Dieter Kraft

A process model for distributed development of networked mechatronic components in motor vehicles

Increasing demands concerning safety, economic impact, fuel consumption and comfort result in growing utilization of mechatronic components and networking of up to now widely independent systems in vehicles. The development of such a complex and networked system requires a coordinated, systematic development process. In this contribution a suitable process model is presented. It supports the verification of a domain model considering functional requirements in an early stage of development. The process model takes two different types of modeling into account. Object oriented modeling is used to describe domain models and particularly supports aspects like re-use, exchangeability, scalability and distributed development. Data flow oriented modeling especially focuses on dynamic aspects and is employed to create a simulation model. Coupling points are identified allowing an automated mapping of these two types of models.

Hybride Antriebsstränge in der Simulation

Die Integration elektrischer Komponenten in den Antriebsstrang, wie sie bei Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, hat weit reichende Auswirkungen auf das Gesamtsystem Fahrzeug. Die Wechselwirkung neuer und modifizierter Teilsysteme und Komponenten konnen als eines der komplexesten Verbundfunktionen hinsichtlich Verbrauchseinsparung und Emissionsreduktion betrachtet werden. Dieser Beitrag zeigt, mit welchen Verfahren die Robert Bosch GmbH HEV-Komponenten (HEV= Hybrid Electric Vehicle) entwickelt.

Komponenten des Hybridantriebs

Der Verbrennungsmotor liefert die gesamte in einem Hybridfahrzeug umgesetzte Energie (auser beim Plug-in-Hybrid), weshalb seine optimale Auslegung bei Hybridkonzepten eine wesentliche Rolle spielt. Die Leistung, die der Verbrennungsmotor liefern soll, hangt von dem gewahlten Hybridkonzept ab. Parallelhybride als Vollhybridvariante haben meist einen starkeren Elektromotor und konnen deshalb mit einem relativ kleinen Verbrennungsmotor kombiniert werden, wohingegen beim Mild- oder Mikrohybrid der Antrieb masgeblich vom Verbrennungsmotor erfolgt. Bei einem seriellen Hybrid wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Bewegungsenergie in der Regel nicht direkt zum Vortrieb verwendet, sondern in elektrische Energie umgewandelt, die gegebenenfalls in der Batterie zwischengespeichert wird und den Elektromotor fur den Antrieb versorgt. Die Auslegung des Verbrennungsmotors richtet sich also sehr stark nach dem Einsatzzweck des Fahrzeugs und nach der Antriebsstruktur.

Simulation und Auslegung

Die komplexe Entwicklungsaufgabe der Auslegung eines Hybridantriebes mit einer Vielzahl von Wechselwirkungen und Abhangigkeiten kann mit modellgestutzten Entwicklungsmethoden beherrscht werden. Abbildung 5.1 zeigt die unterschiedlichen Komponenten des Hybridantriebsstranges und verdeutlicht die Abhangigkeiten. Spannungslage und Maximalstrom der Batterie beeinflussen direkt die mogliche mechanische Abgabeleistung der elektrischen Maschine. Fur eine optimale Leistung mussen diese beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden. Die Grose der elektrischen Maschine wiederum entscheidet uber ein mogliches Downsizing des Verbrennungsmotors. Nicht zuletzt bestimmen die einzelnen Komponenten und deren aktueller Zustand uber den moglichen Einsatz im Fahrbetrieb.

Hybrid powertrain systems in simulation

Integrating electrical components in powertrain systems as used in hybrid vehicles has far-reaching effects on the overall vehicle system. Interactions between new and modified sub-systems and components can be considered as one of the most complex interconnected functions for fuel saving and emission reduction. This article shows how Robert Bosch GmbH, Germany, develops HEV components ((HEV=Hybrid Electric Vehicle).

Modeling and simulation of future vehicle powernets

Future vehicle electrical systems will differ substantially from current ones due to rising requirements. For example driver-assistance and drive-by-wire systems will lead to novel and demanding electrical load profiles which in turn will pose new requirements on the electrical system. Furthermore safety concepts, reliability, availability and diagnosis are getting increasingly important in such systems and thus also in the vehicles electrical system. In order to meet the upcoming requirements new concepts for future vehicle electrical systems have to be developed such that the new powernet is able to adapt flexibly to different situations or failures by routing the energy through different channels. For efficiency the corresponding development process should be based on modeling and simulation techniques. Depending on the design or analysis task, the powernet is represented through different modeling descriptions. One representation is the description with function objects which can be arranged modularly or hierarchically. For computation of reliability and other characteristics of electrical system topologies the net is represented as a graph or flow network. For the description of the global network state and the local states of the subsystems the power distribution points are described as discrete event systems. The modeling methodology developed in this work is a core competence, needed to design future vehicle electrical systems with regard to safety and reliability.

Network-Based Modeling and Simulation of Future Vehicle Electrical Systems

Abstract Todays vehicle electrical systems supply a large number of essential driving functions. Due to the increasing system complexity reliability of electrical energy and safety issues become increasingly significant. Safety-relevant systems like driver-assistance and drive-by-wire take over vital tasks. Safety concepts, reliability, availability and fault diagnosis of vehicle electrical power supply must be therefore thoroughly designed. The powernet of the future should be able to adapt to different system situations or failures. In this paper modeling the powernet is represented by different descriptions like a topology graph or a state description. The modeling and analysis techniques shall contribute to design future vehicle electrical systems with regard to reliability, availability and safety.

Model-Based Design & Rapid Prototyping

Abstract Mastering complexity of embedded automotive systems while not compromising quality is one of the main research topics in embedded systems. The SEA-Design Chain based on rich component models provides early validation results for nonfunctional properties of embedded automotive systems. While rapid prototyping systems are well established for early functional validation, they will assume an additional role in the SEA-Design Chain in validating architectural models used for the ECUs microcontroller specification.

Automated risk estimation based on fault trees and fuzzy probabilites

Abstract In this contribution a safety analysis applicable in early phases of product development based on the CARTRONIC function structure and termed CARTRONC based safety analysis (CSA) is introduced. It comprises a qualitative risk evaluation to identify safety critical elements and assess the placement of safety measures as well as a quantitative approach where failure probabilities are calculated, consequences evaluated and a risk entity estimated by a rule based fuzzy methodology founded on an automatically generated fault tree from the function structure. Abstract safety measures suitable to use in early phases of product development are brought to attention which can be used for verifying safety related improvements of the function structure.

Einsatz der Max-Plus/Min-Plus Algebra zur automatisierten Sicherheitsanalyse (The Application of Max-Plus/Min-Plus Algebra for an Automated Safety Analysis)

Abstract In dem vorliegenden Artikel wird ein Verfahren zur binären Beschreibung von verteilten ereignisdiskreten Systemen vorgestellt. Dieses wird als Grundlage für eine Sicherheitsanalyse in einer frühen Phase der Systementwicklung und zur automatisierten Ermittlung von Fehlerabhängigkeiten eingesetzt. Hierzu wird eine Systemgleichung verwendet, die ähnlich zu der Zustandsraumdarstellung der konventionellen Systemtheorie ist. Dabei erfolgt die Auswertung der Systemgleichung durch Anwendung der Max-Plus/Min-Plus Algebra. Die Vorgehensweise wird anhand des Beispiels eines vereinfachten Bremssystems erläutert.