Skalierbarkeit einer Szenarien- und Template-basierten Simulation von Elektrik/Elektronik-Architekturen in reaktiven Umgebungen

Die Automobilindustrie befindet sich in einem Wandel. Zukünftige Fahrzeuge sind elektrisch, autonom, vernetzt, werden geteilt und regelmäßig aktualisiert. Die Auswirkung davon ist ein starkes Wachstum der Software in zukünftigen Fahrzeugen, das vor allem auf die Implementierung von autonomen Fahrerverhalten und herstellerspezifischen Betriebssystemen zurückzuführen ist. Zur sicheren Ausführung dieser Software werden leistungsstarke Zentralrechner benötigt. Daneben führen ein steigender Bedarf an Sicherheitsmechanismen gegen Cyberangriffe, der Einzug von Leistungselektronik und die notwendige Gewährleistung der Ausfallsicherheit zu einem Anstieg der Komplexität bei der Entwicklung von automobilen Elektrik/Elektronik-Architekturen (E/E-Architekturen). Im Bereich der Leistungselektronik liegt dies etwa an der benötigten Realisierung einer galvanischen Trennung zwischen Hochvolt- und Niedervoltnetz, um die Unversehrtheit der Insassen zu gewährleisten. Außerdem erfordert der Einsatz von permanenterregten Synchronmaschinen die sichere Auslegung und das Design entsprechender Schaltungen zur Ansteuerung. Cyberangriffe erfordern hingegen Mechanismen zur Abwehr und Gewährleistung der Informationssicherheit. Dazu zählen präventive Firewalls oder proaktive Angriffserkennungssysteme. Eine Ausfallsicherheit wird dagegen durch Komponenten- oder Informationsredundanz ermöglicht. Um entsprechende Ausfallmaßnahmen einzuleiten, kann zusätzlich die Implementierung eines entsprechenden Monitorings nötig sein. Im Zuge des Wandels wachsen die E/E-Architekturmodelle und weisen einen höheren Vernetzungsgrad auf. Dadurch haben E/E-Architekten mehr Designentscheidungen zu treffen, wobei Lösungen mehr Freiheitsgrade aufweisen und Auswirkungen schwieriger zu beurteilen sind. Jedoch müssen frühestmöglich im Entwicklungsprozess überprüfbar richtige Entscheidungen getroffen werden. Die Einführung frühzeitiger Tests in zukünftigen Zulassungsprozessen gibt dieser Anforderung ein weiteres Gewicht. In existierenden Arbeiten wurde gezeigt, dass eine in E/E-Architekturentwicklungswerkzeugen integrierte Simulationen einen Mehrwert für E/E-Architekten bei der frühzeitigen Findung von Designentscheidungen bietet. In dieser Arbeit werden dagegen die Grenzen der Skalierbarkeit einer solchen Simulation untersucht. Dies geschieht mithilfe von industriell relevanten Anwendungsfällen. Ein bestehender Ansatz zur automatisierten Synthese von Simulationsmodellen aus PREEvision-E/E-Architekturmodellen wird dabei unter Berücksichtigung der Anforderungen bei großmaßstäblichen Modellen erweitert und angepasst. Hierzu werden zunächst Simulatoren hinsichtlich ihrer Eignung für einen Einsatz im industriellen Umfeld untersucht. Dies erfolgt anhand in der Arbeit definierten Auswahlkriterien sowie mithilfe von synthetischen und skalierbaren Benchmarks. Im Anschluss werden Konzepte untersucht, welche die Erhöhung der Skalierbarkeit einer E/E-Architektursimulation adressieren. Zu den Aspekten der Skalierbarkeit gehören neben der Performanz auch die Anwendbarkeit und die Validierbarkeit, welche von der Emergenz generierter Modelle beeinflusst werden. Als Lösung werden in dieser Arbeit ausführbare Szenarienmodelle zur zustandsabhängigen Generierung von Stimuli und der reaktiven Evaluierung von Signalwerten verwendet. Durch deren Schnittstellen können gezielt die für einen Anwendungsfall relevanten Modellkomponenten der E/E-Architektur identifiziert werden, welche in Summe das sogenannte “System of Interest“ bilden. Auf diese Weise kann die Simulationsmodellgröße reduziert werden. Darüber hinaus werden parametrisierbare, pre-validierte und performanzoptimierte Teilmodelle, sogenannte „Templates“, bei der Generierung verwendet. Neben einer manuellen Zuweisung der Templates zu E/E-Architekturmodellkomponenten über die in dieser Arbeit verwendeten Template And Layer Integration Architecture (TALIA), haben spezifische Komponenten auf der Leistungssatzebene, wie Batterien, Stecker oder Kabel, bereits Standard-Templates zugewiesen. Simulationsmodelle können dadurch ohne manuelle Verhaltensmodellierung und zugehörige Validierung generiert werden. Damit Standard-Templates verwendet werden können, wird eine Hardware-zentrierte Abbildung verfolgt. Die physikalische E/E-Architektur aus der Realität bildet dabei die Grundlage für die generierten Simulationsmodelle. Softwaremodelle werden ergänzend über die Modelle der Steuergeräte bzw. ECUs integriert. Ebenso sind die Szenarienmodelle nach der Generierung ein Teil der Simulationsmodelle. Damit findet die Integration unterschiedlicher E/E-Architekturebenen statt, wodurch hybride Simulationsmodelle entstehen. Für die Evaluation werden Anwendungsfälle für Simulationen aus möglichen Designentscheidungsfragen abgeleitet und anhand definierter Kriterien für die weitere Betrachtung ausgewählt. Designentscheidungsfragen ergeben sich beim Technologieentscheid, der Dimensionierung von Komponente oder bei Optimierungen. Die Anwendungsfälle bestimmen das benötigte Testmodell, bestehend aus dem zu evaluierenden System of Interest und dem Prüfstandmodell, realisiert als Szenariomodell. Da das Testmodell die Basis des Simulationsmodells bildet und damit dessen Komplexität bestimmt, lässt sich anhand der Anwendungsfälle die Skalierbarkeit der E/E-Architektursimulation beurteilen. Insbesondere wird in dieser Arbeit der Einfluss emergenter Modelleigenschaften auf die Skalierbarkeit untersucht

Modulorientiertes Produktlinien Engineering für den modellbasierten Elektrik/Elektronik-Architekturentwurf

Heutzutage werden E/E-Architekturen modellbasiert entworfen, um in der Fahrzeugentwicklung frühzeitig den Reifegrad für die fahrzeugweite Vernetzung und Integration von Elektrik, Elektronik und Software abzusichern. Das methodische Konzept und die praktische Umsetzung durch das Modulorientierte Produktlinien Engineering ermöglicht eine Erhöhung der Modellierungseffizienz und der Modellqualität sowie eine Anwenderunterstützung für die Modellierung der komplexen E/E-Architekturmodelle

Energy management in vehicles with alternative drives

Die Automobilindustrie wird in den nächsten Jahren mit vielen Herausforderungen wie zum Beispiel strengeren Abgasnormen und steigenden Ölpreisen konfrontiert. Um sich den Herausforderungen zu stellen, werden zurzeit Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entwickelt und auf dem Markt platziert. Um weiterhin einen sicheren und effizienten Betrieb der elektrischen Komponenten zu gewährleisten, ist die Einführung eines ganzheitlichen Energiemanagements notwendig. Es umfasst dabei alle planenden, steuernden und vorausschauenden Maßnahmen. Im ersten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Systemkonzept vorgestellt, das mittels interner Fahrzeuginformationen online eine Prognose vorausliegender Fahrsituationen wie z.B. Geschwindigkeits- und Höhenprofile vornehmen kann. Darauf aufbauend kann die Betriebsstrategie den zukünftigen Leistungs- bzw. Energiebedarf des Fahrzeugs berechnen und Steuerbefehle einleiten, um einen effizienteren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die Grundlage dieses Systemkonzeptes ist die Erkennung von Fahrstrecken anhand charakteristischer Lenkradwinkelinformationen und das Anlegen einer Historiendatenbank für die gefahrenen Strecken mit den jeweiligen Geschwindigkeits- und Höhenprofilen. Ausgehend von einer umfassenden Bordnetzanalyse werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess für die Dimensionierung der Bordnetzenergieversorgung diskutiert. Hieraus resultiert die Notwendigkeit, eine Toolkette zu entwickeln, welche auf Simulationen basiert. Diese besteht aus kommerziellen Simulationstools und der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface). Avanti ermöglicht eine automatisierte und optimale Vorgehensweise bei der Dimensionierung unter Berücksichtigung verschiedener Steuerungsalgorithmen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Toolkette ist dabei die Einbindung einer in VHDL-AMS entwickelten und verifizierten Modellbibliothek für die Bordnetzkomponenten.Within the next few years, the automotive industry will be confronted with many challenges, as for example stricter emission standards and increasing oil prices. To meet the challenges, alternative drive concepts are currently being developed and placed in the market. To ensure a secure and efficient operation of the electric components, the introduction of an integrated energy management is required. It comprises all planning, controlling and predictive measures. The first part of this dissertation presents a new system concept, which can make an online prognosis of expected driving situations, such as speed and altitude profiles by means of internal vehicle information during an operating cycle. Based on this the control strategy can calculate the future power requirement of the vehicle and initiate control commands to enable a more efficient driving. The basis of this system concept is the recognition of routes with characteristic steering angle information and the creation of a history database for the routes driven with the respective vehicle speeds and altitudes. On the basis of an extensive analysis of the vehicle's electrical system in the second part of the dissertation, different effects on the development process for dimensioning the electrical system power supply are discussed. From this follows the necessity to develop a tool chain based on simulations. The tool chain consists of commercial simulation tools and the software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface) which is developed within the scope of the dissertation. Avanti enables an automated and optimal procedure when dimensioning the vehicle's electrical system in consideration of different control algorithms. A substantial part of this tool chain is the integration of a verified VHDL-AMS model library for the electrical system components