DE102020120783A1 - Method and device for operating a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes. Das Verfahren (100) umfasst: Bestimmen von Energieeinträgen in einzelne Komponenten aus mittleren Komponentenströmen (210, 220, 230); Summieren der Energieeinträge über aufeinanderfolgende Zeitintervalle (280, 290, 300); Verringern der Summe der Energieeinträge um einen Konvektionsverlust; Begrenzen der maximalen Komponentenströme (260), falls die Summe der Energieeinträge eine erste Schwelle erreicht oder überschreitet; und Zurücknehmen des Begrenzens der maximalen Komponentenströme (260), wenn der Energieeintrag, nach Subtrahieren von Konvektionsverlusten, eine zweite Schwelle unterschreitet. Die Erfindung ermöglicht eine bedarfsgerechte Auslegung des Kraftfahrzeugbordnetzes. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer derartigen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method (100) for operating a vehicle electrical system. The method (100) includes: determining energy inputs into individual components from average component flows (210, 220, 230); summing the energy inputs over consecutive time intervals (280, 290, 300); reducing the sum of the energy inputs by a convection loss; limiting the maximum component currents (260) if the sum of the energy inputs reaches or exceeds a first threshold; and withdrawing the limitation of the maximum component currents (260) if the energy input falls below a second threshold after subtracting convection losses. The invention enables the vehicle electrical system to be designed as required. The invention also relates to a device for carrying out the method, a vehicle electrical system with such a device and a motor vehicle.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer derartigen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Kraftfahrzeugbordnetz.The present invention relates to a method for operating a motor vehicle on-board network and a device for carrying out the method, a motor vehicle on-board network with such a device and a motor vehicle with such a motor vehicle on-board network.
Ein Kraftfahrzeugbordnetz verbindet elektrische Komponenten eines Kraftfahrzeugs und versorgt zahlreiche Verbraucher mit elektrischer Energie. Anzahl und Leistung elektrischer Verbraucher im Kraftfahrzeug nehmen zu und erfordern eine Auslegung des Kraftfahrzeugbordnetzes mit verstärkten Leiterquerschnitten, Kabelsträngen, Sicherungen, Steckverbindungen, Schaltvorrichtungen und Spannungswandlern. Die Auslegung hat erhebliche Auswirkungen auf Kosten und Gewicht eines Fahrzeugs. Es wäre daher wünschenswert, das Kraftfahrzeugbordnetz nicht nach der Summe der maximalen Dauerlast aller Komponenten, sondern nach einer durchschnittlichen Betriebslast auszulegen, die im Fahrzeugbetrieb im zeitlichen Mittel zu erwarten ist.A motor vehicle electrical system connects electrical components of a motor vehicle and supplies numerous consumers with electrical energy. The number and power of electrical consumers in motor vehicles are increasing and require the vehicle electrical system to be designed with reinforced conductor cross-sections, cable harnesses, fuses, plug connections, switching devices and voltage converters. The design has a significant impact on the cost and weight of a vehicle. It would therefore be desirable to design the vehicle electrical system not according to the sum of the maximum continuous load of all components, but according to an average operating load that is to be expected over time during vehicle operation.
Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Bordnetzes bleiben nur gewährleistet, wenn das Bordnetz die Fähigkeit besitzt, bei Überschreiten einer maximalen Strombelastung bzw. eines maximalen Energieeintrags pro Zeiteinheit in einzelnen Bordnetzzweigen die dort auftretende Strombelastung vorübergehend zu reduzieren bzw. einzelne nicht ständig erforderliche Komponenten zeitweise abzuschalten.Functionality and reliability of the vehicle electrical system can only be guaranteed if the vehicle electrical system is able to temporarily reduce the current load occurring there or temporarily switch off individual components that are not constantly required if a maximum current load or a maximum energy input per unit of time is exceeded in individual vehicle electrical system branches.
Die vorliegende Erfindung definiert als Komponenten des Fahrzeugbordnetzes sowohl die elektrischen Verbraucher im Bordnetz als auch die Elemente des Bordnetzes selbst, wie z.B. elektrische Leitungen, Kabelstränge, Sicherungen, Steckverbindungen, Schaltvorrichtungen und Spannungswandler, die der Steuerung und Verteilung elektrischer Energie dienen. Auch diese Elemente unterliegen einem Energieeintrag und einer elektrischen Verlustleistung und Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von der Strombelastung des entsprechenden Bordnetzzweiges.The present invention defines as components of the vehicle electrical system both the electrical consumers in the vehicle electrical system and the elements of the vehicle electrical system itself, such as electrical lines, cable harnesses, fuses, plug connections, switching devices and voltage converters, which are used to control and distribute electrical energy. These elements are also subject to an energy input and an electrical power loss and temperature increase depending on the current load of the corresponding branch of the vehicle electrical system.
Aus dem Dokument
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer derartigen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Kraftfahrzeugbordnetz zur Verfügung zu stellen.It is an object of the invention to provide a method for operating a motor vehicle on-board network and a device for carrying out the method, a motor vehicle on-board network with such a device and a motor vehicle with such a motor vehicle on-board network.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie durch ein Kraftfahrzeugbordnetz und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.The object is achieved by a method and a device and by a vehicle electrical system and a motor vehicle according to the independent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes, wobei das Verfahren für einzelne Komponenten des Kraftfahrzeugbordnetzes umfasst: (a) Bestimmen von Energieeinträgen Ei = I2 * Δti in die einzelnen Komponenten aus mittleren Komponentenströmen I(Δti) in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitintervallen Δti; (b) Summieren der Energieeinträge Ei = I2 * Δti in die einzelnen Komponenten über die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle Δti bis zum Ende eines Zeitintervalls Δtn; (c) Verringern der Summe der Energieeinträge Ei = I2 * Δti in jedem Zeitintervall Δti um einen Konvektionsverlust Ek; (d) Begrenzen der Komponentenströme I(Δtk) in Zeitintervallen Δtk nach dem Ende des Zeitintervalls Δtn, auf einen maximalen Komponentenstrom Imax, falls die Summe der Energieeinträge Ei = I2 * Δti in die einzelnen Komponenten über die Zeitintervalle Δti bis zum Ende des Zeitintervalls Δtn,nach Subtrahieren der Konvektionsverluste Ek, eine erste Schwelle Emax überschreitet; und (e) Zurücknehmen des Begrenzens der Komponentenströme I(Δtj) in den Zeitintervallen Δtj nach dem Ende eines Zeitintervalls Δtm, wenn nach dem Ende des Zeitintervalls Δtn, bis zu dem Ende des Zeitintervalls Δtm, der Energieeintrag Ek = I2 * Δtk in jedem Zeitintervall Δtk eine zweite Schwelle Emin unterschreitet.A first aspect of the invention relates to a method for operating a vehicle electrical system, the method for individual components of the vehicle electrical system comprising: (a) determining energy inputs Ei = I 2 * Δt i in the individual components from average component currents I (Δt i ) in several consecutive time intervals Δt i ; (b) summation of the energy inputs Ei=I 2 *Δt i into the individual components over the successive time intervals Δt i up to the end of a time interval Δt n ; (c) reducing the sum of the energy inputs Ei=I 2 *Δt i in each time interval Δt i by a convection loss E k ; (d) Limiting the component currents I(Δt k ) in time intervals Δt k after the end of the time interval Δt n to a maximum component current Imax if the sum of the energy inputs Ei = I 2 * Δt i in the individual components over the time intervals Δt i by the end of the time interval Δt n , after subtracting the convection losses E k , exceeds a first threshold Emax; and (e) withdrawing the limiting of the component currents I(Δt j ) in the time intervals Δtj after the end of a time interval Δt m , if after the end of the time interval Δt n , up to the end of the time interval Δt m , the energy input E k = I 2 * Δt k falls below a second threshold E min in each time interval Δt k .
Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der Vorteil erreicht, dass das Bordnetz bedarfsgerecht ausgelegt werden kann und eine Überauslegung vermieden wird. Die Energieeinträge Ei = I2 * Δti in die einzelnen Komponenten des Bordnetzes werden aus den mittleren Komponentenströmen I(Δti) der Zeitintervalle Δti ermittelt und aufsummiert. Unter der vereinfachenden Annahme einer näherungsweise konstanten Wärmeableitung wird in jedem Zeitintervall eine vorgegebene Konvektionsenergie Ek subtrahiert. Überschreitet die Energiebilanz zum Ende eines Zeitintervalls Δtn eine vorgegebene Schwelle Emax, wird der Komponentenstrom I(Δtk) in den folgenden Zeitintervallen Δtk auf einen vorgegebenen Maximalstrom Imax begrenzt. Unterschreitet die Energiebilanz Ek = I2 * Δtk infolge eines geringen Energieeintrags und der Wärmeableitung eine vorgegebene Schwelle Emin über mehrere Zeitintervalle Δtk, wird die Begrenzung des Komponentenstrom I(Δtk) wieder aufgehoben. Somit wird der Energieeintrag in die einzelnen Komponenten des Bordnetzes begrenzt.The advantage achieved by the teaching according to the invention is that the vehicle electrical system can be designed as required and over-design is avoided. The energy inputs Ei=I 2 *Δt i into the individual components of the vehicle electrical system are determined from the mean component currents I(Δt i ) of the time intervals Δt i and added up. Under the simplifying assumption of an approximately constant heat dissipation, a given convection energy E k is subtracted in each time interval. Exceeds the energy balance at the end a time interval Δt n reaches a predetermined threshold Emax, the component current I(Δt k ) is limited to a predetermined maximum current Imax in the following time intervals Δt k . If the energy balance E k =I 2 *Δt k falls below a predetermined threshold E min over several time intervals Δt k as a result of a low energy input and heat dissipation, the limitation of the component current I(Δt k ) is lifted again. This limits the energy input into the individual components of the vehicle electrical system.
Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung umfasst das Verfahren für die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugbordnetzes weiterhin: (f) Begrenzen der Komponentenströme I(Δtk), unabhängig von dem ermittelten Energieeintrag in die einzelnen Komponenten, bei Überschreiten einer ersten Betriebstemperatur auf einen maximalen Komponentenstrom Imax; und (g) Zurücknehmen des Begrenzens der Komponentenströme I(Δtj), abhängig von dem ermittelten Energieeintrag in die einzelnen Komponenten, bei Unterschreiten einer zweiten Betriebstemperatur.According to a first exemplary embodiment, the method for the individual components of the vehicle electrical system also includes: (f) limiting the component currents I(Δt k ), independent of the determined energy input into the individual components, when a first operating temperature is exceeded to a maximum component current I max ; and (g) withdrawing the limitation of the component currents I(Δt j ), depending on the ascertained energy input into the individual components, when the temperature falls below a second operating temperature.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die tatsächliche Betriebstemperatur der Komponenten bei der Leistungsreduzierung berücksichtigt wird und eine noch zuverlässigere Leistungsüberwachung ermöglicht wird. Die Betriebstemperatur kann zusätzlich von der Umgebungstemperatur abhängig sein. Die erste und die zweite Betriebstemperatur sind vorgegebene Konstanten.This refinement has the advantage that the actual operating temperature of the components is taken into account when the power is reduced and even more reliable power monitoring is made possible. The operating temperature can also depend on the ambient temperature. The first and second operating temperatures are predetermined constants.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Stromsensoren sowie eine Recheneinheit umfasst und eingerichtet ist, Stromaufnahmen einzelner Komponenten eines Kraftfahrzeugbordnetzes zu erfassen, einen Energieeintrag in die einzelnen Komponenten zu bestimmen, die Energieeinträge in die einzelnen Komponenten aufzusummieren und mit Schwellenwerten zu vergleichen, und bei Überschreitung eines Schwellenwertes mittels einer Kommunikationsschnittstelle Steuersignale zur Reduzierung der Stromaufnahme an die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugbordnetzes zu senden oder die einzelnen Komponenten abzuschalten.A second aspect of the invention relates to a device for performing the method, wherein the device comprises one or more current sensors and a computing unit and is set up to detect current consumption of individual components of a motor vehicle electrical system, to determine an energy input into the individual components, the energy inputs into the individual To add up components and to compare them with threshold values, and to send control signals to reduce the power consumption to the individual components of the motor vehicle electrical system by means of a communication interface when a threshold value is exceeded, or to switch off the individual components.
Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung weiterhin einen oder mehrere Temperatursensoren und ist eingerichtet, Betriebstemperaturen einzelner Komponenten zu erfassen und auszuwerten.According to a first exemplary embodiment, the device also includes one or more temperature sensors and is set up to record and evaluate operating temperatures of individual components.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer derartigen Vorrichtung.A third aspect of the invention relates to a vehicle electrical system with such a device.
Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung umfasst das Kraftfahrzeugbordnetz die erfindungsgemäße Vorrichtung als eigenständige Komponente.According to a first exemplary embodiment, the vehicle electrical system includes the device according to the invention as an independent component.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung als eigenständige Komponente im Bordnetz mehrere Bordnetzstränge und Komponenten gemeinsam überwachen und eine Strombegrenzung nicht nur für einzelne Komponenten, sondern auch für Bordnetzstränge durchführen kann.This configuration has the advantage that the device according to the invention, as an independent component in the vehicle electrical system, can monitor several vehicle electrical system strands and components together and limit the current not only for individual components but also for vehicle electrical system strands.
Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung umfasst das Kraftfahrzeugbordnetz die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teilkomponente einer weiteren Komponente des Kraftfahrzeugbordnetzes.According to a further exemplary embodiment, the vehicle electrical system includes the device according to the invention as a sub-component of a further component of the vehicle electrical system.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Kommunikationsschnittstellen, Stromsensoren und Temperatursensoren einer weiteren Komponente des Bordnetzes, beispielsweise eines bereits vorhandenen Bordnetzsteuergerätes, für die Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens nutzen kann. Somit sind nur geringe zusätzliche Ressourcen zur Implementierung der vorgeschlagenen Funktionen erforderlich.This configuration has the advantage that the device according to the invention can use communication interfaces, current sensors and temperature sensors of a further component of the vehicle electrical system, for example an existing vehicle electrical system control unit, for executing the proposed method. Thus, only small additional resources are required to implement the proposed functions.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbordnetz aufweist.A fourth aspect of the invention relates to a motor vehicle which has a motor vehicle electrical system according to the invention.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen exemplarische Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, soweit technisch sinnvoll, auch für den zweiten, dritten und vierten Aspekt der Erfindung.The features and advantages described in relation to the first aspect of the invention and its exemplary configurations also apply to the second, third and fourth aspects of the invention, insofar as they make technical sense.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit
Es zeigt:
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1 eine teilweise schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
-
1 a partially schematic representation of a proposed method according to an exemplary embodiment of the invention.
Die Energieeinträge Ei = I2 * Δti werden für eine einzelne Komponente fortlaufend abschnittsweise aufsummiert. Zur Berücksichtigung einer Wärmeabstrahlung wird in jedem Zeitintervall Δti eine konstante Konvektionsenergie Ek subtrahiert, dies ist in der Figur nicht dargestellt. Der Energieeintrag wird nach jedem Zeitintervall Δti 280, beispielsweise am Ende des Zeitintervalls Δtn 250, mit einem vorgegebenen Schwellenwert Emax verglichen. Falls der Schwellenwert überschritten ist, werden die Komponentenströme I(Δtk) in sämtlichen Zeitintervallen Δtk 290 nach dem Ende des Zeitintervalls Δtn 250, auf einen vorgegebenen Maximalwert Imax 260 begrenzt.The energy inputs Ei=I 2 *Δt i are continuously added up in sections for an individual component. In order to take heat radiation into account, a constant convection energy E k is subtracted in each time interval Δt i , this is not shown in the figure. After each
Die Begrenzung der Komponentenströme I(Δtj) in den Zeitintervallen Δtj 300 nach dem Ende eines Zeitintervalls Δtm 270, wird zurückgenommen, wenn nach dem Ende des Zeitintervalls Δtn 250, bis zu dem Ende des Zeitintervalls Δtm 270, der weitere Energieeintrag Ek = I2 * Δtk in jedem Zeitintervall Δtk 290 eine zweite Schwelle Emin unterschreitet. In diesem Fall sind in den Zeitintervallen Δtj 300 Komponentenströme I(Δtj) > Imax 260 wieder zugelassen.The limitation of the component currents I(Δt j ) in the
Das Verfahren wird für eine oder mehrere Komponenten des Bordnetzes separat ausgeführt. Es ist anwendbar auf einzelne Komponenten wie z.B. einzelne elektrische Leitungen, Steckverbindungen oder Schaltvorrichtungen, aber auch auf größere Baugruppen wie Kabelstränge, Steuergeräte und Verbraucher. Es ermöglicht eine bedarfsgerechte Auslegung des Kraftfahrzeugbordnetzes.The method is carried out separately for one or more components of the vehicle electrical system. It can be used on individual components such as individual electrical lines, plug connections or switching devices, but also on larger assemblies such as cable harnesses, control units and consumers. It enables a needs-based design of the vehicle electrical system.
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