Die elektrische Energieform gewinnt im Kraftfahrzeug wegen ihrer Nutzungsvielfalt und sehr guten Steuerbarkeit für die Realisierung neuartiger Funktionen zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für ihren Einsatz ist eine zuverlässige und effiziente Bereitstellung durch das Kfz-Energiebordnetz. Dafür ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich, welches mit geeigneten Strategien die Leistungsflüsse im Energiesystem koordiniert. In dieser Arbeit werden die beiden Entwurfsziele der Zuverlässigkeit und der Effizienz bei der Entwicklung von elektrischen Energiemanagement-Strategien systematisch betrachtet. Es erfolgt eine Beschreibung und Zuordnung der einzelnen Ziele und Maßnahmen anhand der Energieflüsse und Wirkungsketten. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Beherrschung von Lastwechseln im Bordnetz. Für Aussagen hinsichtlich einer effizienten Erzeugung elektrischer Energie erfolgt eine Untersuchung der Energiewandlungskette anhand analytischer Methoden und mit Hilfe einer simulationsgestützten Optimierung. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt in der Betrachtung zur Anwendung ökonomischer Modelle für eine Energiekoordination. Es werden die theoretischen Grundlagen der Mikroökonomie zusammengestellt und mögliche Funktionsstrukturen eines einseitigen und zweiseitigen Allokationsmechanismus verglichen und bewertet. Abschließend zeigen experimentelle Untersuchungen an einem Bordnetzprüfstand zum Lastwechselverhalten und die Integration eines Energiemanagement-Systems den praktischen Bezug zum realen System.

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Zur Verminderung der Kosten und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist es zukünftig erforderlich, den Verkabelungsaufwand bei Sensoren im Kraftfahrzeug zu senken. Ein Ansatz ist der so genannte autarke Sensor, der seine Hilfsenergie drahtlos aus dem Umfeld gewinnt und seine gewonnen Messdaten ebenfalls drahtlos an einen Kommunikationspunkt überträgt. In der vorliegenden Dissertation wurde die autarke Energiegewinnung für Sensoren anhand mechanisch / elektrischer Energiewandlersysteme untersucht, die eine von Kabelverbindungen unabhängige Energieversorgung des Sensors ermöglichen sollen. Für ein System, welches aus einem translatorischen Schwinger mit magnetischer Federung und einer Anordnung von Induktionsspulen ohne Eisenkreis besteht, wurden theoretische und praktische Untersuchungen durchgeführt. Ausgehend von der, die Bewegung des Systems beschreibenden Differentialgleichung wurden die Einflüsse verschiedener Federungs- und Dämpfungskräfte untersucht. Daraus wurde eine effektive Schwingungsgleichung abgeleitet und hinsichtlich der Amplitude und der Phase gelöst. Die umgesetzte elektrische Leistung des Wandlers wurde aus dem Realteil des Stromflusses abgeleitet. Mit einem realen Fahrzeug wurden Testfahrten durchgeführt, um verschiedene signifikante Fahrbahndaten zu erhalten. Mit diesen Prozessparametern erfolgten später Messungen im Labor. Dafür wurde ein Schwingprüfstand aufgebaut und mehrere Funktionsmuster von Energiewandlersystemen untersucht. / In the future a decrease in sensor cabling inside vehicles becomes of greater importance to reduce cost and increase reliability. One approach is the so called autarkic sensor that generates energy wireless from the sensor's environment and transmits the derived measuring data also wireless to a communication node. Purpose of this dissertation is to discuss the autarkic energy recovery sensors based on a mechanical to electrical conversion which should allow a cable less energy supply. Theoretical and practical tests where made for a system which consists out of a translatory vibration with magnetic suspension and coreless coils. Starting from the differential equations describing the movement of the system, the influence of different ways of suspension and damping forces where investigated. As a result, the actual equation of oscillation was derived and solved with respect to amplitude and phase. The gained electrical power was derived from the real part of the current. Multiple test runs inside a car where performed to obtain some realistic measurement values. Based on those measurements, a test stand was set up inside the laboratory which should simulate normal road conditions. Using this test stand, multiple functional models of energy converting systems were investigated.

Bei der Entwicklung neuartiger und innovativer Fahrerassistenzsysteme kommt der Positions- und Ausrichtungsbestimmung von Fahrzeugen eine Schlüsselrolle zu. Dabei entscheidet die Güte der Positionsbestimmung über die Qualität, die Robustheit und den Einsatzbereich des Gesamtsystems. Verbesserungen in der Positionsbestimmung führen zu einer besseren Performanz bzw. sind die Grundvoraussetzung für die Realisierung dieser Fahrerassistenzsysteme. Ein Beispiel für solch ein neuartiges Fahrerassistenzsystem, welches auf eine hochgenaue Positionsbestimmung baut, ist der BMW TrackTrainer. Dieses Assistenzsystem soll den "normalgeübten" Autofahrer beim schnellen Erlernen der Ideallinie auf Rennstrecken unterstützen, indem das Fahrzeug die Rennstrecke völlig autonom auf einer vorher aufgezeichneten Ideallinie umrundet, während der Teilnehmer sich die Strecke aus Fahrerperspektive einprägt. Für die Realisierung eines derartigen Assistenzsystems ist eine hochgenaue Positionsbestimmung im cm-Bereich notwendig. Bisher wurde dafür eine GPS-gestützte Inertialplattform eingesetzt, welche unter guten GPS-Empfangsbedingungen die Anforderungen an die Positionierung erfüllt. Bei schlechten GPS-Empfangsbedingungen, wie sie beispielsweise auf der international bekannten Rennstrecke Nürburgring Nordschleife aufgrund von Verdeckung und Abschattung der Satellitensignale durch stark bebautes oder bewaldetes Gebiet auftreten, liefert das Positionierungssystem keine ausreichend genauen Werte, wodurch das autonome Fahren verhindert wird. Zwar gibt es neben GPS auch weitere Positionsbestimmungssysteme, die aber für den Einsatz auf Rennstrecken entweder zu ungenau sind, oder einen zu hohen Rüstaufwand erfordern würden. Um diese Lücke zu schließen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein hochgenaues Positionsbestimmungssystem entwickelt und evaluiert, welches auch unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen den Anforderungen des autonomen Fahren auf Rennstrecken genügt und auf einer Fusion verschiedener Signalquellen in einem Positionsfilter beruht. Folgende Signalquellen wurden hinsichtlich Genauigkeit sowie Praxistauglichkeit für den Einsatz auf Rennstrecken experimentell untersucht: - GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) - Fahrzeugsensoren mit erweitertem Fahrzeugmodell - Digitaler Kompass - Laser-Reflexlichtschranken - Servo-Tachymeter - LIDAR-basierte Randbebauungserkennung - Videobasierte Spurerkennung - Digitale Karte. Obwohl eine GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen keine ausreichend genauen Positionswerte im cm-Bereich liefert, besitzt dieses System dennoch eine hohe Robustheit und Langzeitstabilität und stellt damit eine sehr gute Grundlage für die Positionsbestimmung auf Rennstrecken dar. Fahrzeugsensoren, bestehend aus Raddrehzahl- und Gierratensensor, schreiben die Fahrzeugposition mit Hilfe der Koppelnavigationsgleichung relativ für ca. 10s ohne eine Messung absoluter Positionswerte fort. Um die bestehenden Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, muss jedoch ab einer Geschwindigkeit von 30km/h das Fahrzeugmodell um eine Schwimmwinkelschätzung erweitert werden. Ein digitaler Kompass eignet sich nachweislich nicht für die Positionsbestimmung auf Rennstrecken. Hier treten aufgrund von magnetischen Interferenzen zu große Messfehler der Fahrzeugausrichtung auf, die eine Positionsstützung ungeeignet machen. Bei Referenzmessungen mit einem Servo-Tachymeter konnte die geforderte Genauigkeit dieser Messeinrichtung bei Fahrzeuggeschwindigkeiten kleiner 30km/h nachgewiesen werden. Bei höheren Geschwindigkeiten liefert das System jedoch keine Ergebnisse, was den Einsatz auf Rennstrecken ausschließt. Auf den Boden gerichtete Laser-Reflexlichtschranken können sehr präzise die Überfahrt über eine Bodenmarkierung detektieren. Da diese Überfahrten beim autonomen Fahren auf Rennstrecken nur sehr selten auftreten, ist diese Positionierungsmethode nicht geeignet. Mit Hilfe einer LIDAR-basierten Randbebauungserkennung kann die Fahrzeugposition in Kombination mit einer hochgenauen digitalen Karte der Randbebauung auf ca. 20-30cm genau geschätzt werden. Schwierigkeiten bereiten hier jedoch Unregelmäßigkeiten in der Geometrie der Randbebauung. Während parallel verlaufende Leitplanken neben der Strecke sehr gut erfasst werden können, liefern Sträucher, Erdwälle, etc. ungenaue Messergebnisse. Somit ist die LIDAR-basierte Randbebauungserkennung ein bedingt geeignetes System zur Positionsstützung auf Rennstrecken. Als vielversprechendster Ansatz zur Verbesserung der Positions- und Ausrichtungsbestimmung auf Rennstrecken konnte der Einsatz einer visuellen Spurerkennung in Verbindung mit einer hochgenauen digitalen Karte der Spurmarkierungen identifiziert werden. Hierfür wurde eine sich in Vorserie befindliche Bildverarbeitungseinheit der Firma MobileEye mit einer eigens entwi-ckelten Spurerkennung verglichen. Letztere bietet den Vorteil, Systemwissen über den Verlauf der Fahrspurmarkierung sowie negative Effekte der Fahrzeugeigendynamik mit in den Signalver-arbeitungsprozess einfließen zu lassen. Bei Vergleichsfahrten auf dem BMW eigenem Testgelände in Aschheim konnte der Vorteil der Spurdatenrückführung nachgewiesen werden. Die erwei-terte Spurerkennung hatte nachweislich gegenüber der Vorserienbildverarbeitung eine höhere Verfügbarkeit von gültigen Messwerten. Bei Messfahrten auf der Nordschleife stellte sich jedoch das Vorseriensystem von MobileEye als das deutlich robustere Spurerkennungssystem heraus. Hier führten verschmutzte Fahrbahnmarkierungen, schnell wechselnde Lichtverhältnisse sowie sonstige Straßenbeschriftungen dazu, dass die erweiterte Spurerkennung weitaus weniger gültige Messwerte lieferte als das Vorseriensystem. Aus diesem Grund fiel für Fahrten mit schlechten visuellen Bedingungen die Wahl auf das Vorserienbildverarbeitungssystem. Für den Entwurf des Positionsfilters wurden letztlich folgende Signalquellen verwendet: - GPS-gestützte Inertialplattform (GPS/INS) - Fahrzeugsensoren mit erweitertem Fahrzeugmodell - Videobasierte Spurerkennung in Kombination mit einer selbst aufgezeichneten hochge-nauen Karte der Spurmarkierungen der Teststrecke. Als Fusionsalgorithmus wurde ein erweiterter Kalman-Filter eingesetzt, da sich dieser besonders für die Zusammenführung unterschiedlicher Sensormessdaten eignet. Um eine optimale Zustandsschätzung der Fahrzeugposition und Ausrichtung zu erhalten, mussten die verwendeten Signalquellen zunächst zeitlich synchronisiert sowie auf Plausibilität geprüft werden. Als Synchronisationspunkt wurde der Messzeitpunkt der Signalquelle mit der größten Latenz verwendet. Dieser wurde mit 163ms durch für die videobasierte Spurerkennung bestimmt. Da jedoch eine verzögerte Positionsschätzung für eine stabile Reglung des Fahrzeugs für das autonome Fahren ungenügend ist, wurde die geschätzte Fahrzeugposition am Ausgang des Kalman-Filters mit Hilfe der Koppelnavigationsgleichung sowie der Fahrzeugsensoren auf den aktuellen Zeitpunkt (Latenz = 0s) prädiziert. Für die Detektion systematischer Fehler wie Radschlupf, falsch erkannte Spurmarkierung und GPS-Mehrwegeausbreitung kamen robuste Signalplausibilisierungsalgorithmen zum Einsatz. So erfolgte die Plausibilisierung der Spurerkennung unter anderem über die selbst aufgezeichnete hochgenaue Karte der Spurmarkierungen, da eine Spurerkennung nur da sinnvoll ist, wo Spurmarkierungsstützpunkte in hinterlegt sind. Für die Gültigkeitsüberprüfung der GPS-Messwerte wurde ein GPS-Offset-Beobachter entwickelt und angewendet. Die Evaluierung des entwickelten Positionsfilters wurde im Rahmen der Arbeit am Beispiel des BMW TrackTrainers auf drei ausgewählten Teststrecken mit steigendem Schwierigkeitsniveau (Verschlechterung der GPS-Empfangsbedingungen) durchgeführt. Hierfür wurde die in Echtzeit geschätzte Fahrzeugposition mit einer durch Post-Processing korrigierten Positionslösung referenziert. Die Auswertung der Ergebnisse bewies, dass der entwickelte Positionsfilter durch die Fusion einer GPS-gestützten Inertialplattform, den Fahrzeugsensoren zur Messung von Gierrate und Raddrehzahlen sowie einer visuellen Spurerkennung in Kombination mit einer hochgenauen Karte der Fahrspurmarkierungen die Anforderungen des autonomen Fahrens auch unter schlechten GPS-Empfangsbedingungen erfüllt. Mit diesem, im Rahmen der Arbeit entwickelten, hoch-genauen Positionsbestimmungssystem konnte erstmalig am 21.10.2009 das autonome Fahren auf der Nürburgring Nordschleife nachgewiesen werden.

Die Nachhaltige Ersatzteilversorgung mit Elektronikkomponenten stellt die Hersteller vieler technischer Systeme vor neue Herausforderungen. Der technologische Wandel im Halbleitermarkt ist so schnelllebig, dass sich die elektronischen Bauelemente oftmals schon beim Start der Serienproduktion des Gesamtsystems im Serienauslauf befinden. Die Automobilindustrie ist von dieser Problematik besonders betroffen, weil sie Fahrzeuge in großen Serien über vergleichsweise lange Zeiträume mit harten Kostenzielen und hohen Qualitätsmaßstäben fertigt und auch nach Serienende mit Ersatzteilen versorgen muss. Die einzelnen Kfz-Elektronikkomponenten durchlaufen dazu im Vorfeld eines Fahrzeugeinsatzes umfangreiche Freigabeuntersuchungen. Die Konfiguration eines Kraftfahrzeugs wird außerdem einer gesetzlichen Typprüfung unterzogen, so dass eine spätere Abwandlung der ursprünglichen Komponenten nicht ohne weiteres zulässig ist. Änderungen an der einzelnen Komponente sind demnach nur noch mit erheblichem Aufwand möglich. Diese Situation zwingt die Automobilhersteller und ihre Zulieferer für Kfz-Elektronik zu neuen Konzepten im Management ihrer Ersatzteilspektren. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein Management-Support-System für das herstellerseitige Ersatzteilmanagement von Kfz-Elektronikkomponenten auf Basis eines integrierten Methoden-, Daten- und Prozessmodells. Ferner werden Fragen der Systemintegration innerhalb eines Unternehmens und entlang der Wertschöpfungskette untersucht. Ersatzteilmanagement wird dazu als Strukturprozess innerhalb des Ersatzteilwesens betrachtet, der die Abwicklungsprozesse der Ersatzteilversorgung gestaltet und die Versorgungsstrategien zur einzelnen Kfz-Elektronikkomponente festlegt. Auf dem Wege der Lösungsfindung werden unterschiedliche Sichtweisen auf die Problematik gewählt. Vorherrschend ist dabei ein systemtechnischer Modellierungsansatz. Als konkrete Modellierungstechnik für das Ersatzteilmanagement-Support-System wird die Unified Modelling Language (UML) in Kombination mit dem ARIS-Unternehmensmodell nach Scheer eingesetzt. Die Praxisrelevanz wird an einem durchgängigem Fallbeispiel nachgewiesen.