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Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)

Die Mechatronik gewinnt in den Anwendungen des Maschinenbaus in zunehmendem Maße an Bedeutung. Sie erschließt ihre besonderen Potenziale durch das interdisziplinäre Zusammenspiel des klassischen Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Informatik.

Die Realisierung leistungsfähiger mechatronischer Systeme erfordert die Vernetzung der Kompetenzen aus den einzelnen Teildisziplinen und insbesondere die Zusammenführung von Teilsystemen bzw. Komponenten zu einem Gesamtsystem.

Für den Mechatronik-Spezialisten bzw. den Systemingenieur stehen daher die Systemintegration sowie das so genannte Systemdenken im Vordergrund. Zielsetzung des IMS ist es, zu diesen Themenfeldern anwendungsorientierte Beiträge in Forschung und Lehre zu leisten.

Im Fokus der Forschung am IMS steht die Systemintegration, d. h. die Herstellung eines Gesamtsystems aus den Teilsystemen bzw. den Komponenten. Die fünf wesentlichen Teilsysteme stellen dabei das mechanische Grundsystem, die Aktorik, die Sensorik, der Prozessrechner inklusive Software sowie die Mensch-Maschine-Schnittstelle dar.

Bei der Entwicklung mechatronischer Systeme ist einerseits die Modellbildung und Simulation sowie andererseits die Charakterisierung bzw. die experimentelle Identifikation von großer Bedeutung. Die spezifische Gestaltung des Gesamtprodukts (geometrische Integration) sowie die Entwicklung der Funktionalität durch Lösen von Syntheseproblemen (funktionale Integration) sind weitere wichtige Bestandteile der Forschung. Darüber hinaus erfordert die Systementwicklung, bei der üblicherweise eine große Anzahl von Ingenieuren unterschiedlicher Fachdisziplinen involviert ist, neue leistungsfähige Methoden und Organisationsformen.

Am IMS liegen hier die Schwerpunkte in vier Bereichen: Fahrzeugsysteme, Energiespeichersysteme, Aktive Schwingungssysteme sowie Mensch-Mechatronik Synergie

Die Anforderungen an einen elektrischen Energiespeicher im industriellen Umfeld sind meist gekennzeichnet durch hohe Leistungsanforderungen gepaart mit schneller Reaktionszeit und einer hohen Anzahl an Zyklen. Elektrochemische Speicher können diese dynamischen Anforderungen nur selten vollständig erfüllen und müssen aufgrund der geforderten hohen Lebensdauer entsprechend groß dimensioniert werden. Die Kombination mit einem als Leistungsspeicher geeigneten KESS bietet das Potenzial die Vorzüge beider Technologien zu vereinen.

Eine der maßgeblichen Herausforderungen hierbei ist jedoch die Entwicklung einer geeigneten Betriebsstrategie zur Aufteilung der Leistungsanforderungen auf die beiden Speichertechnologien. Dabei müssen sowohl statische als auch dynamische Aufteilungsalgorithmen betrachtet werden. Eine statische Aufgabenaufteilung kann z.B. über das Frequenzspektrum in hoch- und niederfrequente Anteile des Lastsignals vorgenommen werden. Für die dynamische Aufteilung können z.B. Ansätze aus dem Bereich der Hybridfahrzeuge (Equivalent Consumption Minimization Strategy) in Frage kommen.

Die Festlegung der jeweiligen Lastanteile hat zudem großen Einfluss auf die Dimensionierung beider Speicher. Die Ableitung von Anforderungen an die Speichertechnologien ausgehend von den übergeordneten Anforderungen ist daher wesentlicher Bestandteil des Arbeitspaketes. Unter Berücksichtigung der Investitionskosten und Lebensdauer das Batterie muss eine universell anwendbare Spezifikationmethode entwickelt, werden die es ermöglich für unterschiedliche Lastprofile ein möglichst kostengünstiges hybrides Speichersystem zu definieren.

Solche Methoden sind bisher jedoch für hybride Systeme nicht vorhanden. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Berücksichtigung bereits vorhandener Speichersysteme z.B. in Form von werksgebundener Elektromobilität. Durch intelligente Integration in das Gesamtkonzept können erweiterte hybride Speichersysteme entstehen, durch welche die Auslegung von Volumenspeichern beeinflusst wird. Im Spannungsfeld Kosten/Nutzen muss die Frage nach Anschaffung zusätzlicher Speicherkapazität gegenüber Alterung sowie möglicher Nutzungseinschränkungen vorhandener Speicher untersucht werden. Hierdurch entstehen Wechselwirkungen mit den Themenfeldern Betriebsführung (zentrale/dezentrale Regelung) sowie der Wirtschaftlichkeitsanalyse.