magazine - Das Virtuelle Fahrzeug

Teilsysteme aufgeteilt
• Starke Interaktion zwischen den beteiligten
Komponenten bzw. Funktionen
• Integration einer/mehrerer Energiespeicher
(Energieversorgung, Filtern bzw.
Stützen von Spannungsspitzen)
• Stabilität des elektrischen Systems
• Sicherheit, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit
In Abbildung 1 ist eine Beispielarchitektur für
ein Zweispannungsbordnetz dargestellt. Zusätzlich
zum konventionellen 14V Bordnetz
ist ein weiteres Niederspannungsnetz mit 42V
installiert. Die beiden Netze sind mittels eines
Gleichspannungswandlers (DC/DC Converter)
verbunden. Der 42V Starter/Generator (Alternator)
ist für die Spannungsversorgung aller Komponenten,
den Start des Verbrennungsmotors
sowie für die Rekuperation zuständig. Es sind
zwei Energiespeicher installiert, ein konventioneller
Bleiakku im 14V Netz, für die Versorgung
der Steuergeräte während des Motorstarts, sowie
eine Lithium-Ionen-Batterie im 42V Netz für
den Motorstart. Komponenten mit einem hohen
mittleren Leistungsbedarf (etwa elektrischer
Klimakompressor oder Lenkpumpe) können im
42V Netz platziert werden, wofür ein entsprechender
Anpassungsaufwand notwendig ist.
Bestehende Komponenten, etwa Steuergeräte,
können im 14V Netz betrieben werden.
Die Aufgabe des Bordnetzentwicklers ist es, die
optimale Aufteilung der Komponenten zu gewährleisten.
Die Einführung dieser zusätzlichen
Freiheitsgrade führt zu einem dramatischen
Anstieg der Komplexität bei der Bordnetzentwicklung.
Der Gestaltungsspielraum durch die
mehreren Spannungsebenen erfordert eine
verstärkte Zusammenarbeit zwischen den
Abbildung 2: Spezifikation der Bordnetzarchitektur und Auswahl der Komponenten mittels
Co-Simulationsframework und Modellbibliothek
Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF
8 magazine Nr. 11, I-2012
im Fahrzeugentwicklungsprozess beteiligten
Fachabteilungen, um eine optimale Konfiguration
hinsichtlich Kosten, Energieverbrauch,
Verdrahtungsaufwand, Kabelgewicht oder Leitungsverluste
zu finden.
Effiziente Entwicklung mit
Co-Simulation und Modellbibliothek
Seit mehreren Jahren widmet sich das VIRTU-
AL VEHICLE der intensiven Erforschung der
Themen Modellbibliothek und Co-Simulation.
Die Modellbibliothek am VIRTUAL VEHICLE
stellt eine zentrale Datenablage zur Verwaltung
von Simulationsmodellen und –artefakten dar,
welche die Entwicklungsdomänen und somit
die Fachbereiche zusammenführt. Die von den
jeweiligen Fachabteilungen zur Verfügung gestellten
Modelle werden mit Metadaten versehen
(z.B. Simulationswerkzeug inkl. Version,
Beschreibung der Ein-/Ausgänge, Datenformat,
usw.) und gemeinsam mit einer Dokumentation
in einem Datenmanagementsystem abgelegt.
Die entwickelten Co-Simulationsmethoden
und -werkzeuge sind in der sogenannten „unabhängigen
Co-Simulations-Plattform ICOS“
professionell umgesetzt. Das so genannte
„ICOS Framework“ verbindet die Simulationswerkzeuge
(und damit die virtuelle Darstellung
der Komponenten) aus den unterschiedlichen
Disziplinen und führt komplexe Aufgaben wie
Datenaustausch, Synchronisation, Extrapolation
oder zentral die Fernsteuerung der Simulationstools
aus.
Die Einführung von Co-Simulation im modellbasierten
Entwicklungsprozess wird von der
steigenden Komplexität moderner mechatronischer
Systeme getrieben. Es genügt nicht
mehr, eine Komponente aus der Sicht des zuständigen
Fachbereichs darzustellen. Stattdessen
müssen komplexe Interaktionen, Lastfälle
oder Randbedingungen aus unterschiedlichsten
Domänen im Entwicklungsprozess berücksichtigt
werden. Für eine virtuelle Darstellung
bedeutet dies, dass nicht mehr nur ein Simulationswerkzeug
zum Einsatz kommen kann, es
muss bereits hier eine korrekte Abbildung des
Gesamtsystems unter Einbeziehung der spezifischen
Tools gewährleistet werden.
Ein Co-Simulationsframework wie ICOS ermöglicht
dies. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird
dem Bordnetzentwickler auf Basis von ICOS
in Kombination mit einer zentralen Verwaltung
der Simulationsmodelle (Modellbibliothek) ein
„virtuelles Restfahrzeug“, welches die für ihn
relevanten dynamischen Effekte darstellen
kann, zur Verfügung gestellt. Die Definition der
Topologie und Architektur sowie die Dimensionierung
der relevanten Bauteile (Generator,
Batterie, ...) erfolgt auf einem ganzheitlichen
Ansatz, welcher die Simulation aller relevanten
Effekte aus den verschiedenen Bereichen
berücksichtigt. Die Entwicklung von entsprechenden
Regelungsstrategien auf Basis einer
Kombination von mechanischen, thermischen
und elektrischen Modellen gewährleistet die
korrekte Funktionalität der Komponenten und
Systeme, minimiert Auswirkungen von Lastschwankungen
oder visualisiert den Einfluss
von Lastanforderungen auf die Lebensdauer
der Energiespeicher.
Beispiel: Mildhybrid mit
Zweiebenen-Bordnetz
Hybridfahrzeuge (hybrid electric vehicles,
HEVs) sind ein moderner Ansatz für umweltfreundliche
Autos. Beim sogenannten Mildhybrid
wird der Verbrennungsmotor durch einen
relativ kleinen Elektroantrieb (etwa als Starter/Generator
ausgeführt) mit typischerweise
6-14kW elektrischer Leistung unterstützt.
Anhand eines Beispiels wird die Eignung von
Co-Simulation für die Entwicklung eines Zweiebenen-Bordnetzes
für den Mildhybrid dargestellt.
In Abbildung 3 ist die prinzipielle Struktur
des virtuellen Prototypen dargestellt. Die
Verbrennungskraftmaschine (VKM) und der
Elektromotor/Generator (EM) sind mit dem
Restantriebsstrang verbunden. Die zwei Spannungsebenen
14V und 42V sind mittels eines
DC/DC Converters verbunden. Entsprechende