Flexible Automotive Power Management: A Predictive Auction-Based Approach

Aufgrund der fortschreitenden Elektrifizierung, der Verbreitung von Unterhaltungs- und Informationssystemen und der wachsenden Bedeutung von autonomen Fahrfunktionen steigt die Relevanz des Fahrzeugbordnetzes stetig. Zur gleichen Zeit fordern die kurzen Updatezyklen von Unterhaltungs- und Informationssystemen und die wachsende Anzahl von Fahrzeugvarianten eine reibungslose Integration neuer Komponenten in das Fahrzeugbordnetz, um dadurch eine nachhaltige Fahrzeugplattform zu fördern. Hinsichtlich des Softwarebereichs verhindern vordefinierte und zentralisierte Managementstrukturen und eine signalbasierte Kommunikation diese Plug-and-Play Integration, da jede Änderung im Hardwarebereich einen hohen Aufwand für die Neuauslegung des Leistungsmanagements und der Kommunikation erfordert.
... mehr

Deshalb wird in dieser Arbeit ein auktionsbasiertes Leistungsmanagement für das Automobil untersucht, formalisiert und erweitert, um diese Herausforderung anzugehen. Zuerst werden aktuelle Ansätze und Konzepte im Stand der Technik, unterteilt in regel-, optimierungs-, agenten- und auktionsbasierte Ansätze, im Hinblick auf wünschenswerte Eigenschaften analysiert und qualitativ evaluiert. Mit Bezug zu den gewünschten Eigenschaften wird ein auktionsbasierter Mechanismus für moderne Fahrzeuge mit mehreren Spannungsniveaus formuliert. Um eine effektive Leistungsverteilung zwischen allen Komponenten zu gewährleisten, nutzt der Ansatz eine Auktion mit einheitlicher Preisgestaltung. Darüber hinaus wird der Ansatz mit einem flexiblen Kommunikationskonzept basierend auf einer serviceorientierten Architektur kombiniert. Zur weiteren Verbesserung wird eine prädiktive Erweiterung vorgeschlagen, die den auktionsbasierten Mechanismus komplementiert. Die prädiktive Erweiterung nutzt flexible Komfortkomponenten zur Lastverschiebung und reduziert dadurch Leistungsspitzen und Batteriebelastung. Die Effektivität wird simulativ für exemplarische Fahrszenarien gezeigt, in denen das Leistungsmanagement gebraucht wird, um die Leistungsnachfrage und -erzeugung anzugleichen. Zusammenfassend stellt das vorgeschlagene Verfahren den effektiven Leistungsausgleich in Fahrzeugen sicher und ermöglicht eine Plug-and-Play Integration neuer Hardwarekomponenten während der Entwicklung und nach der Produktion in das Fahrzeug, ohne dass eine Neuauslegung des Leistungsmanagements notwendig ist.

Due to the ongoing electrification, the dissemination of entertainment and infotainment systems, and the growing importance of autonomous driving functions, the relevance of the automotive power network is steadily increasing. At the same time, the short update cycles for entertainment and infotainment hardware and the growing number of vehicle variants require seamless integration of new components into the power network to encourage sustainable vehicle platforms. Concerning the software domain, predefined and centralized management structures and signal-based communication of present vehicle platforms impair the plug-and-play integration since every change in the hardware domain requires high efforts in redesigning the power management and communication.
... mehr

Therefore, in this work, an auction-based automotive power management is investigated, formalized, and extended to tackle these challenges. First, state-of-the-art approaches and concepts, such as rule-based, dynamic optimization-based, agent-based, and auction-based, are analyzed and qualitatively evaluated regarding desirable properties. With respect to the desired properties, an auction-based mechanism for modern vehicles with multiple voltage levels is formulated. The approach deploys a uniform price auction to achieve effective power distribution between all components. Furthermore, the approach is combined with a flexible communication design based on a service-oriented architecture. For further enhancement, a predictive extension complementing the auction-based mechanism is proposed. The predictive extension exploits flexible comfort loads by load shifting and thereby mitigates power peaks and battery strain. The effectiveness is simulatively demonstrated for exemplary driving scenarios in which power management is needed to balance power demand and supply. In summary, the proposed approach ensures effective power balancing in vehicles and facilitates plug-and-play integration of new hardware components into the vehicle during development and after production without a power management redesign.