Methoden zur Bestimmung der Ausfallraten von elektrischen und elektronischen Systemen am Beispiel der Lenkungselektronik

165 Pages·2019·2.57 MB·German

by  Ulrike Weinrich

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Ulrike Weinrich
Methoden zur Bestimmung
der Ausfallraten von
elektrischen und
elektronischen
Systemen am Beispiel
der Lenkungselektronik
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtech-
nik Universität Stuttgart
Reihe herausgegeben von
Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland
Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland
Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer-
sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammen-
arbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner
Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen,
Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die
Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simula-
tion. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik
(NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertra-
gung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden
und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet
sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steu-
erungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnach-
behandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien
sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. Themen der Kraftfahrzeug-Me-
chatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und
Energiemanagement, Funktions- und Softwareentwicklung sowie Test und Diag-
nose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen
unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahr-
simulator, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen
1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Univer-
sität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die her-
vorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Reihe herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Ulrike Weinrich
Methoden zur
Bestimmung der
Ausfallraten von
elektrischen und
elektronischen
Systemen am Beispiel
der Lenkungselektronik
Ulrike Weinrich
IVK Fakultät 7, Lehrstuhl für
Kraftfahrzeugmechatronik
Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2018
D93
ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic)
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-25462-9 ISBN 978-3-658-25463-6 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-25463-6
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Vorwort
DievorliegendeArbeitistimRahmenmeinerTätigkeitalswissenschaftlicher
Mitarbeiter am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren
Stuttgart(FKFS)entstanden.
Mein besondererDankgiltHerrnProf.Dr.-Ing.H.-C. Reuss.ErhatdieseAr-
beit ermöglicht, stets durch Rat und Tat gefördert und durch seine Unterstüt-
zungundsein Engagement,auchüberdenfachlichenTeil hinaus,wesentlich
zum Gelingen beigetragen. Auch danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Bertsche,
dem Leiter des Instituts für Maschinenelemente an der Universität Stuttgart,
fürseinefreundlicheBereitschaft,denMitberichtzuübernehmen.
Die Grundlagedieser Arbeit bildet die Zusammenarbeitmit der Bosch Auto-
motiveSteeringGmbHinFormeinesmehrjährigenForschungsvorhabens.Für
dieAnregungenzudemThemaunddieguteZusammenarbeitmöchteichmich
vorallembeiHerrnDipl.-Ing.ThomasPötzlbedanken.AllenMitarbeiterinnen
undMitarbeiternderAbteilungEntwicklungHardwaredankeichfürdiegute
und angenehme Zusammenarbeit. Besonders möchte ich mich bei den Her-
renDipl.-Ing.StefanWalzundDipl.-Ing.MarkusWebersowiedemgesamten
TeamdesFahrzeugversuchsbedanken.
Ferner bedanke ich mich herzlich bei allen Kollegen des Bereichs Kraftfahr-
zeugmechatronikfürdiekooperativeZusammenarbeitunddiegutegemeinsa-
me Zeit. Mein besonderer Dank geht dabei an meinen direkten Vorgesetzten
Dr.-Ing.GerdBaumann.SeinVertrauenunddermirgeboteneFreiraumwaren
dieGrundlagefürdasGelingendieserArbeit.IngleichemMaßebedankeich
mich bei den hilfswissenschaftlichen Mitarbeitern und den zahlreichen Bear-
beiterinnenundBearbeiternderzugehörigenStudien-undDiplomarbeiten.
LetztendlichdankeichvonganzemHerzenmeinenEltern undGroßelternso-
wie meinem Lebensgefährten Marcel Göpffarth. Sie haben mich stets unter-
stützt und motiviert. Insbesondere bei der Fertigstellung dieser Arbeit haben
sieauchinmenschlicherHinsichtwertvolleBeiträgegeleistet.
UlrikeWeinrich
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
AbkürzungenundFormelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 FunktionaleSicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 ISO26262 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 StatistischeGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 StatistischeMaßzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3 StatistischeMethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 StatistischeBeschreibungderZuverlässigkeit . . . . . 15
2.4.2 Univariate(Wahrscheinlichkeits-)Verteilungen . . . . 20
2.5 Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Bayes’scheStatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 EreignisseundWahrscheinlichkeiten . . . . . . . . . 29
2.6.2 SatzvonBayes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.3 Bayes-Schätzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.4 DiePriori-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 Markov-Ketten-Monte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.7.1 Monte-Carlo-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
VIII Inhaltsverzeichnis
2.7.2 Markov-Kette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7.3 MCMC-Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Analyse der Ausfallratenberechnung . . . . . . . . . . . 43
3.1 Situationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 MissionProfile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 Ausfallratenkataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3 Physics-of-Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2 Problemeingrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 MissionProfile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Ausfallratenkataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 EinflussderStrukturgröße . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Lösungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Experimentelle Bestimmung des Temperaturprofils . . 57
4.1 NachbildungdesEndkundenbetriebsmitProbandenstudien . . 57
4.1.1 Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.2 Probandenkollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 Strecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.4 Fahrplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 ÜbertragungaufandereKlimazonen . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 ErweiterungumElektrofahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.1 Verbrennungsmotorfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2 Teststatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.3 Thermowindkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.4 Elektrofahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.5 AllgemeinesTemperaturprofil . . . . . . . . . . . . . 84
4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Inhaltsverzeichnis IX
5 Methode für felddatenbasierte Ausfallraten . . . . . . . 87
5.1 Felddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Felddatenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.2 Datenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.3 Fazit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 PraktischerNachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.1 OpenBUGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.2 WahlderPriori-Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.3 Datenbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.4 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4 ErweiterungendesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1 EmpirischeBayes-Schätzungen . . . . . . . . . . . . 113
5.4.2 MultimodaleAusfallmodelle . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.3 Kovariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . 119
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Abbildungsverzeichnis
2.1 Badewannenkurvenach[8,13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Weibull-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1 Ausfallwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Physics-of-FailureProzess[2,78,80] . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 MeilensteinederHalbleiter-Technologieknoten . . . . . . . . . . 54
4.1 Stuttgart-Rundkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 HöhenprofildesStuttgart-Rundkurs . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 ThermowindkanaldesFKFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 GeschwindigkeitsprofileallerFahrer . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 ZeitlicherVerlaufausgewählterMessgrößenvonFahrzeug1 . . . 68
4.6 VergleichderTemperaturverläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.7 TemperaturhäufigkeitsverteilungandendreiMesspositionen . . . 71
4.8 DeterminationeineszweifachenTemperaturhubs . . . . . . . . . 72
4.9 TemperaturhubderMesspositionT . . . . . . . . . . . . . . 72
ECU
4.10 VerhältnisvonAußentemperaturzurMaximaltemperatur . . . . . 73
4.11 TagesmitteltemperaturvonStuttgart[154] . . . . . . . . . . . . . 75
4.12 VergleichdesTemperaturverlaufsvonT (Fahrzeug1) . . . . 78
ECU
4.13 VergleichdesTemperaturverlaufsvonT (alleMessungen) . . 79
ECU
4.14 HistogrammederMesspositionT (Fahrzeug1) . . . . . . . . 80
ECU
4.15 ZeitlicherVerlaufderMesspositionT fürElektrofahrzeug . . 81
ECU
4.16 VerteilungderTemperaturen(EV,F1) . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.17 TemperaturhubderMesspositionT . . . . . . . . . . . . . . 83
ECU
4.18 VerhältnisvonAußentemperaturzurMaximaltemperatur(EV) . . 84
5.1 SchematischeDarstellungderBayes-Inferenz . . . . . . . . . . . 94
5.2 Ausfallzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3 Ausfall-undBetriebszeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4 ErzeugteMCMC-Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.5 ParameterschätzungenmitKredibilitätsintervallen . . . . . . . . 105
5.6 VerteilungderParameterαbzw. β(nurAusfallzeiten) . . . . . . 107
(a) Gamma-Priori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
(b) JeffreysPriori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.7 AusfallrateundKredibilitätsintervalle . . . . . . . . . . . . . . . 109