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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Impedanz eines Bordnetzes und eine Messanordnung, die zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Das Bordnetz bzw. Fahrzeugbordnetz hat die Aufgabe, die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrzeugfunktionen resultieren höhere Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug.
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Für viele Sicherheitsfunktionen von Bordnetzkomponenten, wie bspw. den Überspannungsschutz oder den Überstromschutz, spielt die Bordnetzimpedanz einen entscheidenden Faktor. In Abhängigkeit von der Schutzfunktion können die Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten im Bordnetz hilfreiche oder störende Größen sein.
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Um eine Sicherheitsfunktion hinreichend sicher zu entwickeln, wird aktuell in der Entwicklung davon ausgegangen, dass hilfreiche Impedanzgrößen für die Schutzfunktion nicht zur Verfügung stehen. Für störende Impedanzgrößen wird von technisch maximal möglichen Werten ausgegangen. Dadurch sind Schutzfunktionen häufig überdimensioniert.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 210 688 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung einer Bordnetzgüte bei wenigstens zwei Bordnetzen eines Fahrzeugs. Bei dem Verfahren werden eine erste und eine zweite Erfassungsinformation erfasst, wobei diese für einen Stromgradienten eines elektrischen Stroms bzw. für einen Spannungsgradienten einer elektrischen Spannung spezifisch sind. Zum Ermitteln der Bordnetzgüte werden die beiden Erfassungsinformationen miteinander verglichen.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 064 360 A1 beschreibt ein System zum Schutz eines mit einem elektrischen Leitungssystem verbindbaren elektrischen Geräts. Das System umfasst einen Signalgenerator zum Erzeugen eines ersten Signals im Leitungssystem, eine Abtasteinrichtung zum Abtasten eines zweiten Signals, eine Bestimmungseinrichtung und eine Steuereinrichtung zur Einschränkung einer Funktionalität des Geräts. Mit dem System kann eine Impulsantwort im Bordnetz eines Fahrzeuges erzeugt werden. Es wird jedoch keine quantitative Ermittlung der Bordnetzeigenschaften vorgenommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Messanordnung nach Anspruch 15 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Bestimmen einer elektrischen Größe, bspw. einer Impedanz, eines Bordnetzes, bei dem in dem Bordnetz eine elektrische Anregung erfolgt und eine Systemantwort des Bordnetzes mit einer Messanordnung ausgewertet wird, um mindestens eine Eigenschaft des Bordnetzes quantitativ zu bestimmen. Die bestimmte elektrische Größe, bspw. Impedanz, wird somit dazu verwendet, um mindestens eine Eigenschaft, insbesondere eine elektrische Eigenschaft, des Bordnetzes quantitativ zu bestimmen. Die Komponente kann bspw. ein Verbraucher bzw. eine Last in dem Bordnetz sein.
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Die Systemantwort kann bspw. durch eine Sprungantwort gegeben sein. Liegt als Sprungantwort ein Spannungssprung vor, so ist dieser typischerweise im gesamten Bordnetz zu erkennen.Liegt als Sprungantwort ein Stromsprung vor, so kann dieser auch nur auf eine oder mehrere Komponenten des Bordnetzes begrenzt vorliegen.
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Die quantitative Bestimmung durch die Sprungantwort wird im weiteren anhand von unterschiedlichen Beispielen für Kapazität und Induktivität näher erläutert.
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Die beschriebene Messanordnung ist zum Durchführen eines Verfahrens der hierin vorgestellten Art eingerichtet. Die Messanordnung kann dann mehrere Einheiten umfassen, wobei eine erste Einheit die Anregung bzw. Beaufschlagen bewirken kann und eine zweite Einheit dazu eingerichtet ist, die Antwort bzw. Reaktion auf die Anregung zu erfassen und auszuwerten. Diese unterschiedlichen Schritte können aber auch in einer einzigen Einheit durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Messanordnung in einer Hardware und/oder Software implementiert und in einem Steuergerät typischerweise eines Fahrzeugs integriert sein.
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Das vorgestellte Verfahren dient dazu, die elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen zu quantifizieren, um Sicherheitsfunktionen von Bordnetzkomponenten passgenauer auf die realen Gegebenheiten im Fahrzeug entwickeln zu können. Dabei kann eine Quantifizierung von Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines Bordnetzes oder Komponenten des Bordnetzes durch Fehler im System vorgenommen werden. Fehler sind bspw. nicht angebundene oder fehlende Kapazitäten.
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Als Sicherheitsmaßnahme soll die Funktion dazu dienen, den sicheren Zustand einzuleiten, wenn die elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes nicht ausreichend sind, um im Fehlerfall einer Komponente, bspw. bei einem Kurzschluss oder einer Überspannung, noch einen sicheren Zustand einzuleiten. Es wird somit eine Überdimensionierung der Schutzfunktion vermieden, indem hilfreiche elektrische Größen des Bordnetzes für die Schutzfunktion mit berücksichtigt werden.
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Zu beachten ist, dass sich in jeder Bordnetzkomponente Kapazitäten befinden. Die Zuleitung zu den Bordnetzkomponenten wiederum wirkt mit ihrem Leitungswiderstand und der Kabelinduktivität. Durch eine gezielte Stimulierung des Bordnetzes bspw. mittels einer Sprungantwort können Rückschlüsse auf diese Größen getroffen werden. So kann beispielsweise durch Zu- und Abschalten eines elektrischen Verbrauchers im Bordnetz die Strom- und/oder Spannungsänderung an einer zentralen Stelle im Bordnetz gemessen werden. Alternativ kann bspw. gezielt kurzzeitig ein serieller Widerstand in der Zuleitung einer oder mehrerer Verbraucher geschalten werden. Über die Strom- und/oder Spannungsänderung kann nun ein quantitativer Rückschluss über die elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes gezogen werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer vereinfachter Darstellung ein Bordnetz, das zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
- 2 zeigt in einem Graphen eine Impulsantwort durch eine Bordnetzimpedanz.
- 3 zeigt in einem Graphen eine Sprungantwort bei 5 mF Bordnetzkapazität.
- 4 zeigt in einem Graphen eine Sprungantwort bei 40 mF Bordnetzkapazität.
- 5 zeigt in einem Graphen einen Stromverlauf im Hauptschalter bei 3 µH Kabelinduktivität.
- 6 zeigt in einem Graphen einen Stromverlauf im Hauptschalter bei 15 µH Kabelinduktivität.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Kapazität Ccomp 12, einen Widerstand Rcomp 14, eine Induktivität Lcomp 16, eine Induktivität Laus 18, einen Widerstand Raus 20, eine Messanordnung 22, eine Induktivität Lin 24, einen Widerstand Rin 26 und eine Batterie 28. Die Größen Rcomp 14, Ccomp 12 und Lcomp 16 repräsentieren einen Verbraucher 30, der über eine Leitung 32 an die Batterie 28 eines Fahrzeuges angeschlossen ist.
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Die Messanordnung 22 kann nun durch Aufschaltung eines Widerstands oder durch reines Zuschalten des Verbrauchers 30 eine Sprungantwort erzeugen, die sich in Form einer zeitlichen Spannungs- und Stromänderung zeigt. Diese Sprungantwort gibt nun Aufschluss über die Impedanz des Bordnetzes 10 und der angeschlossenen Verbraucher. Dadurch kann zum Beispiel die Bordnetzkapazität ermittelt werden.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- - Ermittlung von elektrischen Größen im Bordnetz, um diese bspw. für Sicherheits- oder Diagnosefunktionen von Bordnetzkomponenten zu verwenden,
- - Optimierung von Funktionen entsprechend der Bordnetzparameter,
- - Erkennung von Fehlern in Bordnetzen, bspw. durch eine Änderung der elektrischen Größen des Bordnetzes,
- - eine gezielte Diagnose der Batterie oder anderer Spannungsquellen ist möglich,
- - eine gezielte Diagnose von einzelnen Bordnetzkomponenten bzw. Lasten mittels eines anderen Steuergeräts ist möglich.
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Unterschiedliche Ausführungen zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens sind nachstehend skizziert:
- 1. Zu- bzw. Abschaltung eines seriellen Widerstandes, wie dies vorstehend beschrieben ist.
- 2. Eine Last schaltet sich im Bordnetz gezielt zu. Durch die Strom und Spannungsänderung an dieser Last kann ein Rückschluss über die Qualität/Impedanz des Bordnetzes oder der Last ermittelt werden.
- 3. Eine Last wird gezielt durch ein übergeordnetes Steuergerät zu- und/oder abgeschalten. Eine Messung von Strom- und Spannung in Abhängigkeit zur Zeit an einer oder mehrerer Stellen im Bordnetz kann nun eine quantitative Ermittlung von Bordnetzgrößen oder der elektrischen Größen der Last zulassen.
- 4. Eine Kapazität wird gezielt in einem Steuergerät oder in einer Last zugeschalten. Die Sprungantwort kann an verschiedenen Punkten im Bordnetz ermittelt werden und Aufschluss über elektrische Größen des Bordnetzes geben.
- 5. Eine Spannungsquelle, wie bspw. ein Gleichspannungs- bzw. DC/DC-Wandler oder ein Generator, liefert sprunghaft Energie, die Sprungantwort kann an einem oder mehreren Punkten im Bordnetz eine Aussage zur Bordnetzimpedanz liefern.
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Die Impedanzmessung kann in Bordnetzen mit unterschiedlichen Spannungslevel, wie bspw. 12 V, 24 V, 48 V, 400 V usw., Anwendung finden.
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Weiterhin ist es auch denkbar eine solche Funktion nicht nur in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen zu verwenden. Ebenso könnte es in Elektro-Fahrrädern oder Flugzeugen verwendet werden.
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Alternativ zur Sprungantwort kann das Bordnetz oder die Komponente auch mit einer zyklischen Anregung beaufschlagt werden.
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2 zeigt in einem Graphen 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit T und an dessen Ordinate 54 der Strom I aufgetragen ist, exemplarisch eine mögliche Sprungantwort 56 in einem Stromverlauf 58 in einem Bordnetz, die durch ein Umschalten eines Stroms von einem Widerstand R1 in einen Widerstand R2 bewirkt ist. Die Darstellung zeigt an der Ordinate den Wert eines Stroms I0 60 und in dem Stromverlauf 58 einen ersten Abschnitt 62, der den Strom im Widerstand R1 repräsentiert, einen zweiten Abschnitt 64, der den Strom im Widerstand R2 repräsentiert, und einen dritten Abschnitt 66, der die Sprungantwort 56 durch die Bordnetzimpedanz zeigt.
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Die Sprungantwort 56 gibt nun in ihrer Amplitude und ihrem zeitlichen Ablauf einen Aufschluss über Bordnetzgrößen. Eine höhere Amplitude der Sprungantwort 56 lässt auf eine geringe Kabelinduktivität und/oder eine höhere Bordnetzkapazität schließen.
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Ein konkretes Anwendungsbeispiel der genannten Erfindung kann beispielsweise eine Überspannungsschutzfunktion eines Generators sein.
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Da die elektrische Lenkung und auch das Bremssystem eines Fahrzeuges üblicherweise nur im Spannungsbereich bis 27 V spezifiziert sind, müssen diese Systeme vor Überspannungen >27 V mit ASIL D geschützt werden. Diese Anforderung wirkt sich vor allem auf den Generator des Fahrzeuges aus, der Überspannungen von mehr als 27 V mit ASIL D vermeiden muss.
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Um diese Anforderung einhalten zu können, muss der Fehlerzustand rechtzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen, wie bspw. eine Schnellentregung oder ein Phasenkurzschluss, eingeleitet werden. Dabei ist der Gradient des Spannungsanstiegs sehr relevant. Steigt die Spannung zu schnell an, reicht die Zeit vor Erreichen der Überspannung von 27 V nicht aus, um die Gegenmaßnahmen rechtzeitig einzuleiten. Maßgeblich für den Spannungsanstieg ist die im Bordnetz vorhandene Kapazität und die Anbindung der Batterie zur Stabilisierung der Spannung.
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Moderne Fahrzeuge bieten im Fehlerzustand regelmäßig eine Notlauffunktion, die es dem Fahrer ermöglicht, auch ohne angeschlossene Batterie noch in die nächste Werkstatt zu fahren. Auch in dieser Fahrsituation muss ein ASIL D auf Überspannung eingehalten werden. In diesem Betriebszustand sind somit lediglich die Kapazitäten im Fahrzeug zur Begrenzung des Spannungsanstiegs vorhanden. Diese sind wiederum aktuell nur schwierig diagnostizierbar.
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Daher werden nur die Generator-internen Kapazitäten zur Berechnung des Spannungsanstiegs verwendet. Aufgrund der hohen FIT-Zahlen (FIT: failure in time: Ausfallrate) von den üblicherweise verwendeten Elektrolytkondensatoren müssen ausreichend viele Kapazitäten redundant parallel verwendet werden. Mögliche konkrete Werte eines Generators können beispielsweise sein:
- Maximale Leistung Generator: 6 kW
- Intern verwendete Elektrolytkondensatoren: 1 mF
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So beträgt die Zeit des Spannungsanstiegs auf 27 V von der maximalen Betriebsspannung von 16 V nur 40 µs. Da die Erkennungsschwelle oberhalb der maximalen Betriebsspannung gelegt werden sollte und auch die Erkennung Toleranzen aufweist, ist die verfügbare Zeit jedoch bedeutend kleiner. Diese Zeit ist allerdings nicht ausreichend, um kostengünstig mit ASIL D geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.
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Ein solch schneller Anstieg der Spannung ist in einem Fahrzeug jedoch nicht realistisch, da nahezu jede Komponente über eine Eingangskapazität verfügt. Die Kapazitäten im 12 V Bordnetz können sich meist auf 30 bis 50 mF summieren. Für die Überspannungsschutzfunktion ist es von großem Vorteil, wenn für die Sicherheitsmetriken der Schutzfunktion von einer Mindestgröße der Bordnetzkapazität, wie bspw. 5 m F, ausgegangen werden darf.
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Dafür kann eine Diagnosefunktion eines Haupttrennschalters, der auch als Powernet Guardian (PNG) bezeichnet wird, verwendet werden. Insbesondere ist der PNG ein Haupttrennschalter mit integriertem elektronischen Leistungsverteiler und Bordnetzdiagnosefunktion. Der PNG bietet die Möglichkeit, intern zwischen zwei verschiedenen Schaltungsimpedanzen umzuschalten. Durch diese Anregung wird eine Sprungantwort in Form einer Strom- und Spannungsänderung im Bordnetz hervorgerufen.
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3 zeigt in einem Graphen 100, an dessen Abszisse 102 die Zeit [ms] und an dessen Ordinate 104 der Strom [A] aufgetragen ist, eine Sprungantwort 106 mit 5 mF Bordnetzkapazität.
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4 zeigt in einem Graphen 120, an dessen Abszisse 122 die Zeit [ms] und an dessen Ordinate 124 der Strom [A] aufgetragen ist, eine Sprungantwort 126 mit 40 mF Bordnetzkapazität.
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Über eine Frequenz- oder Amplitudenanalyse kann nun eine Abweichung der Bordnetzkapazität vom Normalzustand bestimmt werden. Durch diese Diagnose können nun auch die Bordnetzkapazitäten für die Sicherheitsanalyse des Generators verwendet werden.
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Falls wiederholt eine Abweichung der Bordnetzkapazität vom Normalzustand bestimmt wird und damit die Annahmen der Sicherheitsanalyse nicht oder nicht mehr erfüllt werden, sind folgende Reaktionen denkbar:
- - Der Generator wird in einen Notlauf/ Betriebsmodus mit begrenztem Leistungsvermögen versetzt, wodurch der Spannungsanstieg ggü. dem Normalbetrieb begrenzt wird.
- - Interne Fehlerablage in einem DTC (diagnostic trouble code) und zusätzliche Warnanzeige an den Fahrer, die Werkstatt aufzusuchen und einen potentiellen Fehler, z. B. eine mangelhafte Anbindung von Kapazitäten an das Bordnetz, zu beheben.
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Durch eine ausreichende Sicherheitsmarge zwischen der sicherheitsrelevanten Grenzkapazität, z. B. 5mF, und der typischen Bordnetzkapazität, z. B. 40 mF, wird die Wahrscheinlichkeit einer fälschlichen Auslösung der Funktion (False Positive) reduziert. Gleichzeitig werden durch die Annahme einer mindestens vorliegenden Grenzkapazität, gegenüber einer unrealistischen Worst-Case-Annahme von 0mF Bordnetzkapazität, Kostenpotentiale in der Hardware-Auslegung ermöglicht und diese Potentiale sicherheitstechnisch abgesichert.
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Ein weiteres konkretes Anwendungsbeispiel ist die Funktion des PNG einen sehr hohen Kurzschlussstrom mit ASIL D sicher trennen zu können.
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Das sichere Trennen ist maßgeblich von der Induktivität des Fehlerstrompfades und den angeschlossenen Kapazitäten abhängig, da beim Abschalten hoher Ströme induktive Spannungsspitzen entstehen. Diese Spannungsspitzen müssen wiederum durch den Einbau von Pufferkondensatoren und Zenerdioden begrenzt werden. Die beispielhafte Auslegung sieht eine maximale Induktivität des Fehlerstrompfades von 10 µH vor. Da die Funktion maßgeblich von dieser Größe abhängt bedarf es einer Diagnose im Bordnetz.
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Folgende Grafiken zeigen den sich ändernden Stromverlauf, wenn die Induktivität des angeschlossenen Kabels 15 µH anstatt 3µH beträgt.
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5 zeigt in einem Graphen 140, an dessen Abszisse 142 die Zeit [ms] und an dessen Ordinate 144 der Strom [A] aufgetragen ist, einen Stromverlauf 146 im Hauptschalter bei 3 µH Kabelinduktivität.
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6 zeigt in einem Graphen 160, an dessen Abszisse 162 die Zeit [ms] und an dessen Ordinate 164 der Strom [A] aufgetragen ist, einen Stromverlauf 166 im Hauptschalter bei 15 µH Kabelinduktivität.
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Durch die geänderte Kabelinduktivität ändert sich somit die Amplitude und Einschwingfrequenz bzw. Einschwingdauer. Über diese Größen kann der PNG feststellen, ob die angeschlossene Induktivität unzulässig hoch ist. Falls wiederholt eine Abweichung der Bordnetzinduktivität vom Normalzustand bestimmt wird und damit die Annahmen der Sicherheitsanalyse nicht oder nicht mehr erfüllt werden, ist folgende Reaktion denkbar:
- Interne Fehlerablage in einem DTC und zusätzliche Warnanzeige an den Fahrer, die Werkstatt aufzusuchen und einen potenziellen Fehler zu beheben.
- Absenkung der maximal erlaubten Abschaltstroms auf einen Wert, der auch bei erhöhter Induktivität geschalten werden kann.
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Die vorgestellte Diagnosefunktion kann grundsätzlich für jede sicherheitsrelevante Komponente im Fahrzeug eingesetzt werden, die für ihre Funktion gewisse elektrische Größen des Bordnetzes benötigt. So kann die Funktion bspw. für den PNG verwendet werden, so dass dieser durch Bestimmen von Kapazitäten im Bordnetz weniger überdimensioniert ausgelegt werden muss, da das Abschalten eines hohen Fehlerstroms bei ausreichender Kapazität im Bordnetz weniger anspruchsvoll wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019210688 A1 [0005]
- DE 102010064360 A1 [0006]
