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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Simulieren einer Bordnetz-Welligkeit eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der Kapazität eines im Bordnetz vorgesehenen Zwischenkreiskondensators. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Diagnoseeinrichtung, das zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet/programmiert ist.
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Moderne Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb verfügen über eine sogenannte Leistungselektronik, welche das Bindeglied zwischen dem elektrischen Antrieb und einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs darstellt. Zur Glättung der dem elektrischen Antrieb vom Bordnetz bereitgestellten elektrischen Versorgungsspannung wird die Leistungselektronik zumeist mit einem sogenannten Zwischenkreiskondensator ausgestattet.
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Die
DE 10 2013 211 567 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Zwischenkreises. Bei diesem Verfahren wird ein fester elektrischer Strom eingestellt, mit dem der Zwischenkreis beaufschlagt wird. Eine elektrische Spannung, die am Zwischenkreis anliegt, wird an zeitlich aufeinander folgenden Abtastpunkten gemessen. Aus den gemessenen Spannungswerten wird unter Berücksichtigung von Zeitabständen zwischen den Abtastpunkten eine Kapazität des Zwischenkreises berechnet.
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Als problematisch bei der Verwendung eines Zwischenkreiskondensators erweist sich dessen Anfälligkeit gegenüber Alterungsprozessen, die mit zunehmender Betriebsdauer zu einer nicht unerheblichen Minderung der tatsächlich bereitstellbaren Kapazität durch den Kondensator führen kann. Dies wiederum kann zu einer unerwünschten Zunahme von „sogenannten Spannungsrippeln”, also zeitlichen Fluktuationen bzw. Schwankungen des Spannungswertes der elektrischen Bordnetz-Spannung, die dem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder weiteren an das elektrische Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden soll.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Verfahren zur Simulation einer Bordnetz-Welligkeit eines elektrischen Bordnetzes neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche-Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach, zunächst ein Impedanz-Modell des betrachteten Bordnetzes einschließlich des in diesem vorhandenen Zwischenkreiskondensator zu erstellen und in dem auf diese Weise simulierten Bordnetz die Bordnetz-Welligkeit des Bordnetzes bei abnehmender Kapazität des Zwischenkreiskondensators zu simulieren. Aus der Simulation der Abhängigkeit der Bordnetz-Welligkeit von der Kapazität des Zwischenkreiskondensators kann wiederum die mit der Abnahme der Kapazität verbundene Zunahme von sog. „Spannungsrippeln” im Bordnetz ermittelt werden. Dies gestattet die Bestimmung eines minimal zulässigen Werts für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators, bei welchem die Amplitude der im elektrischen Bordnetz auftretende Schwankungen des Spannungswerts, also der „Spannung-Ripple” gerade noch unterhalb eines maximal zulässigen Schwellwerts verbleibt. Ist das Alterungsverhalten des Zwischenkreiskondensators und die damit verbundene Abnahme der Kapazität bekannt – ein solches Alterungsverhalten kann in der Regel einem vom Hersteller des Zwischenkreiskondensators veröffentlichten Datenblatt entnommen werden –, so kann mit Hilfe des hier vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden, wann der im elektrischen Bordnetz verbaute Zwischenkreiskondensator alterungsbedingt ausgetauscht werden muss. Das Auftreten von Fehlfunktionen im Bordnetz aufgrund eines verschleißbedingt nicht mehr funktionsgemäß arbeitenden Zwischenkreis-kondensators kann auf diese Weise vermieden werden. Dies führt zu einer nicht unerheblich verbesserten Stabilität des elektrischen Bordnetzes, insbesondere im Langzeitbetrieb des Kraftfahrzeugs über mehrere Jahre hinweg.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Vergleich der sich ergebenden Zunahme der Spannungswert-Schwankungen mit einem maximal zulässigen oberen Grenzwert ein minimal zulässiger Wert für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators ermittelt. Auf diese Weise kann ein für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators ein kritischer Wert bestimmt werden, bei dessen Unterschreiten mit Fehlfunktionen im elektrischen Bordnetz und/oder in den an das elektrische Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gerechnet werden muss.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen der Bordnetz-Spannung bei einer vorbestimmten Frequenz ermittelt, bei welcher die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen bei einer bestimmten Abnahme der Kapazität maximal ist. Auf diese Weise kann ausgenutzt werden, dass die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen frequenzabhängig stark variieren kann. Durch Auswahl einer Frequenz aus dem Frequenzspektrum, bei welcher die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen bei einer vorgegebenen angenommenen Kapazitätsänderungen des Zwischenkreiskondensators einen maximalen Wert annimmt, lässt sich die Genauigkeit, mittels welcher besagte Änderung der Kapazität detektiert werden kann, maximieren.
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Die zur Messung der Spannungswert-Schwankungen erforderlichen elektronischen/elektrischen Bauteile können aufgrund ihrer elektrischer Eigenschaften wie etwa ihrer Impedanz bereits bei der Simulation der Bordnetz-Welligkeit einen erhebliche Einfluss auf das Simulationsergebnis haben und dieses bisweilen auch in nicht unerheblichem Maße verfälschen. Um dies weitgehend oder sogar vollständig zu vermeiden, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, die zur Bestimmung der Bordnetz-Ripple erforderlichen elektrischen/elektronischen Bauelemente bei der Simulation der Bordnetz-Welligkeit zu berücksichtigen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können ein erster Zwischenkreiskondensator und wenigstens ein zweiter Zwischenkreiskondensator im elektrischen Bordnetz vorhanden sein. Beispielsweise kann der erste Zwischenkreiskondensator Teil einer ersten Leistungselektronik sein, welche einen ersten elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Der wenigstens eine zweite Zwischenkreiskondensator kann dann in entsprechender Weise Teil einer zweiten Leistungselektronik sein, welche einen zusätzlichen, zweiten elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. In diesem Fall bietet es sich an, die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen im elektrischen Bordnetz frequenzabhängig zumessen, und zwar derart, dass durch eine frequenzabhängige Auswertung der gemessenen Spannungswert-Schwankungen bestimmt werden kann, ob diese Schwankungen des Spannungswerts der Bordnetz-Spannung durch den ersten Zwischenkreiskondensator oder den wenigstens einen zweiten Zwischenkreiskondensator verursacht worden sind. Bei diesem Vorgehen kann ausgenutzt werden, dass jeder einzelne Zwischenkreiskondensator bei frequenzabhängiger Betrachtung der Bordnetz-Spannung im Spektrum quasi einen individuellen spektralen „Fingerabdruck” erzeugt, dessen spektrale Signatur sich auch bei Abnahme der Kapazität des jeweiligen Zwischenkreiskondensators nicht ändert. Daher kann ermittelt werden, in welchem der im Bordnetz vorhandenen Zwischenkreiskondensatoren tatsächlich ein Kapazitätsverlust aufgetreten ist.
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Es versteht sich, dass das hier vorgestellte Verfahren prinzipiell auf ein elektrisches Bordnetz mit einer beliebigen Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren erweitert werden kann, die darüber hinaus an völlig unterschiedlichen Positionen im Bordnetz verbaut sein können.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, mit welchem zur Bereitstellung einer vorbestimmten elektrischen Bordnetz-Spannung wenigstens eine elektrische Energieversorgungseinheit, insbesondere eine Batterie, elektrisch verbunden ist. Weiterhin ist in dem Kraftfahrzeug wenigstens ein elektrischer Verbraucher angeordnet, welchem die elektrische Bordnetz-Spannung vom elektrischen Bordnetz bereitstellbar ist. Das Kraftfahrzeug besitzt weiterhin wenigstens einen eine elektrische Kapazität aufweisenden und im Bordnetz angeordneten Zwischenkreiskondensator. Schließlich ist ein Diagnoseeinrichtung zur Onboard-Diagnose vorgesehen, welche zur Durchführung des vorangehend vorgestellten Verfahrens nach eingerichtet/programmiert ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 den Aufbau eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens simulieren elektrischen Bordnetzes in einer schaltplanartigen Darstellung,
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2a/b jeweils ein frequenzabhängiges Diagramm der Amplitude der elektrischen Bordnetz-Spannung, in 2a für eine Kapazität des Zwischenkreiskondensators von 500 μF, in der 2b für eine reduzierte Kapazität von 300 μF.
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3a/b die simulierten Spannungswert-Schwankungen in der Bordnetz-Spannung ohne (3a) und mit (3b) Berücksichtigung der zur Messung der Bordnetzspannung im Bordnetz erforderlichen Komponenten.
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1 illustriert ein Beispiel eines simulierten elektrischen Bordnetzes 1 eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer schaltplanartigen Darstellung. Das simulierte elektrische Bordnetz 1 umfasst eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Komponenten wie elektrische Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten, die in 1 mit den üblichen Symbolen wiedergegeben wird. Auch verschiedene Sensoren zur elektrischen Strom- und Spannungsmessung in der Art von Amperemetern und Voltmetern können im Bordnetz 1 angeordnet sein. Ein Teil dieser Komponenten bildet eine elektrische Energieversorgungseinheit in Form einer Batterie aus und ist in 1 mit einem mit 2 bezeichneten, gestrichelten Rahmen begrenzt. Ein weiterer Teil der Komponenten des elektrischen Bordnetzes 1 bildet einen elektrischen Zwischenkreis aus und ist in 1 mit einem mit dem Bezugszeichen 3 bezeichneten, gestrichelten Rahmen begrenzt. Schließlich bildet ein dritter Teil der elektrischen/elektronischen Komponenten des Bordnetzes 1 einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs aus, in welchem das Bordnetz 1 vorhanden ist. Dieser Teil der Komponenten ist in 1 mit einem gestrichelten Rahmen mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet. Im Zwischenkreis 3 ist ein Zwischenkreiskondensator 5 angeordnet.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Basis des in 1 gezeigten, simulierten elektrischen Bordnetzes erfolgt in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs, dessen Bordnetz durch das in 1 gezeigte elektrische Bordnetz 1 simuliert wird. Für das elektrische Bordnetz 1 wird ein einem ersten Verfahrensschritt zunächst ein Impedanz-Modell erstellt, bei welchem auch die Kapazität des Zwischenkreiskondensators berücksichtigt wird. Anschließend wird für das Bordnetz 1 die Bordnetz-Welligkeit, also das Auftreten von periodischen Schwankungen in der im Bordnetz 1 durch die Batterie 2 zur Verfügung gestellte elektrische Bordnetz-Spannung V des Bordnetzes 1 bei simulierter Abnahme der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5 simulieren. Diese Simulation kann mit Hilfe einer im Zwischenkreis 3 angeordneten Stör-Stromquelle 6 erfolgen.
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Aus der Simulation der Abhängigkeit der Bordnetz-Welligkeit von der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5 kann wiederum die mit der Abnahme der Kapazität verbundene Zunahme von zeitlichen Fluktuationen des Spannungswerts der Bordnetz-Spannung V im Bordnetz 1, dem einschlägigen Fachmann als elektrische „Spannungs-Ripple” bekannt, ermittelt werden. Dieses Vorgehen erlaubt die Bestimmung eines minimal zulässigen Werts für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5, bei welchem die Amplitude der im elektrischen Bordnetz 1 auftretenden Spannungswert-Schwankungen der Bordnetz-Spannung V gerade noch unterhalb eines maximal zulässigen Schwellwerts verbleibt.
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Sind das Alterungsverhalten des Zwischenkreiskondensators 5 und die damit verbundene Abnahme der Kapazität bekannt, so kann mit Hilfe des hier vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt werden, wann der Zwischenkreiskondensator 5 alterungsbedingt ausgetauscht werden muss. Das Auftreten von Fehlfunktionen im elektrischen Bordnetz 1 aufgrund eines alterungsbedingt nicht mehr funktionsgemäß arbeitenden Zwischenkreiskondensators 5 kann auf diese Weise vermieden werden.
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Um mit dem hier vorgestellten Verfahren eine möglichst genaue Alterungsvorhersage treffen zu können, empfiehlt sich eine frequenzabhängige Untersuchung der in der elektrischen Bordnetz-Spannung V auftretenden Spannungswert-Schwankungen. Hierzu kann etwa ein Fourier-Spektrum V(f) der zeitabhängigen Bordnetz-Spannung V = qV(t) berechnet und ausgewertet werden. Auf diese Weise kann eine vorbestimmte Frequenz f0 ermittelt werden, bei welcher die Zunahme der Schwankungen der Bordnetz-Spannung V bei einer vorgegebenen Abnahme der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5 maximal ist. Ein solches Szenario zeigen die Darstellungen der 2a und 2b, welche beide jeweils ein Bordnetzspannung-Frequenz (A-f-Diagramm) zeigen. Für 2a wurde eine Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators 5 von 500 μF angenommen, für die 2b eine Abnahme der Kapazität auf 300 μF. Man erkennt die, insbesondere bei einzelnen Frequenzen, deutliche Änderung der Amplitude der Bordnetz-Spannung V.
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Besonders genaue Ergebnisse bei der Bestimmung von Alterungserscheinungen der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5 können erzielt werden, wenn die zur Messung der Spannungswert-Schwankungen erforderlichen elektrischen/elektronischen Bauelemente bei der Simulation der Bordnetz-Welligkeit berücksichtigt werden. Diesen Effekt illustrieren die 3a/3b: In der 3a ist ein Bordnetzspannung-Frequenz-Diagramm (A-f-Diagramm) gezeigt, bei welchem besagte Messelektronik bei der Simulation des elektrischen Bordnetzes 1 einschließlich der Impedanz der einzelnen Komponenten nicht berücksichtigt ist. Demgegenüber zeigt die 3b das sich aus 3a ergebende Bordnetzspannung-Frequenz-Diagramm, wenn die Messelektronik zum Bestimmen der Spannungswert-Schwankungen bei der Simulation berücksichtigt wird.
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In einer Variante des Beispiels können ein erster Zwischenkreiskondensator 5 und wenigstens ein zweiter Zwischenkreiskondensator (in den Figuren nicht gezeigt) im elektrischen Bordnetz vorhanden. Etwa kann der erste Zwischenkreiskondensator Teil einer ersten Leistungselektronik sein, welche einen ersten elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Der wenigstens eine zweite Zwischenkreiskondensator kann entsprechend Teil einer zweiten Leistungselektronik sein, welche einen zusätzlichen, zweiten elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. In diesem Fall bietet es sich an, die Zunahme der Spannungswert-Schwankungen im elektrischen Bordnetz 1 frequenzabhängig zu messen, und zwar derart, dass durch eine frequenzabhängige Auswertung der gemessenen Spannungswert-Schwankungen zugeordnet werden kann, ob diese durch den ersten Zwischenkreiskondensator oder den wenigstens einen zweiten Zwischenkreiskondensator verursacht worden sind. Bei diesem Vorgehen kann ausgenutzt werden, dass jeder einzelne Zwischenkreiskondensator 5 bei frequenzabhängiger Betrachtung der Bordnetz-Spannung V im Spektrum einen individuellen spektralen „Fingerabdruck” erzeugt, dessen spektrale Signatur sich auch bei Abnahme der Kapazität des betreffenden Zwischenkreiskondensators nicht ändert. Somit kann ermittelt werden, in welchem der im Bordnetz 1 vorhandenen Zwischenkreiskondensatoren tatsächlich ein Rückgang der elektrischen Kapazität aufgetreten ist. Es versteht sich, dass das hier vorgestellte Verfahren prinzipiell auf ein elektrisches Bordnetz mit einer beliebigen Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren erweitert werden kann, die an verschiedenen Positionen im Bordnetz verbaut sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211567 A1 [0003]
