Automatisierte Testplanerstellung für Betriebsstrategien von Hybridfahrzeugen
Zustandsbasierte Testfallerstellung auf der Grundlage von Statecharts
©2007
Diplomarbeit
98 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Mit der Debatte um die Auswirkungen steigender CO2-Emissionen auf das Klima sowie mit dem prognostizierten Anstieg des Welt-Fahrzeugbestandes wächst der Bedarf an effizienten und emmissionsarmen Antriebskonzepten. Ein möglicher Ansatz besteht in der Ergänzung des konventionellen Verbrennungsmotors (VM) um eine Elektromaschine (EM) sowie einen Energiespeicher. Dieses als Hybridantrieb bezeichnete Konzept erfreut sich seit der Einführung des Toyota Prius im Jahre 1997 stetig wachsender Beliebtheit: Während die Zulassungszahlen in Deutschland noch gering sind, kletterte der Verkauf von Hybridautos in den USA im zweiten Quartal 2007 um 48 Prozent gegenüber dem Vergleichszeitraum des Vorjahres.
Bis zum Jahr 2015 wird für Hybridfahrzeuge ein Anteil von 18 Prozent unter den neu zugelassenen Fahrzeugen prognostiziert. Die Kombination zweier Antriebsquellen hat eine Reihe neuer Freiheitsgrade zur Folge, deren Koordination den Fahrer nicht zusätzlich belasten sollte. Dieses Betriebsmanagement umfasst dabei grundlegende Funktionen wie die Leistungsverteilung von VM und EM, die Ladezustandsregelung oder die Getriebeübersetzung. Die Anforderungen an das Management können von der Verringerung des Primärenergieverbrauchs bis hin zu der Darstellung sportlichen Fahrverhaltens reichen. Die Spezifikation zur Umsetzung dieser Zielstellungen wird als Betriebsstrategie bezeichnet.
Allgemein ist mit der Zunahme von neuen, softwaregesteuerten Systemen jedoch eine wachsende Komplexität des Gesamtsystems verbunden. Insbesondere wettbewerbsrelevante Innovationen basieren immer mehr auf dem Einsatz von Software. Gleichzeitig führt der hohe Innovationsdruck im Automobilsektor zu immer kürzeren Entwicklungszeiten und steigendem Kostendruck. Damit erhöht sich das Risiko des Auftretens von Fehlfunktionen.
Dem Testvorgang als Form der Qualitätskontrolle kommt damit eine wachsende Bedeutung zu. Ziel des Testens ist es, die Funktionsfähigkeit der spezifizierten Eigenschaften nachzuweisen, Abweichungen aufzuspüren und mit möglichst vielen erfolgreichen Tests das Vertrauen in das Prüfobjekt zu erhöhen. Eine zentrale Rolle kommt dabei der Definition von Testfällen zu. Diese erfolgt in der Regel auf der Grundlage von Spezifikationsdokumenten (z. B. dem Lastenheft) oder durch Gespräche mit den Entwicklern, welche dem Testingenieur eine möglichst realistische Vorstellung des Systemverhaltens geben. Nachteilig dabei ist, dass dieser Prozess in der Regel […]
Mit der Debatte um die Auswirkungen steigender CO2-Emissionen auf das Klima sowie mit dem prognostizierten Anstieg des Welt-Fahrzeugbestandes wächst der Bedarf an effizienten und emmissionsarmen Antriebskonzepten. Ein möglicher Ansatz besteht in der Ergänzung des konventionellen Verbrennungsmotors (VM) um eine Elektromaschine (EM) sowie einen Energiespeicher. Dieses als Hybridantrieb bezeichnete Konzept erfreut sich seit der Einführung des Toyota Prius im Jahre 1997 stetig wachsender Beliebtheit: Während die Zulassungszahlen in Deutschland noch gering sind, kletterte der Verkauf von Hybridautos in den USA im zweiten Quartal 2007 um 48 Prozent gegenüber dem Vergleichszeitraum des Vorjahres.
Bis zum Jahr 2015 wird für Hybridfahrzeuge ein Anteil von 18 Prozent unter den neu zugelassenen Fahrzeugen prognostiziert. Die Kombination zweier Antriebsquellen hat eine Reihe neuer Freiheitsgrade zur Folge, deren Koordination den Fahrer nicht zusätzlich belasten sollte. Dieses Betriebsmanagement umfasst dabei grundlegende Funktionen wie die Leistungsverteilung von VM und EM, die Ladezustandsregelung oder die Getriebeübersetzung. Die Anforderungen an das Management können von der Verringerung des Primärenergieverbrauchs bis hin zu der Darstellung sportlichen Fahrverhaltens reichen. Die Spezifikation zur Umsetzung dieser Zielstellungen wird als Betriebsstrategie bezeichnet.
Allgemein ist mit der Zunahme von neuen, softwaregesteuerten Systemen jedoch eine wachsende Komplexität des Gesamtsystems verbunden. Insbesondere wettbewerbsrelevante Innovationen basieren immer mehr auf dem Einsatz von Software. Gleichzeitig führt der hohe Innovationsdruck im Automobilsektor zu immer kürzeren Entwicklungszeiten und steigendem Kostendruck. Damit erhöht sich das Risiko des Auftretens von Fehlfunktionen.
Dem Testvorgang als Form der Qualitätskontrolle kommt damit eine wachsende Bedeutung zu. Ziel des Testens ist es, die Funktionsfähigkeit der spezifizierten Eigenschaften nachzuweisen, Abweichungen aufzuspüren und mit möglichst vielen erfolgreichen Tests das Vertrauen in das Prüfobjekt zu erhöhen. Eine zentrale Rolle kommt dabei der Definition von Testfällen zu. Diese erfolgt in der Regel auf der Grundlage von Spezifikationsdokumenten (z. B. dem Lastenheft) oder durch Gespräche mit den Entwicklern, welche dem Testingenieur eine möglichst realistische Vorstellung des Systemverhaltens geben. Nachteilig dabei ist, dass dieser Prozess in der Regel […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Robert Poser
Automatisierte Testplanerstellung für Betriebsstrategien von Hybridfahrzeugen
Zustandsbasierte Testfallerstellung auf der Grundlage von Statecharts
ISBN: 978-3-8366-0704-9
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland, Diplomarbeit, 2007
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der
Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich
vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des
Urheberrechtes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei
zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können
Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden, und die Diplomarbeiten Agentur, die
Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine
Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2008
Printed in Germany
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Diplomarbeit am Institut für Automo-
biltechnik Dresden der Technischen Universität Dresden. Während dieser Zeit habe ich
von verschiedenen Seiten Unterstützung erfahren, die zum Gelingen der Arbeit beitrug.
Für die stetige und anregungsreiche wissenschaftliche Diskussion bedanke ich mich bei
allen Mitarbeitern des Lehrstuhls, insbesondere bei meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing.
Oliver Cassebaum. Weiter möchte ich mich Herrn Dr.-Ing. Rocco Deutschmann für die
konstruktiven Hinweise im Rahmen der Zwischenverteidigung bei der Tracetronic GmbH
bedanken. Besonderer Dank geht an meine Eltern, die mich während des Studiums in
vielen Belangen unterstützt haben.
Für die Fortführung des Projekts wünsche ich dem gesamten Team viel Erfolg.
iii
Kurzfassung
Statecharts können - ähnlich wie Kontrollfussgraphen - zur Planung von Testfällen heran-
gezogen werden. Diese Arbeit beschreibt eine an den zustandsbasierten Test angelehnte
Vorgehensweise, die die automatisierte Berechnung von Testeingangsequenzen zum Ziel hat.
Es wird beschrieben wie Startcharts in die Form eines Transitionsbaums überführt werden
können, welcher die möglichen Zustandsabfolgen eines Automaten nach dem Einschalten
abbildet. Anhand dieses Baums werden von Softwaretests abgeleitete Überdeckungsstrategi-
en vorgestellt und diskutiert. Diese führen zu einer endlichen Menge an Pfaden, wobei jeder
Pfad einen Testfall repräsentieren kann. Für die Ermittlung konkreter Ein- und Ausgangs-
werte muss jeder Pfad schrittweise durchlaufen werden. Anhand des Entwurfswerkzeugs
Stateflow, welches die Modellierung endlicher Automaten in Form von Statecharts ermög-
licht, werden Abarbeitungsregeln vorgestellt. Ein im Rahmen dieser Arbeit implementiertes
Testtool liest Stateflow-Modelle ein, und ermittelt alle Zustandsabfolgen für das Überde-
ckungskriterium der Round-trip Pfade. Unter Einhaltung bestimmter Rahmenbedingungen
können für jeden Pfad konkrete Werte für den Automateneingang ermittelt, und zusammen
mit den erwarteten Antwortsequenzen als Testplan ausgegeben werden.
Abstract
Similar to control flow graphs, Statecharts can be used for planning test cases. The
following work describes an approach which is grounded on state-based tests and aims
at the automated calculation of input sequences. It is described how statecharts can be
transformed in the formalism of a round-trip path tree, which represents possible state
sequences after start. Based on this tree coverage test strategies derived from software tests
are introduced and discussed. They lead to a finite amount of paths in this tree, whereas
every path can represent a test case. Every path needs to be traversed for the calculation
of concrete input and output values. Based on the development tool Stateflow which allows
modelling of finite state machines as statecharts, essential rules are introduced. A test
tool, developed in the context of this work, reads-in stateflow models and calculates all
state sequences for the round-trip path coverage criterion. Concrete values for every path
can be calculated with some restrictions, and are returned together with the estimated
automata response as a test plan.
iv
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
1
2
Grundlagen zu Betriebsstrategien
5
2.1
Motivation für Hybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Fahrzustände und mögliche Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3
Koordinierung der Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3
Modellierung mit Stateflow
13
3.1
Reaktive Systeme
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2
Endliche Automaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.3
Statecharts: Erweiterte Notation für endliche Automaten . . . . . . . . . .
16
3.4
Stateflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.4.1
Notation von Zuständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.4.2
Notation von Transitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.4.3
Weitere Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4
Testen als Methode der Systemvalidierung
22
4.1
Einordnung des Testbegriffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.2
Überblick testender Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.2.1
Statische Testverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.2.2
Dynamische Testverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.3
Testen im Entwicklungszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.4
Zusammenfassung: Testen von Statecharts . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5
Entwurf einer Vorgehensweise zur Testfallerstellung aus Statecharts
34
5.1
Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
v
Inhaltsverzeichnis
5.2
Generierung eines Zustandsbaums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.3
Generierung eines Transitionsbaums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
5.4
Formulierung einer Teststrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.5
Testdatengenerierung mit Stateflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.5.1
Lösen boolscher Entscheidungsausdrücke . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.5.2
Zustandswechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
5.6
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6
Implementierung eines prototypischen Testtools
53
6.1
Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.2
Grafische Nutzeroberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.3
Die Klasse CStateflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.4
Aufbau von Simulink-Modelldateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.5
Ausgewählte Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6.6
Ausgabe des Testplans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
7
Ergebnisse und Bewertung
70
8
Zusammenfassung und Ausblick
74
A Anhang
76
A.1 Ergänzende Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
A.2 Quellcode ausgewählter Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
A.3 Format der Ausgabedatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
A.4 Stateflow-Modell einer Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
A.5 Ermittelte Round-trip Pfade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
Literaturverzeichnis
83
vi
Zeichen, Benennungen und Einheiten
%
Symbol der Hilfsmaßeinheit Prozent
Fahrpedalwert, 0 % Leerlauf/Schub ... 100 % Vollast
Änderung einer Größe
CO
2
Kohlenstoffdioxid
M
soll
Drehmomentanforderung
MEM
max
Drehmoment Elektromotor, maximal zulässiges Drehmoment
MV M
max
Drehmoment Verbrennungsmotor, maximal zulässiges Drehmoment
n
Zählvariable
n
max
Zählvariable, Obergrenze Zufallszahlengenerator
P
soll
Leistungsanforderung des Fahrers
SOC
max
Batterieladestand, maximal zulässiger Batterieladegrad
SOC
min
Batterieladestand, minimal zulässiger Batterieladegrad
y
Wertebereich, Variable aus Entscheidungsausdrücken
y
max
Wertebereich, Obergrenze
y
min
Wertebereich, Untergrenze
ANSI
American National Standards Institute
vii
Abkuerzungen
ASCII
American Standard Code for Information Interchange
atomar
Teil eines Ganzen
BCC
Borland C++ Compiler
C++
objektorientierte Erweiterung von C, sprich C plus plus
EA
Endlicher Automat, auch Zustandsmachine, engl. finite state machine
EM
Elektromotor
FMP
Free Math Parser
GNU
General Public License
hybrid
griech., von zweierlei Herkunft
ID
Identifikationsnummer, hier: fortlaufende Nummer eines Stateflow-Objekts
ISO
International Organization for Standardization, Internationale Organisation
für Normung
LPA
Lastpunktanhebung
M-Datei
Matlab-Datei
MDL-Datei
Simulink Modelldatei, simulink model file
OOP
Objektorientierte Programmierung
Rekuperation (teilweise) Rückgewinnung der Bremsenergie
scope
Anzeigeblock in Simulink
SOC
State of charge, Ladestand der Batterie
STL
Standard Template Library
USA
Vereinigte Staaten von Amerika, United States of America
viii
Zeichen, Benennungen und Einheiten
VM
Verbrennungsmotor
XML
Extensible Markup Language
XSL
Extensible Stylesheet Language, Layout für XML-Dokumente
ix
1
Kapitel 1
Einleitung
Mit der Debatte um die Auswirkungen steigender
CO
2
-Emissionen auf das Klima sowie mit
dem prognostizierten Anstieg des Welt-Fahrzeugbestandes wächst der Bedarf an effizienten
und emmissionsarmen Antriebskonzepten.
Ein möglicher Ansatz besteht in der Ergänzung des konventionellen Verbrennungsmotors
(VM) um eine Elektromaschine (EM) sowie einen Energiespeicher. Dieses als Hybridantrieb
bezeichnete Konzept erfreut sich seit der Einführung des Toyota Prius (Abb. 1.1) im Jahre
1997 stetig wachsender Beliebtheit: Während die Zulassungszahlen in Deutschland noch
gering sind, kletterte der Verkauf von Hybridautos in den USA im zweiten Quartal 2007 um
48 Prozent gegenüber dem Vergleichszeitraum des Vorjahres [Web07a]. Bis zum Jahr 2015
wird für Hybridfahrzeuge ein Anteil von 18 Prozent unter den neu zugelassenen Fahrzeugen
prognostiziert [Dud04].
Die Kombination zweier Antriebsquellen hat eine Reihe neuer Freiheitsgrade zur Folge,
deren Koordination den Fahrer nicht zusätzlich belasten sollte. Dieses Betriebsmanage-
ment umfasst dabei grundlegende Funktionen wie die Leistungsverteilung von VM und
EM, die Ladezustandsregelung oder die Getriebeübersetzung. Die Anforderungen an das
Management können von der Verringerung des Primärenergieverbrauchs bis hin zu der
Darstellung sportlichen Fahrverhaltens reichen. Die Spezifikation zur Umsetzung dieser
Zielstellungen wird als Betriebsstrategie bezeichnet.
1
1 Einleitung
Abb. 1.1: Das erste Hybridfahrzeug in Großserie [Web97]
Allgemein ist mit der Zunahme von neuen, softwaregesteuerten Systemen jedoch eine
wachsende Komplexität des Gesamtsystems verbunden. Insbesondere wettbewerbsrelevante
Innovationen basieren immer mehr auf dem Einsatz von Software
1
. Gleichzeitig führt der
hohe Innovationsdruck im Automobilsektor zu immer kürzeren Entwicklungszeiten und
steigendem Kostendruck. Damit erhöht sich das Risiko des Auftretens von Fehlfunktionen
[Gle07].
Dem Testvorgang als Form der Qualitätskontrolle kommt damit eine wachsende Bedeutung
zu. Ziel des Testens ist es, die Funktionsfähigkeit der spezifizierten Eigenschaften nachzuwei-
sen, Abweichungen aufzuspüren und mit möglichst vielen erfolgreichen Tests das Vertrauen
in das Prüfobjekt zu erhöhen. Eine zentrale Rolle kommt dabei der Definition von Testfällen
zu. Diese erfolgt in der Regel auf der Grundlage von Spezifikationsdokumenten (z. B. dem
Lastenheft) oder durch Gespräche mit den Entwicklern, welche dem Testingenieur eine
möglichst realistische Vorstellung des Systemverhaltens geben. Nachteilig dabei ist, dass
dieser Prozess in der Regel unsystematisch, nicht reproduzierbar und in seiner Qualität
stark von den Erfahrungen des Testers abhängig ist.
Ansatz des modellbasierten Testens ist es, das Sollverhalten in ausführbaren Modellen
zu spezifizieren. Aus dem Aufbau dieser Verhaltensmodelle können Testfälle abgeleitet
werden. Die Stärke dieses Ansatzes besteht in der systematischen und automatisierbaren
Vorgehensweise [Her04, Ker02].
1
Schätzungen gehen davon aus, dass bis zu 90% der zukünftigen Investionskosten in den Bereich der
Softwareentwicklung fallen werden [Gle07].
2
Für die Modellierung solcher Verhaltensmodelle existiert unter anderem das Entwurfswerk-
zeug Stateflow®
2
, welches Bestandteil der Entwicklungsumgebung Matlab/Simulink ist.
Dieses Programm erlaubt die Abbildung von reaktiven, zustandsbasierten Systemen in
Form von Statecharts.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll untersucht werden, inwieweit Statechart-Automaten
zur automatisierten Testfallererstellung verwendet werden können. Dazu wurde das Verfah-
ren des zustandsbezogenen Tests auf die Notation der Statecharts angewendet. Anhand
eines Transitionsbaum und unter Maßgabe von Überdeckungskriterien sollen Zustandsfolgen
für die Testplanung bestimmt werden.
Es wurde ein Testtool implementiert, welches ein Stateflow-Modell einlesen und in einen
Transitionsbaum umwandeln kann. Unter Berücksichtigung von einigen Randbedingungen
kann ein Testplan für das Überdeckungskriterium der Round-trip Pfade bestimmt werden.
Aufbau der Arbeit
Der Inhalt der vorliegenden Arbeit gliedert sich wie folgt:
Kapitel 2
führt zunächst in die Thematik der Hybridfahrzeuge ein. Es werden Unterschie-
de zu konventionellen Kraftfahrzeugen aufgezeigt und damit verbundene Vorteile
genannt. Aufbauend auf einem Überblick möglicher Fahrzustände wird der Begriff
der Betriebsstrategie eingeführt.
Kapitel 3
stellt das Entwurfswerkeug Stateflow vor und gibt einen Überblick über dessen
Notation. Das Betriebsmanagement von Hybridfahrzeugen wird als ein reaktives
System klassifiziert, dessen Modellierung in Form von endlichen Automaten möglich
ist.
Kapitel 4
führt das Testen als eine mögliche Methode ein, um die Funktionsweise von
Betriebsstrategien zu prüfen. Da sich viele Definitionen von den Softwaretests ab-
leiten, folgt ein Überblick über Software-Testverfahren mit Schwerpunkt auf den
Abdeckungstests sowie dem zustandsbasierten Test. Das Kapitel schließt mit einem
Überblick des allgemeinen V-Modells.
2
Stateflow, Simulink and Matlab sind ein eingetragenes Warenzeichen des Unternehmens The MathWorks,
Inc.
3
1 Einleitung
Kapitel 5
beschreibt eine Vorgehensweise, um aus Statecharts Zustandsabfolgen für die
Generierung eines Testplans zu gewinnen. Dazu wird das Verfahren des zustandsbezo-
genen Tests auf die Notation der Statecharts ausgedehnt. Anhand eines Transitions-
baums und unter Maßgabe von Übderdeckungsstrategien können Zustandsfolgen für
die Testplanung bestimmt werden. Es lassen sich konkrete Ein- und Ausgangswerte
berechnen, indem die Zustandsfolgen schrittweise durchlaufen werden. Dazu werden
Regeln der Automatenausführung in Stateflow vorgestellt.
Kapitel 6
stellt ein prototypisches Testtool vor, welches im Rahmen der Arbeit imple-
mentiert wurde und auf den Überlegungen des vorhergehenden Kapitels beruht. Es
wertet MDL-Dateien aus und ermittelt unter Einhaltung bestimmter Vorrausetzungen
Testfälle für das Überdeckungskriterium der Round-trip Pfade.
Kapitel 7
bewertet das Testtool anhand eines in Anlehnung an [Kut06] erstellten Zu-
standsautomaten einer Betriebsstrategie. Die berechneten Ausgangswerte werden mit
den Ausgaben in Simulink verglichen.
Anhang A
enthält verwendete Packages für C++, das Ausgabeformat des Testplans,
Stateflow-Modell einer Hybridbetriebsstrategie und Quellcode ausgewählter Methoden
der Klasse CStateflow.
4
2
Kapitel 2
Grundlagen zu Betriebsstrategien
Dieses Kapitel führt zunächst in die Thematik der Hybridfahrzeuge ein. Es werden Un-
terschiede zu konventionellen Kraftfahrzeugen aufgezeigt und damit verbundene Vorteile
genannt. Aufbauend auf einem Überblick möglicher Fahrzustände wird der Begriff der
Betriebsstrategie eingeführt.
2.1 Motivation für Hybridfahrzeuge
Ferdinand
Porsche stellte bereits 1902 mit dem Lohner-Porsche ,,Mixte" (Abb. 2.1)
ein Fahrzeug vor, bei dem ein 4-Zylinder Verbrennungsmotor über einen Generator konti-
nuierlich den Strom für zwei an den Vorderrädern befindliche Radnabenmotoren lieferte.
Mit einer zwischengeschalteten Batterie bot das Mixte-Prinzip die Möglichkeit, auch bei
Stillstand des Verbrennungsmotors weiterzufahren.
Porsches Debütkonstruktion trug
damit bereits vor über einhundert Jahren die Grundzüge eines heute als Hybridfahrzeug
bezeichneten Fahrzeugkonzepts [Wak98].
Hybridfahrzeuge können ihre Antriebsenergie - nach dem griechischen Wort hybrid
1
- aus
zwei unterschiedlichen Quellen beziehen. Die am weitesten verbreitete Hybridvariante ist die
Kombination aus einem konventionellen Verbrennungsmotor (VM) und einem elektrischen
1
griech.: von zweierlei Herkunft folgend
5
2 Grundlagen zu Betriebsstrategien
Motor (EM) sowie einem elektrischen Speicher in Form einer Batterie und/oder SuperCaps
(Abb. 2.2).
Während
Porsche den ,,Mixte" entwi-
Abb. 2.1: Das erste Hybridfahrzeug von Fer-
dinand
Porsche (1902) [Hyb]
ckelte, um auf die Verwendung des Ge-
triebes verzichten zu können [Webb], liegt
das Hauptziel heutiger Hybridfahrzeuge in
der Energieeinsparung und der damit ver-
bundenen Möglichkeit zu Verbrauchs- und
Emissionsreduktionen. Die Automobilher-
steller versuchen dabei, Vorteile von Ver-
brennungsmotoren und Elektromaschine zu-
sammenzuführen: Während sich VM durch
lange Reichweiten und (zeitlich) schnelles
Auftanken auszeichnen, bieten EM einen
höheren Grundwirkungsgrad, die Option
zur Rückgewinnung von Bremsenergie sowie zum lokal emissionfreien Fahren.
Der Einsatz beider Antriebsquellen mit dem EM im generatorischen Betrieb bietet die
Möglichkeit, den Lastpunkt des Verbrennungsmotors zu ändern. Bei kleinen Lasten kann
es sinnvoll sein, den Lastpunkt im relativen Verbrauchskennfeld nach oben zu verschieben.
Dieses als Lastpunktanhebung (LPA) bezeichnete Verfahren ermöglicht es, den Motor
in einem günstigeren Bereich zu betreiben und parallel dazu durch den generatorischen
Betrieb des EM die Batterie zu laden. Dabei müssen jedoch Verluste berücksichtigt werden,
welche durch das mehrmalige Umwandeln entstehen und dadurch den Gesamtwirkungsgrad
reduzieren [Kut06].
Mit dem EM im generatorischen Betrieb eröffnen sich weitere Einsparpotentiale: Klassische
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren haben den Nachteil, überschüssige Antriebsenergie
nicht nutzen zu können. Daher muss beim Bremsvorgang die kinetische Energie in thermische
Energie umgewandelt werden, um das Fahrzeug zu verzögern. Aus energetischer Sicht stellt
dies einen Verlust dar, da die Energie nicht weiter genutzt werden kann. Ein elektro-
mechanischer Energiewandler kann die Bremsenergie jedoch in eine speicherbare Form
überführen und damit einen Teil der Leistung zurückgewinnen. Dieser als Rekuperation
6
2.1 Motivation für Hybridfahrzeuge
bezeichnet Vorgang bietet sein größtes Einsparpotential im Stadtverkehr, für den eine
Vielzahl von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen typisch sind.
Abb. 2.2: Prinzipskizze Hybridantrieb
Ein als Downsizing bezeichneter Ansatz ermöglicht einen weiteren Schritt in Richtung
eines geringeren Kraftstoffverbrauchs. Da rein verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge
oft über deutlich mehr Leistung verfügen, als im Regelbetrieb notwendig ist, wird der
Motor häufig in Bereichen mit relativ ungünstigen Wirkungsgraden gefahren. Mit der
Ergänzung eines zweiten Motors ist es möglich, den VM bei gleichen Anforderungen kleiner
zu dimensionieren und bei Lastspitzen VM und EM zusammen zunutzen.
Bei entsprechender Kapazität der Energiespeicher und Nennleistung des EM ist mit
einem Hybridfahrzeug auch zunehmend lokales, rein elektromotorisches Fahren möglich.
Insbesondere in Ballungszentren mit hohen Verkehrsströmen könnte dieser Modus zur
Verringerung der Smogbelastung beitragen. Sogenannte Plug-in-Hybridfahrzeuge
2
bieten
die Möglichkeit zum Aufladen des Speichers mit einem Anschluss an das Stromnetz, und
dehnen damit die Reichweite für emissionsloses Fahren aus. Dieser Vorgang ist auch
umgekehrbar: Über eine bidirektionale Verbindung angeschlossene Hybridfahrzeuge wirken
2
engl. Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV s
7
2 Grundlagen zu Betriebsstrategien
dabei als Kleinspeicherkraftwerke, und können bei Bedarf ihre Energie aus dem Speicher
in das Stromnetz zurückspeisen
3
[Web07d].
Die Koordinierung aller sich ergebenden Modi und damit der Leistungsverteilung zwischen
den verschiedenen Antriebsquellen ist Aufgabe des Betriebsmanagements. Dieses basiert auf
einer Strategie, welche angepasst an den aktuellen Fahrzustand und unter Berücksichtigung
verschiedener Randbedingungen das Zusammenspiel von EM und VM regelt.
2.2 Fahrzustände und mögliche Betriebsmodi
Das Betriebsverhalten von Fahrzeugen kann anhand der Leistungs- und Momentenbilanz
an den Antriebsrädern in die drei Fahrzustände Vortrieb, Schub/Stillstand und Verzögerung
gegliedert werden (siehe Abb. 2.3). In jedem Zustand sind verschiedene Betriebsmodi
darstellbar [Kut06].
Abb. 2.3: Übersicht möglicher Fahrzustände (vgl. [Kut06])
Vortrieb
Bei niedrigen Lasten und entsprechendem Ladestand der Batterie kann das Fahrzeug
lokal im rein elektromotorischen Modus betrieben werden. Der VM ist dabei vollständig
3
engl. Vehicle to Grid Power, V2G
8
2.2 Fahrzustände und mögliche Betriebsmodi
abgeschaltet. Wenn dagegen die geforderte Antriebsleistung zusammen mit der aktuellen
Getriebeübersetzung in einem für den VM niedrigen Verbrauchsbereich liegt, oder wenn
der Ladestand der Batterie weder den motorischen noch den generatorischen Betrieb des
EM zulässt, so wird das Fahrzeug rein verbrennungsmotorisch betrieben.
Die Kombination von EM und VM eröffnet zwei weitere Modi: Wenn die geforderte
Leistung kleiner als die Maximalleistung des VM ist, so kann der EM als Generator
betrieben werden. Damit lässt sich für bestimmte Betriebspunkte das Moment des VM in
einen Bereich mit günstigerem Wirkungsgrad verschieben und mit der gewonnen Energie
die Batterie speisen. Es gilt hierbei jedoch einerseits den Wirkungsgrad der gesamten Kette
inklusive der Umwandlungsverluste zu berücksichtigen, und andererseits zu püfen ob nicht
eine Verschiebung der Getriebeübersetzung entlang der Leistungshyperbel möglich ist. Erst
wenn die Verschiebung mittels Übersetzung nicht mehr möglich ist, stellt sich die Frage
nach generatorischer Lastpunktverschiebung.
Auch im Boost-Modus wird der EM zusammen mit dem VM betrieben. In diesem Fall
unterstützt er jedoch die Kolbenmaschine und erhöht damit kurzfristig das maximale
darstellbare Leistungsmoment. Dieser Modus findet beispielsweise bei starken Beschleuni-
gungsanforderungen seine Anwendung und im Falle einer vollständig geladenen Batterie
(um Potential für zukünftige Rekuperationsvorgänge bieten zu können).
Schub/Stillstand
Wenn keine Antriebsleistung gefordert ist, d. h. der Fahrerpedalwert
= 0 ist, so befindet
sich das Fahrzeug entweder im Schubbetrieb oder im Stillstand. Im Schubbetrieb schalten
konventionelle Fahrzeuge häufig die momentenbildente Einspritzung ab, dennoch erfolgt
aufgrund der Reibungskräfte im Motor eine spürbare Verkürzung des Ausrollweges. Dieser
verlängert sich zwar bei dem Auslegen des Ganges, dafür bleibt hier jedoch die Einspritz-
masse im Leerlaufbetrieb erhalten, ohne genutzt zu werden. Da viele Motorkomponenten
ihre Antriebsleistung direkt aus dem Verbrennungsmotor beziehen, ist dessen vollständiges
Abschalten in konventionellen Fahrzeugen nicht sinnvoll. Im Gegensatz dazu können in
Hybridfahrzeugen sicherheits- und komforttechnische Merkmale elektrisch, und damit
vollständig unabhängig vom laufenden VM, realisiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit,
im Schubbetrieb den VM vollständig abzuschalten, und damit die Reibkräfte im Motor
9
2 Grundlagen zu Betriebsstrategien
einserseits, und den Kraftstoffverbrauch durch Leerlaufbetrieb andererseits signifikant zu
reduzieren. In der Folge ist ein deutlich längerer Ausrollweg möglich, ohne das Kraftstoff im
Leerlauf verbraucht wird. Um die Versorgung der elektrischen Verbraucher sowie den schnel-
len Wiederstart des Verbrennungsmotors sicherzustellen, muss dazu der Ladestand der
Batterie überwacht und ein Mindestladezustand sichergestellt werden. Beim Unterschreiten
dieses Wertes darf der VM auch im Schubbetrieb nicht ausgeschaltet werden.
Verzögerung
Für die Realisierung der Fahrzeugverzögerung kann neben der konventionellen Reibbremse
auch die Elektromaschine im Generatorbetrieb ein negatives Radmoment erzeugen. Die
Bremsenergie lässt sich auf diese Weise zurückgewinnen. Damit der EM im Generatorbe-
trieb immer im bestmöglichen Wirkungsgrad arbeitet, muss dabei die Übersetzung des
Getriebes kontinuierlich angepasst werden. Übersteigt das geforderte negative Radmoment
die Obergrenze des EM, so muss eine Reibbremse die geforderte Differenzleistung aufbringen
(Mischbetrieb). Die Reibbremse kommt außerdem zum Einsatz, wenn der Ladezustand der
Batterie einen oberen Schwellwert überschritten hat, und diese damit bereits vollständig
geladen ist.
10
2.3 Koordinierung der Betriebsmodi
2.3 Koordinierung der Betriebsmodi
Abb. 2.4: Betriebsstrategie mit Ein- und Ausgangsgrößen (vgl. [Kut06])
Die Betriebsstrategie bestimmt den aktuellen Betriebsmodus stets mit der Vorgabe, das
Betriebsziel bestmöglich zu erfüllen. Für Hybridfahrzeuge ist das Betriebsziel in der Regel
ein Kompromiss aus einem möglichst geringem Primärenergiebedarf einerseits und guter
Fahrdynamik und Komfort auf der anderen Seite. Während der Schwerpunkt in der Regel
auf der erstgenannten Größe liegt, ist jedoch auch die Darstellung sportlichen Fahrverhaltens
(Boost-Modus) möglich.
Die Koordinierung der Betriebsmodi basiert auf der Grundlage zahlreicher Umgebungsgrö-
ßen, welche sich in drei Gruppen unterteilen lassen [Kut06]:
Anforderungen (Requests):
Die primäre Anforderungsgröße ist das Fahrerwunschmo-
ment. Für positive Werte leitet es sich aus dem Gaspedalwinkel ab, für negative
Momente ist die Bremspedalkraft maßgebend. Weiterhin gilt es die notwendige An-
triebsleistung für den Betrieb der elektrischen Verbraucher und Zusatzaggregate
zu definieren. Damit sind die Anforderungen definiert, die es zu jedem Zeitpunkt
bestmöglich zu erfüllen gilt.
Restriktionen:
Restriktionen stellen die Randbedinungen dar, welche den möglichen Be-
triebsbereich einschränken. Sie lassen sich in statische und zeit- / prozessabhängige
11
2 Grundlagen zu Betriebsstrategien
Restriktionen einteilen. Typische statische Randbedingungen sind durch die jeweiligen
mechanischen Betriebsgrenzen gegeben: Die Maximaldrehzahl des VM darf nie über-
schritten werden. Eine Verletzung dieser Anforderung würde den Motor stark belasten
oder sogar zerstören. Auch für den EM existiert eine konstante Obergrenze, deren
Überschreiten die Zerstörung des Motors zur Folge haben könnte. Weit darunter liegt
das Dauermoment, welches die zulässige Obergrenze für den Dauerbetrieb darstellt.
Zwischen diesen beiden Grenzen ist der Betrieb in Überlast möglich, solange eine zu-
lässige Temperatur nicht überschritten wird. Eine ähnliche Randbedingung gilt auch
für die Batterie. Es kann nur Ladung entnommen werden, die zuvor in die Batterie
gespeichert wurde. Des Weiteren ist ein Laden über den gültigen Maximalwert des
Batterieladestandes zu verhindern.
Sensordaten:
Die Temperaturwerte von EM, VM und Batterie fließen als Sensordaten
in die Betriebsstrategie ein. Sie werden um den aktuellen Ladezustand (SOC) der
Batterie ergänzt.
Das Betriebsmanagement berechnet auf der Grundlage der Umgebungsgrößen die Be-
triebswerte von EM und VM, und gibt diese als Steuervektor zurück. Sie umfassen die
Drehzahl- und Momentenanforderung für beide Antriebsquellen sowie die zu realisierende
Getriebeübersetzung. Abb. 2.4 stellt den Zusammenhang grafisch dar.
12
3
Kapitel 3
Modellierung mit Stateflow
Das Betriebsmanagement von Hybridfahrzeugen lässt sich als ein reaktives System klassifi-
zieren. Mit Stateflow ist die Modellierung solcher Systeme in Form von endlichen Automaten
möglich. Dieses Kapitel stellt das Entwurfswerkeug vor und gibt einen Überblick über
dessen Notation.
3.1 Reaktive Systeme
Der Begriff der reaktiven Systeme wurde Anfang der 90er Jahre durch Amir
Pnueli
[Pnu92] geprägt und beschreibt Systeme, welche typischerweise eine unendliche Laufzeit
haben und während der Ausführung fortlaufend auf Stimuli aus ihrer Umgebung reagieren.
Durch ihre unbegrenzte Laufzeit unterscheiden sie sich von den sogenannten transformativen
Systemen, welche ihre Ausführung unmittelbar nach der Berechnung beenden.
Ein Compiler für Programmiersprachen ist Vertreter eines transformativen Systems. Er
erzeugt aus Quellcode ausführbaren Programmcode und beendet danach seine Ausführung.
Als weiteres Beispiel wird eine Matlab-Funktion zur Berechnung einer Matrizendeterminante
genannt. In beiden Beispielen berechnet ein Algorithmus einmalig aus einer Eingabemenge
(Quelltext, Matrix) eine Ausgabemenge (Programmcode, Determinante) und beendet
danach seine Ausführung. Während der Berechnung findet keine oder nur eine sehr begrenzte
Interaktion mit der Umgebung statt.
13
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2007
- ISBN (eBook)
- 9783836607049
- DOI
- 10.3239/9783836607049
- Dateigröße
- 4.4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Dresden – Elektrotechnik, Institut für Automobiltechnik Dresden, IAD, Lehrstuhl Fahrzeugmechatronik
- Erscheinungsdatum
- 2007 (Dezember)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- elektrotechnik hybridfahrzeug fahrzeugmechatronik testplan statecharts
