Author: Dipl.Ing. Joachim Fröschl
Co-author: Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Herzog

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Moderne Kraftfahrzeugbordnetze zeichnen sich durch eine steigende Vielzahl von elektrischen / elektronischen Systemen zur Darstellung kundenwerter Funktionen aus. Neben der Anzahl der Systeme steigt deren Vernetzung und somit die Komplexität des Gesamtsystems erheblich. Mit der Einführung des kybernetischen Energie- und Leistungsmanagements im neuen BMW 7er wurde die systemische Strukturierung auf ein neues Niveau angehoben. Dieser Beitrag zeigt einen graphischen Ansatz zur Bewältigung der Strukturbeschreibung komplexer Systeme ausgehend von der kybernetischen Grundstruktur des kybernetischen Energie- und Leistungsmanagements. Die Koppelung der Systeme basiert auf drei Ordnungen. Dies sind die Energievernetzung, die Datenvernetzung und die Informationsvernetzung. Beispielhaft wird das kybernetische Modell des Energie- und Leistungsmanagements, aufbauend auf dem Viable System Model VSM von Stafford Beer, in einen Graphen transformiert. Es wird gezeigt, dass diese Graphen in unterschiedlicher Weise mit untereinander gekoppelt werden können. Die Koppelung der Graphen ermöglicht die Modellierung komplexer Systeme. Dabei ist diese Modellierung in ihrem Umfang nicht begrenzt. Zunächst wird das Grundmodell des Energie- und Leistungsmanagements in eine graphische Darstellung gewandelt. Anschließend werden die rekursive Anwendung des Grundmodells und dessen orthogonale Koppelung hergeleitet. In ähnlicher Weise erfolgt die graphische Darstellung der physikalischen Vernetzung und der Datenvernetzung. Die Umweltkoppelung stellt eine Erweiterung der orthogonalen Koppelung dar. Die Ordnungen lassen sich als Graphen vereinigen. Somit lassen sich die Ordnungen der Systemkoppelung als Gesamtgraph, vereinigt aus den Teilgraphen, darstellen. Die Sichtweise auf die hierarchische Ordnung des Gesamtsystems bietet das vorgeschlagene Layermodell. Die Kombination von graphischer Darstellung und dem Layermodell eröffnet die Grundlage für die Bildung von funktionalen Einheiten und Teilbordnetzen. Hierauf aufbauend werden die enthaltenen Wirkgefüge als kybernetische Feedbackstrukturen beispielhaft analysiert. Aus diesen Strukturen ergeben sich zusätzliche Eingriffsmöglichkeiten. Es erfolgt die Diskussion des entstandenen Modells unter den Gesichtspunkten des Systemdesigns und der Migration des graphisch modellierten Systems im Falle einer Änderung, Ergänzung oder im Kontext einer variablen Derivatsausprägung.

Author: Sören Schörle
Co-Author: Herr Thomas Wersal
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Der Einzug von Hybrid- und Elektrofahrzeuge in den weltweiten Straßenverkehr geht stetig voran, und damit steigt auch die Anzahl von Hersteller diverser Hochvolt (HV)-Komponenten. Im Fahrzeug hängen die verschiedensten Komponenten im selben HV-Bordnetz und müssen in diesem zeitgleich arbeiten können ohne sich gegenseitig zu stören. Im Gegensatz zum 12 V Bordnetz wird für das HV-Bordnetz nicht nur geprüft, dass die Komponenten robust gegenüber möglichen Störungen auf dem Bordnetz sind, sondern es werden zusätzlich Richtlinien und Grenzwerte vorgegeben für die Störungen die die Komponente selbst auf dem HV-Bordnetz verursachen. Deswegen wird dabei auch vom Verursacher-Prinzip gesprochen. Durch die geschirmten und verlustarmen Leitungen können sich Störungen im HV-Bordnetz besonders gut ausbreiten. Die Kunst besteht darin, Prüfungen mit klar definierten Prüfaufbauten zu erstellen, die grundsätzlich für alle Komponenten durchgeführt werden können und sicherstellen sollen, dass die verschiedenen HV-Komponenten im Verbund später störungsfrei funktionieren. Für den Frequenzbereich der EMV (> 150 kHz) sind entsprechende Prüfungen „state of the art“, für niederfrequentere Bereiche, in dem die Taktfrequenzen der Umrichter liegen, sind diese noch in der Entwicklung. Bei den Prüfungen gilt es zwischen erzeugten und anliegenden Störungen zu unterscheiden. Unter erzeugten Störungen versteht man dabei solche, die von der zu prüfenden Komponente, im Folgenden Prüfling genannt, im Betrieb erzeugt werden. Hierbei ist es besonders wichtig, dass die Bordnetznachbildung, die an den HV-Eingängen des Prüflings hängt eine klar definierte Eingangsimpedanz besitzt. Nur so kann eine Reproduzierbarkeit der Störungen auf unterschiedlichen Prüfständen gewährleistet werden. Bei den anliegenden Störungen wird hingegen die Störfestigkeit des Prüflings gegenüber externer Einflüsse getestet. Dazu wird am Prüfstand ein System benötigt welches die möglichen Störungen im Netz nachstellen kann. Der hier betrachtete Frequenzbereich reicht bis zu einer oberen Frequenz von 150 kHz, bei der das Arbeitsgebiet der EMV beginnt. Dabei werden zwei Arten von Störungen unterschieden; zum einen dynamische Veränderungen der Spannung im HV Bordnetz, beispielsweise durch Zuschalten einzelner HV Komponenten oder einer schnellen Leistungsänderung, zum anderen Spannungs- und Stromrippel verursacht durch periodisch taktende Halbleiterelemente. In diesem Beitrag soll auf die grundsätzliche Funktionsweise, aber auch auf die Problematik der Prüfaufbauten eingegangen werden. Dabei werden folgende Fragen diskutiert: Wie muss eine Netznachbildung dimensioniert werden, um dem realen Fahrzeug gerecht zu werden? Welche Probleme entstehen, wenn die HV-Batterie durch ein Netzteil ersetzt wird? Welche Leistungen werden benötigt, um die Störungen nachzustellen? Wie erfolgt die Bewertung der Prüfungen?

Author: Luise Drüner
Co-Authors: Dennis Kuhl, Prof. Ludwig Brabetz, Dr. Mohamed Ayeb
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Mit der zunehmenden Komplexität elektrisch betriebener Fahrzeuge und dem Einzug neuer Hochleistungsverbraucher in das HV-Bordnetz steigen auch die Anforderungen an die Genauigkeit und Flexibilität der Prüfmittel. Um neue Verbraucher in Kombination mit bestehenden Bordnetzen zu prüfen, muss das durch Komponenten verursachte Störverhalten am Prüfstand entsprechend reproduziert werden. Im Rahmen dieses Papers wird ein vorgegebenes Impedanzverhalten durch eine hochdynamische elektronische Last an einem Hochvoltprüfstand emuliert. Somit kann der Prüfstand flexibel das Verhalten einer Traktionsbatterie mit beliebigen weiteren Bordnetzkomponenten annehmen. Bordnetzprüfstände ersetzen in der Regel die Traktionsbatterie durch ein herkömmliches Netzteil oder einen Batteriesimulator. In dieser Arbeit wird die Traktionsbatterie durch ein herkömmliches Netzteil zusammen mit einer elektronischen Schaltung zur Emulation des Verhaltens der Traktionsbatterie ersetzt. Die Umsetzung erfolgt durch einen aktiven Impedanzemulator zwischen Netzteil und Verbrauchern, welcher die Impedanz in einem weiten Frequenzband von 100 Hz bis 250 kHz durch die Erzeugung von Wechselspannungen über den Verbrauchern einstellt. Der Sollwertverlauf für die Wechselspannung wird durch ein diskretes Filter auf einem FPGA generiert und analog im Bordnetz eingeregelt. Das gewünschte Impedanzverhalten liegt in Form von Frequenzmessdaten vor und wird durch einen Optimierungsalgorithmus als Übertragungsfunktion geschätzt. Diese wird als Differenzengleichung auf dem FPGA implementiert. Auf Basis des gemessenen Wechselstromes wird der Sollwert für die Wechselspannung durch das Filter berechnet. Das Konzept wird im Rahmen der geplanten Veröffentlichung vorgestellt sowie erste Messergebnisse gezeigt und diskutiert.