48 V-Bordnetz
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Vor dem Hintergrund der weiteren Effizienzsteigerung und stetig sinkender CO2-Grenzwerte im Automobilbereich hat sich das Aufgabenspektrum der Bordnetzentwicklung deutlich erweitert. Neben der anfänglich dominierenden Anforderung nach einer sicheren Energieversorgung der elektrischen Komponenten und der Sicherstellung einer ausreichenden Batterieladung finden heute weitere Aspekte in gleichem Maße Relevanz. Der zunehmende Energiebedarf, neue Komfort- und Assistenzfunktionen, eine weitere Elektrifizierung der Nebenaggregate, aber auch das automatisierte Fahren erfordern neue Impulse im Bereich des Bordnetzes und des elektrischen Energiemanagements.
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Insbesondere Dual-Batterie- und Dual-Spannungs-Bordnetze im Niedervoltbereich versprechen eine signifikant steigende Effizienz bei technologisch und finanziell moderatem Mehraufwand. Je nach Fahrzeugsegment sind entweder eine Erweiterung der etablierten 12 V Micro-Hybrid-Technologien oder eine 48 V-Mildhybridisierung denkbar. Beide Technologien profitieren von einem erhöhten Rekuperationspotential, verbesserten Stopp-Start-Systemen, neuen Funktionalitäten wie beispielsweise Segeln oder Boosten und benötigen vergleichsweise geringe Anpassungen im Antriebsstrang. Gleichwohl erfordern sie ein hohes Maß an Weiterentwicklungen im Bereich des Energiemanagements, um eine effiziente Energieverteilung und eine hohe Verfügbarkeit der verbrauchssenkenden Funktionen zu ermöglichen.
Entwicklung am Hardware-in-the-Loop Bordnetzprüfstand
Im Center for Mobile Propulsion wurde ein Hardware-in-the-Loop (HiL) Bordnetzprüfstand entwickelt, der durch sein flexibles Konzept die nötigen Freiheitsgrade zur zielorientierten Bordnetzentwicklung schafft. Ein anpassbarer Riementrieb stellt den mechanischen Antrieb des Energiewandlers von der konventionellen Lichtmaschine bis hin zur 48 V E-Maschine sicher. Auf der elektrischen Seite sind variable Dual-Batterie-Topologien darstellbar, über elektrisch regelbare Lasten können beliebige Bordnetzverbraucher bis zu 1050 A emuliert werden. Eine hochpräzise Messtechnik macht alle mechanisch wie auch elektrisch relevanten Größen verfügbar. Der Bordnetzprüfstand ist über einen dSPACE Scalexio HiL-Simulator an die virtuelle Prüfstandsumgebung gekoppelt. Neben der Prüfstandssteuerung erfolgen hier die Gesamtfahrzeugsimulation sowie das elektrische Energiemanagement in Echtzeit. Die wesentliche Schnittstelle zum mechanischen Aufbau ist das Drehzahl- und Lastverhalten der Antriebsmaschine, die über den riemengetriebenen Generator unmittelbar Einfluss auf das Bordnetz nimmt.
Der HiL-Bordnetzprüfstand schafft damit notwendigen Voraussetzungen zur anwendungsorientierten Entwicklung von Energiemanagementfunktionen unter realistischen Betriebsbedingungen. Weiterhin sind durch die Abbildung des physischen Bordnetzes ebenso valide Aussagen über die Leistungsfähigkeit, die elektrische Energiebilanz und Spannungsstabilität des Bordnetzes möglich. Somit vervollständigt der Prüfstand den Entwicklungsprozess und erschließt erhebliches Potential zur Zeit- und Kosteneinsparung durch eine Virtualisierung von einzelnen Prozessschritten. Darüber hinaus kann eine iterative Kombination von Model- und Hardware-in-the-Loop basierten Ansätzen den Reifegrad in einer frühen Entwicklungsphase deutlich erhöhen. So kann die Modellierungsgüte anhand von Prüfstandsmessungen erheblich verbessert werden, sodass beispielweise anschließende Optimierungen der Betriebsstrategie zu validen Ergebnissen führen, die zudem wiederum am Prüfstand abgesichert werden können. Voraussetzung für eine effiziente Vorverlagerung von Entwicklungsarbeiten ist eine durchgängige Softwarearchitektur, die auf standardisierte Modell- und Komponentenschnittstellen zurückgreift. Die modellbasierte Softwarearchitektur FEV PERSIST schafft eine plattformübergreifende Werkzeugkette, die eine nahtlose Softwareentwicklung von der Simulation bis hin zur Prototypen- oder Serienanwendung ermöglicht.
Publikationen
Virtual 48V Mild Hybridization: Efficient Validation by Engine-in-the-Loop
Next-Generation Low-Voltage Power Nets Impacts of Advanced Stop/Start and Sailing Functionalities