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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer redundanten Steuereinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinheit einen ersten Steuerpfad und einen zweiten Steuerpfad umfasst, wobei der erste Steuerpfad ein erstes, elektrisches Bauelement umfasst, wobei der zweite Steuerpfad ein zweites, elektrisches Bauelement umfasst, und wobei das zweite Bauelement dem ersten Bauelement entsprechend ausgeführt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine redundante Steuereinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs.
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Aufgrund ihrer hohen sicherheitstechnischen Relevanz für elektromechanische Lenksysteme von Kraftfahrzeugen sind Steuereinheiten typischerweise redundant ausgestaltet. So ist es möglich, dass ungeachtet eines etwaig eintretenden Fehlers oder Defekts in der Steuereinheit, die Steuereinheit bestimmungsgemäß weiter betrieben werden kann und die ihm zugedachten Funktionen erfüllen kann. Redundant ausgestaltete Steuereinheiten weisen zumindest zwei Steuerpfade auf, die jeweils dazu ausgebildet sind, die der Steuereinheit zugedachten Funktionen separat und unabhängig voneinander zu erfüllen. Wenn ein elektrisches Bauteil des einen Steuerpfads defekt ist oder ausfällt, ist der jeweils andere Steuerpfad in der Lage, die der Steuereinheit zugedachten Funktionen auszuführen, sodass die Steuereinheit trotz eines ausgefallenen Steuerpfads nicht gänzlich ausfällt. Bei Erkennen eines Defekts oder Ausfalls eines der redundant ausgebildeten Steuerpfade kann es vorgesehen sein, eine Mitteilung oder Warnung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs zu senden, dass zu Wartungszwecken eine Werkstatt aufgesucht werden sollte.
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Wenn jedoch die die redundant ausgebildeten Steuerpfade bildenden, elektrischen Bauelemente nahezu gleichzeitig bzw. innerhalb kurzer Zeit ausfallen, fällt die Steuereinheit trotz dessen redundanter Ausgestaltung innerhalb kurzer Zeit gänzlich aus. Falls die redundant ausgebildeten Steuerpfade beispielsweise Leistungsstufen, insbesondere Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFETs, umfassen, die die gleichen Herstellungsfehler, insbesondere Gitterdefekte, aufweisen, kann es passieren, dass die MOSFETs nahezu gleichzeitig ausfallen. Gitterdefekte sind Unregelmäßigkeiten in einem ansonsten regelmäßigen Kristallgitter eines Werkstoffs. Aufgrund des in diesem Sinne symmetrischen Aufbaus der redundanten Steuereinheit kann es daher dennoch zu einem plötzlichen Totalausfall kommen.
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Um zu verhindern, dass eine redundante Steuereinheit gänzlich ausfällt, ist es bekannt, die die redundant ausgebildeten Steuerpfade bildenden, elektrischen Bauelemente von verschiedenen Herstellern zu beziehen oder aus unterschiedlichen Losen bzw. Chargen zu beziehen. Die in diesem Sinne divers bezogenen, elektrischen Bauelemente weisen mit einiger Wahrscheinlichkeit nicht die gleichen Herstellungsfehler auf. So soll verhindert werden, dass die elektrischen Bauelemente nahezu gleichzeitig ausfallen.
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Die bekannten Methoden, um zu verhindern, dass eine redundante Steuereinheit gänzlich ausfällt, erhöht jedoch die Komplexität in Bezug auf die Beschaffung der einzelnen elektrischen Bauelemente der redundanten Steuereinheit und führt dazu, dass sich die Herstellungskosten für redundante Steuereinheiten erhöhen.
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Im Lichte der vorangehend erläuterten Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Ausfallsicherheit einer redundanten Steuereinheit mit einfachen Mitteln zu erhöhen, insbesondere zu verhindern, dass die redundant ausgebildeten Steuerpfade nahezu gleichzeitig ausfallen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer redundanten Steuereinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine redundante Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer redundanten Steuereinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit einen ersten Steuerpfad und einen zweiten Steuerpfad umfasst, wobei der erste Steuerpfad ein erstes, elektrisches Bauelement umfasst, wobei der zweite Steuerpfad ein zweites, elektrisches Bauelement umfasst, und wobei das zweite Bauelement dem ersten Bauelement entsprechend ausgeführt ist, umfassend folgende Schritte: Betreiben des ersten Bauelements bei einer ersten definierten Temperatur; Betreiben des zweiten Bauelements bei einer zweiten definierten Temperatur, wobei die zweite definierte Temperatur und die erste definierte Temperatur zueinander verschieden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass ein Defekt in einem elektrischen Bauelement zeitlich betrachtet früher sich auswirkt und zum Ausfall dieses Bauelements führt, wenn es in einer warmen oder wärmeren Umgebung betrieben wird bzw. wenn es bei einer erhöhten Temperatur betrieben wird, als wenn es in einer kalten oder kälteren Umgebung betrieben wird bzw. wenn es bei einer geringeren Temperatur betrieben wird. Daher werden das erste Bauelement und das zweite Bauelement bei zwei voneinander verschiedenen Temperaturen betrieben. Entgegen dem fachüblichen Grundsatz, dass elektrische Bauelemente, die sich während ihres Betriebs erwärmen, zu kühlen sind, um ein thermisch bedingtes Versagen zu vermeiden, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, das zweite elektrische Bauelement bei einer anderen Temperatur als das erste elektrische Bauelement zu betreiben. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das zweite elektrische Bauelement früher bzw. eher oder später als das erste elektrische Bauelement ausfällt. Mit anderen Worten: Die elektrischen Bauelemente werden bei zueinander unterschiedlichen Temperaturen betrieben, sodass das wärmer betriebene, z.B. zweite, elektrische Bauelement zu einem früheren Zeitpunkt ausfällt als das kälter betriebene, z.B. erste, elektrische Bauelement. Dies verhindert, dass die redundant ausgebildeten Steuerpfade nahezu gleichzeitig ausfallen, da eine gewisse Zeitspanne zwischen dem Ausfall des ersten Steuerpfads und dem Ausfall des zweiten Steuerpfads liegt. Diese Zeitspanne dient dazu, nach dem Ausfall des einen Steuerpfads und vor dem Ausfall des anderen Steuerpfads, eine Warnmeldung oder dergleichen zu generieren, sodass die Steuereinheit noch vor deren Totalausfall einer Wartung bzw. Reparatur unterzogen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erhöht daher die Ausfallsicherheit einer redundanten Steuereinheit mit einfachen Mitteln.
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Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ und deren Abwandlungen sind nicht beschränkend auf „Haupt-“ und „Neben-“ zu verstehen, sind nicht als eine Gewichtung zu verstehen, sondern sind rein deklaratorisch, dienen lediglich zur unterscheidbare Benennung, und dienen nicht zur Eigenschaftszuweisung.
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Der erste Steuerpfad und der zweite Steuerpfad können in Bezug auf ihre jeweilige Struktur und Funktion zueinander redundant ausgebildet sein. Die Bauelemente des ersten Steuerpfads und des zweiten Steuerpfads können sowohl gleich als auch unterschiedlich ausgebildet sein.
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Bevorzugterweise ist die zweite definierte Temperatur höher als die erste definierte Temperatur. Dadurch wird das zweite Bauelement bei einer höheren bzw. wärmeren Temperatur betrieben als das erste Bauelement. Dies bewirkt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das zweite Bauelement früher ausfällt als das erste Bauelement, erhöht ist. Die erste definierte Temperatur kann eine mittlere Temperatur sein bzw. eine Temperatur, die innerhalb des von dem Hersteller des entsprechenden elektrischen Bauelements angegebenen, empfohlenen Betriebstemperaturbereichs liegt. Die zweite definierte Temperatur kann eine Temperatur sein, die oberhalb des von dem Hersteller des entsprechenden elektrischen Bauelements angegebenen, empfohlenen Betriebstemperaturbereichs liegt.
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In vorteilhafter Weise erfolgt das Betreiben des zweiten Bauelements bei der zweiten Temperatur, indem das zweite Bauelement weniger von außen gekühlt wird als das erste Bauelement. Das Betreiben des zweiten Bauelements kann bei der zweiten Temperatur erfolgen, indem das erste Bauelement mehr bzw. stärker von außen gekühlt wird als das zweite Bauelement. Dadurch wird das zweite Bauelement bei einer höheren Temperatur betrieben als das erste Bauelement. Das heißt die Betriebstemperatur des zweiten Bauelements ist systemisch bedingt höher als die Betriebstemperatur des ersten Bauelements. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass weniger aktive Kühleinrichtungen, insbesondere Ventilatoren, und/oder Kühleinrichtungen, insbesondere Kühlrippen, Kühlpasten, zur Kühlung des zweiten Bauelements bereitstehen.
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In weiter vorteilhafter Weise erfolgt das Betreiben des zweiten Bauelements bei der zweiten Temperatur, indem das zweite Bauelement mehr bzw. stärker beansprucht wird als das erste Bauelement. Das Betreiben des zweiten Bauelements bei der zweiten definierten Temperatur kann erfolgen, indem das erste Bauelement weniger beansprucht wird als das zweite Bauelement. Die höhere Beanspruchung des zweiten Bauelements führt dazu, dass das zweite Bauelement bei einer höheren Temperatur betrieben wird als das erste Bauelement. Hierbei ist die Betriebstemperatur des zweiten Bauelements betriebsbedingt höher als die Betriebstemperatur des ersten Bauelements. Insbesondere kann das zweite Bauelement bei einer höheren Betriebsfrequenz bzw. Taktung oder bei einer höheren Drehzahl betrieben werden.
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In noch weiter vorteilhafter Weise erfolgt das Betreiben des zweiten Bauelements bei der zweiten Temperatur, indem das zweite Bauelement eine rechenintensivere Software bzw. ein rechenintensiveres Programm ausführt als das erste Bauelement, insbesondere mehr Rechenoperationen durchführt. Das Betreiben des zweiten Bauelements bei der zweiten Temperatur kann erfolgen, indem das erste Bauelement eine weniger rechenintensive Software bzw. ein weniger rechenintensives Programm ausführt als das zweite Bauelement, insbesondere weniger Rechenoperationen durchführt. Die Ausführung von rechenintensiverer Software durch das zweite Bauelement führt dazu, dass das zweite Bauelement bei einer höheren Temperatur betrieben wird als das erste Bauelement.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das Betreiben des ersten Bauelements und das Betreiben des zweiten Bauelements derart erfolgt, dass abwechselnd die zweite definierte Temperatur höher als die erste definierte Temperatur und die erste definierte Temperatur höher als die zweite definierte Temperatur ist. Auf diese Weise werden das erste und zweite Bauelement abwechselnd bei einer höheren bzw. wärmeren Temperatur betrieben als das jeweils andere Bauelement. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Betreiben des ersten Bauelements und das Betreiben des zweiten Bauelements derart erfolgt, dass abwechselnd die zweite definierte Temperatur höher als die erste definierte Temperatur und die erste definierte Temperatur höher als die zweite definierte Temperatur ist, wobei die Zeitspanne, bei der die zweite definierte Temperatur höher als die erste definierte Temperatur, größer ist als die Zeitspanne, bei der die erste definierte Temperatur höher als die zweite definierte Temperatur. Dies bewirkt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das zweite Bauelement früher ausfällt als das erste Bauelement, erhöht ist, wobei sichergestellt bleibt, dass das zweite Bauelement nicht zu früh ausfällt. Denn ein überaus früher Ausfall eines der Bauelemente ist aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht.
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Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können jeweils ein Aktuator, ein Sensor, eine Recheneinheit, insbesondere ein Mikrocontroller, eine Treiberstufe bzw. Gate-Driver-Unit oder eine Leistungsstufe bzw. Power-Modul, insbesondere ein Feldeffekttransistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor bzw. MOSFET, sein.
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Des Weiteren wird eine redundante Steuereinheit für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend einen ersten Steuerpfad und einen zweiten Steuerpfad, wobei der erste Steuerpfad ein erstes, elektrisches Bauelement umfasst, wobei der zweite Steuerpfad ein zweites, elektrisches Bauelement umfasst, und wobei das zweite Bauelement dem ersten Bauelement entsprechend ausgeführt ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen
- 1 ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 eine Steuereinheit in Form eines Blockdiagramms,
- 3a,b ein zweidimensionales Koordinatensystem, in dem Werte für die Ausfallwahrscheinlichkeit über Werte für die Zeit dargestellt sind.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind daher in der Regel jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt ein elektromechanisches Lenksystem in einer perspektivischen, vereinfachten Darstellung von schräg vorne in Fahrzeugfahrtrichtung, wobei der besseren Übersicht halber für die Beschreibung der Erfindung nicht wesentliche Bestandteile nicht dargestellt sind.
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Das Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lenksäule 1 mit einer Lenkspindel 2. Die Lenksäule 1 ist über ein Lenkgetriebe 3 mechanisch mit den gelenkten Rädern 4 des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Lenkgetriebe 3 umfasst ein Ritzel 5 und eine gezahnte Koppelstange 6, wobei das Lenkgetriebe 3 zur Übersetzung einer rotatorischen Bewegung des Ritzels 5 in eine translatorische Bewegung der Koppelstange 6 entlang deren Längsachse dient. An dem dem Fahrer zugewandten Ende der Lenksäule 2 ist ein Lenkrad 7 zur Eingabe eines Fahrerlenkwunsches bzw. Lenkbefehls befestigt, wobei der Fahrer das Lenkrad 7 in bekannter Weise zur Eingabe seines Lenkwunsches drehen kann. Die sich entlang ihrer Längsachse linear bewegende Koppelstange 6 ist jeweils zu beiden Seiten des Kraftfahrzeugs mechanisch mit einer Spurstange 8 gekoppelt. Die Spurstangen 8 sind wiederum jeweils mit den Fahrzeugrädern 4 mechanisch gekoppelt. Alternativ zu dem in 1 dargestellten rein mechanisch wirkenden Lenksystem kann auch ein Steer-by-Wire-Lenksystem vorgesehen sein.
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2 zeigt eine Steuereinheit 10 in Form eines Blockdiagramms.
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Die Steuereinheit 10 ist redundant ausgelegt und umfasst einen ersten Steuerpfad 11 und einen zweiten Steuerpfad 12. Der erste Steuerpfad 11 und der zweite Steuerpfad 12 sind identisch aufgebaut. Bauelemente des ersten Steuerpfades 11 sind als „erste“ Bauelemente benannt. Entsprechend sind Bauelemente des zweiten Steuerpfades 12 als „zweite“ Bauelemente benannt.
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Jeder Steuerpfad 11, 12 weist eine externe Versorgung mit elektrischer Energie 13, 14, vorzugsweise eine Batterie, auf. An die erste, externe Energieversorgung 13 ist ein erster, integrierter Schaltkreis 15 angeschlossen, der jeweils die Energieüberwachung einer ersten Recheneinheit 17 und eines ersten Rotorlagesensors 19 übernimmt. Die erste Energieversorgung 13 versorgt eine erste Treiberstufe 21 und ein erstes Leistungsmodul 23. An die zweite, externe Energieversorgung 14 ist ein zweiter, integrierter Schaltkreis 16 angeschlossen, der jeweils die Energieüberwachung einer zweiten Recheneinheit 18 und eines zweiten Rotorlagesensors 20 übernimmt. Die zweite Energieversorgung 14 versorgt eine zweite Treiberstufe 22 und ein zweites Leistungsmodul 24.
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Die erste und zweite Recheneinheit 17, 18 empfangen jeweils das vom Fahrer des Kraftfahrzeugs in das Lenkrad 7 eingebrachte und von einer Drehmomentsensoreinheit 25 gemessene Drehmoment. Die erste Recheneinheit 17 ist an einen ersten Kraftfahrzeug-Bus 27 angeschlossen, über den die erste Recheneinheit 17 Datensignale empfängt. Die zweite Recheneinheit 18 ist an einen zweiten Kraftfahrzeug-Bus 28 angeschlossen, über den die zweite Recheneinheit 18 Datensignale empfängt.
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Ein erster Motor 29 wird mit ersten Motorströmen, die von der ersten Recheneinheit 17 berechnet werden, bestromt. Ein zweiter Motor 30 wird mit zweiten Motorströmen, die von der zweiten Recheneinheit 18 berechnet werden, bestromt. Aus den ersten und zweiten Motorströmen resultiert ein gemeinsames Drehmoment zur Unterstützung der Lenkbewegung des Fahrers. Der erste und zweite Motor 29, 30 sind logisch miteinander verknüpft. Es können zwei physisch getrennte Motoren 29, 30 oder ein einziger Motor mit zwei Wicklungsgruppen vorgesehen sein.
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3a,b zeigen jeweils ein zweidimensionales Koordinatensystem, in dem auf der vertikalen Achse Werte für die Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. Ausfallrate Ä über auf der horizontalen Achse aufgetragene Werte für die Zeit t dargestellt sind. 3a zeigt einen ersten Verlauf 31 und 3b zeigt einen zweiten Verlauf 32. Die Verläufe 31, 32 entsprechen jeweils einer sogenannten Badewannenkurve, die die zeitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung, mit der elektrische Bauelemente ausfallen, beschreibt.
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Der erste Verlauf 31 beschreibt die zeitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung, mit der ein bei einer ersten definierten Temperatur betriebenes, elektrisches Bauelement ausfällt. In analoger Weise beschreibt der zweite Verlauf 32 die zeitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung, mit der ein bei einer zweiten definierten Temperatur, die höher bzw. wärmer als die erste definierte Temperatur ist, betriebenes, elektrisches Bauelement ausfällt. Die Verläufe 31, 32 stellen den Lebenszyklus des jeweiligen Bauelements dar, und zwar von dessen Beginn der Inbetriebnahme bei t = 0 bis zu dessen Ende der Lebensdauer bei t = T, wobei T die zu erwartende maximale Lebensdauer des jeweiligen Bauelements ist
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Der erste Verlauf 31 und der zweite Verlauf 32 sind insofern übereinstimmend, dass während einer Zeitspanne nach Beginn der Inbetriebnahme und während einer Zeitspanne vor Ende der Lebensdauer die Ausfallrate besonders hoch ist. Des Weiteren sind die Verläufe 31, 32 darin übereinstimmend, dass die Ausfallrate während einer Zeitspanne nach Beginn der Inbetriebnahme fällt und dass die Ausfallrate während einer Zeitspanne vor Ende der Lebensdauer steigt. Weiterhin sind die Verläufe 31, 32 darin übereinstimmend, dass während einer Zeitspanne, die zwischen dem Beginn der Inbetriebnahme und dem Ende der Lebensdauer liegt, die Ausfallrate erhöht ist, sodass ein lokales Maximum der Ausfallrate zwischen dem Beginn der Inbetriebnahme und dem Ende der Lebensdauer ausgebildet ist.
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Dagegen unterscheiden sich der erste Verlauf 31 und der zweite Verlauf 32 insofern, dass das lokale Maximum der Ausfallrate des zweiten Verlaufs 32 zeitlich früher als das lokale Maximum der Ausfallrate des ersten Verlaufs 31 ausgebildet ist. Dies ist darin begründet, dass etwaige Herstellungsfehler eines elektrischen Bauelements, das bei einer höheren bzw. wärmeren Temperatur betrieben wird, sich zu einem früheren Zeitpunkt auswirken als ein baugleiches, elektrisches Bauelement, das bei einer niedrigeren bzw. kälteren Temperatur betrieben wird.
