Modellbasierte Design-Space-Exploration nicht-funktionaler Auslegungskriterien des Fahrzeugenergiebordnetzes

Diese Arbeit analysiert mit Hilfe einer modellbasierten Design Space Exploration (DSE) gleichzeitig den Einfluss mehrerer Freiheiten des Energieversorgungsnetzes auf die Bewertungskriterien Energieverbrauch und Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) unter Berücksichtigung der Spannungsstabilität als Randbedingung. Statt nur einzelne Aspekte des Energieversorgungsnetzes zu optimieren wird so ein Systemoptimum gesucht. Die betrachteten Freiheiten sind die Topologie des Energieversorgungsnetzes sowie die Anzahl, Kapazität und Position der integrierten Batterien.
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Sowohl die Auswahl der Freiheiten im Entwurf als auch die Erweiterung der Bewertungskriterien Gewicht und Stückkosten hin zu Energieverbrauch und TCO beruhen dabei auf den Ergebnissen eines Experteninterviews. Außerdem wird eine Änderung der Informations- und Kommunikationstechnik im Fahrzeug hin zu einer Plattform mit systemweiter Trennung von Funktion und Hardware, um der wachsenden Vernetzung, Datenmenge und neuen Anforderungen wie Erweiterbarkeit gerecht zu werden, als Randbedingung der Entwürfe vorausgesetzt. Der Vorteil der generischen DSE ist die Möglichkeit, die Modelle flexibel anpassen zu können, um neben den genannten Freiheiten auch verschiedene Fahrzeugmodelle, Antriebsvarianten, Verbraucherkonfigurationen, Umgebungsbedingungen oder Randbedingungen des Entwurfs zu untersuchen.
Die Ergebnisse der DSE demonstrieren, dass eine Umgestaltung der etablierten Stern- hin zu einer Bustopologie mit zwei Batterien trotz der Zunahme des Gewichts und der Stückkosten den Energieverbrauch und damit die Betriebskosten eines Verbrennungsfahrzeugs deutlich senkt und deshalb die TCO betrachtet wirtschaftlich sinnvoll ist. Zusätzlich dazu erhöht die damit erreichte fail-operational Auslegung mittels zweier unabhängiger Energiequellen die Sicherheit des Energieversorgungsnetzes. Aufgrund der fehlenden Emissionsstrafen und Steuern sowie der höheren Effizienz des Antriebsstranges haben die Materialkosten im Elektrofahrzeug einen höheren Einfluss auf die TCO, weshalb eine Umgestaltung nur für hohe Laufleistungen oder eine durchweg hohe Last der Nebenverbraucher in einer deutlichen Kostenreduktion resultiert.

With the help of a model-based design space exploration (DSE), this work simultaneously analyzes the impact of multiple degrees of freedom in onboard electrical system design on power consumption and total cost of ownership (TCO), while taking voltage stability into account. Instead of simply optimizing individual aspects of the vehicle electrical system, a system optimum is sought. The freedoms considered are the topology of the electrical 12V system, as well as the number, capacity, and position of the integrated batteries.
Both the selection of freedoms in the design and the extension of the evaluation criteria weight and unit costs to energy consumption and TCO are based on the results of an expert interview. ... mehrAdditionally, a change in the information and communication technology in the vehicle towards a platform with system-wide separation of function and hardware is presupposed in order to meet the growing interconnectedness, the data volume, and new requirements, such as extensibility. The advantage of the generic DSE is the ability to adapt the models flexibly in order to investigate not only the aforementioned levels of freedoms, but also different vehicle models, drive variants, consumer configurations, environmental conditions, or boundary conditions of the design.
The results of the DSE demonstrate that redesigning the established star topology to a bus topology with two batteries, despite the increase in weight and unit cost, significantly reduces energy consumption and thus the operating costs of an internal combustion vehicle; therefore, making the redesign economically viable. In addition, the resulting fail-operational design increases the safety of the energy supply network by means of two independent energy sources. Due to the absence of emission penalties and taxes in Germany as well as the higher efficiency of the powertrain, the material costs in the electric vehicle have a greater influence on the TCO. The redesign therefore leads only at a high mileage or a consistently high load of the auxiliary consumers to a significant cost reduction over the previous design.