Der Blick in die Black Box

Worum es geht

Fahrzeuge, die teils oder komplett auf fossile Treibstoffe verzichten, stellen wichtige Zukunftstechnologien dar. Voraussetzung für die volle Ausschöpfung Ihres Potentials in puncto Effizienz und Umweltschutz sind aber verlässliche und langlebige Batterie- und Brennstoffzellensysteme: Hier kommen Regelungs- und Diagnosemethoden ins Spiel, die sicherstellen sollen, dass der Betrieb effizient gestaltet wird und die Lebensdauern dieser zentralen Komponenten möglichst verlängert werden. Herausfordernd dabei: Das Innenleben einer Batterie oder Brennstoffzelle ist wie eine Black Box, in die nicht einfach „hineingesehen“ werden kann.

Die im CD-Labor erarbeiteten innovativen Lösungen ermöglichen diesen Blick hinein – indem virtuelle Sensoren auf Basis physikalisch gemessener Signale wie zum Beispiel Strom, Spannung oder Temperatur Aufschluss über Alterungszustand, Degradation und Restlebensdauer geben. Diese Erkenntnisse können dann, in Kombination mit Vorhersagen etwa über Straße, Verkehrslage und Wetterverhältnisse, dazu verwendet werden, um den Einsatz der Komponenten, die Leistungsverteilung zwischen Batterie und Brennstoffzelle und auch Kühlung bzw. Thermalmanagement so zu gestalten, dass Lebensdauer und Effizienz steigen. 

Die Forschungsfrage: Informationssammlung zur Lebensdauerverlängerung

Wie können im laufenden hochdynamischen Betrieb eines Fahrzeugs Alterungszustand und Restlebensdauer seiner Komponenten bestimmt und diese Informationen zur Optimierung von Lebensdauer und Effizienz von Komponenten und Gesamtsystem verwendet werden? Und welchen Zusatznutzen bringen dabei Vorhersagen? Um diese Kernfragen kreist die Forschung im CD-Labor, die für die Suche nach einer ganzheitlichen, optimalen Lösung eine umfassende Wissenstiefe und -vielfalt zu Teilbereichen und -systemen wie Batterie, Brennstoffzelle, Regelung nichtlinearer Systeme oder prädiktive Optimierung etc. erfordert.

Auf Anwendungsseite geht es also um Regelungs- und Diagnosemethoden für Komponenten (insbesondere Batterie- und Brennstoffzellensysteme), aber auch um Regelungssysteme auf verschiedenen Systemebenen im Fahrzeug (wie bzgl. Energie- und Thermalmanagement) und um die ideale Integration von Diagnosesystemen und Komponentenmodellen ins ganzheitliche System. Auf methodischer Ebene sind u. a. auch Modellbildung und -parametrisierung anhand von Messdaten zentral, um möglichst genaue Rückschlüsse auf interne Zustände zu ziehen und auf dessen Basis komplexe Optimierungsverfahren durchzuführen.

Die Kooperation im CD-Labor

Die exzellente Zusammenarbeit zwischen CD-Labor und AVL erlaubte es dem Unternehmenspartner, die Forschungsergebnisse in Prototypen und eigene Projekte überzuführen. Dadurch konnten diese Ergebnisse in der Praxis getestet werden: Ein großer Erfolg im Rahmen eines AVL-Projekts mit einem renommierten LKW-Hersteller war die Validierung einer neu entwickelten Methodik zur Auslegung eines vorausschauenden Mehrgrößenregelungssystems. Am Prüfstand des Kunden konnte eine erhebliche Zeitersparnis bei der vollständigen Kalibrierung eines hocheffizienten Regelungssystems demonstriert werden.

Durch diese methodischen Fortschritte errang das Team des CD-Labors nun auch allgemein die mathematischen Mittel dazu, intelligente Regelungsverfahren deutlich besser und effizienter zu entwickeln und anzupassen als bisher.

Ergebnisse: Langlebige Komponenten, effiziente Fahrzeuge

Innovative Methoden zur datenbasierten Modellierung und virtuelle Sensoren zur Abschätzung und Vorhersage der Degradation von Batterie und Brennstoffzellensystem wurden in die entwickelten intelligenten und vorausschauenden Betriebsstrategien integriert: Im Zuge dessen konnten signifikante Effizienzsteigerungen und verlängerte Lebensdauern der behandelten Antriebsmodelle nachgewiesen werden – ein wichtiger Beitrag für Verlässlichkeit und Nachhaltigkeit der Fahrzeuge der Zukunft.