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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Netzwerkarchitektur für Steuergeräte in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Setzen von Stellgrößen für Steuergeräte in einem Kraftfahrzeug.
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Softwaresysteme sind in der Vergangenheit immer komplexer und anspruchsvoller hinsichtlich einer Ressourcenverwendung von Steuereinheiten geworden. Daher ist es erforderlich, dass einzelne Steuergeräte immer leistungsfähiger werden. Die Notwendigkeit von Lösungen mit niedrigen Kosten führt zu dem Konzept von Domänen-Controllern, die mehrere Funktionalitäten als logische Steuereinheiten auf einem einzigen physikalischen Steuergerät realisieren. Allerdings erfordert jede logische Steuereinheit immer noch Zugriff auf spezifische Front-Ends mit Schnittstellen und Peripherie. Wenn ein zentralisierter Domänen-Controller in ein Kraftfahrzeug integriert wird, muss der physikalische Domänen-Controller physikalischen Zugriff auf die vollständige Vereinigungsmenge der erforderlichen Frontends erhalten.
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Die herkömmliche Struktur umfasst einzelne elektronische Steuereinheiten, die einen Mikrocontroller und einen Block an Peripheriegeräten aufweisen, die die Steuereinheit mit einzelnen individual oder geteilten Sensoren und Aktuatoren durch einen Kabelbaum mit zahlreichen Drähten verbinden.
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Die Druckschrift
DE10 2020 106 264 A1 betrifft ein Mehrfach-Steuergerät für ein Fahrzeug mit einer Steuergerät-Virtualisierungsumgebung, mit einem ersten virtuellen Steuergerät.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Netzwerkarchitektur für Steuergeräte in einem Kraftfahrzeug auf, mit einer Mehrzahl von Einzelsteuergeräten zum Erfassen von Fahrzeugdaten und Senden der Fahrzeugdaten an ein Zentralsteuergerät; und einem Zentralsteuergerät zum Berechnen von Stellgrößen auf Basis der Fahrzeugdaten von den Einzelsteuergeräten und Senden der berechneten Stellgrößen an die Einzelsteuergeräte. Die Einzelsteuergeräte weisen eine einheitliche Kommunikationsschnittstelle für den Datenaustausch mit dem Zentralsteuergerät auf, die jeweils von den Einzelsteuergeräten verwendet wird. Durch die Netzwerkarchitektur wird der technische Vorteil erreicht, dass die Ergebnisse einer Datenverarbeitung als Stellgröße in Reaktion auf die erfassten Fahrzeugdaten wieder an die Einzelsteuergeräte übertragen werden und die Stellgrößen der Einzelsteuergeräte ressourcensparend von dem Zentralsteuergerät ermittelt werden können.
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In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur erstreckt sich eine Regelschleife über einen Kommunikationskanal zwischen dem Einzelsteuergerät und dem Zentralsteuergerät. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der technische Aufwand verringert und die Regelung zentralisiert ist.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur ist der Kommunikationskanal echtzeitfähig, manipulationssicher und/oder ausfallsicher. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine effiziente, störfeste und integre Datenkommunikation zwischen dem Zentralsteuergerät und den Einzelsteuergeräten durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur ist der Kommunikationskanal durch ein zweiadriges Kabel gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich ein Verkabelungsaufwand im Fahrzeug verringert.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur ist der Kommunikationskanal durch einen logischen Kommunikationskanal gebildet. Der logische Kommunikationskanal kann durch einen oder mehrere physikalische Kommunikationskanäle realisiert werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kommunikationskanäle eine höhere die Redundanz und aggregierte Datenrate aufweisen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur umfasst das Einzelsteuergerät eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung zum Erfassen der Fahrzeugdaten. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass keine Software auf dem Einzelsteuergerät aktualisiert werden muss.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur ist das Einzelsteuergerät softwarelos gebildet. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass keine Software auf dem Einzelsteuergerät aktualisiert werden muss.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Netzwerkarchitektur umfasst das Zentralsteuergerät eine Mehrzahl von virtuellen Maschinen zum Verarbeiten der Fahrzeugdaten der Einzelsteuergeräte. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass für die Einzelsteuergeräte eine logische Verarbeitungseinheit auf dem Zentralsteuergerät gebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine oben beschriebene Netzwerkarchitektur. Durch das Kraftfahrzeug werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Netzwerkarchitektur erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Setzen von Stellgrößen für Steuergeräte in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten eines Erfassens von Fahrzeugdaten durch eine Mehrzahl von Einzelsteuergeräten; eines Sendens der Fahrzeugdaten von den Einzelsteuergeräten an ein Zentralsteuergerät; eines Berechnens von Stellgrößen auf Basis der Fahrzeugdaten von den Einzelsteuergeräten durch das Zentralsteuergerät; und eines Sendens der berechneten Stellgrößen an die Einzelsteuergeräte. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Netzwerkarchitektur erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Netzwerkarchitektur mit einem zentralisierten Domain Controller mit Remote-Frontend;
- 2 eine schematische Darstellung einer Netzwerkarchitektur mit einem Motorsteuergerät; und
- 3 ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Setzen von Stellgrößen für Steuergeräte.
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1 zeigt eine Netzwerkarchitektur 100 mit einem zentralisierten Domänen-Controller als Zentralsteuergerät 101 mit Remote-Frontend-Geräten als Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n. Die physikalische Domänen-Controller-Architektur ist in das Zentralsteuergerät 101 und mehrere ferngelegene (Remote) Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n aufgeteilt, die einheitliche Kommunikationsschnittstellen und Peripherie als Smart-Sensor- oder Smart-Aktuator-Funktionen realisieren.
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Die Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n sind mit dem Zentralsteuergerät 101 über logische Kommunikationskanäle 107-1, ..., 107-n verbunden. Das Zentralsteuergerät 101 und die Frontends der Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n sind in einer 1-zu-N Topologie durch die n logischen Kommunikationskanäle 107-1, ..., 107-2 verbunden, die für die logischen Steuereinheiten 109-1, ..., 109-n transparent zur Ausführung auf dem Zentralsteuergerät 101 und der Frontends hinsichtlich der allgemeinen Leistungsfähigkeit sind, insbesondere hinsichtlich einer Latenz, Manipulationssicherheit und Ausfallsicherheit. Im Allgemeinen sind jedoch auch andere Zuordnungen möglich, wie beispielsweise eine N:M-Zuordnung.
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Die Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n können ohne dedizierte Software oder lediglich mit einer Software mit geringem Funktionsumfang arbeiten, die nicht geändert oder aktualisiert zu werden braucht. In diesem Fall braucht eine ursprünglich eingesetzte Software nicht mehr verändert zu werden, so dass eine Aktualisierung lediglich auf dem Zentralsteuergerät 101 durchgeführt wird.
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Die Frontends sind in einer Weise zusammengefasst, dass diese derart smart sind, dass, obwohl bestimmte autonome Funktionen, wie beispielsweise Abschaltfunktionen oder Zustandsfunktionen für abgesicherte Zustände möglich sind, kein autonomer Betrieb ohne das Zentralsteuergerät 101 implementiert ist. Die logischen Kommunikationskanäle 107-1, ..., 107-n können durch zwei oder mehradrige Leitungen gebildet sein, die zum Zwecke der Redundanz oder des Durchsatzes aggregiert werden. Die Kommunikationskanäle 107-1, ..., 107-n sind in einer Weise implementiert, dass diese sichere Systeme unterstützen, wie beispielsweise in IS026262, und manipulationssicher mittels Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen sind.
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Die Vereinigungsmenge (Set Union) der Peripheriegeräte des Zentralsteuergeräts 101 wird durch eine einheitliche Kommunikationsschnittstelle 113 mit mehreren logischen Kanälen ersetzt, wie beispielsweise XCOM (FleXible or Cross-function Communication Channel). Jeder logische Kommunikationskanal 107-1, ..., 107-n kann durch eine oder mehrere physikalische Kommunikationsleitungen aus Gründen der Zuverlässigkeit oder Bandbreite realisiert sein.
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Die Sensoren und Aktuatoren des Systems werden durch Frontends ergänzt, die wiederum mit dem Zentralsteuergerät 101 über den logischen Kommunikationskanal 107-1, ..., 107-n und eine einheitliche Kommunikationsschnittstelle 113 verbunden sind. Das Frontend umfasst den erforderlichen Satz der Peripheriegeräte für den entsprechenden Sensor oder Aktuator, eine Verwaltungseinheit mit smarten Funktionalitäten, wie beispielsweis einer Sicherheits-Abschaltfunktion und einer Instanz einer XCOM-Kommunikationsschnittstelle mit physikalischen Leitungen, um den logischen Kommunikationskanal zu realisieren.
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Das Zentralsteuergerät 101 führt die Funktionen der Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n als logische Steuereinheiten auf einer einzigen leistungsfähigen Hardware aus. Diese logischen Steuereinheiten sind als Partitionen oder virtuelle Maschinen (VM - Virtual Machines) ausgeführt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Netzwerkarchitektur 100 mit einem Motorsteuergerät als Einzelsteuergerät 105-1. Das Zentralsteuergerät 101 mit dem Domänen-Controller umfasst lediglich eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), geeignete Software und Kommunikationsschnittstellen zur Kommunikation mit den jeweiligen Einzelsteuergeräten. Es sind keine tatsächlichen Peripheriegeräte für die Motorsteuerung und andere Anwendungen erforderlich.
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Das Frontend 117 des Einzelsteuergerätes 105-1 umfasst die Kommunikationsschnittstelle zu dem Domänen-Controller des Zentralsteuergeräts 101 und verbindet die anwendungsspezifischen Schaltungen des Einzelsteuergerätes 105-1 über Hardware-Signale. Durch die anwendungsspezifischen Schaltungen wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass keine Software auf dem Einzelsteuergerät aktualisiert werden muss. Das Frontend 117 gibt pulsweitenmodulierte Signale für die Leistungselektronik des Motor-Umrichters (Inverter) 121 aus. Von dem Motor-Umrichter 121 werden analoge Signale zur Messung der Umrichter-Ströme, eine Zwischenkreisspannung und eine Motorposition empfangen.
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Das Frontend 117 umfasst die erforderlichen Peripherieeinheiten, die in programmierbarer Logik implementiert sind und anwendungsspezifische Signale generieren. Das Frontend 117 umfasst eine Pulsweitenmodulations-Einheit (PWM-Unit) 119, eine Analog-Digital-Converter-Steuereinheit (ADC Control Unit) und eine Kommunikations- und Zustandsmaschine für den Betriebsmodus (Fehlerbehandlung und Sicherheitszustand).
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Als Kommunikationskanal 107-1 kann ein günstiges und einfaches Kabel zwischen dem Domänen-Controller und dem Frontend 117 verwendet werden, beispielsweise ein zweiadriges Kabel. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass sich ein Verkabelungsaufwand im Fahrzeug verringert. Der Kommunikationskanal kann echtzeitfähig, manipulationssicher und/oder ausfallsicher ausgeführt sein. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine effiziente, störfeste und integre Datenkommunikation zwischen dem Zentralsteuergerät und den Einzelsteuergeräten durchgeführt werden kann. Der Kommunikationskanal kann durch einen oder mehrere logische oder ein physikalische Kommunikationskanäle gebildet sein. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kommunikationskanäle eine höhere die Redundanz und aggregierte Datenrate aufweisen.
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Der Domänen-Controller des Zentralsteuergeräts 101 umfasst eine spezifische virtuelle Maschine (VM) 115, die die Motorsteuersoftware ausführt. Diese virtuelle Maschine 115 kann über eine Inter-Partition-Kommunikation von einer anderen virtuellen Maschine (beispielsweise einem Linux-Betriebssystem mit einer Benutzerschnittstelle) gesteuert werden, um einen Betrieb zu starten oder zu stoppen.
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Die virtuelle Maschine 115 für das Motorsteuergerät als logische Steuereinheit 109-1 richtet alle entfernten Peripherieeinheiten des Frontends 117 für einen ordnungsgemäßen Betrieb ein, wie beispielsweise eine Taktung eines Analog-Digital-Converters (ADC) oder einer Pulsweitenmodulation und das lokale Kommunikationsgerät für eine Interrupt-Verarbeitung.
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Das Motorsteuergerät konfiguriert einen synchronen Betrieb, der durch und in Phase mit der Pulsweitenmodulation gesteuert wird. Die Messungen werden ausgelöst und automatisch an den Domänen Controller gesendet. Die Pulsweitenmodulations-Einheit 119 löst automatisch den Analog-Digital-Converter (ADC) zur Umwandlung aus, der wiederum die Übertragung eines Datenpakets an den Domänen-Controller auslöst.
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Nach einem Einrichten aller Peripheriegeräte und einer Taktung, startet das Motorsteuergerät die Pulsdauermodulation-Einheit 119. Danach wird die Steuerschleife auf Empfang der eingehenden Messungen kontinuierlich ausgeführt, die von dem Frontend gesendet werden oder es findet ein Time-Out statt. Dadurch erstreckt sich eine Regelschleife zwischen dem Einzelsteuergerät 115-1 und dem Zentralsteuergerät 101. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass sich der technische Aufwand verringert und die Regelung fahrzeugweit zentralisiert ist.
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Die Steuerschleifenabfolge in der virtuellen Maschine 115 für das Motorsteuergerät, die bei 10 kHz ausgeführt wird, empfängt die eingehenden Signale und bereitet diese auf, d.h. führt eine Berechnung von Strömen und Spannungen aus den übermittelten Rohwerten durch. Es kann zudem eine Fehlererfassung durchgeführt werden, beispielsweise auf Basis von Hardware-Fehlersignalen und einem Vergleich der Messungen gegenüber Fehlerschwellen. In der virtuellen Maschine 115 wird der Steueralgorithmus ausgeführt, wie beispielsweise eine feldorientierte Regelung und die berechneten PWM-Stellgrößen werden zurück an das Frontend gesendet.
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Als Hintergrundaktivität wird in der virtuellen Maschine 115 für das Motorsteuergerät eine Kommunikation mit dem Benutzer oder eine übergeordnete Steuerung durchgeführt. Es kann eine Steuerung des Betriebsmodus über eine Zustandsmaschine stattfinden und andere Protokollierungs-, überwachungs-, oder Visualisierungsaufgaben durchgeführt werden.
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3 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Setzen von Stellgrößen für Steuergeräte. In einem ersten Schritt S101 werden Fahrzeugdaten durch die Mehrzahl der Einzelsteuergeräten 105-1, ..., 105-n erfasst. Anschließend werden in Schritt S102 die Fahrzeugdaten von den Einzelsteuergeräten 105-1, ..., 105-n über die einheitlichen Kommunikationsschnittstellen 111 und 113 an das Zentralsteuergerät 101 gesendet. Im Schritt S103 werden Stellgrößen auf Basis der Fahrzeugdaten von den Einzelsteuergeräten 105-1, ..., 105-n durch das Zentralsteuergerät 101 berechnet. In Schritt S104 werden die berechneten Stellgrößen über die einheitlichen Kommunikationsschnittstellen 111 und 113 an die jeweiligen Einzelsteuergeräte 105-1, ..., 105-n gesendet. Das Verfahren wird kontinuierlich ausgeführt, so dass die einzelnen Schritte zyklisch wiederholt werden.
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Durch das Verfahren wird die Modularität und Wiederverwendbarkeit der einzelnen Komponenten erhöht. Zudem kann ein Entwicklungsaufwand durch das Verwenden der einzelnen Komponenten verringert werden. Eine Verkabelung der Komponenten wird signifikant auf die Menge tatsächlicher physikalischer Verbindungen verringert und kann aufgrund der digitalen, verlustlosen Datenübertragung mit niedriger Latenz durch das XCOM-Protokoll eine beliebige Länge aufweisen. Dies erlaubt Gewichts- und Kostensenkungen, während zusätzliche Freiheitsgrade bei der Fahrzeugintegration erreicht werden. Die smarte Funktionalität, die durch die Frontend-Geräte bereitgestellt wird, erlaubt eine schnelle Antwort auf einen begrenzten Satz von Ereignissen, wie beispielsweise eine Überspannung oder einen Überstrom, ohne dass projektspezifische Entwicklungen, neben einer anfänglichen Konfiguration und Entwicklung erforderlich sind.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020106264 A1 [0004]
