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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern von Überspannungen in einem Versorgungsbordnetz eines Fahrzeugs, bei dem mindestens einen in dem Fahrzeug vorhandener Verbraucher gezielt zum Verringern von Überspannungen angesteuert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, aufweisend ein Versorgungsbordnetz mit mehreren Verbrauchern, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Personenwagen und Motorräder, insbesondere auf vollelektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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DE 197 42 391 C1 offenbart ein Verfahren zum Schutz von elektronischen Steuergeräten in einem Kraftfahrzeug, bei dem Überspannungsimpulse, insbesondere Load-Dump-Impulse, erfasst werden und ein oder mehrere Verbraucher bei Auftreten solcher Überspannungsimpulse eingeschaltet werden. Hierdurch lässt sich der Überspannungsimpuls sehr rasch noch vor Erreichen seines ohne Kompensation erreichten Maximalwerts abbauen, so dass die im Kraftfahrzeug enthaltenen elektronischen Schaltungen und Steuergeräte geschützt werden. Damit lässt sich ein Überspannungsschutz ohne Notwendigkeit zusätzlicher Bauteile erreichen. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt. Als ein Beispiel für einen Verbraucher ist eine elektromotorische Servolenkung genannt, die mit periodischer, schneller Lenkrichtungsumschaltung, z.B. im 10 ms-Takt, betrieben werden kann, so dass insgesamt keine merklichen Auswirkungen auf den Lenkeinschlag resultieren. Jedoch ist hierbei nachteilig, dass die Periodendauer exakt gewählt werden muss, damit sich die jeweils ausgelösten Lenkbewegungen kompensieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere verbesserte Möglichkeiten bereitzustellen, in einem Fahrzeug auftretende Überspannungsimpulse abzubauen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Verringern oder Begrenzen von Überspannungen in einem Versorgungsbordnetz eines Fahrzeugs, bei dem mindestens ein in dem Fahrzeug vorhandener elektrischer Verbraucher gezielt zum Zweck des Verringerns oder Begrenzens von Überspannungen
- - gleichzeitig gegenläufig angesteuert wird, so dass keine unerwünschte resultierende Verbraucheraktion ausgelöst wird,
- - angesteuert wird, wenn sich das Fahrzeug im Stand befindet, wobei eine Verbraucheraktion ausgelöst wird,
und/oder - - zeitlich so kurz angesteuert wird, dass keine Verbraucheraktion ausgelöst wird.
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Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass Überspannungen, insbesondere Überspannungsimpulse, besonders betriebssicher abgebaut werden können, da sie erst gar keine Verbraucheraktion auslösen und/oder die Verbraucheraktion ausgelöst wird, wenn sie keine nachteiligen Auswirkungen auf die Betriebs- und Insassensicherheit hat. Dadurch wiederum können - insbesondere auf Halbleiterebene - Bauteilstörungen und -schädigungen und ggf. sogar ein Ausfall von hochverfügbaren Bauteilen bzw. Funktionen oder deren Kommunikation aufgrund von Überspannungen vermieden werden. Solche Bauteile bzw. Komponenten können beispielsweise Steuergeräte, Batterien, Wandler, Stromverteiler usw. sein. Zudem wird ein solcher Abbau von Überspannungsimpulsen von Fahrzeuginsassen nicht bemerkt, so dass auch ein Fahrkomfort aufrechterhalten werden kann.
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Das Versorgungsbordnetz kann auch als Energiebordnetz bezeichnet werden. Es kann eine gleichgerichtete oder wechselgerichtete Normalspannung beispielsweise von 12 V, 48 V, 400 V, 800 V usw. aufweisen, ist aber nicht drauf beschränkt.
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Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (z.B. ein Pkw, Lkw, Motorrad, Bus, usw.), ein Wasserfahrzeug (z.B. ein Schiff), ein Luftfahrzeug (z.B. Flugzeug, Helikopter, Drohne, usw.) und/oder Weltraum (z.B. Satellit, Weltraumrakete, usw.) sein.
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Dass ein Verbraucher angesteuert wird, umfasst insbesondere, dass ein Ansteuersignal oder -befehl auf den Verbraucher aufgegeben wird, z.B. über eine Datenverbindung. Dieses Ansteuersignal bewirkt, dass der Verbraucher elektrische Energie verbraucht, was wiederum die Überspannung abbaut, insbesondere wenn ein Überspannungsimpuls vorliegt. Bei einem normalen Betrieb ohne Berücksichtigung von Überspannungen wird durch die Ansteuerung eine bestimmte Aktion („Verbraucheraktion“) des Verbrauchers ausgelöst, z.B. mindestens eine Funktionskomponente wie z.B. ein Aktor in Betrieb gesetzt usw. Dabei kommt es zwischen dem Anlegen des Ansteuersignals und der Verbraucheraktion zu einer kurzen Reaktionsverzögerung, da die Elektronik und ggf. die mindestens eine Funktionskomponente eine gewisse kurze Zeit brauchen, um auf den Ansteuerstrom zu reagieren, z.B. um Kondensatoren zu laden, Spulen zu bestromen usw. Diese Reaktionsverzögerung kann auch „Ansteuerverzögerung“, „Ansprechverzögerung“ usw. genannt werden.
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Dass mindestens ein Verbraucher gleichzeitig gegenläufig angesteuert werden kann, umfasst, dass eine Funktionseinheit des Fahrzeugs mehrere Verbraucher umfasst, die getrennt ansteuerbar sind, wobei die jeweiligen Ansteuerungssignale gleichzeitig aufgebracht werden können. Dass die Verbraucher „gegenläufig“ ansteuerbar sind, umfasst insbesondere von Ansteuersignalen derart, dass die zugehörigen Verbraucheraktionen bei gleichzeitiger Ansteuerung einen gegenläufigen oder entgegengesetzten Effekt aufweisen, so dass - neben einer geforderten Sollfunktion - durch die Funktionseinheit in Summe keine zusätzliche resultierende Verbraucheraktion bewirkt wird. In anderen Worten „kompensieren“ oder „negieren“ sich die durch die beiden gegenläufig aufgebrachten Ansteuerungssignale bewirkten Effekte. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Dauer und die Stärke der Ansteuerungssignale grundsätzlich nicht beschränkt ist, solange sich die Verbraucheraktionen ihrer Verbraucher nur gegenseitig kompensieren. Dadurch wird wiederum bewirkt, dass eine Überspannung durch einen vergleichsweise lang andauernden und hohen zusätzlichen Stromverbrauch der Verbraucher besonders effektiv abgebaut werden kann. Ein zeitlicher Versatz der Ansteuerungssignale ist zulässig, solange er nicht wahrnehmbar ist.
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Dass ein Verbraucher angesteuert wird, wenn sich das Fahrzeug im (Still-)Stand befindet, wobei eine Verbraucheraktion ausgelöst wird, umfasst insbesondere, dass der angesteuerte Verbraucher tatsächlich eine Verbraucheraktion auslöst, die bei Fahrt für den oder die Fahrzeuginsassen bemerkbar wäre, aber im Stand entweder praktisch nicht bemerkt wird bzw. nicht bemerkbar ist und/oder keine Auswirkung auf den Komfort und/oder die Sicherheit der Fahrzeuginsassen oder anderer Verkehrsteilnehmer hat. Es wird auch hier der Vorteil erreicht, dass die Dauer und die Stärke der Ansteuerungssignale grundsätzlich nicht beschränkt ist und ein entsprechend vergleichsweise lang andauernder und hoher Strom für die Verbraucheraktion verbraucht wird, so dass Überspannungsimpulse besonders effektiv abgebaut werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass so zur Überspannungsbegrenzung auch sicherheitsrelevante Verbraucher herangezogen werden können, die während einer Fahrt nicht dazu verwendet werden dürften, z.B. ein elektrisch angetriebenes Bremssystem.
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Dass ein Verbraucher zeitlich so kurz angesteuert wird, dass keine Verbraucheraktion ausgelöst wird, umfasst insbesondere, dass der Ansteuerstrom kürzer als die Reaktionsverzögerung des Verbrauchers oder Wahrnehmung der Fahrzeuginsassen ist. Der Verbraucher wird also nur so kurz angesteuert, dass zwar durch den Verbraucher ein Strom verbraucht wird, der eine Überspannung abbaut, im Systemverbund - auftritt, es aber noch zu keiner merklichen Verbraucheraktion kommt. Da es sich bei Überspannungen typischerweise um sehr transiente Vorgänge handelt, reichen so kurze Stromverbräuche aus, um Überspannungen zu begrenzen. Ferner wird der Vorteil erreicht, dass kein zeitlich versetztes Umschalten einer Verbraucheraktion durchgeführt zu werden braucht. Es wird zudem auch hier der Vorteil erreicht, dass die Dauer der Ansteuerungssignale grundsätzlich nicht beschränkt ist, solange sie innerhalb der Reaktionsverzögerung bzw. Ansteuerverzögerung des Verbrauchers liegen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die bei Erfassung des Überspannungsimpulses eingeschalteten Verbraucher nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls oder nach Erfassung, dass die Überspannung ausreichend stark abgebaut worden ist, wieder in den vor Auftreten der Überspannung vorhandenen Sollzustand zurückversetzt werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Verbraucher von einer übergeordneten Instanz, z.B. einem zentralen Bordcomputer, einem Energiemanagementsystem und/oder einem Steuergerät angesteuert wird. Beispielsweise kann der mindestens eine Verbraucher mittels eines Steuergeräts angesteuert werden, welches wiederum mittels des zentralen Bordcomputers oder des Energiemanagementsystems angewiesen werden kann, die Ansteuerung durchzuführen.
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Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, wo im (Energie-) Versorgungsbordnetz sich die die Überspannung erzeugenden Störer und die die Überspannung abbauenden Verbraucher befinden. Es ist jedoch eine vorteilhafte Weiterbildung, dass der mindestens eine überspannungsabbauende Verbraucher möglichst nahe (d.h., mit einer möglichst geringen Leitungslänge) an dem Störer angeordnet ist. Es ist eine Weiterbildung, dass die übergeordnete Instanz mindestens einen Verbraucher zum Abbau von Überspannungen eines bestimmten Störers beruhend darauf aussucht bzw. ansteuert, wie weit der Verbraucher von dem Störer entfernt ist, d.h., wie lang die elektrische Leitung bzw. der elektrische Pfad zwischen Störer und Verbraucher ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher angesteuert wird, wenn eine Überspannung durch einen Sensor erfasst wird. Dies ergibt den Vorteil, dass auf Überspannungen gezielt reagiert werden kann. Die Erfassung einer Überspannung durch einen Sensor ist grundsätzlich bekannt und wird deshalb nicht weiter beschrieben.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher präventiv angesteuert wird, wenn eine Überspannung zu erwarten ist. So wird der Vorteil erreicht, dass bereits eine Bildung einer zumindest mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in Zukunft auftretenden Überspannung verhindert wird. Die präventive Ansteuerung kann beispielsweise beruhend auf einer Prädiktion und/oder einer Erkennung bestimmter Fahrszenarien beruhen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher ein Bauteil einer elektromotorischen Lenkung als der übergeordneten Funktionseinheit ist. Der Verbraucher kann z.B. während der Fahrt zeitlich so kurz angesteuert werden, dass keine Verbraucheraktion ausgelöst bzw. vorgenommen wird, die sich in Form eines merklichen Lenkeinschlags der Lenkung auswirkt, und zwar insbesondere auch unabhängig von der Richtung des Lenkeinschlags. Zudem kann ein Lenkeinschlag auch im Stillstand des Fahrzeugs vorgenommen werden, wobei dann ein ggf. sogar merklicher Lenkeinschlag erzeugt werden kann, der aber praktisch keinen Einfluss auf den Komfort und die Sicherheit der Insassen hat.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher eine zweiteilige elektromotorische Lenkung mit zwei individuell und unabhängig ansteuerbaren Lenkgestängen ist, die (ggf. zusätzlich zu einem gewünschten Lenken) dergestalt gegenläufig angesteuert werden, dass das durch das Ansteuern an der Lenkung resultierende (zusätzliche) Lenkmoment vernachlässigbar, insbesondere null, ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil ein Stromverbrauch durch Ansteuern der zweiteiligen elektromotorischen Lenkung besonders hoch ist und damit auch ein den Überspannungsimpuls begrenzender Spannungseinbruch verhältnismäßig hoch ist. Zudem lässt sich diese Ausgestaltung auch während einer Fahrt ohne Sicherheitseinbußen umsetzen. Bei dieser Ausgestaltung werden insbesondere die beiden Ansteuerungssignale für die jeweiligen Lenkgestänge so eingestellt oder angepasst, dass das sich für das linke Lenkgestänge ergebende Lenkmoment betragsmäßig dem sich für das rechte Lenkgestänge ergebende Lenkmoment entspricht, die beiden Lenkmomente aber entgegengesetzt wurden, so dass sich in Summe ein (ggf. zusätzliches) Lenkmoment von null oder zumindest ungefähr null ergibt. Eine solche (ggf. zusätzlich zu einer für einen gewollten Lenkeinschlag eingeprägten Ansteuerung) aufgeprägte gegenläufige Ansteuerung kann grundsätzlich beliebig lange aufrechterhalten werden.
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Jedoch ist es grundsätzlich unerheblich, ob die beiden Lenkgestänge einzeln betrieben werden können oder ein mechanisch gekoppeltes System bilden.
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Es ist eine verallgemeinerte Weiterbildung, dass der mindestens eine Verbraucher „mehrkanalig“, d.h., über mehrere getrennte Steuerkanäle, angesteuert werden kann und einen gemeinsamen Ausgang aufweist, um darüber die Verbraucheraktion auszuführen. Die Wirkung der Ansteuersignale bzw. die resultierende Verbraucheraktion an dem gemeinsamen Ausgang sollte für das vorliegende Verfahren null ergeben, d.h., dass die zum Zweck des Abbaus der Überspannung aufgebrachten Ansteuersignale an dem gemeinsamen Ausgang keine (zusätzliche) Wirkung entfalten. Es ist eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Verbraucher „zweikanalig“, ansteuerbar ist, z.B. die obige elektromotorische Lenkung.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher ein elektromotorisches Bremssystem ist, das, wenn sich das Fahrzeug im Stand befindet, so angesteuert wird, dass eine (ggf. zusätzliche) Bremsung als die Verbraucheraktion ausgelöst wird. Die Bremsung wird im Stand durch den Fahrzeuginsassen vorteilhafterweise nicht bemerkt, obwohl ein vergleichsweise hoher Strom verbraucht wird, der eine Überspannung besonders effektiv begrenzen kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend ein Versorgungsbordnetz mit mehreren Verbrauchern, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Das Fahrzeug kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf.
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So ist es eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug eine elektromotorische Lenkung mit zwei individuell ansteuerbaren Lenkgestängen aufweist, die zum Abbau von Überspannungen ansteuerbar sind, insbesondere gleichzeitig gegenläufig. Dazu weisen die Lenkgestänge insbesondere jeweils ein oder mehrere Aktoren zum Aufbringen entsprechender Lenkmomente auf.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Fahrzeug ein elektromotorisches Bremssystem aufweist, das bei Stillstand des Fahrzeugs zum Abbau von Überspannungen ansteuerbar ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug ist. Dabei ist die Durchführung des Verfahrens besonders vorteilhaft, weil Überspannungen besonders viele Störungen oder Ausfälle auslösen können.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug ein autonom fahrendes Fahrzeug ist. Dabei ist die Durchführung des Verfahrens besonders vorteilhaft, weil Überspannungen besonders viele Störungen oder Ausfälle auslösen können, welche eine sicherheitsrelevante Bedeutung haben.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
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1 zeigt eine stark vereinfache Skizze eines Fahrzeugs F, das zur Durchführung eines Verfahrens zum Verringern oder Begrenzen von Überspannungen in einen Versorgungsbordnetz (o. Abb.) des Fahrzeugs F eingerichtet ist. Das Versorgungsbordnetz dient zur Versorgung mehrerer elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie, von denen hier ein Verbraucher in Form einer elektromotorischen Lenkung 1 mit zwei Lenkgestängen 1-1, 1-2, nämlich einem linken Lenkgestänge 1-1 und einem rechten Lenkgestänge 1-2 vorliegt. Die Lenkgestänge 1-1, 1-2 können mittels mindestens eines Steuergeräts 2 unabhängig voneinander angesteuert werden, z.B. mittels unterschiedlicher Ansteuersignale oder -befehle.
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Das Steuergerät 2 kann mittels einer übergeordneten Instanz 3, z.B. einem zentralen Bordcomputer oder einem Energiemanager, angewiesen werden, das linke Lenkgestänge 1-1 und das rechte Lenkgestänge 1-2 gleichzeitig gegenläufig anzusteuern, wodurch es zu einem Spannungseinbruch im Restbordnetz kommt, welcher eine Überspannung reduziert bzw. begrenzt.
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Dabei sind die auf die Lenkgestänge 1-1 und 1-2 zu diesem Zweck gleichzeitig aufgebrachten jeweiligen Ansteuersignale so eingerichtet, dass die auf die Lenkgestänge 1-1 und 1-2 aufgebrachten Lenkmomente betragsmäßig gleich, aber in entgegengesetzte Richtung wirkend sind, so dass das resultierende, zusätzliche Lenkmoment null ist. Die zu diesem Zweck gleichzeitig aufgebrachten jeweiligen Ansteuerströme können beispielsweise additiv zu bestehenden Ansteuersignalen aufgebracht werden, welche ohne Berücksichtigung von Überspannungen auf die Lenkung 1 bzw. die Lenkgestänge 1-1 und 1-2 aufgebracht werden.
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Die übergeordnete Instanz 3 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, das mindestens eine Steuergerät 2 aufgrund einer Detektion einer Überspannung durch einen Sensor 4 entsprechend anzuweisen. Die übergeordnete Instanz 3 kann alternativ oder zusätzlich dazu eingerichtet sein, das Steuergerät 2 beruhend auf einer Prädiktion und/oder einer Erkennung bestimmter Fahrszenarien anzuweisen.
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Das Fahrzeug F ist insbesondere ein vollelektrisch angetriebenes, autonom fahrendes Fahrzeug, z.B. ein solcher Personenwagen oder ein solches Motorrad.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So kann die Lenkung 1 bzw. können die Lenkgestänge 1-1 bzw. 1-2 grundsätzlich beliebig, also auch nicht notwendigerweise gleichzeitig und/oder gegenläufig, angesteuert wenn, wenn sich das Fahrzeug F im Stand befindet, wobei dann ggf. ein resultierendes Lenkmoment ungleich null erzeugt wird, was für die Fahrzeuginsassen aber unerheblich ist.
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Auch kann die Lenkung 1 bzw. können die Lenkgestänge 1-1 bzw. 1-2 grundsätzlich beliebig, also auch nicht notwendigerweise gleichzeitig und/oder gegenläufig, angesteuert werden, wenn darauf geachtet wird, dass sie so kurz angesteuert werden, dass kein Lenkmoment erzeugt wird.
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Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotorische Lenkung
- 1-1
- Linkes Lenkgestänge
- 1-2
- Rechtes Lenkgestänge
- 2
- Steuergerät
- 3
- Übergeordnete Instanz
- 4
- Sensor
- F
- Fahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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