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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage mit den im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Elektrische Anlagen in Kraftfahrzeugen
bestehen im allgemeinen aus diversen Haupt- und Nebenstromkreisen,
wobei diese über
Hin- und Rückleiter
mit einer Batterie verbunden sind. Die Hauptstromkreise sind häufig über Schmelzsicherungen oder
elektronische Sicherungen einzeln gegen Überstrom geschützt. Bekommt
ein Kabel eines Hauptstromkreises beispielsweise durch Quetschung
oder Durchscheuern Massekontakt, fließt ungewünscht ein Strom über die
Karosserie ab. Hat dieser Strom eine bestimmte Größe, brennt
ein Schmelzeinsatz der Sicherung durch. Dies ist aber abhängig von
der Auslegung der Vorsicherungen. Es ist möglich, dass ungewollt Massekontakte
vorhanden sind, ohne dass der Schmelzeinsatz durchbrennt. Es kann
zur Funkenbildung kommen, was eine Gefahr, insbesondere bei Unfallsituationen,
darstellt. Hier sind Fahrzeugbrände
möglich.
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Aus der
DE 44 35 726 C ist es in
diesem Zusammenhang bekannt, den Differenzstrom im Hin- und im Rückleiter
zu bestimmen. Während
die Strommessung im Hinleiter relativ unkritisch ist, ergeben sich
für die
Strommessung im Rückleiter
erhebliche Probleme. Üblicherweise
wird die Fahrzeugkarosserie als Rückleiter verwendet. Um den
Differenzstrom messen zu können,
ist es erforderlich, nicht nur wie üblich den Hinleiter, sondern
auch den Rückleiter
gegenüber
der Karosserie des Kraftfahrzeugs isoliert zu verlegen. Dies bedeutet
einen erheblichen Aufwand.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage zu schaffen, bei der
mit geringem konstruktiven Aufwand die Gefahr der Funkenbildung
vermieden ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich
aus dem Patentanspruch 2.
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Bei der Erfindung wird das Ergebnis
der Strommessung für
den den einzelnen Verbrauchern oder einer entsprechend dem Schaltzustand
entsprechenden Zahl von eingeschalteten Verbrauchern mit einem Sollwert
verglichen, der sich auf Grund des bei normalem Betrieb jedes der
Verbraucher errechneten Werts der Stromstärke ergibt.
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Von Vorteil ist es dabei, den Sollwert
unmittelbar vor einer Änderung
des Schaltzustands eines Verbrauchers zu bestimmen.
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Bei einer anormalen Differenz zwischen
Soll- und Istwert kann ein direkter Einfluss auf die elektrische
Anlage genommen und beispielsweise der einzeln eingeschaltete Verbraucher
sofort bzw. bei mehreren Verbrauchern diese nacheinander abgeschaltet
werde. Im letzteren Fall wird selbstverständlich mit jedem Schaltvorgang
der entsprechende Sollwert angepasst.
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Es wird somit eine intelligente Steuerung
und Überwachung
der Stromverbraucher erreicht, die Fehler im Bordnetz wie Leckströme, Kurzschlussströme, schleichende
Kurzschlüsse
und umgekehrte Polarität
sowie mechanische Fehler wie z.B. bei einem Systemcrash erkennt
und geeignet Aktionen initiiert. Dieses Steuerungs- und Überwachungssystem wird
im Folgenden näher
erläutert.
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Durch die zunehmende Vernetzung der Steuergeräte über Kommunikationsbusse
ist in einem Großteil
der bekannten Systeme bekannt, welche Stromverbraucher zu einem
bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet sind. Zum Auffinden von Fehlerfällen, d.h.
Abweichungen vom errechneten Stromverbrauch, wird erfindungsgemäß der Stromfluss
errechnet, der sich aus dem bekannten Wert des (der) jeweils aktiven
Stromverbraucher ergibt. Die Information über diese Stromverbraucher
erfolgt über
die in dem Fahrzeug ohnehin vorhandenen Kommunikations-Datenbusse.
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Skizze 1 zeigt den prinzipiellen
Aufbau des vorgeschlagenen zentralen Steuergerätes zur Erfassung des tatsächlichen
Stromflusses. Die Stromversorgung wird hier beispielhaft durch eine
Batterie (1) zur Verfügung
gestellt, ebenso wäre
aber auch ein Generator denkbar. Über einen Vorwiderstand wird mittels
einer Verstärker schaltung,
hier als OPAMP (2) dargestellt, der den tatsächliche
Stromfluss im System erfasst. Durch einen Mikrocontroller (3)
werden diese Daten aufbereitet und verarbeitet. Der Mikrocontroller
hat eine Kommunikationsschnittstelle zu den weiteren Steuergeräten, die
hier beispielhaft als serielle Verbindung BUS_DATA_IN, RXD (4)
bzw. BUS_DATA_OUT, TXD (5) dargestellt ist.
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Als weiteres Element enthält das zentrale Steuergerät einen
Leistungsschalter. Mit diesem können
weitere Steuergeräte,
die an das zentrale Steuergerät
angeschlossen sind, ein- bzw. ausgeschaltet werden. In der Skizze 1 ist
beispielhaft ein Highsideschalter (6) vorgesehen.
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Das vorgeschlagene Steuerungssystem kann
sich aus einer variablen Anzahl an Steuergeräten zusammensetzen. Skizze 2 zeigt
beispielhaft für eine
beliebige Anzahl an Steuergeräten
und verschiedene Ausführungen
zweier Steuergeräte
(10 und 11), die einen Mikrocontroller, eine Kommunikationsschnittstelle
und ein Schaltelement aufweisen.
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Die Kommunikationsschnittstelle (12, 13)
ist das Gegenstück
zu dem zentralen Steuergerät BUS_DATA_IN,
RXD bzw. BUS_DATA_OUT, TXD, wie in Skizze 1 beschriebenen.
Als Schaltelement ist hier wieder beispielhaft ein Highsideschalter
dargestellt. Es ist jedoch auch denkbar ein anderes Schaltelement
wie einen Lowsideschalter, diverse Brückenschaltungen oder komplexere
Treiberschaltungen wie z.B. für
Schrittmotoren einzusetzen.
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In dem Beispiel in Skizze 2 ist
eine einfache serielle Schnittstelle gezeichnet. Prinzipiell sind ebenso
parallele Schnittstellen oder komplexe Schnittstellen wie z.B. CAN,
LIN, SI-Bus oder TTP geeignet. Grundsätzlich ist eine Schnittstelle
mit einer hohen Datenübertragungsrate
anzustreben, da die Reaktionszeit des Systems mit der Datenrate sinkt.
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Werden nun in dem erfindungsgemäßen System
Schaltvorgänge
eingeleitet, kann parallel oder vor dem Schaltvorgang selbst, die
Information über
den Kommunikationsbus an alle Steuergeräte, insbesondere dem zentralen
Steuergeräte,
wie in Skizze 1 beschrieben, weitergegeben werden.
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Beim Systemaufbau bzw. während der
Systeminitialisierung werden die einzelnen Stromaufnahmen der Lasten
für die
einzelnen Schaltvorgänge
ermittelt. In der Skizze 2 sind die beiden Lasten (14, 15) mit
I_Last1 bzw. I_Last2 bezeichnet. Im Betriebsmodus kann aus der Verknüpfung der
Daten von der Kommunikationsstelle und der im zentralen Steuergerät tatsächlich gemessenen
Stromaufnahme ein Soll-Ist
Vergleich durchgeführt
werden.
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Solange die gemessenen Daten innerhalb der
vorher festgelegten Toleranz liegen erfolgt keine Aktion, wie z.B.
das Abschalten von Teilen des Betriebsnetzes. Bei Abweichungen außerhalb
der vorgegebenen Toleranz können
nun über
die Kommunikationsschnittstelle die für den Einzelfall nötigen Aktionen
veranlasst werden.
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Der bereits erwähnte Fehlerfall einer Funkenbildung
bei seriellem Arcing macht sich hierbei durch eine verringerte Stromaufnahme
in dem betroffenen Teilstromkreis bemerkbar. Eine Funkenbildung bei
parallelem Arcing macht sich dadurch bemerkbar, dass ein zusätzlicher
Stromfluss in den betroffenen Kreisen auftritt.
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Beim Auftreten dieser charakteristischen Stromflussabweichungen
kann somit wiederum das System über
die Kommunikationsschnittstelle die nötigen Aktionen veranlassen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist hierbei, dass sich das beschriebene System nicht nur zur Entdeckung
von Funkenbildung, sondern auch zur Entdeckung von Stromunterbrechungen
bzw. Leckströmen
ohne Funkenbildung eignet.
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Im Unterschied zu normalen Unterbrechungen
bzw. Leckströmen
verursacht eine Funkenbildung, sowohl beim Ein- oder Ausschalten
einer Funkstrecke als auch bei Funken während des Betriebes, eine signifikante
auswertbare Änderung
im Stromfluss.
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In Skizze 2 sind diese signifikanten
Bereiche gekennzeichnet: Das Auftreten einer seriellen Funkenstrecke
in dem mit A gekennzeichneten Bereich, führt zu einer Verringerung des
Stromes. Das Auftreten einer seriellen Funkenstrecke in dem mit
B gekennzeichneten Bereich führt
ebenfalls zu einer Verringerung des Stromes. Eine parallele Funkenstrecke in
dem mit C gekennzeichneten Bereich während des Betriebes führen zu
einer Erhöhung
des Stromes.
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Durch den Mikrocontroller im zentralen
Steuergerät
kann mittels geeigneter Software diese signifikanten Änderungen
ausgewertet werden. Somit können
im Fehlerfall Aktionen veranlasst werden, die verhindern, dass gravierende
Schäden
an den Kontakten bzw. dem gesamten Fahrzeug auftreten.
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Durch die vergleichende Auswertung
der Befehle aus dem Kommunikationsnetz und der davon abhängigen gespeicherten
Strom- bzw. Spannungsprofile, wie diese z.B. für Funken gespeichert sind, werden
alle Fehler und Zustände
der Stromversorgung, sowie Signale aus einem Systemcrash oder bei
umgekehrter Polarität
erkannt. Als Ergebnis dieses Vergleichs aus tatsächlicher Last am Stromnetz und
errechneter Last wird über
Schalt- und Stellelemente der Strom im gesamten Betriebsnetz, dem Fehlerfall
entsprechend, ganz oder teilweise reduziert bzw. abgeschaltet.
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Als Ergebnis dieses Vergleichs und
aus der Möglichkeit
heraus, Teile des Bordnetzes abzuschalten kann das gewählte System
durch eine Umkonfiguration bzw. Umorganisation geeigneter Funktionen eine
bessere Verfügbarkeit
der noch intakten Einzelkomponenten erreicht werden. Folglich ist
ein eingeschränkter
Notbetrieb des noch intakten Betriebsnetzes möglich.
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Durch die gewählte Implementierung mit je einem
Schaltelement und einer intelligenten Steuerung im zentralen Steuergerät oder mit
mehreren Schaltelementen, mehreren Steuergeräten und einer intelligenten
Steuerung kann erfindungsgemäß auf unterschiedliche
Fehlerbilder ganz spezifisch reagiert werden. Diese Flexibilität ermöglicht wiederum eine
höhere
Verfügbarkeit
des restlichen Systems.
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So kann z.B. bei einer Funkenbildung
am Punkt B nur das Steuergerät 2 reagieren
und die Last 2 abschalten. Bei Funkenbildung an den Punkten
A bzw. C schaltet hingegen das zentrale Steuergerät ab und
das gesamte System ist nun nicht mehr betriebsfähig. Die Abschaltung kann zeitlich
begrenzt sein, bis die Funkenbildung erloschen ist und nach einem Wiedereinschalten
nicht mehr auftritt.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung
gegenüber
bekannten Lösungen
ist der beschriebene Soll- Ist Vergleich für die Stromaufnahme und die
Auswertung des Stromtransitenten während des Betriebes.
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Um die Auswertungen in dem beschriebenen System
zu vereinfachen und durch die nötigen
Abschaltungen die Verfügbarkeit
des restlichen Systems zu gewährleisten,
kann das zuvor beschriebene System mehrfach aufgebaut und in entsprechende Teilnetze
zerlegt werden. Dabei ist dann jeweils die Erfassung der Stromwerte
und das Schaltelement für einen
Stromzweig zu realisieren. Entsprechend leistungsfähige Mikroprozessoren
können
durchaus mehrere Zweige parallel überwachen lassen.
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Grundsätzlich lässt sich das beschriebene System
des zentralen Steuergerätes
für jedes
Steuergerät,
z.B. auch Steuergerät 2,
einzeln und für
jeden einzelnen Lastkreis realisieren. Eine solch dezentrale Lösung hätte eine
höhere
Flexibilität,
da es z.B. genau an die Stromverbraucher angepasst werden kann,
und könnte
schneller reagieren, da Aktionen parallel bearbeitet werden können. Folglich zeichnet
sich die dezentrale Lösung
durch eine höhere
Verfügbarkeit
des Restsystems aus. Bei dieser dezentralen Lösung ist jedoch ein Schutz
gegen paralleles Arcing an den Eingängen nur bedingt möglich, da
hierfür
nur ein zentrales Steuergerät
geeignet ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Überwachungssystem
für Stromverbraucher kann
die Gefahr der Zerstörung
bzw. Beschädigung der
elektronischen und elektrischen Komponenten und Kontakte während der
Montage und im Betrieb vermieden werden. Die Gefahr der Entstehung
von Bränden
kann verringert werden. Wird die Erfindung zusammen mit einem Powermanagement
und intelligenten Sicherungskonzepten umgesetzt, so werden außer der
Software für
die Kommunikation und die Erkennung und Auswertung der Stromtransitenten keinerlei
zusätzliche
Hardware-Aufwendungen benötigt.