Power Supply Systems for highly automated or autonomous drive Archive - EEHE

Die Entwicklung und zunehmende Integration von Fahrer-Assistenz-Systemen bis zu Funktionsumfängen, die (hoch-)automatisiertes Fahren ermöglichen, bedingen die simultane Entwicklung neuartiger Energiebordnetze, die den erhöhten Anforderungen der Bordnetzverfügbarkeit gerecht werden. Das Energiebordnetz ist – stärker denn je – Teil einer sicherheitsrelevanten Infrastruktur. Insbesondere im irregulären Fahrbetrieb und in kritischen Ausnahmefällen muss das Energiebordnetz mit sehr hoher Verfügbarkeit eine Basis für einen sicheren und kontrollierten Fahrbetrieb gewährleisten. Eine erhöhte Verfügbarkeit des Energiebordnetzes erreicht man z.B. durch die Schaffung redundanter Versorgungszweige und geschickte Verteilung der Steuergeräte, die sicherheitsrelevante Funktionen bedienen. Zunächst wird ein Überblick über fehlertolerante Energiebordnetze gegeben. Dabei werden wesentlich zwei Ausprägungsformen unterschieden und deren fahrzeugbedingten Voraussetzungen aufgezeigt. Auf Basis der ISO 26262 werden zukünftige Ziele der funktionalen Sicherheit erläutert und Bezug auf die diskutierten Strukturen genommen. Unter Berücksichtigung der Erkenntnisse einer Energiebordnetzsimulation werden die elektrischen Anforderungen an elektrochemische und leistungselektronische Komponenten und deren Wechselwirkungen diskutiert. Hierbei werden insbesondere Last- und Fehlerszenarien berücksichtigt, die im Betrieb eines (hoch-)automatisiert fahrenden Fahrzeuges auftreten können.

Autor: Fabian Schipperges
Co-Autoren: tbd
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Das Kfz-Energiebordnetz ist heute aufgrund zunehmend voranschreitender Elektrifizierung und durch das Einbringen neuer Funktionen in bestehende Kfz-Architekturen deutlich komplexer als noch vor einigen Jahren. Diese Zunahme an Komplexität birgt das Risiko einer erhöhten Fehler- und somit Ausfallwahrscheinlichkeit. Kurzschlüsse, Leitungsbrüche, das unbeabsichtigte Öffnen von Steckkontakten und auch Wackelkontakte könnten häufiger auftreten. Speziell die Sensorik und Aktorik rund um das autonome Fahren führt zudem zu deutlich erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Damit werden also auch kritische Veränderungen, wie z.B. Alterungserscheinungen, relevanter und müssen ebenfalls erkennbar werden. Der hier vorgestellte Beitrag beschäftigt sich damit, die Erfüllung der steigenden Sicherheitsanforderungen mit Hilfe neuer Monitoring- und Diagnosetechniken zu unterstützen. Zu Eigendiagnosezwecken ist bereits eine große Anzahl an Steuergeräten mit Sensorik zur Überwachung ihrer elektrischen Eigenschaften ausgestattet. Zusätzlich ist nahezu jedes Steuergerät an einen Kommunikationsbus angeschlossen, welcher es ermöglicht, solche Messwerte im Rahmen einer Messwertfusion in einem zentralen Steuergerät, z.B. dem Gateway, Batterie- oder Energiemanager, zu sammeln. Durch einen weitestgehend modellbasierten Entwicklungsprozess von Energiebordnetzen sind die Initialparameter und Modelle der relevanten Komponenten entweder bereits vorhanden oder können durch eine entsprechende Modellierung und Parameterbestimmung gewonnen werden. Fehler bedeuten eine Modellveränderung. Die Komponentenmodelle für die einwandfreie Funktion müssen durch Fehlermodelle ausgetauscht werden. Die möglichen Fehler führen zu einer Permutationsmatrix, welche zu jedem möglichen Gesamtbordnetzzustand einen Vektor mit Komponentenströmen und -spannungen erzeugen kann. Durch die Fusion der vorhandenen Sensordaten in einem zentralen Punkt können nun Fehlernormen zwischen dem Messvektor und den erzeugten Lösungsvektoren aus der Simulation erstellt werden. Die kleinste Abweichung kann als wahrscheinlichster Zustand aufgefasst werden. Bei einer Berücksichtigung von Fehlermodellen der Leitungen können auf diese Weise auch kritische Zustände erkannt werden. Somit ist eine Bewertung des Leitungsnetzes zur Energieverteilung auf Basis bereits heute vorhandener Messungen möglich. In diesem Beitrag wird die theoretische Ausarbeitung der Methode vorgestellt und Schlüsselstellen werden identifiziert und diskutiert. Anschließend wird anhand eines Laborbordnetzaufbaus die Wirksamkeit der Methode validiert.

Autor: Michael Kiffmeier
Co-Autor: Prof. Dr.-Ing. Stephan Frei
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Zur Steigerung von Produktivität und Nachhaltigkeit bei der Feldbearbeitung wird eine autonome Landmaschine vorgestellt, welche über eine elektrische Leitung aus dem Energienetz gespeist wird. Die Energie wird durch speziell entwickelte Mittelspannungstechnik effizient auf das Fahrzeug übertragen. Zur Integration der elektrischen Leitung in den autonomen Arbeitsprozess wird eine Betriebsstrategie vorgestellt und erprobt. Hauptaugenmerk liegt auf der präzisen Positionierung der Leitung auf dem Feldboden durch Regelung der Leitungszugkraft bei einer Fahrgeschwindigkeit von 20 km/h. Auf Grund der Schwingfähigkeit des Systems wird ein Großteil der Dynamik durch Vorsteuerung der Trommeldrehzahl abgebildet um die Anforderungen an die Regelung zu senken. Außerdem ist eine Filterstruktur zur Unterdrückung der Eigenfrequenzen von Fahrzeug und Leitung bei der Messung der Zugkraft vorgesehen.

Autor: Dr.-Ing. Nicolai Tarasinski
Co-Autor: Julian Daubermann, M.Sc.

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Zukünftige 12V-Bordnetze im PKW stellen höhere Anforderungen an die Batterie. Während in der Vergangenheit vor allem der Start des Verbrennungsmotors im Vordergrund stand, sind heutzutage bereits weitere Anforderungen an die Stabilität des Bordnetzes hinzugekommen. Schon für Start-Stop-Fahrzeuge, die seit Jahren in Europa, mit steigender Tendenz auch in anderen Teilen der Welt im Massenmarkt Einzug gehalten haben, sind die Anforderungen an die Batterie drastisch gestiegen, sodass neue, speziell in Bezug auf die Zyklenleistung verbesserte Batterien entwickelt worden sind. Zukünftige neue Anwendungen wie beispielsweise automatisiertes Fahren erfordern eine verlässliche Energieversorgung. Insbesondere die Diagnosefähigkeit von Batterien und die Fehlererkennung sind für diese Anwendungen von hoher Bedeutung, um eine sichere Funktion zu gewährleisten und Fehler verlässlich bereits in Voraus zu erkennen. Speziell beim automatisierten Fahren wäre ein Ausfall der Energieversorgung fatal, da nicht nur die zahlreichen Sensoren, sondern auch die gesamte Steuerungselektronik fehlerfrei und ohne Unterbrechung funktionieren muss, um die sichere Funktion des Gesamtfahrzeugs sicherzustellen und somit Unfälle zu vermeiden. Für zukünftige 12V-Bordnetze kommen generell verschiedene Batterietechnologien infrage, insbesondere die altbewährte, wenn auch verbesserte Bleibatterie und die verschiedenen Ausführungen von Lithium-Ionen-Batterien. Die Anforderungen an die Batterie sollen technologieunabhängig betrachtet und bewertet werden.

Autor: Dr. Jörn Albers
Co-Autoren: Dr. Christina Antonius, Ingo Koch

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