Test und Validierung

In der Gruppe »Test und Validierung« werden Komponenten und Systeme neuer Antriebstechnologien mit State-of-the-Art Prüf- und Messtechnik erprobt. Die Ziele der Tests sind die Bewertung und die Charakterisierung der Komponenten hinsichtlich Funktionalität, Effizienz und Lebensdauer.

Eine Vielzahl von Prüfständen steht in der Gruppe »Test und Validierung« für die Erprobung CO2-neutraler, neuartiger Antriebstechnologien und -systeme bereit. Von der Erfassung der Realfahrdaten, über die Erprobung von Elektromotoren und Wasserstoffverbrennungsmotoren bis hin zu den hochflexiblen Komponenten- und Systemprüfständen, die beispielsweise zur Erprobung der Luftversorgungskomponenten von Brennstoffzellesystemen eingesetzt werden. Ist eine Neuentwicklung eines Prüfstands notwendig, wird diese, gemeinsam mit den Kompetenzen Konstruktion und Simulation, entwickelt und aufgebaut.

Die Vernetzung der Prüfstände ermöglicht einen effizienten und ganzheitlichen Entwicklungsprozess moderner Antriebstechnologien.

Elektromotorprüfstand

Elektromotorprüfstand mit Schwenkvorrichtung für Dauerleistungen bis zu 300 kW in Zusammenarbeit mit SciMo – Elektrische Hochleistungsantriebe GmbH
© Fraunhofer ICT
Elektromotorprüfstand mit Schwenkvorrichtung für Dauerleistungen bis zu 300 kW in Zusammenarbeit mit SciMo – Elektrische Hochleistungsantriebe GmbH

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts Albacopter wird ein Schwenkprüfstand für Elektromotoren entwickelt und Ende des Jahres 2023 in Betrieb genommen. Der Fokus liegt auf der realitätsnahen Erprobung von z. B. aeronautischen Flugantrieben, deren Kühl- und Schmiersysteme im Betrieb durch kurzfristige Richtungsänderungen erheblichen Beschleunigungen ausgesetzt sind. Der Prüfstand des Fraunhofer ICT wird die frühzeitige Validierung der Flugantriebssysteme hinsichtlich Funktion und Lebensdauer ermöglichen. Aktuelle Projekte zur Erprobung von Elektromotoren werden in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen durchgeführt.

Gesamtfahrzeugsimulation NASVM

Schema der Simulationsplattform NASVM
Schema der Simulationsplattform NASVM

Mit Hilfe des am Fraunhofer ICT entwickelten Gesamtfahrzeugmodells können beliebige Fahrzeuge und Antriebsstrangtopologien abgebildet werden. Bei der Erstellung digitaler Zwillinge liegt der Fokus auf der detaillierten Modellierung der Antriebskomponenten und deren thermischer Konditionierung und darauf basierter System- und Komponentenoptimierungen zur Effizienzsteigerung und/oder (Fahr-)Energiebedarfsreduzierung. In NASVM werden alle Antriebsstrangkomponenten als Teilmodell abgebildet. Diese verfügen dabei über physikalische Schnittstellen (thermisch, mechanisch, elektrisch) sowie eine Schnittstelle zum Informationsaustausch. Die einzelnen Modelle können in beliebiger Folge miteinander verschaltet und je nach Anforderung in verschiedenen Detailierungsstufen, (gleichungsbasiert und/oder kennfeldbasiert) ausgeführt werden. Basis bildet hier eine validierte Komponentendatenbank, deren Teilmodelle und Kennfelder durch gezielte Skalierungsmöglichkeiten variiert werden können. Durch den Einsatz eines Fahrers, der sowohl zeitlich als auch streckenbasierte Fahrprofile abfahren kann, können in gezielten Parameterstudien verschiedene Fahrzeugtopologien, Streckenprofile sowie Umgebungsbedingungen und deren Auswirkungen auf den Fahrenergiebedarf betrachtet werden.

 

Hochflexible Komponenten- und Systemprüfstände

Beispielaufbau: Erprobung eines Kathodenpfads eines Brennstoffzellensystems
© Fraunhofer ICT
Beispielaufbau: Erprobung eines Kathodenpfads eines Brennstoffzellensystems

Die Prüfstände sind zur experimentellen Analyse von Komponenten oder Teilsystemen konzipiert. Der Fokus liegt auf der reproduzierbaren und zeitoptimierten Vermessung der Komponenten sowie der Adaption von Sondermesstechnik. Neben einer (Heiß-) Luftversorgung eignen sich die Prüfstände unter anderem für die Erprobung von Komponenten des Kathodenpfads von Brennstoffzellen (z. B. E-Verdichter, Membranbefeuchter). Weiterhin sind folgende Tests möglich:

  • Lebensdauertests für Komponenten im Kathodenpfad von Brennstoffzellen
  • Druckwechseltest an Brennstoffzellenstacks
  • Charakterisierung von Wärmepumpen und Adsorptionskältemaschinen
  • Erprobung von Organic-Rankine-Cycle-Komponenten und -systemen
  • Dichtigkeitstests (mit gasförmigen oder flüssigen Medien)
  • Durchflusscharakterisierungen (mit gasförmigen oder flüssigen Medien)  

Verbrennungsmotorenprüfstand

Motorprüfstand für die Brennverfahrensentwicklung und Funktionserprobung mit synthetischen Kraftstoffen
© Fraunhofer ICT
Motorprüfstand für die Brennverfahrensentwicklung und Funktionserprobung mit synthetischen Kraftstoffen

Das Fraunhofer ICT betreibt einen Verbrennungsmotorenprüfstand zur Brennverfahrensentwicklung sowie für Emissions- und Funktionsuntersuchungen.

Die aktuelle Prüfstandsperipherie ermöglicht die Verwendung konventioneller und regenerativer Energieträger in gasförmiger und flüssiger Phase. Mittels Gasmischern sind Kraftstoffblends (z. B. Wasserstoff/Methan) in beliebigen Mischungsverhältnissen darstellbar.

Neben moderner Messsysteme zur Brennverfahrensentwicklung wird innovative Sondermesstechnik zielgerichtet zur Lösung komplexer Herausforderungen und zur Validierung von Simulationsmodellen eingesetzt.

Eine freiprogrammierbare Prototypenmotorsteuerung ermöglicht neben klassischen Betriebsstrategien die Implementierung innovativer echtzeitfähiger Regelungen sowie prädiktiver Modelle.

Das intern entwickelte Datenerfassung- und Datenverwaltungssystem umfasst die Dokumentation, Plausibilisierung und Aufbereitung der Messdaten.

Dies ermöglicht eine nachhaltige Dokumentation und effiziente Auswertung der Entwicklungsumfänge.

Einzylinder Entwicklungsmotor

Flexibler Einzylinder Entwicklungsmotor für Drehzahlen bis zu 10.000 1/min
© Fraunhofer ICT
Flexibler Einzylinder Entwicklungsmotor für Drehzahlen bis zu 10.000 1/min

 

Mehrere universelle Einzylinderkurbelgehäuse bilden die Basis unterschiedlicher Entwicklungsmotoren. Spezifische Top-Ends (Zylinder/Zylinderkopf) können intern nach Anforderungen ausgelegt und konstruiert werden.

Sowohl die Nutzung bestehender Hardware als auch die Entwicklung eines auf die Forschungsaufgabe zugeschnittenen Verbrennungsmotors ist am Fraunhofer ICT möglich.

 

Portables Emissionsmesssystem (PEMS)

Messfahrt mit dem PEMS
© Fraunhofer ICT
Messfahrt mit dem PEMS

Am Fraunhofer ICT wird ein portables Emissionsmesssystem (PEMS) eingesetzt, um die Realemissionen von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen zu ermitteln. Hierfür können sowohl bestehende RDE-Strecken (Real-Driving-Emissions) verwendet als auch auf das Forschungsvorhaben maßgeschneiderte Strecken definiert werden. Der begleitende Aufbau eines digitalen Zwillings am Fraunhofer ICT ermöglicht es Betriebsstrategien, z.B. hinsichtlich des Thermomanagementsystems, weiterzuentwickeln.

 

Lager und Prototypenmontage

Vormontage eines Prüfaufbaus
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Vormontage eines Prüfaufbaus

In einem nur für Fachpersonal zugänglichen Bereich werden projektspezifische Bauteile nach dem Wareneingang und anschließender Qualitätskontrolle eingelagert. Der Auslagerprozess erfolgt nach Stücklisten. Die Vormontage von Prototypenaufbauten wird von qualifiziertem Personal durchgeführt und in entsprechenden Montagedokumentationen festgehalten. Für kurzfristige Anpassungen stehen unserem Personal eine Improvisationswerkstatt und ein Elektronik-Labor zur Verfügung.

Aufbau von Demonstrator- und Versuchsfahrzeugen inkl. Mess-, Steuer- und Regelungstechnik

Am ICT-NAS umgerüstetes Erprobungsfahrzeug
© Fraunhofer ICT
Am ICT-NAS umgerüstetes Erprobungsfahrzeug

Neben der Prototypenmontage werden am Fraunhofer ICT auch Demonstrator- und Versuchsfahrzeuge inklusive Mess-, Steuer- und Regelungstechnik aufgebaut. Sowohl die Anpassung bestehender als auch die Installation zusätzlicher Konditionierkreisläufe ist möglich. Die Implementierung der notwendigen Mess-, Prüf- und Steuertechnik sowie die Erstellung von Bedienoberflächen (HMIs) wird vom Fraunhofer ICT durchgeführt. Die im Betrieb des Fahrzeugs gemessenen Daten können mittels UMTS-Übertragung in Echtzeit oder zeitverzögert auf ein geschütztes Backend übertragen werden.

Mobile und flexible Messdatenerhebung

Am ICT-NAS entwickelter und aufgebauter Datenlogger
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Am ICT-NAS entwickelter und aufgebauter Datenlogger

Am Fraunhofer ICT wurde ein vielseitig einsetzbarer Datenlogger entwickelt. Durch die flexible Konfigurierbarkeit lässt sich die Qualität der analysierten Signale erhöhen – wenn auf das Erheben nichtrelevanter Daten verzichtet wird, können die priorisierten Parameter mit einer höheren Abtastrate aufgezeichnet werden. Neben Parametern aus maschinen- und fahrzeuginterner Sensorik lassen sich Daten aus externen Sensoren wie eines GPS-Moduls, eines Beschleunigungssensors oder Druck-Temperatur-Feuchte-Sensoren festhalten. Somit wird sichergestellt, dass alle für die Forschungsaufgabe benötigten Messdaten erfasst und in notwendiger Dichte vorliegen. Mit den kompakten Abmessungen kann der Datenlogger an verschiedenen Positionen installiert werden.

Heißgasprüfstand und Hochfrequenzpulsator

Versuchsdurchführung am Heißgasprüfstand
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Versuchsdurchführung am Heißgasprüfstand

Am Heißgasprüfstand werden luft- und heißgasdurchströmte Systeme zur Restwärmenutzung, Abgasturbolader und Abgasanlagen untersucht. Die hohe Reproduzierbarkeit der Betriebszustände bildet die perfekte Grundlage, um verlässliche Messungen einzufahren und somit belastbare und verlässliche Aussagen über das untersuchte Aggregat oder System treffen zu können. Der schnelle Wechsel von heißen zu kalten Gastemperaturen erlaubt es, thermomechanische Ermüdungsversuche (engl. thermomechanical fatigue – TMF) durchzuführen, um somit das Verhalten und die Lebensdauer des Prüflings zu bestimmen. Ein besonderes Merkmal des Prüfstands ist die Kombination des Heißgasbrenners mit dem Hochfrequenzpulsator. Diese Kombination ermöglicht es die TMF-Belastung mit einer mechanischen Belastung zu überlagern und so realitätsnahe Prüfbedingungen für die Komponenten darzustellen. Die Möglichkeit die luft- und heißgasbeaufschlagten Komponenten mit Gaspulsationen zu beaufschlagen, die von einer flexiblen Gaspulsationsvorrichtung erzeugt werden, komplettiert die Prüfmöglichkeiten am Heißgasprüfstand des Fraunhofer ICT.