KIT-CARTCenter of Automotive Research and Technology

Systeme und FunktionenSysteme und Funktionen für die Mobilität der Zukunftfür die Mobilität der Zukunft

Prof Dr F GauterinProf. Dr. F. GauterinInstitut für Fahrzeugtechnik und Mobile Arbeitsmaschinen

Automotive Safety & Security 2008

Universität Karlsruhe (TH)

„Automotive – Safety & Security 200819.-20. November 2008Stuttgart

KIT-CART1

Stuttgart

1

Herausforderungen

Klima, Energie, Rohstoffe

Emerging Markets 11,6 10,8 8,9 6,2 4,1 3 3 2,9 2,6 2,251015 Fahrzeugproduktion p. a.

0

Personen- und Güterverkehr

KIT-CART2

Vernetztes Zusammenspiel

Infrastruktur

Umwelt & Gesellschaft

Verkehr

Fahrer im Fahrzeug

Infrastruktur

Fahrzeug

Fahrer im Fahrzeug

Komponentep

S t tä d i

KIT-CART3

Systemverständnis

Fahrzeug als mechatronisches System

Fahrzeug

Komponentep

KIT-CART44

ForschungFahrzeug als mechatronisches SystemFahrzeug als mechatronisches System

Eigenschaftsabsicherung

F h h

Anforderungen Produkt

RollenprüfstandGesamtfahrzeug, Akustik

FahrversuchKundenwunsch, Komfort, Lebensdauer

g

AntriebsstrangGesamttriebstrang, Komponenten

TeilsystemTeilsystemGetriebe, Wälz- u. Gleitlager

ElementFunktionsreibsysteme

Maschinenbau

Domainspezifischer Entwurf

M d llbild d A l

MaschinenbauElektrotechnik

Informationstechnik

KIT-CART5

Modellbildung und -Analyse

Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeModellierung des Reifen-Fahrbahn-Kontakts

Contact CharacteristicsExperiment AnalysisMeasurement of Tire Characteristic Influence of Friction HeatMeasurement of Tire Characteristic Influence of Friction Heat

p

FC c

tA

Qx)t(

0

Measurement of Track Characteristic

Simulation: Pressure Distribution

Influence of Friction Heat

KIT-CART6

Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeModellierung der Gesamt-Performanz Fahrbahn/Reifen/Fahrzeug

ReifenReifenFahrzeug- und Reifenmodell Fahrermodell

Reifen/Fahrbahn-Kontakt

KIT-CART7

Streckenprofil und -charakteristik

Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeFahrdynamik: Transiente Reifencharakteristik

MBS-Simulation

SIMPACK/ADAMS…

Hydraulic-Simulation

DSHplus/AMESim…CAN – BUS

SensorsPedal Force

ECUSignal –

ManagementWheel Speed

global signal

MATLAB/Simulink

Combined Simulation

Off-Line Computer

Brake Pedal

MBC BFA

Pedal Force

HCU

electronic

Energie – Management

hydraulichydraulic pipe hydraulic

energie

Wheel Brake(X4)

Sensor

MKS + Hyd

Real-Time-Workshop

energie

MBC: Master Braking Cylinder

BFA: Braking Force Assistant

Real-Time-Compputer

Real-Time Simulation

CAN – BUS

ABS ASC ESP

KIT-CART8

ABS,ASC,ESP…

Fahrzeug als mechatronisches SystemAntriebstechnikAntriebstechnik

De Dions Dampfwagen 1883 Benz Motorwagen 1886Ayrton & Perry E-Fzg. 1882

KIT-CART9

Quelle: Möser, Geschichte des Autos, 2002

Fahrzeug als mechatronisches SystemFrühe und heutige E-FahrzeugeFrühe und heutige E Fahrzeuge

Oberleitungs-E-Fzg.1906Quelle: Möser, Geschichte des Autos, 2002

Elektr. Taxiflotte um1900 Lohner Porsche 1900

KIT-CART10

Th!nk City 2008Tesla 2008

Fahrzeug als mechatronisches SystemElektrische AntriebssystemeElektrische Antriebssysteme

E-Maschine Leistungselektronik elektr. Speicher System

KIT-CART11ETI

Fahrzeug als mechatronisches SystemIntegriertes Wärmemanagement

Wärmeableitung von heißen Oberflächen (z B Leistungselektronik):

Integriertes Wärmemanagementmit MikrowärmeübertragernWärmeableitung von heißen Oberflächen (z.B. Leistungselektronik):

KIT-CART12

12

Fahrzeug als Mechatronisches SystemEntwicklung CrimpverbindungenEntwicklung Crimpverbindungen

KIT-CART13

Fahrzeug als mechatronisches SystemZukunft E-FahrzeugeZukunft E Fahrzeuge

KIT-CART14

VDA Jahresbericht 2008

Fahrzeug als mechatronisches SystemBatterieforschungg

Elektrodenmaterialien (Kathode, Anode) Großes Analytikpotential:

Synchrotronstrahlungsquelle ANKA, Aufbau hochauflösender Festkörper- 7Li- und 6Li NMR Spektroskopie etc

Battery Cycler VMP3Probenhalter für In-situ XRD und XAS bei ANKA6Li-NMR-Spektroskopie, etc.

Titanverbindungen, Chalkogenide, Oxysulfide, Zinnoxide LiMn2O4, LiFePO4, Metalloxyfluoride, funktionelle Coatings

Mik ll l f h Mikrowellenplasmaverfahren Strukturierte Dünnschichtmodellsysteme LiMn2O4, LiFePO4,Li-FeF3

MetallfluorideS hi ht ilik t Schichtsilikate Zuverlässigkeitsuntersuchungen, Charakterisierung Beschichtungstechnologie

Separatoren Separator-Elektroden-Assembly, aktive Separatorwerkstoffe

KIT-CART15

Fahrzeug als mechatronisches SystemBatterieforschung

ElektrolyteG l P l l kt l t K it k li kti Füll t ff

g

Separator Gel-Polymerelektrolyt-Komposite, nanoskalige aktive Füllstoffe Ionische Flüssigkeiten, organische Leitsalze Feststoffelektrolyte, lasergestützte Oberflächenmodifikation

ElektrodeElektrode

Industriekooperation [vertraulich]

InterfacesSEI E t i kl M d ll t U t h D d ti ff kt SEI: Entwicklung von Modellsystemen, Untersuchung von Degradationseffekten Ausbreitungseffekte von Korngrenzen etc. in Elektrodenmaterialien

Systemaufbau Untersuchung etablierter Systeme; Entwicklung einer spezifischen

Charakterisierungselektronik zur Be- und EntladungCharakterisierungselektronik zur Be und Entladung

KIT-CART16

Fahrzeug als mechatronisches SystemVerbrennungskraftmaschineg

Optimierung Brennverfahren

KIT-CART17IFKMIFKM

Fahrzeug als mechatronisches SystemEchtzeitfähige Modellierung desEchtzeitfähige Modellierung desdieselmotorischen Verbrennungsprozesses

TesthardwareTesthardware

Messdaten eines Motors C-CodeC Code

Auto-Code Generierung

HIL-Prüfstand

Druck- W

Simulink-Modell

Generierung

Gesetze derTh d ik

Temperatur

KIT-CART18

Thermodynamik

Fahrzeug als mechatronisches SystemAnalyse und Detektion von EinspritzvorgängenAnalyse und Detektion von Einspritzvorgängen mittels Körperschallsensoren

Generierung eines Detektionsalgorithmus

SignalanalyseMotorMerkmalgewinnung

St t i

Körperschallsensor

Strategie

Körperschallsensor

Vibrationen Algorithmus zur Detektion vonDetektion von

Einspritzvorgängen

InjektorOptimierung der

Einspitzung

KIT-CART19

Fahrzeug als mechatronisches SystemRegelung der Kraftfahrzeug-Querdynamikg g g y

Nichtlineares ZweispurmodellFahrer PKWSensor-Signale

?Reaktion des Schwimmwinkel-SchätzungAktoren

• Radselektive Bremseingriffe

• Zusätzlicher Lenkeingriff

• Beobachter• Kalmanfilter?Fahrers auf Regeleingriff

Bremseingriffe Lenkeingriff

Schwimmwinkel

1) Lineare Verfahren (PID-, Riccati-, Modaler Regler,...)

Untersuchung verschiedener Reglerverfahren) ( , , g , )

• Flachheitsbasierte Ansätze• Ein-/Ausgangslinearisierung• Gütemaßangleichung

2) Nichtlineare Verfahren:

KIT-CART20

Gütemaßangleichung

Fahrzeug als mechatronisches SystemKomfortoptimierung durch Schwingungsreduktion in Nutzfahrzeugenin Nutzfahrzeugen

Erfassung unterschiedlicher Fahr-zeugtypen

FahrzeugtestsFahrer-wunsch

++ G(s)G(s)

G(s)G(s)?

Modell

G(s)-

Messdaten

Bewertung des Komforts

Reglereingriff

Ausregelung der Schwingungen

Reglereingriff

KIT-CART21

Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnikBahnsystemtechnik

aktiver Feder- und Dämpferelementen in Laufwerken

Integration elektronischer Regelkreise und Informationssysteme in Echtzeit zur Optimierung des Laufverhaltens

Sicherheits- und Zuverlässigkeitskriterien für Signal- und Informationsverarbeitung

KIT-CART22

Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnik

Mechatronisches Fahrwerk, Beispiel

Bahnsystemtechnik

• Ersatz von passiven Bauelementen durch AktuatorenAktive Querfederung und dämpfung

Foto: Bombardier

- Aktive Querfederung und -dämpfung- Aktive Radsatzsteuerung

• Einsatz von Sensoren- Zustandsüberwachung von Drehgestell und Schiene

(Condition Monitoring)

KIT-CART23

Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnik

Mechatronisches Drehgestell

Bahnsystemtechnik

VorteileEi h ft d D h t ll i d i ht d h d h i h

Quelle: Bombardier Quelle: Bombardier

- Eigenschaften des Drehgestells sind nicht durch das mechanische Design begrenzt.

- Anpassung an unterschiedliche Anforderungen können erfolgen.- Beanspruchung der Schiene wird reduziert.- Informationen können zur bedarfsgerechten Wartung genutzt

werden.

KIT-CART24

Fahrzeug als mechatronisches SystemModell-basierte Entwicklung

Integrierte Methodik zur Modell-basierten Entwicklung von gSteuergeräten (IMMOS)

• Modell-basiertes Requirements EngineeringM d ll b i t C d G i• Modell-basierte Code-Generierung

• Modell-basierter Test• Komplettes Meta-Modell für Steuergeräte-Entwicklung

ö li ht A fbCAPE/CEEKT

• ermöglicht Aufbau vonkomplexen Toolketten

Doors

ASCET

UML

TIP

ProvTECH

KIT-CART25

INTECRIO

Fahrzeug als mechatronisches SystemArchitekturentwicklung

Werkzeugunterstützung bei der Entwicklung von gGesamtfahrzeugarchitekturen

• Modell-basierte Architekturentwicklung- Vollständiges Meta-Modell / MappingsVollständiges Meta Modell / Mappings- Kopplung an andere Werkzeuge- Betrachtung Gesamtfahrzeug

( > 100 000 Modell-Artefakte!)( > 100.000 Modell Artefakte!)- Automatischer Vergleich von

Architekturvarianten- Automatisches Modellcheckingu o a sc es ode c ec g

• Heute im Einsatz in der Serienentwicklung- Support und Vermarktung

durch Spin-Off aquintosdurch Spin Off aquintos

KIT-CART26

Fahrzeug als mechatronisches SystemOrganic Computing

Organic Computing in Off-highway Machines

Organic Computing

g p g g yLernfähiges selbstadaptierendes Gesamtmaschinenmanagement in mobilen Arbeitsmaschinen

Ziel des aktuell beantragten gProjektes:

Übertragung bekannter Ansätze des Organic Computing auf eine mobile Arbeitsmaschine

zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches

Impelmentierung der Struktur des Organic Computing

Verifikation an einer Arbeitsmaschine

Simulationsunterstützung

KIT-CART27LEHRSTUHL FÜR MOBILE ARBEITSMASCHINENMOBIMA

Fahrzeug als mechatronisches SystemUnternehmensübergreifende SimulationUnternehmensübergreifende Simulation

KIT-CART28LEHRSTUHL FÜR MOBILE ARBEITSMASCHINENMOBIMA

Fahrer/Fahrzeug-Interaktion

KIT-CART2929

Fahrer-Fahrzeug-Interaktion

InformationskonzepteInformationskonzepte

Priorisierung von Informationen

Zusammenfassung von InformationenZusammenfassung von Informationen

Kontextbezug

KIT-CART30

Fahrer-Fahrzeug-Interaktion

Was kann der Fahrer was kann er nicht?Was kann der Fahrer, was kann er nicht?

Handlungsmodelle des Fahrersz.B. beim Fahren eines Spurwechsels

Traktorien beim Fahrspurwechsel mit geschlossenen Augen,Rückmeldung: ohne (A), über Ausgang (B)Autor: Chatziastros, A.

Interpretation: Fahrer haben nicht die gesamte Handlungssequenz abgespeichert – benötigen(realistische) sensorische Rückmeldung

KIT-CART31

Anwendung: Innovative Sensorik

Innovative Sensorik im Fahrzeuginnenraum zur Fahrerzustandserkennung Unsichtbar integrierte physiologische Sensorik als

Ergänzung fahrdynamischer Parameter

Demonstrator physiol. S ik L k d

• Pulsrate, HRV• Blutdruck / PTT• Elektrodermale Aktivität (Hautimpedanz)

Sensorik am Lenkrad Untersuchung funktionaler Textilien• Maßnahmen für Zuverlässigkeit / Langzeitstabilität Anwendung zum Vigilanz- und Stressmonitoring

• Psycho-physiologische Analyse Gleichzeitig als alternative Lösung für etablierte Innenraumfunktionen nutzbar

Laborsystem physiol. Textile Sensorik im Sitz

• Sitzbelegungserkennung• Innenraumüberwachung

KIT-CART32

Textile Sensorik im Sitz

Fahrer im FahrzeugTe tile IntegrationTextile Integration

Smart Clothes & Smart TextilesTextilintegrierte Sensorik und ElektronikAnwendungen funktioneller Garne und GewebeKleidungsintegrierte Anwendungenbelastungsfreies Monitoring

KIT-CART33

Fahrzeug im Verkehr

KIT-CART3434

Fahrzeug im VerkehrAutonomes und vernetztes FahrenAutonomes und vernetztes Fahren

KIT-CART35

Fahrzeug im VerkehrAutonomes FahrenAutonomes Fahren

KIT-CART36

IHQ / ITIV - Optically powered video cameraSINGLE FIBER SETUP WITH POWER/DATA CHANNELS 810/1310 nm

1 cm

640 x 480, 1 frame/s

GI-MMF62.5 µm

KIT-CART37

6 cmVirtex-4 FPGA, Xilinx

µ

Fahrzeug im VerkehrKognitive AutomobileKognitive AutomobileSFB/TR 28 Kognitive Automobile

Universität Karlsruhe (TH) TU MünchenUniversität Karlsruhe (TH) TU MünchenFraunhofer Gesellschaft Universität der BundeswehrDFG + Automobilindustrie

ZielZielErforschung und Darstellung von Maschinenkognition für intelligente Fahrzeuge

Teilprojekte (1)Teilprojekte (1)Aufmerksamkeitsgesteuerte mono-/stereoskopische Wahrnehmung komplexerVerkehrsräume

Interpretation komplexer Selbst-Kalibrierung von Stereo-

KIT-CART38

p pVerkehrsszenen

gVideokameras

Fahrzeug im VerkehrKognitive AutomobileSFB/TR 28 Teilprojekte (2)

f O

Kognitive Automobile

Entdeckung, Klassifikation und Zustandsschätzung verkehrsrelevanter Objekte

Objekterkennung Map Matching

Integration komplementärer Sensorik und Sensorfusion

Objekterkennung Map Matching

KIT-CART39

Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile

SFB/TR 28 Teilprojekte (3)

Kognitive Automobile

Kooperative Wahrnehmung vernetzter kognitiver Automobile

KIT-CART40

Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile

SFB/TR 28 Teilprojekte (4)

Kognitive Automobile

Situationsbewertung und Verhaltenserkennung Modellwissen und vordefiniertes

Kognitive Verhaltensentscheidung und Bahnplanung Unscharfe Regelbasis für die Auswahl

Situationswissen

Verhaltenserkennung von Verkehrsteilnehmer

gund Durchführung von Fahrmanövern

Manoeuverdurchführung und -bewertung auf Basis eines

Situation schätzen und klassifizieren Fähigkeitennetzes

Offline-Lernen und Adaption der Prozessparameter

Straßefolgen

Turn nextintersection

Spur folgen abbiegen Stop

AdaptionLinguistische Beschreibg.Interpretation

Missionsplanung

Verhaltens-

Kollisionvermeiden Spur halten Abstand

haltenGeschw.kt.anpassen

Resultierender KorridorEchtzeit-Datenbasis

erkennung

KIT-CART41

Wahrnehmung

IAIM

Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile

SFB/TR 28 T il j kt (5)

Kognitive Automobile

SFB/TR 28 Teilprojekte (5)

Verteilte Kooperation

Systemdynamische Situationsbeurteilung und Verhaltensentscheidung

Fahrdynamik Regelungskonzepte TrajektorienplanungFahrdynamik, Regelungskonzepte, Trajektorienplanung

Sicherheitsbewertung autonomer Verhaltensentscheidungen durch Methodender hybriden Verifikation (überwachender Copilot)der hybriden Verifikation (überwachender Copilot)

Fahrer-Fahrzeug-Interaktion: Akzeptanzg p

KIT-CART42

Fahrzeug im VerkehrVorausschauende Fahr- und BetriebsstrategiegReduzierung Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Fahrzeit

Analyse und OptimierungAnalyse und Optimierung der Betriebsstrategie

GangwahlBetriebspunkt des MotorsV id B b tätiVermeidung BremsbetätigungStreckenauswahl

Ampel-status

AnforderungFeedbackInformation Information

Kontrolle

Geschwindigkeit Fahrerwunschstatus

Verkehr

Geschwindigkeit Fahrerwunsch

Streckenverlauf

F hF hI f t kt

Verbrauch Komfort

KIT-CART43

FahrerFahrzeugInfrastruktur

Fahrzeug im VerkehrEnergieeffiziente Betriebsstrategien für HEVEnergieeffiziente Betriebsstrategien für HEV

Motivation: leicht oszillierendesleicht oszillierendes Fahrpedalsignal (+/- 5%) z.B. durch unebene Fahrbahn

Keine merkliche Änderung der FahrzeuggeschwindigkeitFahrzeuggeschwindigkeit

P t Ei dPermanentes Ein- und Ausschalten des Verbrennungsmotors

Optimierung der Betriebsstrategie

KIT-CART44

Fahrzeug im VerkehrModellbasiertes Testen im GesamtfahrzeugModellbasiertes Testen im Gesamtfahrzeug

KIT-CART45

Fahrzeug im VerkehrModellbasiertes Testen im GesamtfahrzeugModellbasiertes Testen im Gesamtfahrzeug

Integrationsebenen:

Fahrzeug Fahrer Umgebung

real real -

real real virtuellreal real virtuell

real virtuell virtuell

KIT-CART46

Fahrzeug, Umwelt und Gesellschaft

KIT-CART4747

Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische SzenarienTechnische und ökonomische Szenarien

PKW Barwert pro Fahrzeug ohne V2G

E-FahrzeugePKW Barwert pro Fahrzeug ohne V2G

bei mittlerem Szenario

(V2G: Vehicle to Grid)

5000,0HEV PHEV BEV

0,02010 2015 2020 2025 2030

-5000,0

2010 2015 2020 2025 2030

€ Jahr

-10000,0HEV H b id El i V hi l PHEV Pl I El V h BEV B El V h üb L b d 12 J

KIT-CART4848

HEV: Hybrid Electric Vehicle, PHEV: Plug-In El. Veh., BEV: Battery El. Veh., über Lebensdauer von 12 J.

Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische Szenarien

Barwert pro Fahrzeug PKW BEV mittleres Szenario

Technische und ökonomische SzenarienE-Fahrzeuge

Teilnahme am PRL Markt(PRL: Primärregelleistung)

10000,0

0,0

5000,0

€

10000 0

-5000,0

,

2010 2015 2020 2025 2030

-10000,0

ohne V2G 4,6 kW 12 kW Jahr

KIT-CART4949

Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische Szenarien

CO2-Emission [g/km] Kleinwagen

Technische und ökonomische Szenarien

107

71

10388

80100120

71

406080

2,50

20

E-Antrieb Verbrenner

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Quelle: ADAC 11/08

Danke für die Aufmerksamkeit.

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