Methode zur Bewertung der Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung in der automobilen Vorentwicklung
Creators: name: Mürken, Michael
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023

description: Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einer Phase des fundamentalen Wandels. Zwei Entwicklungen sind hierbei von besonderer Bedeutung: die Ersetzung klassischer Verbrennungskraftmaschinen durch elektrische Antriebe und die Entwicklung vollständig autonom fahrender Fahrzeuge. Bisher sind in der Europäischen Union zwar noch keine Personenkraftwagen zugelassen, die vollständig autonom fahren (ausgenommen Fahrzeuge, die zu Entwicklungs- und Forschungszwecken eine Sonderzulassung besitzen). Es ist allerdings nur eine Frage der Zeit, bis autonom fahrende Fahrzeuge in den Markt eintreten. Der Übergang zu vollständig autonom fahrenden Kraftfahrzeugen stellt die Automobilhersteller vor verschiedene Herausforderungen, insbesondere mit Blick auf Fragen der Verantwortung. An die technischen Systeme zur Realisierung des autonomen Fahrens werden in puncto Sicherheit und Zuverlässigkeit dabei höhere Anforderungen gestellt als an menschliche Fahrzeugführer. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine entsprechende Funktionsabsicherung der jeweils beteiligten Systeme erforderlich. Dabei unterliegen jedoch nicht nur die neuen Systeme strengen Anforderungen. Auch alle klassischen Fahrzeugsysteme, die zur Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung all jener sicherheitskritischen Funktionen erforderlich sind, die ihrerseits notwendig sind, um das autonome Fahren zu realisieren, müssen an die neuen Anforderungen angepasst werden. Dementsprechend besteht nicht nur bezüglich der neu zu entwickelnden, sondern auch bezüglich bereits bestehender technischer Systeme Forschungsbedarf. Generell werden neue technische Systeme nach bewährten Methoden entwickelt und ihre Zuverlässigkeit wird auf der Basis der in der Industrie geltenden Standards quantitativ bewertet. In der Serienentwicklung ist dieser Prozess klar definiert. In der Vorentwicklung hingegen gibt es aufgrund der zeitlichen Beschränkungen und der begrenzten Datenlage keine umfassenden Methoden zur Durchführung der erforderlichen Untersuchungen und zur Bewertung der Zuverlässigkeit. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode entwickelt, anhand derer die Zuverlässigkeit technischer Systeme auch in der automobilen Vorentwicklung qualitativ und quantitativ bewertet werden kann. Im Kern besteht diese Methode aus einer Kombination von physikalischen und stochastischen bzw. kombinatorischen Modellen der fraglichen Komponenten. Durch die Kopplung mit physikalischen Komponentenmodellen können die andernfalls rein stochastischen Zuverlässigkeitsmodelle mit verschiedenen Komponentenmodellen und unterschiedlichen Abstraktionsgraden parametriert werden, was erforderlich ist, um den Gegebenheiten in der automobilen Vorentwicklung gerecht zu werden. Da die Berechnungen auf realen Belastungsdaten bzw. auf plausiblen Schätzungen beruhen, können deutlich spezifischere Zuverlässigkeitsaussagen getroffen werden. Der Fokus der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen liegt auf dem System der elektrischen Energieversorgung. Dabei werden die folgenden Komponenten einer detaillierten Betrachtung unterzogen: die Blei-Säure-Batterie als Energiespeicher, ein klassischer Klauenpolgenerator mit passiver und aktiver Gleichrichtung als Energiequelle, ein Gleichspannungswandler zur Verbindung der verschiedenen Spannungsebenen in einer Architektur mit 12V- und 48V-Spannungsebene sowie verschiedene Typen von automobilen Schmelzsicherungen als Teilsystem der Vernetzung. Am Beispiel des rein stochastischen, auf der Weibullverteilung basierenden Modells des Ausfallverhaltens von Blei-Säure-Batterien kann gezeigt werden, dass die empirisch ermittelten Ausfalldaten den wesentlichen Faktor für die Zuverlässigkeitsbewertung darstellen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit angestellten Zuverlässigkeitsberechnungen beruhen auf Belastungsdaten, die aus Versuchsfahrten stammen, die mit zwei Fahrzeugmodellen \textendash{} einem Audi~A3 und einem Audi~A8 \textendash{} auf unterschiedlichen Strecken vorgenommen wurden. Die aus den durchgeführten Versuchsfahrten gewonnenen Messergebnisse dienen dabei als Eingangsdaten für die Belastungsanalyse und bilden in dieser Arbeit die Basis für die quantitative Zuverlässigkeitsbewertung des Generators, des Gleichspannungswandlers und der Schmelzsicherungen. Um eine analoge Zuverlässigkeitsbewertungen für alle Komponenten durchführen zu können, werden entsprechende abstrahierte Modelle entwickelt und die dazugehörigen physikalischen Grundgleichungen diskutiert. Die so entwickelten physikalischen Modelle werden anschließend mit Zuverlässigkeitsmodellen gekoppelt, die auf der Basis der jeweiligen kritischen Komponentenfehler aufgebaut werden. Hierfür werden die Fehlermöglichkeiten sowie Fehlereinflüsse aller Komponenten analysiert. Anhand dieser Modelle wird abschließend eine quantitative Zuverlässigkeitsbewertung für das Gesamtsystem der elektrischen Energieversorgung in Bezug auf sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher durchgeführt.\\ Durch die Anwendung der in dieser Arbeit entwickelten Methode auf die automobile elektrische Energieversorgung kann im Ergebnis gezeigt werden, dass sich \textendash{} auf der Basis entsprechender Modellabstrahierungen und sofern eine hinreichende Datenlage gegeben ist \textendash{} umfassende Zuverlässigkeitsbewertungen auch in der automobilen Vorentwicklung durchführen lassen. Konkret kann aus den hier angestellten Berechnungen abgeleitet werden, dass eine klassische elektrische Energieversorgung, die allein auf der 12V-Spannungsebene operiert, nicht dazu geeignet ist, hochautomatisierte elektrische Verbraucher mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen zu versorgen. Daher ist, um sicherheitsrelevante Verbraucher angemessen zu versorgen, mindestens die Einführung von Fehlerisolationsmechanismen erforderlich. Dies gilt auch für Architekturen, in denen die elektrische Energieversorgung auf zwei Spannungsebenen realisiert ist. Durch die Einführung einer zweiten Spannungsebene und den damit erforderlichen Gleichspannungswandler werden zwar einige Fehlermechanismen von der 12V-Spannungsebene isoliert. Dennoch beeinflussen die Fehlerbilder nicht sicherheitsrelevanter Verbraucher (QM-Verbraucher) die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung deutlich stärker als die Fehlerbilder der so isolierten Komponenten, beispielsweise des Generators. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass ein Ausfall der sicherheitsrelevanten Verbraucher am besten mittels einer Isolation der nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher verhindert werden kann. Die vorliegende Arbeit konnte aufzeigen, dass für die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher Fehlerisolationsmechanismen benötigt werden.