Frühzeitige Validierung von Bordnetzen und Energiemanagement Das Virtuelle Fahrzeug (Teil 2)

Durch die größere Funktionsvielfalt im Bereich Komfort und Sicherheit ist der Anspruch an die Zuverlässigkeit elektrischer Bordnetze enorm gestiegen. Mehr elektrische Komponenten erfordern aber einen erhöhten elektrischen Energiebedarf, der zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden muss...

Frühzeitige Validierung von Bordnetzen und Energiemanagement

Durch die größere Funktionsvielfalt im Bereich Komfort und Sicherheit ist der Anspruch an die Zuverlässigkeit elektrischer Bordnetze enorm gestiegen. Mehr elektrische Komponenten erfordern aber einen erhöhten elektrischen Energiebedarf, der zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden muss. Um diese Herausforderung elegant zu meistern und die Qualität des Energienetzes schon frühzeitig evaluieren zu können, setzen Fahrzeughersteller mittlerweile auf simulationsbasierte Entwicklungsmethoden.

Nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors muss ausreichend Energie im Bordnetz-Akku vorhanden sein, um den Startermotor mit Energie zu versorgen. So wird ein erneutes Anlaufen des Verbrennungsmotors ermöglicht. Obwohl der Motor nicht läuft, sind elektrische Verbraucher aktiv. Deren Energieversorgung muss, genauso wie für den aktiven Betrieb des Bordnetzes, gewährleistet sein. Die ausreichende Versorgung im aktiven Betrieb vermeidet ein kritisches Absenken der Bordnetzspannung bzw. regelt Spannungseinbrüche möglichst schnell wieder aus.

Moderne Bordnetze bedienen sich heute so genannter Energiemanagement-Systeme. Sie überwachen das Bordnetz und sind für die Verteilung der elektrischen Leistung zuständig. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass energetische Engpässe entsprechend behandelt werden. Dies beinhaltet zum Teil auch eine Überwachung des Bordnetz-Akkus. Zur Validierung des Bordnetzes eignet sich die Simulation der Energiemanagement-Strategien. Die Erwartungen an die Bordnetzsimulation stellt das Bild 1 dar.

Die Simulation ermöglicht virtuelle Testfahrten durchzuführen, so genannte Fahrzyklen, und das Verhalten des elektrischen Bordnetzes akkurat vorauszuberechnen. Folgende Eingangsdaten werden für die Simulation berücksichtigt:

  • Fahrprofil, z.B. NEFZ (neuer europäischer Fahrzyklus).
  • Umgebungstemperatur, z.B. Einfluss auf den Generator.
  • Ausstattung des Fahrzeugs, z.B. Verbraucher.
  • Energiespeicher und Wandler, z.B. Akku, DC/DC-Wandler.

Die Simulation liefert zur Bewertung des Bordnetzes Informationen über den zeitlichen Verlauf aller Spannungen und Ströme im Bordnetz. Der Verlauf des Ladezustands (State of Charge, SOC) des Akkumulators liegt unmittelbar nach der Simulation als Ergebnis vor. So wird ersichtlich, ob noch genügend Energie für einen Neustart des Verbrennungsmotors vorhanden ist. Auch die Auslastung des Generators steht unmittelbar nach der Simulation als Ergebnis zur Verfügung. Ob die Generatorgröße ausreichend ist oder das Energiemanagement zusätzliche Strategien einleiten muss, z.B. eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl, kann sofort bewertet werden. Durch die Berücksichtigung des Algorithmus können sehr elegant Qualität und Auswirkungen des Energiemanagements evaluiert werden.

Das Gesamtmodell und seine Architektur

Wie ist nun der Aufbau des Simulationsmodells für ein Bordnetz zu gestalten? Konzeptionell besteht das Energienetz gemäß Bild 2 aus folgenden Komponenten:

  • Generator.
  • Akku.
  • Verbraucher.
  • Energiemanagement.

Das gesamte System ist in zwei Anteile aufgeteilt, Software-Algorithmen und physikalische Komponenten, die in der Gesamtsimulation des Bordnetzes miteinander validiert werden. Dabei sind zwei Signalpfade zu unterscheiden. Zum einen die Energieleitung, über die Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden.

Zum anderen die Steuerung der Verbraucher durch das Energiemanagement. Da die Details der Vernetzung wie z.B. CAN für diese energetischen Betrachtungen außer Acht gelassen werden können, sind in Bild 2 die Steuerungen der Lasten über direkt angekoppelte Steuersignale vom Energiemanagement berücksichtigt.

Dies ist für eine frühzeitige Verifizierung des Energiemanagement-Algorithmus vollkommen ausreichend. Diese Tests wurden in der Vergangenheit konventionell durch Fahrzyklen am realen Fahrzeug durchgeführt. Sie sind allerdings sehr aufwendig und kostenintensiv. Durch den simulationsbasierten Ansatz kann nun ein virtueller Prototyp des Bordnetzes für die Evaluierung verwendet werden. Dazu wird die Modellierung der physikalischen Komponenten als auch der Software benötigt, welche für das Energiemanagement eingesetzt wird. Beide Anteile werden dann in einem Gesamtmodell, wie in Bild 3 dargestellt, konsolidiert. Die Saber-Entwicklungsumgebung von Synopsys bietet hierzu ein sehr flexibles Konzept an. Das physikalische Bordnetz wird hierzu komplett in Saber, einem physikalischen Simulator, modelliert. Er beinhaltet unter anderem den Bordnetz-Akku, Generator, Verbraucher, Fahrzyklus etc. Die Software für das Energiemanagement wird als zusätzliches Modul mit dem physikalischen Bordnetz konsolidiert. Der Code für die Software, welcher üblicherweise in Form einer Zustandsmaschine abgebildet ist, kann sowohl handgeschrieben als auch modellbasiert sein – z.B. in Matlab/ Simulink.