichern und Luftkühlung Demonstration der optimierten Funktionalität und Robustheit der Entwicklungen auf technologie- bzw. funktionsspezifischen und systemnahen Prüfständen Nachweis des systemischen Gesamtnutzens und dessen Ableitung zum Kundennutzen.
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