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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei modernen Fahrzeugen, insbesondere bei autonom fahrenden Fahrzeugen, aber auch bei zukünftigen klassischen Fahrzeugen, ist wünschenswert, dass der Antrieb (Fahrantrieb) bei einem Fehler (insbesondere sog. Erstfehler) noch weiter zumindest eine reduzierte Leistung und ein reduziertes Moment für eine gewisse Zeit aufbringen kann. Dies würde Staus und gefährliche Verkehrssituationen durch liegengebliebene Fahrzeuge verhindern.
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Als Erstfehler wird in der Regel ein Fehler bezeichnet, der in einem System zeitlich zuerst auftritt. Unter Zweitfehler wird ein Fehler verstanden, der unabhängig von einem zuvor aufgetretenen Fehler auftritt. Ist der Erstfehler nicht erkennbar, muss z.B. nach Ablauf der sogenannten Mehrfachfehler-Eintrittszeit, die das Auftreten eines zweiten unabhängigen Fehlers wahrscheinlich werden lässt, mit einem Zweitfehler gerechnet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Diagnose eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit der Diagnose eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. Ein solcher Antriebsstrang weist dabei einen Antrieb, und zwar insbesondere einen elektrischen Antrieb, sowie eine Bremse, und zwar insbesondere eine Wirbelstrombremse, auf. Es kommen also insbesondere rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, ebenso aber auch sog. Hybridfahrzeuge in Betracht. Grundsätzlich kann der Antriebsstrang auch mehrere Antriebe (ggf. auch verschiedener Art) aufweisen, die z.B. redundant oder auch einander ergänzend verwendet werden können.
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Eine mögliche Strategie im Falle eines erkannten Fehlers sieht z.B. einen Missionsabbruch (d.h. es wird z.B. ein aktuelles Fahrmanöver abgebrochen) oder das Ansteuern einer nächsten sicheren Parkposition vor. Das Fahrzeug muss dazu nicht mehr die volle Antriebsleistung und/oder das volle Antriebsmoment bereitstellen, so dass eine (massive) Überauslegung des Fahrzeugs dazu nicht nötig ist. Das Fahrzeug kann dann allerdings nicht mehr jede Strecke mit beliebiger Geschwindigkeit fahren, sondern ist stark eingeschränkt. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein autonom fahrendes Taxi, bei dem während einer Fahrt auf der Autobahn ein Fehler im Antriebsstrang diagnostiziert würde, nicht mehr das (eigentliche) Ziel ansteuern würde, sondern z.B. die nächste Ausfahrt oder den nächsten sicheren Parkplatz (sofern diese schneller bzw. auf kürzerer Strecke erreicht werden könnten als das eigentliche Ziel). Bei einem nicht autonomen Fahrzeug könnte z.B. der Fahrer darüber informiert werden, den nächsten sicheren Parkplatz ansteuern und die Fahrtroute dorthin kann z.B. über das Navigationssystem angezeigt werden. Die Reduktion der Restlaufzeit nach einem Erstfehler ermöglicht das Erreichen von sehr hohen FIT-Raten (FIT seht dabei für „Failure in Time“) mit einfacher Redundanz.
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Eine wichtige Voraussetzung für das Konzept des Missionsabbruchs ist allerdings die sichere Diagnose des Erstfehlers und dann insbesondere das Einleiten des Missionsabbruchs oder einer anderen Gegenmaßnahme.
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Es kommen verschiedene Diagnosen für Sensoren und Aktoren in der Hardware und in Software in Betracht. Diese Diagnosen erreichen in aller Regel aber nicht die nötige Diagnosesicherheit für einen Erstfehler, da sie sicher jeden möglichen Erstfehler in der Hardware diagnostizieren müssten. Eine Diagnose, die darauf abstellt, dass im Zweifelsfall ein Fehler diagnostiziert wird (auch wenn es ggf. nicht ganz sicher ist, ob ein Fehler vorliegt), ist jedoch nicht zielführend. Dies würde zu unnötigen Missionsabbrüchen führen und ebenfalls keine ausreichende Diagnosesicherheit bieten.
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Ein Beispiel für einen schlafenden Fehler, der mit gängiger Hardwarediagnose nicht erkannt würde, ist der Ausfall eines oder mehrerer Halbleiterchips oder Treiberstufen eines Schalters, der zu einem oder mehreren anderen Schaltern parallelgeschaltet ist. Eine Unterbrechung bliebe bei geringem Strom unentdeckt, da der verbleibende (parallele) Schalter den Strom noch sicher führen kann. Falls aber der Strom z.B. bei einer Bergfahrt oder einer Beschleunigung ansteigt, würden ein oder mehrere verbleibende Schalter überlastet und ausfallen. Somit würde der schlafende Fehler erst dann sichtbar, und zwar als Ausfall eines Zweiges z.B. einer B6-Wechselrichterbrücke.
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Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, den Antrieb (ggf. einen von mehreren Antrieben) anzusteuern, um einen Zielwert (im Sinne eines Sollwerts) einer Antriebsgröße (insbesondere eines von dem Antrieb bereitzustellenden Moments (Drehmoments) oder einer von dem Antrieb bereitzustellenden Leistung) einzustellen. Dabei ist der Zielwert höher als ein aktuell geforderter Wert der von dem Antriebstrang bereitzustellenden Antriebsgröße. Es sei erwähnt, dass z.B. auf das Moment oder auf die Leistung abgestellt werden kann, was grundsätzlich einander gleichbedeutend ist, aber ggf. andere Mess- oder Überwachungsgrößen erfordert. Außerdem wird die Bremse angesteuert, um eine (negative) Antriebsgröße aufzubringen, sodass die von der Bremse aufgebrachte Antriebsgröße der von dem Antrieb bereitgestellten Antriebsgröße entgegenwirkt. Dabei kann insbesondere vom Antriebsstrang insgesamt (Summe aus Antrieb und Bremse) der aktuell geforderte Wert bereitgestellt werden, d.h. es sind keine oder allenfalls kaum merkliche Änderungen im Fahrverhalten festzustellen. Dann wird geprüft, ob ein Fehler im Antriebsstrang, insbesondere im Antrieb, erkannt wird. Falls ja, kann eine Gegenmaßnahme wie ein Missionsabbruch oder ein automatisches Anfahren einer sicheren Parkposition oder ein Ausgeben einer Information zum erkannten Fehler eingeleitet werden. Mit einer Wirbelstrombremse ist das Stellen eines Moments z.B. sogar verschließfrei möglich.
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Das Prüfen, ob ein Fehler im Antriebsstrang erkannt wird, umfasst insbesondere, dass ein erreichter Istwert der von dem Antrieb bereitgestellten Antriebsgröße bestimmt wird; dies kann insbesondere basierend auf einem Modell des Antriebs oder des Antriebsstrangs erfolgen. Der Istwert wird dann mit dem Zielwert verglichen. Ist der Istwert kleiner oder um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert kleiner als der Zielwert, kann z.B. von einem Fehler ausgegangen werden. Der Antrieb ist dann nämlich nicht in der Lage, den gewünschten Zielwert bereitzustellen. Es sei erwähnt, dass grundsätzlich auch ohne einen solchen Vergleich Fehler erkannt werden können, z.B. wenn beim Erhöhen des Momentes in Richtung Zielwert ein (ggf. vollständiger) Ausfall des Antriebs erfolgt oder erkannt wird. Das Prüfen kann auch geschwindigkeits- oder beschleunigungsbasiert erfolgen, d.h. wenn die Istgeschwindigkeit bzw. Istbeschleunigung geringer (Beschleunigung ggf. sogar negativ) ist als erwartet.
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Das Ansteuern der Bremse, um die Antriebsgröße aufzubringen, kann dabei - insbesondere im Fall einer Wirbelstrombremse - erfolgen, indem ein Sollwert für die durch die Bremse aufzubringende Antriebsgröße vorgegeben wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit von dem Zielwert und dem aktuellen Wert (z.B. die Differenz) bestimmt wird. Vorzugsweise wird auch ein Wert für eine Stellgröße, insbesondere einen Erregerstrom der Wirbelstrombremse, zum Erreichen des Sollwerts vorgegeben und insbesondere eingestellt. Insbesondere bei einer Wirbelstrombremse ist damit ein besonders genaues Einstellen einer dem Antrieb entgegenwirkenden Antriebsgröße möglich.
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Besonders bevorzugt ist es, den erreichten Istwert der von dem Antrieb bereitgestellten Antriebsgröße anhand eines Istwertes der durch die Bremse aufgebrachten Antriebsgröße zu plausibilisieren. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass bei einer Wirbelstrombremse oder ggf. auch einer anderen Art von Bremse geprüft werden kann, ob der gewünschte Sollwert tatsächlich erreicht wird. Wenn dies der Fall ist, kann auch davon ausgegangen werden, dass der Antrieb den Zielwert erreicht hat. Wenn die Bremse den Sollwert nicht erreicht, kann - muss aber nicht - im Antrieb ein Fehler vorliegen.
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Als Zielwert der von dem Antrieb bereitzustellenden Antriebsgröße wird bevorzugt ein Wert verwendet, der wenigstens einem vorgegebenen Minimalwert entspricht, bei dem ein Fehler erkennbar ist. Beispielsweise kann ein solcher Minimalwert so gewählt sein, dass im eingangs erwähnten Fall mit zwei parallelen Schaltern beide Schalter zwingend Strom führen müssen. Ist einer der Schalter defekt, tritt also sicher ein Fehler auf. Der Zielwert kann aber auch höher gewählt werden, insbesondere auch bis hin zu einem maximal möglichen bzw. maximal erreichbaren Wert.
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Mit dieser vorgeschlagenen Diagnose werden also nicht einzelne Hardwarekomponenten diagnostiziert (bzw. dort Fehler erkannt), sondern es wird diagnostiziert, ob der Antriebsstrang, der einen oder mehrere Antriebe aufweisen kann, die geforderte Antriebsgröße einstellen kann oder ob versteckte bzw. schlafende Fehler oder auch offensichtliche Fehler schon im Antriebssystem vorhanden sind, die zu einer unzulässigen Reduktion der ggf. nötigen, maximalen Antriebsgröße führen würden.
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Damit ist es möglich, durch eine einfache und sichere Diagnose einen Fehler, insbesondere einen Erstfehler, im Antriebsstrang sofort zu erkennen, welcher Fehler zu einer unzulässigen Reduzierung der Antriebsleistung oder des Antriebsmoments führt bzw. führen würden, und z.B. den Missionsabbruch oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten. Diese Diagnose kommt insbesondere ohne zusätzliche Elemente aus und ist - zumindest nahezu - unabhängig von aktuellen Drehmoment- bzw. Leistungsanforderungen an den Antriebsstrang. Die Diagnose benötigt keine expliziten Hardwarekomponentendiagnosen wie Sensorbereichsüberschreitungen oder ähnliches.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch und ausschnittsweise ein Fahrzeug 100 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Fahrzeug 100 weist einen Antriebsstrang 110 auf, der wiederum beispielhaft einen Antrieb 120, eine Bremse 130 sowie ein Getriebe 140 aufweist. Außerdem weist der Antriebsstrang 110 eine Antriebswelle 142 auf, über die die Bremse 130, der Antrieb 120 und das Getriebe 140 miteinander in Wirkverbindung stehen. Über das Getriebe 140 kann ein Moment bzw. eine Leistung des Antriebsstrangs als Antriebsgröße auf eine Antriebsachse 150 übertragen werden.
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Bei dem Antrieb 120 handelt es sich beispielhaft um einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, also z.B. eine elektrische Maschine mit Inverter. Bei der Bremse 130 handelt es sich beispielhaft um eine Wirbelstrombremse mit Stator 132 und Rotor 134, wobei der Rotor 134 fest (drehfest) mit der Antriebswelle 142 verbunden ist, der Stator 132 hingegen fest (drehfest) mit einem Gehäuse oder Chassis des Fahrzeugs 100 verbunden ist.
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Weiterhin weist das Fahrzeug eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 160 auf, mittels welcher der Antrieb 120, die Bremse 130 sowie ggf. auch das Getriebe 140 angesteuert werden kann. Insbesondere können damit nicht nur Vorgaben (Soll- oder Zielwerte für Moment bzw. Leistung) an den Antrieb 120 bzw. die Bremse 130 gemacht werden, sondern es können auch entsprechende Istwerte erfasst oder bestimmt werden; ggf. können hierzu geeignete Sensor (hier nicht gezeigt) vorgesehen sein.
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Es versteht sich, dass der hier gezeigte Aufbau des Fahrzeugs 100 mit der Anordnung des Antriebs 120 und der Bremse 130 sowie ggf. des Getriebes 140 zueinander rein beispielhaft ist. Beispielsweise könnte die Bremse 130 auch zwischen Antrieb 120 und Getriebe 140 angeordnet sein. Ebenso können weitere (auch elektrische) Antriebe vorgesehen sein, die seriell oder parallel mit dem Antrieb 120 geschaltet sind. Auch ist z.B. denkbar, dass für jedes angetriebene Rad ein separater Antrieb vorgesehen ist.
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Bei dem elektrischen Antrieb 120 kann mittels entsprechender Vorgabe des Steuergeräts 160 ein gewünschtes Moment oder eine gewünschte Leistung (mit einem bestimmten Ziel- oder Sollwert) als Antriebsgröße eingestellt oder eingeregelt werden. Außerdem kann typischerweise ein erreichter Istwert bestimmt werden, z.B. anhand elektrischer Messgrößen. Bei dem von dem elektrischen Antrieb 120 bereitzustellenden Moment handelt es sich insbesondere um ein antreibendes bzw. beschleunigendes Moment, ebenso kann aber auch - jedenfalls in gewissem Umfang - ein bremsendes Moment bereitgestellt werden. Entsprechendes gilt für die Leistung.
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Bei der Wirbelstrombremse 130 kann mittels entsprechender Vorgabe des Steuergeräts 160 ein gewünschtes Moment oder eine gewünschte Leistung (mit einem bestimmten Sollwert) als Antriebsgröße eingestellt oder eingeregelt werden. Hierzu kann z.B. ein Stellwert für einen Erregerstrom der Wirbelstrombremse 130 als Stellgröße vorgegeben werden. Außerdem kann typischerweise ein erreichter Istwert bestimmt werden, z.B. anhand elektrischer Messgrößen. Bei dem von der Wirbelstrombremse 130 bereitzustellenden Moment handelt es sich um ein bremsendes Moment. Entsprechendes gilt für die Leistung.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar in Form eines Flussdiagramms.
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Zunächst kann, in einem Schritt 200, z.B. geprüft werden, ob eine Diagnose des Antriebsstrangs durchgeführt werden soll. Dies kann z.B. in regelmäßigen (zeitlichen) Abständen erfolgen oder aber auch bei Eintreten bestimmter Kriterien, z.B. nach einer bestimmten gefahrenen Strecke.
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Wenn eine Diagnose durchgeführt werden soll, wird in Schritt 202 der Antrieb angesteuert, um einen Zielwert MA.Ziel eines von dem Antrieb bereitzustellenden Moments als Antriebsgröße einzustellen. Der Zielwert MA.Ziel ist dabei höher gewählt als ein aktuell geforderter Wert Makt eines von dem Antriebstrang bereitzustellenden Moments. Beispielsweise kann der Zielwert auf das maximal mögliche Moment eingestellt werden, das von dem Antrieb bereitstellbar ist bzw. sein sollte.
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Denkbar sind aber auch andere Werte wie z.B. ein minimales Moment, bei dem bekannt ist, dass ein Fehler auch sicher erkannt wird. Der aktuell geforderte Wert Makt wird z.B. durch Fahrerwunsch (über ein Fahrpedal) und/oder ein Fahrerassistenzsystem vorgegeben und dann auch entsprechend eingestellt bzw. eingeregelt.
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In einem Schritt 204 wird die Bremse angesteuert, um ein Moment als Antriebsgröße durch die Bremse aufzubringen, sodass das Moment der Bremse dem Moment des Antriebs entgegenwirkt; während der Antrieb ein antreibendes Moment aufbringt, bringt die Bremse also ein bremsendes Moment auf. Dies erfolgt insbesondere derart, dass vom Antriebsstrang der aktuell geforderte Wert Makt bereitgestellt wird. Dies bedeutet insbesondere das Vorgeben, Schritt 206, eines einzustellenden Sollwerts MB,soll der Bremse: MS,soll= MA.Ziel - Makt. Hierzu kann z.B., Schritt 208, ein Stellwert Istell für den Erregerstrom der Bremse vorgegeben werden.
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Die Schritte 202 und 204 (inkl. 206, 208) werden hierzu insbesondere zugleich ausgeführt, z.B. auch derart, dass die Momente von Antrieb und Bremse gleichzeitig langsam erhöht werden, bis deren Ziel- bzw. Sollwert erreicht ist (sofern diese überhaupt erreicht werden). Damit bleibt der aktuell geforderte Wert Makt möglichst konstant und ein Fahrer bemerkt den Vorgang nicht.
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In einem Schritt 210 wird nun geprüft, ob ein Fehler im Antriebsstrang, dort insbesondere im Antrieb, erkannt wird. Dies umfasst z.B., dass in Schritt 212 ein erreichter Istwert MA,ist des von dem Antrieb bereitgestellten Moments, insbesondere basierend auf einem Modell des Antriebs oder des Antriebsstrangs, bestimmt wird. Außerdem kann eine ggf. auch vorhandene Hardwarediagnose herangezogen werden. Hierzu kann z.B. anhand eines Raddrehzahlsensors die Beschleunigung des Fahrzeuges detektiert werden, um daran eventuelle Unstimmigkeiten abzulesen. Dieser Istwert MA,ist wird dann in Schritt 214 mit dem Zielwert MA.Ziel verglichen. Weichen beide Werte voneinander ab, insbesondere mehr als einen vorgegebenen Schwellwert, kann ein Fehler erkannt werden.
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Bevorzugt wird, in Schritt 216, eine Plausibilisierung des erreichten Istwerts MA,ist des von dem Antrieb bereitgestellten Moments anhand eines Istwerts MB,ist des durch die Bremse aufgebrachten Moments vorgenommen. Damit kann der erkannte Fehler nochmals bestätigt werden.
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In einem Schritt 218 kann dann eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, z.B. ein Notbetrieb des Fahrzeugs eingenommen werden.
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Wenngleich der Ablauf des Verfahrens vorstehend in Bezug auf ein Moment, das vom Antrieb und der Bremse zu stellen ist, als Antriebsgröße erläutert wurde, so gilt dies entsprechend für die Variante mit der Leistung oder andere geeignet Antriebsgrößen.
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Insgesamt werden auf diese Weise nicht einzelne Hardwarekomponenten diagnostiziert, sondern es wird z.B. versucht, das Maximaldrehmoment eines oder mehrerer (redundanter) Antriebe abzurufen und zu prüfen, ob dieses eingestellt werden kann. Die Plausibilisierung kann über die z.B. als Zentralbremse verwendete Wirbelstrombremse erfolgen, bei der der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Strom bekannt ist. Die mehrfache redundante Diagnose erkennt sicher eine unzulässige Reduktion des maximal möglichen Drehmoments des Antriebssystems und kann sicher eine Fehlerreaktion (z.B. Missionsabbruch) einleiten.
