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42 Volt - Virtuelles Bordnetz
Messfahrten am PC
Autor:
Dr. Maximilian Miegler
Bertrandt AG
Birkensee 1
D-71139 Ehningen
E-Mail: info@de.bertrandt.com
Dr. Maximilian Miegler ist Teamleiter Elektronik/Simulation
in der Abteilung Elektronik/Erprobung bei Bertrandt in Gaimersheim.
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Gemeinsam mit den OEMs arbeitet der Entwicklungsdienstleister Bertrandt an neuen Bordnetzmodellen.
Er will den Herausforderungen der 42-Volt-Technologie mit einer innovativen Entwicklungsmethodik
gerecht werden. Mit virtuellen Bordnetzen können Engineering-Dienstleister Fahrzyklen am PC
durchfahren und neue Komponenten bereits in der Konzeptphase checken.
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Die Auslegung eines Kfz-Bordnetzes gilt als komplexe Aufgabe, die viel Erfahrung und
Fingerspitzengefühl erfordert. Der zunehmende Einsatz von Verbrauchern mit hoher Leistungsaufnahme
(Heizsysteme, X-by-Wire) erfordert überdies neue Entwicklungsansätze, da der Leistungsbedarf im
Vergleich zu derzeitigen Automobilen (durchschnittlich 1,5 Kilowatt) bis um das zehnfache ansteigen
wird.
Die 42-Volt-Technologie übernimmt die Aufgaben der Leistungsverteilung. Die Auslegung (Batterie,
Generator, Regler) hingegen erfordert neue Methoden, da Erfahrungswerte wie Drehzahl-Kollektive und
Einschaltstatistiken dem hochdynamischen Verhalten eines modernen 42-Volt-Bordnetzes nicht mehr
gerecht werden.
Neue Ansätze soll das virtuelle Bordnetz aufzeigen, das derzeit bei Bertrandt Gaimersheim in
Zusammenarbeit mit einem OEM unter Einsatz modernster Simulationswerkzeuge aufgebaut wird.
Modifikationen im virtuellen Bordnetz können wesentlich einfacher durchgeführt werden als im
Brettaufbau oder im Laborauto, so dass die Lösungsfindung einen wesentlich größeren Variationsspielraum
zulässt. Per Mausklick können Bordnetzarchitektur und Systemparameter verändert
werden, was in der Realität mit enormen Kosten verbunden wäre.
Die Systemkomplexität eines Bordnetzes stellt hohe Anforderungen an den Simulator, da die
Komponenten elektrisch, thermisch und mechanisch stark miteinander gekoppelt sind und teilweise
nichtlineares und sprunghaftes Verhalten aufweisen. Beim Startvorgang zum Beispiel ändert das
Bordnetz schlagartig seinen Systemzustand: Ein kniffliges numerisches Problem für jeden Simulator.
Der Modellaufbau erfordert daher Kenntnisse sowohl der zu modellierenden Komponenten als auch der
im Simulator eingesetzten Lösungs-Algorithmen. Das Modell wird als grafisches Blockdiagramm aus
Komponenten der Simulator-Bibliothek oder mit extern erworbenen Modellen (Zulieferer, Spezialfirmen)
zusammengesetzt.
Mit einer simulator-spezifischen Programmiersprache werden bei Bertrandt auch eigene Komponenten-Modelle
entwickelt, die auf die speziellen Anforderungen des Bordnetzes abgestimmt sind.
Die Lösungen werden auf die während der Simulation angestellten Betrachtungen abgestimmt: Die
Simulation von beispielsweise einer Ladebilanz erfordert die Betrachtung langer Zeiträume, die von
Stunden bis zu Tagen andauern können.
Schnelle transiente Schaltvorgänge spielen dabei keine Rolle. Hingegen erfolgen Spannungseinbrüche,
wie zum Beispiel Lastabwürfe, im Millisekunden-Bereich. Das wiederum lässt die Modellierung langsamer
Vorgänge (Erwärmung, Batterie-Entladung) überflüssig werden. Eine bedarfsgerechte Anpassung der
Modellgenauigkeit ermöglicht die Simulation mehrstündiger Fahrzyklen im Zeitraffer (Minutenbereich).
Jedes Komponenten-Modell verfügt über einen Parametersatz, mit dem das Modellverhalten an das
reale Verhalten angepasst wird (Modellcharakterisierung). Dabei strebt Bertrandt eine Genauigkeit von
fünf Prozent an.
Zu diesem Zweck wird ein Referenzmodell entwickelt, das einen tatsächlichen Laboraufbau wie einen
Brettaufbau oder ein Laborfahrzeug widerspiegelt.
Mit einem Laborauto können Fahrprofile aufgenommen werden. Dazu gehören beispielsweise die
Messung von Drehzahlen, Temperaturen und Strömen, die sich dann später in das Referenzmodell
einspielen lassen. Das erlaubt, das Referenzmodell mit den tatsächlichen Messdaten zu kalibrieren.
Bertrandt verfügt über umfassende Möglichkeiten zur Charakterisierung von 42-Volt-Komponenten, was
einen regelmäßigen Vergleich von Simulations- und Messdaten ermöglicht. Das abgeglichene
Referenzmodell dient nun als Entwicklungsbasis für Modifikation und Erweiterungen.
Um 42-Volt-Komponenten charakterisieren zu können, steht beispielsweise ein spezieller Batterie-Prüfstand
zur Verfügung. Ferner können leitungsgebundene EMV-Prüfungen sowie Untersuchungen der
Bordnetz-Spannungen durchgeführt werden.
Herzstück des Batterie-Prüfstands: ein sogenannter "Digatron"-Tester. Mit diesem Gerät können Batterien
sowohl für 14- als auch für 42-Volt-Bordnetze vermessen werden.
Das Bordnetz-Modell besteht aus der Batterie als Energiespeicher, dem Generator als Energieerzeuger,
den Reglern und zuschaltbaren Verbrauchern wie Lampen, Heizungen und E-Motoren. Die Komponenten
sind untereinander durch Leitungen verbunden, deren Widerstandswerte aus den Kabelbaumdaten
gewonnen werden.
Nun werden Modifikationen bezüglich Auslegung und Anzahl der Komponenten durchgeführt und nach
Simulation verschiedener Fahrzyklen - darunter fallen zum Beispiel Stadt- und Winterfahrten - die
Auswirkungen auf den Batteriezustand oder die Ladebilanz analysiert.
Die Schaltzustände der Verbraucher werden manuell vorgegeben oder aus den Messdaten ermittelt. Da
sowohl viele Verbraucher (E-Motoren, Heizelemente) als auch Batterie und Generator stark von der
Temperatur abhängen, wird auch der Kühlkreislauf modelliert und ein thermisches Netzwerk für die
relevanten Komponenten aufgebaut.
Mit dem nun komplettierten Bordnetz werden verschiedene Bordnetz-Austattungen mit unterschiedlichen
Fahrzyklen bei einstellbarer Temperatur untersucht. Die Ergebnisse werden verwendet, um
Schwachstellen zu beheben und realistische Auslegungen für Batterie und Generator zu finden.
Zudem dient das Modell als Basis für die Neu- oder Weiterentwicklung von Überwachungsmodulen und
Reglern. Die Simulationen zeigen, ob Systemzustände richtig erkannt werden und welche Auswirkungen
Regeleingriffe auf Ströme und Spannungen im Bordnetz nehmen (Überschwinger, Unterspannung, Oszillationen).
Auch der Austausch von Komponenten wie Batterie, Generator oder Heizsystem sowie die Auswirkungen
auf das Bordnetz und auf den Fahrbetrieb können analysiert werden. Das virtuelle Bordnetz wird derzeit
hauptsächlich auf die Betrachtung der Energiebilanz bei verschiedenen Fahrprofilen ausgelegt. Zukünftig
sollen Bordnetz-Modelle so variabel gestaltet werden, dass auch Kurzzeitbetrachtungen
(Spannungseinbrüche) möglich sind. Weiterhin sollen Fahrzyklus-Simulationen in der Hinsicht
automatisiert werden, dass Entwickler Bordnetz-Austattungen variieren und Simulationen über
verschiedene Parameter durchfahren können, ohne den Simulator und das Modell im Detail kennen zu
müssen.
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Abb. 1: Schaltungs-Simulation: Ausschnitt einer Schaltungs-Simulation mit
dem entsprechenden Zeitverlauf des Signals.
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Abb. 2: Modellaufbau und Varianten: Die Komponenten werden untereinander mit Leitungen
verbunden, deren Widerstandswerte aus den Kabelbaum-Daten gewonnen werden.
AE-Autor Dr. Maximilian Miegler: »Der Leistungsbedarf in künftigen Fahrzeug-Generationen wird bis um
das Zehnfache ansteigen.«
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