Simulationsunterstützte Fehlernetzerstellung für elektrische Fahrzeugantriebssysteme

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1 Simulationsunterstützte Fehlernetzerstellung für elektrische Fahrzeugantriebssysteme Vortrag beim Arbeitskreis Zuverlässigkeit mechatronischer und adaptronischer Systeme Workshop,Dresden Dr.Bernhard Kaiser, R. Tayfun Yanik Berner&Mattner Systemtechnik GmbH PRÄSENTATIONS-TITEL DATUM

2 Gliederung - Kontext & Motivation - Teilautomatische Erstellung von Component-Fault-Trees aus Simulink-Modellen - Analyse des Ausfall- und Schädigungsverhalten der Leistungsmodule mit Simscape/Simulink-Modellen 2

3 Einleitung Kontext & Motivation Quelle: Volkswagen AG Quelle: Auto-Bild Quelle: Volkswagen AG Zunahme der Anzahl und Komplexität von Assistenzsystemen im Auto ISO E/E Systeme in Kraftfahrzeugen V-Modell Sicherheitsanalyse (FMEA/FTA) SPES-XT Integration von Modellierungs- und Analysetechniken Modularer Sicherheitsnachweis Intelekt Simulationsumgebung zur Simulation von Fehlerauswirkungen Fehlerfortpflanzungs- und Maßnahmenwirkungsmodelle 3

4 Einleitung V-Modell 4

5 Einleitung V-Modell D1: Function Modelling D2: Functional Requirements Definition S1: Hazard Analysis S2: Functional Safety Concept S3: Integration of Functional Safety Requirements D3: Definition of Technical Solution S4: Analysis of Failure Possibilities of Technical Solution (e.g.. FTA, FMEA) S5: Technical Safety Concept D4: Definition of Requirements to Parts S6: Integration of Technical Requirements Legend: D = Development Activities S = Safety Activities 5

6 Gliederung - Kontext & Motivation - Teilautomatische Erstellung von Component-Fault-Trees aus Simulink-Modellen - FT und CFT - Enterprise Architect PlugIn - CFT-Generierung am Beispiel eines Simulinkmodells - Zusammenfassung und Ausblick - Analyse des Ausfall- und Schädigungsverhalten der Leistungsmodule mit Simscape/Simulink-Modellen 6

7 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen FT und CFT Fault-Tree (FT) (dt.: Fehlerbaum) Top-Down Verfahren Logische Verknüpfung von Basis-Ereignissen qualitative/quantitative Analyse Component-Fault-Tree (CFT) (dt.: Komponenten-Fehlerbaum) Komponentenbasierte Analyse Hierarchische Struktur (CFT/SubCFT) Integrierter Fehlerbaum 7

8 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen Tool als PlugIn in Enterprise Architect MDL importieren CFTs generieren CFTs visualisieren Algorithmus zur Transformation von Simulink-Modellen in CFTs Systemarchitektur Fehlermodi abhängig vom Port-Datentyp Verbindungen zwischen Subsystemen übernehmen Qualitative (und quantitative) Analysemöglichkeit Ziele Verknüpfung der Sicherheitsaktivitäten (CFT) mit der Produktentwicklung (Simulink) 8

9 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen Simulink-Modell: Drehzahlregelung DC-Motor 9

10 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen Automatisch generierte CFT-Rahmen: Drehzahlregelung DC-Motor Für jeden Simulink-Block CFT Intanzen Für jeden Port mögliche Fehlermodi in Abhängigkeit vom Datentyp (Boolean, Float) Verbindungen der Simulink-Blocke Verbindungen der CFT-Instanzen Rückführkreise noch vorhanden aufgrund Regelungskreise Verletzung der Fehlerbaumdefinition 10

11 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen Anschließende Analyse: Entfernen von Schleifen, Wahl relevanter Fehlermodi und quantitative Analyse Bessere Sicherheitsanalyse durch Simulation (Fehlerinjektion) der mit CFT verknüpften Simulink-Modelle Aussage über die Ursache-Wirkung- Beziehung 11

12 Teilautomatische Erstellung von CFT s aus Simulink-Modellen Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Methode zur Verknüpfung der Systementwicklung mit den Sicherheitsaktivitäten entwickelt und implementiert Ermöglicht arbeitsteilige Entwicklung und Wiederverwendung Ansatz für eine modulare Sicherheitsanalyse Ausblick Übernahme der Kausalitäten Erkennung von Schleifen Vernetzung mit anderen Forschungsergebnissen 12

13 Gliederung - Kontext & Motivation - Teilautomatische Erstellung von Component-Fault-Trees aus Simulink-Modellen - Analyse des Ausfall- und Schädigungsverhalten der Leistungsmodule mit Simscape/Simulink-Modellen - Technische Architektur und das generische E-Antrieb Modell - Analyse und Simulation von Leistungsbauteilen - Analyse von technischen und funktionalen Fehlerarten - FMEA-Beispiel anhand der Simulationsergebnisse - Modelloptimierung und Testautomatisierung mit dem Testplatform MESSINA - Zusammenfassung und Ausblick 13

14 Definition der Anforderungen Definition von Systemmodellen in Bezug auf Systemumfang und auf das Sicherheitskonzept Definition der Schnittstellen und der technischen Architektur 14

15 Generisches E-Antrieb Modell Realisierung verschiedener Regelungsansätze für generisches E-Antrieb Simulationsmodell Feldorientierter Regler (FOC) und Selbstregler (DTC) im Einsatz Einsatz von Motor_library und parametrisierbaren Motormodellen 15

16 Analyse von Leistungsmodulen Simulation und Analyse von Leistungselektroniken Nachbildung der Interaktion von Komponenten des Motorsteuergerätes (MSG) Zustandsgrößenüberwachung(Spannung, Strom) möglich, optimierbare IGBT-Parameter, Erweiterbarkeit durch Simscape Library_Elemente 16

17 Fehleranalyse Fehlersim 1 17

18 Fehleranalyse Fehlersim 2 18

19 Analyse von IGBT-Fehlerverhalten Spezifikation und Einbau von IGBT-Fehlerarten (z.b. Kurzschluss, Sperre) in das Simulationsmodell Simulation des Ausfall- und Schädigungsverhaltens der Leistungsmodule hinsichtlich verschiedener Fehlerkombinationen Ursache-Wirkungsmechanismen, Projektion der Fehlereffekte auf Systemebene 19

20 Analyse von Sensorfehler Definition und Spezifikation von Sensorfehlerarten hinsichtlich der technischen Systemelementen(Resolver, Shunt) Implementierung von Fehlern in der Simulationsumgebung Analyse von Reglerverhalten auf Messstörungen Iabc_out Resolver_out Iabc_in Resolver_in 20

21 FMEA-Beispiel 21

22 Fehlersimulation 1: IGBT Kurzschluss bei 0,5s Phase a Phasenströme 0 22 Drehzahlverlauf Drehmoment

23 Kettenreaktion-Fehlernetz bei Fehlerfall 1 Bremsmoment 23

24 Fehlersimulation 2: Phasenstromsensor -1- Sensor stuck Gnd bei 0,5 s Phase a Phasenströme 24 Drehzahlverlauf Drehmoment

25 Kettenreaktion-Fehlernetz bei Fehlerfall 2 Sensor stuck at Gnd führt zu Sinuskommitierung wird gestört führt zu führt zu Rippelerzeugung unerlaubte Drehmomenterzeugung 25 Rippel+Drehmomenterzeugung

26 Model in Loop(MiL) - Messina Testona Manual / Panels Java ET OpenLoop Test, Testcase Engine (Java) Signal Pool, Control & Configuration 26

27 Messina MiL-Aufbau SimScape/Simulink Modell Messina Signalpool I/O_Regler I/O_Bridge I/O_Motor Messina RealTime Testbed 27

28 Modelloptimierung&Testautomatisierung: Leistungselektronik (Co-Evaluation) PWM IGBT-Brücke (BLACK BOX) U_a U_b U_c IGBT-Fehlerfälle - Kombination der IGBT-Fehler und Prüfung der Wirkung auf das Systemverhalten. - 3 Arten von IGBT-Fehlern werden betrachtet (Kurzschluss, OC und nieder/hochohmig) Einfluss der thermischen, mechanischen Größen - eventuelle Implementierung von einfachen thermischen und mechanischen Modellen - mehrfache Testdurchführung, breite Abdeckung von physikalischen Wirkungsgrößen, bzw. Systemzuständen Messina Testbed IGBT-& Diodenparameter Bauteilparameter - Optimierung von IGBT und Diodenparametern 28

29 Integration von Modellwerkzeugen SUT (Model) UML Model1 ML/SL Model2 TC Signal pool

30 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Realisierung einer generischen Simulationsumgebung für die Fehleranalyse in Elektroantrieben Abbildung von Bauteilfehlerauswirkungen auf Fahrzeugebene Modularer Aufbau, ermöglicht das Erweitern bzw. Anpassung der technischen Architektur Ausblick Validierung und Optimierung von Fehlerverhalten mithilfe der Messdaten Erweiterung des Fehlernetzes mit Kausalmodellen Einsatz und Integration verschiedener Modellwerkzeugen(z.B. Modellica) Verzahnung des Vorgehens mit dem CFT-Ansatz 30

31 SPES-XT(01IS12005Q) & Intelekt(16EMO0019) 31 PRÄSENTATIONS-TITEL DATUM