Automatisierte Fahrsimulationen mit einem digitalen 3D-Zwilling

Fast 200 Studenten im zweiten Studienjahr versammelten sich in einem luftigen Hörsaal der Waseda University. Die Studierenden bereiteten ihre Laptops für die Vorlesungsreihe „Projektbasiertes Lernen für Fortgeschrittene“ vor, einen Pflichtkurs der Fakultät für Maschinenbau, in dem durch Projektaufgaben spezielle Problemlösungsfähigkeiten vermittelt werden, um die Kompetenzen zu erweitern.

Der Bereich Umwelt und Mobilität von Professor Jin Kusaka präsentierte ein mit Simulink^® und RoadRunner erstelltes Fahrermodell für ein serielles Hybridelektrofahrzeug (SHEV), ein Elektrofahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem batteriebetriebenen Elektromotor, das eine Schleife in der Nähe der Universität fährt. Die Studierenden lernten, wie sie das integrierte Modell bedienen und Simulationen durchführen, um eine Kraftstoffverbrauchseinstufung zu erhalten. Anschließend diskutierten sie mit ihren Klassenkameraden, wie die Kraftstoffeffizienz verbessert werden kann.

„Die meisten Studenten können sich nicht vorstellen, wie es ist, ein Auto zu fahren, wenn die von einer Fahrzeugsimulation ausgespuckten Zahlen einfach grafisch dargestellt werden“, sagt Kusaka. „Wir wollten ihre Fantasie anregen.“

Kusaka, ein bekannter Professor für Maschinenbau, der die Forschungsorganisation für Fahrzeuge der nächsten Generation der Waseda University leitet, hat Einfluss auf die japanische Automobilindustrie. Zu seinen Aufgaben in der Society of Automotive Engineers of Japan gehören die des Technologiedirektors und des Vizepräsidenten. Während seines Doktorandenstudiums in Waseda forschte er gemeinsam mit Koji Sato, dem Präsidenten der Toyota Motor Corporation, an Methanolmotoren.

Kusaka forderte die Studenten in der Vorlesungsreihe dazu auf, wie Automobilingenieure zu denken, die sich auf die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Stromkosten konzentrieren. Ziel ist es, die Studierenden auf eine Karriere in der Automobilindustrie vorzubereiten, mit der die Waseda University enge Verbindungen pflegt. Die Hauptsitze mehrerer großer japanischer Automobilhersteller liegen in der Nähe und zu den Absolventen zählen Spitzenmanager globaler Konzerne wie Toyota, Nissan und Isuzu.

„Wir führen Forschungsprojekte mit Automobilunternehmen, automobilnahen Unternehmen, der Schwerindustrie, Regierungsbehörden und der Automotive Internal Combustion Engine Technology Research Association (AICE) durch“, sagt Kusaka. Sein Labor führt gemeinsam mit AICE ein grünes Innovationsprojekt durch, bei dem es um die Entwicklung eines Katalysators für Hybridfahrzeuge mit E-Fuel geht. Diese nationale Organisation fördert die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Regierung und Industrie. Darüber hinaus berät er lokale und nationale Regierungsausschüsse zu Emissionen und Kraftstoffverbrauch.

„Weltweit werden die Emissions- und Kraftstoffverbrauchsvorschriften aus Umweltschutzgründen immer strenger“, sagt Kusaka. „Automobilunternehmen müssen Fahrzeuge bauen, die diese Vorschriften erfüllen.“

„Die Schüler haben im Unterricht mehrere Ziele erreicht“, reflektierte Kusaka. „Ihre Ideen wurden dadurch ermöglicht, dass sie das Fahrzeug mithilfe von RoadRunner -Animationen tatsächlich beim Umherfahren visualisieren konnten.“

Strenge Tests in der Praxis

„Während der 90 bis 120 Minuten tatsächlicher Straßenfahrt muss das Fahrzeug auf einem festgelegten Anteil von Stadtstraßen, Landstraßen und Autobahnen gefahren werden. Es gibt noch weitere Einschränkungen, beispielsweise Obergrenzen für Temperatur, Höhe und Höchstgeschwindigkeit“, erklärte Kusaka. „Kostenintensive Nachuntersuchungen sind keine Seltenheit.“

Simulationen mit Simulink und RoadRunner können die Leistung im Voraus vorhersagen, sodass der Kauf teurer Spezialmessgeräte und die Durchführung von Tests an echten Fahrzeugen nicht erforderlich sind, fuhr Kusaka fort. Außerdem ist es unmöglich, Standorte mit denselben Straßen, Temperaturen und Höhen zu finden, die für die RDE-Tests relevant sind.

„RDE-Simulationen mit Model-Based Design sind problemlos durchführbar“, sagt er. Und seine Klasse war gerade dabei, es zu beweisen.

Digitaler 3D-Zwilling

Die Studierenden luden das kombinierte Fahrermodell aus der Cloud der Universität herunter. Zurück im Klassenzimmer beantworteten Harada, TAs und das MathWorks Team Fragen zum 3D-digitalen Zwilling. Dann waren die Schüler an der Reihe: Ihre Aufgabe bestand darin, ein Video der gesamten Fahrsimulation mit der Vogelperspektive der Kameraposition basierend auf den letzten drei Ziffern ihrer eindeutigen Studentenausweisnummern zu erstellen. Beispielsweise bedeutet 123, dass sich die Kamera in einer Entfernung von 12 Metern und einer Höhe von 3 Metern befindet.

Zuvor hätten sich Kusakas Studenten auf berechnete Ladezustandsdiagramme verlassen, und einige hätten Schwierigkeiten gehabt, die Berechnungen mit dem tatsächlichen Fahrbetrieb in Verbindung zu bringen, sagt er. Dieses Mal konnten sie die Ergebnisse visualisieren.

Effizienzsteigerung

Kusaka bemerkte, dass sich die Fähigkeiten der Studenten zur Datenanalyse und -interpretation mit Simulink und RoadRunner im Vergleich zu den Vorjahren verbesserten. Sie identifizierten die Veränderung des Rollwiderstands, die Veränderung des Luftwiderstands und die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads des Motors als Faktoren für die Effizienz der Umwandlung von Wärmeenergie. Einige schlugen auch fortschrittliche Ideen zur Motorsteuerung vor.

„Mithilfe von Model-Based Design und Simulink untersuchten die Studenten die Auswirkungen auf die Kraftstoffeffizienz, wenn der thermische Wirkungsgrad auf 50% erhöht oder ein Plug-in-Hybridsystem implementiert würde“, sagt Harada.

Die Gruppe stellte fest, dass eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads des Motorbetriebsbereichs auf etwa 50% den Kraftstoffverbrauch auf 21,52 Megajoule senken könnte – eine Reduzierung um 37% gegenüber dem Ausgangswert. Die Studierenden erwarben Kenntnisse im Automobilbereich, die sie in der Praxis anwenden konnten.

„Ingenieurabsolventen, die wissen, wie man Model-Based Design für die Automobil-Entwicklung nutzt, wird bereit sein, sofort mit der Arbeit zu beginnen“, sagt Kusaka. Nach seinem Abschluss wird Harada zur Toyota Motor Corporation wechseln, wo er sich darauf freut, Model-Based Design und Gerätetests bei der Entwicklung von Autos einzusetzen und dabei direkt auf seine Laborerfahrungen zurückzugreifen.

Vor Kurzem begann das Kusaka Lab mit der Forschung zur Verbesserung der thermischen Effizienz und der Abgasemissionen von Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen durch frühzeitiges Aufwärmen des Motors beim Kaltstart. RDE-Tests decken einen größeren Temperaturbereich ab als WLTP-Tests, daher könnte eine Inbetriebnahme im Winter Dominoeffekte haben. Das Team plant außerdem, das Fahrermodell für die Vorlesungsreihe zu erweitern, um die Auswirkungen von Beschleunigung und Verzögerung auf die Kraftstoffeffizienz zu berücksichtigen. Zu den Faktoren, die bei der Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt werden, gehören Fußgänger, andere Fahrzeuge und Kurven.

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Industriepartner stark von Simulink und RoadRunner profitieren werden. „Wenn alles rund um das Auto in einem gemeinsamen Modell dargestellt wird, das der Automobilhersteller und der Zulieferer verwenden, wird es einfacher, die Leistung vorherzusagen, wenn sich ein Teil ändert“, sagte Kusaka. „Wir sind davon überzeugt, dass Model-Based Design und die damit verbundene Simulation der Fahrzeugentwicklung und der RDE-Tests erheblich zur Kostensenkung für Automobilunternehmen beitragen werden.“