DE10216184A1

DE10216184A1 - Überwachungseinheit für eine elektrische Energieversorgungseinheit

Info

Publication number: DE10216184A1
Application number: DE10216184A
Authority: DE
Inventors: Peter Konrad; Marco Baumgarth
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: DE10216184B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit (11) mindestens einer elektrischen Energieversorgungseinheit in einem Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Erfassung und/oder Bewertung der Funktionsfähigkeit der mindestens einen elektrischen Energieversorgungseinheit, wobei über die Überwachungseinheit (11) mindestens ein elektrischer Verbraucher (7, 13) an die Energieversorgungseinheit schaltbar ist, mindestens eine charakteristische Messgröße der Energieversorgungseinheit vor, während und nach dem Zuschalten des elektrischen Verbrauchers (7, 13) an die elektrische Energieversorgungseinheit erfassbar ist, wobei mittels Vergleichs- und/oder Rechenoperationen unter Verwendung mindestens einer Messgröße und/oder über die Energieversorgungseinheit beschreibende Gleichungen die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ermittelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit für eine elektrische Energieversorgungseinheit sowie ein zugehöriges Verfahren.

In modernen Kraftfahrzeugen übernehmen zunehmend elektrische Systeme die Aufgabe von sicherheitsrelevanten, mechanischen Systemen bzw. dienen als Unterstützungssysteme für diese mechanischen Systeme. Beispiele für diese sicherheitsrelevanten elektrischen Verbraucher sind sogenannte X-by-wire-Systeme. Aufgrund ihres sicherheitsrelevanten Charakters stellt die Sicherstellung ihrer Funktionsfähigkeit ein Hauptproblem dar. Dabei muss insbesondere sichergestellt werden, dass diese Systeme bei Bedarf ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierzu sind verschiedene Konzepte entwickelt worden. So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, den sicherheitsrelevanten Verbrauchern eine eigene Batterie zuzuordnen, die gegebenenfalls über einen DC/DC-Wandler vom übrigen Bordnetz entkoppelt ist, wobei jedoch über den DC/DC-Wandler bei ausreichender Versorgung des Bordnetzes eine Ladung der dem sicherheitsrelevanten Verbraucher zugeordneten Batterie möglich ist. Gemeinsam ist allen Konzepten, dass die sicherheitsrelevanten Verbraucher bei Ausfall des Bordnetzes eine Notenergieversorgung besitzen, um ein Kraftfahrzeug noch in einen sicheren Fahrzeugzustand zu überführen. Hierfür ist es jedoch notwendig, dass diese Notenergieversorgung genügend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann.

Aus der DE 197 56 976 C2 ist eine elektromechanische Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, die redundant ausgebildet ist. Hierzu umfasst diese zwei voneinander unabhängige und entkoppelte Energieversorgungseinheiten. Diese Energieversorgungseinheiten werden durch zwei redundante Überwachungseinrichtungen kontinuierlich überwacht, wobei deren Daten an einen redundanten Zentralrechner weitergeleitet werden. Bezüglich der konkreten Ausbildung der Überwachungseinheiten wird nichts weiter ausgesagt.

Zur Ermittlung des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie sind die verschiedenen Verfahren und Sensoren entwickelt worden, die nahezu ausnahmslos sehr teuer oder sehr ungenau oder sehr aufwendig sind.

Aus der DE 31 08 844 A1 ist ein Verfahren zur Feststellung des Erhaltungszustandes von Bleiakkumulatoren bekannt, bei dem eine Messung der Leerlaufklemmenspannung vor einer etwa 15 Sekunden dauernden Hochstromentladung des Akkumulators und gegen Ende der Entladung eine weitere Messung der Klemmspannung sowie etwa 100 Millisekunden nach Abschalten der Entladung mindestens eine nochmalige Messung der Klemmspannung vorgenommen wird, wobei zwecks der Bestimmung der Zeitkonstanten der nach der Entladung als Exponentialfunktion verlaufenden Klemmspannung eine zusätzliche Messung der Klemmspannung zu Beginn der mit mindestens annähernd konstanten Strom durchgeführten Entladung vorgenommen und die Parameter A_O bzw. A_U der nach ihrer Zeitkonstanten aufgelösten Exponentialfunktion aus der Differenz zwischen dem zweiten und dritten Messwert der Klemmenspannung bzw. aus der Differenz zwischen der Summe aus dem zweiten und vierten Messwert und der Summe aus dem ersten und dritten Messwert gebildet werden.

Aus der WO 00/57 199 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie bekannt, bei der die verschiedensten Verfahren miteinander kombiniert werden, wobei hierzu neben der Erfassung der Temperatur die Batterie mit verschiedenen Lasten verbunden wird. Ziel ist es, beim Ladevorgang festzustellen, wann die Batterie vollgeladen ist, um ein unnötiges und teilweise schädliches Weiterladen der Batterie zu verhindern.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Überwachungseinheit für mindestens eine elektrische Energieversorgungseinheit zu schaffen, mittels derer einfach und zuverlässig die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ermittelbar ist sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu wird über die Überwachungseinheit mindestens ein elektrischer Verbraucher an die Energieversorgungseinheit ausgeschaltet, wobei mindestens eine charakteristische Messgröße der Energieversorgungseinheit vor, während und nach dem Zuschalten des elektrischen Verbrauchers an die elektrische erfasst wird, wobei mittels Vergleichs- und/oder Rechenoperationen unter Verwendung mindestens einer Messgröße und/oder über die Energieversorgungseinheit beschreibende Gleichungen die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ermittelbar ist. Die Energieversorgungseinheit kann dabei beispielsweise als Batterie, Akkumulator, Kondensator, Brennstoffzelle oder als Generator ausgebildet sein, wobei die aufzunehmenden Messgrößen von der Ausbildung der Energieversorgungseinheit abhängig ist. Die Mittel zur Erfassung und/oder Bewertung der Funktionsfähigkeit können dabei beispielsweise als Strom-, Spannungs- oder als Temperatursensor ausgebildet sein, wobei sich die Funktionsfähigkeitsüberwachung auf die zur Verfügung stehende, gespeicherte Ladungsmenge, die Leistungsreserve und/oder die Spannungsstabilität der Energieversorgungseinheit beziehen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Überwachungseinheit eine Spannungsmesseinrichtung, mittels derer vorzugsweise eine Batteriespannung gemessen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein elektrischer Verbraucher als Hochstromverbraucher ausgebildet. Hierdurch wird die Energieversorgungseinheit stärker belastet, sodass die Aussagekraft der Funktionsfähigkeitsüberprüfung verbessert wird. Besonders gute Ergebnisse werden mit dynamischen Hochstromverbrauchern, wie beispielsweise Fensterhebermotoren oder anderen Stellmotoren, erreicht, die kurzzeitig einige tausend Ampere ziehen und so die Energieversorgungseinheit dynamisch im ms- Bereich extrem belasten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein elektrischer Verbraucher als sicherheitsrelevanter Verbraucher, vorzugsweise als dynamischer Hochstromverbraucher, ausgebildet, beispielsweise als Stellmotor in einem X-by-wire- System.

Wie bereits ausgeführt, sollte die Belastung durch den angeschalteten Verbraucher möglichst hoch sein und beträgt im Idealfall die maximale Eingangsleistung. Jedoch sollte die Zuschaltung der Verbraucher im Überwachungsmodus durch den Kraftfahrzeugführer möglichst unbemerkt bleiben. Dies ist bei einigen Verbrauchern aufgrund ihrer Position oder Funktion unkritisch. Ein Beispiel ist die Bewegung durch einen Elektromotor gegen den Anschlag bei einem elektrischen Fensterheber oder die temporäre Zuschaltung einer elektrischen Sitzheizung. Bei anderen Verbrauchern muss hingegen gegebenenfalls die Wahrnehmbarkeit hingenommen werden. Bei den sicherheitsrelevanten Verbrauchern ist hingegen eine durch den Überwachungsmodus hervorgerufene Wirkung nicht nur störend, sondern auch gefährlich. Daher kann man bei den sicherheitsrelevanten Verbrauchern eine Art Dummy vorsehen, in dem die aufgenommene Wirkleistung umgesetzt wird, ohne einen Wirkungsgrad zu erzielen. Dies kann beispielsweise in einem separaten Modulerfolgen, das nur die Umsetzung der Leistung als Aufgabe hat und dann kurzzeitig im Überwachungsmodus angesteuert wird, wobei die Ansteuerung in Phasen erfolgt, wo mit einer regulären Interaktion des sicherheitsrelevanten Verbrauchers nicht zu rechnen ist.

In Abhängigkeit von der erfassten Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit können dann beispielsweise Komfortverbraucher in einer bestimmten Reihenfolge abgeschaltet werden. Alternativ oder wenn diese Maßnahmen nicht ausreichend sind, kann die Leistungsaufnahme des sicherheitsrelevanten Verbrauchers in Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit verändert werden. Damit wird verhindert, dass kurzfristig die Spannung total zusammenbricht, wohingegen eine reduzierte Leistungsaufnahme nur eine gewisse Einschränkung der Funktionalität zur Folge hat, so dass jedoch das Fahrzeug stets in einen sicheren Zustand überführbar ist. Reicht eine Leistungsaufnahmereduzierung hingegen nicht aus, so muss auf ein alternatives System umgeschaltet oder der Kraftfahrzeugführer zum Halten gezwungen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Überwachungseinheit in einem einem elektrischen Verbraucher zugeordneten Steuergerät integriert. Hierdurch muss dann nur das Steuergerät mit einer Spannungsmesseinrichtung ausgebildet sein, wobei die Ansteuerungssoftware in die Software des Steuergerätes integriert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Ladezustand der Batterie dem Kraftfahrzeugführer akustisch und/oder optisch, beispielsweise mittels einer Anzeigeeinheit, mitgeteilt, so dass der Kraftfahrzeugführer rechtzeitig sich auf die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit einstellen kann und selbst entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten kann bzw. auf eine eingeschränkte Funktion vorbereitet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Steer-by-wire- Systems.

Das Steer-by-wire-System 1 umfasst ein Lenkrad 2, einen Sensor 3 mit zugeordnetem Steuergerät 4, eine Batterie 5, ein Zentralsteuergerät 6, einen Motor 7 mit zugeordnetem Steuergerät 8 sowie einen Datenbus 9. An dem Motor 7 ist eine Welle 10 angeordnet. Des weiteren ist eine Spannungsüberwachungseinheit 11 vorhanden, die über den Datenbus 9 mit einem Steuergerät 12 eines elektrischen Verbrauchers 13 verbunden ist.

Üblicherweise sind die jeweiligen Baugruppen des Steer-by-wire-Systems 1 redundant ausgebildet, wobei aus Übersichtsgründen in der Fig. 1 auf die Darstellung der Redundanzen verzichtet wurde. Zunächst wird kurz die prinzipielle Wirkungsweise des Steer-by-wire-Systems 1 erläutert, bevor die spezielle Wirkungsweise der Spannungsüberwachungseinheit 11 erläutert wird.

Über das Lenkrad 2 gibt ein Kraftfahrzeugführer eine durchzuführende Lenkbewegung vor. Die Betätigung des Lenkrades 2 wird durch den Sensor 3 als Messsignal erfasst und mittels des Steuergerätes 4 in ein Datenformat für den Datenbus 9 umgesetzt und über den Datenbus 9 an das Zentralsteuergerät 6 gesendet. Das Zentralsteuergerät 6 empfängt diese Sensordaten und leitet daraus Stellsignale für den Motor 7 ab und sendet diese an das Steuergerät 8, das dann den Motor 7 entsprechend der Steilsignale ansteuert, wodurch dann über eine Welle 10 des Motors 7 eine dem Rad zugeordnete Spurstange entsprechend der gewünschten Lenkbewegung bewegt wird. Dabei ist es weiter bekannt, die Stellung der Fahrzeugräder sensorisch zu erfassen und an eine dem Lenkrad 2 zugeordnete Stelleinrichtung zu übertragen, die dann ein entsprechendes mechanisches Gegenmoment am Lenkrad erzeugt, um dem Kraftfahrzeugführer haptisch ein Gefühl für die durchgeführte Lenkbewegung zu geben. Alle beschriebenen Baugruppen werden energetisch durch die Batterie 5 versorgt. Durch plötzliches Ansteuern des Motors 7 kann die Spannung einer entladenen Batterie 5 zusammenbrechen, so dass das Steer-by-wire-System nicht mehr funktionsfähig ist. Zur Vermeidung dieses Problems dient die Spannungsüberwachungseinheit 11.

Die Spannungsüberwachungseinheit 11 umfasst im Wesentlichen einen Satz Steuersignale und eine Spannungsmesseinrichtung. Zu festgelegten Zeiten und/oder nach einer bestimmten Anzahl von Interaktionen des Steer-by-wire-Systems wird ein Überwachungsmodus eingeleitet, wofür die Spannungsüberwachungseinheit 11 kurzzeitig den elektrischen Verbraucher 13 anschaltet. Hierzu überträgt die Spannungsüberwachungseinheit 11 an das zugeordnete Steuergerät 12 Steuersignale über den Datenbus 9, so dass der elektrische Verbraucher 13 eingeschaltet und nach einer Zeitspanne wieder ausgeschaltet wird. Die Ansteuerung erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass der elektrische Verbraucher 13 seine maximale Eingangsleistung aufnimmt. Der elektrische Verbraucher 13 ist dabei vorzugsweise ein dynamischer Hochstromverbraucher, wie beispielsweise ein Stellmotor eines elektrischen Fensterhebers. Die Spannungsüberwachungseinheit 11 misst dann den Spannungsverlauf auf der Spannungsversorgungsleitung in Reaktion auf die Leistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers 13. Dieser Spannungsverlauf wird dann in der Spannungsüberwachungseinheit 11 mit Soll-Spannungsverläufen verglichen, so dass aufgrund des Ist-Spannungsverlaufes auf den Ladezustand der Batterie 5 geschlossen werden kann. Wird dabei ein Grenzwert unterschritten, so wird dies dem Kraftfahrzeugführer mitgeteilt. Gleichzeitig wird der erfasste Ladezustand der Batterie 5 bei der Erzeugung zukünftiger Steilsignale für den Motor 7 derart berücksichtigt, dass die Leistungsaufnahme durch den Motor 7 reduziert wird, um einen Spannungseinbruch der Batteriespannung zu verhindern.

Die Spannungsüberwachungseinheit 11 kann auch direkt in das Steuergerät 12 oder das Zentralsteuergerät 6 integriert werden, so dass die Datenübertragung über den Datenbus 9 reduziert wird. Bei der Integration in dem Steuergerät 12 leitet dann die Spannungsüberwachungseinheit das Ergebnis des Ladezustandes der Batterie 5 an das Zentralsteuergerät 6 weiter. Das Zentralsteuergerät 6 steuert dann gegebenenfalls ein optisches und/oder akustisches Warnmittel an und berücksichtigt einen schlechten Ladezustand bei der Generierung der Stellsignale für den Motor 7.

Prinzipiell ist es auch möglich, den sicherheitsrelevanten Verbraucher selbst kurzzeitig einzuschalten, wobei dann nur sichergestellt sein muss, dass die umgesetzte Wirkleistung nicht eine störende oder irritierende Auswirkung auf den Kraftfahrzeugführer hat. In dieser Ausführungsform kann die Spannungsüberwachungseinheit 11 auch in das Steuergerät 8 integriert werden. Aufgrund der Tatsache, dass eine qualitative Aussage über den Ladezustand der Batterie 5 ausreichend ist, genügt eine Leistungsaufnahme im Spannungsüberwachungsmodus im Millisekundenbereich, so dass durch diesen Spannungsüberwachungsmodus die eigentliche Funktion des Steer-by-wire-Systems nicht eingeschränkt wird.

Claims

1. Überwachungseinheit mindestens einer elektrischen Energieversorgungseinheit in einem Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Erfassung und/oder Bewertung der Funktionsfähigkeit der mindestens einen elektrischen Energieversorgungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass über die Überwachungseinheit (11) mindestens ein elektrischer Verbraucher (7, 13) an die Energieversorgungseinheit schaltbar ist, mindestens eine charakteristische Messgröße der Energieversorgungseinheit vor, während und nach dem Zuschalten des elektrischen Verbrauchers (7, 13) an die elektrische Energieversorgungseinheit erfassbar ist, wobei mittels Vergleichs- und/oder Rechenoperationen unter Verwendung mindestens einer Messgröße und/oder über die Energieversorgungseinheit beschreibende Gleichungen die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ermittelbar ist.

2. Überwachungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (11) mindestens eine Spannungsmesseinrichtung umfasst.

3. Überwachungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Verbraucher (7, 13) als Hochstromverbraucher ausgebildet ist.

4. Überwachungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Verbraucher (7) als sicherheitsrelevanter Verbraucher ausgebildet ist.

5. Überwachungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer ermittelten Funktionsfähigkeit der elektrischen Energieversorgungseinheit die Leistungsaufnahme mindestens eines elektrischen Verbrauchers veränderbar ist.

6. Überwachungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit in einem einem elektrischen Verbraucher (8, 12) zugeordnetem Steuergerät integriert ist.

7. Überwachungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit der elektrischen Energieversorgungseinheit den Kraftfahrzeugführer akustisch und/oder optisch mitteilbar ist.

8. Verfahren zur Überwachung mindestens einer elektrischen Energieversorgungseinheit in einem Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Erfassung und/oder Bewertung der Funktionsfähigkeit der mindestens einen elektrischen Energieversorgungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass über die Überwachungseinheit (11) mindestens ein elektrischer Verbraucher (7, 13) an die Energieversorgungseinheit zu- und abgeschaltet, wobei mindestens eine charakteristische Messgröße der Energieversorgungseinheit vor, während und nach dem Zuschalten des elektrischen Verbrauchers (7, 13) an die elektrische Energieversorgungseinheit erfasst wird, wobei mittels Vergleichs- und/oder Rechenoperationen unter Verwendung mindestens einer Messgröße und/oder über die Energieversorgungseinheit beschreibende Gleichungen die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die elektrische Spannung der elektrischen Energieversorgungseinheit gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hochstromverbraucher (7, 13) zu- und abgeschaltet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein sicherheitsrelevanter (7) Verbraucher zu- und abgeschaltet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer ermittelten Funktionsfähigkeit der elektrischen Energieversorgungseinheit die Leistungsaufnahme mindestens eines elektrischen Verbrauchers veränderbar ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit der elektrischen Energieversorgungseinheit akustisch und/oder optisch signalisiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit zyklisch überwacht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit ein Schwellwert zugeordnet ist, wobei nach Erreichen des Schwellwertes die Überwachung zyklisch erfolgt.