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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Steuergeräts mit dem Ziel der Ausfallprädiktion und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Steuergeräte sind elektronische Module und werden in Fahrzeugen als eingebettete Systeme dazu eingesetzt, um Prozesse und Komponenten zu steuern und zu regeln. Um einen sicheren Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Betrieb der eingesetzten Steuergeräte kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen zu überwachen. Hierzu gehört auch, Komponenten bzw. Bauelemente der Steuergeräte zu prüfen, da der Ausfall eines der Bauelemente zu einem Ausfall des gesamten Steuergeräts führen kann.
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Bauelemente eines Steuergeräts bzw. Fahrzeugsteuergeräts unterliegen aufgrund des Betriebs und der Umgebungsbedingungen einem Alterungsprozess, wodurch diese bzw. das Steuergerät nach einem vorher nicht bekannten Zeitraum ausfallen können. Bei bekannten Verfahren zum Betreiben von Steuergeräten wird im Steuergerät keine Ausfallprädiktion durchgeführt, so dass ein möglicher Ausfall ohne Vorankündigung auftritt. Um dies zu vermeiden, werden Komponenten zumindest teilweise präventiv entsprechend festgelegter Serviceintervalle ausgetauscht. Dies erfolgt jedoch ohne Kenntnis der noch möglicherweise erreichbaren Lebensdauer.
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Bei bekannten Verfahren kommt es, wie dies vorstehend beschrieben ist, ohne Ausfallprädiktion zu altersbedingten Fehlfunktionen von Bauelementen bzw. Steuergeräten, die zu kritischen Fahrsituationen bzw. Pannen führen können. Zu beachten ist, dass der zum Teil unnötige präventive Austausch von Komponenten ökonomische und ökologische Nachteile mit sich bringt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 023 359 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die Restlebensdauer eines Steuergeräts eines Fahrzeugs bekannt, bei denen vorgesehen ist, eine Bordspannung auszuwerten, was online erfolgen kann. Auf diese Weise sollen zuverlässige und genaue Informationen über die Restlebensdauer des Steuergeräts bereitgestellt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 211 614 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird in Abhängigkeit von auf einem Steuergerät gespeicherten Betriebsdaten eine Einschalthäufigkeit für die elektrische Maschine ermittelt. Dabei kann ein erster vorggebbarer Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern der elektrischen Maschine, welche einen Rückschluss auf die Lebensdauer der elektrischen Maschine ermöglichen, ermittelt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 218 212 770 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird unter Berücksichtigung der vergangenen Nutzung der Komponente und/oder unter Berücksichtigung von Randbedingungen der Istzustand der Komponente bestimmt. Hierbei kann eine Ausfallvorhersage über den Vergleich einer vorhergesagten zustandsbeschreibenden Komponentengröße mit zuvor bestimmten Grenzwerten durchgeführt werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2016 218 555 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dieses Energiebordnetz weist mehrere Komponenten auf. Dabei wird aus Werten zu einer Belastbarkeit mindestens einer Komponente als Zustandsanalyse eine Prognose zu einem zukünftigen Zustand der Komponente durchgeführt. Über eine Freigabe mindestens einer Fahrfunktion des Kraftfahrzeugs kann in Abhängigkeit von dem Ergebnis der durchgeführten Zustandsanalyse entschieden werden. Als bisherige Belastung der Komponente kann mindestens ein bisheriger Ausfall der Komponente, ein bisheriger Verschleiß der Komponente, eine Alterung der Komponente, ein Betriebsmodus der Komponente und/oder eine Topologie des Energiebordnetzes berücksichtigt werden.
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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 Anordnung nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Überwachen eines Steuergeräts, bei dem mindestens ein Kennwert, der für den Betrieb wenigstens eines Bauelements des Steuergeräts kennzeichnend ist, erfasst wird und der mindestens eine Kennwert jeweils mit einem Wert verglichen wird, der dem mindestens einen Kennwert unter Berücksichtigung der Betriebsdauer des wenigstens einen Bauelements zugeordnet ist.
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Jeder erfasste Kennwert wird somit mit einem Wert verglichen, der eine Größe für den Kennwert hat, der eine Änderung der Größe des Kennwerts durch Alterung berücksichtigt. So kann festgestellt werden, ob die Größe des Kennwerts entsprechend dem Alter bzw. der Betriebsdauer ist oder ob der Kennwert eine schnellere Alterung und damit einen möglichen früheren Ausfall bzw. eine stärkere Degradation aufgrund der Betriebsdauer erkennen lässt.
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Bei dem Verfahren werden dann auf Grundlage des Vergleichs Prädiktionsdaten zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit des wenigstens einen Bauelements mittels Algorithmen ermittelt.
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Kennzeichnend für den Betrieb bedeutet, dass dieser Kennwert eine Information zu dem Betrieb trägt und es ermöglicht, ggf. mit weiteren Kennwerten, den Betrieb des Bauelements zu beschreiben.
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In einer Ausführungsform wird der mindestens eine Kennwert zusätzlich mit vorgegebenen kritischen Grenzwerten verglichen.
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Der mindestens eine Kennwert kann kontinuierlich erfasst und damit überwacht werden. Daneben ist auch eine Erfassung in zeitlichen Abständen möglich. Werden mehrere Kennwerte erfasst bzw. überwacht, so können einige von diesen kontinuierlich und andere von diesen wiederum in zeitlichen Abständen erfasst bzw. überwacht werden.
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Es wird somit eine Ausfallprädiktion für die elektronischen Bauelemente in einem Steuergerät vorgeschlagen, die den Fahrzeugbetreiber über einen bevorstehenden Ausfall informiert. Auf diese Weise sollen die eingangs genannten Mängel behoben werden.
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Bei dem Verfahren ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass bekannte Kennwerte insbesondere kontinuierlich bzw. ständig überwacht und mit dem erwarteten Alterungsverlauf verglichen werden. Dazu werden diese Kennwerte mit kritischen Grenzen verglichen bzw. untereinander plausibilisiert. Die vorgeschlagene Ausfallprädiktion über bekannte und/oder neu entwickelte Algorithmen liefert zuverlässig die Information über einen bevorstehenden Bauelemente- bzw. Steuergeräteausfall an den Fahrzeugbetreiber.
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Dabei können folgende Kennwerte wie zuvor beschrieben überwacht und mit dem erwarteten Alterungsverlauf verglichen werden:
- Anzahl von Spannungstransienten pro Zeit,
- Änderung der minimal und maximal auftretenden Spannungswerte an geregelten Spannungsrails,
- Änderung von Referenzspannungen,
- Aufstartzeit von Spannungsreglern,
- Änderung von Widerstandswerten,
- Änderung von Kondensator-Kapazitätswerten,
- Änderung der Temperaturverläufe innerhalb eines Steuergeräts,
- Änderung von Takt- bzw. Clockparametern wie Jitter, Frequenz usw.,
- Änderung von Stromcharakteristiken,
- Überschreiten vorgegebener Feuchtigkeitswerte innerhalb des Steuergeräts.
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Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Erfassung und Verarbeitung der Kennwerte durch eine Datenverarbeitungseinheit. Die Datenverarbeitungseinheit kann unter anderem realisiert sein als:
- Software,
- FPGA-Logik (Field Programmable Gate Array: programmierbare Logikgatter-Anordnung),
- ASIC-Logik (Application-Specific Integrated Circuit: anwendungsspezifische integrierte Schaltung).
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Realisierung der Algorithmen zur Ausfallprädiktion über folgende Varianten:
- DSPs (Digitale Signalprozessoren),
- Künstliche Intelligenz,
- Neuronale Netze
- Arithmetik.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Weitergabe der Prädiktionsdaten über alle gängigen Steuergeräte-/Fahrzeugschnittstellen erfolgt, wie z.B. die folgenden: SPI, 12C, CAN, LIN, Ethernet, GPIO, WLAN, OBD, FlexRay, USB, PCIe, MOST und vergleichbare Schnittstellen.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- Durch die Ausfallprädiktion werden Fehlfunktionen und Ausfälle des Steuergeräts während des Fahrzeugbetriebs vermieden. Weiterhin werden sicherheitskritische Fahrsituationen verhindert, die durch einen Steuergeräteausfall oder eine Steuergerätefehlfunktion hervorgerufen werden können. Darüber hinaus wird die Einsatzdauer des Steuergeräts verlängert, was ökologische und ökonomische Vorteile mit sich bringt.
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Die vorgestellte Anordnung ist zum Durchführen des hierin beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Diese Anordnung kann in einer Hardware und/oder Software implementiert und in einem Steuergerät integriert oder als solches ausgebildet sein.
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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 und Aufzählungen keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung oder in Vielzahl verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt in einem Flussdiagramm stark vereinfacht eine mögliche Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens.
- 2 zeigt in schematischer stark vereinfacher Darstellung eine Ausführungsform eines Steuergeräts mit einer Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
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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 verdeutlicht in einem Diagramm einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens. Die Darstellung zeigt eine Anordnung 10, die bspw. in einem Steuergerät integriert ist. Diese Anordnung 10 dient zur Überwachung von Eingangsgrößen und zur Ausfallprädiktion mit Hilfe von Algorithmen. Eingangsgrößen sind Kennwerte, in diesem Fall Spannungstransiente 12, ein Widerstandswert 14, eine Kondensator-Kapazität 16, ein Temperaturverlauf 18, Takt- bzw. Clockparameter 20, eine Stromcharakteristik 22 und ein Feuchtigkeitswert 24. Es können noch weitere Eingangsgrößen bzw. Kennwerte berücksichtigt sein.
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Ausgangsgröße der Anordnung 10 ist eine Information 30 über einen bevorstehenden Bauelementeausfall. Diese Information wird durch die genannten Algorithmen in der Anordnung 10 ermittelt.
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Das vorgestellte Verfahren überwacht ständig bzw. kontinuierlich bekannte Kennwerte und vergleicht diese mit dem erwarteten Alterungsverlauf. Dazu werden diese Kennwerte mit kritischen Grenzen verglichen bzw. untereinander plausibilisiert. Bei einem bevorstehenden Bauelemente- bzw. Steuergeräteausfall wird der Fahrzeugbetreiber informiert.
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Es wird nachfolgend auf ein Ausführungsbeispiel eingegangen, bei dem eine Änderung der Ausgangsspannung eines Schaltreglers durch Alterungseffekte gegeben ist:
- Beim Betrieb eines Schaltreglers kommt es über die Zeit hinweg zu Alterungseffekten an verschiedenen Bauteilen bzw. Bauelementen. So kann es durch Alterung zu einer Verringerung der Kapazität der Eingangs- und Ausgangskondensatoren, zu einer Änderung der Widerstandswerte im Feedbackteiler und zu einer Änderung der Referenzspannung des Schaltreglers kommen. Aufgrund dieser Alterungseffekte kann sich die Ausgangsspannung so weit ändern, dass sie sich außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs und außerhalb zeitlicher Anforderungen befindet, wodurch der versorgte Schaltungsteil und das Steuergerät teilweise oder komplett ausfallen.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsspannung des Schaltreglers über die Lebensdauer des Steuergeräts hinweg ständig durch einen ADC-Baustein erfasst und der zugehörige Spannungswert an eine Prädiktionslogik, die die Algorithmen implementiert, weitergeleitet. Die in der Prädiktionslogik realisierten Algorithmen zur Ausfallprädiktion vergleichen den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung mit Grenzwerten. Diese Grenzwerte sind so festgelegt, dass ein Betrieb des Steuergeräts zwar noch möglich, aber ein Ausfall des Steuergeräts in der nahen Zukunft wahrscheinlich ist. Sobald die Ausgangsspannung einen der Grenzwerte erreicht, sendet die Prädiktionslogik eine Information über Fahrzeugschnittstellen an den Fahrzeugbetreiber. Dieser kann dann eine Werkstatt zum Austausch des Steuergeräts aufsuchen, noch bevor das Steuergerät ausfällt.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Steuergerät 50, in dem eine Anordnung 52 zur Durchführung des Verfahrens angeordnet ist. Diese Anordnung 52 ist über Sensoren 54 und Aktoren 56 im Austausch mit Bauelementen 60 in dem Steuergerät 50.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005023359 A1 [0005]
- DE 102019211614 A1 [0006]
- DE 10218212770 A1 [0007]
- DE 102016218555 A1 [0008]
