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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs und ein Kraftfahrzeugsystem für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Hybridelektrokraftfahrzeug.
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In elektrischen Netzen in Kraftfahrzeugen mit einer Nennspannung, die größer als 60 V ist, wird oftmals eine Interlock- oder Pilotleitung eingesetzt, um ein Abschalten der Spannung bei einem Öffnen des Systems zu erreichen. Diese Interlock-Leitung wird als Signalschleife ausgeführt. Die Generierung des Abschaltsignals erfolgt in der Regel in einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Batterie. Das Abschaltsignal wird an alle Stecker des elektrischen Netzes und alle mit dem Netz verbundenen Komponenten geführt.
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Dabei wird das Kraftfahrzeugsystem so ausgeführt, dass bei einem Öffnen einer Steckverbindung oder einer Abdeckung zwangsläufig die Interlock-Signalschleife unterbrochen wird, so dass eine Berührung mit aktiven spannungsführenden Teilen verhindert wird. Zudem umfasst das Kraftfahrzeug einen Kommunikationsbus zum Senden und Empfangen von Steuersignalen an elektrische Komponenten des Kraftfahrzeugsystems. Kommt es zu einer Unterbrechung oder Störung des Kommunikationsbusses wird in den heutigen Systemen das Hochspannungsnetz ebenfalls deaktiviert.
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Die Druckschrift
US 2009/0073624 A1 betrifft ein Hochspannungsinterlock mit einem Überwachungssystem.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfügbarkeit des Kraftfahrzeugs bei einer Störung auf einem Kommunikationsbus zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst, mit den Schritten eines Erfassens einer Störung auf einem Kommunikationsbus zum Senden und Empfangen von Steuersignalen an elektrische Komponenten eines Kraftfahrzeugsystems, die an einem Hochspannungsnetz (107) angeschlossen sind; und eines Übermitteln der Steuersignale auf einer Signalschleife an die Komponenten, die zum Abschalten des Hochspannungsnetzes dient, bei erfasster Störung auf dem Kommunikationsbus. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass bei einer Störung eines regulären Kommunikationsbusses auf einen anderen Übertragungsweg ausgewichen werden kann. Da auch bei einer Störung des Kommunikationsbusses die Steuersignale an die Komponenten übermittelt werden können, kann in diesem Fall die Verfügbarkeit und Betriebsbereitschaft des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Sendens von Stromgrenzen eines Energiespeichers an einen Inverter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Leistungsregelung auf Basis der Stromgrenzen durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Legens der Signalschleife auf ein Massepotential durch den Inverter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Kommunikationssignal auf einfache Weise erzeugt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Erfassens des Potentials der Signalschleife in dem Energiespeicher. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Energiespeicher anhand des erfassten Potentials zu- oder abgeschaltet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Freigebens des Massepotentials durch den Inverter im Falle eines Startbefehls. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Steuersignal auf einfache Weise übertragen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Schaltens des Hochspannungsnetzes auf eine Betriebsspannung bei freigegebenem Massepotential auf der Signalschleife. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Energiespeicher bei einem Startwunsch des Benutzers zugeschaltet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist der Kommunikationsbus ein CAN-Bus. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Steuerdaten effizient übertragen werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Steuersignale auf der Signalschleife auf Basis eines LIN-Protokolls oder eines SENT-Protokolls gesendet.
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Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Steuerdaten mit einer angepassten Geschwindigkeit durch die Signalschleife übertragen werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines Durchführens einer Zwischenkreisentladung durch den Inverter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Zwischenkreis spannungsfrei geschaltet werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug zum Durchführen des Verfahrens nach dem ersten Aspekt gelöst. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt gelöst.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugsystems mit einer Interlock-Leitung; und
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2 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugsystems 100 mit einer elektrischen Eindraht-Interlock-Leitung als Signalschleife 105. Das Kraftfahrzeugsystem 100 kann in einem Elektrokraftfahrzeug oder einem Hybridelektrokraftfahrzeug verwendet werden, das einen Elektromotor und zusätzlich einen Verbrennungsmotor umfasst.
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Das Kraftfahrzeugsystem 100 umfasst einen Kommunikationsbus 101, über den die elektrischen Komponenten 103, 109 und 111 eines Hochspannungsnetzes (HV-Netzes) 107 miteinander verbunden sind. Dazu ist der Kommunikationsbus 101 mit Steckern 121 elektrisch mit jeder der elektrischen Komponenten 103, 109 und 111 verbunden. Das Hochspannungsnetz 107 ist ebenfalls über Stecker 121 mit den elektrischen Komponenten 103, 109 und 111 verbunden.
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Der Kommunikationsbus 101 übermittelt Steuersignale an die verbundenen elektrischen Komponenten, wie beispielsweise an die Verbraucher 103 und den Inverter 111. Der Kommunikationsbus 101 ist beispielsweise ein CAN-Bus (CAN – Controller Area Network) als ein serielles Bussystem. Der Inverter 111 dient zum Umrichten der Gleichspannung aus dem Hochspannungsnetz 107 in eine Wechselspannung oder Drehspannung für den Elektroantrieb 113. Der Elektroantrieb 113 umfasst eine elektrische Maschine, die das Kraftfahrzeug fortbewegt.
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Über den Kommunikationsbus 101 können die möglichen Energieflüsse zwischen den Komponenten 103, 109 und 111 geregelt werden. Beispielsweise teilt ein Energiespeicher 109 dem Inverter 111 des Elektroantriebs 113 mit, welche Entlade- und Ladeströme momentan in dem Energiespeicher 109 möglich sind. Diese Informationen werden zur Momentenregelung des Elektroantriebs 113 verwendet, um ein Abschalten des Energiespeichers 109 aufgrund einer Spannungs- oder Strombegrenzungsüberschreitung zu vermeiden.
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Der elektrische Energiespeicher 109 stellt elektrische Energie für die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs bereit. Der elektrische Energiespeicher 109 ist beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, in dem elektrische Energie auf elektrochemischem Wege gespeichert wird. Der Energiespeicher 109 ist beispielsweise durch eine Zusammenschaltung elektrochemischer Zellen gebildet, um eine Hochspannung von größer 60 V typischerweise 200 V bis 525 V in dem Hochspannungsnetz 107 bereitstellen zu können. Der Energiespeicher 109 kann beispielsweise durch eine Lithium-Ionen-Batterie gebildet sein.
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Das Kraftfahrzeugsystem 100 umfasst die Signalschleife 105 (Interlock-Schleife), die zum Abschalten des Hochspannungsnetzes 107 dient. Die Signalschleife 105 ist beispielsweise eine Eindraht-Kommunikationsschleife, die durch die elektrischen Komponenten 103 und 111 über die Stecker 121 durchgeschleift wird. Wenn einer der Stecker 121 abgezogen wird, wird die Signalschleife 105 unterbrochen.
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Bei Unterbrechungen der Signalschleife 105 schaltet jede Komponente das Einspeisen von Energie in das Netz ab und führt gegebenenfalls eine Entladung des Hochspannungsnetzes 107 aus. Dadurch entsteht ein Schutz vor elektrischen Stromschlägen bei einer Berührung der Leitungen. Durch die Auswerteschaltung 115 des Energiespeichers 109 wird eine ausreichend schnelle Detektion einer Signalunterbrechung in der Signalschleife 105 bei Abziehen eines Steckers 121 gewährleistet.
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Die Zeit zwischen einer Unterbrechung der Signalschleife 105 und einer Abschaltung des durch die Signalschleife 105 geschützten Hochspannungsnetzes 107 liegt unter einer Sekunde. Die Signalschleife 105 dient dem Schutz vor Kontakt mit spannungsführenden Teilen. Eine Auswertung des Signals der Signalschleife 105 kann grundsätzlich in allen Komponenten erfolgen, die Energie in das Hochspannungsnetz 107 einspeisen können.
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Zusätzlich zu einer Detektion der Unterbrechung des Signals der Signalschleife 105 durch Öffnen oder Lösen eines Hochspannungssteckers oder einer Abdeckung, wird durch die Signalschleife 105 ein redundanter Kommunikationspfad implementiert.
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Wird eine Störung auf dem Kommunikationsbus 101 erfasst, werden die Steuersignale an die elektrischen Komponenten 103, 109 oder 111 automatisch über die Signalschleife 105 statt auf dem Kommunikationsbus 101 übermittelt. Die Störung kann beispielsweise eine Unterbrechung der Datenübertagung auf dem Kommunikationsbus 101 sein.
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Als mögliches HW- und Transportprotokoll zum Übertagen der Steuersignale auf der Signalschleife 105 können sowohl ein LIN-Protokoll (LIN – Local Interconnect Network) als auch ein SENT-Protokoll (SENT – Single Edge Nibble Transmission) verwendet werden.
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Das LIN-Protokoll bietet den Vorteil einer bidirektionalen Kommunikation. In diesem Fall ist beispielsweise die Generierungsschaltung 117 des Energiespeichers 109 als LIN-Master ausgelegt und die Auswertungsschaltung 119 des Inverters 111 als LIN-Auswerteschaltung. Hierbei kann jeweils auf Standardbauteile zurückgegriffen werden.
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Bei einer Implementierung mit dem SENT-Protokoll wird in dem Energiespeicher 109 ein SENT-Sender und eine zusätzliche Auswerteschaltung 115 implementiert, mit der eine Unterbrechung des Signals detektiert wird. In der Steuerung des Inverters 111 des Elektroantriebes 113 wird eine Auswerteschaltung 119 und eine Schaltung implementiert, um das Signal zu unterbrechen, beispielsweise indem dieses über einen Transistor auf ein Massepotential gezogen wird.
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Die Kommunikation findet beispielsweise zwischen einer Steuerung des Inverters 111 des Elektroantriebs 113 und dem Energiespeicher 109 statt. Beispielsweise wird der Sollzustand des Hochspannungsnetzes 107 (Hochspannung – AN/AUS) an den Energiespeicher 109 gesendet und der Energiespeicher 109 sendet Werte für seine Lade- und Entlade-Stromgrenzen an den Inverter 111 zurück. Kommt es zu einem Ausfall des Kommunikationsbusses 101, beispielsweise durch einen Kurzschluss zwischen den Signalleitungen oder durch einen Ausfall einer weiteren mit dem Kommunikationsbus 101 verbundenen Komponente, die die Kommunikation stört, kann der Energiespeicher 109 seine Lade- und Entladestromgrenzen an den Inverter 111 senden. Der Inverter 111 kann die Lade- und Entladestromgrenzen dazu verwenden, eine Leistungsregelung des Elektroantriebs 113 auf Basis der Stromgrenzen durchzuführen. Dadurch kann eine Überlastung des Energiespeichers 109 verhindert werden.
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Zum Aufstarten und Abschalten des Hochspannungsnetzes 107 kann der Inverter 111 nun die Möglichkeit nutzen, das Signal auf das Massepotential zu ziehen. Dieser Zustand wird in der Auswerteschaltung 115 des Energiespeichers 109 detektiert.
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Vorteilhaft aber nicht zwangsläufig können aufgrund der begrenzten Bandbreite die Lade- und Entlade-Stromgrenzen um einen vorgegebenen Betrag enger als bei einer fehlerfreien Kommunikation über den Kommunikationsbus 101 gesetzt werden, da dynamische Veränderungen nicht so schnell über die Leitung der Signalschleife 105 übermittelt werden.
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2 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs. Ein Ablauf kann wie folgt implementiert werden. Zunächst ist das Gesamtsystem ist deaktiviert. Durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs wird das System eingeschaltet, beispielsweise durch ein Drehen eines Zündschlüssels. Anschließend werden Inverter 111 und Energiespeicher 109 aktiviert, beispielsweise durch ein Klemme-15-Signal, oder ein Wakeup-Signal der Kraftfahrzeugsteuerung.
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Anschließend erkennen in Schritt S101 der Inverter 111 oder der Energiespeicher 109 die Störung auf dem Kommunikationsbus 101, beispielsweise bei einer Unterbrechung oder einen Abreißen der Datenübermittlung. Daraufhin sendet in Schritt S102 der Energiespeicher 109 aufgrund der erfassten Störung seine Stromgrenzen auf der Signalschleife 105 an den Inverter 111.
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Da der Fahrer noch keinen Startbefehl für das Kraftfahrzeug geben hat, zieht beispielsweise der Inverter 111 oder eine andere das Zündschloss auswertende Komponente, durch die die Interlock-Signalschleife geführt ist, die Leitung der Signalschleife 105 auf ein Massepotential. Der Energiespeicher 109 erkennt, dass die Signalschleife 105 auf dem Massepotential liegt und schaltet das Hochspannungsnetz 107 nicht auf die Betriebsspannung.
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Anschließend gibt der Fahrer den Befehl, Fahrbereitschaft einzustellen. Im Inverter 111 wird die Signalschleife 105 freigegeben, indem das elektrische Potential der Signalschleife 105 geändert wird. Der Energiespeicher 109 wird zugeschaltet.
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Der Fahrbetrieb des Elektroantriebs 113 ist gewährleistet, da die Steuerung der elektrischen Maschine aus der gemessenen Zwischenkreisspannung und den übermittelten Stromgrenzen eine Leistungsregelung durchführen kann.
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Anschließend beendet der Fahrer die Fahrt und schaltet die Zündung des Kraftfahrzeuges aus. Im Inverter 111 oder eine andere das Zündschloss auswertende Komponente, durch die die Interlock-Signalschleife geführt ist, wird die Signalschleife 105 wieder auf das Massepotential gezogen, der Energiespeicher 109 öffnet die Schütze und der Inverter 111 führt eine aktive Zwischenkreisentladung durch. Anschließend schalten sich der Inverter 111 und der Energiespeicher 109 ab.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0073624 A1 [0004]
