Hybridantrieb ersetzt Diesel in Bussen

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"Da wir dieselbe Softwareplattform für das Entwicklungs- und das eingesetzte Steuerungssystem nutzen konnten, erzielten wir erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen."

- Toby Schulz, Vantage Power Ltd

The Challenge:
Durch den Einsatz von Hybridtechnologie in einem Bus sollten 40 % des Energieverbrauchs eingespart und somit der bislang energieeffizienteste Hybridbus entwickelt werden. Hierfür musste ein komplett neuer Antriebsstrang aufgebaut und ein leistungsfähiger Controller für die Anbindung an 32 verschiedene Ein- und Ausgänge sowie 13 weitere Komponenten integriert werden.

The Solution:
Mithilfe von CompactRIO und der Systemdesignsoftware LabVIEW wurde ein integrierter Embedded-Controller für ein Hybridfahrzeug erstellt. Das System berechnet ständig die optimale Leistungsaufteilung zwischen Motor und Batterie. Zudem setzt es Befehle des Fahrers um, sodass ein reibungsloser Betrieb des Fahrzeugs gewährleistet ist, und es stellt sicher, dass alle Komponenten innerhalb sicherer Grenzen arbeiten.

Author(s):
Toby Schulz - Vantage Power Ltd
Balazs Pal -

Auf der einen Seite steigen die Kosten für Kraftstoff durch steuerliche Abgaben und steigende Rohstoffkosten und zum anderen steigt der Druck, den Schadstoffausstoß von Fahrzeugen aller Art zu verringern. Busbetreiber sehen sich mit zahlreichen Verordnungen konfrontiert, die das Sanieren ihres Fuhrparks regeln. Einige der größten Fuhrparkbesitzer in Großbritannien betreiben über 7500 Busse, von denen jeder eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren hat. Eine der wenigen umsetzbaren Lösungen, schnell einen spürbaren Unterschied beim Kraftstoffverbrauch der Flotte zu erzielen, besteht darin, vorhandene Fahrzeuge mit saubereren Antriebsmethoden nachzurüsten.

Ein typischer Antriebsstrang für einen Hybridbus besteht aus einem elektrischen Antriebsmotor, einem Wechselrichter, einer Lithium-Ionen-Batterie, einem Generator und einem Motor. In der in Abbildung 1 gezeigten Skizze wird mit einem seriellen Hybrid, der mit dem Motor in Reihe geschaltet ist, Energie erzeugt. In diesem Szenario muss jede der Hauptkomponenten in der Energieumwandlungskette gesteuert werden, sodass ihre Leistungsabgabe den Anforderungen der jeweils folgenden Komponente entspricht.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines seriellen Hybrid-Antriebsstrangsystems mit Lithium-Ionen-Batterie

 

Systemarchitektur

Da ein solches Steuerungssystem relativ komplex ist, benötigten wir eine Architektur, die in der Lage ist, sich wiederholende Berechnungen mit sehr hoher Geschwindigkeit auszuführen. Außerdem musste sie ein hohes Maß an Determinismus bieten, um die großen erfassten Datensätze zu analysieren und aufzuzeichnen. Darüber hinaus muss der Fahrer auf dem neuesten Stand gehalten werden und es müssen Informationen an die übrigen Komponenten des Antriebsstrangsystems übergeben werden. CompactRIO ist die ideale Plattform für unser Steuerungssystem, weil sie alle Vorteile eines Echtzeitprozessors und einen anwenderprogrammierbaren FPGA bietet, die perfekt in einer einzigen Hardware integriert sind. Der FPGA ist eine ausgezeichnete Plattform, um äußerst deterministische und sicherheitskritische Funktionen zu implementieren, z. B. die Verarbeitung der Eingaben des Gaspedals für das Steuern des Beschleunigungs- und des Bremsvorgangs sowie das Störungsmanagement. Funktionen, die nicht sicherheitskritisch sind und weniger Determinismus erfordern, etwa das Leistungs- und Wärmemanagement, das Datenloggen und das Bereitstellen von Daten, laufen auf dem Echtzeitprozessor.

Abb. 2: B320-Hybridsystem zum Nachrüsten von Doppeldeckerbussen

 

Steuerungssystem des Antriebsstrangs

CompactRIO bildet das Herzstück des Steuerungssystems für das Hybridfahrzeug. Die Plattform kann über eine CAN-Busschnittstelle jede Leistungsabgabekomponente steuern. Über Ein- und Ausgangsmodule erfasst sie analoge Sensorsignale wie die Position des Gas- und Bremspedals sowie die Durchflussrate des Kraftstoffs.

In einem Hybridfahrzeug sorgt der Elektroantrieb nicht nur für die Beschleunigung, sondern fungiert auch als Bremse, indem er die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in der Batterie speichert. Eine der vom CompactRIO-Gerät übernommenen Aufgaben ist die Auswertung der Steuerbefehle des Fahrers, die er über die Pedale übermittelt, und deren Umwandlung in sanfte Beschleunigungs- und Abbremsbefehle für den Antriebsmotor. Der Controller wird zwar immer versuchen, den Beschleunigungs- und Verzögerungsaufforderungen des Fahrers zu entsprechen, allerdings muss immer ausreichend Leistung zur Verfügung stehen, um die Anforderungen des Fahrers zu erfüllen. Dazu wird der Controller die verfügbare Leistung von der Batterie und vom Motor bzw. Generator fortwährend schätzen. Bietet die Batterie nicht genügend gespeicherte Energie, müssen Motor oder Generator ihre Leistungsabgabe steigern. Diese Steigerung der Leistung muss ausreichend schnell erfolgen, sodass der Fahrer keine Verzögerungen bemerkt. Dabei muss sichergestellt sein, dass Grenzwerte nicht überschritten werden, da sonst der Motor abgewürgt würde.

Im Gegensatz zu einem klassischen Fahrzeug, bei dem die Motorgeschwindigkeit mit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gekoppelt ist, werden die Wahl der Geschwindigkeit und der Arbeitspunkt des Drehmoments in einem Hybridfahrzeug letztendlich von der Steuerungsstrategie bestimmt. Der Controller wird mithilfe einer Reihe von Geschwindigkeits- und Drehmomentpunkten konfiguriert. Wichtiger ist jedoch, dass er die optimale Leistungsaufteilung zwischen Batterie und Motor in Echtzeit berechnen kann, um den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu minimieren.

System für das Wärmemanagement

Der Controller ist für eine zufriedenstellende Fahrleistung verantwortlich. Daneben sorgt er auch für ein geeignetes Wärmemanagement. Mithilfe von Ein- und Ausgangsmodulen misst er die Temperatur über Thermistoren und steuert drehzahlvariable Lüfter und Pumpen über PWM-Signale.

Damit das thermodynamische Verhalten der Komponenten bestimmt werden konnte, setzten wir Funktionen zur Parameterschätzung ein, um ein nichtlineares dynamisches Batteriemodell zu erstellen. Mithilfe der in LabVIEW integrierten Funktion konnten wir mit minimalem Aufwand einen erweiterten Algorithmus erstellen und so wichtige integrierte Schätzfunktionen für den Batterieladezustand und das Temperaturverhalten umsetzen.

CompactRIO als Entwicklungswerkzeug

Integrierte LabVIEW-Module stellen Werkzeuge für jede Phase der Entwicklung bereit. Das LabVIEW Control Design and Simulation Module spielte eine wesentliche Rolle bei der Simulation des Fahrverhaltens. Mithilfe der Simulation konnten wir Erkenntnisse zum zu erwartenden Energiebedarf unter verschiedenen Verkehrs- und Umgebungsbedingungen gewinnen, Steuerungsstrategien sowie ihre Auswirkungen auf die Effizienz testen, anpassen und Komponenten korrekt dimensionieren. Da wir dieselbe Softwareplattform für das Entwicklungs- und das eingesetzte Steuerungssystem nutzen konnten, erzielten wir erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen.

Dank der grafischen Darstellung und der integrierten Fehlersuchwerkzeuge sind das Auffinden von Fehlern im Programmcode und das Ermitteln der erforderlichen Lösung im Vergleich zu einer textbasierten Sprache viel schneller möglich. Die enge Integration zwischen LabVIEW und CompactRIO erlaubte dem Team, sich auf die Algorithmen zu konzentrieren, anstatt Zeit für die Implementierung auf Hardwareebene aufwenden zu müssen. Auch als unerfahrene Anwender konnten die Teammitglieder von den Vorteilen und der Leistung des FPGAs ab der ersten Woche profitieren und benötigten keine Kenntnisse über die VHDL-Programmierung. Das Implementieren des Programmcodes mit der Hardware ist sehr einfach. Daher können Tests und Prototypeneinsatz so früh wie möglich erfolgen, wodurch sich die Entwicklungszeit enorm verringert.

Die CompactRIO-Plattform dient nicht nur als leistungsstarker und genauer Embedded-Controller, sondern bietet auch über die grafische Programmiersprache LabVIEW die Möglichkeit, anwenderdefinierte Oberflächen für die Entwicklung zu erstellen. Dies spielte eine entscheidende Rolle für die Ingenieure, als das Hybridsystem und das Fahrzeug erstmals getestet wurden. Werte konnten in Echtzeit grafisch dargestellt und eingesehen werden. Außerdem waren Änderungen an den Parametern des Steuerungssystems sofort möglich. Dadurch wurden Entwicklungszeiten und -kosten deutlich verringert, da weniger kostspielige Spezialtesteinrichtungen oder -strecken aufgesucht werden mussten.

Dank des integrierten 4-GB-Speichers und der externen USB-Festplatten konnte das Team Daten bei hohen Frequenzen aufzeichnen und diese schnell und einfach mithilfe eigens konzipierter virtueller Instrumente analysieren. Da das CompactRIO mechanisch sehr robust ist, bildet die Plattform das perfekte Werkzeug für die Entwicklung von Prototypenfahrzeugen, denn sie lässt sich schnell direkt am Fahrgestell befestigen.

Förderung und Schulung

Über das NI Small Enterprise Start-Up Programme konnte Vantage Power durch Bereitstellung von Lizenzen für das LabVIEW-Softwarepaket gesponsert werden. Des Weiteren bestand Zugriff auf Schulungskurse und technischen Support durch NI-Applikationsingenieure. Durch den Support und die Schulungen konnte auch ein Ingenieur ohne vorherige Erfahrung im Umgang mit CompactRIO-Hardware oder LabVIEW-Software innerhalb weniger Monate ein kompetenter Anwender werden. Das Erlernen des Umgangs mit einem solch wichtigen und wertvollen Werkzeug innerhalb eines kurzen Zeitraums war ein wesentlicher Bestandteil des Erfolgs, den effizientesten Hybriddoppeldeckerbus innerhalb von zwölf Monaten entwerfen, herstellen und testen zu können.

Ergebnisse und Ausblick

Das Steuerungssystem ist nun seit über sechs Monaten im Hybridfahrzeug in Betrieb. Sowohl während der Streckentests als auch der Prüfungen im Stillstand hat das Team fortwährend Aktualisierungen und Verbesserungen an der Software vorgenommen. Da das Fahrzeug noch weiteren Tests unterzogen wird, wird auch die Optimierung der Software fortgesetzt. Der Bus ist nun straßentauglich, nachdem er alle Zertifizierungsprüfungen bestanden hat. Derzeit wird er im Testbetrieb in der Fahrzeugflotte eines öffentlichen Verkehrsbetriebs in Großbritannien eingesetzt. Dieses Tests, die auf einer tatsächlichen Buslinie durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit und den Kraftstoffverbrauch des neuen Hybrid-Antriebsstrangs im Einsatz unter Beweis zu stellen, begannen mit einem Fahrzeug. Kurz darauf wurde ein zweiter Prototyp mit einer weiterentwickelten und erweiterten Hardware in Betrieb genommen.

Abb. 3: Doppeldeckerbus mit nachgerüstetem B320-Hybridsystem

Author Information:
Toby Schulz
Vantage Power Ltd
Unit 7, Greenford Park
UB6 0FD
toby@vantage-power.com

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