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Um
die Sicherheit und Verfügbarkeit
der elektrischen Energieversorgung im Fahrzeug zu erhöhen, ist
ein elektrisches Energiemanagement erforderlich. Hierbei ist das
vorrangige Ziel der bedarfsgerechten Energieerzeugung die Reduzierung
des Kraftstoffverbrauchs. Eine Überlastung
des Bordnetzes kann durch die bedarfsgerechte Energieerzeugung aufgrund
der Reaktionszeiten des Energiemanagements oftmals nicht verhindert
werden. Für
das Energiemanagement in Kraftfahrzeugen wird bisher üblicherweise
eine zentrale Lösung
vorgeschlagen. Das Energiemanagement ist hierbei vorzugsweise im Bordnetz-Steuergerät als zentraler
Knoten implementiert. Ein solches Energiemanagement hat jedoch dann
schwerwiegende Nachteile, wenn dieses zentrale Bordnetz-Steuergerät ausfällt. Damit
beim Ausfall des Bordnetz-Steuergeräts das Kraftfahrzeug mit
seinen wichtigsten Funktionen weiterhin betriebsbereit bleibt, wurden
deshalb in der Vergangenheit für Energiemanagementsysteme
Notlaufebenen eingeführt.
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Ein
bekanntes Energiemanagementsystem der vorgenannten Art ist zum Beispiel
aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 11 970 A1 bekannt.
Bei diesem Verfahren zur Anpassung des Leistungsbedarfs mehrerer
elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, wird zur Steuerung
der Leistungsaufnahme jedem dieser Verbraucher ständig eine
Information über
die gesamte jeweils zur Verfügung
stehende elektrische Leistung zur Verfügung gestellt. Der jeweilige
Verbraucher stellt seinen Leistungsbedarf entsprechend dieser Information
und entsprechend seinem Leistungsbedarf derart ein, dass die gesamte
jeweils verbrauchte Leistung die gesamte zur Verfügung stehende
Leistung nicht übersteigt.
Bei Ausfall des Energiemanagements geht das System in einen Notlauf.
Im Notlauf werden nicht unbedingt notwendige Verbraucher abgeschaltet
und den lebensnotwendigen Verbrauchern zum weiteren Betrieb des
Kraftfahrzeugs wird jeweils ein Mindestbedarf an Energie zugewiesen.
Dieser Mindestbedarf kann auch von der im Bordnetz noch verfügbaren Energie
abhängig
variabel eingestellt werden.
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Derartige
vorbekannte Energiemanagementsysteme haben den Nachteil, dass im
Notlaufbetrieb eine Steuerung der Energieverteilung nicht mehr möglich ist.
Dies ist ganz besonders dann von Nachteil, wenn lediglich das Steuergerät ausgefallen
ist, in dem das Energiemanagement implementiert ist, ansonsten aber
die Energieversorgung im Bordnetz noch voll intakt ist. Bei bekannten
Energiemanagementsystemen findet damit im Notlauf kein Energiemanagement
mehr statt, obwohl durchaus noch Energie im Überfluss vorhanden sein kann.
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Ausgehend
von dem vorbekannten Stand der Technik ist es deshalb das Ziel dieser
hier beschriebenen Erfindung, ein Energiemanagement vorzuschlagen,
das auch bei Ausfall eines für
das Energiemanagement wichtigen Steuergeräts weiterhin funktionstüchtig bleibt.
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Die
Lösung
gelingt mit einer Kommunikationsstruktur und mit einem Verfahren
zum Energiemanagement entsprechend der unabhängigen Ansprüche. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in
der nachfolgenden Beschreibung enthalten.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einem Energiemanagementsystem, dessen Steuerungssoftware auf
mehrere Steuergeräte
innerhalb des Bordnetzwerkes verteilt ist, und die einzelnen Teilnehmer
am Energiemanagement über
eine Kommunikationsstruktur auf der Basis eines logischen Rings miteinander
kommunizieren. Die Entscheidungskompetenz wird somit auf die einzelnen
Steuergeräte
im Netzwerk verteilt und die Redundanz im zentralen Steuergerät kann entfallen.
Mit der Kommunikationsstruktur eines logischen Ringes werden die
für das Energiemanagement
notwendigen Daten zwischen den einzelnen Teilnehmern am Energiemanagement ausgetauscht.
Die beiden wichtigsten Ringnachrichten sind hierbei eine Verbraucheranmeldung
und eine Zustandsmeldung mit Statusinformation über die angemeldeten Verbraucher.
Mit der Verbraucheranmeldung wird die logische Struktur des logischen Rings
festgelegt und es werden die Identifikationen der beteiligten Steuergeräte sowie
die benötigten Leistungen
der einzelnen Steuergeräte
allen Teilnehmern am Energiemanagement innerhalb des logischen Rings
bekannt gegeben. Mit der Zustandsmeldung wird der jeweils aktuelle
Status der Verbraucher (an/aus) und der aktuelle Status des Energiemanagements
allen teilnehmenden Steuergeräten
im logischen Ring mitgeteilt. Im Normalzustand werden die Funktionen
des Energiemanagements von einem zentralen Steuergerät, vorzugsweise
dem Bordnetz-Steuergerät, übernommen.
Fällt das
zentrale Steuergerät
aus, so übernehmen
die am logischen Ring weiterhin teilnehmenden Steuergeräte die Funktionen
des Energiemanagements. Hierzu verfügen alle am Energiemanagement
teilnehmenden Steuergeräte über ein
eigenes Modul für
ein dezentrales Energiemanagement. Durch die Kommunikationsstruktur
des logischen Rings und durch die beiden Ringnachrichten der Verbraucheranmeldung
sowie der Zustandsmeldung sind die für ein Energiemanagement notwendigen
Informationen allen teilnehmenden Steuergeräten bekannt. Bei Ausfall des
zentralen Energiemanagements kann daher problemlos auf ein dezentrales
Energiemanagement umgeschaltet werden.
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Die
mit einem dezentralen Energiemanagement hauptsächlich zu erzielenden Vorteile
liegen in der Ausfallsicherheit des Energiemanagements gegenüber dem
Versagen einzelner Steuergeräte,
die am Energiemanagement teilnehmen. Der Ausfall eines Steuergerätes wird
durch ausbleiben der Zustandsmeldung von allen anderen verbleibenden Steuergeräten innerhalb
des logischen Rings erkannt. Sämtliche
Steuergeräte
können
daher diese Information in ihr dezentrales Energiemanagementmodul
mit einbeziehen und entsprechend auswerten. Die Kommunikationsstruktur
des logischen Ringes sorgt hierbei dafür, dass der Ausfall eines Ringteilnehmers
erkannt werden kann und eine Neuinitialisierung des Rings ausgelöst werden
kann. Üblicherweise übernimmt
ein Steuergerät,
vorzugsweise das Bordnetz-Steuergerät, die Koordination der Kommunikation
innerhalb des logischen Rings, z.B. durch zyklische Nachrichten,
die von allen Teilnehmern empfangen werden. Fällt ausgerechnet dieses Steuergerät aus, so
erkennen dies die verbleibenden Steuergeräte innerhalb des logischen
Ringes daran, dass keine zyklischen Nachrichten mehr versendet werden.
Bleiben diese zyklischen Nachrichten des Energiemanagements aus,
so bleibt der logische Ring weiterhin funktionsfähig. Durch die Zustandsmeldung,
die die aktuellen Zustandsdaten der Verbraucher enthält, sind
somit alle Energiemanagement-relevanten Verbraucher und Steuergeräte im Netzwerk bekannt,
so dass entweder die Aufgaben des Energiemanagements von einem anderen
Steuergerät übernommen
werden können
oder die von den am Energiemanagement beteiligten Verbrauchern aufgenommene
Gesamtleistung mit Hilfe dieser Informationen auf einen festgelegten
Wert begrenzt werden kann. Somit bleibt das Energiemanagement funktionsfähig und
kann mit dieser Notlaufstrategie eine Steuerung der Energieflüsse weiterhin
gewährleisten
ohne dabei das Bordnetz zu überlasten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird der logische Ring auf der Basis eines CAN-Busses
ausgebildet. Das Protokoll zu einem CAN-Bus kennt bereits die Verwendung
von sogenannten Identifiern, mit denen die Nachricht identifiziert
wird und mit deren Hilfe die Kommunikation der Bus-Teilnehmer untereinander
gesteuert wird. Die Gestaltung eines CAN-Identifiers liegt mit großer Freiheit
beim Netzwerkprogrammierer. Diese Freiheit ermöglicht im Zusammenhang mit
der Erfindung in den Identiefier beziehungsweise genauer in den Header
einer CAN-Nachricht eine Codierung einzubringen, mit Hilfe derer
ein logischer Ring aufgebaut werden kann. Hierzu wird der Header
einer CAN-Nachricht
um zwei Blöcke
mit jeweils vier Bit erweitert. In diesem erweiterten Header werden
dann Kommunikationsinformationen eincodiert, die für das Versenden
der Nachricht in einen logischen Ring benötigt werden. Im einzelnen sind
dies ein reduzierter Basis-Identifier, der nach wie vor die Nachricht
identifiziert, und nun zusätzlich
eine Codierung beziehungsweise eine Identifikation des Senders und
eine Identifikation des Empfängers
enthält.
Damit ist im Header einer jeden CAN-Nachricht festgelegt, von wem
die Nachricht stammt und an wen sie gerichtet sein soll. Beim Reihumgeben
innerhalb des logischen Ringes kann nun jeder Ringteilnehmer durch Überschreiben
der Empfänger-Identifikation festlegen,
an welchen nächsten
Ringteilnehmer die Nachricht gesendet wird. Wenn jeder Ringteilnehmer
seinen logischen Vorgänger
und seinen logischen Nachfolger kennt, so kann durch entsprechendes Überschreiben
der Senderidentifikationen und der Empfängeridentifikationen eine logische
Ringtopologie für
die Kommunikation der Steuergeräte
im Bordnetz aufgebaut werden.
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Vorzugsweise
enthält
die erfindungsgemäße Kommunikationsstruktur
auf der Basis eines erweiterten Nachrichtenkopfes einer CAN-Nachricht,
im Nachrichtenkopf eine weitere Codierung, die es ermöglicht,
mehrere Ringnachrichten funktional unterscheidbar zu machen. Mit
Hilfe eines derartigen Operation Codes können die am logischen Ring
teilnehmenden Steuergeräte
unterscheiden, wie das dem Nachrichtenkopf folgende Datenfeld zu
interpretieren und zu lesen ist.
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Vorzugsweise
wird mit Hilfe des Operation Codes zwischen mindestens zwei verschiedenen Ringnachrichten
unterschieden. Die eine Ringnachricht wird beim Aufbau des logischen
Ringes benötigt.
Mit Hilfe dieser als Verbraucheranmeldung bezeichneten Ringnachricht
melden sich die den Steuergeräten,
die am CAN-Bus des Bordnetzes angeschlossen sind, zugeordneten Verbraucher
mit ihrer Verbraucheridentifikation und mit ihrer benötigten Leistung
beim Bordnetz-Steuergerät
an.
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Mit
der zweiten Ringnachricht, die als Zustandsmeldung bezeichnet wird,
verteilen die Steuergeräte
die Statusinformationen der einzelnen Verbraucher innerhalb des
logischen Ringes an alle teilnehmenden Verbraucher. Diese Nachricht
wird dabei als Token im logischen Ring verwendet. Durch diese Zustandsmeldung
kann jedes Steuergerät
erkennen, welche Verbraucher innerhalb des logischen Rings aktiv
sind oder nicht. Das Bordnetzsteuergerät bzw. der Ringmaster empfängt und
verarbeitet ebenfalls diese Ringnachrichten und sendet die Anweisungen des
Energiemanagements mit einer zyklischen Nachricht an alle Teilnehmer.
Insbesondere ermöglicht
diese zyklische Nachricht den Teilnehmern am Energiemanagement die
Erkennung, ob das Bordnetz-Steuergerät beziehungsweise der Ringmaster ausgefallen
ist oder nicht.
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Ohne
Beschränkung
der Allgemeinheit werden im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand von grafischen Darstellungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung für
ein elektrisches Bordnetz in einem Kraftfahrzeug,
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2 Eine
grafische Darstellung einer Kommunikationsstruktur in Form eines
logischen Rings,
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3 Den
Aufbau eines am Energiemanagement teilnehmenden Steuergerätes,
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4 Das
Prinzip der Codierung der Kommunikationsstruktur des Energiemanagements
in eine Standard-CAN-Nachricht,
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5 Einzelheiten
der Kommunikationsstruktur für
das Energiemanagement,
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6 eine
spezielle Kommunikationsstruktur des Energiemanagements für die Verbraucheranmeldung,
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7 eine
andere spezielle Kommunikationsstruktur des Energiemanagements für die Ringmeldung
der Verbraucherzustände.
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In 1 wird
ein an sich bekanntes elektrisches Bordnetz in einem Kraftfahrzeug
schematisch dargestellt. Für
die Energieversorgung der im Bordnetz angeschlossenen Verbraucher
v1 v2, v3 ..., VN, VN+1, VN+2 können
ein Bordnetzgenerator 1 und eine Kraftfahrzeug-Batterie 2 heran
gezogen werden. Der Bordnetzgenerator wird üblicherweise von dem Verbrennungsmotor 3 des
Kraftfahrzeugs angetrieben. Über
elektrische Versorgungsleitungen 4 werden die im Bordnetz
befindlichen Verbraucher mit Energie versorgt. Die Leistungsregulierung
der ins Bordnetz abgegebenen Energie wird dem Bordnetzgenerator
mit einer Leistungselektronik 5 und entsprechenden Leistungsstellgliedern
geregelt. Zwischen Kraftfahrzeug-Batterie 2 und Bordnetzgenerator 1 ist
ein Laderegler 6, der auch als Ladebilanzrechner ausgebildet
sein kann, zwischengeschaltet. Die Leistungsaufnahme der im Bordnetz
angeschlossenen Verbraucher wird über Steuergeräte eingestellt.
Hierbei kann jedem Verbraucher ein eigenes, separates Steuergerät SG1, SG2,
SG3 zugeordnet sein oder es können
auch mehrere Verbraucher lediglich von einem für alle Verbraucher zuständigen Steuergerät SGN angesteuert
werden. Um eine Koordination der verschiedenen Steuergeräte mit ihren jeweils
angeschlossenen Verbrauchern zu ermöglichen, sind die Steuergeräte im Kraftfahrzeug üblicherweise über ein
BUS-System 7,
das oft als CAN-Bus ausgebildet ist, miteinander vernetzt. Um die
im elektrischen Bordnetz zur Verfügung stehende Energie, geliefert
durch den Bordnetzgenerator und die Kraftfahrzeug-Batterie, effizient
auf die im Bordnetz angeschlossenen Verbraucher verteilen zu können, ist
an das BUS-System ein Bordnetz-Steuergerät BSG angeschlossen, das auch
mit dem Ladebilanzrechner in einem Modul ausgeführt sein kann. Aufgabe des
Bordnetz-Steuergerätes
ist es hierbei üblicherweise
die Überlastung
des elektrischen Bordnetzes zu verhindern. Energieverteilung und Überlastschutz
erfolgt üblicherweise
mit einem Energiemanagementsystem, das als Software-Programm in dem
Mikroelektronikrechner des Bordnetz-Steuergerätes implementiert ist. Um die
Leistungsdaten des Bordnetzgenerators und der Kraftfahrzeug-Batterie durch
das Energiemanagementsystem abfragen zu können, sind die Steuergeräte 5 des
Bordnetzgenerators und der Ladebilanzrechner 6 für die Kraftfahrzeug-Batterie
ebenfalls über
ein BUS-System 7 mit dem Bordnetz-Steuergerät in Kommunikationsverbindung.
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Aufgabe
des Energiemanagements ist die Steuerung und Überwachung der Zustände der
am Energiemanagement beteiligten elektrischen Verbraucher beziehungsweise
Funktionen im Fahrzeug. Die Verbraucher werden dabei durch das Energiemanagement
deaktiviert beziehungsweise freigegeben, während sie der Fahrer durch
Betätigen
von entsprechenden Schaltern ein- und ausschaltet. Um den Ablauf
der Funktionsdegradierung, das heißt die Deaktivierung von Verbrauchern,
zu steuern, müssen
alle am Energiemanagement beteiligten Funktionen beziehungsweise
Verbraucher eine eindeutige Prioritätsstufe besitzen. Auf der Basis
dieser Priorisierung kann vom Energiemanagement bei ungenügendem Leistungsangebot,
ausgehend vom aktuellen Systemzustand, eine Überlastung des Bordnetzes verhindert
werden, in dem unter Berücksichtigung
der Prioritäten
ein degradierter Systemzustand eindeutig durch das Energiemanagement
bestimmt und festgelegt wird.
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Aufgrund
der Notwendigkeit der Steuerung und Überwachung der elektrischen
Verbraucher sind vom Energiemanagement sowohl das Bordnetz-Steuergerät als auch
alle Steuergeräte,
die vom Energiemanagement deaktivierbare Verbraucher ansteuern betroffen.
Das Energiemanagement greift auf die vom Batteriemanagement bzw.
vom Ladebilanzrechner ermittelten und zur Verfügung gestellten Zustandsdaten
der Batterie zurück.
Darüber
hinaus werden von den Steuergeräten
Informationen über den
Zustand der von ihnen angesteuerten Verbraucher zur Verfügung gestellt.
Die für
das Energiemanagement erforderlichen Informationen werden hierbei über ein Kommunikationssystem
zwischen den Steuergeräten
und dem Bordnetz-Steuergerät
ausgetauscht. Die grundsätzliche
Gleichwertigkeit der einzelnen Steuergeräte, die jeweils über eigene
Mikrorechner verfügen,
ermöglicht
die Installation beziehungsweise die Implementierung von verteilten Energiemanagementsystemen.
Bei verteilten Energiemanagementsystemen stellt das Bordnetz-Steuergerät lediglich
die Informationen über
den aktuellen Bordnetzzustand für
alle Steuergeräte
bereit und übernimmt
die Aufgabe der Überwachung. Überwacht
werden hierbei die Zustände
der Energieversorgung sowie die Zustände der einzelnen Steuergeräte und der
einzelnen an die Steuergeräte
angeschlossenen Verbraucher. Alle anderen Aufgaben, wie die Auswertung
dieser Informationen und die Entscheidungsfindung im Sinne eines
Energiemanagements werden in den einzelnen Steuergeräten mit
eigenen Programmmodulen des verteilten Energiemanagementsystems
durchgeführt.
Aus diesem Grund begrenzt sich die Überwachung der Steuergeräte durch
das Bordnetz-Steuergerät
auf ein Mithören
der über
das BUS-System ausgetauschten Informationen.
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Bei
einem Ausfall des Bordnetz-Steuergerätes, das im Normalbetrieb das
gesamte Netzwerk mit Zustandsinformationen über alle beteiligten Systeme versorgt,
muss schnell ein neuer, stabiler Netzwerkzustand gefunden werden.
Bisher bekannte Systeme für
Energiemanagement haben hier eine entscheidende Schwachstelle. Bekannte
Lösungen,
um den Ausfall des Bordnetz-Steuergerätes aufzufangen, laufen auf
ein Abschalten des Energiemanagements und auf ein Umschalten eines
Notlaufbetriebs hinaus. Im Notlaufbetrieb wird lediglich noch die
zur Verfügung
stehende Energie den lebensnotwendigen Verbrauchern zur Verfügung gestellt.
Eine bedarfs- und zustandsgerechte Energieverteilung und ein Energiemanagement
finden jedoch nicht mehr statt.
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Die
Erfindung löst
diese Problematik durch ein Energiemanagement auf der Basis eines
logischen Ringes und auf der Basis einer Kommunikationsstruktur,
die es ermöglicht,
beim Ausfall des Bordnetz-Steuergerätes ein anderes am Energiemanagement
teilnehmendes Steuergerät
zum neuen Bordnetz-Steuergerät
zu bestimmen oder das Energiemanagement dezentral durch eine Begrenzung
der aufgenommenen Gesamtleistung fortzuführen.
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Im
Zusammenhang mit 2 wird zunächst das Konzept des logischen
Ringes erläutert.
Das Kommunikationskonzept eines so genannten logischen Ringes (auch
Token-Ring) ist für
sich alleine genommen aus Rechner-Netzwerken bekannt. Der logische
Ring wird hierbei durch einen Token-Umlauf realisiert. Der so genannte
Token 8 wird hierbei jeweils von dem logischen Vorgänger an
den logischen Nachfolger innerhalb des logischen Ringes weitergegeben.
Jeweils derjenige Ringteilnehmer, der den Token hat, hat Sendeberechtigung
auf dem zugrunde liegenden BUS-System. Logische Ringe können daher
unabhängig
von der physikalischen Struktur des zugrunde liegenden BUS-Systems grundsätzlich mit jedem
BUS-System eingerichtet werden. Für ein verteiltes Energiemanagementsystem
in einem Kraftfahrzeug reicht der alleinige Umlauf eines Token jedoch
nicht aus. Bei einem verteilten Energiemanagementsystem muss der
Token durch geeignete Ringnachrichten, wie sie noch im Zusammenhang mit
den 4 bis 7 vorgestellt werden, ersetzt werden.
Jedes Steuergerät,
das am Energiemanagement teilnimmt, muss dabei die Ringnachrichten
aller anderen Steuergeräte
empfangen, um diese zu überwachen
und den Systemzustand zu kennen. Zusätzlich werden die Ringnachrichten
vom Bordnetz-Steuergerät
empfangen, das die gesammelten Daten auswertet. Der Umlauf der Ringnachrichten
kann hierbei durch eine Verzögerungszeit
gesteuert sein, die zwischen dem Versenden zweier Ringnachrichten
vergeht. Durch eine Verkürzung
dieser Verzögerungszeit,
kann in Notsituationen die Reaktionszeit des Energiemanagements
auf Kosten einer höheren BUS-Auslastung
verkürzt
werden.
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Der
logische Ring 9 wird in der Initialisierungsphase während des
Hochlaufs des Bordnetzwerkes dynamisch aufgebaut. Durch eine Verbraucheranmeldung
im Energiemanagementsystem wird das jeweilige Steuergerät als Teilnehmer
im logischen Ring registriert und in die logische Ringtopologie
integriert. Darüber
hinaus werden die Verbraucher, die an das Steuergerät angeschlossen
sind, beim Energiemanagement angemeldet. Die logische Reihenfolge
innerhalb des logischen Rings, richtet sich hierbei nach der Reihenfolge
des Eingangs der Verbraucheranmeldungen beim Energiemanagement.
Entsprechend dieser Anmeldereihenfolge wird die Reihenfolge der
Steuergeräte
in Form von logischem Vorgänger
und logischem Nachfolger festgelegt. Während der Initialisierungsphase
hat zunächst das
Bordnetz-Steuergerät
eine herausgehobene Position, da sich zunächst alle Steuergeräte beim
Energiemanagementmodul des Bordnetz-Steuergerätes anmelden müssen, damit
dieses Modul die Verbraucherdaten sammeln und auf Basis dieser Daten
das Energiemanagement realisieren kann. Der logische Ring wird somit
in der Initialisierungsphase des Bordnetzes während dessen Hochlaufs dynamisch
aufgebaut, wobei jedes Steuergerät
seine logische Adresse und die logischen Adressen der Vorgänger und Nachfolger
im Ring erhält.
Zusätzliche
Steuergeräte können aber
auch zu einem späteren
Zeitpunkt in den Ring integriert werden.
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Ist
der logische Ring einmal aufgebaut, wird die Kommunikation im Ring
selbst mit Hilfe von Zustandsmeldungen realisiert. Die Zustandsmeldungen werden
jeweils an alle Steuergeräte
gesendet, wobei die Zustandsmeldungen selbst als Token von einem Knoten
zum Nachfolgerknoten wandern. 2 verdeutlicht
den Ablauf der Kommunikation beim Konzept des logischen Rings. Nach
Aufbau des logischen Ringes versendet das Bordnetz-Steuergerät, beziehungsweise
das Energiemanagementmodul im Bordnetz-Steuergerät, so genannte Zustandsmeldungen.
Die Zustandsmeldung wird in zyklischen Abständen versendet und von allen
Steuergeräten
empfangen. Die Zustandsmeldung stellt hier gleichzeitig den Token 8 dar.
Die Zustandsmeldung wird hierbei von einem Steuergerät an das
nächste
weitergegeben, was in 2 durch unterbrochene Pfeile
symbolisiert wird. Die einzelnen Steuergeräte werden bei diesem Konzept
durch alle in dem Ring integrierten Steuergeräte überwacht. Hierfür muss jedes
Steuergerät
alle Ringnachrichten empfangen. Bleibt eine gewisse Zeit nach Empfang
einer Ringnachricht die Nachricht des logischen Nachfolgers aus,
so kann dieser Ausfall festgestellt und somit eine Neuinitialisierung
des Systems angestoßen
werden. Bei einem Ausfall des Bordnetz-Steuergerätes ist der logische Ring weiterhin
funktionsfähig
und es besteht die Möglichkeit
eine dezentrale Rückfallebene
für das Energiemanagement
zu realisieren. Hierzu muss vom verteilten Energiemanagement nach
Ausfall des Bordnetz-Steuergerätes
ein anderes an der Ringtopologie teilnehmendes Steuergerät zum neuen
Bordnetz-Steuergerät bestimmt
werden und dessen Funktion übernehmen.
In der Regel wird dies das in der Reihenfolge dem Bordnetz-Steuergerät als nächstes folgende
und nicht ausgefallene Steuergerät
innerhalb des logischen Ringes sein. Bei entsprechender Ausstattung
der verteilten Module des Energiemanagements kann jedes Modul und
damit jedes Steuergerät,
das am logischen Ring beteiligt ist, die Funktion des Bordnetz-Steuergerätes übernehmen. Falls
dieser Aufwand nicht gewünscht
ist, können auch
einzelne Steuergeräte
direkt vorgegeben werden, die bei Ausfall des Bordnetz-Steuergeräts dessen
Funktion übernehmen,
so dass nur die fest vorgegebenen Steuergeräte über entsprechende aufwändige Module
des Energiemanagementsystems verfügen. Alternativ dazu kann eine
rein dezentrale Notlaufstrategie ohne die Funktionalitäten des
Bordnetzsteuergerätes
realisiert werden, indem die Teilnehmer des logischen Rings die
von ihren Verbrauchern aufgenommene Gesamtleistung auf einen fest vorgegebenen
Wert begrenzen. Somit entfällt
hierbei die Notwendigkeit, die aufwändigen Funktionsmodule des
Bordnetzsteuergerätes
in ein oder mehrere weitere Steuergeräten zu integrieren.
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Die
Anzahl, der zu einem logischen Ring gruppierten Steuergeräte darf
nicht beliebig groß werden,
da dies zu sehr großen
Reaktionszeiten des Energiemanagements führen würde. Zu große Reaktionszeiten des Energiemanagements
können
jedoch dadurch vermieden werden, dass die Steuergeräte in mehrere
Partitionen beziehungsweise mehrere logische Ringe gruppiert werden.
Im gesamten Energiemanagement laufen dann mehrere Nachrichten um, jeweils
eine pro Ring. Die Aufteilung der Steuergeräte auf die einzelnen Ringe
erfolgt hierbei auch während
der Initialisierungsphase des Systems. Hierbei wird zunächst ein
logischer Ring aufgebaut, Steuergeräte, die sich mit einer Verbraucheranmeldung beim
Energiemanagement anmelden, werden so lange in diesen ersten logischen
Ring integriert, bis eine statisch festgelegte maximale Teilnehmerzahl
des Rings erreicht ist. Das nächste
sich anmeldende Steuergerät
beginnt anschließend
mit dem Aufbau eines weiteren logischen Rings. Der Vorgang wird fortgesetzt,
bis sich alle Steuergeräte
beim Energiemanagement angemeldet haben. Auch hier wird die Anmeldung
der Verbraucher während
des Initialisierens des Systems bei einem herausgehobenen Bordnetz-Steuergerät mit integriertem
Energiemanagementmodul stattfinden.
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3 zeigt
schematisch den Aufbau eines Steuergerätes, wie es für den Betrieb
in einem logischen Ring und für
die Anwendung des verteilten Energiemanagements geeignet ist. In
dem Steuergerät ist
auf einer geeigneten Mikrorechnerplattform zumindest ein Software-Modul 10 des
Energiemanagementsystems implementiert. Die Kommunikation des Steuergeräts mit seinem
logischen Vorgänger
und mit seinem logischen Nachfolger innerhalb des logischen Rings
erfolgt über
die entsprechenden Datenformate der Ringnachrichten 11.
Nach Auswertung der Ringnachrichten insbesondere der eingehenden Ringnachrichten
durch das Energiemanagementmodul, werden vom Energiemanagement entsprechende
weitere Nachrichten an die vom Steuergerät angesteuerten Verbraucher
beziehungsweise Applikationen weitergesendet. Hierzu verfügt das Energiemanagementmodul
und die nachgeschalteten Applikationen jeweils über entsprechende Datenschnittstellen.
Die Datenschnittstellen sind in 3 mit Kommunikationspfeilen 12 dargestellt.
Insbesondere wenn von einem Steuergerät mehrere Applikationen angesteuert
werden, kann es sinnvoll sein, auf der Seite des Energiemanagementmoduls
einen Datenpuffer 13 vorzusehen, der den gleichzeitigen
Informationsaustausch zwischen Energiemanagement und den nachfolgend
angeschlossenen Applikationen beziehungsweise Verbrauchern ermöglicht.
Nach Erhalt des Token werden die aktuellen Zustandsdaten der dem
Steuergerät
zugeordneten Applikationen wieder zurück in den Datenpuffer des Energiemanagements geschrieben,
von wo aus sie vom Energiemanagement weiterverarbeitet werden und
in eine ausgehende Ringnachricht geschrieben werden. Die ausgehende
Ringnachricht des Energiemanagements wird dann als Reaktion auf
eine Triggernachricht beziehungsweise auch als Reaktion auf einen
Time Out an den logischen Nachfolger des Steuergerätes versendet.
Die übrigen
Teilnehmer an dem logischen Ring des Energiemanagements weisen einen
vergleichbaren Aufbau auf.
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Zur
Adressierung besitzen alle am Energiemanagement beteiligten Steuergeräte einen
individuellen Identifier, der notwendigerweise eindeutig sein muss
und im Netzwerk bekannt ist. Jede Ringnachricht des Energiemanagements
enthält
neben den Nutzdaten die Identifier des Senders und des Empfängers. Diese
Daten werden dann in den Header und das Datenfeld der Ringnachricht
codiert. Das Prinzip dieser Codierung ist in 4 dargestellt.
Eine derartige Codierung, ist prinzipiell für alle gängigen BUS-Systeme möglich. Hierzu
wird den Protokollen der bekannten BUS-Systeme vom Energiemanagement
eine weitere Protokollschicht aufgesetzt, die die BUS-System bezogenen
Nachrichtenformate in ein Nachrichtenformat, wie es für das Energiemanagement
geeignet ist, umwandelt. Ein besonders verbreitetes BUS-System in
Kraftfahrzeugen und auch ein für
die Erfindung besonders geeignetes BUS-System ist hierbei der CAN-BUS.
Ein CAN-BUS ist in seinen Nachrichten bereits Identifier- orientiert
und ermöglicht
daher insbesondere bei der Initialisierungsphase des Energiemanagements
und beim Aufbau des logischen Ringes, die eindeutige Identifikation
der sich am Energiemanagement anmeldenden Steuergeräte, noch
bevor der logische Ring aufgebaut ist.
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Im
Zusammenhang mit den 5, 6 und 7 werden
nachfolgend die Kommunikationsstrukturen der für das erfindungsgemäße Energiemanagement
verwendeten Nachrichten auf der Basis von CAN-Datenformaten erläutert. 5 zeigt
ein Beispiel für
die Konvertierung einer allgemeinen CAN-Nachricht in eine Ringnachricht
für das
Energiemanagement. Eine bekannte CAN-Nachricht besteht aus einem so genannten
CAN-Identifier mit einer Länge
von elf Bits, einem so genannten Controlfield mit einer Länge von
vier Bits, sowie einem Datenfeld mit einer maximalen Länge von
64 Bits. Der Identifier dient zur Identifizierung der Nachricht,
während
das Controlfield eine Steuerungsmöglichkeit beeinhaltet, wie
viele Datenbyts im Datenfeld der CAN-Nachricht angehängt sind.
Für die
Zwecke des Energiemanagementsystems wird das Nachrichtenformat einer
CAN-Nachricht in eine spezielle Kommunikationsstruktur des Energiemanagements
umgewandelt. Die Umwandlung beinhaltet im wesentlichen eine Erweiterung
des Adressierungsfeldes, den so genannten Header auf Kosten der
maximalen Länge
des Datenfelds. Das Adressierungsfeld der erfindungsgemäßen Kommunikationsstruktur
beinhaltet einen so genannten Basis-Identifier der Länge 7 Bit, einen Sender-Identifier
der Länge
4 Bit, weiterhin das Controlfield der ursprünglichen CAN-Nachricht mit einer
Länge von
4 Bits, einen Empfänger-Identifier der Länge 4 Bit,
so wie einen so genannten Operation Code mit ebenfalls einer Länge von
4 Bit. Dadurch reduziert sich das maximal zur Verfügung stehende
Datenfeld der ursprünglichen
CAN-Nachricht bei der Kommunikationsstruktur für das Energiemanagementsystem
auf eine maximale Länge
von 56 Bit. Mit dem Operation Code der erfindungsgemäßen Kommunikationsstruktur
beziehungsweise der erfindungsgemäßen Ringnachricht kann zwischen
verschiedenen Ringnachrichtentypen unterschieden werden. Der Operation
Code gibt hauptsächlich
eine Codierung dafür,
welche Struktur das Datenfeld der Ringnachricht aufweist. Der Operation
Code ist damit für
das Energiemanagementsystem eine Steuerungsmöglichkeit, wie Daten in die
Ringnachricht geschrieben werden müssen beziehungsweise wie ausgelesene
Daten aus dem Datenfeld der Ringnachricht zu interpretieren sind.
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Für das implementierte
Energiemanagementsystem kommen hauptsächlich zwei Nachrichtentypen
zum Einsatz. Es sind dies die Verbraucheranmeldung, näher beschrieben
im Zusammenhang mit 6, sowie die Zustandsmeldung,
näher beschrieben
im Zusammenhang mit der 7. Grundsätzlich ermöglicht die Einführung eines
Operation Codes in der Kommunikationsstruktur für das Energiemanagement die
zukünftige
Erweiterung des Energiemanagements um weitere Funktionen und Nachrichtentypen.
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6 zeigt
zu der allgemeinen Kommunikationsstruktur gemäß 5 die nähere Aufschlüsselung
in den Nachrichtentypen der Verbraucheranmeldung. Die Aufschlüsselung
erfolgt wie schon beschrieben mit dem Operation Code aus dem Adressierungsfeld
der allgemeinen Kommunikationsstruktur. In diesem Fall codiert der
Operation Code die Verbraucheranmeldung. Die Verbraucheranmeldung selbst
ist im Datenfeld der Verbraucheranmeldung enthalten. Sofern das
jeweilige Steuergerät
mit dem zugeordneten Verbraucher die gleichen Identifier besitzt,
können
sich die Angaben im Datenfeld der Verbraucheranmeldung auf die Angaben
zur Leistung des jeweiligen Verbrauchers beschränken. Es ist jedoch auch möglich, mit
einem Steuergerät
mehrere Verbraucher beziehungsweise mehrere Applikationen anzusteuern.
In diesem Fall können
Sender-Identifier sowie Empfänger-Identifier
des Steuergerätes
nicht identisch mit den Verbraucher-Identifiern sein. Ein allgemeines
Datenformat für
die Verbraucheranmeldung enthält
deshalb für
jeden Verbraucher sowohl einen Verbraucher-Identifier V ID der Länge 5 Bit,
dem sich für
jeden Verbraucher ein Datenfeld der Länge 11 Bit anschließt, das
die Nutzdaten für
die Leistung des Verbrauchers enthält. In der Verbraucheranmeldung
ist damit jeder Verbraucher mit insgesamt 16 Bits codiert. Somit
können
mit jeder Verbraucheranmeldung maximal drei Verbraucher pro Nachricht
angemeldet werden. Werden von einem Steuergerät mehr als drei Verbraucher
angesteuert, so müssen mehrere
Verbraucheranmeldungen versendet werden, um alle Verbraucher bei
dem Energiemanagement anzumelden.
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Ist
der logische Ring für
das Energiemanagement mit Hilfe der Verbraucheranmeldung erst einmal
aufgebaut, wird für
den fortlaufenden Betrieb des Energiemanagements ein weiterer Nachrichtentyp benötigt. Auch
dieser Nachrichtentyp der im folgenden als Zustandsmeldung bezeichnet
wird, wird auf der Grundstruktur der Kommunikationsstruktur aus 5 aufgebaut.
Eine Zustandsmeldung gemäß 7 enthält im Datenfeld
der allgemeinen Kommunikationsstruktur für das Energiemanagement Statusinformationen
zum Energiemanagement selbst sowie Statusinformationen zu allen
am Energiemanagement teilnehmenden Verbrauchern. Die Klassifizierung
der Zustandsmeldung erfolgt über
den Operation Code aus dem Header der allgemeinen Kommunikationsstruktur.
In 7 ist dieser Operation Code beispielhaft mit Status
klassifiziert. Im Datenfeld der Zustandsmeldung erfolgt dann zunächst eine mit
5 Bit codierte Information über
den Status des Energiemanagements selbst. Diese Statusinformation über das
Energiemanagement schließen
sich in logischer Reihenfolge aufsteigend entsprechend der Reihenfolge
im logischen Ring die jeweils mit einem Bit codierten Verbraucherzustände der
am Energiemanagement teilnehmenden Verbraucher an. Die Verbraucherzustände sind
hierbei lediglich in Form von Aktiv und Nichtaktiv beziehungsweise
ein- und ausgeschaltet codiert. Leistungsangaben müssen mit
der Zustandsmeldung nicht übertragen
werden, da die Leistungsangaben bereits mit der Verbraucheranmeldung
an das Energiemanagement gemeldet wurden. Für die Überprüfung des Zustandes des gesamten
Bordnetzes mit Hilfe der Zustandsmeldung ist es von vorrangigem
Interesse, eine Rückmeldung der
einzelnen Verbraucher zu bekommen, welche Verbraucher aktuell am
Netz sind. Mit den mit 5 Bit codierten Statusinformationen zum Zustand
des Energiemanagements selbst, wird jeweils allen Verbrauchern der
aktuelle Status des Energiemanagements, das heißt gegebenenfalls seine Degradierungsstufe
mitgeteilt. Mitgeteilt wird somit, zum Beispiel ob die volle Leistung
der angeschlossenen Energieträger
zur Verfügung
steht oder in welchem Maße
die aktuelle Leistungsentnahme der Verbraucher eingeschränkt werden
muss, um eine Überlastung
des Bordnetzes zu verhindern. Im Falle eines Ausfalls des Bordnetz-Steuergerätes ist
durch das Ausbleiben der Zustandsmeldungen vom Bordnetzsteuergerät für die übrigen am
Energiemanagement teilnehmenden Steuergeräte beziehungsweise den in diesen
Steuergeräten
implementierten Modulen des Energiemanagements bekannt, dass ein
anderes am Energiemanagement teilnehmendes Steuergerät nun die
Rolle des Bordnetz-Steuergeräts übernehmen
muss. Über
die Statusinformation wird allen angeschlossenen Steuergeräten mitgeteilt,
welches Steuergerät
nach Ausfall des Bordnetz-Steuergeräts nun seine Rolle übernommen
hat. Die Energiemanagementmeldungen werden dabei jeweils von dem aktiven
Bordnetz-Steuergerät
innerhalb des logischen Ringes für
das Energiemanagement versendet oder werden bei einer rein dezentralen
Notlaufstrategie gar nicht mehr versendet.