DE102009046836A1 - Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung (TA), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Die Tankvorrichtung (TA) weist einen Tank (T1, T2) und ein Ventil (V1, V2) auf, wobei das Ventil (V1, V2) von einer mit einer Energieversorgung verbundenen Treiberstufe verstellbar ist. Bei dem Verfahren wird ein Fehler ermittelt und das Ventil (V1, V2) wird geschlossen. Aufgrund des Fehlers werden zwei Ausgangssignale zum Verschließen des Ventils (V1, V2) gebildet. Eines der Ausgangssignale stellt ein Relais-Signal dar und unterbricht die Energieversorgung zu der Treiberstufe.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Es sind Kraftfahrzeuge bekannt, die zur Mitnahme von Kraftstoff mit Hochdrucktanks ausgerüstet sind. Beispiele hierfür sind Erdgas- und Brennstoffzellenfahrzeuge.
  • Bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird üblicherweise Wasserstoff in einem Hochdrucktank mitgeführt, um aus der Reaktion von Wasserstoff und zugeführtem Sauerstoff elektrische Energie zu gewinnen und mit einem Elektromotor das Brennstoffzellenfahrzeug anzutreiben.
  • Ebenso bekannt ist es, dass Wasserstoff und Sauerstoff bei einer Vermischung und Zündung eine Explosion, die sogenannte Knallgasreaktion, hervorrufen. Weiterhin ist bekannt, dass mitgeführte Stoffe, wie beispielsweise Wasserstoff, in bestimmten Situationen, wie beispielsweise bei einem Verkehrsunfall, nicht aus dem Tank austreten dürfen, um die Sicherheit nicht zu gefährden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die beim Stand der Technik vorhandenen Probleme werden durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung weist mindestens einen Tank und mindestens ein Ventil auf, wobei das Ventil von einer mit einer Energieversorgung verbundenen Treiberstufe verstellbar ist. Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Fehler ermittelt und das Ventil wird geschlossen. Aufgrund des Fehlers werden zwei Ausgangssignale zum Verschließens des Ventils gebildet, wobei eines der Ausgangssignale ein Relais-Signal darstellt und die Energieversorgung zu der Treiberstufe unterbricht. Durch das Relais-Signal wird die Energieversorgung der Treiberstufe ein- oder ausgeschaltet. Das Verfahren dient dazu, den Tank immer in einem sicheren Zustand zu betreiben. Tritt ein Fehler auf, der die Sicherheit des Tanks betrifft, so wird das Ventil verschlossen, um ein Austreten von beispielsweise hochentzündlichem Wasserstoff zu vermeiden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden ein Funktions-Signal durch die Tank-Überwachungseinheit erzeugt. Durch das Funktions-Signal wird mittels einer Treiberstufe die Öffnungsweite des Ventils beeinflusst. Wird die Treiberstufe mittels des Versorgungsrelais und damit durch das Relais-Signal mit Energie versorgt, so lässt sich die Öffnungsweite des Ventils durch das Funktions-Signal steuern und/oder regeln. Bei Auftreten des Fehlerzustandes lässt sich das Ventil verschließen. Wird dagegen die Energieversorgung durch das Versorgungsrelais und damit durch das Relais-Signal aufgrund des festgestellten Fehlers unterbrochen, so schließt sich das Ventil ebenso. Somit sind die Signale zum Verschließen des Ventils redundant ausgelegt, was einer Erhöhung der Sicherheit der Tankvorrichtung entspricht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens geschieht die Bildung des Funktions-Signals und des Relais-Signals in weitestgehend getrennt und damit parallel ablaufenden Ebenen auf einem Funktionsrechner. Das Funktions-Signal wird von einer Funktionsebene, das Relais-Signal von einer Funktions-Überwachungsebene gebildet. Dadurch werden nicht nur die Signale, sondern auch die Ermittlung der Signale redundant ausgelegt. Dies erhöht ebenso die Sicherheit der Tankvorrichtung, da ein auftretender Fehler so abgefangen wird, dass die Sicherheit des Kraftfahrzeugs gewährleistet wird.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens geschieht die Bedatung der Funktions-Überwachungsebene mit im Vergleich zur Funktionsebene erhöhten Werten. Beispiele hierfür sind Schwellwerte und Entprellungszeiten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Funktionsebene auf einen Fehlerfall reagieren kann, bevor eine Überwachungsfunktion aus der Funktions-Überwachungsebene eine Fehlerreaktion einleitet.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist neben dem Funktionsrechner eine Watchdog-Einheit vorhanden. Die Watchdog-Einheit überwacht den Funktionsrechner hinsichtlich der Hardware, beispielsweise durch Speichertests, und hinsichtlich korrekter Funktionsabläufe, beispielsweise der Fehlerreaktion. Stellt die Watchdog-Einheit einen Fehler fest, so wird mittels eines Validierungs-Signals ein Schalter betätigt, der alle Ausgangssignale des Funktionsrechners unterbricht. Die Watchdog-Einheit schließt im Fehlerfall somit ebenso das Ventil und stellt damit eine weitere redundante Fehlerabschaltung dar.
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
  • In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Tankvorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Tank-Überwachungseinheit gezeigt.
  • In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung eines Ventils und eines Sensors durch die Tank-Überwachungseinheit gezeigt.
  • In 3 ist ein detaillierteres schematisches Blockschaltbild der Tank-Überwachungseinheit gezeigt.
  • In 4 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Funktions-Überwachungsebene der Tank-Überwachungseinheit gezeigt.
  • Die Tank-Überwachungseinheit TCU in 1 wird mit Eingangssignalen 40 beaufschlagt. Die Tank-Überwachungseinheit TCU bildet Ansteuer-Signale Sv1 und Sv2. Die Ansteuer-Signale Sv1 beaufschlagen ein Ventil V1. Die Ansteuer-Signale Sv2 beaufschlagen ein Ventil V2. Das Ventil V1 beeinflusst den Durchfluss durch eine Leitung L1. Die Leitung L1 verbindet einen Tank T1 mit einer Vorrichtung EQ. Das Ventil V2 beeinflusst den Durchfluss durch eine Leitung 12. Die Leitung 12 verbindet einen Tank T2 mit der Vorrichtung EQ. Die Tanks T1, T2 mit den zugehörigen Ventilen V1, V2 bilden eine Tankvorrichtung TA für die Vorrichtung EQ.
  • Die Tank-Überwachungseinheit TCU beeinflusst auf Basis der Eingangssignale 40 sowie interner Abläufe mittels der Stellung und/oder Regelung der Ventile V1 und V2 über die Ansteuer-Signale Sv1 und Sv2 die Versorgung der Vorrichtung EQ mit Stoffen aus den Tanks T1 und T2. Aufgabe der Tank-Überwachungseinheit TCU ist es, zum einen die Steuerung und/oder Regelung der Ventile V1 und/oder V2 durchzuführen und zum anderen die Sicherheit der Tanks T1 und T2 zu gewährleisten.
  • 2 zeigt die Ansteuerung eines Ventils 30 und eines Sensor 32 durch die Tank-Überwachungseinheit TCU. Das Ventil 30 ist üblicherweise als stromgeschaltetes Ventil ausgeführt. Die Tank-Überwachungseinheit TCU ist in zwei physisch getrennte Einheiten unterteilt: einen Funktionsrechner 10 und eine Watchdog-Einheit 12. Die Watchdog-Einheit 12 überwacht den Funktionsrechner 10 in Form einer noch zu erläuternden Frage-Antwort-Kommunikation, dargestellt durch die Frage 314 und die Antwort 316. Der Funktionsrechner 10 wird mit den Signalen 40 beaufschlagt.
  • Vom Funktionsrechner 10 werden ein Funktions-Signal 42, ein Relais-Signal 44 und ein Ausgangs-Signal 46 erzeugt. Die Watchdog-Einheit 12 erzeugt ein Validierungs-Signal 48, welches einem mehrpoligen Einschalter 14 zugeführt wird. Die Signale 42, 44 und 46 des Funktionsrechners 10 werden von dem mehrpoligen Einschalter 14 ausschließlich dann weitergeleitet, wenn es die Watchdog-Einheit 12 mittels des Validierungs-Signals 48 erlaubt. Stellt die Watchdog-Einheit 12 einen Fehler bezüglich des Funktionsrechners 10 fest, so wird mittels des Validierungs-Signals 48 veranlasst, dass die Signale 42, 44 und 46 nicht weitergeleitet werden.
  • Das Funktions-Signal 42 beaufschlagt, bei erfolgreicher Weiterleitung durch den Einschalter 14, eine Treiberstufe 20. Die Treiberstufe 20 ist zur Erhöhung der Betriebssicherheit redundant in der Art ausgeführt, dass eine angeschlossene Last mit einem High-Side Treiber 22 oder einem Low-Side Treiber 24 angesteuert werden kann. Dies ermöglicht es bei einem Ausfall eines der beiden Treiber die Last mit zumindest dem anderen Treiber weiter anzusteuern.
  • Das Ventil 30 wird von dem Signal 50 beaufschlagt, welches von der Treiberstufe 20 gebildet wird. Das Ventil 30 ist in seinem unbestromten Zustand verschlossen. Das Signal 50 bestimmt die Öffnungsweite des Ventils 30. Damit bestimmt auch das Funktions-Signal 42 mittelbar über die Treiberstufe 20 die Öffnungsweite des Ventils 30. Das Funktions-Signal 42 ist als ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgeführt.
  • Das Relais-Signal 44 ist als ein digitales Signal ausgeführt und beaufschlagt, bei erfolgreicher Weiterleitung durch den Einschalter 14, ein Versorgungsrelais 26 des Ventils 30. Das Versorgungsrelais 26 versorgt die Treiberstufe 20 mit Energie. Durch das Relais-Signal 44 lässt sich die Energieversorgung der Treiberstufe 20 mittels des Versorgungsrelais 26 ein- oder ausschalten.
  • Das Ausgangs-Signal 46 ist ebenfalls als ein digitales Signal ausführt und wird, bei erfolgreicher Weiterleitung durch den Einschalter 14, einem Versorgungsrelais 28 des Sensors 32 zugeführt. Das Versorgungsrelais 28 versorgt den Sensor 32 über die Leitung 54 mit Energie. Durch das Ausgangssignal 46 lässt sich die Energieversorgung des Sensors 32 mittels des Versorgungsrelais 28 ein- oder ausschalten.
  • Ist der Einschalter 14 geschlossen, d. h. werden die Signale 42, 44 und 46 weitergeleitet, so wird die Treiberstufe 20 mit Energie versorgt, die Öffnungsweite des Ventils 30 mittels des Funktions-Signals 42 beeinflusst und der Sensor 32 wird mit Strom versorgt. Wird die Treiberstufe 20 dagegen nicht mit Energie versorgt, so führt dies dazu, dass das Ventil 30 verschlossen wird.
  • Ist dagegen der Einschalter 14 durch die Watchdog-Einheit 12 geöffnet, so werden die Signale 42, 44 und 46 nicht mehr weitergeleitet. Ein geöffneter Einschalter 14 hat somit die Wirkung, dass die Treiberstufe 20 und der Sensor 32 nicht mehr mit Energie versorgt werden. Die nicht mit Energie versorgte Treiberstufe 20, wie auch das unterbrochene Funktions-Signal 42 hat zur Folge, dass sich das Ventil 30 verschließt.
  • Im Vergleich mit der 1 sind das Funktions-Signal 42, das Relais-Signal 44 sowie das Validierungs-Signal 48 zusammen als die Ansteuer-Signale Sv1 oder Sv2 anzusehen. Ebenfalls ist das Ventil 30 aus 2 als eines der Ventile V1 oder V2 der 1 anzusehen.
  • 3 zeigt den Aufbau der Tank-Überwachungseinheit TCU. Es sind der Funktionsrechner 10 und die Watchdog-Einheit 12 gezeigt. Der Funktionsrechner 10 und die Watchdog-Einheit 12 sind in Ihrer Funktionalität in drei Ebenen eingeteilt: eine erste Funktionsebene 100, eine zweite Funktions-Überwachungsebene 200 und eine dritte Rechner-Überwachungsebene 300.
  • Die Funktionsebene 100 dient dazu, das Funktions-Signal 42 zur Beeinflussung der Öffnungsweite des Ventils 30 in 2 zu bilden. Hierzu wird der Block 102 eingesetzt, der mit den Eingangssignalen 40 beaufschlagt wird. Des Weiteren wird in der Funktionsebene 100 eine Überwachung und Diagnose von Einheiten der Tankvorrichtung oder weiterer Vorrichtungen durchgeführt. Entsprechend wird das Funktions-Signal 42 beeinflusst.
  • Vor einer Verarbeitung der Eingangssignale 40 in einer der Ebenen 100 oder 200 werden die Eingangssignale 40 einer Plausibilitätskontrolle unterzogen. Die Plausibilitätskontrolle dient dazu, bestimmte Kombinationen, Reihenfolgen, Wertebereiche und Verläufe der Eingangssignale 40 als fehlerhaft zu erkennen.
  • Ein Block 202 der Funktions-Überwachungsebene 200 wird ebenfalls von den Eingangssignalen 40 beaufschlagt. Die Funktions-Überwachungsebene 200 dient zur Erkennung fehlerhafter Abläufe und Ergebnisse in der Funktionsebene 100. Dazu werden Funktionen der Funktionsebene 100 gegebenenfalls in vereinfachter Form in der Funktions-Überwachungsebene 200 nachgebildet. Des Weiteren wird in der Funktions-Überwachungsebene 200 ein Vergleich mit Signalen 104 aus der Funktionsebene 100 durchgeführt. Wird ein Fehler in der Funktionsebene 100 durch den Block 202 erkannt, so löst der Block 202 mittels des Signals 206 eine Fehlerreaktion 204 aus.
  • Die Rechner-Überwachungsebene 300 erstreckt sich von dem Funktionsrechner 10 bis auf die Watchdog-Einheit 12. Die Watchdog-Einheit 12 besitzt einen Watchdog-Block 310, der die Frage-Antwort-Kommunikation mit einem Testblock 302 des Funktionsrechners 12 durchführt. Der Testblock 302 besteht aus einem Testblock 304 für rechnerspezifische Tests und einem Testblock 306 für funktionsspezifische Tests. Die rechnerspezifische Tests umfassen beispielsweise Tests des Arbeitsspeichers und dergleichen. Die funktionsspezifischen Tests beziehen sich auf den Programmablauf und Fehlerreaktionen in der Funktions-Überwachungsebene 200. Im Fehlerfall löst der Testblock 302 eine Fehlerreaktion 308 mittels eines Signals 312 aus.
  • Der Watchdog-Block 310 überstellt eine Frage 314 an den Testblock 302. Der Testblock 302 führt rechnerspezifische und funktionsspezifische Tests mittels der Testblöcke 304 und 306 durch. Dazu ist der Testblock 302 mit dem Block 202 mittels eines Kommunikationspfads 208 sowie mit der Fehlerreaktion 204 mittels eines Kommunikationspfads 210 verbunden.
  • Der Testblock 302 ermittelt die Antwort 316 auf die gestellte Frage 314, wobei die Ergebnisse aus den Testblöcken 304 und 306 verwendet werden. Der Watchdog-Block 310 kennt die korrekte Antwort auf die ausgesendete Frage 314. Entspricht die von dem Testblock 302 übermittelte Antwort 316 der erwarteten korrekten Antwort, so gilt die Funktion der Tank-Überwachungseinheit TCU als fehlerfrei. Entspricht die von dem Testblock 302 übermittelte Antwort 316 dagegen nicht der erwarteten korrekten Antwort, so gilt die Funktion der Tank-Überwachungeinheit TCU als fehlerbehaftet. Im letztgenannten Fehlerfall sendet die Watchdog-Einheit 12 bzw. der Watchdog-Block 310 das Validierungs-Signal 48 aus, um das gesteuerte bzw. geregelte System, hier die Tankvorrichtung in einen sicheren Zustand zu überführen.
  • Das Relais-Signal 44 und das Ausgangs-Signal 46 können jeweils in der Funktions-Überwachungsebene 200 oder der Rechner-Überwachungsebene 300 gebildet werden. Das Relais-Signal 44 und das Ausgangs-Signal 46 können beispielsweise von den Fehlerreaktionen 204 und/oder 308 gebildet werden.
  • 4 zeigt eine detaillierte Ausführungsform der Funktions-Überwachungsebene 200. Ein Block 220 dient einer Wasserstoff-Überwachung. Der Block 220 wird mit einem Wasserstoff-Konzentrations-Signal 222 beaufschlagt. Der Block 220 führt einen Vergleich des Wasserstoff-Konzentrations-Signals 222 mit einem Wasserstoff-Konzentrations-Schwellwert durch und bewirkt bei Überschreitung des Wasserstoff-Konzentrations-Schwellwerts die Fehlerreaktion 204 über ein Signal 224.
  • Ein Block 230 dient einer Überschlag-Überwachung. Das Signal 232 zeigt einen Überschlag des Kraftfahrzeugs an. Entsprechend bewirkt der Block 230 die Fehlerreaktion 204 mittels eines Signals 234 an.
  • Ein Drucksignal 242 beaufschlagt einen Block 240, der anhand des Drucksignals 242 feststellt, ob das Ventil 30 aus der 2 verschlossen ist. Hierbei findet ein Vergleich mit Ergebnissen aus der Funktionsebene 100 statt. Ist das Ventil 30 nicht verschlossen, so wird die Fehlerreaktion 204 mittels eines Signals 244 ausgelöst.
  • Die beschriebenen Verfahren werden üblicherweise als Computerprogramme ausgeführt, welche auf einem Steuergerät betrieben werden. Das Steuergerät ist üblicherweise als Mikrocontroller ausgeführt und entsprechend den beschriebenen Verfahren programmiert. Des Weiteren ist ein dementsprechendes Computerprogramm auf einem Speichermedium abgespeichert.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung (TA), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Tankvorrichtung (TA) einen Tank (T1, T2) und ein Ventil (V1, V2, 30) aufweist, wobei das Ventil (V1, V2, 30) von einer mit einer Energieversorgung verbundenen Treiberstufe (20) verstellbar ist, und wobei bei dem Verfahren ein Fehler ermittelt und das Ventil (V1, V2, 30) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des Fehlers zwei Ausgangssignale (44, 48) zum Verschließens des Ventils (V1, V2, 30) gebildet werden, und dass eines der Ausgangssignale ein Relais-Signal (44) darstellt und die Energieversorgung zu der Treiberstufe (20) unterbricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Treiberstufe (20) von einem Funktions-Signal (42) angesteuert wird, das die Öffnungsweite des Ventils (V1, V2, 30) beeinflusst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das andere der Ausgangssignale ein Validierungs-Signal (48) darstellt und die Ansteuerung der Treiberstufe (20) unterbricht.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei das Funktions-Signal (42) und das Relais-Signal (44) von einem Funktionsrechner (10) gebildet werden.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei das Validierungs-Signal (48) von einer Watchdog-Einheit (12) gebildet wird, wobei die Watchdog-Einheit (12) physisch getrennt von dem Funktionsrechner (10) ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Funktions-Signal (42) in einer Funktionsebene (100) des Funktionsrechners (10) gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Relais-Signal (44) in einer Funktions-Überwachungsebene (200) des Funktionsrechners (10) gebildet wird.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei die Bildung des Funktions-Signals (42) und des Relais-Signals (44) weitestgehend unabhängig voneinander erfolgt.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei in der Funktions-Überwachungsebene (200) Funktionen der Funktionsebene (100) nachgebildet werden.
  10. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei eine erste Entprellungszeit und ein erster Schwellwert für die Funktionsebene (100) vorgegeben sind, wobei in der Funktions-Überwachungsebene (200) eine zur ersten Entprellungszeit erhöhte zweite Entprellungszeit und eine zum ersten Schwellwert erhöhter zweiter Schwellwert vorgegeben sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Validierungs-Signal (48) in einer Rechner-Überwachungsebene (300) gebildet wird.
  12. Computerprogramm für ein digitales Rechengerät, das dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
  13. Steuereinheit für eine Tankvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, das mit einem digitalen Rechengerät insbesondere einem Mikroprozessor versehen ist, auf dem ein Computerprogramm nach dem Anspruch 12 ablauffähig ist.
  14. Speichermedium für eine Steuereinheit nach dem Anspruch 13, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 12 abgespeichert ist.
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