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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von elektrischen Verbindungen über Schirmungsleitungen vor thermischer Überlastung durch einen zu hohen Gleichstromanteil. Dabei stellen die Schirmungsleitungen eine elektrische Verbindung zwischen den Gehäusen von mindestens zwei Komponenten in einem elektrischen Netzwerk dar. Die Komponenten im elektrischen Netzwerk sind zudem jeweils über eine eigene Masseanbindungsleitung möglichst niederohmig an ein gemeinsames Massepotential angeschlossen.
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Der zu detektierende Fehlerfall ist die ungewollte Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Masseanbindungsleitung mindestens einer der Komponenten im elektrischen Netzwerk. Dies führt dazu, dass der über die fehlerhafte Masseanbindungsleitung abfließende Strom der betroffenen Komponente in einem zunehmenden Maß auch über die Schirmungsleitung hin zu einer anderen, noch fehlerfrei an das gemeinsame Massepotenzial angeschlossenen Komponente fließt. Die damit einhergehende erhöhte Strombelastung der Schirmungsleitung kann diese schädigen.
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Das Ziel der Erfindung ist es, die ungewollte Erhöhung der Masseanbindungswiderstände in einem elektrischen Netzwerk, in dem die Gehäuse der zum elektrischen Netzwerk gehörenden Komponenten neben einer elektrischen Anbindung an ein gemeinsames Massepotenzial (Masseanbindungswiderstand) zusätzlich mit Schirmungsleitungen elektrisch verbunden sind, zu detektieren. Zudem werden geeignete Maßnahmen vorgeschlagen, wie ein sicherer Betrieb des elektrischen Netzwerkes auch im Fehlerfall längstmöglich gewährleistet werden kann.
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Ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug der genannten Art sind beispielsweise aus der
DE 10 2014 004 233 A1 bekannt. Es ist eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Strombelastung der Schirmungsleitung vorgesehen, um eine Schädigung der Schirmungsleitung durch eine zu hohe Strombelastung zu vermeiden. Zur Reduzierung des Stroms über die Schirmungsleitung wird ein Steuersignal erzeugt, welches in seinem zeitlichen Verlauf von der Höhe der Strombelastung abhängt.
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Die beschriebene Strombelastung in der Schirmungsleitung kann sich ergeben, wenn sich eine Masseanbindung der Hochvoltkomponenten an ein Massepotenzial, beispielsweise an die Karosserie, verschlechtert. Die Überwachung der Widerstände der für die Masseanbindung vorgesehenen Potenzialausgleichsleitung oder Masseleitung der Hochvoltkomponenten ist somit zum Schutz der Abschirmung der Hochvoltleitungen gegen Überlastung nötig. Heute verwendete Konzepte überwachen den Spannungsabfall an der Schirmungsleitung sowie optional auch den Spannungsabfall an den Potenzialausgleichsleitungen zwischen den Hochvoltkomponenten und dem Massepotenzial. Die Potenzialausgleichsleitungen sind durch niederohmige Massebänder gebildet, sodass bedingt durch die kleinen zu messenden elektrischen Spannungen eine genaue Messung der elektrischen Widerstände der Potenzialausgleichsleitungen aufwendig ist. Die Spannung ist auch bei beginnender Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit der Potenzialausgleichsleitungen in einem Bereich von nur wenigen mV und damit kaum von einem Rauschen zu unterscheiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schirmungspfade (Stecker und Leitungen) vor zu hohen Masseströmen zu schützen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Schützen einer Schirmungsleitung in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Die Schirmungsleitung verbindet ein Gehäuse einer ersten Hochvoltkomponente mit einem Gehäuse einer zweiten Hochvoltkomponente des Kraftfahrzeugs. Die Hochvoltkomponenten sind über Hochvolt-Leitungen miteinander verbunden, die zum Schutz gegen EMV-Abstrahlung mit der Schirmungsleitung versehen sind, die beidseitig an die Gehäusemasse angeschlagen ist. Das Verfahren sieht vor, in an sich bekannter Weise wiederholt eine Spannung, das heißt eine Potenzialdifferenz, zwischen den Hochvoltkomponenten zu ermitteln. Zusätzlich wird zumindest ein erster Deltawert eines zumindest teilweise über eine erste Masseanbindungsleitung oder kurz Masseleitung zwischen der ersten Hochvoltkomponente und dem Massepotenzial fließenden ersten Stromes ermittelt. Ein Deltawert ist ein Differenzwert aus zwei zeitlich nacheinander ermittelten Stromwerten. Es wird des Weiteren zumindest ein zweiter Deltawert eines zumindest teilweise über eine zweite Masseleitung zwischen der zweiten Hochvoltkomponente und dem Massepotenzial fließenden zweiten Stromes ermittelt. Die Masseleitungen können auch Potenzialausgleichsleitungen sein. Die erste Masseleitung und die zweite Masseleitung können jeweils als ein sogenanntes Masseband ausgebildet sein. Aus den besagten wiederholten Messungen der Spannung zwischen den Hochvoltkomponenten wird zumindest ein dritter Deltawert ermittelt. Anhand der Deltawerte wird ein jeweiliger effektiver Ersatzwert eines elektrischen Widerstands für die erste Masseleitung und die zweite Masseleitung ermittelt, der im Folgenden „Ersatzwiderstand” genannt ist. Unter Ersatzwiderstand ist zu verstehen, dass nicht ausschließlich der elektrische Widerstand der Masseleitung, sondern ein mit dem Widerstand der Masseleitung korrelierter Wert gebildet wird, der auch den elektrischen Widerstand der parallel zur Masseleitung geschalteten Schirmungsleitungen umfasst. Zum Schützen der Schirmungsleitung wird der erste Strom und/oder der zweite Strom jeweils begrenzt, falls der jeweilige effektive Ersatzwiderstand der jeweiligen Masseleitung, über welche der jeweilige Strom fließt, jeweils größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
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Die primäre Idee ist somit die Messung der Potentialdifferenz zwischen den beiden Hochvoltkomponenten, deren Masseleitungen überwacht werden. Es müssen nicht die Spannung und der Strom je Masseleitung gemessen werden, um deren Widerstand zu überwachen. Der Strom im Leitungsschirm, der begrenzt werden muss, kann (in Serie) ohnehin nicht gemessen werden; daher wird der Schirm geschützt durch die Überwachung der Masseleitungen.
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Durch die Erfindung ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass Offsets der Messeingänge, die besonders bei kleinen Werten einen starken Einfluss haben können, keine Auswirkung mehr haben. Ein zweiter Vorteil ist, dass auch bekannte Änderungen von Teilströmen genutzt werden können, also nicht jeweils der absolute Gesamtwert des ersten Stromes und/oder des zweiten Stromes nötig ist, sondern bei Einschalten eines Teilstroms dessen Wert als Deltawert verwendet werden kann. Dies gilt vor allem an der sogenannten Motormasseleitung, welche einen Motorblock des Kraftfahrzeugs mit dem Massepotenzial verbindet, da hier der Gesamtstrom in der Regel nicht bekannt ist.
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Die Erfindung umfasst optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung werden die Ersatzwiderstände durch ein Kalmanfilter geschätzt, welches die Deltawerte empfängt und die beiden Ersatzwiderstände in einem Update-Schritt ermittelt. Hierdurch ist eine Onboard-Ermittlung der Ersatzwiderstände beispielsweise während einer Fahrt möglich, da der Einfluss von Störungen durch die Nutzung des Kalmanfilters reduziert werden kann. Bei Ermittlung der Ersatzwiderstände im Prüfbetrieb, beispielsweise unmittelbar nach der Herstellung des Kraftfahrzeugs oder in einer Werkstatt, können Stromänderungen des ersten Stromes und des zweiten Stromes jeweils auch unabhängig voneinander und gezielt angeregt werden, sodass die Ersatzwiderstände auch einzeln und direkt berechnet werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass zur Reduzierung von Messstörungen zu der Spannung und dem ersten Strom und dem zweiten Strom jeweils eine Zeitreihe aus mehreren Deltawerten ermittelt wird. Zum Ermitteln der Ersatzwiderstände wird nur dann ein Deltawert aus der Zeitreihe verwendet, falls ein Unterschied zwischen dem Deltawert und zumindest einem zeitlich vorangegangenen Deltawert derselben Zeitreihe kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert ist. Mit anderen Worten muss sich die Messgröße (Spannung, erster Strom, zweiter Strom) jeweils in einem eingeschwungenen Zustand befinden, bevor ein Deltawert der Messgröße verwendet wird. Zu beachten ist hierbei, dass der Deltawert aus einem Messwert der Vergangenheit und einem aktuellen Messwert ermittelt wird, wobei der Messwert aus der Vergangenheit einen Bezugswert bildet, bezüglich dessen mehrere der Deltawerte der Zeitreihe ermittelt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird als erster Strom ein über einen Motorblock fließender Strom gemessen. Der Motorblock weist hierbei eine elektrische Maschine als erste Hochvoltkomponente auf. Zusätzlich oder alternativ dazu ist vorgesehen, dass als zweiter Strom ein über einen DC-DC-Wandler als zweite Hochvoltkomponente und dem Massepotenzial fließender Strom gemessen wird. Eine andere Bezeichnung für DC-DC-Wandler ist Gleichspannungswandler. Der DC-DC-Wandler koppelt hierbei beispielsweise das Hochvoltbordnetz, an dem die Hochvoltkomponenten angeschlossen sind, mit einem Niedervoltbordnetz. Unter Hochvoltspannung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung verstanden, die größer als 60 V ist. Unter Niedervoltspannung wird im Zusammenhang der Erfindung eine elektrische Spannung verstanden, die kleiner als 60 V ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Niedervoltbordnetz um ein 12 V-Bordnetz oder ein 48 V-Bordnetz. Für die Erfindung spielen die konkreten Spannungslagen aber keine Rolle.
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Eine in diesem Zusammenhang bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Strommessung des zweiten Stromes durch den DC-DC-Wandler durchgeführt wird. Dieser überwacht den von ihm übertragenen Strom ohnehin, sodass seine Sensorik in vorteilhafter Weise auch für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden kann. Bei einer kombinierten Ausführungsform wird anstelle des Spannungsabfalls über den Masseleitungen des DC-DC-Wandlers und des Motorblocks stattdessen die Potenzialverschiebung zwischen dem DC-DC-Wandler und dem Motorblock gemessen, was dann die beschriebene Spannung ergibt. Die ebenfalls ermittelten Deltawerte beschreiben die Änderung der Spannung, sowie eine Änderung des DC-DC-Massestroms und des Massestroms über die Motormasseleitung, um daraus die resultierenden Widerstände der beiden Masseleitungen zu ermitteln. Gerade in diesem Anwendungsfall kann der Ersatzwiderstand der Masseleitungen mit einer höheren Güte überwacht werden. Mit den ermittelten Ersatzwiderständen kann dann ein Niedervolt-Strom einer Stromquelle oder einer Stromsenke so begrenzt werden, dass die Schirmungsleitung für die Hochvoltleitungen keinen Schaden nimmt und dennoch das Kraftfahrzeug mit geringstmöglichen Einschränkungen im Betriebsverhalten weiter betrieben werden kann.
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Im Zusammenhang mit der Messung des ersten Stromes sieht eine Weiterbildung vor, dass an der ersten Hochvoltkomponente die Strommessungen nur für einen Teil der Niedervolt-Verbraucher durchgeführt werden wie zum Beispiel für eine Ölpumpe und/oder für einen elektrischen Starter.
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Im Zusammenhang mit der Begrenzung des zweiten Stroms sieht eine Weiterbildung vor, dass der zweite Strom jeweils graduell gemäß einer Kennlinie in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ersatzwiderstand begrenzt wird, falls der jeweilige Ersatzwiderstand größer als der jeweils vorbestimmte Schwellwert ist. Mit anderen Worten wird bei Überschreiten des Schwellwerts der zweite Strom nicht schlagartig unterbrochen, sondern der Wert des Stromes wird graduell reduziert, je nach Betrag des Ersatzwiderstands. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kraftfahrzeug weiter genutzt werden kann, solange der Ersatzwiderstand keinen kritischen elektrischen Widerstand der jeweiligen Masseleitung anzeigt oder signalisiert.
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Zu der Erfindung gehört in der besagten Weise auch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Das Bordnetz weist eine erste Hochvoltkomponente und mindestens eine zweite Hochvoltkomponente auf, wobei jeweilige Gehäuse der Hochvoltkomponenten durch eine Schirmungsleitung verbunden sind. Bei der Schirmungsleitung handelt es sich insbesondere um eine elektrische Schirmung, welche Hochvolt-Leitungen zum Übertragen von Hochvoltspannung zwischen den beiden Hochvoltkomponenten umgibt. Das erfindungsgemäße Bordnetz weist eine Überwachungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage eines Steuergeräts realisiert sein. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise zum Durchführen des Verfahrens einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes;
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2 das Bordnetz von 1, wobei Masseleitungen veranschaulicht sind;
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3 ein Ersatzschaltbild, welches sich durch die Masseleitungen und eine Schirmungsleitung zwischen Hochvoltkomponenten ergibt;
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4 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf zu einer Abhängigkeit eines Ersatzwiderstands für einen Widerstand einer der Masseleitungen in Abhängigkeit vom tatsächlichen Widerstand der Masseleitung;
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5 ein Diagramm mit einer Zeitreihe von Messwerten einer über der Schirmungsleitung abfallenden Spannung;
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6, 7 einen zeitlicher Verlauf von geschätzten Ersatzwiderständen für elektrische Widerstände der Masseleitungen; und
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8 ein Diagramm mit einer Kennlinie, welches zur Strombegrenzung gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt wird.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen handeln kann. Es könnte auch ein Schiff, ein U-Boot, ein Luft- oder Raumfahrzeug, eine Lokomotive oder ein Roboter sein, oder allgemein eine technische Einrichtung (auch stationär), in der an eine über eine Masseverbindung mit Masse verbundene massestromerzeugende Komponente eine schwächere Masseverbindung (meist eine Abschirmung einer Leitung, egal ob Signalleitung und Hochvolt-Leitung) angeschlossen ist. Dargestellt ist ein Bordnetz 2 mit einem Massenpotenzial 3, einer Niedervoltleitung 4, Hochvoltkomponenten 5, 6, 7 und einer Niedervoltbatterie 8. Die Hochvoltkomponenten 5, 6, 7 sind über Hochvoltleitungen miteinander verbunden, wobei die Hochvoltleitungen jeweils von einer Schirmungsleitung 9, 10 umgeben und hierdurch abgeschirmt sind. Die Schirmungsleitungen 9, 10 sind beispielsweise mit elektrisch leitfähigen Gehäusen der Hochvoltkomponenten 5, 6, 7 elektrisch verbunden. Des Weiteren weisen die Hochvoltkomponenten 5, 6, 7 auch Niedervolteingänge auf, über welche sie mit der Niedervolt-Leitung 4 elektrisch verbunden sind. Die Hochvoltspannung in den Hochvoltleitungen kann beispielsweise größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V sein. Die Niedervoltspannung zwischen der Niedervoltleitung 4 und dem Massepotenzial 3 ist kleiner als 60 V, beispielsweise kleiner als 20 V. Insbesondere handelt es sich bei der Niedervolt-Leitung 4 um eine 12 V-Leitung oder eine 24 V-Leitung. Die Leitung 4 kann auch mehrere Spannungsebenen umfassen wie z. B. in einem Bordnetz mit 12 V und 48 V (Ist hier nicht dargestellt). Das Massepotenzial 3 kann beispielsweise eine Karosserie des Kraftfahrzeugs umfassen. Die Spannungsangaben sind nur beispielhaft und nicht als beschränkende Angaben zu verstehen.
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Bei der Hochvoltkomponente 5 kann es sich beispielsweise um einen Motorblock mit einer elektrischen Maschine als Hochvoltkomponente handeln. Der Motorblock 5 kann auch eine Verbrennungskraftmaschine umfassen, welche durch einen elektrischen Starter oder Anlasser gestartet werden kann. Die Hochvoltkomponente 6 kann beispielsweise ein DC-DC-Wandler sein, über welchen die Hochvoltleitungen mit der Niedervolt-Leitung 4 gekoppelt sind. Die Hochvoltkomponente 7 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie sein, deren Batteriemanagement beispielsweise mit der Niedervolt-Leitung 4 elektrisch verbunden sein kann.
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Die Hochvoltkomponenten 5, 6, 7 sind jeweils über eine Masseleitung 11, 12, 13 ebenfalls mit dem Massepotenzial 3 elektrisch verbunden. Hierdurch teilt sich beispielsweise ein elektrischer Strom IMot aus der Niedervolt-Leitung 4 in den Motorblock der Hochvoltkomponente 5 auf in einen Massestrom IMasse über die Masseleitung 11 und einen Schirmstrom (Schirm über die Schirmungsleitung 9 zwischen den Hochvoltkomponenten 5, 6. Genauso teilt sich ein Strom ILVDC aus der Niedervoltleitung 4 in den DC-DC-Wandler der Hochvoltkomponente 6 in einen Massenstrom 14 durch die Masseleitung 12 des DC-DC-Wandlers 6 und zwei Schirmströme 15 über die Schirmungsleitungen 9, 10 auf. Der Strom IMot stellt somit einen ersten Strom und der Strom ILVCD einen zweiten Strom im Sinne der Erfindung dar.
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2 zeigt noch einmal das Bordnetz 2, wobei zur Vereinfachung die Hochvoltkomponente 7 nicht mehr dargestellt ist. Stattdessen sind die übrigen durch die Niedervolt-Leitung 4 versorgten elektrischen Verbrauchter als Restbordnetz 16 dargestellt. Des Weiteren sind die Masseleitungen 11, 12 konkret als Massebänder 17, 18 dargestellt. Die Massebänder 17, 18 sind hier aber nur beispielhaft und repräsentieren eine beliebige Masseleitung oder Potentialausgleichsleitung. Eine weitere Masseleitung 19 verbindet die Niedervolt-Batterie 8 mit dem Massepotenzial 3. Zwischen den Hochvoltkomponenten 5, 6 fällt eine elektrische Spannung U ab, die somit über der Schirmungsleitung 9 anliegt. Die Spannung U kann als gemessene Sensespannung USense beispielsweise von dem DC-DC-Wandler an einem Sense-Eingang gemessen werden. Die Sensespannung USense stellt somit die über der Schirmungsleitung 9 abfallende Spannung dar.
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Die Masseleitungen 11, 12 weisen jeweils für sich einen elektrischen Widerstand auf, der für das Masseband 17 als RMBMot und für das Masseband 18 als RMBDC bezeichnet ist.
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3 veranschaulicht, dass der jeweilige Widerstand auf der Grundlage einer Gesamtstrommessung nicht direkt gemessen werden kann. 3 veranschaulicht dies am Beispiel des Motorstroms IMot aus der Niedervolt-Leitung 4 in den Motorblock der Hochvoltkomponente 5. Der Strom IMot teilt sich auf in den Schirmstrom ISchirm durch den Widerstand RSchirm der Schirmungsleitung 9 und den Massestrom IMasse durch das Masseband 17 mit dem Widerstand RMBMot. 4 veranschaulicht, wie bei einem tatsächlichen Widerstandswert für das Masseband 17 ein Ersatzwiderstand 20 resultiert, die hier als Ersatzwiderstand RErsatz resultiert. Der Ersatzwiderstand 20 ist hier unter der Annahme berechnet, dass der Schirmwiderstand RSchirm 2 mΩ beträgt.
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Die Diagnose der Massebänder 17 am Motor und DC-DC-Wandler 18 ist notwendig, um zu verhindern, dass bei einem erhöhten Widerstand der Strom ISchirm über die parallel zu den Massebändern liegenden HV-Schirme, d. h. die Schirmleitung 9, unerlaubt hohe Werte annimmt, die langfristig den Schirmleitungen 9 und HV-Steckern schaden können. Im Folgenden werden Lösungsansätze für diese Diagnose und die Reaktionen auf erkannte Fehler beschrieben.
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Die Parallelschaltung der Masse- und Potentialausgleichsbänder von Motor und HV-Komponenten zu den Abschirmungen der HV-Leitungen führt zu der in 1 und 3 veranschaulichten Aufteilung der Masseströme von DC-DC-Wandler und Motorblock. Die „parasitären” Ströme über die HV-Schirmleitung 9 können im Neuzustand des Fahrzeugs schon bei 10A liegen.
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Die schematische Darstellung und Simulationen der ganzen Masseverkabelung des Fahrzeugs zeigen, dass die Widerstände RMBMot, RMBDC der Massebänder 17, 18 nicht direkt gemessen werden können, sondern immer nur ein Ersatzwiderstand 20 durch die Parallelschaltung von Massebänden mit den HV-Schirmen, wie dies in 3 und 4 veranschaulicht ist.
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Die Potentialdifferenz oder Sensespannung USense zwischen dem DC-DC-Wandler und dem Motorblock wird hier beispielsweise über einen Sense-Eingang am DC-DC-Wandler gemessen.
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Typische Widerstandswerte sind 0.3–0,6 mΩ für das Masseband 18 am DC-DC-Wandler je nach Fahrzeug, beziehungsweise 0,3 mΩ für das Masseband 17 am Motorblock. Durch die niedrigen Widerstände der Massebänder liegt die als Sensespannung USense gemessene Potentialdifferenz bei Werten kleiner als 60 mV.
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Da der Offset des Spannungssensors im Verhältnis zu den Messwerten einen gravierenden Anteil hat, soll die Bestimmung der Massebandwiderstände auf einem differentiellen Verfahren aufbauen. Dadurch kann der Sensoroffset herausgerechnet werden. Des Weiteren sollen mit drei Deltawerten ΔUSense, ΔILVCD, ΔIMot beide Massebänder 17, 18 getrennt diagnostiziert werden können. Hier und im Folgenden zeigt das Symbol Δ einen Deltawert der jeweils angegebenen Größe an, also einen Differenzwert aus zwei zeitlich nacheinander ermittelten Messwerten. Die zwei Messungen sind im Folgenden durch Indizes 1 und 2 unterschieden.
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Die Diagnose wird auf der Grundlage der folgenden Deltarechnung ermöglicht: Usense1 + UOffset = (IMot1 + IMotunbekannt)·RMBMot – ILVDC1·RMBDC (1) Usense2 + UOffset = (IMot2 + IMotunbekannt)·RMBMot – ILVDC2·RMBDC (2) Usense1 – Usense2 = (IMot1 – IMot2)·RMBMot – (ILVDC1 – ILVDC2)·RMBDC (3) ΔUsense = ΔIMot·RMBMot – ΔILVDC·RMBDC (4)
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Durch die Berechnung der Differenzen fallen die konstanten und unbekannten Anteile der Messwerte heraus. Weiterhin sieht man an der unteren Gleichung (4), dass die beiden Widerstände getrennt berechnet werden können, wenn der jeweils andere Strom konstant gehalten wird. Es sind also pro Update-Schritt nur zwei der Deltawerte nötig.
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Somit können die folgenden Messwerte ermittelt werden. Die Potentialdifferenz (Sensespannung USense) wird am DC-DC-Wandler gemessen mit einer Auflösung von 1 mV und einem unbekannten Offset +–10mV. Der Niedervolt-Strom des DC-DC-Wandlers (ILVCD) wird vom DC-DC-Wandler selbst erfasst und ausgegeben mit einer Auflösung von 1 A. Durch die Spannungsvorgabe am DC-DC-Wandler wird sichergestellt, dass er – solange er nicht in der Begrenzung ist, die notwendigen Niedervolt-Ströme liefert und sie nicht aus der Niedervolt-Batterie genommen werden. Der Motorstrom IMot ist die Summe der Niedervolt-Ströme am Motorblock wie Starter, Generator, Motorsteuergerät, Zündanlage (bei einem Ottomotor), Getriebesteuergerät, Zusatzölpumpe iZÖP.
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Nur bei einem Teil der Ströme am Motorblock wird der aktuelle Wert in den Steuergeräten ermittelt (Generator, iZÖP, max. Anlasserstrom). Die anderen Werte können – nach Messungen zumindest kurzfristig – als relativ konstant betrachtet werden.
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Der maximale Starterstrom kann mit einer Auflösung von 1 A ermittelt werden. Der Wert wird z. B. heutzutage im intelligenten Batteriesensor ermittelt und nach dem Start wieder resettiert oder zurückgesetzt. Die maximale Potentialdifferenz wird beim Start mit einer Auflösung 1 mV ermittelt.
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Eine Onboard-Diagnose kann somit wie folgt realisiert werden. Die Diagnosefunktion für die Masseleitungen 11, 12 kann als Softwarekomponenten in einem Steuergerät SG implementiert werden, das somit eine Überwachungseinrichtung im Sinne der Erfindung darstellt. Der prinzipielle Ablauf unterscheidet sich je nachdem, ob ein 12 Volt-Starter genutzt wird oder nicht. Die beiden Vorgehensweisen werden in einem ersten Ansatz unabhängig voneinander im Folgenden beschrieben. Im Folgenden sind gelegentlich anstelle der Indexbenennungen die jeweiligen Indizes durch einen „_” getrennt, um eine zu kleine Schriftgröße zu vermeiden.
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Die drei notwendigen Messwerte Potentialdifferenz zwischen dem Motorblock und dem DC-DC-Wandler (Sensespannung, Usense), der Niedervolt-Strom des DC-DC-Wandlers (ILVCD) und Strom der iZÖP (IZoep), der als Motorstrom IMot ermittelt werden kann. Diese Messwerte müssen der Diagnosefunktion bekannt sein. Für die Widerstandsermittlung mit Hilfe des Startvorgangs kommen die genannten Werte maximaler Starterstrom und maximale Potentialdifferenz dazu.
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Die Widerstandsermittlung, d. h. das Ermitteln der Ersatzwiderstände für den Widerstand RMBMot und RMBDC, wird vorteilsbringend mittels eines Extended Kalmanfilters (EKF) durchgeführt.
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Die Grundidee für den Einsatz eines Kalmanfilters ist die Beobachtung von Zuständen eines Systems, die nicht direkt messbar sind. Mit Hilfe der Systemgleichungen (z. B. Bewegungsgleichungen) wird eine Vorhersage von (inneren und äußeren) Zuständen eines dynamischen Systems ausgehend von den alten Zuständen und aktuellen Parametern gemacht. Der anschließende Vergleich der Vorhersage mit den Messdaten (= von außen messbare Zustände) wird zu einer Korrektur der zu beobachtenden Parameter genutzt.
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Die dabei angewendete statistische Methode erlaubt das Arbeiten mit Modellungenauigkeiten beziehungsweise Modellvereinfachungen sowie verrauschten Messdaten. Sie werden als Varianzen mitberücksichtigt.
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Durch eine Implementierung als rekursives Verfahren ist eine relativ einfache Onboard-Realisierung möglich.
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In Anwendung auf die beschriebene Masseband-Diagnose ergibt sich somit Folgendes. In der obigen Grundgleichung (4) (ΔUsense = ΔIMot·RMBMot – ΔILVDC·RMBDC) sind drei Messwerte und zwei Parameter. Die Spannung Usense und der Strom ILVDC werden aus dem DC-DC-Wandler an die Diagnosefunktion übertragen. Der Motorstrom IMot ist nicht bekannt. Solange sich der Motorstatus nicht ändert, kann zumindest der Stromverbrauch durch Motor- und Getriebesteuergerät als relativ konstant angenommen werden. Damit bleiben die kurzfristigen Änderungen von ΔIMot hauptsächlich beeinflusst durch die iZÖP und einen eventuell vorhandenen Generator. Unter der Randbedingung, dass der Generator nicht aktiv ist, gilt daher ΔIMot ≅ ΔIZoep.
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Die beiden Parameter RMBMot und RMBDC werden durch den EKF gleichzeitig geschätzt. Der EKF verändert sie so, dass die obige Gleichung mit möglichst kleinem Fehler erfüllt wird.
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Die beiden Parameter werden wie folgt bestimmt: Für einen gültigen Schätzschritt werden Änderungen der Messwerte ΔUsense, ΔIZoep, ΔILVDC gesucht, die für eine parametrierbare Mindestzeit anliegen, um Phasenversatz durch unterschiedliche Datenfilterung zu minimieren.
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Prüfbare Randbedingungen sind dabei zum Beispiel kein Generatorstrom und kein Wechsel zwischen Verbrennungsmotor VM steht und VM aktiv. Zusätzlich wird die Deltaerkennung neu gestartet, wenn nach der Erkennung eines Deltas zu lange auf stationäre Werte gewartet werden muss. Damit soll verhindert werden, dass sich sonstige Randbedingungen zu stark ändern, die die Werte verfälschen würden.
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Für die Delta-Erkennung der Deltawerte muss eine der drei Größen Usense, I_zoep oder I_LVDC sich um einen parametrierbaren Mindestwert ändern. Nach der Delta-Erkennung wird auf einen stabilen Arbeitspunkt gewartet, alle drei Deltawerte müssen für eine parametrierbare Zeit innerhalb eines kleinen Arbeitsfensters liegen.
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Dann kann ein Rechenschritt des EKF erfolgen: Die beiden Schätzparameter R
MBMot und R
MBDC werden in dem Schätzvektor T zusammengefasst
Die beiden Strommesswerte sind in dem Messvektor H zusammengefasst (H = [ΔI
Mot – ΔI
LVDC]). Mit diesen beiden Werten kann die erwartete Sensespannungsdifferenz berechnet ΔU
est = H·T werden, siehe unten Gleichung (3). Aus der Abweichung zum Messwert DU
Sense und der Kalmanverstärkung K, die vom Messvektor H und der Kovarianz P abhängig ist, wird der neue Parametervektor T berechnet. Mit jedem Parameterschätzschritt wird auch das Konfidenzband der Schätzung berechnet. Nach der SG-Initialisierung kann das Konfidenzband mit gespeicherten EEPROM- Werten initialisiert werden, damit sofort ein gültiger Wert am Ausgang anliegt.
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Damit folgt der EKF den folgenden Matrixgleichungen:
TP = Tact Schätzparameter T (1) Pp = Pact + Q Die Kovarianzmatrix Q ist das Prozessrauschen (2) K = Pp·HT·inv(H·Pp·HT + R) (3) Tact = Tp + K·(ΔUsense – H·Tp) (4) Pact = Pp – K·H·Pp) (5) -
Bemerkung zu (3): Die Matrixinversion wird aufgrund der vorgegebenen Parameteranzahl zu einer einfachen Division, da H·Pp·HT eine 1×1-Matrix ist.
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Für die Schätzung gilt weiterhin, dass die geschätzten Parameter normalverteilt sind:
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Beim Start des Verbrennungsmotors fließen kurzzeitig sehr hohe Ströme durch den Starter und werden über die Motormassebänder
17,
18 abgeleitet. Dies führt auch zu einer entsprechenden Potentialdifferenz. In
5 ist eine beispielhafte Zeitreihe
21 der Sensespannung U
Sense veranschaulicht. Das Signal DCDC1_GndStrapVolt hat hier ca. 240 mV. Im DC-DC-Wandler wird beim Starten die zugehörende maximale Sensespannung DCDC1_GndStrapVoltMax berechnet und an das Steuergerät für die Diagnosefunktion übertragen. Der maximale Starterstrom IBS_Bat_Curr_Max liegt in dieser Messung bei ca. 850 A. Die beiden Signale können genutzt werden, um den Ersatzwiderstand
20 des Motormassebandes
17 zu berechnen. In erster Näherung wird der Strom über das Motormasseband
17 vor Start des Verbrennungsmotors vernachlässigt; der daraus resultierende Fehler ist kleiner 2,5% und kann damit toleriert werden. Es ergibt sich:
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Damit das restliche Niedervolt-System stabil bleibt, wird der Starterkreis (incl. Starterbatterie) während des Starts vom Rest des Systems getrennt und die Spannung über eine kleine Stützbatterie konstant gehalten. Nach dem Start werden die beiden Systemteile wieder zusammengeschaltet. Dies ist in
5 als das Ereignis CON (Connect) markiert. Dabei liefert der DC-DC-Wandler einen relativ hohen Strom, um die Starterbatterie wieder nachzuladen (in
5 sind es ca. 188 A Änderung). Parallel dazu sieht man in der Messung die Änderung der Sensespannung (Signal DCDC1_GndStrapVolt). Der geänderte Strom DCDC1_PNLV_OutCurr fließt über das Masseband
18 des DC-DC-Wandlers in das fahrzeugseitige 12-Volt-Bordnetz, sodass damit dessen Widerstand berechnet werden kann:
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Das Ergebnis der Diagnose sind die zwei Widerstandswerte RMBMot und RMBDC.
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Bei der weiteren im Sinne der Erfindung vorgenommenen Berechnung der Ersatzwiderstände aus Strom- und Spannungsänderungen im laufenden Betrieb ist in 6 und 7 jeweils für mehrere Iterationen k der durch das EKF geschätzte Ersatzwiderstand 20, 21 angegeben (6: Ersatzwiderstand 20 für RMBMot und 7: Ersatzwiderstand 22 für RMBDC). Zusätzlich sind Konfidenzwerte 23 des EKF veranschaulicht. Die beiden Ersatzwiderstände 20, 22 sind nicht die direkten Werte der Massebänder 17, 18, sondern der messbare Ersatzwiderstand 20, 22 aus Masseband, dazu parallelen HV-Schirmen und Anteilen der Karosse. Aus Simulationen und absichernden Messungen werden die oberen Grenzwerte festgelegt, bei denen die HV-Schirme noch nicht überlastet werden. Für vorbestimmbare Werte der beiden Ersatzwiderstände für die Widerstände RMBMot und RMBDC kann somit eine Diagnoseanforderung ausgelöst werden.
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Es kann also ein Fehlersignal gesetzt werden, wobei Entprellzeiten beachtet werden sollten. Es können zwei Fehlermeldungen vorgesehen werden, getrennt nach Motormasseband 17 und DCDC-Masseband 18. Die Fehler sollen gesetzt werden, wenn der jeweilige Widerstand sicher den parametrierbaren Grenzwert überschritten hat.
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Für diesen Fall kann auch ein eingeschränkter Betrieb im Fehlerfall des DC-DC-Massebandes 18 vorgesehen sein. Über ein Kennfeld soll ein maximaler Strom des DC-DC-Wandlers so festgelegt werden, dass die HV-Schirme nicht überlastet werden und das Fahrzeug trotzdem noch weiterfahren kann. Hierzu ist in 8 beispielhaft veranschaulicht, wie durch eine Kennlinie 24 der Niedervolt-Wandlerstrom ein Bereich 24 ohne Einschränkung definiert werden kann, falls der Ersatzwiderstand 22 für den Widerstand RMBDC kleiner als 0,9 mΩ ist. Die Kennlinie 24 kann einen maximal zulässigen Stromwert in Ampere A angeben. Der Wert kann an ein Energiemanagementsystem des Kraftfahrzeugs 1 ausgegeben werden.
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Im Fehlerfall Motormasseband 17 kann der eingeschränkte Betrieb wie folgt vorgesehen werden. Bei Fehler am Motormasseband 17 kann nur bedingt eine Reduzierung der Ströme am Motormasseband 17 vorgenommen werden. Verbraucher, die für den verbrennungsmotorischen Betrieb oder für die Abgasreinigung notwendig sind, wie Glühkerzen oder elektrischer Katalysator dürfen nicht getrennt abgeschaltet werden. Die Auswirkung wäre ein unzulässiger OBD-Einfluss (OBD – Onboard-Diagnose) durch die Massebanddiagnose. Wenn das Masseband 17 so hochohmig ist, dass diese Verbraucher nicht mehr betrieben werden können, darf der Verbrennungsmotor insgesamt nicht mehr betrieben werden. Daher ist hier bevorzugt eine mehrstufige Abschaltstrategie vorzusehen, die zunächst den 12 V-Starter betrifft, aber unter Umständen bis hin zum Verbot eines Verbrennerlaufes führen kann. Rechtzeitig vor solchen gravierenden Maßnahmen kann durch entsprechende Fehlermeldungen auf die Probleme hingewiesen werden.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Überwachung und eine Diagnose stromtragender Masseleitungen in einem Hybridfahrzeug bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Bordnetz
- 3
- Massepotential
- 4
- Niedervolt-Leitung
- 5, 6, 7
- Hochvoltkomponente
- 8
- Niedervolt-Batterie
- 9, 10
- Schirmungsleitung
- 11, 12, 13
- Masseleitung
- 14
- Massestrom
- 15
- Schirmstrom
- 16
- Restbordnetz
- 17, 18
- Masseband
- 19
- Masseleitung
- 20
- Ersatzwiderstand
- 21
- Zeitreihe
- 22
- Ersatzwiderstand
- 23
- Konfidenzwert
- 24
- Kennlinie
- 25
- Bereich ohne Einschränkung
- 26
- Schwellwert
- IMot, ILVCD
- Strom
- RMBMot, RMBDC
- Widerstand
- SG
- Steuergerät
- USense
- Spannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014004233 A1 [0004]
