magazine - Das Virtuelle Fahrzeug

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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
elektrische Verbraucher und Energiespeicher sind vorgesehen. Der Kühlkreislauf verbindet die thermischen Modelle von VKM, EM, DC/ DC Converter und Lithium-Ionen-Batterie. Das zentrale Energiemanagement gewährleistet das optimale Zusammenspiel der mechanischen, elektrischen und thermischen Teilsysteme. Die entsprechende Repräsentation als Co- Simulationsmodell ist in Abbildung 4 zu sehen. Die einzelnen Komponenten sind als Modelle in den zugehörigen Simulationswerkzeugen modelliert und über ICOS miteinander verbunden. Aus Sicht des Bordnetzentwicklers ist das System als Modelle für die 14V- bzw. 42V-Bordnetzarchitektur und den Energiemanagementcontroller mit Verbindungen zu einer Restfahrzeugsimulation dargestellt. Diese Modelle mit den zugehörigen Simulationswerkzeugen sind am Entwicklercomputer installiert. Die weiteren Komponenten werden automatisch aus der Modellbibliothek geladen. Die Modelle für das Restfahrzeug werden dabei auf unterschiedlichen Computern im Netzwerk ausgeführt, auf denen die jeweilige Software inklusive der notwendigen Lizenzen installiert ist. Das resultierende, auf Co-Simulation basierende Modell eines Mildhybridfahrzeugs mit Zweispannungsbordnetz wird genutzt, um die transiente Wechselwirkungen zwischen Stromnetz und Fahrzeug in einer realistischen Art und Weise untersuchen zu können. Zahlreiche unterschiedliche Stromnetz-Konfigurationen können dargestellt und simuliert werden. Beliebige Erweiterungen, etwa um eine Hochspannungsebene für Vollhybridfahrzeuge sind einfach möglich. Abbildung 3: Strukturbild mit mechanischen Komponenten, Kühlkreislauf und Zweiebenen-Bordnetz für einen Mildhybrid Zusammenfassung und Ausblick Die Einführung einer zweiten Niederspannungsebene im KFZ wird zu einer weiteren Elektrifizierung der traditionellen mechanischen Komponenten in Pkws führen. Einerseits wird hiermit die Forderung nach Reduktion der CO2-Emissionen unterstützt, andererseits wird die Komplexität in der Entwicklung von Bordnetzen deutlich erhöht. Durch den Einsatz eines modernen Frameworks wie ICOS wird eine effiziente Entwicklung der künftigen Zwei-Spannungs-Bordnetze überhaupt erst Abbildung 4: Co-Simulationsdarstellung mit ICOS für den Mildhybrid mit Zweiebenen-Bordnetz Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF magazine Nr. 11, I-2012 Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF ermöglicht. Mittels des modularen Co-Simulationsansatzes, der anhand eines Beispiels dargestellt wurde, können unterschiedliche Stromnetzkonfigurationen auf ihre Effizienz und ihr Stabilitätsverhalten hin analysiert werden. ■ Zu den Autoren Dr. Josef Zehetner leitet den Forschungsbereich Co-Simulation und Modellbibliothek. DI Wenpu Lu forscht im Bereich Bordnetzsimulation und Modellbibliothek. Univ.-Doz. Dr. Daniel Watzenig leitet den Bereich Fahrzeugelektrik/elektronik und Embedded Software am VIRTUAL VEHICLE. 9
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