DE19709317A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines FahrzeugsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung eines Fahrzeugs.
Ein derartiges Steuerverfahren bzw. eine derartige Steuer
vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-A-41 11 023
(US-Patent 5,351,776) bekannt. Dort wird eine Steuerung des
Gesamtfahrzeugs, wenigstens bezüglich Antriebsstrang und
Bremse, vorgeschlagen, welche eine hierarchische Auf
tragsstruktur für die Steueraufgaben aufweist. Die dort be
schriebe Steuerungsstruktur umfaßt Koordinationselemente,
welche einen aus einer höheren Hierarchieebene ausgehenden
Befehl in Befehle für Elemente einer nachgeordneten Hierar
chieebene umsetzen. Die Inhalte der von oben nach unten in
der Hierarchiestruktur weitergegebenen Befehle stellen phy
sikalische Größen dar, die die Schnittstellen zwischen den
einzelnen Hierarchieebenen bestimmen. Die beschriebenen
Schnittstellen orientieren sich dabei an den physikalischen
Gegebenheiten der Fahrzeugbewegung, insbesondere des An
triebsstrangs und der Bremse. Eine darüber hinaus gehende
Betrachtung einer Fahrzeugsteuerung beispielsweise unter Be
rücksichtigung der Karosserieelektronik (z. B. Generator
steuerung, Schiebedachantrieb, Fensterheber, usw.) wird
nicht beschrieben. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung von
bisher eigenständigen Systemen in der Fahrzeugtechnik reicht
die ausschließliche Betrachtung von Antriebsstrang und Brem
se nicht mehr aus.
Vielmehr ist es erforderlich, eine Steue
rungsstruktur des Gesamtfahrzeugs anzugeben, mit deren Hilfe
auch außerhalb der Triebstrang- und Bremsensteuerung liegen
de Systeme verknüpft werden können und deren Aufgaben koor
diniert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa
tentansprüche erreicht.
Die Erfindung beschreibt die Verwaltung und Verteilung der
im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Ressourcen. Dabei wird
unter Ressource eine Leistung verstanden, die von Komponen
ten, sogenannten Quellen, anderen Komponenten, sogenannten
Senken oder Verbrauchern, zum Verbrauch zur Verfügung ge
stellt wird. Beispiele für derartige Ressourcen sind
"mechanische Leistung", die vom Antriebsstrang (Motor, Kupp
lung, Getriebe), vom Scheibenwischermotor, vom Schiebedach
motor, usw. erzeugt wird, "elektrische Leistung", die vom
Generator und der Batterie bereitgestellt wird, "thermische
Leistung", die vom Motor und ggf. von einem Latentwärmespei
cher erzeugt wird, usw.
Hier sind bei dem Beispiel "mechanische Leistung" die aufge
führten Komponenten Antriebsstrang, Scheibenwischermotor und
Schiebedachmotor Quellen voneinander unabhängige Ressourcen,
die ebenso unabhängig voneinander verwaltet werden.
Durch die beschriebene Verwaltung und Verteilung der Res
sourcen wird eine Steuerungsstruktur für das Gesamtfahrzeug
bereitgestellt, die über Antriebsstrang und Bremse hinaus
auch andere Komponenten, insbesondere Komponenten der Karos
serieelektronik, berücksichtigen kann.
Besondere Vorteile ergeben sich aus der erfindungsgemäßen
Lösung, da der Ressourcenverwalter entscheidungsfähig bezüg
lich der Ressourcenverteilung ist, ohne daß er spezifische
Details über die einzelnen Verbraucherkomponenten kennen
muß. Daher wird der Verwalter mit möglichst allgemeinen und
eher abstrakten, aber dennoch aussagekräftigen Informationen
über die einzelnen Komponenten im voraus versorgt.
Besonders vorteilhaft ist, daß die beschriebene Ressourcen
verwaltung eine deutliche Vereinfachung der Analyse der
Steuerungsstruktur im Rahmen des Entwicklungsprozesses er
möglicht, da das Muster zur Ressourcenverwaltung eine Model
lierungshilfe für die Anordnung der Ressourcen in den ein
zelnen Ebenen während der Analyse der Steuerungsstruktur und
die ablaufende Kommunikation bietet, ohne daß die Verbrau
cher bezüglich des Verbrauchs von Ressourcen priorisiert
werden müssen.
Ferner ist vorteilhaft, daß die Ressourcenverwaltung über
sichtlich ist und sich einfach in die Struktur des Ge
samtfahrzeugs integrieren läßt. Dies führt in vorteilhafter
Weise zu einer ganzheitlichen Architektur des Gesamtfahr
zeugs mit einer frei optimierbaren Hardwaretopologie.
Besonders vorteilhaft ist, daß die Ressourcenverwaltung und
-verteilung eigenständig ausgelegt werden kann
(Entwicklungssharing) und somit die Möglichkeit bietet, be
reits getestete Softwaremodule mit standardisierten physika
lischen Schnittstellen wiederzuverwenden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß
eine Ressourcenverwaltung mit Koordinatoren auf gleicher
Ebene wie die Quellen und Verbraucher sowie mit übergeordne
ten Koordinatoren bei gekoppelten Ressourcen die Möglichkeit
bietet, ein übersichtliches Gesamtleistungsmanagement mit
wenigen Schnittstellen und voneinander weitestgehend unab
hängigen Komponenten zu ermöglichen. Dadurch ergibt sich ei
ne gute Austauschbarkeit der Komponenten, die aufgrund der
wenigen, definierten Schnittstellen unabhängig voneinander
entwickelt und getestet werden können (Entwicklungs-Sha
ring).
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be
schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 an einem Beispiel eine Hardware-Konfiguration eines
vernetzten Steuerungssystems für ein Fahrzeug. In Fig. 2
ist die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung und
-verteilung in allgemeiner Form dargestellt. Fig. 3 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verwaltung und Ver
teilung mechanischer und elektrischer Leistung. In Fig. 4
ist am Beispiel eines Interaktionsdiagramms die Kommunikati
on zwischen den Komponenten beim Anwendungsbeispiel aus Fig.
3 dargestellt.
In Fig. 1 ist anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel
für eine Hardware-Konfiguration eines Steuerungssystems für
ein Fahrzeug dargestellt. Dabei ist mit 100 ein sogenannter
Master-Controller bezeichnet, der unter anderem ein Inter
face 102 (Gateway) umfaßt, an dem verschiedene BUS-Systeme
angeschlossen sind. Die Aufteilung dieser BUS-Systeme ist
dabei beispielhaft. Das erste BUS-System 104 stellt die Kom
munikation zwischen dem Master 100 und den das Abtriebsmo
ment steuernden Elementen her. Der BUS 104 verbindet den Ma
ster 100 mit einem Steuergerät 106 zur Motorsteuerung und
einem Steuergerät 108 zur Getriebesteuerung. Andererseits
ist der BUS 104 über entsprechende Leitungen 114 bis 116 mit
Meßeinrichtungen 110 bis 112 verbunden. Diese Meßeinrichtun
gen erfassen die zur Steuerung des Abtriebsmoments auszuwer
tenden Betriebsgrößen des Motors und/oder des Fahrzeugs,
beispielsweise Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl, zugeführ
te Luftmenge bzw. -masse, Last, Abgaszusammensetzung, Motor
temperatur, Getriebeübersetzung, Schaltzustand eines Wand
lers, Klopfneigung, usw. Ein zweiter BUS 118 verbindet den
Master-Controller 100 bzw. sein Interface 102 mit Elementen
zur Bremsensteuerung 120, Lenkung 122 und/oder zur Fahrwer
kregelung 124. Analog zum oben Gesagten werden von den
Meßeinrichtungen 126 bis 128 über entsprechende Verbindungs
leitungen 130 bis 132 dem BUS 118 Betriebsgrößen des Motors
und/oder des Fahrzeugs wie Raddrehzahlen, Feder/Dämpfer-
Wege, Bremskräfte, usw. zugeführt. Ferner sind noch weitere
BUS-Systeme 134 und 136 vorgesehen, die vorzugsweise mit ei
ner anderen Übertragungsrate als die Systeme 104 und 118 ar
beiten. Diese BUS-Systeme verbinden den Master-Controller
mit Geräten 138 der Karosserieelektronik (Generator, Licht,
Sitzverstellung, Fensterheber, Schiebedachantrieb, usw.) am
BUS 134 und ggf. mit Geräten 140 zur Telekommunikation am
BUS 136. Die zur Beeinflussung von Motor, Bremsanlage, usw.
notwendigen Stellelemente und Stellglieder sind entweder an
die jeweilige Steuereinheit oder an den jeweiligen BUS ange
schlossen.
Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration stellt ein Bei
spiel dar, welches in anderen Ausführungsbeispielen bei
spielsweise unter Verzicht auf den Master-Controller 100 an
ders gestaltet sein kann. Wesentlich ist, daß die erfin
dungsgemäße Ressourcenverwaltung und -verteilung, die nach
folgend beschrieben ist, unabhängig von der konkreten Ausge
staltung des Steuerungssystems auf Hardwareebene ist und ei
ne nach Platz-, Störungsanfälligkeitsgründen oder derglei
chen optimierte Konfiguration der einzelnen Elemente des
Steuerungssystems erlaubt. Umgekehrt erlaubt die erfindungs
gemäße Vorgehensweise aber auch eine an die Ressourcenver
waltung und -verteilung angepaßte Hardwarekonfiguration,
wenn beispielsweise im konkreten Anwendungsfall die Quellen
mechanischer Leistung und elektrischer Leistung durch je
weils eine Steuerungseinheit gesteuert werden, während der
zuständige übergeordnete Koordinator im Ma
ster-Controller 100 plaziert wird.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung und
-verteilung in allgemeiner Form. Der in Fig. 2 dargestellte
Grundgedanke der Ressourcenverwaltung und -verteilung erfor
dert bezüglich einer Ressource, daß Quelle und Verbraucher
innerhalb einer Ebene der Struktur anzuordnen sind. Er wird
auch angewendet bei gekoppelten Ressourcen, d. h. bei Res
sourcen, die von Verbrauchern (auch in verschiedenen Ebenen)
genutzt werden und die voneinander abhängig sind. Der Ge
samtkoordinator ist dann den Einzelressourcenkoordinatoren
übergeordnet anzuordnen, d. h. mindestens in der höchsten der
beteiligten Ebenen.
Fig. 2 zeigt eine Quelle sowie zwei Verbraucher
(Verbraucher 1 und Verbraucher 2) und einem der Quelle und
den Verbrauchern zugeordneten Koordinator, der die Ressour
cenverwaltung und -verteilung übernimmt. Im nachfolgenden
wird angenommen, daß Quelle, Verbraucher und Koordinator
sich in einer Ebene (Detaillierungsebene x) befinden, da die
von der Quelle bereitgestellte Ressource nur innerhalb die
ser Ebene nur von den beiden Verbrauchern verbraucht wird.
Der in Fig. 2 dargestellte Grundgedanke wird jedoch auch
dann angewendet, wenn die von der Quelle erzeugte Ressource
von verschiedenen Verbrauchern in unterschiedlichen Ebenen
verbraucht wird, und/oder wenn von den Verbrauchern 1 und 2
der dargestellten Detaillierungsebene x weitere Ressourcen
aus einer anderen Ebene verbraucht werden.
Der Koordinator der in Fig. 2 dargestellten Detaillie
rungsebene koordiniert die Bereitstellung und den Verbrauch
der Ressource. Jede Komponente der entsprechenden Detaillie
rungsebene besitzt für jede Ressource (beispielsweise mecha
nische, elektrische, thermische, hydraulische, pneumatische
Leistung, usw.) einen eigenen Sammler, der den speziellen
Ressourcenbedarf der Verbraucher dieser Komponente und ggf.
auch der Quelle der Ressource ermittelt. Mit dem Begriff
Komponente ist dabei nicht zwingend ein Bauteil (Hardware)
gemeint. Vielmehr wird unter Komponente im Rahmen der allge
meinen Definition ein Bestandteil eines Ganzen verstanden.
So werden unter einer Komponente Hardware- und/oder Soft
waremodule zusammengefaßt. Die Sammler bestimmen in den ein
zelnen Verbrauchern und ggf. in der Quelle, die jeweils aus
verschiedenen Teilkomponenten bestehen können, den jeweili
gen Bedarf an der von der Quelle erzeugten Ressource
(beispielsweise mechanische Leistung). Der Ressourcenbedarf
der einzelnen Komponenten wird in mehreren, unterschiedlich
priorisierten Teilmengen ermittelt, so daß für jede Einzel
komponente des entsprechenden Verbrauchers oder der Quelle
der jeweilige Ressourcenbedarf vorliegt. Diese einzelnen
Teilmengen sind je nach ihrer Wichtigkeit unterschiedlich
priorisiert und werden zur Bestimmung des Ressourcenbedarfs
der Komponente aufsummiert.
Der Koordinator fragt jede Komponente (Verbraucher und Quel
le) der Detaillierungsebene nach ihrem Ressourcenbedarf bzw.
erhält diese Werte von den Komponenten (Bedarfsabfrage oder
Anforderungsbeziehung). Der Koordinator fragt ferner die
Quellen der Ressource nach dem verfügbaren Potential, d. h.
der Maximalmenge der Ressource, die von der Quelle erzeugt
werden kann, bzw. erhält entsprechende Werte von der Quelle
(Potentialabfrage). Dabei wird in einem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel unter verfügbarem Potential nicht ein einzel
ner Wert verstanden, sondern mehrere Werte. Diese Werte wer
den mit Gütemerkmalen versehen. Die Gütemerkmale geben dem
Koordinator weitere Informationen für die Entscheidung über
die Verteilung der Ressource, da sie etwas über den Charak
ter der Bereitstellung aussagen. Mögliche Gütemerkmale sind
beispielsweise "optimal", "akzeptabel" oder "maximal". So
kann beispielsweise der Verbrennungsmotor ein verfügbares
Potential mit der Güte "optimal" bei verbrauchsoptimaler
Steuerung ermitteln oder ein verfügbares Potential mit der
Güte "maximal" bei einer Steuerung auf maximale Leistung.
Der Koordinator verteilt das verfügbare Potential der Quel
len entsprechend dem nach Wichtigkeit des Verbrauchers
und/oder der Bedarfsart priorisierten Ressourcenbedarf der
einzelnen Komponenten. Ein Konfliktfall liegt vor, wenn der
aufsummierte Ressourcenbedarf der Verbraucher (und ggf. der
Quelle) das Potential der Quellen übersteigt. In diesem Fall
beschränkt der Koordinator entsprechend der Prioritäten und
einer in der Spezifikation festgelegten Strategie die von
jeder Komponente der Ebene x zum Verbrauch verfügbaren Res
sourcenbeträge. Die Entscheidungsstrategie ist im Koordina
tor abgelegt und kann situationsabhängig oder fahrertypab
hängig variiert werden.
Der Koordinator teilt den Komponenten der Detaillierungsebe
ne x einen ggf. eingeschränkten Verbrauch der Ressource zu
(Bedarfszuteilung) und beauftragt die Quellen der Ressource,
die Summe der zugeteilten Ressourcen bereitzustellen
(Gesamtbedarfsbereitstellung). Jede Komponente verteilt ent
sprechend der Prioritäten und der in der Spezifikation vor
gegebenen Strategie die vom Koordinator zugeteilten Ressour
cen auf ihre Einzelkomponenten.
Die Sammlung und Zuteilung der Ressource einer nur lokal in
nerhalb einer Komponente verfügbaren Ressource kann sich mit
gleicher Vorgehensweise in verschiedenen Detaillierungsebe
nen bei Verfeinerung einer Komponente wiederholen.
Das Muster für die Verwaltung und Verteilung einer Ressource
ist unabhängig von der Art der Ressource. Jede Ressource er
fordert einen eigenen Koordinator, der Aufträge im Rahmen
der Ressourcenverwaltung und -verteilung an die Quellen und
Verbraucher erteilt.
Für die Verwaltung von gekoppelten Ressourcen ist ein über
geordneter Koordinator notwendig. Der übergeordnete Koordi
nator greift dabei nur auf die Koordinatoren der jeweiligen
Ressourcen über Aufträge zu und realisiert in ihm abgelegte
Strategien. Für die Abläufe zur koordinierten Verwaltung ge
koppelter Ressourcen ist jeweils von deren gegenseitigen
physikalischen Abhängigkeiten auszugehen. An der prinzipiel
len Strategie zur Ressourcenverwaltung wird nichts geändert.
Allerdings wird die logisch ablaufende Kommunikation zur
Ressourcenverwaltung an verschiedenen Stellen, die sich an
den physikalischen Abhängigkeiten orientieren, aufgebrochen
und entsprechend geschachtelt weitergeführt. So kann bei
spielsweise in einem Fall nach der Bedarfs- und Potentialab
frage eines Koordinators die Bedarfszuteilung erst dann er
folgen, wenn von der höheren Ebene eine Bedarfszuteilung er
folgt ist. Damit ergibt sich eine flexible Anpaßbarkeit der
Ressourcenverwaltung und -verteilung an die jeweilige System
ausprägung bei gleichzeitig klar eingegrenztem Änderungs
aufwand. Gekoppelte Ressourcen sind Ressourcen, die nicht
unabhängig voneinander verwaltet werden können. Als Beispiel
ist hier die Kopplung zwischen der Ressource mechanische
Leistung, die durch die Quelle Motor, Kupplung und Getriebe
zur Verfügung gestellt wird, und einer Ressource elektrische
Leistung zu nennen, die von dem Generator und der Batterie
des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Der Generator benötigt
zur Bereitstellung der elektrischen Leistung eine mechani
sche Leistung, die vom Motor produziert wird. Bezüglich der
Bedarfs- und Potentialabfrage sowie der Bedarfszuteilung hat
der Koordinator der Quelle für die mechanische Leistung die
Aufträge vom übergeordneten Koordinator, der die Bedürfnisse
der Quelle für die elektrische Leistung sammelt, zu berück
sichtigen.
Die beschriebene Ressourcenverwaltung und -verteilung er
füllt die anwachsenden Forderungen des Automobilmarktes nach
stark anwachsender Funktionalität, niedrigen Entwicklungsko
sten und kurzen Innovationszyklen. Die stark anwachsende
Funktionalität schlägt sich in immer komplexeren Koppelfunk
tionen nieder, bei denen bisher autarke Komponenten integra
tiv genutzt werden. Als Beispiele sind hier die folgenden
Koppelfunktionen zu nennen:
Koppelfunktion | |
zu koordinierende Komponenten | |
Fahrdynamikregelung | Bremse, Motor, Getriebe, Differential, Fahrwerk, Lenkung |
Abstandsregelung | Motor, Getriebe, Bremse |
Triebstrangregelung | Motor, Kupplung, Getriebe |
Bordnetzmanagement | Motor, Generator, Batterie |
Innenraumklimatisierung | Klimaanlage, Motor, Latentwärmespeicher, Umluftklappe |
Wegfahrsperre | Motor, Getriebe, Lenkung |
Leuchtweitenregelung | Scheinwerfer, Lenkung, Fahrwerk |
Pre-crash-Sensierung usw. | Abstandsregelung, Gurtstraffer, Airbag, Überrollbügel |
Zur Realisierung der Koppelfunktionen werden die Komponenten
zu Funktionsgruppen kombiniert und in hierarchischen Ebenen
organisiert, wie am Beispiel des Antriebsstrangs und der
Bremse im eingangs genannten Stand der Technik geschehen.
Die Anordnung der Komponenten innerhalb der Hierarchie ist
von entscheidender Bedeutung für die Übersichtlichkeit der
Struktur des Gesamtfahrzeugs.
Im Kraftfahrzeug sind verschiedene Ressourcen verfügbar, die
von unterschiedlichen Quellen erzeugt werden. Beispiele sind
in der folgenden Tabelle genannt.
Ressource | |
Quelle | |
mechanische Leistung 1 | Motor, Kupplung, Getriebe |
mechanische Leistung 2 | Scheibenwischermotor |
mechanische Leistung 3 | Schiebedachmotor |
elektrische Leistung 1 | Generator, Batterie |
elektrische Leistung 2 | Batterie, Zündschlüssel |
thermische Leistung 1 | Motor, Latentwärmespeicher |
thermische Leistung 2 | Standheizung |
hydraulische Leistung | Hydraulikspeicher, -pumpe |
pneumatische Leistung | Druckluftspeicher, Kompressor |
chemische Leistung | Kraftstofftank |
usw. |
Die Quelle einer Ressource und ihre Verbraucher werden in
der Hierarchie immer nur so hoch wie nötig und dabei so tief
wie möglich modelliert (d. h. im Rahmen einer ggf. ebenfalls
hierarchischen Struktur dargestellt). Diese Notwendigkeit
ergibt sich aus den Aufgaben der Komponenten. Die möglichst
tiefe Anordnung der Komponenten in der Hierarchie gewährt
eine gute Austauschbarkeit der Komponenten.
Greifen mehrere Komponenten als Verbraucher auf eine oder
mehrere Quellen einer Ressource zu, dann sind die Quellen in
der Detaillierungsebene zu modellieren, in der die Aufträge,
welche zum Ressourcenverbrauch führen, koordiniert werden.
Ein Koordinator zur Verwaltung und Verteilung der Ressource
ist ebenfalls in dieser Ebene zu modellieren. Die Quellen
können dann weiter in tieferen Detaillierungsebenen verfei
nert werden. Der Koordinator hat für den Fall, daß zur Be
reitstellung der Ressource mehrere Quellen zur Verfügung
stehen, neben der Koordination der Verbraucher auch die Auf
gabe, die Quellen hinsichtlich eines gemeinsamen Potentials
der Ressource zu verwalten.
Die Auswahl einer Detaillierungsebene richtet sich nach Ge
sichtspunkten wie der Anordnung des Auftraggebers für die
Komponente in der Hierarchie, ob die Komponente ihre Aufga
ben autark erfüllen kann oder externe Koordinatoren benö
tigt, welche Informationen für die Vergabe von Aufträgen be
nötigt werden, wo die Aufträge der Komponente koordiniert
werden, usw.
Ein Beispiel für die Verwaltung und Verteilung gekoppelter
Ressourcen ist eine Optimierung über die Ressource mechani
sche (Motor, Kupplung, Getriebe) und elektrische Leistung
(Generator, Batterie). Zur Verdeutlichung dieser Optimierung
soll das folgende Szenario betrachtet werden. Es liegt ein
Konflikt vor, bei dem die Verbraucher der mechanischen Lei
stung 100% der maximalen Leistung fordern. Der Generator als
Verbraucher einer mechanischen Leistung generiert entspre
chend seinem Wirkungsgrad eine elektrische Leistung, die er
den Verbrauchern der elektrischen Leistung zur Verfügung
stellt. Nun soll ein weiterer Verbraucher für elektrische
Leistung zugeschaltet werden. Die für diesen Verbraucher be
nötigte elektrische Leistung kann nicht aus der Batterie
entnommen werden. Im Rahmen einer übergeordneten Optimierung
werden also entweder andere elektrische Verbraucher oder
aber auch Verbraucher einer mechanischen Leistung abgeschal
tet. Für den Fall, daß Verbraucher einer mechanischen Lei
stung abgeschaltet werden, steht dem Generator eine höhere
mechanische Leistung zur Erzeugung einer höheren elektri
schen Leistung zur Verfügung.
In den Fig. 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Verwaltung
und Verteilung von gekoppelten Ressourcen an einem konkreten
Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 3 zeigt dabei die
Struktur, während in Fig. 4 die logische Reihenfolge der
ablaufenden Kommunikation verdeutlicht ist.
Fig. 3 zeigt in einer oberen Detaillierungsebene einen Ko
ordinator Gesamtfahrzeug, in einer unteren Ebene die Quelle
mechanische Leistung RmL und die Quelle elektrische Lei
stung ReL. Ferner sind nicht weiter strukturiert Komponenten
und Verbraucher der Fahrzeugbewegung sowie von Karosserie
und Innenraum dargestellt. Der Koordinator Gesamtfahrzeug,
der in einer hohen Detaillierungsebene dargestellt ist, um
faßt je einen Koordinator für die mechanische und für die
elektrische Leistung, denen ein weiterer Koordinator zur Ko
ordination der beiden Ressourcen übergeordnet ist. Entspre
chend weist die Quelle mechanische Leistung RmL einen Koor
dinator RmL für die Quelle mechanische Leistung sowie Samm
ler für die elektrische und mechanische Leistung auf. Im ge
zeigten Beispiel besteht die Quelle mechanische Leistung aus
Motor, Wandler und Getriebe. Entsprechend ist die Quelle
elektrische Leistung ReL mit einem Koordinator ReL sowie mit
Sammlern für die elektrische und mechanische Leistung ausge
stattet. Die Quelle elektrische Leistung besteht im gezeig
ten Ausführungsbeispiel aus Generator und Batterie. In wei
teren, aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten De
taillierungsebenen können die Quellen und Komponenten weiter
strukturiert werden unter Beachtung der oben dargestellten
Grundprinzipien. Zwischen den einzelnen Elementen werden In
formationen und Aufträge ausgetauscht. Dabei sind die Infor
mationskanäle mit gestrichelten Linien und einem Fragezei
chen versehen dargestellt, während mit durchgezogenen Pfei
len und mit Ausrufezeichen versehenen die Auftragskanäle
dargestellt sind.
In Fig. 4 ist der zeitliche Zusammenhang der Informations- und
Auftragsübermittlung dargestellt. Dabei ist von oben
nach unten die Zeit aufgetragen, während waagrecht die je
weilige Aktion dargestellt ist. Die Aktionen werden nachein
ander durchgeführt.
Die Wirkungsweise der Ressourcenverwaltung und -verteilung
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist nachfolgend an
hand der Fig. 3 und 4 beschrieben.
Jede Komponente sammelt mit Hilfe des Sammlers für die je
weilige Ressource den zukünftigen Bedarf der in ihr enthal
tenen Verbraucher. Dabei werden die Bedarfszahlen für die
jeweilige Ressource in den Komponenten aufgrund des aktuel
len Istzustandes der Komponente und/oder eines z. B. durch
den Fahrerwunsch vorgegebenen zukünftigen Zustands berechnet
und in dem jeweiligen Sammler nach Wichtigkeit priorisiert
und gesammelt (aufsummiert). Beispielsweise wird der Bedarf
an mechanischer Leistung des Verbrennungsmotors durch das
dem sich ändernden Fahrerwunsch entsprechenden Drehmoments
berechnet. Der Bedarf an elektrischer Leistung wird z. B. aus
dem bei Einschaltung der Beleuchtung zu erwartendem Strombe
darf bzw. Leistungsbedarf ermittelt.
Der Koordinator für die Ressource elektrische Leistung im
Koordinator Gesamtfahrzeug fragt die Komponenten
(Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum und sämtliche
Quellen) auf die von diesen geforderte elektrische Leistung
ab (Abfragen P_eFb(Prioritäten), P_eKb(Prioritäten),
P_eRmb(Prioritäten), P_eReb(Prioritäten), vgl. Fig. 3 und
4). Bezüglich der elektrischen Leistung tritt die Quelle
elektrische Leistung selber auch als Verbraucher auf (z. B.
durch elektrische Batterieheizung, Ladung der Batterie,
usw.).
Die Koordination der elektrischen Leistung erfolgt zentral
durch den Koordinator elektrische Leistung im Koordinator
Gesamtfahrzeug. Dies bedeutet, daß die Batterie nicht direkt
eine Leistung vom Generator fordern kann. Damit wäre eine
Priorisierung der Batterie gegenüber allen anderen elektri
schen Verbrauchern verbunden, die nicht in allen Betriebszu
ständen sinnvoll ist. Dies zeigt das folgende Szenario. Die
Batterie sei fast leer und das Fahrzeug verfüge über eine
Bremsanlage mit elektrischer Zuspannung. Für den Fall, daß
die Batterie direkt ihren Bedarf an den Generator herantra
gen würde, wäre es nicht mehr möglich, das Fahrzeug zu brem
sen, da die gesamte Generatorleistung für die Ladung der
Batterie benötigt wird. In der gezeigten Struktur jedoch
wird die Batterie aufgrund einer Entscheidung eines Koordi
nators einer höheren Detaillierungsebene nicht geladen, weil
die momentane Leistung des Generators für die Bremse zum
Verzögern des Fahrzeugs benötigt wird. Diese Entscheidung
kann nur auf einer höheren Ebene getroffen werden, da der
Koordinator ReL nicht weiß, woher die konkrete Anforderung
bezüglich der elektrischen Leistung kommt.
Der Ladungszustand der Batterie ist in der Quelle elektri
sche Leistung zu überwachen. Durch die Priorisierung des
elektrischen Leistungsbedarfs im Sammler elektrischer Lei
stung in der Quelle ReL kann der Koordinator elektrische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug auf den Ladungszu
stand der Batterie schließen. Ein Leistungsbedarf mit hoher
Priorität entspricht einem schlechten Ladungszustand der
Batterie.
Jede Komponente und Quelle meldet den Ressourcenbedarf elek
trischer Leistung an den Koordinator elektrische Leistung im
Koordinator Gesamtfahrzeug derart, daß zu einem Leistungsbe
darf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den Fall,
daß beispielsweise drei Prioritäten von jede Komponente ver
geben werden können, meldet jeder Komponente maximal drei
Leistungsanforderungen. Diese Werte haben zuvor innerhalb
der Komponenten die internen Leistungssammler ermittelt,
entsprechend priorisiert und nach Prioritäten aufsummiert.
In einem zweiten Schritt erfragt der Koordinator elektrische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug bei der Quelle für
die Ressource elektrische Leistung die realisierbare, elek
trische Leistung (Abfrage P_eRerl (Gütemerkmale)). Die Quelle
der Ressource elektrische Leistung teilt daraufhin dem Koor
dinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
die realisierbare Leistung mit.
Der Koordinator elektrische Leistung berücksichtigt dabei
noch nicht, daß sich aus der Bereitstellung der elektrischen
Leistung durch den Generator eine Anforderung bezüglich der
mechanischen Leistung ergibt. Dies ist sinnvoll unter dem
Aspekt, daß beispielsweise der Generator durch einen eigenen
Verbrennungsmotor angetrieben wird und dann keinen Bedarf
bezüglich der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors
meldet, der primär dem Vortrieb dient.
Unter der realisierbaren elektrischen Leistung ist nicht ein
einzelner Wert zu verstehen. Vielmehr fallen hierunter meh
rere Werte. Die realisierbare elektrische Leistung wird mit
Gütemerkmalen versehen. Beispielsweise sollen die drei Güte
klassen "optimal", "akzeptabel" und "maximal" für die elek
trische Leistung existieren. Hierbei steht "optimal" bei
spielsweise für ökonomische oder ökologische Optimierung.
Eine entsprechende Zuordnung ergibt sich für die beiden üb
rigen Gütemerkmale unter Gesichtspunkten wie beispielsweise
Temperatur der Batterie, Wirkungsgrad des Generators usw.
Die tatsächliche Anzahl der Merkmale sowie deren Ausprägung
sind für den jeweiligen Anwendungsfall festzulegen.
Der Koordinator elektrische Leistung versucht den gesamten
elektrischen Leistungsbedarf aus dem Generator zu decken.
Die Batterie dient lediglich zur Pufferung der elektrischen
Leistung. Allerdings ergibt sich die maximal realisierbare
elektrische Leistung aus der Kombination des Generators mit
der Batterie.
Auf der Basis der klassifizierten realisierbaren Leistungen
kann dann der Koordinator Gesamtfahrzeug (Koordinator mech.-elekt.
Leistung) über die Koordinatoren für die Ressourcen
je nach Situation verschiedene Strategien realisieren, z. B.
optimales Energiemanagement, Reduzierung des Brennstoffver
brauchs, Erhöhung des Gesamtkomforts usw. Dies kann z. B.
durch eine Vorgabe eines maximalen Betrags der Ressourcen in
ausgewählten Betriebszuständen (z. B. möglichst minimale me
chanische Leistung) erfolgen.
Ist der Wert der realisierbaren elektrischen Leistung nied
riger als die von den Komponenten (Verbrauchern) geforderte
Summe, muß der Koordinator elektrische Leistung im Koordina
tor Gesamtfahrzeug anhand der Prioritäten entscheiden, wel
che Leistungsbeträge welcher Komponente zur Verfügung ge
stellt werden sollen.
In einem dritten Schritt beauftragt der Koordinator elektri
sche Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug die Quelle der
Ressource elektrische Leistung, die stationär geforderten
Leistungen für die Verbraucher zur Verfügung zu stellen
(Auftrag P_eRes (Randbedingungen)). Der Auftrag ist mit Rand
bedingungen versehen. Diese beziehen sich beispielsweise auf
die gewünschte Dynamik der Bereitstellung, da diese der Cha
rakteristik der zuzuschaltenden Last entsprechen muß.
Darauf folgend bestimmt der Koordinator ReL, wie die elektri
sche Leistung durch den Generator und/oder die Batterie zur
Verfügung gestellt wird. Ist der Generator an der Leistungs
bereitstellung beteiligt, dann meldet dieser einen Bedarf an
mechanischer Leistung an den internen Sammler für die mecha
nische Leistung in der Quelle ReL. Die Anforderung des Gene
rators nach elektrischer Leistung initiiert die Verwaltung
und Koordination der mechanischen Leistung durch den Koordi
nator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug.
Dieser fragt die Komponenten auf deren geforderten mechani
schen Leistung ab (Abfragen P_mReb(Prioritäten), P_mFb(Prio
ritäten), P_mKb(Prioritäten), P_mRmb(Prioritäten)). Bezüg
lich der mechanischen Leistung tritt die Quelle mechanische
Leistung selber auch als Verbraucher auf (Motornebenaggre
gate wie Wasserpumpe, Ölpumpe usw.). Die Koordination der
Ressource mechanische Leistung soll zentral durch den Koor
dinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
erfolgen. Die Motornebenaggregate können nicht direkt eine
mechanische Leistung vom Motor fordern. Dies würde einer
Priorisierung der Motornebenaggregate gegenüber allen ande
ren mechanischen Verbrauchern entsprechen. Eine Koordination
der Motornebenaggregate ist allerdings nur möglich, wenn
diese schaltbar sind, d. h. wenn sie gestuft oder stufenlos
betrieben werden können. Schaltbare Motornebenaggregate sind
in heutigen Fahrzeugen allerdings noch nicht üblich. Daß die
Betrachtung des Verbrauchsaspekts der Motornebenaggregate
bezüglich der mechanischen Leistung sinnvoll ist, zeigt ein
Szenario bei dem ein Motornebenaggregat, beispielsweise die
Wasserpumpe, nur mit Teillast betrieben wird. Dann kann die
übrige mechanische Leistung dem Generator zur Ladung einer
fast leeren Batterie zur Verfügung gestellt werden. Diese
Vorgehensweise ist nur aufgrund einer Entscheidung eines Ko
ordinators einer höheren Detaillierungsebene möglich und er
höht die Variationsmöglichkeiten und damit die Integration
von neuen Funktionen im System Gesamtfahrzeug. Die vorge
stellte Entscheidung kann nur auf einer höheren Ebene ge
troffen werden, da der Koordinator RmL nicht weiß, woher die
Anforderung bezüglich der mechanischen Leistung kommt. Für
den Fall, daß die Motornebenaggregate direkt ihren Bedarf an
den Motor herantragen würden und dann auch ohne weitere Ko
ordination abgreifen, wäre es in dem diskutierten Szenario
nicht mehr möglich, die Batterie bei einer ausgeschöpften
Ressource mechanische Leistung zu laden. Die gesamte Motor
leistung würde beispielsweise für den Vortrieb und die Mo
tornebenaggregate benötigt. Für eine Ladung der Batterie
müßte der Koordinator mechanische Leistung im Koordinator
Gesamtfahrzeug dann die dem Vortrieb zur Verfügung gestellte
mechanische Leistung reduzieren und die dadurch verfügbar
gewordene mechanische Leistung der Quelle ReL und damit dem
Generator zuteilen.
Der Motorzustand (z. B. Versorgung mit Schmier- und Kühlmit
tel) ist vom Koordinator mechanische Leistung im Koordinator
Gesamtfahrzeug aufgrund abstrakter Informationen zu überwa
chen. Über die Priorisierung des mechanischen Leistungsbe
darfs der Motornebenaggregate durch den Sammler mechanische
Leistung in der Quelle mechanische Leistung kann der Koordi
nator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug auf
den Motorzustand schließen. Ein Leistungsbedarf mit hoher
Priorität entspricht einem schlechten Motorzustand.
Jede Komponente und Quelle meldet den Ressourcenbedarf me
chanische Leistung an den Koordinator mechanische Leistung
im Koordinator Gesamtfahrzeug derart, daß zu einem Ressour
cenbedarf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den
Fall, daß beispielsweise drei Prioritäten von jeder Kompo
nenten vergeben werden können, meldet jede Komponente maxi
mal drei Leistungsanforderungen. Diese Werte haben zuvor in
nerhalb der Komponenten die internen mechanischen Leistungs
sammler ermittelt, entsprechend priorisiert und nach Priori
täten aufsummiert.
Der Koordinator für die mechanische Leistung im Koordinator
Gesamtfahrzeug fragt bei der Quelle RmL die realisierbare
mechanische Leistung ab (Abfrage P_mRmrl (Gütemerkmale)). Die
Quelle RmL teilt daraufhin dem Koordinator mechanische Lei
stung im Koordinator Gesamtfahrzeug die realisierbare Lei
stung mit. Unter der realisierbaren mechanischen Leistung
ist nicht ein einzelner Wert zu verstehen. Vielmehr fallen
hierunter mehrere Werte. Die realisierbare mechanische Lei
stung wird mit Gütemerkmalen versehen. Beispielsweise sollen
die drei Güteklassen, "optimal", "akzeptabel" und "maximal"
für die mechanische Leistung existieren. Hierbei steht
"optimal" beispielsweise für ökonomische, ökologische Opti
mierung oder für eine Leistungsbereitstellung ohne Schalt
vorgang. Eine entsprechende Zuordnung ergibt sich für die
beiden übrigen Gütemerkmale unter Gesichtspunkten wie Motor
geräusch, Wirkungsgrad des Motors usw. Die tatsächliche An
zahl der Merkmale sowie deren Ausprägung sind für den jewei
ligen Anwendungsfall festzulegen.
Auf der Basis der klassifizierten realisierbaren Leistung
realisiert dann der Koordinator Gesamtfahrzeug (Koordinator
mech.-elekt. Leistung) über die Koordination für die Res
sourcen je nach Situation verschiedene Strategien. Hierunter
sind beispielsweise ein optimales Energiemanagement, eine
Reduzierung des Brennstoffverbrauchs, eine Erhöhung des Ge
samtkomforts, usw. zu verstehen. Ist der Wert der realisier
baren mechanischen Leistung niedriger als die von den Kompo
nenten (Verbrauchern) geforderte Summe, muß der Koordinator
mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug anhand
der Prioritäten entscheiden, welche Leistungsbeträge welcher
Komponente zur Verfügung gestellt werden sollen.
Daraufhin beauftragt der Koordinator mechanische Leistung im
Koordinator Gesamtfahrzeug die Quelle RmL, die stationär ge
forderten Leistungen für die Verbraucher zur Verfügung zu
stellen (Auftrag P_mRms (Randbedingungen)). Der Auftrag ist
mit Randbedingungen versehen. Diese beziehen sich beispiels
weise auf die gewünschte Dynamik der Bereitstellung, da die
se der Charakteristik der zuzuschaltenden Last entsprechen
muß.
Die Quelle RmL gibt eine Information an den Koordinator me
chanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, welche
Leistung sofort realisierbar ist (Abfrage P_mRmrso(Gütemerk
male)). Auch die realisierbare mechanische Leistung ist mit
den gewählten Gütemerkmalen zu versehen. So werden in dem
gewählten Beispiel mit den Gütemerkmalen "optimal",
"akzeptabel" und "maximal" drei mechanische Leistungen zu
rückgegeben. Hier besteht evtl. eine Abweichung vom zuvor
geforderten stationären Wert infolge unzureichender Motordy
namik. Daher wurde zuvor nur von der stationären mechani
schen Leistung gesprochen. Erkennt die Quelle RmL, daß die
geforderte mechanische Leistung nicht mit den geforderten
Randbedingungen (Dynamik, usw.) bereitgestellt werden kann,
dann ergreift sie Maßnahmen, die dies zu einem späteren
Zeitpunkt ermöglichen (Vorhaltfunktion, Abgasrückführung,
Ladedruckkontrolle usw.).
Der Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Ge
samtfahrzeug teilt den Komponenten und Quellen die ihnen so
fort zur Verfügung stehenden Leistungsbeträge zu (Aufträge
P_mFz, P_mKz, P_mRmz, P_mRez). Die Zuteilung der mechani
schen Leistung hat bei den Komponenten und Quellen zur Fol
ge, daß die entsprechenden Koordinatoren nach zuvor festge
legten Strategien die zugeteilte mechanische Leistung auf
die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen priorisierten Be
darf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
Der Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Ge
samtfahrzeug beauftragt die Quelle RmL (dort den Koordina
tor), die Summe der zugeteilten mechanischen Leistungen so
fort zu realisieren und die ansonsten geforderten vorzube
reiten (Auftrag P_mRmzre).
Nach der Zuteilung der von der Quelle ReL geforderten mecha
nischen Leistung für den Generator kann die Quelle ReL die
Anfrage des Koordinators elektrische Leistung im Koordinator
Gesamtfahrzeug bezüglich der realisierbaren Leistung beant
worten. Die Quelle ReL gibt die Information an den Koordina
tor elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, wel
che elektrische Leistung sofort realisierbar ist (Abfrage
P_eRerso(Gütemerkmale)). Auch die realisierbare elektrische
Leistung ist mit gewählten Gütemerkmalen zu versehen. So
werden im gewählten Beispiel mit den Gütemerkmalen
"optimal", "akzeptabel" und "maximal" drei elektrische Lei
stungen zurückgegeben. Hier besteht evtl. eine Abweichung
vom zuvor geforderten stationären Wert infolge unzureichen
der Dynamik des Generators und der Batterie. Daher wurde zu
vor nur von der stationären elektrischen Leistung gespro
chen. Erkennt die Quelle ReL, daß die geforderte elektrische
Leistung nicht mit den geforderten Randbedingungen (Dynamik
usw.) bereitgestellt werden kann, ergreift sie Maßnahmen,
die dies zu einem späteren Zeitpunkt ermöglichen
(Erregerstrom, Übererregung usw.).
Der Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Ge
samtfahrzeug teilt den Komponenten die ihnen sofort zur Ver
fügung stehen elektrischen Leistungsbeträge zu (Aufträge
P_eFz, P_eKz, P_eRmz, P_eRez). Die Zuteilung der elektri
schen Leistung hat bei den Komponenten und Quellen zur Fol
ge, daß die entsprechenden Koordinatoren nach zuvor festge
legten Strategien die zugeteilte elektrische Leistung auf
die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen priorisierten Be
darf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
Der Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Ge
samtfahrzeug beauftragt die Quelle ReL (Dort den Koordina
tor), die Summe der zugeteilten elektrischen Leistungen so
fort zu realisieren und die ansonsten geforderten vorzube
reiten (Auftrag P_eRezre).
Claims (9)
1. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches wenig
stens eine Quelle für wenigstens eine Ressource und wenig
stens einen Verbraucher umfaßt, der diese Ressource ver
braucht, wobei wenigstens ein Koordinator vorgesehen ist,
der abhängig vom Potential der Quelle und vom Ressourcenbe
darf des Verbrauchers die Ressource dem Verbraucher zuteilt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für jede Ressource ein Koordinator vorgesehen ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß von den Verbrauchern dem Koordina
tor der Bedarf an der koordinierten Ressource mitgeteilt
wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Quelle dem Koordinator das
realisierbare Potential der Ressource mitteilt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Koordinator die Ressourcen den
Verbrauchern und der Quelle zuteilt unter Berücksichtigung
des realisierbaren Potentials der Ressource.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Koordinator die Quelle veran
laßt, die Ressource im Rahmen des Gesamtbedarfs bereitzu
stellen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß bei gekoppelten Ressourcen zur
Verwaltung und Verteilung dieser Ressourcen übergeordnete
Koordinatoren vorgesehen sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß übergeordneten Koordinatoren von
den Verbrauchern und Quellen jeweils der Bedarf an der je
weiligen Ressource mitgeteilt werden.
9. Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches über
wenigstens eine Quelle für eine Ressource und wenigstens ei
nen Verbraucher umfaßt, der diese Ressource verbraucht, mit
wenigstens einem Koordinator, welcher die Ressource abhängig
vom Potential der Quelle und vom Ressourcenbedarf des Ver
brauchers dem wenigstens einen Verbraucher zuteilt.
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