Dr.-Ing. Matthias Kluin

Dr.-Ing. Matthias Kluin

Mitarbeiter am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe seit Dezember 2009.

 

Arbeitsgebiete

Einsatz von Simulation zur Auslegung und Bewertung von Hybrid-Antriebssträngen

Für die Entwicklung zukünftiger elektrifizierter Fahrzeugantriebe mit Verbrennungsmotor spielt die Gegenüberstellung verschiedener Triebstrangkonzepte unter Beachtung der Randbedingungen Fahrer und Einsatzszenario eine wichtige Rolle. Mit Hilfe von Simulationsmodellen, die das Verhalten der einzelnen Triebstrangkomponenten (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Batterie, Getriebe, etc.) im Betrieb abbilden, werden Energieströme und Wirkungsgrade in den unterschiedlichen Antriebsstrangarchitekturen analysiert und bewertet. Ziel ist es, für ein bestimmtes Einsatzszenario die optimale Antriebsstrangkonfiguration mit dem geringsten Verbrauch zu ermitteln. Die Optimierung des Gesamtsystems Antriebsstrang erfolgt hierbei über die Auslegung und Dimensionierung der Komponenten (Getriebeübersetzungen, Motorleistungen, Batteriekapazität, etc.), vor allem aber auch durch den Entwurf einer intelligenten Betriebsstrategie zur Steuerung bzw. Regelung der Triebstrangkomponenten. Erweiterte Betriebsstrategien, die Streckeninformationen wie Entfernung zum Ziel, Geschwindigkeitslimits, Topologie, etc. berücksichtigen, bieten zusätzliches Potential zur Verbrauchsminderung und können in der Simulation ebenfalls entworfen und bewertet werden.
Methodisch unterstütz wird die Aufgabe zur Auslegung und Bewertung von Hybrid-Antriebssträngen durch eine eigens entwickelte Optimierungsumgebung, die automatisiert die für mehrere definierbare Zielgrößen (z.B. Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch, Batteriebelastung, etc.) multikriteriell die besten Parameterkombinationen ausgibt.

Echtzeitfähige Triebstrangmodelle für X-in-the-Loop-Anwendungen

Für den Einsatz der X-in-the-Loop-Entwicklungsmethodik werden echtzeitfähige Modelle aller Antriebsstrangkomponenten benötigt, die die für die jeweilige Anwendung relevanten Effekte abbilden. Nach der Identifikation dieser Effekte steht die Auswahl, Konzeption und Entwurf der Modelle. Am Fachgebiet kommen diese Modelle z. Bsp. am Engine-in-the-Loop Prüfstand zum Einsatz, oder werden zur modellbasierten Entwicklung von Steuergerätefunktionen verwendet.

Entwicklung und Test vernetzter Hybridbetriebsstrategien
Die Verknüpfung von Umgebungsinformationen aus Fahrerassistenzsystemen (FAS) und der Betriebsstrategie von Fahrzeugen bietet großes Potential zur Reduktion des Kraftstoff- bzw. Energieverbrauchs und der Schadstoffemissionen. Voraussetzung für diese Optimierung ist die zuverlässige Prädiktion der relevanten Betriebszustände des Antriebs (Fahrzeuggeschwindigkeit, Temperaturen der Aggregate und der AGN-Komponenten, Ladezustand der Batterie, etc.) auf Basis der zur Verfügung stehenden Informationsquellen (Car2X, erweiterte digitale Karten, etc.) und Berechnungsmodellen. Die Optimierung von Steuersignalen auf Basis dieser Informationen erfolgt im nächsten Schritt. Hier ist vor allem auf die Echtzeitfähigkeit der verwendeten Algorithmen zu achten, um den Einsatz im Fahrzeug nicht auszuschließen.
Die Entwicklung und der Test der vernetzten Betriebsstrategien wird durchgängig in reiner Simulation und am Engine-in-the-Loop-Prüfstand durchgeführt, um bereits frühzeitig Aussagen hinsichtlich des Emissionsverhaltens einzelner vernetzter Funktionen treffen zu können. Der methodische Umgang bei der Kalibrierung und Absicherung, sowie bei der Bestimmung von Verbesserungspotentialen dieser Funktionen steht im Mittelpunkt der Arbeiten. Durch den Wegfall von Geschwindigkeitsprofilen als Test- und Bewertungsgrundlage ist dies von besonderem Interesse.

Einsatz von Partikelfiltern am Ottomotor
Die Reduktion der Partikelemissionen gewinnt im Zuge der Einführung von Euro 6 und dem damit eingeführten Grenzwert für die Partikelanzahl auch für Ottomotoren an Bedeutung. Neben verschiedenen innermotorischen Maßnahmen kann auch die Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter dabei helfen den genannten Grenzwert einzuhalten. Die Applikation dieser Technologie beinhaltet jedoch gerade bei turboaufgeladenen Motoren einige Herausforderungen. Neben dem erhöhten Abgasgegendruck, der sich unmittelbar auf Drehmoment, Leistung und Effizienz auswirkt, sind insbesondere verschiedene motorische Strategien zur Regeneration des Filters von Interesse, da die Regeneration bei stöchiometrisch betriebenen Motoren nicht immer gewährleistet ist. Von besonderer Bedeutung sind Strategien, die auch in für die Regeneration sehr ungünstigen Kennfeldbereichen des Motors eingesetzt werden können. Die Erarbeitung dieser Regenerationsstrategien und deren Test auf dem Motorenprüfstand steht im Mittelpunkt der Arbeit.

 

Aufgaben am Institut

  • Systemadministration Groupware
  • Betreuung der Simulationseinrichtung
 

Publikationen

  • Entwicklungsmethoden für Fahrzeuge mit vernetztem Energiemanagement; ATZextra Automotive Engineering Partners 2013, 74. Jahrgang, Wiesbaden, Mai 2014
  • Eine generische Systemarchitektur zur energetischen Optimierung von Fahrzeugen mithilfe von Fahrerassistenzsystemen; 6. Tagung Fahrerassistenz, München, 2013
  • Simulations- und Entwicklungsmethoden für Hybridfahrzeuge mit vorausschauendem Energiemanagement; 5. Internationales Symposium für Entwicklungsmethodik, Wiesbaden, Oktober 2013
  • Neue Methoden für die Optimierung hybrider Antriebsstränge; Haus-der-Technik-Tagung „Elektronisches Management von Fahrzeugantrieben“; Frankfurt; 2012
  • Einsatz dreidimensionaler Umgebungssimulation in der Entwicklung von Hybridantrieben; 14. MTZ Tagung Virtual Powertrain Creation, Esslingen September 2012
  • Consistent Development of Hybrid Vehicles at the Engine-in-the-Loop Testbed; IPG Technology Conference, Ettlingen, September 2012
  • Strukturierte Betriebsstrategie für Hybridfahrzeuge. ATZextra Automotive Engineering Partners 2012, 73. Jahrgang. Wiesbaden, 2012
  • Entwicklung und Optimierung von Hybridantrieben am X-in-the-Loop-Motorenprüfstand. Motortechnische Zeitschrift (MTZ) 03|2012, 73. Jahrgang. Wiesbaden, 2012
  • Modular Structure for the Development of Hybrid Operating Strategies – An Important Step towards Efficient Optimization. 4. Internationales Symposium für Entwicklungsmethodik. Wiesbaden, 2011
  • Entwicklungsumgebung für hybride Antriebsstränge – Durchgängige Methoden für Dimensionierung, Betriebsstrategieentwicklung und Applikation. 3. VDI-Forum „Hybrid- und Elektroantriebe für Kraftfahrzeuge“. Frankfurt, 2011
  • Der Verbrennungsmotor im Hybridantrieb – Anforderungen, Betriebsstrategien und Entwicklungsmethoden. 13. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors“. Graz, 2011
  • Elektrofahrzeuge mit oder ohne Range Extender – Wer bestimmt den Weg – Technologie, Kunde oder Gesetzgebung?. 32. Internationales Wiener Motorensymposium. Wien, 2011
  • Potentiale hybridisierter Nutzfahrzeuge. Motorentechnische Zeitschrift (MTZ) 06|2011, 72. Jahrgang. Wiesbaden, 2011
  • Hybridisation in View of Certification, Customer Requirements and Technical Effort – Approaches for a Systematic Powertrain Optimization. 12th International MTZ Conference “Virtual Powertrain Creation 2010”. Unterschleißheim, 2010
  • Development and Validation of Manoeuvre Based Driver Assistance Functions for Conduct-by-Wire with IPG CarMaker. 33rd FISITA World Automotive Congress. Budapest, 2010
  • Simulation und Versuchsmethodik in der Entwicklung von Hybridfahrzeugen. 2. VDI Wissensforum „Hybrid- und Elektroantriebe für Kraftfahrzeuge“. Frankfurt, 2010
  • Einsatz von Simulation bei der Entwicklung von Autosar-konformen Steuergeräten für Traktoren, ATZ offhighway, Ausgabe Nr.: 2009-03. Wiesbaden, 2009
  • Hybridentwicklung auf dem Motorenprüfstand – ein wichtiger Schritt zu mehr Effizienz im Entwicklungsprozess. 14. VDI Fachtagung: Erprobung und Simulation in der Fahrzeugentwicklung. Würzburg, 2009
 

Dissertation

Titel
Durchgängige modellbasierte Methoden zur Entwicklung vernetzter Betriebsstrategien für ottomotorische Hybridantriebe, Darmstadt 2015

 

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