CN114527397A - 用于监测车载网络中的能量源的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测车载网络(10)中的能量源的方法，其中，所述能量源用于供应所述车载网络(10)中的至少一个用电器(14，16，20，22，24，32，34，36)，其中，借助第一单元确定和分析处理所述能量源的功能参量，同样地，借助第二单元确定和分析处理所述能量源的功能参量，其中，所述两个单元的确定和分析处理相互独立地进行。

Description

用于监测车载网络中的能量源的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测车载网络(Bordnetz)中的能量源的方法以及一种用于执行该方法的车载网络。
背景技术
车载网络，也可以称为能量供应网络，在汽车应用中应理解为机动车中所有电部件的整体。因此，这不仅包括耗电器，而且包括诸如电池之类的供应源。在机动车中应该注意，电能如此可供使用，使得机动车可以随时启动并且在运行期间给出足够的电供应。但是即使在关闭状态中，耗电器仍应能够在适当的时间段内运行，而不影响随后的启动。
因此，车载网络具有给耗电器供应能量的任务。在此应该注意的是，由于成套设备电气化程度的提高以及新的车辆功能的引入，对机动车中的能量供应的安全性和可靠性提出更高的要求。
在这种情况下，12V侧的铅电池尤其是关键部件，必须对其性能进行监测，因为在几乎所有现有的车载网络架构中，其主要负责与安全相关的用电器的供应。
从文献DE 10 2015 200 124 A1中已知一种用于供应车载网络中的至少一个用电器的方法，在该方法中，用电器由多个子车载网络供应。为了确保供应，还已知提供基于尤其是二次电池(例如铅电池)的内阻的值来确定该电池的退化的单元。在此，电池的内阻借助电池传感器确定。还可以借助直流电压转换器的电压控制器来独立确定是否存在子网络的异常。
由于车辆功能的电气化和自动化提高，所属的安全能量供应的重要相关性增加。在开发过程中必须确保的安全级别由汽车安全完整性等级(英文Automotive SafetyIntegrity Level，缩写ASIL)描述，并在用于电能供应的车辆功能的具体应用中定义。
在这种情况下，在没有附加的自动化驾驶功能的情况下，在确定的车辆中已经存在关于符合ASIL C的安全能量供应的要求，其必须通过12V车载能量网络来表示。为此，通过12V车载能量网络还必须保证通过能量源的能量供应(即传统车辆中的能量源：发电机，或电气化车辆中的能量源：DC/DC转换器)和12V电池。
在此，安全要求可以分配给不同的部件并在安全关联中分解。由于来自能量源(发电机/DCDC)的能量供应与车辆传动系统的复杂相互作用，因此在此通常将具有ASIL C(C)的更大安全负载分配给12V电池。
发明内容
在此背景下，提出一种根据本发明的用于监测车载网络中的能量源的方法和一种根据本发明的车载网络。实施方式由根据本发明的技术方案和说明书得出。
所提出的方法用于监测车载网络中的能量源，其中，电池用于供应车载网络中的至少一个用电器。在此，借助第一单元确定和分析处理能量源的功能参量。借助第二单元同样确定和分析处理所述能量源的所述功能参量，其中，两个单元的确定和分析处理相互独立地进行。
这意味着，两个单元彼此独立地检测或测量以下参量：所述参量使得能够确定功能参量或确定功能参量的值。因此，相互独立地确定功能参量的两个值或功能参量的两个变化过程，其也可以相互独立地分析处理。以这种方式，能够以高可靠性做出关于能量源的状态以及还有关于能量源的未来状态的结论。
所提出的方法基于以下考虑：由于电池传感器的技术限制，ASIL C(C)要求如其先前所描述的那样不能由EBS部件单独表示。替代地，必须使用多个电池传感器或附加的外部部件，其能够实现对能量源(例如12V电池)的冗余监测或监控。
因此，冗余监测通过实现功率分布和功率控制功能的车载网络部件提供。这在此称为车载网络监测或电网监测(英文Powernet Guardian，缩写PNG)。原则上，在此可以使用能够测量电池的电流和电压的装置，例如控制设备或电子功率分配器。在此，在构型中使用已经存在的测量硬件，并且因此在整个系统中实现协同作用。
电池的状态通过功能参量(在一种情况下是电池的内阻Ri)冗余确定。这意味着，以两种方式彼此独立地确定或测量和分析处理功能参量。在此，在构型中，由电子电池传感器(EBS)提供的SSOF(safety state of function：功能安全状态)可以在考虑另外的参量的情况下从内阻Ri推导出来，而由PNG提供的电池内阻Ri也表示功能参量。在这方面参考图2。
功能参量在探测不同错误模式(Fehlerbilder)方面具有不同的结论准确性(Aussagegenauigkeit)，但是单独来看也能够探测具有特定结论准确性的每个错误模式，这也称为故障模式覆盖(Failure Mode Coverage)。因此，在安全背景中允许将“电池状态监测”功能性分解为两个不同功能参量的分析处理。这不仅在通过两个不同部件进行同一电池的冗余电池状态监测的情况下适用，而且在监测两个不同电池的情况下适用。在两种情况下，通过在不同的监测或监控部件上确定不同的功能参量来确保技术独立性，这对于ASIL分解来说是绝对必要的。
在整个系统背景中，在高于或低于电池性能的特定极限值时，每个功能参量都必须转换到安全状态中。在此，不允许对两个功能参量进行事先的可信度检验或其他结算(Verrechnung)。
由于将“电池状态监测”功能分解到不同构件上，因此构件分别仅须根据较低的ASIL进行开发。这在如下单个部件中提供优点：该部件在较低的ASIL完整性中可以更加成本有利地实现。附加地，不同措施的组合还可以使产品组合能够关于不同的车辆应用进行更好地定标，因为不必将单个部件(例如EBS)按照不同的ASIL要求进行定标(skalieren)，而是能够通过整个系统中的构件的组合来实现这种定标。
在借助EBS和PNG的组合的实施方案中，还使用已经处于车辆中的构件及其测量可能性，并将其匹配于应用。因此不需要安装附加的构件。这些导致整个系统成本增加的附加构件包括附加的能量存储器(例如DLC电容器)、锂离子电池或48V的ASIL认证和用于安全能量供应的高压车载网络。
除了诸如用电器和能量源之类的其他部件之外，所提出的车载网络通常还具有可以根据所提出的方法进行监测的能量源，例如电池。对该能量源的监测意味着，对该能量源的功能进行监测，以便因此能够保证其功能安全或运行安全，即可以及时识别出该部件的功能的退化或者甚至其失效。
附图说明
本发明的另外的优点和构型从说明书和附图中得出。
可以理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，上面所提及的和下面还将阐述的特征不仅能够以分别说明的组合使用，而且能够以其他组合或单独使用。附图示出：
图1以简化方框图示出车载网络；
图2示出功能安全的背景的图示；
图3以方框图示出所提出的方法的实施方案；
图4以流程图示出所提出的方法的可能流程；
图5以图表示出Cvm模块的背景。
具体实施方式
本发明基于附图中的实施方式示意性示出并且在下文中参照附图详细描述。
图1以方框图示出整体以附图标记10表示的车载网络。该图示示出直流电压转换器12，在其12V输出端上连接有第一用电器14和第二用电器16以及PNG 18。在PNG 18上又连接有第三用电器20、第四用电器22、第五用电器24和功率分配器26以及电池30(在这种情况下为12V电池30)。在功率分配器26上连接有第六用电器32、第七用电器34和第八用电器36。电池30配属有EBS 38。
应该注意的是，能量供应对于直流电压转换器12的ASIL QM(C)和电池30的ASIL C(C)进行划分。表示EPS的第三用电器20要求根据ASIL C的安全供应。必须以ASIL C(C)对电池30进行监测。然而，EBS 38的开发仅根据ASIL B执行。因此，以EBS 38和PNG 18进行电池30的监测的划分。PNG 18设置用于根据ASIL A(C)监测电池30。
图2阐示电阻的冗余计算(RCR：redundant calculation of resistance，电阻的冗余计算)，在这种情况下是电池的内阻Ri的冗余计算。该图示在上部示出根据SSOF(safety state of function，功能安全状态)的ASIL B(C)进行的电压预测，并且在下部示出根据RCR功能根据PNG的ASIL B(C)进行的Ri计算。
该图示在上部示出具有等效的等效电路图52的电池50，该等效电路图用于预测电压，以便执行安全的停止操纵。等效电路图52包括电压源54、内阻Ri 56、电阻Rpol 58、在电子从电解质跃迁到晶格中或反之时出现的击穿电阻(Durchtrittswiderstand)以及电容60。
在其横坐标72上绘制时间并且在其纵坐标74上绘制电流的第一曲线图70示出用于控制和制动直到车辆停止为止的电流变化过程。在其横坐标82上绘制时间并且在其纵坐标84上绘制电压的第二曲线图80示出预测电压的变化过程，其在时间点86处低于临界电压极限88。条件90设置如下：
如果预测电压的变化过程高于临界电压极限88，则根据ASIL B给定安全能量源供应。
该图示在下部同样示出电池100，其与输出通道102连接以用于电控制和制动。PNG确定Riwwiring、电池的内阻Ri以及电缆电阻Rwiring，作为输出通道102的安全供应的指标。在其横坐标112上绘制SOC并且在其纵坐标104上绘制Riwwiring的第一曲线图110示出该电阻的变化过程。在其横坐标122上绘制电池的温度并且在其纵坐标124上绘制Riwwiring的第二曲线图120示出该电阻的变化过程。在其横坐标132上绘制车辆使用寿命并且在其纵坐标134上绘制Riwwiring的第三曲线图130示出该电阻的变化过程。此外，为所有三个曲线图110、120、130引入电阻阈值138，在超过该电阻阈值时达到临界状态。
条件14说明：
如果Riwwiring小于电阻阈值138，则给出符合ASIL A的安全供应。
如果满足两个条件90和140，则给出符合ASIL C的安全供应。
所阐述的用于在PNG上产生冗余安全路径的RCR功能在图3中示出。应该注意的是，欧姆电池内阻Ri是简单的电池性能指标。因此，与电池传感器的SSOF的互相作用(Zusammenspiel)中可以反映更高的安全级别用于与安全相关的部件的供应，例如用于电动转向辅助装置。
图3示出方框200，其表明电池的内阻Ri的计算。输入参量是PNG测量数据202。输出参量是至车辆的输出204，例如警告消息和错误消息。
在方框200中设置有第一模块Sri 206(Safety Battery ResistanceDetermination，安全电池电阻确定(内部))、第二模块Rmu 208((Resistance MeasurementUncertainty Determination，电阻测量不确定度确定)、第三模块Cvm 210(ChargingVoltage Monitoring，充电电压监控)和第四模块Sre 212(Safety Battery ResistanceEvaluator，安全电池电阻评估器)。针对各个模块实施如下：
Sri：
求取欧姆电池内阻Ri，包括电池与PNG之间的电缆电阻在内，然而，其稍后以其寿命初期(Begin-of-Life)标称值进行考虑。在此使用EBS电池状态检测Ri时域算法，即由EBS确定的欧姆电阻的值，其将来提高到ASIL C/D。在线路上的合适激励的情况下，该算法提供Ri以及将其分类为有效的或者说有效果的或无效的信号。但是，从有效到无效的变换并不意味着Ri现在是错误的，而是其仅意味着电线上的激励不足以在算法内部的协方差阈值内确定Ri。因此，可以将其视为从已知的Ri到未知的Ri的变换。
Rmu：
估计PNG上计算出的Ri的测量不确定度，因为稍后在对Ri安全限制的检查中必须考虑该不确定度。
Cvm：
监测充电电压，并且必要时在放电情况中通过最坏情况假设跟踪(Nachführen)最后有效的Ri。在功能参量的确定失效的情况下，在考虑功能参量的最后确定的值的情况下跟踪该参量。
Sre：
用于分析处理来自先前模块和决策者的关于向外部的反应、激励请求、黄色警告灯、红色警告灯、关于车辆级别的结果的信息的模块可以通过不同部件的退化给定，以便仍然能够执行行驶直到下一车间为止。
驾驶运行(即没有睡眠模式)中RCR功能的一种可能流程可以看起来如下：
在第一步骤250中，请求激励信号，例如合适的电流模式，其使得能够实现Ri探测。在第二步骤252中求取Ri。在第三步骤254中，对照(gegen)电阻安全阈值(Ri Safety Limit，Ri安全限制)以及Ri安全限制的70％来检查Ri。
a.在超过70％(x％)安全限制时：例如，将警告发送给上级控制设备，以便例如请求对电池充电或者采取退化策略。
b.在超过Ri安全限制时存在错误，这意味着，不再有足够的来自电池侧的性能可供用于执行安全停止操纵。
c.在符合要求(iO)的情况下，继续第四步骤。
在第四步骤256中，RiValid信号(该信号以信号表示关于足够的激励以及内阻的不断更新的指标)通常在现代车载网络中在一段时间后消失，因为激励不足以保持Ri有效。在第五步骤258中，因此现在通过Cvm模块确保Ri不恶化。在这方面参考图5。
这基本上通过两种方案执行：
a.保持足够高的电池电压，例如大于13.2V，高于SOC 100％的开路电压，以便因此防止电池放电，因为这与PbAc电池中的内阻的恶化相关联。大多数时间是这种情况。
b.然而，对于短期的电流脉冲，还必须能够实现，电池电压可以低于上面所提及的值。这种较低的电压只允许存在有限的时间，可以说是作为用于电压或允许放电量的一种类型的去抖动(Entprellen)或消除抖动(Debouncing)。
通过进行电流积分并借助老化电池的一个或多个最坏情况导数dRi/dQ跟踪最后的有效地或者说有效果地分类的Ri反映出在放电时Ri的恶化的可靠估计，从而仍然保证安全。在此，例如可以设想根据当前Ri与安全限制值之间的差异使用不同的最坏情况斜率dRi/dQ。
在第六步骤260中，由于通过最坏情况dRi/dQ斜率进行跟踪是非常保守的，因此通过对照例如安全限制的70％检查所跟踪的Ri来请求用于Ri的额外激励。这导致，Ri值又调整为电池的“真实的”Ri曲线并且因此还保留车辆的足够可用性。一般地，在第七步骤262中，在FHTI(fault handling time interval，故障处理时间间隔)期满之前X秒，再次请求激励信号，从而借助FHTI来保持用于Ri的现实性(
Figure BDA0003331385600000071
)的最大时间段，例如5或10分钟。FHTI是ISO26262标准中的术语，即如下时间：在出现安全关键的错误之后，必须在该时间内将系统带入到安全状态中。
此外，电池寿命指标可以在PNG算法内实现，其例如基于每小时“额外激励”的分析处理。
图5示出曲线图300，在其横坐标302上绘制以％CN表示的SOC(以电池的标称容量的百分比表示的充电状态)并且在其纵坐标304上绘制欧姆电阻。曲线306示出电池内阻Ri的变化过程。此外，还引入Ri安全阈值(Ri Safety Limit，Ri安全限制)308。此外，引入用于第一模式的第一区域310和用于第二模式的第二区域312。这两种模式与充电和放电有关，即高于13.2V充电和低于13.2V放电。
第一箭头320表明最坏情况假设：
Riangenommen＝letztesValidRi+dRi/dQ*ΔQdiS
Riangenommen是在车载网络上不存在足够高的激励信号时电池内阻Ri的根据最坏情况适配的值。letztesValidRi是以足够的激励已求取到的最后存在的Ri值。dRi/dQ是最坏情况斜率。ΔQdiS是由放电引起的电荷量，即放电电流随时间的积分。
仅对放电电流进行积分，如果在激励之后RiValid标志变为真，则进行复位。
双箭头322表明用于去抖动的ΔQ。此外，Ri值324从具有真的RiValid标志的Sri模块引入。
另一曲线330示出老化电池的变化过程，其从Ri安全限制处的最坏情况倾斜度dRi/dQ推导出。此外，还引入用于触发激励的阈值340。如果Riangenommen超过该值，则由直流电压转换器请求激励，以便使Ri又到实际的曲线、即曲线306上。
例如，所提出的方法使得能够实现ASIL C孤岛车载网络(Inselbordnetz)而无需另外的措施，实现AD车辆中的经改善的电池诊断，并且由此避免停滞(Liegenbleibern)。

Claims (10)

1.一种用于监测车载网络(10)中的能量源的方法，其中，所述能量源用于供应所述车载网络(10)中的至少一个用电器(14，16，20，22，24，32，34，36)，其中，
-借助第一单元确定和分析处理所述能量源的功能参量，
-借助第二单元同样确定和分析处理所述能量源的所述功能参量，其中，两个单元的确定和分析处理相互独立地进行。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述方法中，电池(30，50，100)用作能量源，配属于所述电池(30，50，100)的电子电池传感器(EBS)(38)用作第一单元，并且PNG(18)用作第二单元。
3.根据权利要求2所述的方法，在所述方法中，所述电池(30，50，100)的内阻Ri(56)考虑用作功能参量。
4.根据权利要求3所述的方法，在所述方法中，所述EBS(38)由所述电池(30，50，100)的内阻Ri(56)附加地推导出所述电池(30，50，100)的SSOF，所述SSOF在所述分析处理时考虑所述内阻Ri(56)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，在所述方法中，在分析处理所述功能参量时执行与阈值的比较。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，在所述方法中，在所述功能参量的确定失效的情况下，在考虑所述功能参量的最后确定的值的情况下跟踪所述功能参量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，在所述方法中，对于所述功能参量的分析处理表明所述能量源可能失效的情况，采取对策。
8.一种具有能量源的车载网络，所述能量源用于供应至少一个用电器(14，16，20，22，24，32，34，36)，其中，设置用于根据功能参量监测所述能量源的第一单元和用于根据所述功能参量监测所述能量源的第二单元，其中，所述车载网络(10)设置用于执行根据权利要求1至7任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的车载网络，在所述车载网络中，所述能量源是电池(30，50，100)，所述第一单元是EBS(38)，并且所述第二单元是能够测量所述电池(30，50，100)的电流和电压的装置。
10.根据权利要求8或9所述的车载网络，所述车载网络包括多个子车载网络，其中，所述能量源用于供应所述子车载网络中的一个子车载网络中的用电器(14，16，20，22，24，32，34，36)。
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