DE102011110253B4

DE102011110253B4 - Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Leitungsquerschnittes einer Leitung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102011110253B4
Application number: DE102011110253.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruta Andreas; Horst Schick; Ralf Bödeker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-05-14
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2031-05-15
Also published as: DE102011110253A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Berechnung eines Leitungsquerschnitts (LQ) einer Leitung (L) mittels einer Recheneinheit, wobei mindestens ein Parameter der Leitung (L) vorgegeben wird, wobei unter Berücksichtigung des mindestens einen vorgegebenen Parameters ein Leitungsquerschnitt (LQ) berechnet wird, wobeider Leitungsquerschnitt (LQ) für ein Kraftfahrzeugbordnetz berechnet wird,dadurch gekennzeichnet, dassein verbrauchsoptimierter Leitungsquerschnitt (LQ) ermittelt wird, bei dem der Kraftstoffverbrauch minimiert ist, wozu eine Zuordnungsvorschrift für das Verhältnis von Gewicht zu Kraftstoffverbrauch und eine Zuordnungsvorschrift von elektrischer Energie zu Kraftstoffverbrauch berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Leitungsquerschnitts einer Leitung mittels einer Recheneinheit für ein Kraftfahrzeugbordnetz, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
Aus der DE 103 31 090 A1 ist ein Verfahren zum Erstellen eines Lageplanes für einen Leitungssatz, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bekannt, mit einem Eingabemittel zum Festlegen von technischen Eigenschaften eines Leitungssatzes in einem Speicher einer Recheneinheit, wobei in dem Speicher Daten über Komponenten, insbesondere über Anschlusselemente und Leitungen, abgelegt sind, wobei in dem Speicher eine mögliche geometrische Leitungsstruktur abgelegt ist oder gebildet wird, wobei von der Recheneinheit nach der Festlegung der technischen Eigenschaften, der Daten und der Leitungsstruktur des Leitungssatzes ein Lageplan für den Leitungssatz erstellt wird, wobei als technische Eigenschaften technische Funktionen des Leitungssatzes festgelegt werden, wobei eine Funktion wenigstens einer Komponente zugeordnet wird, wobei abhängig von der Funktion die technische Ausprägung wenigstens der Komponente, die der Funktion zugeordnet ist, festgelegt wird, wobei die festgelegte Ausprägung der Komponente bei der Erstellung des Lageplans berücksichtigt wird.
Aus der DE 10 2005 023 712 B4 ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Berechnen einer Vorhersageform einer Verdrahtungsstruktur bekannt, die elektrische Vorrichtungen verbindet, wobei die Vorhersageform einen Verlauf der Verdrahtungsstruktur vorhersagt und mindestens die folgenden Schritte aufweist:

Bereitstellen eines Finite-Elemente-Modells der Verdrahtungsstruktur, wobei das Finite-Elemente-Modell als ein elastischer Körper ausgebildet wird, der eine Vielzahl von Linienelementen hat, die an jeweiligen Verbindungsstellen kombiniert sind;
Setzen mindestens einer Länge, einer Querschnittsfläche, einer Dichte oder einer Elastizität als physikalische Eigenschaften und von Beschränkungsbedingungen der Verdrahtungsstruktur in dem Finite-Elemente-Modell; und
Berechnen einer Vorhersageform des Finite-Elemente-Modells, das in einem physikalischen Gleichgewichtszustand ist, welcher ein Kräftegleichgewicht an den jeweiligen Verbindungsstellen einschließt, auf der Basis der physikalischen Eigenschaften und der Beschränkungsbedingungen.

Bei all diesen Verfahren wird der Leitungsquerschnitt durch einen Nutzer manuell gesetzt.
Aus der JP H05 - 233 742 A sowie der US 2002 / 0 040 256 A1 sind Verfahren zur automatischen Berechnung eines Leistungsquerschnitts einer Leitung mittels einer Recheneinheit bekannt, wobei mindestens ein Parameter der Leitung vorgegeben wird, wobei unter Berücksichtigung des mindestens einen vorgegebenen Parameters ein Leistungsquerschnitt berechnet wird.
Aus der US 2004 / 0 172 151 A1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt.
Aus der US 2002 / 0 161 535 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur automatisierten Berechnung eines Leitungsquerschnitts einer Leitung mittels einer Recheneinheit bekannt, wobei mindestens ein Parameter der Leitung vorgegeben wird, wobei unter Berücksichtigung des mindestens einen vorgegebenen Parameters ein Leitungsquerschnitt berechnet wird, wobei der Leitungsquerschnitt für ein Kraftfahrzeugbordnetz berechnet wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Auslegung von Leitungsquerschnitten einer Leitung zu verbessern und vorzugsweise zu optimieren.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Leistungsquerschnittes einer Leitung mittels einer Recheneinheit, wobei mindestens ein Parameter der Leitung vorgegeben wird, berechnet unter Berücksichtigung des mindestens einen vorgegebenen Parameters einen verbrauchsoptimierten Leitungsquerschnitt. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass überdimensionierte Leitungsquerschnitte zu einer unnötigen Gewichtszunahme führen, die sich nachteilig auf den Verbrauch sowie die Herstellungskosten auswirken. Durch das Verfahren kann somit einfach eine Leitungsauslegung ausgeführt werden, die zu einer optimalen Querschnittsauslegung führt, so dass Energie- und Herstellungskosten gesenkt werden können, ohne eine Überlastung der Leitung befürchten zu müssen.
Da es möglich ist, einem Gewicht einen Kraftstoffverbrauch zuzuordnen, wird die Dimensionierung des Leitungsquerschnitts verbrauchsoptimiert vorgenommen. Hier werden die Verbrauchseinsparungen von Kraftstoff aufgrund von kleinen Querschnitten mit den elektrischen Verlusten der Leitungen in Beziehung gesetzt. Dabei gilt vereinfacht, dass große Leitungsquerschnitte geringere elektrische Verluste und dafür höheren Kraftstoffverbrauch aufgrund größerer Masse bewirken, wobei jedoch die Erzeugung elektrischer Energie durch einen Generator ebenfalls zu Kraftstoffverbrauch führt. Somit kann auch der elektrischen Energie ein Kraftstoffverbrauch zugeordnet werden und ein Optimum für den Leitungsquerschnitt ermittelt werden, bei dem der Kraftstoffverbrauch minimiert ist. Dabei kann es auch sein, dass das Optimum des minimalen Querschnitts mit dem Optimum des Verbrauchs zusammenfällt.
Neben der Ermittlung des Leitungsquerschnitts kann auch ein Leitungstyp bestimmt werden. Unter einem Leitungstyp wird insbesondere das Material der Leitung und/oder das Material der Isolierung verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Parameter die maximale Temperaturumgebung der Leitung und/oder ein maximaler Dauerstrom und/oder ein maximaler Spannungsabfall und/oder eine Leitungslänge und/oder ein Leitungstyp. Dabei werden üblicherweise mehrere oder sogar alle Parameter vorgegeben.
Die maximale Temperaturumgebung stellt dabei eine Temperatur dar, die in der Umgebung der Leitung herrschen kann. Beispielsweise kann die maximale Temperaturumgebung im Innenraum eines Kraftfahrzeuges 70°C sein. Diese angenommene Temperatur hat beispielsweise Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand der Leitung und somit auch auf den Spannungsabfall über der Leitung. Des Weiteren hat die Temperatur auch Auswirkungen auf den verwendbaren Leitungstyp, da beispielsweise die Isolierungen der Leitung nur bestimmte Temperaturen vertragen. Da aufgrund des Stromflusses es zu einer Wärmeentwicklung kommt, steigt die Temperatur der Leitung bzw. deren Isolierung über die vorgegebene maximale Temperaturumgebung, was bei der Wahl des geeigneten Leitungstyps zu berücksichtigen ist. Ist hingegen der Leitungstyp vorgegeben, ist beispielsweise der Leitungsquerschnitt zu vergrößern, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Ähnlich verhält es sich mit anderen Parametern, die jeweils Einfluss auf den Leitungsquerschnitt haben. Ist beispielsweise der maximale Nennstrom, die Leitungslänge und der maximale Spannungsabfall vorgegeben, so ergibt sich hieraus direkt ein minimaler Leitungsquerschnitt, der nicht unterschritten werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Leitung eine Verbindungskomponente zugeordnet, zu der mindestens ein Parameter der Verbindungskomponente vorgegeben ist, wobei die Verbindungskomponente bei der Berechnung des Leitungsquerschnitts berücksichtigt wird. Die Verbindungskomponenten sind beispielsweise Steckverbindungen, Crimpverbindungen, Schweißverbindungen, Schalter- oder Relaiskontakte oder Schraubverbindungen. Als Parameter wird vorzugsweise der Übergangswiderstand verwendet. Alternativ oder ergänzend kann auch eine maximale Stromdichte als Parameter verwendet werden. Durch die Berücksichtigung der Verbindungskomponenten wird sichergestellt, dass der Leitungsquerschnitt nicht unterdimensioniert wird. Da beispielsweise der maximale Spannungsabfall von beispielsweise 3 V zwischen Quelle und Verbraucher eingehalten werden muss, darf die Leitung alleine nicht den vollständigen maximalen Spannungsabfall beanspruchen, da eben auch ein Teil der Spannung noch zusätzlich über der Verbindungskomponente abfallen wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird mindestens ein Parameter für eine Verbindung vorgegeben, wobei automatisch eine Verbindungskomponente ausgewählt wird. Wird beispielsweise der Übergangswiderstand vorgegeben, so kann automatisch ausgewählt werden, welche Verbindungskomponente bei dem berechneten Leitungsquerschnitt die Vorgabe erfüllt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit mit einer Datenbank verbunden, wobei in der Datenbank verfügbare Leitungsquerschnitte und/oder Leitungstypen und/oder Verbindungskomponenten abgelegt sind, wobei die Auswahl des Leitungsquerschnitts und/oder des Leitungstyps und/oder der Verbindungskomponente unter Berücksichtigung der verfügbaren Komponenten erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass nur Komponenten errechnet werden, die real verfügbar sind. So sind beispielsweise Leitungsquerschnitte nicht in beliebigen Durchmessern kostengünstig verfügbar, sondern nur in bestimmten Stufen. Dies führt zu geringen Abweichungen vom Optimum, stellt gleichzeitig aber auch eine gewisse Sicherheitsreserve dar.
In einer weiteren Ausführungsform kann dann jeder einzelnen berechneten Leitung, gegebenenfalls unter Einschluss der jeweiligen Verbindungskomponenten, eine maximale Verlustleistung zugeordnet werden. Erfolgt die Leitungsberechnung für ein komplettes Kraftfahrzeugbordnetz bzw. Teilbordnetz, so kann durch Aufsummierung der einzelnen Verlustleistungskomponenten die Gesamtverlustleistung berechnet werden.
Das Verfahren zur automatischen Berechnung der Leitungsquerschnitte kann dabei in ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von Leitungslängen integriert sein, wobei vorzugsweise das Verfahren zur Berechnung der Leitungsquerschnitte nachgeschaltet ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kraftfahrzeugbordnetz mit seinen automatisch berechneten Leistungsquerschnitten über einen festgelegten Fahrzyklus simuliert. Dabei kann dann eine realistische Belastung mit verschiedenen parallel betriebenen elektrischen Verbrauchern simuliert werden, was insbesondere für die Auslegung der Zuleitungspfade (Pluspfade) und der Ableitungspfade (Massepfade) wichtig ist, um die dort auftretenden Summenströme abzuschätzen und damit die richtigen Leitungsquerschnitte berechnen zu können. Somit kann bereits im Vorfeld softwaremäßig ein neues Kraftfahrzeugbordnetz sehr weitgehend ausgelegt und getestet werden. Die Ergebnisse der Simulation können dann auch wieder dazu benutzt werden, um die Funktionsschaltung und/oder die Leitungslängen und/oder die Leitungsquerschnitte anzupassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens unter Einschluss einer automatischen Berechnung der Leitungsquerschnitte.
In einem ersten Schritt S1 wird ein funktionaler Schaltplan eines Kraftfahrzeugbordnetzes beispielsweise mittels eines CAD-Systems erstellt. Dieser beinhaltet, welche elektrischen Verbraucher vorhanden sind und wie diese miteinander verbunden sind. Des Weiteren können bereits an dieser Stelle weitere Parameter wie beispielsweise eine maximale Temperaturumgebung T_max der Leitungen für Bereiche des Kraftfahrzeugs und/oder ein maximaler Dauerstrom I_max auf einer Leitung und/oder ein maximaler Spannungsabfall ΔU und/oder ein zu verwendender Leitungstyp L_T festgelegt bzw. vorgegeben werden. Alternativ können diese Parameter auch durch separat erzeugte Designerregeln vorgegeben sein. Diese Parameter können dabei für einzelne Leitungsabschnitte unterschiedlich sein, was später noch erläutert wird.
In einem zweiten Schritt S2 werden zunächst automatisch die Leitungslängen L_I bestimmt. Dabei werden softwaretechnisch die Verbrauchswerte der Verbraucher und Quellen festgelegt und die Leitungen zwischen diesen berechnet. Am Ende des Schrittes S2 existiert somit ein Verschaltungsplan mit den berechneten Leitungslängen L_I.
In einem dritten Schritt S3 findet dann eine automatische Berechnung der Leitungsquerschnitte der berechneten Leitungslängen L_I aus Schritt S2 statt, unter Berücksichtigung der Parameter maximale Temperaturumgebung T_max und/oder maximaler Dauerstrom I_max und/oder maximaler Spannungsabfall ΔU und/oder zu verwendender Leitungstyp und/oder der Art einer Verbindungskomponente VK. Dabei können für jeden Leitungsabschnitt unterschiedliche Parametersätze vorgegeben sein. Mit Hilfe des spezifischen Widerstandes des verwendeten Leitungsmaterials, vorzugsweise Kupfer, kann dann ein jeweiliger Leitungsquerschnitt L_Q berechnet werden, der dann gegebenenfalls auf einem nächst höheren verfügbaren Leitungsquerschnitt L_Q aufgerundet wird. Als Ergebnis steht ein vollständiges Kraftfahrzeugbordnetz zur Verfügung, das gewichtstechnisch bezüglich der Leitungen optimiert ist.
Dieses softwaretechnische Kraftfahrzeugbordnetz kann dann in einem weiteren Schritt S4 über vorgegebene Fahrzyklen simuliert werden. Die dabei gewonnenen Ergebnisse können dann zurückgeführt werden, um gegebenenfalls an einzelnen Stellen den Entwurf nachzubearbeiten.

Claims

Verfahren zur automatischen Berechnung eines Leitungsquerschnitts (L_Q) einer Leitung (L) mittels einer Recheneinheit, wobei mindestens ein Parameter der Leitung (L) vorgegeben wird, wobei unter Berücksichtigung des mindestens einen vorgegebenen Parameters ein Leitungsquerschnitt (L_Q) berechnet wird, wobei der Leitungsquerschnitt (L_Q) für ein Kraftfahrzeugbordnetz berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbrauchsoptimierter Leitungsquerschnitt (L_Q) ermittelt wird, bei dem der Kraftstoffverbrauch minimiert ist, wozu eine Zuordnungsvorschrift für das Verhältnis von Gewicht zu Kraftstoffverbrauch und eine Zuordnungsvorschrift von elektrischer Energie zu Kraftstoffverbrauch berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Leitungstyp (L_T) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine maximale Temperaturumgebung (T_max) der Leitung und/oder ein maximaler Dauerstrom (I_max) und/oder ein maximaler Spannungsabfall (ΔU) und/der eine Leitungslänge (L_I) und/oder ein Leitungstyp (L_T) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitung eine Verbindungskomponente (VK) zugeordnet wird, zu der mindestens ein Parameter der Verbindungskomponente vorgegeben ist, wobei die Verbindungskomponente bei der Berechnung des Leitungsquerschnitts (L_Q) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter für eine Verbindung vorgegeben werden, wobei automatisch eine Verbindungskomponente ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit mit einer Datenbank verbunden ist, wobei in der Datenbank verfügbare Leitungsquerschnitte (L_Q) und/oder Leitungstypen (L_T) und/oder Verbindungskomponenten (VK) abgelegt sind, wobei die Auswahl des Leitungsquerschnitts (L_Q) und/oder des Leitungstyps (L_T) und/oder der Verbindungskomponente (VK) unter Berücksichtigung der verfügbaren Komponenten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung über alle Leitungen aufsummiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in ein Verfahren zur Automatischen Ermittlung von Leitungslängen (L_I) integriert ist.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer ausgeführt wird.