DE102019212885A1

DE102019212885A1 - Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102019212885A1
Application number: DE102019212885.8A
Authority: DE
Inventors: Raimundo Varas Manso; Andrea Deflorio
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, an das eine Komponente angeschlossen ist, durch welche im regulären Betrieb Strompulse im Bordnetz erzeugt werden, wobei ein Verstärkungsfaktor (F) ermittelt wird, der eine Verstärkung einer Amplitude der Strompulse im Bordnetz relativ zur entsprechenden Amplitude bei Erzeugung in der Komponente angibt, und wobei, wenn der Verstärkungsfaktor (F) einen vorgegebenen Schwellwert (Fs) überschreitet, wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme (620) für das Bordnetz eingeleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug, können motorisch oder generatorisch an einem Wechselrichter bzw. Inverter (oder allgemein Stromrichter), betrieben werden, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird. Üblich für solche Inverter ist eine getaktete Ansteuerung von Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschaltelementen wie MOSFETs oder IGBTs, beispielsweise im Wege einer Pulsbreitenmodulation (PWM). Dies dient insbesondere dazu, einen erwünschten, beispielsweise möglichst sinus-förmigen Spannungsverlauf zu erhalten.
Ein solcher Wechselrichter ist in einem Fahrzeug dann in ein Bordnetz eingebunden, bei dem es sich um ein Gleichspannungsnetz, insbesondere auch mit hohen Spannungen - hier wird dann von einem sog. Hochvolt-Bordnetz gesprochen - handelt. Generell können an ein solches Bordnetz auch mehrere solcher Wechselrichter sowie auch andere Komponenten bzw. Verbraucher angeschlossen sein.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes 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 betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, an das eine Komponente angeschlossen ist, durch welche im regulären Betrieb Strompulse, insbesondere mit einer bestimmten Frequenz, im Bordnetz erzeugt werden. Bei einer solchen Komponente kann es sich insbesondere um einen Stromrichter handeln, insbesondere einen Wechselrichter (bzw. Inverter), bei dem mittels getakteter Ansteuerung von Schaltelementen mit einer Taktfrequenz eine Gleichspannung in eine Wechselspannung gewandelt wird. Eine typische Taktfrequenz liegt beispielsweise bei 10 oder 12 kHz.
Eine solche getaktete Ansteuerung der Schaltelemente, bei denen es sich zweckmäßigerweise um Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs handelt, wird bevorzugt verwendet, um eine gewünschte, üblicherweise sinus-förmige Wechselspannung oder ein Äquivalent hierzu zu erzeugen. Hierzu kann beispielsweise eine sog. Sinus-Dreieck-Modulation oder ein sog. Flat-Top-Modulation zum Einsatz kommen.
In Abhängigkeit von einer etwaigen Filterwirkung eines Zwischenkreiskondensators ergeben sich bei einer solchen Ansteuerung Strompulse bzw. allgemein Variationen im zeitlichen Stromverlauf im Gleichspannungsbereich des Stromrichters bzw. damit auch in einem gesamten, daran angeschlossenen Bordnetz. Solche Strompulse resultieren aus dem getakteten Ansteuern und liegen daher typischerweise im Bereich der Taktfrequenz des Stromrichters. Neben Stromrichtern können jedoch auch andere Komponenten, insbesondere welche mit Schaltern, im Bordnetz vergleichbare Strompulse erzeugen. In diesem Sinne können solche Stromrichter bzw. andere Komponenten als Frequenz-Erreger angesehen werden.
Außerdem ist an das Bordnetz in aller Regel eine Batterie angeschlossen und damit mit dem Stromrichter bzw. Wechselrichter verbunden. Eine Batterie kann dabei im Wesentlichen als eine Reihenschaltung eines (ohmschen) Widerstands und einer Induktivität gesehen werden. Auch die Leitungen bzw. Kabel für das Bordnetz können als eine Reihenschaltung eines (ohmschen) Widerstands und einer Induktivität gesehen werden. Zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator des Stromrichters ergibt sich auf diese Weise also eine RC- bzw. RLC-Schaltung, die eine bestimmte Resonanzfrequenz aufweist.
Wenn nun Strompulse mit einer Frequenz - hierbei ist nicht nur die Grundfrequenz zu berücksichtigen, sondern auch etwaige Oberschwingungen mit entsprechenden Vielfahren der Grundfrequenz - in der Nähe einer solchen Resonanzfrequenz im Bordnetz auftreten, kann dies aufgrund der Resonanzverstärkung zu einer Überlastung des Bordnetzes führen, was bis zum Ausfall sämtlicher Komponenten im Bordnetz und damit des gesamten Fahrzeugs führen kann.
Es ist nun möglich, das Bordnetz durch geeignete Wahl von Leitungen bzw. Kabeln oder ggf. zusätzlichen Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten derart zu designen bzw. dimensionieren, dass keine Resonanzfrequenz im Bereich bzw. in der Nähe einer Frequenz der Strompulse der angeschlossenen Komponenten liegt. Allerdings können sich solche Resonanzfrequenzen durch Alterung und Brüche oder sonstige Degradationen von Leitungen und Kabeln, Missbrauch oder falschem Einsatz von Komponenten im Bordnetz verändern bzw. verschieben. Auch können sich auf sonstige Weise Stromflüsse im Netzwerk verschieben, sodass über die Zeit trotzdem eine Überlastung des Bordnetzes auftreten kann.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun ein Verstärkungsfaktor ermittelt, der eine Verstärkung einer Amplitude der Strompulse (bzw. Stromrippel oder zeitlichen Stromvariationen) im Bordnetz relativ zur entsprechenden Amplitude bei Erzeugung in der Komponente angibt. Dieser Verstärkungsfaktor kann insbesondere wiederholt oder regelmäßig, beispielsweise in zeitlichen Abständen oder zu vorgegebenen Situationen, ermittelt werden. Wenn der Verstärkungsfaktor einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme für das Bordnetz eingeleitet.
Auf diese Weise kann also überprüft werden, ob Komponenten wie Stromrichter im Bordnetz vorhanden sind, deren Strompulse ungewöhnlich stark verstärkt werden. Dies ist nämlich ein Anzeichen dafür, dass sich eine Resonanzfrequenz des Bordnetzes (hier kann es grundsätzlich mehrere geben) in einen Bereich verschoben hat, in dem eine Resonanzanregung bei einer Komponente im Bordnetz erfolgt.
Als Sicherheitsmaßnahme kommen dabei bevorzugt verschiedene Möglichkeiten in Betracht, nämlich wenigstens eine ausgewählt aus: Abschalten der Komponente, Verbringen der Komponente in einen Sicherheitsmodus, Ändern eines Energieverbrauchs der Komponenten, Ändern einer Betriebszeit der Komponente, Ändern eines Betriebsmodus der Komponente, Ändern einer Taktfrequenz der Komponente, Informieren einer der Komponente übergeordneten Einheit, und Informieren eines Fahrers des Fahrzeugs. Auch können mehrere davon gleichzeitig oder nacheinander eingeleitet werden.
Durch ein Abschalten der Komponente können Resonanzanregungen sicher verhindert werden. Durch Verbringen der Komponente in einen Sicherheitsmodus wird beispielsweise ein regulärer Betrieb beendet, aber ein Notfallbetrieb kann noch aufrechterhalten werden. Durch Ändern eines Energieverbrauchs der Komponente kann beispielsweise die Amplitude der Strompulse reduziert werden, was auch zu einer Reduzierung der Resonanzanregung führt. Durch Ändern einer Betriebszeit der Komponente, also beispielsweise nur noch zeitweises Verwenden der Komponente, kann eine etwaige zu starke Überlast ggf. hinausgezögert werden. Durch Ändern einer Taktfrequenz der Komponente kann besonders einfach die Frequenz der Strompulse aus dem Bereich der Resonanzfrequenz herausgeführt werden. Denkbar ist beispielsweise eine Reduzierung der Taktfrequenz eines Stromrichters von z.B. 12 kHz auf z.B. 10 kHz. Durch Informieren einer der Komponente übergeordneten Einheit kann diese übergeordnete Einheit beispielsweise geeignete Maßnahmen treffen oder einleiten. Durch Informieren eines Fahrers des Fahrzeugs, beispielsweise in einem Display oder anderen Anzeigemittel im Fahrzeug, kann dieser vorgewarnt und/oder zum Aufsuchen einer Werkstatt aufgefordert werden. Denkbar ist natürlich auch ein sog. Fehlerspeichereintrag.
Das Ermitteln des Verstärkungsfaktors kann auf verschiedene Arten erfolgen, wie nachfolgend erläutert werden soll. Grundsätzlich ist die Idee hierbei, dass die Amplitude der Strompulse, die von einer Komponenten wie einem Stromrichter, erzeugt werden, zunächst eine feste, sich nicht oder zumindest nicht wesentlich verändernde Amplitude aufweisen. Eine solche kann beispielsweise anhand eines Modells der Komponente, aber auch durch geeignete Testmessungen an der Komponente - insbesondere auch ohne Einbindung in ein Bordnetz - ermittelt werden und dann als Vergleichswert dienen.
Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des Verstärkungsfaktors dann, dass ein Stromfluss in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird, beispielsweise mittels eines geeigneten Stromsensors oder mittels Messens eines Spannungsabfalls an einem Widerstand oder einer Impedanz der Komponente. Die Amplitude der Strompulse kann beispielsweise als ein Effektivwert ermittelt und dann mit dem Vergleichswert verglichen werden. Der Verstärkungsfaktor ergibt sich dann im einfachsten Fall als Quotient aus der Amplitude der im Bordnetz gemessenen Strompulse zu dem Vergleichswert. Der Schwellwert, bei dessen Überschreiten auf eine nicht mehr tolerierbare Belastung geschlossen und damit eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird, kann dann geeignet gewählt werden, beispielsweise auf einen Wert größer 1. Der Wert 1 würde hingegen keiner Verstärkung entsprechen.
Ebenso ist es aber auch bevorzugt, wenn das Ermitteln des Verstärkungsfaktors umfasst, dass eine Spannung in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn in der Komponente ein Kondensator zwischen positivem und negativem Anschluss des Bordnetzes vorhanden ist, beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator eines Stromrichters. Hier kann dann einfach die an den Gleichspannungsanschlüssen des Stromrichters anliegende Gleichspannung gemessen werden. Hieraus kann dann - wie später noch näher erläutert wird - auf die Amplitude der Strompulse rückgerechnet werden bzw. diese erhaltenen Werte können anstelle der Amplitude der Strompulse verwendet werden.
Auch ist es bevorzugt, wenn das Ermitteln des Verstärkungsfaktors umfasst, dass eine Temperatur in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird. Hierbei ist die zugrundeliegende Idee, dass eine ungewöhnliche Verstärkung der Amplitude der Strompulse bzw. eine Überlast des Bordnetzes eine ungewöhnlich starke Erwärmung der Leitungen bzw. Kabel oder sonstiger Komponenten des Bordnetzes hervorruft. Ein entsprechender Vergleichswert - also eine Vergleichstemperatur für reguläre Strompulse - kann beispielsweise anhand eines Modells der betreffenden Komponente oder des gesamten Bordnetzes ermittelt werden. Denkbar sind aber auch hier Testmessungen an einem regulär funktionierenden Bordnetz, um eine oder ggf. mehrere Vergleichstemperaturen zu erhalten.
Denkbar sind natürlich auch mehrere dieser Möglichkeiten, einen Verstärkungsfaktor zu ermitteln, in Kombination. Damit kann beispielsweise eine höhere Genauigkeit erreicht werden.
Vorzugsweise wird das Ermitteln des Verstärkungsfaktors und/oder das Einleiten der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme in der Komponente, ggf. unter Verwendung eines Spannungs- und/oder Strom- und/oder Temperatursensors, durchgeführt. Bei der Komponente handelt es sich dann insbesondere um eine Komponente mit Rechenmitteln bzw. eine Recheneinheit wie beispielsweise eine Steuereinheit oder eine Leistungselektronik, insbesondere mit einem Stromrichter, für eine elektrische Maschine.
Bevorzugt es ist aber auch, wenn das Ermitteln des Verstärkungsfaktors und/oder das Einleiten der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme in einer von der Komponente verschiedenen, weiteren, insbesondere übergeordneten, Komponente durchgeführt wird. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die betreffende Komponente, deren Verstärkungsfaktor zu überwachen bzw. ermitteln ist, keine Rechenmittel aufweist, und/oder wenn das vorgeschlagene Verfahren zentral ablaufen soll.
Bei einer Vielzahl solcher Komponenten im Bordnetz, durch welche im regulären Betrieb Strompulse im Bordnetz erzeugt werden, können beide genannten Variationen für die jeweiligen Komponenten Verwendung finden, auch eine Kombination ist denkbar, d.h. manche Komponenten überwachen sich selbst, andere überwachen nur oder zusätzlich andere Komponenten.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs oder eine Steuereinheit oder eine Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte 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 von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einem Stromrichter in einem Bordnetz zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch eine Anordnung mit zwei Stromrichtern in einem Bordnetz zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 bis 5 zeigen verschiedene Anordnungen mit jeweils einem Stromrichter in einem Bordnetz, bei denen erfindungsgemäße Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen durchführbar sind.
6 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Anordnung mit einem Stromrichter 140 in einem Bordnetz 170 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Stromrichter, hier in Form eines Wechselrichters, insbesondere Brückenwechselrichters, dient dabei zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 100. Der Stromrichter 140 kann dabei eine Leistungselektronik für die elektrische Maschine 100 bilden oder Teil einer solchen Leistungselektronik sein.
Der Stromrichter 140 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse 131, 132 auf, die auf übliche Weise, neben einem Kondensator bzw. Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft sechs Halbleiterschaltern 120, beispielsweise MOSFETs, verbunden sind. Zwischen jeweils zwei der Halbleiterschalter 120 ist eine Phasenwicklung (denkbar wären auch mehrere Phasenwicklungen) der elektrischen Maschine 100 angebunden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich bei dem Stromrichter nicht nur um einen Wechselrichter, sondern insbesondere auch um einen Stromrichter handeln kann, der auch als Gleichrichter betrieben werden kann, sodass die elektrische Maschine insgesamt sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
Weiterhin ist der Stromrichter 140 mit seinen Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 an das Bordnetz 170, beispielsweise in einem Fahrzeug, angeschlossen. An das Bordnetz 170 wiederum sind typischerweise weitere Komponenten, auch vergleichbare Wechselrichter, angebunden, sowie eine Batterie bzw. Fahrzeugbatterie 160.
Während eines Betriebs des Stromrichters 140 werden die einzelnen Halbleiterschalter 120 nun mittels einer Ansteuerschaltung bzw. einer Ansteuereinheit 150 auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Dies erfolgt insbesondere mit einer bestimmten, ggf. auch veränderbaren, Taktfrequenz von beispielsweise 10 oder 12 kHz. Bei einer üblichen Ansteuerung ist beispielsweise immer je Zweig ein Schalter geschlossen und der andere geöffnet. Dabei wird eine Gleichspannung V_DC, wie sie von der Batterie 160 bereitgestellt wird, in eine Wechselspannung gewandelt. Hierzu kann beispielsweise die sog. Sinus-Dreieck-Modulation zum Einsatz kommen.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird nun zudem ein Stromfluss an den Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 bzw. durch diese hindurch ermittelt bzw. gemessen. Beispielsweise kann hierzu ein entsprechender Spannungsabfall an dem Gleichspannungsanschluss ermittelt bzw. gemessen werden.
Wie in 1 weiterhin zu sehen, kann die Batterie 160 als eine Reihenschaltung eines (ohmschen) Widerstands und einer Induktivität gesehen werden, die zusammen mit der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 135 des Stromrichters - und ggf. hier nicht dargestellten (ohmschen) Widerständen und Induktivitäten von Leitungen bzw. Kabeln des Bordnetzes 170 - eine RLC-Schaltung mit einer bestimmten Resonanzfrequenz bilden.
Weiterhin sind ein Stromfluss I_DC, der insbesondere von der Batterie 160 erzeugt wird, sowie ein Stromfluss I_PM, der durch die getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter 120 erzeugt wird - und damit in Form von Strompulsen mit einer gewissen Frequenz vorliegt - gezeigt.
Wie vorstehend schon erläutert, kann es je nach Lage der Frequenz der Strompulse I_PM und der Resonanzfrequenz zueinander aufgrund einer Resonanzverstärkung zu einer Überlastung des Bordnetzes kommen, was bis zum Ausfall sämtlicher Komponenten am Bordnetz und damit des gesamten Fahrzeugs führen kann.
In 2 ist schematisch eine Anordnung mit zwei Stromrichtern 140 und 140' in einem Bordnetz 170 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei dieser Anordnung kann es sich um die Anordnung aus 1, jedoch erweitert um den Stromrichter 140' zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 100' handeln. Der Stromrichter 140' kann dabei wie der Stromrichter 140 aufgebaut sein.
Zusätzlich sind hier nun auch (ohmsche) Widerstände und Induktivitäten der Leitungen bzw. Kabel des Bordnetzes 170 dargestellt. Bei dieser Anordnung gibt es nun eine RLC-Schaltung, die durch die Batterie 160 und eine Parallelschaltung der Zwischenkreiskondensatoren der beiden Stromrichter 140 und 140' gebildet wird, und eine weitere RLC-Schaltung, die durch die Zwischenkreiskondensatoren der beiden Stromrichter 140 und 140' und die Induktivitäten (und Widerstände) der sie verbindenden Leitungen bzw. Kabel gebildet wird.
In den 3 bis 5 sind nun verschiedene Anordnungen mit jeweils einem Stromrichter 140 in einem Bordnetz 170 dargestellt, bei denen erfindungsgemäße Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen durchführbar sind. Die grundlegende Schaltung entspricht dabei jeweils derjenigen gemäß 1, sodass insofern auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.
Eine vorteilhafte Möglichkeit, eine ungewöhnliche Verstärkung einer Amplitude der Strompulse im Bordnetz zu erkennen, besteht nun darin, den Stromfluss im Bordnetz 170 mit einem Stromsensor 141 zu ermitteln bzw. zu messen, wie in 3 dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass direkt auf das Stromsignal zugegriffen werden kann und auf einfache Weise eine komplexe Signalverarbeitung 301 durchgeführt werden kann, um eine mögliche Verstärkung bzw. ein Überschreiten des Verstärkungsfaktors oder eine Überlast möglichst genau zu erkennen und Sicherheitsmaßnahme einzuleiten bzw. zu ergreifen.
Ein Stromsensor, insbesondere ein Gleichstromsensor, ist oftmals bereits in verschiedenen, hierzu betrachtenden Komponenten schon vorhanden, sodass in diesem Fall keine zusätzliche Hardware erforderlich ist.
Eine bevorzugte Möglichkeit zur Verarbeitung des Stromsignals besteht darin, das Stromsignal hinsichtlich derjenigen Frequenzen zu filtern, von denen bekannt ist oder bei denen davon auszugehen ist, dass sie (besonders) verstärkt werden. Dies kann beispielsweise durch Anwendung des Fourier-Integral-Operators oder eines digitalen oder eines analogen Bandfilters erfolgen.
Zum Beispiel ist bekannt, dass ein Wechselrichter, der eine elektrische Maschine bzw. die Halbleiterschalter mit einer Takt- bzw. PWM-Frequenz von 10 kHz ansteuert, hohe Ströme in dem Bordnetz bei einer Frequenz von 20 kHz anregt. Um zu sehen, um wieviel die Amplitude der 20-kHz-Stromkomponente im Bordnetz verstärkt wird, kann der gemessene Stromfluss mit folgendem Fourier-Integral berechnet werden: $I_{S,20 k H z} = \int_{Δ t} I_{n e t} sin (2 π \cdot 20.000 t) d t$
$I_{C,20 k H z} = \int_{Δ t} I_{n e t} cos (2 π \cdot 20.000 t) d t$
$| I_{20 k H z} | = \sqrt{I_{S,20 k H z}^{2} + I_{C,20 k H z}^{2}},$
wobei die ersten beiden Integrale bzw. Gleichungen den Sinus- bzw. Kosinus-Anteil angeben, I_net für den Strom im Zeitbereich des Bordnetzes steht und die dritte Gleichung die Amplitude der Komponente bei 20 kHz angibt.
Indem |I_20kHz| durch die I_PM-Komponente bei 20 kHz geteilt wird, wird der Verstärkungsfaktor ermittelt. Hierbei ist zu beachten, dass die I_PM-Komponente bzw. deren Amplitude bei 20 kHz normalerweise mit dem Arbeitspunkt der elektrischen Maschine zusammenhängt und bekannt oder zumindest einfach zu ermitteln ist. Hinsichtlich einer möglichen Berechnung der I_PM-Komponente sei auf die noch folgenden Ausführungen verwiesen. Für 20 kHz kann sie beispielsweise mittels Fourier-Integration berechnet werden, wie ebenfalls nachfolgend noch erläutert wird.
Falls das Bordnetz beispielsweise beschädigt, verändert oder hinsichtlich der Resonanzfrequenz schlecht dimensioniert wurde und eine Resonanzfrequenz bei der Erregerfrequenz von 20 kHz entsteht bzw. vorliegt, oder aber eine zu lange Überlastung bei der Erregerfrequenz von 20 kHz vorliegt, kann dies an dem Verstärkungsfaktor besonders schnell und einfach erkannt werden. Wenn der Verstärkungsfaktor und/oder die Amplitude |I_20kHz| einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise in Form einer maximalen Toleranzschwelle, überschreitet, wird im Block 302 eine der vorstehend erläuterten Sicherheitsmaßnahme eingeleitet.
In einer anderen, ggf. einfacheren, Ausführungsform kann der Schwellwert direkt auf das gemessene Stromsignal bzw. den Verstärkungsfaktor angewendet (d.h. mit diesem verglichen) werden, ohne den Strom hinsichtlich der Erregerfrequenzen zu filtern, wie dies vorstehend erläutert wurde. Der Vorteil hierbei ist eine einfachere Implementierung, wobei jedoch ggf. eine schlechtere Toleranz bei der Erkennung einer Überlast aufgrund der fehlenden Signalfilterung die Folge ist.
In einer alternativen oder zusätzlich verwendbaren Ausführungsform (oder Implementierung) kann ein quadratischer Mittelwert oder ein effektiver Wert des Stromflusses ermittelt oder auch geschätzt werden. Das Quadrat dieses Wertes ist dabei proportional zu den Verlusten, die durch den Stromfluss erzeugt werden. Um eine Überhitzung oder Überlast zu vermeiden, kann ein Schwellwert für diese Verluste, die ggf. über einen Zeitraum integriert werden, verwendet werden.
In einer Ausführungsform können diese Verluste verwendet werden, um eine oder mehrere Hotspot-Temperaturen zu berechnen, auf die ein Schwellwert angewendet wird. In einer weiteren Ausführungsform können die Verluste unter Berücksichtigung der Abhängigkeit des Widerstands von der Frequenz berechnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann für Komponenten wie Stromrichter, die einen Kondensator zwischen den positiven und negativen Gleichspannungsanschlüssen aufweisen, eine Spannung zwischen diesen Anschlüssen ermittelt bzw. gemessen werden, beispielsweise mit einem Spanungsmessgerät 142 wie in 4 gezeigt.
Denkbar ist hierbei, dass zusätzlich eine Messung kommutierter Ströme, wie beispielsweise der Phasenströme, mittels geeigneter Sensoren 143, wie in 4 gezeigt, vorgenommen wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Hardware erforderlich ist. In der Anordnung gemäß 4 ist zudem ein Signalverarbeitungsblock 401 (wie auch der Block 301 in 3) vorgesehen. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Eingänge hier die vom Spanungsmessgerät 142 erfasste Gleichspannung und der von der zuständigen Steuereinheit 150 (vgl. auch 1) bereitgestellte Schaltzustand sind. Denkbar ist auch ein Einlesen der Phasenströme.
Anhand von 4 ist zu erkennen, dass ein Inkrement ΔV der Spannung an dem Kondensator des Stromrichters multipliziert mit seiner Kapazität C gleich der in ihm fließenden Gesamtladung ist: $C \cdot Δ V = \int_{Δ t} I_{D C} d t + \int_{Δ t} I_{P M} d t .$
Dabei ist der Stromfluss I_PM gegeben durch die Summe des Stroms, der in jeden Highside-Brückenzweig fließt. Der Strom in jedem Highside-Brückenzweig ist dabei gleich dem Strom, der in der jeweiligen Brückenphase fließt, wenn der Highside-Brückenzweig Strom leitet, ansonsten ist er Null. Der High-Side-Brückenzweig leitet Strom, wenn sein High-Side-Schalter geschlossen ist, um Strom zu leiten, und wenn der Low-Side-Brückenzweig offen ist, um keinen Strom zu leiten, und Strom von der Phase in die Brücke fließt.
Dabei ist zu beachten, dass der Leitungszustand des High-Side-Brückenzweigs von dem Schaltzustand und der Richtung des Brückenphasenstroms abhängt. Mit der Kenntnis der Ströme im Schaltertreiber und der Phase ist der Schaltzustand der Brücke bekannt und kann einer Variablen B_State zugeordnet werden, die den Wert 1 annimmt, wenn der High-Side-Brückenzweig den Strom leitet, andernfalls 0. Der Strom I_PM ergibt sich dann zu: $I_{P M} = I_{U} \cdot B_{S t a t e, U} + I_{V} \cdot B_{S t a t e, V} + I_{W} \cdot B_{S t a t e, W}$
mit den drei Phasen U, V und W und den zughörigen Strömen und Schaltzuständen. Zusammen mit der vorangehenden Gleichung ergibt sich hieraus: $\int_{Δ t} I_{D C} d t = C \cdot Δ V + \int_{Δ t} (I_{U} \cdot B_{S t a t e, U} + I_{V} \cdot B_{S t a t e, V} + I_{W} \cdot B_{S t a t e, W}) d t .$
Unter der Annahme, dass das Zeitintervall Δt hinreichend klein ist, und wenn beide Teile der vorstehenden Gleichung hierdurch geteilt werden, ergibt sich der Wert des Stroms I_DC wie folgt: $I_{D C} = \frac{\int_{Δ t} I_{D C} d t}{Δ t} = \frac{C \cdot Δ V + \int_{Δ t} (I_{U} \cdot B_{S t a t e, U} + I_{V} \cdot B_{S t a t e, V} + I_{W} \cdot B_{S t a t e, W}) d t}{Δ t} .$
Hierbei ist zu beachten, dass der Strom I_DC immer noch ermittelt werden kann, falls für eine oder mehrere der Brücken kein Phasenstrom oder kein Brückenstrom verfügbar ist, jedoch ein Zeitpunkt existiert, zu dem alle High-Side-Schalter in einem nicht-leitenden Zustand sind (z.B. wenn auf der Low-Side ein Kurzschluss vorliegt) oder zu dem die Summe der High-Side-Ströme Null ist (z.B. wenn auf der High-Side ein Kurzschluss vorliegt).
Um Aliasing-Effekte zu vermeiden, können zusätzliche Schalterkombinationen oder ein Wechsel der Taktfrequenz eingeführt werden. Durch eine Berechnung des Grenzwerts Δt → 0 kann die vorstehende Gleichung wie folgt geschrieben werden: $I_{D C} = C \cdot \frac{d V}{d t} + I_{U} \cdot B_{S t a t e, U} + I_{V} \cdot B_{S t a t e, V} + I_{W} \cdot B_{S t a t e, W} = C \cdot \frac{d V}{d t} + I_{P M} .$
Für den Fall, dass der Stromrichter eine induktive Last wie beispielsweise eine elektrische Maschine ansteuert bzw. versorgt, hängt der Strom I_PM im Wesentlichen vom Arbeitspunkt ab und wird kaum vom Bordnetz beeinflusst. Für eine einfache Implementierung können die nötigen Werte dann auch vorab, beispielsweise in einer Entwicklungsphase und/oder bei Testmessungen ermittelt und hinterlegt werden. Eine Ableitung der Spannung kann hierbei auch im Frequenzraum vorgenommen werden.
Eine Berechnung des Stroms I_DC im Bordnetz durch Messung der Netzspannung im Bordnetz, wie sie hier für den Wechselrichter dargestellt ist, kann auch für jede andere Komponente durchgeführt werden, bei der die Netzspannung gemessen werden kann bzw. die entsprechend eingerichtet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Überwachung einer Welligkeit der Netzspannung ausreichen, um relevante oder gar gefährliche Fälle ungewöhnlicher Verstärkung der Strompulse oder einer Überlastung zu erkennen. Tatsächlich steigt, wenn der verstärkte Strom hoch ist, die durch C·ΔV in den vorstehenden Gleichungen gegebene Ladung an und wird mit dem integralen Teil auf der rechten Seite vergleichbar oder dominant. Daraus folgt, dass der zusätzliche ungewöhnliche Stromfluss im Bordnetz als zumindest teilweise oder nahezu vollständig proportional zum Inkrement der Netzspannungswelligkeit berücksichtigt werden kann. Abschließend kann der Schwellwert direkt auf die Spannungswelligkeit oder ein der Spannungswelligkeit proportionales Signal angewendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform können Frequenzoberwellen des in den Wechselrichter fließenden Gleichstroms, die entweder direkt gemessen oder indirekt aus der Messung der Spannung im Bordnetz (bzw. der Netzspannung) erhalten werden können, wie zuvor gezeigt, verwendet werden, um eine ungewöhnliche Verstärkung der Strompulse bzw. von deren Amplitude zu erfassen. Insbesondere dann, wenn ungewöhnliche Frequenzkomponenten besonders in dem Bereich auftreten, in dem die Komponente eine hohe Emission aufweist, wird der ungewöhnliche Zustand festgestellt. Der Schwellwert kann dann für eine entsprechende Erkennung angewendet werden. Eine ungewöhnliche Frequenzkomponente kann auch durch Vergleichen der Beziehung verschiedener Oberwellen zueinander festgestellt werden.
Da sich das Vorhandensein ungewöhnlicher Oberwellen im Stromfluss im Bordnetz auch auf die Gleichspannung im Bordnetz auswirkt, kann die Erkennung ungewöhnlicher Oberwellen im Stromfluss auch durch direktes Messen der Oberwellen in der Spannung und durch direktes Anwenden eines entsprechenden Schwellwerts erfolgen, wobei die Berechnung des Stroms selbst nicht nötig ist. Eine ungewöhnliche Frequenzkomponente kann auch in diesem Fall durch Vergleichen des Verhältnisses verschiedener Oberwellen der Spannung miteinander erfasst werden.
Zur Auswertung der Oberschwingungen von Strom bzw. Spannung kann ein Bandpassfilter für eine einfachere bzw. bequemere Anwendung verwendet werden.
Alle diese Methoden haben den Vorteil, dass sie sehr schnell durchzuführen sind und eine hohe Genauigkeit erreichen, um einen ungewöhnlichen Zustand zu erkennen, der zu gefährlichen Schäden führen kann. Dabei ist zu beachten, dass ungewöhnliche Bedingungen auch bei anderen Komponenten im Bordnetz zu Schäden führen können und eine Erkennung den Schutz und die Sicherheit des gesamten Systems erhöhen kann. In einem Block 402 kann auch hier eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet werden.
Die Überlastung der Leitungen bzw. Kabel im Bordnetz und von Elementen der beteiligten Komponenten führt in aller Regel nicht sofort zu ernsthaften Konsequenzen. Die Überlastung muss vielmehr für eine bestimmte Zeitdauer vorliegen, bevor die Sicherheit gefährdet wird (die Sicherheit ist normalerweise gefährdet, wenn die Temperaturen der Elemente ihre Grenzen erreichen, was typischerweise einige Zeit in Anspruch nimmt).
Es hat sich zudem noch gezeigt, dass auch nicht-elektrische Effekte festgestellt werden können, um auf eine ungewöhnliche Stromverstärkung oder Überlastung zu schließen. Beispielsweise kann die Temperatur der Elemente oder Komponenten, die überlastet sein könnten (wie Kabel, Stecker, interne Verdrahtungen, Kondensator und dergleichen), direkt oder indirekt gemessen werden, indem die Umgebungstemperatur oder direkt die Temperatur solche Elemente oder Komponenten ermittelt bzw. gemessen wird.
Wenn die gemessene Temperatur auf eine ungewöhnliche bzw. nicht plausible Weise ansteigt, kann von einer ungewöhnlichen Stromverstärkung oder eine Überlastung ausgegangen werden. Auch eine Abweichung zwischen der gemessenen Temperatur und einer modellbasiert ermittelten Temperatur derselben Komponenten kann zur Erkennung einer ungewöhnlichen Stromverstärkung oder von Überlastungsfällen verwendet werden. Bei beiden Methoden (nicht plausible Temperaturerhöhung und Abweichung von der modellierten Temperatur) kann der Effekt kurz sein und der Schwellenwert wird nicht erreicht. Nichtsdestotrotz können durch Kumulieren und Gewichten dieser Effekte über die Zeit ungewöhnliche Stromverstärkungen oder Überlastungsfälle erkannt und verhindert werden.
In 5 ist ein Beispiel für die Implementierung dieser eben erwähnten Ausführungsform dargestellt. Hier sind beispielhaft zwei Temperatursensoren 144 in der Nähe des Kondensators (ggf. auch in dessen Inneren), sowie der Kabel, Stecker, interne Leitungen und dergleichen gezeigt. Die gemessenen Temperaturen können dann zuerst mit einem mittels eines Modells 501 berechneten Erwartungswert verglichen werden.
Wenn die Abweichung zwischen den beiden Temperaturen zu hoch ist, also die gemessene Temperatur einen vom Erwartungs- bzw. Vergleichswert abhängigen Schwellwert überschreitet, kann auf eine ungewöhnliche Überlastsituation geschlossen und in einem Block 502 eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet werden. Die gemessene Temperatur kann ferner in einem Beobachter verwendet werden, um die Temperatur von Kabeln, Steckern, internen Verdrahtungen oder Kondensatoren abzuschätzen. Wenn die berechnete Temperatur zu hoch ist, kann auf eine Überlastsituation geschlossen und eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet werden.
An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass auch mehrere der vorgeschlagenen Varianten, wie sie beispielsweise in den 3 bis 5 gezeigt sind, kombiniert werden können. Denkbar ist beispielsweise eine Messung der Spannung und der Temperatur.
In 6 sind die vorstehend erläuterten Verfahren nochmals allgemein in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Ablauf dargestellt. In einem Schritt 600 wird - insbesondere regelmäßig oder wiederholt - ein Verstärkungsfaktor F ermittelt, der ein Verhältnis eines gemessenen bzw. ermittelten Werts M beispielsweise eines Effektivwerts von Strompulsen zu einem erwarteten bzw. Referenzwert R angibt.
Dieser Verstärkungsfaktor F wird in einem Schritt 610 mit einem Schwellwert Fs verglichen und wenn dieser Verstärkungsfaktor F den Schwellwert F_S überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass eine Überlastung des Bordnetzes vorliegt und es wird in einem Schritt 620 eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet, wie vorstehend schon ausführlich erläutert.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes (170) eines Fahrzeugs, an das eine Komponente (140, 140') angeschlossen ist, durch welche im regulären Betrieb Strompulse (I_PM) im Bordnetz (170) erzeugt werden, wobei ein Verstärkungsfaktor (F) ermittelt wird, der eine Verstärkung einer Amplitude der Strompulse (I_PM) im Bordnetz (170) relativ zur entsprechenden Amplitude bei Erzeugung in der Komponente (140, 140') angibt, und wobei, wenn der Verstärkungsfaktor (F) einen vorgegebenen Schwellwert (F_s) überschreitet, wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme (502) für das Bordnetz (170) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme ausgewählt ist aus: Abschalten der Komponente (140, 140'), Verbringen der Komponente (140, 140') in einen Sicherheitsmodus, Ändern eines Energieverbrauchs der Komponente (140, 140'), Ändern einer Betriebszeit der Komponente (140, 140'), Ändern einer Taktfrequenz der Komponente (140, 140'), Informieren einer der Komponente übergeordneten Einheit, und Informieren eines Fahrers des Fahrzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln des Verstärkungsfaktors (F) umfasst, dass ein Stromfluss (I_DC) in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Verstärkungsfaktors (F) umfasst, dass eine Spannung in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Verstärkungsfaktors (F) umfasst, dass eine Temperatur in dem Bordnetz und/oder in der Komponente ermittelt, insbesondere gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Verstärkungsfaktors (F) und/oder das Einleiten der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme (502) in der Komponente durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Verstärkungsfaktors (F) und/oder das Einleiten der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme (502) in einer von der Komponente verschiedenen, weiteren, insbesondere übergeordneten, Komponente durchgeführt wird.
Recheneinheit (140, 150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140, 150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140, 150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.