BORDNETZAUSLEGUNG MIT EINEM SIMULATIONSWERKZEUG VON DER ANFORDERUNG BIS ZUR SERIE ENTWICKLUNG BORDNETZ

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1 ENTWICKLUNG BORDNETZ BORDNETZAUSLEGUNG MIT EINEM SIMULATIONSWERKZEUG VON DER ANFORDERUNG BIS ZUR SERIE Durch die steigende Vernetzung im Fahrzeug und darüber hinaus mit dem Internet wächst die Komplexität der elektrischen und elektronischen Systeme, Komponenten und Funktionen. Um diese zu beherrschen, ist die Bordnetzentwicklung mittels Simulation bereits heute ein wichtiges Instrument, um leistungsstarke und ausfallsichere Bordnetze auszulegen. Bosch Engineering unterstützt die Bordnetzauslegung von der Anforderung bis zur Serie mit einem leistungsstarken Simulationstool, das sich jetzt auch für Elektro- und Hybridantriebsentwicklungen eignet. 268

2 AUTOREN ROMAN LAHMEYER ist Teamleiter für Simulation bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. CHRISTOPH PREHL ist Projektleiter für Bordnetzsimulation bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. DONGDAO ZHANG ist Ingenieur für Systementwicklung bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. BORDNETZAUSLEGUNG DURCH SIMULATION Die Zahl elektrischer und elektronischer Komponenten und Systeme im Auto sowie deren Vernetzung wächst stetig. Das erhöht die Komplexität im Gesamtverbund Fahrzeug. Diese Komplexität muss beherrscht werden, und das optimale Auslegen und Steuern komplexer Bordnetze und Fahrzeugsysteme wird zur wichtigen Kompetenz in der Fahrzeugentwicklung. Die Bosch Engineering GmbH setzt hierfür unter anderem auf die Bordnetzauslegung durch Simulation über die gesamte Prozesskette einer Fahrzeugentwicklung und über Systemgrenzen hinaus: vom Antriebsstrang und effizienten Nebenaggregaten bis hin zu Sicherheits-, Assistenz- und Komfortsystemen sowie deren Zusammenwirken im Gesamtfahrzeug. Die Bordnetzauslegung durch Simulation basiert auf einer neuen leistungsfähigen Software. Diese kann sowohl für die Bordnetzentwicklung eines konventionellen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, für Motoren mit alternativen Kraftstoffen als auch für die Antriebsstrangentwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. BORDNETZSIMULATION IM V-MODELL Bei der Auslegung von Fahrzeugbordnetzen wird als Grundlage das 1979 vorgestellte V-Modell verwendet, das auf dem Wasserfallmodell basiert. Im V-Modell wird der Bordnetz-Entwicklungsprozess V-förmig durchlaufen, ➊. Jeder Entwicklungs zyklus im V-Modell beginnt mit der Definition der Anforderungen, gefolgt von einer Konzept- und Layoutphase. In dieser wird die grundlegende Architektur für das spätere Bordnetz definiert. Im Anschluss folgen die Auswahl konkreter Komponenten und die Definition der Anforderungen an die Funktionen für Energie- und Fahrzeug- Managementsysteme. Sind alle Anforderungen, Funktionen und Komponenten definiert, ist das Design des Bordnetzes festgelegt und wird freigegeben. Es folgt eine Modell- und Systemverifikation mit zahlreichen Messungen und Simulationen. In einem letzten Schritt vor der Serienfreigabe werden typische Use Case - und spezielle Worst Case -Szenarien validiert. Die Bordnetzauslegung durch Simulation unterstützt die Fahrzeugentwicklung besonders effektiv, wenn ein Simulationswerkzeug eingesetzt wird, das alle Entwicklungsprozesse abdeckt. In der Vergangenheit wurden vielfach Simulationswerkzeuge genutzt, die beispielsweise die Bordnetzauslegung während der ersten Schritte im V-Modell unterstützten, jedoch nicht die notwenige Detaillierung für alle Prozessschritte bis zur Serienfreigabe enthielten. Wiederum andere Softwareprodukte hatten ihren Schwerpunkt in der zweiten Hälfte des V-Modells und konnten überwiegend für Detailsimulationen, umfangreiche Tests und Verifikationen angewendet werden. Moderne Simulationswerkzeuge können heute von der Anforderung bis zur Serienfreigabe entlang des gesamten V-Modell eingesetzt werden. Sie erfüllen somit einerseits den Kundenwunsch, grobe Systemauslegungen in kurzer Zeit und ohne aufwändige Messungen der finalen Komponenten zu erstellen. Andererseits kann jeder Kunde mit ihnen spezifische und detaillierte Simulationen seiner gewünschten Archi- ➊ Bordnetzauslegung mit dem V-Modell 04I Jahrgang 269

3 ENTWICKLUNG BORDNETZ ➋ Übersicht der Software für die Bordnetzauslegung tektur bis zur Freigabe für die Serie vornehmen. EIN TOOL VON DER ANFORDERUNG BIS ZUR SERIE Bosch Engineering hat ein neues und erweitertes Werkzeug für die Bordnetzauslegung entwickelt, das die Kriterien nach einer ganzheitlichen Unterstützung entlang aller Prozessschritte im V-Modell erfüllt, ➋. Der Anwender definiert zunächst seine Anforderungen an das Bordnetz und wählt Komponenten aus, die aufgrund von Gewicht, Bauraum und Leistungskategorie für seine gewünschte Bordnetzarchitektur geeignet sind. Dafür verfügt das Simulationswerkzeug über fest hinterlegte und modular aufgebaute Parametersätze von speziell ermittelten Stützpunktparametern. Diese können durch Skalierung der jeweils hinterlegten Parametersätze beliebig angepasst werden. Beispielsweise kann die Generatorgröße in Schritten von jeweils 10 A ausgewählt werden. Mit diesem Vorgehen ist ein schnelles und einfaches Design des DISCOVER YOUR VISIONS Sept Messe Stuttgart Veranstalter: Parallelveranstaltung COMPOSITES EUROPE Tickets sind gültig für beide Veranstaltungen.

4 Bordnetzes möglich. Nach der groben Bordnetzauslegung erhöht sich der Detaillierungsgrad. Die einzubauenden Komponenten und Teilsysteme werden schrittweise konkretisiert, und die gegebenenfalls vorhandene elektrische Energiemanagement-Funktion (EEM) wird getestet. Per Mausklick lassen sich dafür die bisher skalierten Parameter der virtuellen Komponenten gegen genaue Parameter realer Komponenten austauschen und im Bordnetzmodell einsetzen. Dafür verfügt die Software über eine umfangreiche Modellbibliothek mit Parametersätzen für Komponenten unterschiedlicher Größen und Hersteller. Wahlweise können auch die Datensätze neuer Komponenten durch zum Beispiel Prüfstandsmessungen bestimmt werden. Sind alle Komponenten definiert, lassen sich verschiedene Bordnetzkonfigurationen mit dem Simulationswerkzeug bewerten und vergleichen sowie Betriebsstrategien und Systemfunktionen entwickeln. Neben der Auswahl der optimalen Bordnetzkomponenten, zum Beispiel Batterie und Generator, kann mit der Bordnetzsimulation die Ladebilanz simuliert und verbessert werden. Ziel ist es, durch die Komponentenauswahl ein stabiles Bordnetz mit positiver oder ausgeglichener Ladebilanz zu entwickeln. Das Simulationsmodell ermittelt dafür den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs. Diese Information wird beispielsweise für die Bewertung von EEM-Funktionen genutzt. Die Berechnungen des Kraftstoffverbrauchs beruhen entweder auf Prüfstandsmessungen oder auf Applikationsdaten der Motorsteuerung. In beiden Fällen sind im Simulationsmodell alle erforderlichen Funktionen hinterlegt, beispielsweise ein erhöhter Kraftstoffverbrauch bei Motorwarmlauf. Dafür sind die Parameter für Verbrennungsmotor-, Batterie- und verschiedene Verbrauchermodelle temperaturabhängig integrierbar. In der Bordnetzsimulation können die elektrischen Verbrauchermodelle wahlweise als passive oder aktive Verbraucher hinterlegt werden. Bei passiven Verbrauchern wählt der Anwender beim Start der Simulation, ob diese aktiviert oder deaktiviert sind, sowie deren entsprechende Verbrauchswerte. Ein typischer passiver Verbraucher ist der Scheibenwischer. Da die Simulation keinen zeitlich begrenzten Niederschlag abbilden kann, aktiviert oder deaktiviert der Anwender den Scheibenwischer vor der Simulation. Dies ist erforderlich, da das Modell in wesentlichen Teilen als Rückwärtssimulation arbeitet. Das bedeutet, das Modell reagiert nicht auf einen Fahrwunsch, sondern auf die hinterlegten Zyklen (Geschwindigkeit, Ein-/Ausschaltzeiten). Diese Zyklen sind frei programmierbar und können zum Beispiel aus vorherigen Messungen übernommen oder synthetisch generiert werden. Verbraucher wie der Motorlüfter werden meist als aktive Verbraucher in der Bordnetzsimulation hinterlegt. Steigt die UNSER ERFOLGSREZEPT IST KEIN GEHEIMNIS FUNKTIONEN DES SIMULATIONSWERKZEUGS 04I Jahrgang QSZH-125 EIN NEUES KONZEPT FÜR DIE VERSIEGELUNG VON KABELVERBINDUNGEN Der Quick Sealing Zero Halogen 125 C (QSZH-125) ist ein zugelassener doppelwandiger Wärmeschrumpf- schlauch, der speziell zur Abdichtung gegen schädliche Umwelteinflüsse im Motorraum von Kraftfahrzeugen entwickelt wurde. Das eingebaute Produkt ist extrem flach und bietet Zugentlastung, Schnitt- und Abriebschutz sowie elektrische Isolierung für integrierte Kabelverbindungen und Kabelschuhe. Er ist in fünf Standardgrößen lieferbar, um ein breites Spektrum an typischen Verbindungskonfigurationen in der industrie abdecken zu Automobilkönnen. Der QSZH-125 kann mithilfe des TE Standardsortiments an Applikationsgeräten, einschließlich des RBK-Prozessors, des M-19 Transportband-Schrumpfgerätes und des CV-OBHAT Bordwerkzeugs installiert werden. Tyco Electronics AMP GmbH a TE Connectivity Ltd. company AMPèrestraße Bensheim Telefon +49 (0) Fax +49 (0) TE Connectivity und TE connectivity (Logo) sind Marken. TEs einzige Verpflichtungen sind diejenigen, welche in den Allgemeinen Geschäftsbedingungen Verkauf ( dargelegt sind. TE lehnt ausdrücklich jede Haftung aufgrund stillschweigender Zusicherungen hinsichtlich der hier enthaltenen Informationen ab.

5 ENTWICKLUNG BORDNETZ Temperatur des Verbrennungsmotors über einen definierten Wert, schaltet der Lüfter ein beziehungsweise in die nächste Stufe. Weitere Verbraucher, zum Beispiel eine Sitzheizung, können über ein EEM beeinflusst werden. Ist die Ladebilanz zu gering, kann ein EEM elektrische Verbraucher, die lediglich dem Komfort dienen, deaktivieren. Der Anwender kann weiterhin mit der Bordnetzsimulation die Auswirkungen von EEM-Funktionen auf sein Gesamtsystem ermitteln und bewerten. Das hier vorgestellte Simulationswerkzeug enthält dafür ein EEM-Standardmodell, eine Start-Stopp-Funktion sowie eine intelligente Generatorregelung. Die Start-Stopp-Funktion schaltet unter definierten Randbedingungen den Verbrennungsmotor im Stillstand des Fahrzeugs ab, um Kraftstoff zu sparen. Die intelligente Generatorregelung dient vorwiegend zur Kraftstoffeinsparung und zur optimierten Batterieladung. Die Funktion erhöht die Sollspannung des Generators in den Schubphasen. In diesen Phasen wird kein Kraftstoff für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt, und die kinetische Energie kann genutzt werden, um die Batterie stärker zu laden. Im Gegenzug dazu wird dem Generator in den Phasen, in denen der Verbrennungsmotor Kraftstoff verbraucht und in einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet, eine geringe Sollspannung vorgegeben. Damit wird der Kraftstoffverbrauch für die elektrische Energieerzeugung im Fahrzeug minimiert. Mit dem Simulationswerkzeug können weiterhin eigene EEM-Funktionen entwickelt und getestet werden. Die Bordnetzsimulation wird in diesem Fall als Streckenmodell verwendet und für die Funktionsund Softwareentwicklung als Modell in the loop - oder Software in the loop -Umgebung verwendet. Die Simulationssoftware kann darüber hinaus zur Systemoptimierung eingesetzt werden, da eine vorhandene Schnittstelle für ein Design of Experiments genutzt werden kann. Über diese lassen sich beliebige Parameter variieren und die Auswirkungen auf das Gesamtsystem berechnen. Durch die Verknüpfung der Bordnetzsimulation mit Designof-Experiments-Tools kann die Anzahl der Simulationsdurchläufe entscheidend reduziert und die Optimierung komplexer Systeme effizienter durchgeführt werden. 272 ➌ Simulationsergebnisse mit verschiedenen Bordnetzauslegungen BEISPIELSIMULATION FÜR LAYOUT UND VALIDIERUNG Für die Beispielsimulation eines Mittelklassefahrzeugs mit durchschnittlicher Motorisierung und Ausstattung wurde bei der Simulation nach der Design- und Layout-Phase die Dimension der Bordnetzkomponenten ausgewählt, ➌. Im ersten Simulationslauf wurde das Simulationsmodell mit einem 90-A-Generator und einer 60-Ah-Batterie parametriert. Als Referenz diente der Neue Europäische Fahrzyklus. Die Ladebilanz ist hierbei ausgeglichen. Bei der Simulation des Abgaszyklus zur Bewertung des Kraftstoffverbrauchs wurden jedoch die meisten elektrischen Verbraucher deaktiviert. Zur Auslegung des Bordnetzes muss jedoch ein typischer Lastzyklus berücksichtigt werden, bei dem verschiedene Verbraucher wie Innenraumlüfter, Scheinwerfer und Radio aktiviert sind. Nach weiteren Simulationsdurchläufen wurde unter Berücksichtigung dieser Prämisse die optimale Generatorgröße für diese Fahrzeugkonfiguration auf 120 A und die Batteriegröße auf 80 Ah ermittelt. Die Ladebilanz der Batterie ist nun im Zyklus positiv, und der Ladezustand der Batterie steigt bei einem Startwert von 76 auf rund 86 % steigt. In der folgenden Validierungsphase wurde das reale Verhalten der Komponenten in der Simulation möglichst detailliert nachgebildet. Ziel der Validierung ist, Wechselwirkungen im System zu bewerten und die Bordnetzauslegung auch an den Grenzbereichen (zum Beispiel im Worst Case) zu überprüfen. Weiterhin sollen Funktionen für Betriebsstrategien (zum Beispiel EEM- Funktionen) entwickelt und deren Auswirkungen bewertet werden. Für die Validierung wurden die exakten Parametersätze der Komponenten im Versuchs-

6 PROtroniC TopLINE R Für jede Anwendung das richtige Werkzeug ➍ Vergleich von Simulations- und Messergebnissen fahrzeug bestimmt und anschließend die Simulationsergebnisse mit Messungen im Fahrzeug verglichen. Die Validierungsergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung der Simulation mit dem realen Verhalten im Fahrzeug, ➍. FAZIT Mit modernen Simulationswerkzeugen kann ein schnelles und einfaches Design des Bordnetzes in gleichem Maße erstellt werden wie detaillierte Simulationen für die Validierung und Funktionsentwicklung. Die Bordnetzauslegung durch Simulation reduziert im Vergleich zum Aufbau realer Versuchsträger somit die Kosten und spart Zeit in der Fahrzeugentwicklung. Zusätzlich kann durch den Einsatz von Design of Experiments die Optimierung der Bordnetzauslegung und die optimale Parametrierung von EEM- Funktionen besonders effizient durchgeführt werden. Die erweiterte Software für die Bordnetzsimulation von Bosch Engineering unterstützt somit den vollständigen Entwicklungsprozess nach dem V-Modell. DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: springervieweg-service@springer.com Ein Werkzeug, das Standards setzt. Die PROtroniC TopLINE bietet neue Perspektiven im seriennahen Rapid Control Prototyping: Dual Prozessor Architektur mit 1 GHz PowerPC Flexible FPGA-Technologie Integrierter Datenlogger Integrierte und konfigurierbare Signalkonditionierung und Leistungsendstufen Durchgehende Toolkette vom Modell bis hin zur Serie Für Motor, Elektro-KFZ, Hybrid, Fahrwerk, Komfortelektronik, Getriebe, Assistenten... Die Revolution für seriennahes Rapid Control Prototyping Besuchen Sie uns auf der IAA Pkw, September 2013 in Frankfurt/Main Stand der Schaeffler Gruppe! 04I Jahrgang