Modellbasierte Spezifikationsmethodik zur effizienten Systementwicklung von Brennstoffzellenantrieben

Die Elektrifizierung der Fahrzeuge wird bei der Deckung zukünftiger Mobilitätsbedürfnisse eine wichtige Rolle spielen. Antriebe mit Brennstoffzellen bieten systembedingt ähnliche Reichweiten und Betankungszeiten wie konventionelle Fahrzeuge und sind daher ein vielversprechendes Konzept. Elektrische Antriebssysteme mit Brennstoffzellen sind ein typisches Beispiel moderner mechatronischer Systeme, die mechanische und elektrische/elektronische Komponenten mit eingebetteter Steuerungssoftware kombinieren. Ziel der Systementwicklung dieser Systeme ist die Erfüllung konkurrierender Anforderungen und Nutzerbedürfnisse mit einem optimalen technischen Entwurf. Die größten Herausforderungen dabei sind die Ableitung der vollständigen Systemspezifikation auf der Basis der Nutzeranforderungen, die gemeinsame, konsistente Beschreibung von Hardware- und Softwareanteilen und die Beherrschung der resultierenden systeminternen Wechselwirkungen. Die Bewältigung dieser Aufgabe erfordert eine iterative Vorgehensweise, die insbesondere die physikalischen Besonderheiten der Brennstoffzellensysteme berücksichtigt. Ein geeigneter Ansatz ist die Nutzung modellbasierter Methoden für die Anforderungsdefinition und die Konzeptphase. Durch iterativ verfeinerte Modelle lässt sich ein Systementwurf ableiten, der Anforderungen, Struktur und Verhalten des Systems ganzheitlich betrachtet. Durch reduzierte Dokumentationsaufwände, parallelisierte Teilsystementwürfe und erleichterte physikalische Untersuchungen lässt sich dadurch die Zykluszeit der frühen Spezifikations- und Konzeptentwicklung verkürzen und der dafür notwendige Aufwand minimieren. In dieser Arbeit wird eine modellbasierte Spezifikations- und Entwurfsmethodik definiert, welche die beschriebenen Optimierungspotentiale ausschöpft. Die Methodik basiert im Kern auf einer Fokussierung aller Entwurfsschritte auf zuvor definierten Anwendungsfällen sowie auf einem Entwurf, der parallel mehrere Perspektiven berücksichtigt. Für einen hybridisierten Brennstoffzellenantriebsstrang wird die Methodik vollständig angewandt. Alle dazu benötigten Simulationsmodelle und Werkzeuge werden vollständig implementiert. Auf der Basis einer vollständig vernetzten Funktionszerlegung des Systems wird eine automatisierte Anordnung von Subsystemen implementiert. Die dadurch erzeugte Funktionsarchitektur zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit konventionell entwickelten Systemstrukturen. Mittels einer physikalischen Modellierung auf der Basis der Funktionsarchitektur wird eine automatisierte Spezifikation wichtiger Subsystemparameter abgeleitet. Dabei wird ein Ansatz verwendet, der eine systematische Parametervariation mit einer statistischen Auswahl des geforderten Betriebspunkts kombiniert. Durch die Modellierung werden alle Kernparameter spezifiziert und eine Einflussanalyse einzelner Faktoren ermöglicht. Das Verhalten des Systems wird auf der Basis der Use-Case Abläufe in Form von Zustandsautomaten implementiert. Diese bilden eine sequenzielle Steuerlogik ab, die vollständig aus der vorangehenden Systembeschreibung abgeleitet wird. Die Funktion der Zustandsautomaten wird mit einem Simulationsmodell des Kaltstarts validiert. Die Anwendung der Methodik hat gezeigt, dass durch die iterative Modellierung, die Verwendung von Use-Cases und die teilautomatisierte Spezifikation sowohl ein den Anforderungen angemessenes System definiert wird, als auch Reduktionen des Dokumentationsaufwands und der Entwicklungszeit erreicht werden.