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Optimierung des Entwurfsprozesses durch den
Einsatz von Simulationen
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Neue Wege zur Dimensionierung von
Systemkomponenten im Kfz-Bordnetz
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Einleitung
Time-to-Market, Prozeßoptimierung und Reduzierung der Entwicklungskosten sind heute
wesentliche Bedingungen beim Entwurf von Systemkomponenten (Steuergeräte, Generatoren,
Batterien und andere Mechatronikbaugruppen) im Automobilbereich. Dieser Artikel soll dazu
dienen, neue Wege und Möglichkeiten zur Optimierung des Entwurfsprozesses durch den
Einsatz von Simulationen aufzuzeigen. Aus technologischer Sicht werden die Anforderungen an
Baugruppen bezüglich steigender Funktionalitäten, Genauigkeit und Zuverlässigkeit beständig
erweitert, wobei versucht wird, die Entwicklungszeiten zu reduzieren. Simulation ist ein wichtiges
Instrument, dieser Herausforderung zu begegnen.
Bertrandt beteiligt sich sowohl im Vorfeld als auch während einer Komponenten- entwicklung
daran, die Kunden mit Simulationen im gesamten Entwicklungsprozeß zu unterstützen bzw. die
Entwicklungen zu verifizieren. In der Abteilung Automobilelektronik der Bertrandt
Fahrzeugtechnik GmbH in Ehningen wird, wie auch in anderen Niederlassungen der Bertrandt-
Gruppe, in verschiedenen Projekten daran gearbeitet, die Kunden - beispielsweise
Kraftfahrzeughersteller und -zulieferer - mit Hilfe von Simulationen bei der Auslegung ihrer
Bordnetze in der gesamten Entwicklungskette zu unterstützen.
Problemfeld der Simulation
Die meisten Simulationswerkzeuge können nur durch besonders spezialisierte Fachkräfte
bedient werden. Ursachen dafür sind oftmals die vielfachen Einstellungsvariationen der
Simulationsparameter, die detaillierte Kenntnisse der Software erfordern. Ebenso notwendig
sind fundierte physikalische und mathematische Kenntnisse, um die Simulation auswerten,
Modelle entwickeln oder bewerten sowie Fehler auffinden zu können. Die Anschaffung von
Simulatoren und die Ausbildung der Spezialisten verursachen erhebliche Kosten. Hinzu
kommen die Aufwendungen für die Modellierung von Systemkomponenten und die neben den
Spezialkenntnissen notwendige Systemkenntnis des Gesamtfahrzeugs. Zur Senkung ihrer
Kosten, übertragen die Hersteller Testversuche und Untersuchungen an Simulatoren an externe
Entwicklungspartner. Um die Aufträge der Hersteller optimal abzuwickeln, verfügt Bertrandt
über eine technisch hochwertige Ausstattung und die entsprechende Spezialisten im
Unternehmen. Dadurch ist eine frühzeitige Verifikation der Baugruppen in der gesamten
Prozeßkette möglich.
Die Simulation hat sich in vielen Entwicklungsbereichen als wichtiger (integraler) Bestandteil
des Entwurfsprozesses etabliert. Bei der Dimensionierung von Karosseriebauteilen wird
heutzutage kaum ein Entwickler auf die Ergebnisse der Crash-Test-Simulation verzichten
wollen. In anderen Bereichen, wie z.B. dem Entwurf elektronischer Schaltungen und
Steuergeräte, können mit Hilfe von Simulationstools sehr komplexe Abläufe und Funktionen
frühzeitig überprüft und das Design den Anforderungen entsprechend angepaßt werden. Man
hat erreicht, daß diverse Prozesse durch Simulation virtuell im Rechner nachgebildet werden
können. Dadurch können frühzeitig Funktionsuntersuchungen durchgeführt werden ohne über
einen Prototypen zu verfügen. Neue Designüberlegungen lassen sich sehr einfach und
kostengünstig am Rechner auf ihre prinzipielle Realisierbarkeit mit verschiedenen
Anforderungsmerkmalen testen, ohne dies in realer Hardware fertigen zu müssen. Simulation
wird den Funktionsprototypen zwar nie vollständig ersetzen, kann aber helfen, die
Untersuchungen auf einige wenige Tests zu reduzieren.
Ziel: Einsatz von interdisziplinären Simulationswerkzeugen im
Automobilbereich für
Analysen komplexer Gesamtsysteme
Das Kfz-Bordnetz stellt ein komplexes Gesamtsystem dar, das verschiedene Disziplinen wie
reine Elektronikkomponenten (Steuergeräte) mit elektromechanischen Baugruppen
(Bremssystem, ABS, Lichtmaschine usw.) vereint. Bei der Integration von neuen Baugruppen in
das bestehende Bordnetz, ist das Zusammenwirken mit anderen Komponenten oft kritisch,
wobei sich dies möglicherweise erst sehr spät bei Laborversuchen oder Erprobungsfahrten
herausstellt.
Bertrandt verwendet als Simulationswerkzeug für den Schwerpunkt Bordnetze und allgemein
elektrische Netzwerke Saber (Avanti Corporation GmbH). Neben vielen anderen Systemen
(PSpice, Ipac,..) besteht der wesentliche Vorteil darin, daß sich mit Saber verschiedene
Netzwerke verknüpfen lassen. Mit Hilfe von Saber können elektrische aber auch hydraulische
und mechanische Systeme miteinander verknüpft und auf ihr Zusammenspiel und das
Verhalten untersucht und analysiert werden. Entwurfskriterien und Lastenhefte werden dadurch
schon frühzeitig prüf- und verifizierbar.
In einem Beispiel, der Modellerstellung eines DC-Motors mit Schneckengetriebe, sollen die
diskutierten Möglichkeiten dargestellt werden. Modelliert ist das Anlaufverhalten und die
dynamische Stromaufnahme. Die physikalische Informationen (Konstruktive Parameter,
Widerstand, Induktivität, Übersetzungsverhältnis) müssen durch den Systemhersteller zur
Verfügung gestellt werden. Diese werden als Parameter in die Modelldarstellung übernommen.
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Abbildung 2: Saber-Schaltbild
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Das Ausgangssignal (Abbildung 3) zeigt die Stromaufnahme und das Drehverhalten der dem
Motor nachgeschalteten Getriebewelle.
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Abbildung 3: Ausgangssignal
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Zu untersuchen war die Ansteuerung und damit die Frage: Kann das Anlaufverhalten des
Motors durch ein PWM-Signal optimiert werden oder ist die Beschaltung mit einer
Gleichspannung für das gewünschte Anlaufverhalten ausreichend?
Der beschriebene Lösungsweg zeigt hier die enge Zusammenarbeit eines Engineering-
Dienstleisters mit einem Hersteller. In diesen Prozeß müssen auch die Zulieferer der
Systemkomponenten mit einbezogen werden.
Für die Darstellung eines Systems sind Modelle der einzelnen Elemente (Komponenten) des
Systems erforderlich, die das charakteristische und zu untersuchende Verhalten wiedergeben.
Die Modellerstellung kann nur durch den Austausch der physikalischen (und
fertigungsbedingten) Parameter erfolgen (Meßwerte). Dies erfordert den Zugriff auf Daten des
Systemherstellers durch den Dienstleister (und/oder Hersteller). Da diese Informationen
(Parameter) zum größten Teil die Kompetenz und das Kernwissen der Systemlieferanten
darstellen, ist der Datenaustausch und die Kooperation nur auf Basis einer übergreifenden und
gewollten Partnerschaft aller im Projekt beteiligten Firmen möglich. Das gleiche gilt für die
Integration eines erstellten Modells einer Systemkomponente in die "Simulationslandschaft".
Die Modellerstellung einer Bordnetzkomponente erfordert also nicht nur die Hersteller-angaben,
sondern auch noch einen hohen Anspruch an Meß- und Versuchstechnik, um die erhaltenen
Simulationsdaten des Gesamtsystems stichhaltig mit realen Ergebnissen von
Bordnetzmessungen absichern zu können.
Bertrandt verfügt in Ehningen über große Erfahrung im Elektronik- und Versuchsbereich. Damit
kann Bertrandt die Prozeßkette von der Simulation bis zur Verifikation komplett in einem Haus
abbilden. Die gesamte Modellerstellung und Pflege wird in enger Zusammenarbeit mit der
Fachabteilung "Versuch" (Meßtechnik) abgestimmt. Die Modelle werden zur Überprüfung mit
den gleichen Testschaltungen, die zur Meßwerterfassung verwendet wurden, geprüft. Erst
nachdem das Modell in allen Testdurchläufen das gleiche Verhalten aufweist, wird dieses in die
Modellandschaft integriert.
Natürlich werden die aus der Simulation gewonnen Erfahrungen nie die Meßtechnik ersetzen.
Sie können jedoch dazu dienen, den Meßtechnikaufwand auf die kritischen Situationen zu
reduzieren und natürlich durch paralleles Vorgehen die Entwicklungszeiten zu verkürzen.
Autoren:
Dipl.-Ing. Andreas Lipski ist seit Oktober 2000 Leiter der Abteilung Automobilelektronik bei der
Bertrandt Fahrzeugtechnik GmbH in Ehningen. Er hat an der Uni Stuttgart Elektrotechnik mit
den Schwerpunkten Nachrichten- und Softwaretechnik studiert.
Dipl.-Ing. Oliver Eder hat an der Fachhochschule Karlsruhe Sensorsystemtechnik studiert und
arbeitet seit August 1999 im Bereich Simulation und Elektronikentwicklung in der Bertrandt
Fahrzeugtechnik GmbH in Ehningen.
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