DE10150381A1

DE10150381A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Ausfallsicherheit von Fahrzeug-Bordnetzen

Info

Publication number: DE10150381A1
Application number: DE10150381A
Authority: DE
Inventors: Wunibald Frey; Marc Knapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbesserung der Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze, die von wenigstens einer Batterie (2) und einem Generator (1) gespeist werden. Um die Stabilität des Bordnetzes zu gewährleisten, werden die Energiequellen (1, 2) ständig überwacht, und bei einem Defekt bzw. einer stark verminderten Leistungsfähigkeit einer der Energiequellen (1, 2) wird aktiv auf den Fahrbetrieb des Fahrzeugs eingegriffen, um den vollständigen Ausfall des Systems während der Fahrt zu vermeiden. Hierzu wird z. B. die maximale Motordrehzahl begrenzt oder das Fahrzeug insbesondere bis zum Stillstand abgebremst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbesserung der Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug- Bordnetze, insbesondere von Kfz-Bordnetzen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 16.
Durch die zunehmende Verbreitung sicherheitsrelevanter elektrischer Verbraucher wird die Stabilität und insbesondere die Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze immer wichtiger.

Bei Einsatz sicherheitskritischer elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise elektrohydraulischen Bremsen (EHB) in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, muss die Energieversorgung dieses Systems ständig überwacht werden, um einen Ausfall rechtzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Zu diesem Zweck umfassen moderne Bordnetze ein Energie- bzw. Verbrauchermanagementsystem, mit dem im Falle unzureichender Energieversorgung, z. B. auf Grund eines defekten Generators oder einer zu schwachen Batterie, entweder verbrauchsmindernde oder die Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen eingeleitet werden können.

Zu den verbrauchsmindernden Maßnahmen gehören dabei insbesondere das Abschalten oder Dimmen von Komfortverbrauchern, wie z. B. von Heizungen, Lüftungen, etc. Zu den leistungserhöhenden Maßnahmen zählen insbesondere die Erhöhung der Leerlaufdrehzahl des Motors oder das automatische Umschalten auf eine niedrigere Getriebeübersetzung während der Fahrt, um die Motordrehzahl und damit die Generatorleistung zu erhöhen.

Trotz der durch das elektrische Energie- und Verbrauchermanagement eingeleiteten Maßnahmen kann es zu einer weiteren Verknappung der vom System zur Verfügung gestellten Reserveleistung kommen. Dadurch besteht die Gefahr des Ausfalls sicherheitsrelevanter Einrichtungen und folglich der Verlust der Beherrschbarkeit des Fahrzeugs.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbesserung der Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze bei schwacher bzw. nicht funktionsfähiger Energieversorgung zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 bzw. 16 angegebenen. Merkmale.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, bei defektem Generator oder defekter bzw. schwacher Batterie aktiv in den Fahrbetrieb des Fahrzeugs einzugreifen, um den vollständigen Ausfall des Systems zu vermeiden.

Das Eingreifen in den Fahrbetrieb kann darin bestehen, dass die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt oder das Fahrzeug, insbesondere bis zum Stillstand abgebremst wird. Zu diesem Zweck enthält das Fahrzeug eine entsprechend programmierte Steuereinheit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden vor dem Eingriff in den Fahrbetrieb verbrauchsmindernde und/oder die Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen durchgeführt. Verbrauchsmindernde Maßnahmen sind beispielsweise das Abschalten oder Dimmen sogenannter Komfortverbraucher oder Stillstandsverbraucher, also Verbraucher, die nicht unmittelbar für die Fahrsicherheit erforderlich sind, wie beispielsweise Heizungen, Lüftung, Radio oder Innenbeleuchtung. Zu den leistungserhöhenden Maßnahmen gehören unter anderem das Erhöhen der Leerlaufdrehzahl, z. B. durch entsprechendes Ansteuern der Motorsteuerung, und das Erhöhen der Generatorspannung z. B. durch Umschalten auf ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis des Getriebes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Fahrer vor dem Eingreifen in den Fahrbetrieb über die bevorstehenden Maßnahmen informiert. Dies erfolgt vorzugsweise akustisch und/oder mittels optischer Einrichtungen.

Bei defekter oder schwacher Batterie wird der Fahrer in einem ersten Schritt z. B. über die Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit informiert. Danach wird in einem zweiten Schritt z. B. die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt, bis der Defekt behoben wurde.

Nach dem Abschalten oder Reduzieren der Leistung elektrischer Verbraucher durch ein elektrisches Energiemanagement (Steuereinheit) darf der Generator nicht durch zusätzliche Belastungen entregt werden, was zum Stillstand des Verbrennungsmotors führen könnte. Um dies zu verhindern, wird (bei defekter Batterie) daher vorzugsweise die vom Generator getriebene Last auf ein Mindestmaß erhöht und der Generator in einen stabilen Arbeitspunkt gefahren. Dadurch kann die Generatorleistung stabilisiert werden. Gleichzeitig wird damit auch das verhalten des Generators bei Lastspitzen verbessert. Ein Spannungseinbruch im Bordnetz wird somit auf ein akzeptables Maß reduziert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Generator gegenüber herkömmlichen Auslegungen eine gesteigerte Ausgangsleistung. Dabei ist die Ausgangsleistung des Generators derart ausgelegt, dass - gegebenenfalls in Kombination mit EEM-Maßnahmen - zu jedem Zeitpunkt im Normalbetrieb (alle Einrichtungen funktionieren fehlerlos) eine ausgeglichene Ladebilanz sichergestellt ist.

Bei einem Generatordefekt wird der Fahrer vorzugsweise zunächst darüber informiert und gegebenenfalls verbrauchsmindernde Maßnahmen eingeleitet. Darüber hinaus wird vorzugsweise der Ladezustand der Batterie überwacht. Bei unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den Ladezustand bzw. die Netzspannung wird schließlich in den Fahrbetrieb des Fahrzeugs eingegriffen. Dies kann in einem ersten Schritt durch Begrenzen der maximalen Geschwindigkeit (bzw. der maximalen Motordrehzahl), und bei Unterschreiten eines weiteren Grenzwertes durch aktives Abbremsen des Fahrzeugs erfolgen. Vor dem Einleiten der entsprechenden Maßnahme wird der Fahrer, vorzugsweise akustisch, informiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die jeweilige Maßnahme erst nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit nach dem Informieren des Fahrers durchgeführt. Dadurch kann sich der Fahrer auf die bevorstehende Maßnahme einstellen und wird beispielsweise nicht in einem Überholvorgang überrascht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Batteriezustandserkennung vorgesehen, welche die Batterie überwacht und in der Lage ist, den Ladezustand bzw. die Leistungsfähigkeit der Batterie festzustellen. Dies erfolgt vorzugsweise auch im Fahrzeugstillstand (bei abgeschaltetem Motor). Besteht die Gefahr einer zu großen Batterieentlandung bei abgestelltem Fahrzeug, können Stillstandsverbraucher, wie z. B. Innenbeleuchtung, Radio, Empfänger der Tür-Fernbedienung etc. abgeschaltet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Kfz-Bordnetzes;
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Stabilisierung des Bordnetzes für den Fall einer defekten Batterie oder eines defekten Generators;
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Stabilisierung des Bordnetzes bei defekter Batterie; und
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Stabilisierung des Bordnetzes bei defektem Generator.
Fig. 1 zeigt die Topologie eines 14 V-Bordnetzes mit einem im Heck eines Autos (rechts der gestrichelten Linie A) angeordneten Signal-Leistungs-Verteiler (SLV) 7' und einem im Frontbereich (links der gestrichelten Linie A) angeordneten Signal-Leistungs-Verteiler 7. Der SLV 7, 7' dient zur Verteilung der von einem Generator 1 und einer Batterie 2 erzeugten Leistung auf verschiedene Verbraucher 3, 3' bzw. 4, 4'.
Die Verbraucher umfassen eine erste Gruppe von Verbrauchern 3, 3', die zur Senkung des Leistungsverbrauchs oder z. B. bei einem Zusammenstoß abgeschaltet werden können, und eine zweite Gruppe von Verbrauchern 4, 4', die aus Sicherheitsgründen ständig versorgt werden müssen.
Die Verbraucher 3, 3', 4, 4' sind jeweils durch Sicherungen 10 abgesichert. Zum Abschalten der Verbraucher 3, 3' bzw. 4, 4' sind Schalter S vorgesehen.
Jeder der SLV 7, 7' umfaßt vorzugsweise eine Steuereinheit µC zur Durchführung von Aufgaben des elektrischen Energiemanagements und zur Steuerung diverser Einrichtungen des Bordnetzes. Die Steuereinrichtungen 8, 8' sind über einen CAN-Bus 9 miteinander und mit Steuerungen der Verbraucher 3, 3' bzw. 4, 4' verbunden.
Ferner ist ein Hauptschalter 6 zum gleichzeitigen Abschalten mehrerer Verbraucher 3, 3', und insbesondere von Stillstandsverbrauchern, vorgesehen. Der Hauptschalter 6 wird von der Steuereinheit 8' angesteuert und kann im Bedarfsfall, z. B. bei einem Unfall, geöffnet werden. Bei einem Zusammenstoß erfolgt die Ansteuerung des Hauptschalter 6 aus Gründen kurzer Ansprechzeiten vorzugsweise direkt von einem Signalgenerator des Airbags.
Zur Stabilisierung des Bordnetzes, d. h. insbesondere zur Vermeidung von Ausfällen sicherheitsrelevanter Verbraucher, wie z. B. elektrohydraulischer Bremsen, kann das in Fig. 2 dargestellte Verfahren durchgeführt werden.
Fig. 2 umfaßt im wesentlichen folgende Schritte: Nach erfolgtem Start (Schritt 20) wird in Schritt 21 zunächst der Ladezustand der Batterie 2 abgefragt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer Batteriezustandserkennung (nicht gezeigt). Batteriedefekte werden vorzugsweise auch dann detektiert, wenn ein Fremdstart oder ein Start mittels einer Batterie mit abweichender Kapazität erfolgt ist. Wird eine defekte oder zu schwache Batterie erkannt, folgt der Verfahrensablauf gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 3 (Schritt 22).
Das Verfahren von Fig. 3 umfasst im wesentlichen folgende Schritte: Zunächst erfolgt in Schritt 37 eine Meldung an den Fahrer. Dies kann z. B. ein optischer Hinweis ("Batterie defekt! Werkstatt aufsuchen!") sein, der auf äem Display erscheint (Schritt 38).
Danach wird in Schritt 39 die Verbraucherlast minimiert, indem zuvor festgelegte und nicht unbedingt erforderliche Verbrauchergruppen (z. B. die Komfortverbraucher 3, 3') in der Leistung reduziert oder abgeschaltet werden.
Gegebenenfalls wird danach in Schritt 40 die Last auf eine applikationsabhängige Mindestlast wieder erhöht, um die Generatorleistung zu stabilisieren (Schritt 41). Dies hat den Vorteil, dass durch eine erhöhte Auslastung des Generators dessen Verhalten bei Lastspitzen verbessert wird.
Nach einer, vorzugsweise akustischen, Meldung an den Fahrer in Schritt 42, z. B. "maximale Geschwindigkeit wird begrenzt" (Schritt 43) wird die Maximaldrehzahl des Motors und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (Schritt 45) z. B. nach einer Verzögerungszeit von 5 Sekunden (Schritt 44) begrenzt.
Die Rückstellung auf den Normalbetrieb (Schritt 46) erfolgt vorzugsweise erst nach Austausch der defekten Batterie 2.
Durch Begrenzung der Maximaldrehzahl des Motors kann auch über eine längere Fahrtzeit, z. B. in eine weiter entfernt liegende Werkstatt, die Stabilität des Bordnetzes sichergestellt werden.
Wird dagegen in Schritt 21 von Fig. 2 festgestellt, dass die Batterie 2 funktionsfähig ist, so wird zyklisch abgefragt, ob der Ladezustand der Batterie 2 unter einen vorgegebenen Grenzwert c sinkt (Schritt 23). Ist dies der Fall, wird in Schritt 24 die Funktionsfähigkeit des Generators 1 abgefragt.
Wenn ein Generatorausfall erkannt wurde, so folgt das Programm gemäß dem Ablauf von Fig. 4.
Nach einer optischen Meldung an den Fahrer in Schritt 47, z. B. "Generator defekt, Werkstatt aufsuchen", wird die Verbraucherlast auf das maximal zulässige Maß reduziert. Sinkt der Batterieladezustand in Schritt 50 unter einen vorgegebenen Schwellenwert b (z. B. 40% der normalen Batteriekapazität), so erfolgt in den Schritten 52 und 53 eine vorzugsweise akustische Meldung an den Fahrer, dass die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt wird. Nach einer Verzögerungszeit von z. B. 5 Sekunden (Schritt 54) wird über einen Triebstrangeingriff die Motordrehzahl bzw. die Geschwindigkeit begrenzt (Schritt 55). Wenn der Batterieladezustand weiterhin unter einen Schwellenwert a (z. B. 20% der normalen Batteriekapazität) absinkt, erf olgt eine weitere Warnung an den Fahrer, z. B. "Batterie leer, Fahrzeug abstellen". Diese Meldung (Schritt 59) ist vorzugsweise ebenfalls akustisch. Nach einer weiteren kurzen Verzögerungszeit (Schritt 60) wird der Wagen schließlich in Schritt 61 automatisch abgebremst, bevor sämtliche Energieresourcen verbraucht sind und eine manuelle Bremsung nicht mehr möglich ist.
Die Rückstellung des Fahrzeugs (Schritt 62) erfolgt vorzugsweise in der Werkstatt.
Die in den Fig. 2 bis 4 angegebenen Schaltschwellen sind vorzugsweise programmierbar. Dabei sollte jedoch folgende Beziehung: a<b<c<d gelten. Eine günstige Einstellung der Schaltschwellen ist z. B. a = 20%, b = 40%, c = 50% und d = 80% der Batterie-Ladekapazität.
Ist dagegen der Generator 1 in Schritt 24 von Fig. 2 funktionsfähig, so folgt eine Abfrage der Generatorreserveleistung in Schritt 26. Ist keine Reserveleistung vorhanden, so wird zunächst die Motorleerlaufdrehzahl in Schritt 27 erhöht und danach gegebenenfalls die Verbraucherleistung in verschiedenen Stufen (Schritte 29, 31) reduziert. Dazwischen wird jeweils abgefragt (Schritte 28, 30, 32), ob der Generator 1 noch über Reserven verfügt.
Wenn weiterhin Reserven vorhanden sind, wird, zur schnelleren Batterienachladung, die Ladespannung z. B. auf 15,5 V (applikationsabhängig) in Schritt 34 erhöht. Danach wird in Schritt 35 nochmals die Generatorauslastung abgefragt. Sollte keine weitere Leistungsreserve vorhanden sein, so wird die Last nach Prioritätenliste (z. B. zuerst die Heizung, dann die Lüftung, dann die Innenbeleuchtung etc.) reduziert. Dies erfolgt z. B. bis zu einem Batterieladezustand d, mit z. B. d = 80% der Batteriekapazität. Hat diese Batterielade-Routine Erfolg, so kann in Schritt 37 der Normalzustand des Bordnetzes wieder eingestellt werden. Dabei werden insbesondere die Generatorspannung U_GEN, die Leerlaufdrehzahl des Motors n_L,MOT, die Getriebeabstufung sowie die abgeschalteten Lasten in einen vorgegebenen Zustand zurückgesetzt.
Hat die Batterielade-Routine keinen Erfolg, so wird das Programm von Fig. 3 durchlaufen (Schritt 22).
Alternativ oder zusätzlich zur Anhebung der Leerlaufdrehzahl in Schritt 27 kann bei Fahrbetrieb die Getriebeübersetzung erhöht werden, indem die Getriebeabstufung zurückgeschaltet wird, um dadurch die Generatorleistung des Generators 1 zu erhöhen. Bezugszeichenliste 1 Generator
2 Batterie
3, 3' Komfortverbraucher
4, 4' Sicherheitsrelevante Verbraucher
5 Vorsicherungen
6 Hauptschalter
7, 7' Signal-Leistungs-Verteiler
8, 8' Steuereinheit
9 Sicherungen
10 Sicherungen
S Schalter
20-62 Verfahrensschritte

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Ausfallsicherheit elektrischer Bordnetze, insbesondere von Kfz-Bordnetzen, die von wenigstens einer Energiequelle (1, 2) gespeist werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Überwachen des Zustandes der Energiequelle (1, 2); und

- Aktives Eingreifen in den Fahrbetrieb des Fahrzeugs, wenn die Energiequelle (1, 2) eine verminderte Leistungsfähigkeit aufweist oder defekt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei verminderter Leistungsfähigkeit oder einem Defekt der Energiequelle (1, 2) verbrauchsmindernde oder die Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Eingreifen auf den Fahrbetrieb durch Begrenzen der maximalen Geschwindigkeit, insbesondere der maximalen Motordrehzahl erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Eingreifen auf den Fahrbetrieb durch Abbremsen des Fahrzeugs, insbesondere bis zum Stillstand, erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeuglenker über den verschlechterten bzw. den defekten Zustand der Energiequelle (1, 2) optisch und/oder akustisch informiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchsmindernden Maßnahmen das Abschalten von Komfortverbrauchern (3, 3') umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten von leistungserhöhenden Maßnahmen das Erhöhen der Motordrehzahl umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten von leistungserhöhenden Maßnahmen das Ändern der Getriebeabstufung umfasst.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz von wenigstens einer Batterie (2) und einem Generator (1) gespeist wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrer bei defekter Batterie (2), insbesondere akustisch und/oder optisch, informiert und die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrer bei defektem Generator (1) informiert, im folgenden der Ladezustand der Batterie (2) überwacht und das Fährzeug automatisch abgebremst wird, wenn der Ladezustand der Batterie eine vorgegebene Schwelle (a) unterschreitet.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei defektem Generator (1) der Ladezustand der Batterie (2) überwacht wird, bei Unterschreiten einer vorgegebenen, ersten Schwelle (b) die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt, und bei Unterschreiten einer zweiten Schwelle (a) des Batterieladezustandes das Fahrzeug abgebremst wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingreifen in den Fahrbetrieb nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei defekter Batterie (2) der Generator (1) in den Bereich seines optimalen Arbeitspunktes gefahren wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fahrzeugstillstand vorgegebene Verbraucher (3, 3') abgeschaltet werden, wenn eine Schwelle für den Ladezustand der Batterie (2) unterschritten wird.

16. System zur Verbesserung der Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze, insbesondere von Kfz-Bordnetzen, mit einer Steuereinheit (8, 8'), die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.