Virtual Vehicle
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ICOS

Independent Co-Simulation

Eine innovative, am VIRTUAL VEHICLE entwickelte Co-Simulationsplattform ermöglicht die Integration verschiedenster Domänen auf Basis modernster Kopplungs-Algorithmen: ICOS weist den Weg zu domänenübergreifender Modellierung, Simulation, Optimierung und Validierung von Innovationen im Fahrzeug.

Ansprechpartner: Dr. Martin Benedikt

Die Modellierung und Simulation von dynamischen Systemen ist in heutigen Entwicklungsprozessen eine wesentliche Voraussetzung, um frühzeitig Aussagen und Konzeptentscheidungen über das Endprodukt treffen zu können. Es gilt dabei, nicht nur einzelne Baugruppen oder Teilmodule der verschiedenen Fachgebiete zu modellieren, simulieren und zu testen, sondern vielmehr wird das Zusammenspiel einer großen Zahl von Funktionen (mit Simulationsmodellen und auch Hardware-Komponenten aus verschiedenen Domänen) und damit das Abbilden eines größeren Gesamtsystems (bis hin zum Gesamtfahrzeug) gefordert.


In den letzten Jahrzehnten haben sich viele spezifische Simulationswerkzeuge auf dem Markt etabliert und werden vielseitig und weitverbreitet eingesetzt, z.B. MATLAB/Simulink oder Dymola in der multiphysikalischen Modellierung, SystemC in der Elektronik, ASCET in der Regelungstechnik, ADAMS oder SIMPACK in der Mehrkörpersimulation. Allerdings sind diese Werkzeuge oft auf einzelne physikalische Fachgebiete spezialisiert und daher begrenzt; eine heterogene Simulationsumgebung wird nur in geringem Maße unterstützt.


In der heutigen Entwicklung von neuen, mechatronischen Systemen ist jedoch eine übergreifende Betrachtung unumgänglich, die viele Teilsysteme zusammenführt und deren Wechselwirkungen mitberücksichtigt. Die Kopplung unterschiedlicher, spezifischer und bereits etablierter Simulationsprogramme (bzw. die darin implementierten Modelle) aus verschiedenen Fachbereichen stellt einen vielversprechenden Weg dar, das resultierende Gesamtsystem zu simulieren.


Diese Interaktionen adäquat zu berücksichtigen, erfordert ein exaktes Zusammenspiel der diversen Einzelmodelle bis hin zu HiL-Komponenten über eine flexible Co-Simulationsumgebung (vgl. Abb. 1). Erst das komplexe, aber kontrollierte Zusammenspiel vieler Modelle/Komponenten ermöglicht die Auslegung bzw. virtuelle Validierung des gesamten Konzeptes bzw. Systems bestehend aus Fahrzeug, Fahrer und Umwelt.

 

Abb. 1: Beispiele für Domänen/Modelle, die über moderne Co-Simulationsplattformen verbunden werden müssen.
Quelle: Area Vehicle Electrics/Electronics & Software, ViF


ICOS ermöglicht Co-Simulation verschiedenster Domänen

Gängige Co-Simulationsplattformen beschränken sich auf ein Fachgebiet, wie etwa die Auslegung des Thermomanagement-Systems oder die Simulation der Kommunikationsarchitektur mit einer heterogenen Tool-Landschaft. Damit können zwar schon Subsysteme modelliert werden, allerdings mit der Einschränkung auf eine (bzw. max. zwei) Domäne(n).


Typischerweise behandeln solche Plattformen auch Problemstellungen mit einem eingeschränkten Dynamikbereich; d.h. das zeitliche Verhalten der verschiedenen Modelle ist ähnlich zueinander und oft relativ langsam (speziell in der Thermodynamik).
Will man nun damit Modelle mit stark unterschiedlichen Zeitkonstanten koppeln, so muss man extrem kleine Zeitschritte verwenden. Andernfalls entsteht ein zusätzlicher Fehler (weil die physikalische existierende Kopplung der Modelle nicht richtig berücksichtigt wird), der im Extremfall dazu führen kann, dass die Co-Simulation divergiert.


Im Gegensatz dazu kommen in der, am VIRTUAL VEHICLE entwickelten „Independent Co-Simulation“-Plattform (ICOS) neuartige Kopplungsalgorithmen (Waveform Relaxation bzw. Multi-Rate Ansatz) zum Einsatz, mit denen unterschiedliche Zeitkonstanten in einem System behandelt werden können.

 

ICOS erlaubt eine einfache Integration verschiedener Domänen. Mit Hilfe dieser Plattform lassen sich mechatronische Aufgabenstellungen aus dem Bereich der integrierten Sicherheit bzw. der alternativen Antriebe und der Elektromobilität als auch der aktiven Schwingungskompensation im Antriebsstrang und der sicherheitskritischen Kommunikation effizient lösen. Darüber hinaus steht nicht nur das Fahrzeug alleine im Mittelpunkt der Betrachtungen, sondern vielmehr werden auch Umgebungseinflüsse sowie Fahrerverhalten mit modelliert, wie Abbildung 2 zeigt.

 

Abb. 2: Nicht nur das Fahrzeug alleine steht im Mittelpunkt der Betrachtungen, sondern die gesamtheitliche Modellierung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Fahrerverhalten und Umwelteinflüssen.
Quelle: Area Vehicle Electrics/Electronics & Software, ViF

 

Die domänenübergreifende Betrachtung ermöglicht, Einflüsse von Modellgüte, Modelltiefe und Nichtlinearitäten auf das Gesamtergebnis entlang des Entwicklungsprozesses (z.B. Kraftstoffverbrauch) abzuschätzen (Abb. 3).

 

Abb. 3: ICOS im Überblick: Die domänenübergreifende Betrachtung ermöglicht, Einflüsse von Modellgüte, Modelltiefe und Nichtlinearitäten auf das Gesamtergebnis (z.B. Kraftstoffverbrauch) abzuschätzen.
Quelle: Area Vehicle Electrics/Electronics & Software, ViF

 

Mit dem Fachdisziplinen-übergreifenden Ansatz kann aufgezeigt werden, wie durch die Berücksichtigung realistisch vieler Funktionselemente und deren dynamischen Zusammenspiels auf Systemebene innovative Auslegungen möglich sind. Durch diese virtuelle Validierung eröffnet sich eine zielgerichtete Entwicklung und Absicherung (und zwar funktional so wie auch thermisch oder auch akustisch) von neuartigen Lösungen. Der nächste Abschnitt demonstriert dies anhand eines Beispiels.

 

Beispiel: Entwurf und Validierung eines Serienhybrids

Zusammenfassung

Das Beispiel zeigt, wie durch die Berücksichtigung realistisch vieler Funktionselemente und deren dynamischen Zusammenspiels auf Systemebene innovative Auslegungen möglich sind. Neben thermischen und elektrischen Betrachtungen können natürlich auch Aspekte anderer Domänen (z. B. akustische oder sicherheitsrelevante) untersucht werden. Weiters können auf Simulations-Ebene verschiedene Konzepte einfach, rasch und ohne große Kosten implementiert und miteinander verglichen werden. Die Validierung verschiedener Implementierungsansätze in einer sehr frühen Entwicklungsphase erleichtert die Auswahl der besten Konzepte. Dies spart (Entwicklungs-) Zeit und Geld - die Chancen für eine „First-Time-Right“ Lösung erhöhen sich signifikant.


Möglich wird dieser Ansatz aber erst durch eine leistungsfähige Co-Simulations-Plattform. ICOS erlaubt dem Benutzer eine einfache Handhabung und Integration verschiedenster Simulatoren. Über moderne Kopplungsalgorithmen wird sichergestellt, dass die real existierenden Einflüsse zwischen den Modellen entsprechend abgebildet werden - und zwar nicht nur für eine Domäne, sondern über alle relevanten Fachbereiche und alle möglichen Dynamikbereiche hinweg.

 

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