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.