DE102017202594A1

DE102017202594A1 - Verfahren zum Erkennen elektrischer Fehler in einer Stromversorgung eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE102017202594A1
Application number: DE102017202594.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Foerch; Achim Jenne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23
Also published as: CN108459281A; US10634716B2; US20180238959A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines elektrischen Fehlers (60) in einer Stromversorgung eines Verbrauchers (45), wobei aus einem dem Verbraucher (45) zugeordneten Lokal-Spannungswert, einem dem Verbraucher zugeordneten Lokal-Stromwert und einem Global-Spannungswert ein dem Verbraucher zugeordneter Übergangswiderstand der Stromversorgung bestimmt und mit einem dem Verbraucher zugeordneten Widerstandsschwellwert verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ein elektrischer Fehler in der Stromversorgung des Verbrauchers erkannt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines elektrischen Fehlers in einer Stromversorgung eines Verbrauchers sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
In der DE 10 2014 018 643 B3 ist die Erzeugung eines Spannungs-Referenzwerts aus mehreren Messwerten von Steuergeräten in einer zentralen Mastereinrichtung beschrieben. Dabei weisen die Steuergeräte Spannungsmesseinrichtungen auf und stellen die gemessenen Spannungswerte der zentralen Mastereinrichtung zur Verfügung, welche dann den Referenzwert jedem der Steuergeräte bereitstellt, so dass diese jeweils einen Korrekturwert zum Kalibrieren der Spannungsmesseinrichtung ermitteln können.
In der DE 10 2004 023 084 B3 wird ein Verfahren zur Spannungsüberwachung in einer Fahrzeug-Geräte-Anordnung beschrieben, bei welchem ein Steuergerät durch Vergleichen der anliegenden Istspannung mit einer vorbestimmten unteren Spannungsschwelle das Vorliegen einer Unterspannung überwacht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines elektrischen Fehlers in einer Stromversorgung eines Verbrauchers sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich zur Erkennung eines elektrischen Fehlers in einer Stromversorgung eines Verbrauchers der Maßnahme, dass ein dem Verbraucher zugeordneter Übergangswiderstand der Stromversorgung bestimmt und mit einem dem Verbraucher zugeordneten Widerstandsschwellwert verglichen wird. Eine bevorzugte Möglichkeit zum Bestimmen des Übergangswiderstands besteht darin, den Quotienten aus einerseits der Differenz zwischen einem Global-Spannungswert und einem dem Verbraucher zugeordneten Lokal-Spannungswert und andererseits einem dem Verbraucher zugeordneten Lokal-Stromwert zu bilden. Weicht der Übergangswiderstand erheblich von einem erwarteten Wert ab, deutet dies auf einen elektrischen Fehler in der Stromversorgung hin.
In modernen Fahrzeugen kommt eine Vielzahl unterschiedlicher Steuergeräte zum Einsatz. Nahezu allen modernen Steuergeräten eigen ist, dass sie die elektrische Versorgungsspannung messen, um Korrekturen für die eigenen Stellersignale berechnen zu können. In der einen oder anderen Art und Weise kommunizieren die unterschiedlichen Steuergeräte auch miteinander. Hier sind im Fahrzeug-Bereich insbesondere der LIN- und der CAN-Bus zu nennen, aber auch FlexRay und unterschiedliche Ethernet-Busse sind bekannt. Durch einen solchen Steuergeräteverbund ergibt sich nun die Möglichkeit, die Qualität der elektrischen Stromversorgung zu überwachen. Hierbei wird gezielt ausgenutzt, dass die Versorgungsspannung an verschiedenen Stellen im elektrischen Versorgungsnetz gemessen wird. Ein weiterer nutzbarer Vorteil ist die klare Trennung des elektrischen Versorgungsnetzes vom Kommunikationsnetz. Derzeit führt jedes einzelne Steuergerät in einem Fahrzeug unabhängig von den anderen seine Spannungsmessung durch. Diese Betrachtungsweise stellt aber nur das einzelne Steuergerät mit seinen Aktoren in den Fokus. Es fehlt die systemweite Betrachtung mit den Kabelbäumen, Steckverbindern und deren Alterungseffekten. Im Rahmen der Erfindung werden nun die bekannte (wiederholt stattfindende) Spannungsmessung und ein ermittelter (insbesondere gemessener oder berechneter) Strombedarf dazu verwendet, die Qualität des Bordnetzes bzw. der elektrischen Stromversorgung eines bestimmten Verbrauchers zu bewerten.
Nicht immer voll wirksame Schädigungen in der Fahrzeugverkabelung können mit einfachen Überwachungen der Versorgungsspannung kaum erkannt werden. Im Wesentlichen können mittels herkömmlicher Spannungsmessungen nur Über- und Unterspannungsfehler erkannt werden, die aber eine Aussage über die genaue Fehlerquelle nicht zulassen. Die Erfindung ermöglicht nun jedoch, auch sich anbahnende Fehler frühzeitig zu erkennen. Beispielsweise könne Schäden an Steckverbindern mit erhöhtem Übergangswiderstand im Versorgungszweig ebenso erkannt werden wie Sicherungen mit erhöhtem Übergangswiderstand bzw. falsche oder teilgeschädigte Sicherungen. Auch ein nur teilwirksamer Kabelbruch, bei dem Einzelleitungen bei Mehrfachkabeln geschädigt sind, kann erkannt werden. Die Erfindung erlaubt auch das Erkennen z.B. von Fertigungsfehlern bei Löt- bzw. Schweißverbindungen mit reduzierter Übergangsfläche oder von Fehlern auf Leiterplatten bzw. von geschwächten Lötverbindungen. Derartige Fehler können herkömmlicherweise zu umfangreichen Werkstattaufenthalten führen, da sich nur ausgesprochen schwer auffinden und zuordnen lassen.
Durch den Vergleich mehrerer Verbraucher (insbesondere Steuergeräte) kann ein einzelner elektrischer Fehler in der Stromversorgung von einer systemweiten Unterspannung (leere Batterie) unterschieden werden.
Die Erfindung kann vorzugsweise als reine Softwarefunktion auf den unterschiedlichsten Steuergeräten eingesetzt werden. Es ist dabei nicht notwendig, dass die Berechnung auch auf den Steuergeräten ausgeführt wird, die direkt die Spannung- und Stromverbrauchsmessung ausführen. Vorzugsweise werden die Messwerte an eine zentrale Stelle (insbesondere Steuergerät) gesendet, wo dann die Auswertung und der Vergleich mit bereits bekannten bzw. applizierten Schwellwerten vorgenommen werden. Eine solche Funktion stellt ein vorteilhaftes Beispiel für eine verteilte Anwendungssoftware in einem Rechnerverbund dar. Die vorgeschlagene Erfindung verwendet auf diese Weise bereits vorhandene Ressourcen für die Spannungsmessung und misst bzw. berechnet den Strombedarf jedes einzelnen Steuergerätes.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Fahrzeugbordnetz mit einer Vielzahl von Steuergeräten.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Fahrzeugbordnetz 100, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt. Das Fahrzeugbordnetz 100 verfügt über eine elektrische Stromversorgung 10, welche insbesondere einen Generator und eine Batterie aufweist. Die Stromversorgung 10 ist mit einem Sicherungskasten 20 mit einzelnen Sicherungen F1, F2, ... verbunden, die angeschlossene Verbraucher vor Überstrom schützen sollen.
Über einen Kabelbaum 30 sind unterschiedliche Verbraucher, beispielsweise Steuergeräte 41-45 angeschlossen. Bei den Steuergeräten kann es sich insbesondere um ein sogenanntes Kombiinstrument 41 zur Fahrerinformation, ein sogenanntes Fahrzeugsteuergerät 42 (VCU, englisch Vehicle Control Unit) zur Vorgabe der Fahr-und Betriebsstrategie, ein sogenanntes Getriebesteuergerät 43 (GCU, englisch Gearbox Control Unit) für die Gangauswahl, ein sogenanntes Motorsteuergerät 44 (ECU, englisch Engine Control Unit) zur Steuerung des Verbrennungsmotors und ein sogenanntes Pumpensteuergerät 45 (PCU, englisch Pump Control Unit die CDU) zur Steuerung einer Kraftstoffpumpe handeln. Die Steuergeräte sind über einen Datenbus 50, beispielsweise einen CAN-Bus, datenübertragend verbunden.
Vorzugsweise ist wenigstens eines der Steuergeräte, beispielsweise das Fahrzeugsteuergerät 42, zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingerichtet. Gleichzeitig sind wenigstens zwei, vorzugsweise alle Steuergeräte dazu eingerichtet, wiederholt, z.B. regelmäßig, jeweils einen Lokal-Spannungswert, insbesondere durch Messung, und einen Lokal-Stromwert, insbesondere durch Messung, Berechnung oder Schätzung, zu bestimmen, und die bestimmten Lokal-Spannungswerte und Lokal-Stromwerte an das Fahrzeugsteuergerät 42 zu übermitteln. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeugsteuergerät 42 selbst die Lokal-Stromwerte für ein oder mehrere Steuergeräte, welche zur eigenen Bestimmung z.B. nicht eingerichtet sind, zu bestimmen, insbesondere durch Berechnung oder Schätzung, z.B. anhand von Kennfeldern.
Das Fahrzeugsteuergerät 42 bestimmt dann für jedes Lokal-Spannungswert/Lokal-Stromwert-Paar den dem Verbraucher zugeordneten Übergangswiderstand und vergleicht diesen mit wenigstens einem dem Verbraucher zugeordneten Widerstandsschwellwert.
Vorteilhafter Bestandteil der Erfindung ist eine Softwarefunktion, welche die verfügbaren Spannungswerte der unterschiedlichen Steuergeräte und deren Strombedarf (gemessen oder berechneter Strombedarf) über ein Netzwerk (in 1 CAN-Bus 50) zusammenträgt (in 1 z.B. über fünf Steuergeräte). Systematisehe Korrekturen, z.B. von Offsetspannungen oder ADC-Messfehlern, sind hier vorteilhaft, um weiterführende Berechnungen zu verbessern.
Aus diesen Werten lässt sich ein Global-Spannungswert für eine „wahrscheinliche Versorgungsspannung“ bestimmen, die als Referenz für das Fahrzeug dient, z.B. als Maximalwert, Mittelwert, Median, Kombination davon o.ä. Eine stromfreie Spannungsmessung wäre vorteilhaft, ist aber nicht zwingend notwendig. Wichtig ist eine möglichst hohe Verlässlichkeit für den Wert der berechneten Referenzspannung, insbesondere durch die angesprochenen systematischen Korrekturen.
Über die Abweichung der einzelnen Lokal-Spannungswerte vom Global-Spannungswert und die zugehörige Stromaufnahme kann der Übergangswiderstand für jede Versorgungsleitung zu den Steuergeräten berechnet werden. Weicht der Übergangswiderstand deutlich zu einem größeren Wert hin ab, so kann ein sich anbahnender Fehler vorrausschauend erkannt und zugeordnet werden, insbesondere bevor das beteiligte Steuergerät aufgrund zu niedriger Spannung eine Fehlfunktion ausführt.
Beispielsweise weist der Stromanschluss des Pumpensteuergeräts 45 eine Schwachstelle 60 auf, die im Rahmen der Erfindung als elektrischer Fehler erkannt werden soll. Beispielsweise ist die Schwachstelle 60 dadurch definiert, dass von einer vieradrigen Stromzuleitung eine Ader defekt ist.
Jede Verbindung zwischen Leitung und Steuergeräteanschluss besitzt einen Übergangswiderstand, der durch die Steckverbindung und den Kupferwiderstand des Kabels definiert ist. Der spezifischer Widerstand für Kupfer bei 25°C beträgt ρ = 0,0173 Ω mm2/m
Für den elektrischen Widerstand einer kreisrunden Leitung gilt: $R_{W} = \frac{l \cdot ρ \cdot 4}{D^{2} \cdot π}$
bei D = 1 mm Durchmesser und l = 2*5 m = 10 m Länge ergibt sich R_W = 0,22 Ω Zusammen mit der Steckverbindung (je nach Herstellerangaben z.B. ca. R_S = 0,05 Ω) ergibt sich als Übergangswiderstand R_Ci = R_W + R_S für jede Ader i und dementsprechend als Gesamtübergangswiderstand R_ges: $R_{g e s} = \frac{1}{\frac{1}{R_{C 1}} + \frac{1}{R_{C 2}} + \frac{1}{R_{C 3}} + \frac{1}{R_{C 4}}}$
Bei einem Defekt einer Ader wäre dieser Gesamtübergangswiderstand um 33% erhöht. Durch Vergleich eines aktuell ermittelten Gesamtübergangswiderstand mit einem Vergleichswert bzw. Schwellwert kann so ein elektrischer Fehler erkannt werden.
Besonders einfach zu messen ist ein erhöhter Gesamtübergangswiderstand bei hoher Stromaufnahme, da sich dann im Lokal-Spannungswert U_L ein deutlich messbarer Spannungsabfall gegenüber der Versorgungsspannung U_G als Global-Spannungswert ergibt. Der aktuelle Global-Spannungswert kann insbesondere aus den Spannungswerten derjenigen Messgeräte 41-45 bestimmt werden, welche gerade eine möglichst geringe Stromaufnahme oder idealerweise gar keine Stromaufnahme haben.
Der aktuelle Lokal-Spannungswert U_L wird in dem Pumpensteuergerät 45 bestimmt, insbesondere gemessen, ebenso wie der Lokal-Stromwert I_L. Zusammen mit dem Global-Spannungswert U_L ergibt sich als aktueller Übergangswiderstand $\begin{array}{l} R_{L} : \\ R_{L} = \frac{U_{G} - U_{L}}{I_{L}} \end{array}$
Wird z.B. ein regulärer Übergangswiderstand von R_Ci = 0,27 Ω pro Leitung (1mm Durchmesser, 2*5m lang, Stecker) angenommen, so ergibt sich für vier parallele Leitungen ein Gesamtübergangswiderstand R_ges = 0,0675 Ω. Bei I_L = 20 A Stromaufnahme ergibt sich ein regulärer Spannungsabfall von 1,35V.
Im Schadensfall bei nur drei parallelen Leitungen ergibt sich ein Gesamtübergangswiderstand R_ges = 0,09 Ω. Bei 20 A Stromaufnahme ergibt sich ein Spannungsabfall von nun 1,8V. Ist sogar nur noch eine Leitung aktiv nutzbar, so beträgt der Spannungsabfall schon min. 5,4V. Derartige Spannungsunterschiede sind gut messbar; umgekehrt sind somit die vorhandenen Übergangswiderstände gut bestimmbar und mit Referenzwerten bzw. Schwellwerten vergleichbar.
Beispielsweise können in einem Kennfeld ein oder mehrere Widerstandsschwellwerte für jedes Steuergerät hinterlegt sein. Beispielsweise ist im geschilderten Fall bei einem bestimmten Übergangswiderstand von RL = 0,0675 Ω von Fehlerfreiheit auszugehen, bei einem bestimmten Übergangswiderstand von 0,0675 Ω < R_L < 0,09 Ω von einem sich anbahnenden Fehler einer Ader und bei einem bestimmten Übergangswiderstand von RL > 0,09 Ω von einem elektrischen Fehler, insbesondere in Form eines Aderdefekts usw. Es bietet sich an, auch noch größere Schwellwerte zur Charakterisierung weiterer elektrischer Fehler, wie z.B. Defekt von zwei oder drei Adern, vorzusehen. Die Schwellwerte können z.B. in einem fehlerfreien Zustand, z.B. am Bandende, z.B. auch gattungsweit für einen Fahrzeugtyp, bestimmt, z.B. gemessen werden.
Vorzugsweise wird, wenn ein elektrischer Defekt erkannt wird, wenigstens eine Maßnahme eingeleitet aus der Gruppe, welche aufweist: Aktivieren einer Warnlampe, Setzen eines Fehlerspeichereintrags, Reduzieren einer zulässigen Maximalstromstärke, Ändern der Betriebsart des Verbrauchers. Beispielsweise kann die Pumpenleistung reduziert werden.
Über die Maßnahme kann ein fahrzeugspezifischer Betriebszustand erreicht werden, der eine Schädigung und/oder Gefährdung vermeidet. Derartige Maßnahmen sind vom Fahrzeug abhängig und in z.B. einer Entscheidungslogik zu hinterlegen.
Bei Fehlern im Fahrzeug kann jedes Segment der Stromversorgung bewertet werden. Beispielsweise durch eine graphisch aufbereitete Darstellung auf einem Diagnosesystem kann der Servicetechniker bei der Fehlersuche bzw. Fehlerbeseitigung durch diese Funktion unterstützt werden bzw. die Wirkung „online“ betrachtet werden (z.B. bei Wackelkontakten, die zu Widerstandsänderungen führen).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014018643 B3 [0002]
DE 102004023084 B3 [0003]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines elektrischen Fehlers (60) in einer Stromversorgung eines Verbrauchers (45) wobei aus einem dem Verbraucher (45) zugeordneten Lokal-Spannungswert, einem dem Verbraucher zugeordneten Lokal-Stromwert und einem Global-Spannungswert ein dem Verbraucher zugeordneter Übergangswiderstand der Stromversorgung bestimmt und mit einem dem Verbraucher zugeordneten Widerstandsschwellwert verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ein elektrischer Fehler in der Stromversorgung des Verbrauchers erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dem Verbraucher (45) zugeordnete Lokal-Spannungswert in dem Verbraucher (45) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dem Verbraucher (45) zugeordnete Lokal-Stromwert in dem Verbraucher (45) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Global-Spannungswert aus einer Mehrzahl von jeweils unterschiedlichen Verbrauchern (41, 42, 43, 44, 45) zugeordneten Lokal-Spannungswerten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Global-Spannungswert aus der Mehrzahl von jeweils unterschiedlichen Verbrauchern (41, 42, 43, 44, 45) zugeordneten Lokal-Spannungswerten durch eine Berechnungsvorschrift ermittelt wird, die eine Maximalwert- und/oder Mittelwert- und/oder Medianwertbildung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dem Verbraucher (45) zugeordnete Übergangswiderstand in einer von dem Verbraucher (45) getrennten Recheneinheit (42) mit dem dem Verbraucher zugeordneten Widerstandsschwellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der dem Verbraucher (45) zugeordnete Übergangswiderstand in der von dem Verbraucher (45) getrennten Recheneinheit (42) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn ein elektrischer Defekt erkannt wird, wenigstens eine Maßnahme eingeleitet wird, insbesondere aus der Gruppe, welche aufweist: Aktivieren einer Warnlampe, Setzen eines Fehlerspeichereintrags, Reduzieren einer zulässigen Maximalstromstärke, Ändern der Betriebsart des Verbrauchers (45).
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.