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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere mit automatisierter Fahrfunktion, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10201006305 A1 sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Zustandsgröße einer Fahrzeugbatterie bekannt. Hierbei korreliert die zu ermittelnde Zustandsgröße mit einem aktuellen Ladezustand der Fahrzeugbatterie. Es wird ein Stromimpuls mit einer definierten zeitlichen Länge erzeugt und in die Fahrzeugbatterie eingespeist, wobei ein resultierender Spannungsverlauf erfasst und zur Bestimmung eines Innenwiderstands der Fahrzeugbatterie als Zustandsgröße ausgewertet wird.
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Aus der
EP 1283424 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Fahrzeugbatterie bekannt. Hierzu erfolgt eine Aktivierung des Ladezustandsbestimmungsbetriebs, eine Einstellung eines definierten Laststroms für die Fahrzeugbatterie durch Ansteuerung mindestens einer E-Maschine des Fahrzeugs, ein Ableiten einer von der gemessenen Bordnetzspannung abhängigen Spannungscharakteristik, eine Bereitstellung einer Information über die Batterietemperatur des Fahrzeugs sowie die Ermittlung des Ladezustands der Fahrzeugbatterie unter Verwendung der Spannungscharakteristik, der Batterietemperatur und eines für den definierten Laststrom eingespeicherten Kennfeldes.
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In üblichen Bordnetzarchitekturen eines Fahrzeugs für manuelles Fahren wird ein Starter zum Starten eines Verbrennungsmotors verwendet. Hierbei übernimmt der Starter quasi eine Überwachungsfunktion der Batterie, da der Motorstart die höchste Belastung der Batterie darstellt. Auf diese Weise wird die Leistungsfähigkeit der Batterie mindestens in jedem Fahrzyklus (bei jedem Motorstart) getestet. Ist die Batterie beim Motorstart nicht leistungsfähig, so lässt sich der Motor nicht starten und ein Austausch der Batterie ist durchzuführen. Auf diese Weise agiert der Starter quasi als Diagnosemaßnahme der Batterie, bei der eine Fahrt mit leistungsunfähiger Batterie nicht zugelassen wird. Entfällt nun beispielsweise bei Elektrofahrzeugen der Starter, fehlt diese beschriebene Diagnosefunktion.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit und zugleich die Verfügbarkeit insbesondere automatisierter Fahrfunktionen sowie der benötigten Energieversorgung zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Dadurch, dass zumindest ein Mittel zur Einprägung eines Kurzschlussstroms, der in einem Testbetrieb durch den Energiespeicher fließt, vorgesehen ist, kann selbst bei fehlendem Starter die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers vor jedem Fahrzyklus sicher getestet werden. Dies ist insbesondere für die Aktivierung eines automatisierten Fahrbetriebs von besonderer Bedeutung.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird in dem Testbetrieb der Energiespeicher von zumindest einer weiteren Energiequelle getrennt. Damit wird sichergestellt, dass allein der Energiespeicher den Kurzschlussstrom aufbringen muss, sodass sich die Güte der Diagnose erhöht.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein elektronischer Lastverteiler vorgesehen, über den der Verbraucher angesteuert und abgesichert wird, wobei der Energiespeicher mit dem Lastverteiler verbunden ist. Besonders bevorzugt übernimmt der Lastverteiler die Erfassung und/oder Auswertung der elektrischen Kenngröße des Energiespeichers. Die ohnehin in dem elektronischen Lastverteiler vorhandenen Erfassungsmittel und Auswertemittel können ohne großen Aufwand auch zur Erkennung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers herangezogen werden. Damit könnte die Gesamtfunktion innerhalb dieser Komponente abgedeckt werden. Besonders bevorzugt könnte der Lastverteiler die Trennung des Energiespeichers von der weiteren Energiequelle vornehmen. Solche Trennmittel sind ohnehin für die gezielte Ansteuerung der Verbraucher bzw. Absicherung derselben vorgesehen und könnten zur Entkopplung eines weiteren Teilbordnetzes verwendet werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung erfolgt eine Gegenmaßnahme wie beispielsweise eine Deaktivierung des automatisierten Fahrbetriebs und/oder ein Warnhinweis und/oder ein Eintrag in einem Fehlerspeicher, wenn die elektrische Kenngröße, insbesondere die Spannung des Energiespeichers, einen Grenzwert erreicht. Kommt es bei einem typischen Belastungsfall des Energiespeichers zu einer Unterspannung, so kann von einem gealterten Energiespeicher ausgegangen werden. Die Sperrung der Fahrfunktionen erhöht die Sicherheit ohne wesentlichen Zusatzaufwand.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird das Mittel zur Einprägung eines Kurzschlussstroms so ausgelegt, dass der Kurzschlussstrom an einem Belastungsfall zur Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand orientiert ist, insbesondere mit Blick auf Stromhöhe und/oder Dauer während des Testbetriebs. Damit können gezielt die für den sicheren Betrieb des automatisierten Fahrens notwendigen Notfallmaßnahmen simuliert und zur Freigabe herangezogen werden.
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Besonders zweckmäßig kann das Mittel zur Einprägung eines Kurzschlussstroms zur Minderung der Auswirkungen von Überspannungen in einem Bordnetz herangezogen werden. So erfolgt eine Aktivierung bei erkannten drohenden Überspannungen im Bordnetz. Zusätzliche Mittel können damit entfallen.
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Besonders zweckmäßig kann das Mittel zur Einprägung eines Kurzschlussstroms auch dann herangezogen werden, wenn ein separater Sensor zur Erfassung bestimmter Kenngrößen des Energiespeichers eine Anregung benötigt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind anstelle eines festen Widerstands auch weitere Varianten zur Erreichung eines definierten Kurzschlussstromprofils denkbar wie beispielsweise ein Shunt, ein Keramikwiderstand, Leiterplattenmäander etc., oder ein Schwingkreis sowie eine Anordnung mit mindestens weiteren Schaltern und Widerstand, sodass durch Öffnen und Schließen der Schalter das Stromprofil variiert werden kann. Damit kann man in besonders einfacher Weise die Schaltung vereinfachen bzw. an die benötigten speziellen Gegebenheiten anpassen.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Figurenliste
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- Die Figur zeigt ein Bordnetz, bei dem das Verfahren zur Überwachung des Energiespeichers beispielhaft implementiert ist.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Die Figur zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Basisbordnetz 10, welches einen Energiespeicher 12, insbesondere eine Batterie 12 mit zugehörigem Batteriesensor 14, sowie mehrere Verbraucher 16, die durch einen elektrischen Lastverteiler 18 abgesichert bzw. angesteuert werden, umfasst. An den Lastverteiler 18 ist ebenfalls der Energiespeicher 12 angeschlossen.
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Der Lastverteiler 18 ist in der Lage, entsprechende Kenngrößen wie Spannung Uv, Strom Iv der Verbraucher 16 zu ermitteln. Der Lastverteiler 18 ist darüber hinaus ebenfalls in der Lage, entsprechende Kenngrößen des Energiespeichers 12 wie Spannung Ub und/oder Strom Ib und/oder Temperatur Tb zu ermitteln. Hierzu enthält der Lastverteiler 18 die entsprechende Sensorik. Ebenfalls besitzt der Lastverteiler 18 entsprechende Verarbeitungsmittel, erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Alternativ könnte die Auswertung auch in einem anderen Steuergerät erfolgen.
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Weiterhin ist der Lastverteiler 18 in der Lage, abhängig vom Zustand des Energiespeichers 12 Signale, auf deren Basis der Übergang in einen sicheren Zustand eingeleitet wird, zu liefern. Dann leitet beispielsweise ein übergeordnetes Steuergerät beispielsweise einen sicheren Halt des Fahrzeugs (Anfahren des nächsten Parkplatzes, sofortiger Halt am Seitenstreifen etc.) ein und verlässt den autonomen Fahrbetrieb. Ein Starter zum Start eines konventionellen Verbrennungsmotors ist nicht vorgesehen.
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Der Lastverteiler 18 umfasst zumindest ein Mittel 13 zur Einprägung eines Kurzschlussstroms. Im Ausführungsbeispiel beinhaltet dieses Mittel 13 zur Einprägung eines Kurzschlussstroms zumindest ein Schaltmittel 15 und ein Widerstand 17. Schaltmittel 15 und Widerstand 17 sind in Reihe und gegen Masse geschaltet. Der Lastverteiler 18 kann darüber hinaus optional zumindest ein Trennelement 19 aufweisen, welches sicherstellt, dass in dem Testbetrieb der Energiespeicher 12 von weiteren Energiequellen wie beispielsweise der weitere Energiespeicher 24 getrennt wird.
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Die durch den Lastverteiler 18 angesteuerten Verbraucher 16 könnten beispielsweise sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen wie beispielsweise Bremsen, Lenken etc. umfassen.
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Das Basisbordnetz 10 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 20 niedrigeres Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 10 und dem Hochvolt-Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 22 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 20 umfasst beispielhaft einen Energiespeicher 24, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine Last 26, beispielsweise ein Komfortverbraucher wie eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 28. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau U2 verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau U1 des Basisbordnetzes 10. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 20 ganz entfallen.
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Mit dem Basisbordnetz 10 können zumindest einer oder weitere insbesondere sicherheitsrelevante Kanäle verbunden sein. Die sicherheitsrelevanten Kanäle könnten jeweils über eine weitere elektronische Lastverteilung mit dem Basisbordnetz 10 verbunden werden. Der weitere elektronische Lastverteiler könnte der Absicherung, Ansteuerung sowie der sicheren und zuverlässigen Abschaltung sicherheitsrelevanter Verbraucher bzw. der elektronischen Energienetzverteilung dienen. Diese Verbraucher könnten funktionsredundant durch unterschiedliche sicherheitsrelevante Kanäle versorgt werden. Außerdem kann der weitere elektronische Lastverteiler in der Lage sein, die fließenden Verbraucherströme bzw. anliegenden Spannungen zu erfassen. Diese kurz beschriebene, aber nicht gezeigte Ausführung, könnte für eine hochverfügbare Auslegung beispielsweise für das autonome Fahren zur Sicherheitserhöhung vorgesehen sein.
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Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher 12, 24 eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.
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Die Durchführung des Tests zur Erkennung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 12 im Rahmen eines Testbetriebs könnte beispielsweise extern durch ein Steuergerät getriggert werden. Hierbei könnte es sich beispielsweise um eine Fahrzeugkontrolleinheit handeln, die für die Steuerung der autonomen Fahrfunktionen verantwortlich ist. Diese Fahrzeugkontrolleinheit kann sicherstellen, dass sich das Fahrzeug in einem sicheren Testzustand, beispielsweise im Stillstand befindet. Für den Test wird das Schaltmittel 15 geschlossen. Das Mittel 13 erzeugt über den Widerstand 17 einen Kurzschlussstrom, der zur Entladung des Energiespeichers 12 führt. Um die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 12 feststellen zu können, muss sichergestellt werden, dass die Leistung im Testbetrieb lediglich aus dem Energiespeicher 12 entnommen wird. Über das Trennmittel 19, welches im Sicherungsverteiler bzw. Lastverteiler 18 selbst integriert sein kann, kann diese Alleinstellung des Energiespeichers 12 sichergestellt werden. Eine Integration in Sicherungsverteiler bzw. Lastverteiler 18 hat dabei den Vorteil, dass die Gesamtfunktion des Leistungsfähigkeitstests des Energiespeichers 12 im Lastverteiler 18 vollumfänglich realisiert werden kann. Hierbei könnte beispielsweise als Trennmittel 19 ein Schaltmittel (zum Beispiel mindestens ein Mosfet) vorgesehen sein, welches die Kopplung der beiden Bordnetze 10, 20 unterbindet. Alternativ könnte das Trennmittel 19 in einer entsprechenden Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 22 im Sinne eines Öffnens realisiert sein.
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Die Entladung des Energiespeichers 12 wird beispielsweise so lange durchgeführt, wie ein worst-case-Manöver zur Erreichung eines sicheren Zustands (im autonomen Fahrbetrieb) dauert. Typischerweise bewegt sich die Dauer bei einem Automatisierungslevel 3 (Highway Pilot Fahrzeug) in einem Bereich von 30 s bis 2 min, bei höheren Automatisierungsstufen entsprechend länger. Bevorzugt wird das eingeprägte Stromprofil entsprechend der Belastung in dem Manöver zur Erreichung eines sicheren Zustands gewählt. Alternativ wird ein Stromprofil, welches im Stromwert das worst-case-Manöver übersteigt, eingeprägt und die Antwort des Energiespeichers 12, 24 bewertet.
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Kommt es während des Testbetriebs zu einer Unterspannung (elektrische Kenngröße Ub erreicht einen definierten Grenzwert) der Spannung Ub des Energiespeichers 12, kann von einem gealterten Energiespeicher 12 ausgegangen werden. In diesem Fall (Energiespeicher 12 verhält sich nicht ordnungsgemäß) kann zumindest eine Gegenmaßnahme durchgeführt werden. Hierbei könnte beispielsweise die Fahrfunktionen gesperrt oder nicht freigegeben werden. Alternativ oder zusätzlich ergeht ein Warnhinweis und/oder beispielsweise eine zusätzliche Maßnahme, die die Inspektion des Energiespeichers 12 oder den Tausch des Energiespeichers 12 einleitet. Beispielsweise kann die Fahrzeugfunktionalität wie beispielsweise die maximale Fahrgeschwindigkeit eingeschränkt werden.
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Der Testbetrieb kann beispielsweise direkt in dem elektronischen Lastverteiler 18 integriert werden. In dem elektronischen Lastverteiler 18 sind üblicherweise Mittel zur Erfassung entsprechender elektrischer Größen wie Strom und/oder Spannung der angeschlossenen Verbraucher 16 bzw. des angeschlossenen Energiespeichers 12 ohnehin vorgesehen. Damit kann der elektronische Lastverteiler 18 die beschriebene Spannungsüberwachungsfunktion übernehmen. Die Gesamtfunktion wie beschrieben kann innerhalb dieser Komponente abgedeckt werden. Weiterhin könnte in dem elektronischen Lastverteiler 18 zumindest ein Trennmittel 19 vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass der Energiespeicher 12 als einzige Energiebereitstellungseinheit zur Verfügung steht und der Test damit valide ist. Während des Testbetriebs trennt der Lastverteiler 18 die Verbraucher 16 vom Bordnetz 10.
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Das Mittel 13 zur Einprägung eines Kurzschlussstroms könnte anstelle eines festen Widerstands 17 zur Erreichung eines definierten Kurzschlussstromprofils auch andere Mittel vorsehen. So wäre der Widerstand 17 beispielsweise als Shunt, Keramikwiderstand, Leiterplattenmäander, PTC, Konstantanwickel oder Ähnliches auszuführen. Alternativ könnte ein Schwingkreis vorgesehen sein, der zumindest einen Kondensator umfasst. Alternativ könnte eine Anordnung von mindestens einem weiteren Schalter und mindestens einem weiteren Widerstand vorgesehen werden, sodass durch Öffnen und Schließen des Schalters das Stromprofil variiert werden kann. Es könnten auch unipolare oder bipolare Halbleiterschalter (beispielsweise MOSFET) und/oder mindestens eine Induktivität vorgesehen sein. Die oben genannten Varianten könnten auch kombiniert werden.
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Mit der beschriebenen Schaltung könnten auch Überspannungen im Bordnetz 10 vermieden werden. Durch autarkes Öffnen des Schaltmittels 15 im Überspannungsfall kann eine Überspannung über den Widerstand 17 definiert abgeleitet werden. Auf diese Weise kann der Ausfall eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers 16 verhindert werden.
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Für die Diagnose des Energiespeichers 12 mittels eines Sensors 14, insbesondere eines Batteriesensors, ist üblicherweise ebenso eine Anregung des Energiespeichers 12 notwendig. Eine solche Anregung könnte ebenfalls durch das Mittel 13 zur Einprägung eines Kurzschlussstroms vorgenommen werden.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Diagnose eines Energiespeichers 12 in einem Kraftfahrzeug, bei dem der Energiespeicher 12 Funktionen für den automatisierten Fahrbetrieb versorgt. Die Verwendung ist jedoch darauf nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10201006305 A1 [0002]
- EP 1283424 B1 [0003]
