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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit ein oder mehreren sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Sicherstellung der Energieversorgung von ein oder mehreren sicherheitsrelevanten Verbrauchern während eines Unfallereignisses.
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Ein Fahrzeug weist typischerweise ein elektrisches Bordnetz mit elektrischen Verbrauchern auf, wobei das Bordnetz durch eine Energieversorgungseinheit, insbesondere durch einen elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Generator und/oder einen Gleichspannungswandler, mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Das Bordnetz und/oder ein oder mehrere elektrische Verbraucher können über ein oder mehrere elektromechanische Schaltelemente, insbesondere Relais, mit der Energieversorgungseinheit gekoppelt sein, z.B. um das Bordnetz und/oder die ein oder mehreren elektrischen Verbraucher bei Bedarf, etwa zur Reduzierung des Ruhestroms und/oder aus Sicherheitsgründen, von der Energieversorgungseinheit trennen zu können.
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Andererseits kann es in bestimmten Situationen erforderlich sein, dass ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein im Falle eines Unfallereignisses sicherheitsrelevanter Verbraucher, mit der Energieversorgungseinheit gekoppelt bleibt. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, auch bei Verwendung eines elektromechanischen Schaltelements eine zuverlässige Anbindung eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers an eine Energieversorgungseinheit zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements beschrieben, das eingerichtet ist, einen elektrischen Verbraucher eines (Kraft-) Fahrzeugs mit einer Energieversorgungseinheit zu verbinden (z.B. wenn sich das Schaltelement in der Geschlossenstellung befindet) oder davon zu trennen (z.B. wenn sich das Schaltelement in der Offenstellung befindet). Das Schaltelement kann ein bistabiles Schaltelement sein, das stromlos durch eine (mechanische, etwa durch eine Feder-) Haltekraft in der Offenstellung oder alternativ in der Geschlossenstellung gehalten wird. Insbesondere kann das Schaltelement ein elektromechanisches, bistabiles, Relais sein.
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Die Energieversorgungseinheit kann einen elektrischen Energiespeicher (etwa eine elektrochemische Batterie, wie z.B. eine Lithium-Ionen basierte Batterie) umfassen. Der elektrische Verbraucher kann ein für ein Unfallereignis des Fahrzeugs sicherheitsrelevanter Verbraucher sein. Insbesondere kann der elektrische Verbraucher ausgebildet sein, während eines Unfallereignisses des Fahrzeugs eine Schutzfunktion zum Schutz des Fahrzeugs und/oder zum Schutz eines Insassen des Fahrzeugs auszuführen. Beispielsweise kann der elektrische Verbraucher einen Aktuator für einen Gurtstraffer und/oder für ein Airbag-Modul umfassen.
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Der elektrische Verbraucher kann während des (Fahr-) Betriebs des Fahrzeugs über das Schaltelement mit der Energieversorgungseinheit verbunden sein. Insbesondere kann sich das Schaltelement während des (Fahr-) Betriebs des Fahrzeugs in der Geschlossenstellung befinden, so dass der elektrische Verbraucher elektrisch leitend mit der Energieversorgungseinheit verbunden ist (und somit mit elektrischer Energie aus der Energieversorgungseinheit versorgt werden kann).
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein Unfallereignis des Fahrzeugs zu detektieren. Das Unfallereignis des Fahrzeugs kann z.B. auf Basis von Sensordaten von ein oder mehreren Sensoren, insbesondere von einem Beschleunigungssensor und/oder von einem Gierratensensor, des Fahrzeugs detektiert werden. Basierend auf den Sensordaten kann insbesondere ein Unfallsignal generiert und auf einen Datenbus des Fahrzeugs gelegt werden oder es kann ein diskretes Spannungs- bzw. Stromsignal erzeugt werden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Unfallereignis des Fahrzeugs auf Basis des Unfallsignals auf dem Datenbus oder auf Basis des diskreten Spannungs- bzw. Stromsignals des Fahrzeugs zu detektieren. Das Unfallereignis kann z.B. an einem Detektions-Zeitpunkt von der Steuereinheit detektiert werden.
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Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, in Reaktion auf das Detektieren des Unfallereignisses, das Schaltelement aktiv anzusteuern, um zu bewirken, dass der elektrische Verbraucher zumindest zeitweise während des Unfallereignisses mit der Energieversorgungseinheit verbunden bleibt. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet ist, in Reaktion auf das Detektieren des Unfallereignisses, das Schaltelement aktiv mit einem Ansteuersignal anzusteuern, wobei das Ansteuersignal dafür ausgelegt ist, das Schaltelement (ausgehend von der Offenstellung) in die Geschlossenstellung zu schalten.
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Wie bereits oben dargelegt, kann das Schaltelement ausgebildet sein, durch eine Haltekraft stromlos in der Geschlossenstellung gehalten zu werden. Das Ansteuersignal kann derart ausgelegt sein, dass durch das Ansteuersignal zusätzlich zu der Haltekraft eine Ansteuerkraft bewirkt wird, die das Schaltelement zusätzlich zu der Haltekraft in der Geschlossenstellung hält.
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Durch das aktive Ansteuern des Schaltelements infolge eines detektierten Unfallereignisses, kann in zuverlässiger Weise vermieden werden, dass das Schaltelement durch eine mechanische Kraft, die während des Unfallereignisses auf das Schaltelement einwirkt (aufgrund der Bewegung des Fahrzeugs während des Unfallereignisses), in die Offenstellung geschaltet wird. Somit kann die Energieversorgung des (sicherheitsrelevanten) elektrischen Verbrauchers während des Unfallereignisses in effizienter und zuverlässiger Weise gewährleistet werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Schaltelement ab einem auf den Detektions-Zeitpunkt nachfolgenden Ansteuer-Zeitpunkt aktiv mit dem Ansteuersignal anzusteuern, um zu bewirken, dass der elektrische Verbraucher zumindest zeitweise während des Unfallereignisses mit der Energieversorgungseinheit verbunden bleibt. Der Ansteuer-Zeitpunkt kann dabei um 100ms oder weniger oder um 10ms oder weniger auf den Detektions-Zeitpunkt folgen. Es kann somit eine unmittelbare Reaktion der Steuereinheit bewirkt werden, um das Schaltelement in besonders zuverlässiger Weise in der Geschlossenstellung zu halten.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Schaltelement (ab dem Ansteuer-Zeitpunkt) für einen Ansteuerzeitraum (dauerhaft) aktiv anzusteuern. Der Ansteuerzeitraum kann dabei von der tatsächlichen Dauer des Unfallereignisses abhängen (die z.B. auf Basis der Sensordaten der ein oder mehreren Sensoren des Fahrzeugs ermittelt werden kann). Alternativ oder ergänzend kann der Ansteuerzeitraum von einer vordefinierten Sicherheitszeitdauer abhängen, während der der elektrische Verbraucher bei einem Unfallereignis mit elektrischer Energie versorgt werden soll. Die Sicherheitszeitdauer kann von einem Sicherheitskonzept des Fahrzeugs abhängen und kann im Vorfeld (z.B. im Rahmen der Entwicklung des Fahrzeugs) festgelegt worden sein. Durch das dauerhafte Ansteuern des Schaltelements für einen Ansteuerzeitraum kann das Schaltelement in besonders zuverlässiger Weise in der Geschlossenstellung gehalten werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements beschrieben, das eingerichtet ist, einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs mit einer Energieversorgungseinheit zu verbinden oder davon zu trennen. Das Verfahren umfasst das Detektieren eines Unfallereignisses des Fahrzeugs. Des Weiteren umfasst das Verfahren, in Reaktion darauf, das Ansteuern des Schaltelements, um zu bewirken, dass der elektrische Verbraucher zumindest zeitweise (oder über den gesamten Zeitraum) während des Unfallereignisses mit der Energieversorgungseinheit verbunden bleibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem elektromechanischen Relais;
- 2a und 2b beispielhafte Signale während eines Unfallereignisses; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Sicherstellung der Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers während eines Unfallereignisses.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchers, eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einem beispielhaften sicherheitsrelevanten Verbraucher 105, z.B. einem Auslöser für einen Gurtstraffer, einem Auslöser für ein Airbag-Modul, einer Kommunikationseinheit zum automatischen Absetzen eines Notrufs, etc. Der elektrische Verbraucher 105 ist über ein elektromechanisches Relais 103 an eine Energieversorgungseinheit 104 angebunden, die eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb des Verbrauchers 105 bereitzustellen.
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Das Relais 103 kann ein bistabiles Relais sein, das in der Offenstellung und in der Geschlossenstellung jeweils stromlos gehalten werden kann. Die jeweilige Stellung kann dabei durch eine Haltekraft gehalten werden. Die Haltekraft für die jeweilige Stellung kann z.B. durch eine mechanische Feder bewirkt werden. In der Offenstellung ist der elektrische Verbraucher 105 von der Energieversorgungseinheit 104 getrennt, und wird somit nicht mit elektrischer Energie aus der Energieversorgungseinheit 104 versorgt. In der Geschlossenstellung ist der elektrische Verbraucher 105 mit der Energieversorgungseinheit 104 gekoppelt, und kann somit mit elektrischer Energie aus der Energieversorgungseinheit 104 versorgt werden.
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Das Fahrzeug 100 umfasst eine Steuereinheit 101, die eingerichtet ist, das Relais 103 anzusteuern. Insbesondere kann durch die Steuereinheit 101 ein Ansteuersignal bewirkt werden, um das Relais 103 von der Geschlossenstellung in die Offenstellung, oder umgekehrt von der Offenstellung in die Geschlossenstellung zu überführen. Durch das Ansteuersignal kann eine Ansteuerkraft auf das Relais 103 bewirkt werden, die in die jeweilige Zielstellung des Ansteuersignals (z.B. die Geschlossenstellung bzw. die Offenstellung) wirkt. Die Ansteuerkraft ist dabei ausreichend groß, um die Haltekraft in der jeweiligen Ausgangsstellung des Relais 103 zu überwinden.
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Das Fahrzeug 100 kann ein oder mehrere Sensoren 102 umfassen, die eingerichtet sind, Sensordaten in Bezug auf ein Unfallereignis zu erfassen. Ein beispielhafter Sensor 102 ist ein Beschleunigungssensor, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf die Beschleunigung des Fahrzeugs 100 zu erfassen. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, auf Basis der Sensordaten der ein oder mehreren Sensoren 102 ein Unfallereignis des Fahrzeugs 100 zu detektieren. Ein detektiertes Unfallereignis kann dabei durch ein Unfall- bzw. Crashsignal angezeigt werden, das z.B. auf einen Datenbus des Fahrzeugs 100 gelegt werden kann.
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Durch die bei einem Unfallereignis wirkende Kraft, in diesem Dokument auch als Unfallkraft bezeichnet, kann es vorkommen, dass die Haltekraft des Relais 103 überwunden wird, und dadurch die Stellung des Relais 103 verändert wird. Insbesondere kann die Unfallkraft größer als die Haltekraft des Relais 103 sein, und dadurch bewirken, dass das Relais 103 während des Unfallereignisses von der Geschlossenstellung in die Offenstellung übergeht, und somit den elektrischen Verbraucher 105 von der Energieversorgungseinheit 104 trennt.
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2a zeigt beispielhafte Signale während eines Unfallereignisses. Insbesondere zeigt 2a die von einem Sensor 102 des Fahrzeugs 100 erfasste Beschleunigung 201 des Fahrzeugs 100 während eines Unfallereignisses. Basierend auf der Beschleunigung 201 des Fahrzeugs 100 kann das Unfallereignis detektiert werden, was durch die Ausgabe eines Unfallsignals 202 an dem Detektions-Zeitpunkt 211 angezeigt werden kann.
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Ferner zeigt 2a das Ansteuersignal 203 zur Ansteuerung des Relais 103. Da das Relais 103 auch während des Unfallereignisses in der Geschlossenstellung verbleiben soll, wird in dem in 2a dargestellten Beispiel von der Steuereinheit 101 kein Ansteuersignal 203 erzeugt. Dennoch erfolgt an dem Zeitpunkt 212 aufgrund der während des Unfallereignisses wirkenden Unfallkraft ein Wechsel der Stellung 205 des Relais 103 von der Geschlossenstellung (dargestellt durch das „High“-Niveau) in die Offenstellung (dargestellt durch das „Low“-Niveau). Folglich erfolgt in dem Zeitraum 213 des Unfallereignisses eine fehlerhafte Trennung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 105 von der Energieversorgungseinheit 104.
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Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, in Reaktion auf ein erkanntes Unfallereignis, insbesondere in Reaktion auf das Unfallsignal 202, ein Ansteuersignal 203 auszugeben, durch das das Relais 103 veranlasst wird, in die Geschlossenstellung überzugehen oder (wenn sich das Relais 103 bereits in der Geschlossenstellung befindet) in der Geschlossenstellung zu verbleiben. Dies ist beispielhaft in 2b dargestellt. Insbesondere ist aus 2b zu entnehmen, dass an dem Ansteuer-Zeitpunkt 214, der dem Detektions-Zeitpunkt 211 nachfolgt, ein Ansteuersignal 203 generiert wird, um das Relais 103 in die Geschlossenstellung zu versetzen bzw. darin zu halten. Das Ansteuersignal 203 kann dabei dauerhaft für einen bestimmten Ansteuerzeitraum 215 bewirkt werden. Der Ansteuerzeitraum 215 kann von der Dauer des Unfallereignisses abhängen. Alternativ oder ergänzend kann der Ansteuerzeitraum 215 davon abhängen, wie lange der sicherheitsrelevante Verbraucher 105 bei einem Unfallereignis mit elektrischer Energie versorgt werden sollte, um eine für das Unfallereignis sicherheitsrelevante Funktion auszuüben.
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Durch das Bewirken eines Ansteuersignals 203 wird eine Ansteuerkraft bewirkt, die sich zu der Haltekraft des Relais 103 hinzuaddiert. Als Folge daraus kann zuverlässig vermieden werden, dass das Relais 103 durch die Unfallkraft in die Offenstellung überführt wird. Das Relais 103 kann somit während des Unfallzeitraums zuverlässig in der Geschlossenstellung gehalten werden, so dass eine zuverlässige Energieversorgung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 105 gewährleistet werden kann.
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Wie bereits weiter oben dargelegt, kann ein Relais 103 je nach Bauart empfindlich gegenüber mechanischen Beschleunigungen bzw. Schocks und den dadurch auftretenden Kräften auf die internen Bauteile, wie z.B. den Schaltkontakt des Relais 103, sein. Bei einem mechanischen Schock kann es möglich sein, dass sich der Schaltkontakt unbeabsichtigt bewegt und somit öffnet oder schließt. Insbesondere bei einem bistabilen Relais 103 kann es dadurch passieren, dass nach der Schockbeaufschlagung der Schaltkontakt nicht mehr in die Ausgangslage zurückkehrt, sondern im „falschen“ Schaltzustand verbleibt. Bei der Verwendung eines bistabilen Relais 103 in einer Energieversorgungseinheit 104 (insbesondere in einer Batterie) in einem Fahrzeug 100 ergibt sich somit der Nachteil, dass bei einem Crash durch den auftretenden mechanischen Schock und durch die daraus resultierende Unfallkraft auf den Schaltkontakt das Relais 103 abschaltet, auch wenn aufgrund einer sicheren Energieversorgung keine Abschaltung erfolgen sollte.
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Durch eine optimierte Ansteuerung des bistabilen Relais 103 im Crash-Fall kann, wie in 2b dargestellt, ein unabsichtliches Öffnen des Relais 103 verhindert werden. Zu diesem Zweck wird für einen bestimmten Ansteuerzeitraum 215 der Schaltkontakt des Relais 103 aktiv in der Schaltstellung „geschlossen“ festgehalten. Der Ansteuerzeitraum 215 kann derart gewählt werden, dass die sichere Energieversorgung so lange sichergestellt ist, wie es ein vordefiniertes Sicherheitskonzept des Fahrzeugs 100 erfordert und/oder bis das Crash-Ereignis vorüber ist.
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Bei Vorliegen eines Crashsignals kann die Relaisspule mit einem Steuerimpuls 203 „Relais schließen“ über einen Ansteuerzeitraum 215 permanent angesteuert werden, wodurch der Schaltkontakt durch die zusätzliche Ansteuerkraft aktiv in der Schaltstellung „geschlossen“ gehalten wird. Es wird somit zusätzlich zu der Haltekraft, die den Schaltkontakt stromlos in der jeweiligen Stellung hält, eine zusätzliche Ansteuerkraft erzeugt, die den Kontakt verstärkt in der gewünschten Position hält und ein unbeabsichtigtes Umschalten des Relais 103 verhindert.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 300 zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements 103 (insbesondere eines Relais), das eingerichtet ist, einen elektrischen Verbraucher 105 eines Fahrzeugs 100 mit einer Energieversorgungseinheit 104 (insbesondere mit einem elektrischen Energiespeicher) zu verbinden oder davon zu trennen. Dabei ist der elektrische Verbraucher 105 während des (Fahr-) Betriebs des Fahrzeugs 100 typischerweise über das Schaltelement 103 mit der Energieversorgungseinheit 104 verbunden. Zu diesem Zweck kann sich das Schaltelement 103 während des (Fahr-) Betriebs in der Geschlossenstellung (d.h. in dem geschlossenen Zustand) befinden.
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Das Verfahren 300 umfasst das Detektieren 301 eines Unfallereignisses des Fahrzeugs 100. Z.B. kann detektiert werden, dass ein Unfallsignal 202 auf einen Datenbus des Fahrzeugs 100 gelegt wurde.
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Das Verfahren 300 umfasst ferner, in Reaktion auf das detektierte Unfallereignis, das Ansteuern 302 des Schaltelements 103, um zu bewirken, dass der elektrische Verbraucher 105 zumindest zeitweise während des Unfallereignisses mit der Energieversorgungseinheit 105 verbunden bleibt. Insbesondere kann das Schaltelement 103 für einen bestimmten Ansteuerzeitraum 215 nach Detektieren des Unfallereignisses mit dem Ansteuersignal 203 angesteuert werden, wobei das Ansteuersignal 203 darauf ausgerichtet ist, das Schaltelement 103 in die Geschlossenstellung zu versetzen.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein unbeabsichtigtes Öffnen des Schaltelements, insbesondere des Relais, 103 durch ein Crash-Event zuverlässig verhindert werden. Als Folge daraus können der Ausfall der sicheren Energieversorgung verhindert bzw. die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der sicheren Energieversorgung reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
