Ein Generatormodell für die Energienetzsimulation mit VHDL-AMS

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1 Ein Generatorodell für die Energienetzsiulation it VHDL-AMS Autor: Dr.-Ing. Alexander Graßann Bertrandt Ingenieurbüro GbH Lilienthalstr Gaiershei Abstract. Dieser Bericht beschreibt die Vorgehensweise bei der Diensionierung von odernen Fahrzeugbordnetzen. Es wird dabei besonders auf die Einbindung leicht araetrierbarer Generatorodelle eingegangen. Kriteriu für das Modell war der Einsatz einer standardisierten Srache, die auf unterschiedlichen Siulatoren einsetzbar ist. Siulative Verfahren sind für Fahrzeughersteller wie Zulieferer ein unverzichtbares Werkzeug, u Entwicklungszeiten und -kosten bei gleichzeitig steigender Produktkolexität weiter zu reduzieren ( Virtuelle Fahrzeugentwicklung ). 1. Einführung Durch die steigenden Anforderungen halten Siulationstechniken ier ehr Einzug in die Autoobilentwicklung. Insbesondere i Bereich Elektronik liegt ein sehr hohes Innovationsteo vor, welches ohne den Einsatz neuer Technologien nicht ehr beherrschbar wäre. Wichtige Anwendungen sind die Siulation von Steuergeräten und den dazwischen liegenden Bussysteen sowie von Bordnetztoologien. I Gegensatz zur klassischen Entwicklung elektronischer Schaltungen, in der Siulatoren seit vielen Jahren Einsatz finden, sind in der Fahrzeugentwicklung eist kolette echatronische Systee, wie beisielsweise ein Bordnetz zu siulieren. Für die Siulation eines echatronischen Systes eignet sich ein Mixed-Signal-Siulator, der sowohl analoge als auch digitale Signale verarbeiten kann. Von Anwenderseite her besteht hier in den letzten Jahren wie auch schon bei rein digitalen Systeen ein starker Druck zur Standardisierung. Man öchte in der Lage sein, Modelle zwischen unterschiedlichen Siulatoren zu ortieren, daneben soll sich der Ulernaufwand der Mitarbeiter bei Toolwechsel in Grenzen halten. Der Prograieraufwand für die Entwicklung der Siulatoren ist relativ hoch, da ein Digitalsiulator, ein leistungsfähiger Analogsiulator sowie eine gute Kolung zu ileentieren sind. Durch die starke Konkurrenzsituation ist dennoch it sinkenden Preisen für die Siulatoren zu rechnen. Derzeit koen erste Hersteller it Siulatoren auf den Markt. Bereits heute gibt es einen kostenlos erhältlichen VHDL-AMS-Siulator, allerdings ohne eine kofortable Benutzerugebung. Diese Entwicklung eröglicht auch Fahrzeugzulieferern den Einsatz von Siulatoren, da sich nun die Investitionskosten deutlich verringern. Als Beschreibungssrache scheint sich die inzwischen standardisierte Srache VHDL-AMS (Very High Seed Integrated Circuit Hardware Descrition Language for Analog and Mixed Signal) durchzusetzen. Hier wurde der aus der Entwicklung digitaler Schaltungen bekannte Standard IEEE 1076 durch analoge Eleente und Kolungseleente ergänzt. Die ufangreichen Modellierungsöglichkeiten fordern de Benutzer genaue Kenntnisse über die Bedeutung der Konstrukte ab, es ist daher eine ufangreiche Einarbeitung in die Prograiersrache erforderlich. 2. Siulation von Fahrzeugbordnetzen Aufgabe einer Bordnetzsiulation ist die Diensionierung der Energienetzkoonenten. Die steigende Zahl an elektrischen Verbrauchern, vor alle von elektrischen Heizsysteen, belastet das Energienetz ier stärker. Es ist daher genau zu untersuchen, ob die gelante Diensionierung von Batterie und Generator das Bordnetz zu allen Zeiten it genügend Energie versorgen kann und

2 ob die Startfähigkeit des Fahrzeugs gesichert ist (siehe Bild 1). Benutzer (erfahren oder unerfahren) Autoatisierter Ablauf Datenbank Batterie Verbraucher-Landschaft Sezifikation (Forular) ASCII-Datei Paraetrierung Generator Siulationen Analyse Energieanageent Ergebnisse (Office-Forat) Excel, PPT-Datei Konvertierung Bild 1: Scheatischer Aufbau eines Fahrzeugbordnetzes Zur Überwachung und Steuerung der Energieverbraucher setzen die eisten Hersteller ittlerweile Energieanageentsystee ein, die in kritischen Situationen beisielsweise Heizverbraucher abschalten. Für die Siulation des Energieanageentsystes kot eist ein signalflußorientierter Siulator zu Einsatz, der it de Mixed-Signal-Siulator zu koeln ist. I Rahen der Siulation uss nun eine Vielzahl kritischer Fahrzyklen nachgestellt werden. Dazu gehört beisielsweise eine Bergund Stadtfahrt, die jeweils i Soer und Winter siuliert wird. Wenn an diese Variationen noch it unterschiedlichen Generatoren und Batterien untersuchen will, entsteht eine große Zahl von Einzelsiulationen, die zur Verringerung der Siulationsdauer und zur Reduzierung der Kosten durch Autoatisen unterstützt werden sollten. Bertrandt setzt für seine Kunden dazu bereits seit ehreren Jahren eine Siulationsautoatisierung ein, welche die Ergebnisse weitgehend autoatisch bereitstellt. Über ein Forular lassen sich die Anforderungen an die Siulation eingeben, die Ergebnisse werden vollautoatisch in For von Poweroint- und Excel-Dateien erzeugt. Auf diese Weise ist eine Trennung von Sezifikation und eigentlicher Siulation öglich. Die Siulation kann sogar extern erfolgen, beisielsweise durch einen Dienstleister. Hierdurch reduzieren sich Lizenz- und Personalkosten, daneben wird das Ergebnis wesentlich schneller und fehlerfreier bereitgestellt. Die Autoatisierung ist jedoch auch für erfahrene Anwender von große Vorteil (Bild 2). Bild 2: Arbeitsweise der Siulationsautoatisierung bei Bertrandt Je nach Fragestellung koen unterschiedliche Modelltyen für Generatoren zu Einsatz. Für die Untersuchung einzelner Stroiulse verwendet an detaillierte hysikalische Modelle (hochdynaische Modelle). Für diese gibt es Otiierungsrograe zur Anassung der Modellkennlinien an die Sollkennlinien. Dies erfordert jedoch einen relativ hohen Aufwand, so dass an Generatorodelle häufig durch Tabellenodelle abstrahiert, was für die Siulation von Energiebilanzen ausreicht und die Rechenzeit erheblich reduziert. Die Messtabellen des Generators sind nun direkt in das Modell einlesbar. Es ist öglich, ehrere Tabellen in eine Modell zu verarbeiten, beisielsweise je eine für Strolieferfähigkeit, Regler und Teeraturverhalten. 2. Erzeugung eines Tabellenodells Bild 3 zeigt scheatisch den Aufbau eines Generatorodells. d Regler Stroerzeugung Getriebe i Sollsannung Bild 3: Scheatischer Aufbau eines Generators Gleichrichter Klee

3 Die wesentliche Ausgangsgröße ist der erzeugte Stro. Dieser wird durch die Reglersannung eingestellt und ist durch die Strolieferfähigkeit begrenzt. Die Strolieferfähigkeit ist abhängig von, Teeratur und Ausgangssannung des Generators. Bei der Veressung entsteht ein Kennlinienfeld, das vergleichbar ist it der Grahik in Bild 4. Zwischen den bekannten Stützstellen ist eine Interolation erforderlich, deren Algorithus für den Fall einer linearen eindiensionalen Interolation in Bild 6 zu sehen ist Strolieferfähigkeit Generator 140A, war, Ugebung 25 C (A) : drehzahl (U/in) i_gen 15V i_gen 13.5V i_gen 12.5V i_gen 11V (A) k 2.0k 3.0k 4.0k 5.0k 6.0k 7.0k 8.0k 9.0k 10.0k 11.0k 12.0k 13.0k 14.0k 15.0k Bild 4: Strolieferfähigkeit eines Generators Bild 5 zeigt die Ein- und Ausgangsgrößen der Tabelle. Zwischen Generatorstro und -sannung ist eine ilizite Rückkolung erforderlich, die i Siulator verarbeitbar sein uss. Teeratur Sannung drehzahl (U/in) Reglersannung Tabellenbasiertes Modell Generatorstro Algorithus: Die in der Tabelle erfassten Stützstellen seien s1 - s3. Die zugehörige Messwerte cc1 cc3 werden linear interoliert. Links von s1 und rechts von s3 wird die Interolierende linear fortgesetzt. Bei Werten kleiner Null wird die Interolierende Null gesetzt. Bild 6: Interolationsalgorithus des Tabellenodells Es ist also eine Kennlinienfeld, das in For einer Tabelle vorliegt, in VHDL-AMS-Code uzusetzen (s. Bild 7). Dies kann durch ein Excel-Makro erfolgen. Natürlich kann an auch alternative Interolationsalgorithen ileentieren, die dann durch den Benutzer auswählbar sind. Bild 5: Ein- und Ausgangsgrößen der Tabelle VHDL-AMS bietet in seine Srachufang kein Konstrukt zur Verarbeitung von Tabellen. Auch eine Dateischnittstelle ist nicht in allen Siulatoren enthalten, so dass für die Realisierung nur die Integration in VHDL-AMS- Konstrukte bleibt. Vorteil der Kennlinien ist Ihre Monotonie. Es lässt sich leicht eine stückweise stetige Funktion definieren, die das Verhalten der Kennlinie wiedergibt, und für die der Siulator auch jeweils einen eindeutigen Lösungsunkt findet. IF u <= u2 THEN IF T <= T2 THEN IF n <= n2 THEN Excel- Tabelle Excel- Makro VHDL-AMS-Code BEGIN break when iout'above(0.0); iout == reg_in* *interolate(te_each, rads_to_r*n_in,vout); _el == iout*vout; t_out ==(1.0/eff)* *_el/(n_in+1.0e-6); END ARCHITECTURE sr_tab; Bild 7: Usetzung der Excel-Tabelle in VHDL- AMS-Code

4 Vorteil dieser Methode ist die Siulatorunabhängigkeit, da nicht alle Siulatoren Schnittstellen zu Einlesen von Tabellen bereitstellen. Bild 8 zeigt ausschnittsweise den VHDL-AMS- Code der Interolationsfunktion it 3 Eingangsvariablen. Die Einbindung der Interolationsfunktion in den restlichen Code ist in Bild 7 zu sehen. Interolation bei Variation von T für n = 1900 und u = 10.0 Interolation bei Variation von n für T = und u = 10.0 FUNCTION interolate (T: real; n: real; u: real) RETURN real IS VARIABLE result : real; VARIABLE T1 : REAL := ; VARIABLE T2 : REAL := ; VARIABLE n1 : REAL := ; VARIABLE n2 : REAL := ; VARIABLE n3 : REAL := ; VARIABLE u1 : REAL := ; VARIABLE u2 : REAL := ; VARIABLE u3 : REAL := ; VARIABLE cc111 : REAL := ; VARIABLE cc121 : REAL := ; VARIABLE cc131 : REAL := ; VARIABLE grad1 : REAL; VARIABLE grad2 : REAL; VARIABLE oint1 : REAL; VARIABLE oint2 : REAL; VARIABLE grada : REAL; VARIABLE gradb : REAL; VARIABLE ointa : REAL; VARIABLE ointb : REAL; BEGIN IF u <= u2 THEN IF T <= T2 THEN IF n <= n2 THEN grad1 := (cc211 - cc111)/(t2 - T1); grad2 := (cc221 - cc121)/(t2 - T1); oint1 := cc111 + grad1*(t - T1); oint2 := cc121 + grad2*(t - T1); grada := (oint2 - oint1)/(n2 - n1); ointa := oint1 + grada*(n - n1); grad1 := (cc212 - cc112)/(t2 - T1); grad2 := (cc222 - cc122)/(t2 - T1); oint1 := cc112 + grad1*(t - T1); oint2 := cc122 + grad2*(t - T1); gradb := (oint2 - oint1)/(n2 - n1); ointb := oint1 + gradb*(n - n1); grad := (ointb - ointa)/(u2 - u1); result := ointa + grad*(u - u1); IF result < 0.0 THEN RETURN 0.0; ELSE RETURN result; END IF; ELSIF n <= n3 THEN Bild 8: VHDL-AMS-Code des Generatorodells (Ausschnitt) Bei den untersuchten Testfällen gab es keine Konvergenzroblee. Eine Testbench zur Modellverifikation lieferte die geforderten Werte (s. Bild 9). Von den Größen u (Generatorsannung), T (Teeratur) und n () wurde jeweils nur eine variiert und der sich ergebende Stro erittelt. Interolation bei Variation von u für T = und n = 1700 Bild 9: Siulationsergebnisse bei Verifikation des Generatorodells durch eine Testbench 4. Integration in ein virtuelles Fahrzeugbordnetz Anschließend wurde das Modell in ein vereinfachtes VHDL-AMS-Fahrzeugbordnetz eingebaut, das freundlicherweise vo MSR- Arbeitskreis zur Verfügung gestellt wurde (Bild 10). Bild 10: Integration des Generatorodells in ein virtuelles Fahrzeugbordnetz Auch hier lieferte das Generatorodell die geforderten Werte und es gab keine Konvergenzroblee. 5. Ausblick Nächster Schritt wäre die Erweiterung des Bordnetzes aus Bild 10 zu eine Modell aus der aktuellen Fahrzeugentwicklung, ergänzt u eine

5 Kolung zu eine Energieanageentsyste. Die sich ergebende Perforanz wäre dann it vorliegenden Siulationen zu vergleichen. Für eine weitere Effizienzsteigerung ist die Standardisierung von Kennliniendaten erforderlich. Langfristig ließen sich so Herstellerdaten direkt in die Tabellenodelle einlesen, die Paraetrierung könnte also vollautoatisch erfolgen. 6. Zusaenfassung Bei der Bertrandt GbH wurde eine Methode zur einfachen Einbindung von Generatorkennlinien in ein Modell entwickelt. Als Prograiersrache wurde die standardisierte Prograiersrache VHDL-AMS verwendet. Generatorodelle bilden einen wichtigen Bestandteil für Bordnetzsiulationen, die für die Auslegung der Energienetzkoonenten heute unverzichtbar und gut autoatisierbar sind.