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Um
die Sicherheit und Verfügbarkeit
der elektrischen Energieversorgung im Fahrzeug zu erhöhen werden
Energiemanagementsysteme eingesetzt. Hierbei ist das vorrangige
Ziel der bedarfsgerechten Energieerzeugung die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Für das
Energiemanagement wurden bisher weitgehend Lösungen vorgeschlagen, bei denen
die vorhandene Leistung auf die im Bordnetz vorhandenen Verbraucher
mit mehr oder weniger hierarchischen Strukturen verteilt wird.
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Ein
derartiges Energiemanagement für
Kraftfahrzeuge ist zum Beispiel aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 29 150 A1 bekannt.
Hier wird mit einem hierarchisch aufgebauten Energiemanagement,
dessen Software nach Funktionen strukturiert ist, die vom Bordnetzgenerator
erzeuge Leistung auf die im Bordnetz angeschlossenen Verbraucher
verteilt. Die Leistungsregulierung des Bordnetzgenerators erfolgt
dabei mit einem Generatormanager und die Leistungsverteilung auf
die Verbraucher erfolgt mit einem Bordnetzmanager. Generatormanager
und Bordnetzmanager sowie die im Bordnetz angeschlossenen Verbraucher
stehen untereinander in einer Kommunikationsverbindung. Der Bordnetzmanager
vergleicht hierbei die Leistungsanforderungen der elektrischen Verbraucher
mit dem Potential der Leistungserzeugung des Bordnetzgenerators
und legt unter Beachtung der Anforderungen der einzelnen Verbraucher
eine Strategie für
die Leistungserzeugung und Leistungsverteilung fest. Die Leistungsverteilung
erfolgt hierbei nach fest vorgegebenen und im Energiemanagement
fest implementierten Prioritäten
und mit fest vorgegebenen und ebenfalls im Energiemanagement implementierten
Kontingenten an Leistung, die den einzelnen Verbrauchern im Bordnetz
zugeordnet sind.
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Bei
Energiemanagementsystemen der vorgenannten Art müssen bei der Programmierung
der verschiedenen Softwaremodule die Festlegungen hinsichtlich Priorität und Leistungskontingente
anhand der tatsächlich
im Bordnetz angeschlossenen Verbraucher getroffen werden. Dies führt dazu,
dass für
jede Ausstattungsvariante eines Kraftfahrzeugs, die sich in Anzahl
und Art der elektrischen Verbraucher im Bordnetz voneinander unterscheiden,
ein spezielles Energiemanagementsystem programmiert werden muss.
Das gleiche Problem der Neuprogrammierung des Energiemanagementsystems
tritt auf, wenn zusätzliche
Verbraucher in das elektrische Bordnetz nachträglich eingebaut werden sollen,
oder wenn im Laufe der Modellpflege eines Fahrzeugs Verbraucher
durch bessere Verbraucher ersetzt werden. Eine Variantenunabhängigkeit
des Energiemanagementsystems ist bei bekannten Systemen daher nur
sehr eingeschränkt
gegeben. Bekannte Systeme erlauben lediglich den Austausch elektrisch
und elektronisch gleichwertiger Verbraucher.
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Es
ist deswegen das Ziel dieser Erfindung, die Variantenabhängigkeit
von Energiemanagementsystem in Kraftfahrzeugen gegenüber Änderungen im
elektrischen Bordnetz zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Energiemanagement gemäß dem unabhängigen Anspruch.
Weitere vorteilhafte Ausführungen
des Energiemanagements sind in den abhängigen Ansprüchen sowie
in der nachfolgenden Beschreibung offenbart.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einem Energiemanagement mit Verbraucheranmeldung. Die für das Energiemanagement
geforderte Variantenunabhängigkeit
kann dadurch erreicht werden, dass die am Energiemanagement beteiligten
Verbraucher nicht statisch im Energiemanagement beziehungsweise
im Bordnetzsteuergerät
vorgegeben sind. Statt dessen senden die Steuergeräte der im
Bordnetz befindlichen Verbraucher beim Hochlauf des Bordnetzes eine
Anmeldenachricht an das Energiemanagement. In dieser Verbraucheranmeldung
sind die Verbraucher in Form eines Identifiers, der gleichzeitig
die Prioritätsstufe
des Verbrauchers darstellt, sowie ihre elektrische Leistungsaufnahme
enthalten. Der Empfang dieser Verbraucheranmeldung kann anschließend vom
Energiemanagement durch eine Bestätigungsnachricht quittiert
werden. Da im Falle von Steuergeräte-übergreifenden Funktionen mehrere Verbraucher
durch eine Funktion angesprochen werden können, müssen alle zugehörigen Verbraucher dieser
Funktion einen einheitlichen Identifier erhalten, der die Priorität der Funktion
repräsentiert.
Dieser Identifier muss dann allerdings für alle in den unterschiedlichen
Varianten möglichen
Funktionalitäten eindeutig
sein. Nach dem Hochfahren des Bordnetzes und nach dem sich alle
am Energiemanagement beteiligten Steuergeräte beim Energiemanagement mit
ihrer Verbraucheranmeldung gemeldet haben, versendet das Energiemanagement
zyklisch an alle Steuergeräte
Nachrichten, mit denen der Status des Energiemanagements und der
Status der einzelnen Verbraucher im Netzwerk allen angeschlossenen Einheiten
mitgeteilt wird. Weiterhin können
auch Anweisungen des Energiemanagements wie z.B. Deaktivierungsaufforderungen
allen angeschlossenen Einheiten mitgeteilt werden. Die am Energiemanagement
beteiligten Steuergeräte
können
dadurch erkennen, ob das Energiemanagement aktiv ist. Die korrekte
Ausführung
des Energiemanagements vorzugsweise auf dem Bordnetzsteuergerät kann zusätzlich mit
Hilfe eines so genannten Toggle-Bits abgesichert werden, das heißt ein Bit
in der Nachricht, das bei jeder Nachricht seinen Zustand ändert.
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Die
Zykluszeit der Energiemanagementnachrichten sollte möglichst
groß gewählt werden, um
die Auslastung des Kommunikationsmediums gering zu halten. Die maximale
Zykluszeit lässt
sich unter Berücksichtigung
der Latenzzeiten aus den Anforderungen an die Notlaufeigenschaften
bezüglich
der Reaktionszeit des Energiemanagements auf eine Bordnetzüberlastung
ableiten. Je nach verwendeter Kommunikationsstruktur müssen daher
Zykluszeit und Bandbreite des Kommunikationsmediums unterschiedlich
gewählt
werden.
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Eine
mögliche
Topologie für
das Kommunikationsnetzwerk der am Energiemanagement beteiligten
Verbraucher ist die Sterntopologie mit spontaner Zustandsübermittlung
der Verbraucher an das Energiemanagement.
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Eine
andere Topologie, die bei dem erfindungsgemäßem Energiemanagement Verwendung finden
kann, ist die Sterntopologie mit Hand-Shake-Protokoll.
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Eine
bevorzugte Topologie für
das erfindungsgemäße Energiemanagement
stellt die Verwendung eines logischen Ringes zur Vernetzung der am
Energiemanagement beteiligten Verbraucher dar.
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Die
Verbraucheranmeldung kann in einer speziellen Ausführungsform
des Energiemanagements neben der Verbraucheridentifikation und der Verbraucherleistung
weitere Angaben über
den Verbraucher enthalten. Für
das Energiemanagement wichtige Informationen sind hierbei eventuelle
Zeitkonstanten des Verbrauchers, die Auskunft darüber geben, über das
Anlaufverhalten des jeweiligen elektrischen Verbrauchers, oder Angaben
zum so genannten Peak-Level, das maximale Überschwingen der Leistungsaufnahme
des elektrischen Verbrauchers bei einem Start.
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Ohne
Beschränkung
der Allgemeinheit werden im folgenden Einzelheiten der Erfindung
anhand von grafischen Darstellungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Ein
typisches elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, wie es für das erfindungsgemäß Energiemanagement
geeignet ist,
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2 ein
Beispiel für
das Datenformat einer Verbraucheranmeldung,
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3 eine
Sterntopologie des Kommunikationsnetzwerkes mit spontaner Zustandsübermittlung der
Verbraucherzustände
an das Bordnetzsteuergerät,
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4 eine
Sterntopologie für
das Kommunikationsnetzwerk mit Hand-Shake,
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5 eine
logische Ringtopologie der am Energiemanagement beteiligten Verbraucher.
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1 zeigt
schematisch ein elektrisches Bordnetz in einem Kraftfahrzeug, wie
es für
den Einsatz eines Energiemanagementsystems geeignet ist. Mit einem
Bordnetzgenerator 1 und einer Bordnetzbatterie 2 wird
für elektrische
Verbraucher V1, V2, V3, ..., VN, VN+1, VN+2 elektrische Energie
zur Verfügung
gestellt. Der Bordnetzgenerator wird während des Betriebs des Kraftfahrzeugs üblicherweise
vom Verbrennungsmotor 3 des Kraftfahrzeugs angetrieben.
Die elektrischen Verbraucher entnehmen Ihren Leistungsbedarf aus
dem elektrischen Bordnetz über Versorgungsleitungen 4.
Im Bordnetzgenerator kann eine Leistungregulierung 5 integriert
sein. Ebenso kann für
die Bordnetzbatterie ein Steuergerät zur Ladebilanzrechnung 6 vorgesehen
sein. Die Ansteuerung der elektrischen Verbraucher erfolgt über Steuergeräte SG1,
SG2, SG3, ..., SGN. Die Leistungsregulierung des Bordnetzgenerators
und der Ladebilanzrechner der Kraftfahrzeugbatterie so wie die einzelnen
Steuergeräte
zur Ansteuerung der Verbraucher sind über ein Kommunikationssystem
mit einem Bordnetzsteuergerät
verbunden. Ein möglicher
Vertreter des Kommunikationssystems ist hierbei der so genannte
CAN-BUS 7. Die Softwaremodule des Energiemanagementsystems
sind vorzugsweise im Mikrorechner des Bordnetzsteuergerätes 8 implementiert.
Das Energiemanagement kann hinsichtlich seiner Softwarestruktur
zentral ausgebildet sein oder über
eine dezentrale Modulstruktur verfügen, die auch über mehrere
Steuergeräte
verteilt sein kann. Im besonderen ist es möglich, das Bordnetzsteuergerät bei dessen
eventuellen Ausfall durch mindestens ein anderes Steuergerät, das an
das BUS-System angeschlossen ist, und ebenfalls über eine Mikrorechnersystem
verfügt,
zu ersetzen.
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Die
Aufgabe des Energiemanagements ist die Steuerung und Überwachung
der Zustände
der am Energiemanagement beteiligten elektrischen Verbraucher beziehungsweise
Funktionen im Fahrzeug. Die Verbraucher können gegebenenfalls bei einer Verknappung
des elektrischen Energieangebots temporär vom Energiemanagement deaktiviert
werden. Um den Ablauf der Funktionsdegradierung, das heißt die Deaktivierung
von Verbrauchern, zu steuern, müssen
alle am Energiemanagement beteiligten Steuergeräte und Funktionen eine eindeutige
Prioritätsstufe
besitzen. Auf Basis der Priorisierung kann dann, ausgehend vom aktuellen
Systemzustand der degradierte Systemzustand durch das Energiemanagement
bestimmt werden. Der hierzu notwendige Datenaustausch zwischen den
am Energiemanagement beteiligten Steuergeräten erfolgt wie bereits angeführt, über ein
BUS-System, vorzugsweiswe über einen
CAN-Bus.
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Die
für das
Energiemanagement geforderte Variantenunabhängigkeit kann dadurch erreicht
werden, dass die am Energiemanagement beteiligten Verbraucher nicht
statisch im Energiemanagement vorgegeben sind. Statt dessen senden
die Steuergeräte
beim Hochlauf des Netzwerkes über
das BUS-System Anmeldenachrichten an das Energiemanagement. In dieser
Verbraucheranmeldung sind die Verbraucher in Form eines Identifiers,
der gleichzeitig die Prioritätsstufe
des Verbrauchers darstellt, sowie ihre elektrische Leistungsaufnahme
enthalten. Die Angaben zur Leistungsaufnahme können hierbei die maximale Nennleistung
des Verbrauchers sein, aber auch weitergehende Angaben hinsichtlich
Anlaufverhalten des entsprechenden Verbrauchers und hinsichtlich Überschwingverhalten
im Anlauf des Verbrauchers, den so genannten Peak-Level, können mit
der Verbraucheranmeldung an das Energiemanagement übermittelt
werden. Im Falle von Steuergeräte-übergreifenden
Funktionalitäten
mehrerer Verbraucher müssen
alle zugehörigen
Verbraucher einen für
die Funktion einheitlichen Identifier erhalten, der die Priorität der Funktion
festlegt.
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In 2 ist
der Aufbau einer Verbraucheranmeldung für das erfindungsgemäße Energiemanagement
dargestellt. Grundsätzlich
kann diese Verbraucheranmeldung mit jedem BUS-System realisiert werden.
Die Kompatibilität
mit anderen BUS-Systemen
als beispielsweise dem CAN-Bus, ergibt sich dadurch, dass die Verbraucheranmeldung
mit den Nutzdaten eines jeden BUS-Systems realisiert wird. Die Adressierungsfelder
und Kontrollfelder des verwendeten BUS-Systems bleiben von der Verbraucheranmeldung
unberührt.
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Im
einfachsten Fall, wenn mit der Verbraucheranmeldung nur ein Verbraucheridentifier
sowie der elektrische Leistungsbedarf des Verbrauchers an das Energiemanagement
gemeldet werden soll, genügt
es für
jeden Verbraucher K1, K2 eine zwei Byte-Codierung vorzusehen. Zum
Beispiel können
5 Bit für
den Verbraucheridentifier V ID verwendet werden und 11 Bit für die Klassifizierung
des elektrischen Leistungsbedarf. Sollen weitere Leistungsdaten
wie Zeitkonstanten für
das Anlaufverhalten des Verbrauchers oder Angaben zum Peak-Level
des Verbrauchers mit der Verbraucheranmeldung mit übertragen werden,
so kann die Verbrauchercodierung durch Ausweitung der Codierung
um weitere Bits oder Bytes mit den vorgenannten Angaben erweitert
werden.
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Was
das Kommunikationssystem beziehungsweise das BUS-System für das Energiemanagement
angeht, kommen verschiedene Topologien in Betracht. Im Zusammenhang
mit den 3, 4 und 5 werden
eine Sterntopologie mit spontaner Zustandsübermittlung, eine Sterntopologie
mit Hand-Shake-Protokoll
und die Topologie eines logischen Ringes behandelt.
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Bei
der Sterntopologie mit spontaner Zustandsübermittlung, symbolisch dargestellt
in 3, werden die Informationen über die Verbraucherzustände von
den Steuergeräten
nur nach einer erfolgten Zustandsänderung der angeschlossenen
Verbraucher versendet. Das Senden der Zustandsänderung ist in
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3 mit
einem unterbrochenen Pfeil vom Steuergerät zum Bordnetzsteuergerät dargestellt. Das
Energiemanagement ist mit seinen wichtigsten Modulen im Bordnetzsteuergerät BSG implementiert. Zustandsnachrichten
des Energiemanagements werden an die am Energiemanagement beteiligten
Steuergeräte
in regelmäßigen Abständen versandt.
Das Versenden der Zustandsmeldungen an die Steuergeräte ist in 3 mit
einem durchgezogenen Pfeil symbolisiert. Die Zustandsmeldungen des
Energiemanagements werden hierbei über den BUS zyklisch versendet.
Diese zyklischen Nachrichten werden von allen Steuergeräten empfangen.
Das Senden der Zustandsnachrichten der Steuergeräte zurück an das Energiemanagement
im Bordnetzsteuergerät
hat jedoch spontanen Charakter, das heißt, das Energiemanagement hat
auf den Zeitpunkt des Versendens der Zustandsänderungen keinen Einfluss.
Diese Topologie ist zwar einfach zu realisieren, hat jedoch bestimmte
Nachteile. Aufgrund der Tatsache, dass die Zustandsnachrichten nur
nach einer erfolgten Zustandsänderung
vom Steuergerät
an das Energiemanagement gemeldet werden, ist eine Überwachung der
Steuergeräte
und Verbraucher durch das Energiemanagement behindert. So kann beispielsweise eine
lange Phase ohne Zustandsänderung
eines der Verbraucher nicht vom Ausfall des Verbrauchers oder des
Steuergerätes
unterschieden werden.
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Eine
verbesserte Überwachung
der am Energiemanagement teilnehmenden Steuergeräte durch das Energiemanagement
ist bei der Verwendung einer Kommunikationsstruktur mit Hand-Shake-Protokoll möglich. Beim Hand-Shake-Protokoll,
symbolisiert durch die grafische Darstellung der 4,
quittieren die am Energiemanagement teilnehmenden Steuergeräte jede Nachricht
des Energiemanagements, das auch hier im Bordnetzsteuergerät BSG implementiert
sei, mit einer Rücknachricht,
die die aktuellen Zustandsinformationen der jeweiligen Verbraucher
enthält.
Die zyklisch versendeten Nachrichten des Energiemanagements lösen dabei
bei dem jeweils angesprochenen Steuergerät eine Reaktion aus. Das Energiemanagement
bestimmt somit den Ablauf der Kommunikation. Die zyklischen Nachrichten
des Energiemanagements werden mit einer bestimmten Zykluszeit versendet.
Dieses Telegramm wird von allen Steuergeräten empfangen. Die Quittierungsnachrichten
der Steuergeräte
werden daraufhin entsprechend ihrer Priorität über den BUS versendet und vom
Energiemanagement empfangen. Beim Hand-Shake-Protokoll ist eine Überwachung
der Steuergeräte
und Verbraucher durch das Energiemanagement relativ einfach möglich, da
ausbleibende Quittierungsnachrichten vom Energiemanagement sofort
erkannt werden können.
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Ein
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiemanagement bevorzugtes
Kommunikationskonzept ist der so genannte logische Ring. Das Konzept
eines logischen Ringes wird mit der grafischen Darstellung der 5 verdeutlicht. Eine
Möglichkeit
einen logischen Ring einzuführen
ist zum Beispiel, einen Token-Umlauf von einem am Energiemanagement
teilnehmenden Steuergerät
zum nächsten
einzurichten. Jeweils dasjenige Steuergerät, das den Token 9 hat,
ist sendeberechtigt. Mit dem Versenden einer Nachricht wird der
Token dann an den logischen Nachfolger im Ring weitergegeben. Jedes
Steuergerät
muss dabei die Ringnachrichten aller anderen Steuergeräte empfangen,
um diese zu überwachen
und den Systemzustand zu kennen. Zusätzlich wird die Ringnachricht
vom Energiemanagement, vorzugsweise im Bordnetzsteuergerät implementiert,
empfangen und von diesem die gesammelten Daten ausgewertet. Der
Umlauf des Tokens wird hierbei durch eine Verzögerungszeit gesteuert, die zwischen
dem Versenden zweier Ringnachrichten vergeht. Durch eine Verkürzung dieser
Verzögerungszeit
kann in Notlaufsituationen die Reaktionszeit des Energiemanagements
auf Kosten einer höheren
BUS-Auslastung verkürzt
werden.
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Der
logische Ring wird in der Initialisierungsphase während des
Hochlaufs des Netzwerks dynamisch aufgebaut, wobei jedes Steuergerät seine
logische Adresse und die logischen Adresse der Vorgänger und
Nachfolger im Ring erhält.
Zusätzliche
Steuergeräte
können
aber auch zu einem späteren
Zeitpunkt in den Ring integriert werden. Fällt ein Steuergerät aus, so
führt das
in der Regel zum Verlust des Tokens. Dies wird jedoch durch die
anderen Steuergeräte
erkannt und das Energiemanagement kann einen Neuaufbau des logischen
Rings veranlassen. Bei dem Konzept des logischen Ringes kann im
Prinzip jedes am Energiemanagement teilnehmende Steuergerät die Funktion
eines Bordnetzsteuergerätes übernehmen.
Das heißt
insbesondere bei einer verteilten Software-Architektur des Energiemanagements
ist eine Art natürlicher
Redundanz des Energiemanagements vorhanden, so dass bei Ausfall egal
welchen Steuergeräts,
durch Neuinitialisierung das Energiemanagement stets funktionstüchtig bleibt.
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Um
die Umlaufzeit des Tokens nicht zu groß werden zu lassen, muss die
Anzahl der innerhalb eines logischen Rings integrierten Verbraucher
am Energiemanagement in Abhängigkeit
einer tolerierbaren Zykluszeit begrenzt werden. Um die Reaktionszeiten
des Energiemanagements zu verkürzen,
können
die Verbraucher am Energiemanagement jedoch in mehrere Partitionen
beziehungsweise in mehrere logische Ringe gruppiert werden. Im gesamten
Netzwerk des Energiemanagements laufen dann mehrere voneinander
unterschiedene Token, jeweils einen pro Ring, um. Während der
Initialisierungsphase des Systems werden die Verbraucher auf die
einzelnen Ringe verteilt. Hierbei wird zunächst ein logischer Ring aufgebaut.
Verbraucher, die sich mit einer Verbraucheranmeldung anmelden, werden
so lange in den logischen Ring integriert, bis eine statisch festgelegte
maximale Teilnehmerzahl des Rings erreicht ist. Der nächste Verbraucher
beginnt anschließend
mit dem Aufbau eines weiteren logischen Rings. Der Vorgang wird
so lange fortgesetzt, bis sich alle Verbraucher mittels Verbraucheranmeldung
beim Energiemanagement angemeldet haben.