DE19709317B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches mehrere Ressourcen aufweist, wobei für jede Ressource wenigstens eine Quelle und wenigstens ein Verbraucher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ressource ein Koordinator vorgesehen ist vorgesehen ist, der abhängig vom Potential der Quelle und vom Ressourcenbedarf des Verbrauchers die Ressource dem Verbraucher zuteilt, dass von den Verbrauchern den Koordinatoren der Bedarf an der jeweils koordinierten Ressource mitgeteilt wird, dass die Quellen den Koordinator das realisierbare Potential der Ressource mitteilt, und dass bei gekoppelten Ressourcen, d.h., bei Ressourcen die nicht unabhängig voneinander verwaltet werden können zur Verwaltung und Verteilung dieser Ressourcen übergeordnete Koordinatoren vorgesehen sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs.
  • Aus der DE 195 14 738 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem die aus einem Generator entnommene elektrische Leistung berechnet wird und sofern die elektrische Leistung, die entnommen werden soll zu groß ist, die Zuschaltung von elektrischen Verbrauchern geringer Priorität verhindert wird.
  • Ein Steuerverfahren bzw. eine Steuervorrichtung 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 Auftragsstruktur für die Steueraufgaben aufweist. Die dort beschriebe Steuerungsstruktur umfasst Koordinationselemente, welche einen aus einer höheren Hierarchieebene ausgehenden Befehl in Befehle für Elemente einer nachgeordneten Hierarchieebene umsetzen. Die Inhalte der von oben nach unten in der Hierarchiestruktur weitergegebenen Befehle stellen physikalische Größen dar, die die Schnittstellen zwischen den einzelnen Hierarchieebenen bestimmen. Die beschriebenen Schnittstellen orientieren sich dabei an den physikalischen Gegebenheiten der Fahrzeugbewegung, insbesondere des Antriebsstrangs und der Bremse. Eine darüber hinaus gehende Betrachtung einer Fahrzeugsteuerung beispielsweise unter Be rücksichtigung der Karosserieelektronik (z. B. Generatorsteuerung, Schiebedachantrieb, Fensterheber, usw.) wird nicht beschrieben. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung von bisher eigenständigen Systemen in der Fahrzeugtechnik reicht die ausschließliche Betrachtung von Antriebsstrang und Bremse nicht mehr aus. Vielmehr ist es erforderlich, eine Steuerungsstruktur des Gesamtfahrzeugs anzugeben, mit deren Hilfe auch außerhalb der Triebstrang- und Bremsensteuerung liegende Systeme verknüpft werden können und deren Aufgaben koordiniert werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschreibt die Verwaltung und Verteilung der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Ressourcen. Dabei wird unter Ressource eine Leistung verstanden, die von Komponenten, sogenannten Quellen, anderen Komponenten, sogenannten Senken oder Verbrauchern, zum Verbrauch zur Verfügung gestellt wird. Beispiele für derartige Ressourcen sind „mechanische Leistung", die vom Antriebsstrang (Motor, Kupplung, Getriebe), vom Scheibenwischermotor, vom Schiebedachmotor, usw. erzeugt wird, „elektrische Leistung", die vom Generator und der Batterie bereitgestellt wird, „thermische Leistung", die vom Motor und ggf. von einem Latentwärmespeicher erzeugt wird, usw..
  • Hier sind bei dem Beispiel „mechanische Leistung" die aufgeführten Komponenten Antriebsstrang, Scheibenwischermotor und Schiebedachmotor Quellen voneinander uabhängige Ressourcen, die ebenso unabhängig voneinander verwaltet werden.
  • Durch die beschriebene Verwaltung und Verteilung der Ressourcen wird eine Steuerungsstruktur für das Gesamtfahrzeug bereitgestellt, die über Antriebsstrang und Bremse hinaus auch andere Komponenten, insbesondere Komponenten der Karosserieelektronik, berücksichtigen kann.
  • Besondere Vorteile ergeben sich aus der erfindungsgemäßen Lösung, da der Ressourcenverwalter entscheidungsfähig bezüglich 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 Ressourcenverwaltung eine deutliche Vereinfachung der Analyse der Steuerungsstruktur im Rahmen des Entwicklungsprozesses ermöglicht, da das Muster zur Ressourcenverwaltung eine Modellierungshilfe für die Anordnung der Ressourcen in den einzelnen Ebenen während der Analyse der Steuerungsstruktur und die ablaufende Kommunikation bietet, ohne daß die Verbraucher bezüglich des Verbrauchs von Ressourcen priorisiert werden müssen.
  • Ferner ist vorteilhaft, daß die Ressourcenverwaltung übersichtlich ist und sich einfach in die Struktur des Gesamtfahrzeugs integrieren läßt. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer ganzheitlichen Architektur des Gesamtfahrzeugs mit einer frei optimierbaren Hardwaretopologie.
  • Besonders vorteilhaft ist, daß die Ressourcenverwaltung und -verteilung eigenständig ausgelegt werden kann (Entwicklungssharing) und somit die Möglichkeit bietet, bereits getestete Softwaremodule mit standardisierten physikalischen Schnittstellen wiederzuverwenden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß eine Ressourcenverwaltung mit Koordinatoren auf gleicher Ebene wie die Quellen und Verbraucher sowie mit übergeordneten Koordinatoren bei gekoppelten Ressourcen die Möglichkeit bietet, ein übersichtliches Gesamtleistungsmanagement mit wenigen Schnittstellen und voneinander weitestgehend unabhängigen Komponenten zu ermöglichen. Dadurch ergibt sich eine gute Austauschbarkeit der Komponenten, die aufgrund der wenigen, definierten Schnittstellen unabhängig voneinander entwickelt und getestet werden können (Entwicklungs-Sharing).
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt 1 an einem Beispiel eine Hardware-Konfiguration eines vernetzten Steuerungssystems für ein Fahrzeug. In 2 ist die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung und – verteilung in allgemeiner Form dargestellt. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verwaltung und Verteilung mechanischer und elektrischer Leistung. In 4 ist am Beispiel eines Interaktionsdiagramms die Kommunikation zwischen den Komponenten beim Anwendungsbeispiel aus 3 dargestellt.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In 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 Interface 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 Kommunikation zwischen dem Master 100 und den das Abtriebsmoment steuernden Elementen her. Der BUS 104 verbindet den Master 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 Meßeinrichtungen erfassen die zur Steuerung des Abtriebsmoments auszuwertenden Betriebsgrößen des Motors und/oder des Fahrzeugs, beispielsweise Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl, zugeführte Luftmenge bzw. -masse, Last, Abgaszusammensetzung, Motortemperatur, Getriebeübersetzung, Schaltzustand eines Wandlers, 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 Fahrwerkregelung 124. Analog zum oben Gesagten werden von den Meßeinrichtungen 126 bis 128 über entsprechende Verbindungsleitungen 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 einer anderen Übertragungsrate als die Systeme 104 und 118 arbeiten. 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 angeschlossen.
  • Die in 1 dargestellte Konfiguration stellt ein Beispiel dar, welches in anderen Ausführungsbeispielen beispielsweise unter Verzicht auf den Master-Controller 100 anders gestaltet sein kann. Wesentlich ist, daß die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung und -verteilung, die nachfolgend beschrieben ist, unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Steuerungssystems auf Hardwareebene ist und eine nach Platz-, Störungsanfälligkeitsgründen oder dergleichen optimierte Konfiguration der einzelnen Elemente des Steuerungssystems erlaubt. Umgekehrt erlaubt die erfindungsgemäße Vorgehensweise aber auch eine an die Ressourcenverwaltung und -verteilung angepaßte Hardwarekonfiguration, wenn beispielsweise im konkreten Anwendungsfall die Quellen mechanischer Leistung und elektrischer Leistung durch jeweils eine Steuerungseinheit gesteuert werden, während der zuständige übergeordnete Koordinator im Master-Controller 100 plaziert wird.
  • 2 zeigt die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung und -verteilung in allgemeiner Form. Der in 2 dargestellte Grundgedanke der Ressourcenverwaltung und -verteilung erfordert bezüglich einer Ressource, daß Quelle und Verbraucher innerhalb einer Ebene der Struktur anzuordnen sind. Er wird auch angewendet bei gekoppelten Ressourcen, d. h. bei Ressourcen, die von Verbrauchern (auch in verschiedenen Ebenen) genutzt werden und die voneinander abhängig sind. Der Gesamtkoordinator ist dann den Einzelressourcenkoordinatoren übergeordnet anzuordnen, d.h. mindestens in der höchsten der beteiligten Ebenen.
  • 2 zeigt eine Quelle sowie zwei Verbraucher (Verbraucher 1 und Verbraucher 2) und einem der Quelle und den Verbrauchern zugeordneten Koordinator, der die Ressourcenverwaltung 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 dieser Ebene nur von den beiden Verbrauchern verbraucht wird. Der in 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 2 dargestellten Detaillierungsebene koordiniert die Bereitstellung und den Verbrauch der Ressource. Jede Komponente der entsprechenden Detaillierungsebene besitzt für jede Ressource (beispielsweise mechanische, 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 allgemeinen Definition ein Bestandteil eines Ganzen verstanden. So werden unter einer Komponente Hardware- und/oder Softwaremodule zusammengefaßt. Die Sammler bestimmen in den einzelnen Verbrauchern und ggf. in der Quelle, die jeweils aus verschiedenen Teilkomponenten bestehen können, den jeweiligen 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 Einzelkomponente 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 Quelle) 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 Ausführungsbeispiel unter verfügbarem Potential nicht ein einzelner Wert verstanden, sondern mehrere Werte. Diese Werte werden mit Gütemerkmalen versehen. Die Gütemerkmale geben dem Koordinator weitere Informationen für die Entscheidung über die Verteilung der Ressource, da sie etwas über den Charakter 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 Quellen 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 Ressourcenbeträge. Die Entscheidungsstrategie ist im Koordinator abgelegt und kann situationsabhängig oder fahrertypabhängig variiert werden.
  • Der Koordinator teilt den Komponenten der Detaillierungsebene 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 entsprechend der Prioritäten und der in der Spezifikation vorgegebenen Strategie die vom Koordinator zugeteilten Ressourcen auf ihre Einzelkomponenten.
  • Die Sammlung und Zuteilung der Ressource einer nur lokal innerhalb einer Komponente verfügbaren Ressource kann sich mit gleicher Vorgehensweise in verschiedenen Detaillierungsebenen bei Verfeinerung einer Komponente wiederholen.
  • Das Muster für die Verwaltung und Verteilung einer Ressource ist unabhängig von der Art der Ressource. Jede Ressource erfordert 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 übergeordneter Koordinator notwendig. Der übergeordnete Koordinator greift dabei nur auf die Koordinatoren der jeweiligen Ressourcen über Aufträge zu und realisiert in ihm abgelegte Strategien. Für die Abläufe zur koordinierten Verwaltung gekoppelter Ressourcen ist jeweils von deren gegenseitigen physikalischen Abhängigkeiten auszugehen. An der prinzipiellen 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 beispielsweise in einem Fall nach der Bedarfs- und Potentialabfrage eines Koordinators die Bedarfszuteilung erst dann erfolgen, wenn von der höheren Ebene eine Bedarfszuteilung erfolgt ist. Damit ergibt sich eine flexible Anpaßbarkeit der Ressourcenverwaltung und -verteilung an die jeweilige Syste mausprägung bei gleichzeitig klar eingegrenztem Änderungsaufwand. 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 mechanische 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 berücksichtigen.
  • Die beschriebene Ressourcenverwaltung und -verteilung erfüllt die anwachsenden Forderungen des Automobilmarktes nach stark anwachsender Funktionalität, niedrigen Entwicklungskosten und kurzen Innovationszyklen. Die stark anwachsende Funktionalität schlägt sich in immer komplexeren Koppelfunktionen nieder, bei denen bisher autarke Komponenten integrativ 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
    Tab.1: Kopplungsfunktionen und zu koordinierende Komponenten
  • 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.
    Tab.2: Beispiele für Ressourcen und Quellen
  • 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 verfeinert werden. Der Koordinator hat für den Fall, daß zur Bereitstellung der Ressource mehrere Quellen zur Verfügung stehen, neben der Koordination der Verbraucher auch die Aufgabe, die Quellen hinsichtlich eines gemeinsamen Potentials der Ressource zu verwalten.
  • Die Auswahl einer Detaillierungsebene richtet sich nach Gesichtspunkten wie der Anordnung des Auftraggebers für die Komponente in der Hierarchie, ob die Komponente ihre Aufgaben autark erfüllen kann oder externe Koordinatoren benötigt, welche Informationen für die Vergabe von Aufträgen benötigt werden, wo die Aufträge der Komponente koordiniert werden, usw..
  • Ein Beispiel für die Verwaltung und Verteilung gekoppelter Ressourcen ist eine Optimierung über die Ressource mechanische (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 Leistung 100% der maximalen Leistung fordern. Der Generator als Verbraucher einer mechanischen Leistung generiert entsprechend 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 benötigte 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 abgeschaltet. Für den Fall, daß Verbraucher einer mechanischen Leistung abgeschaltet werden, steht dem Generator eine höhere mechanische Leistung zur Erzeugung einer höheren elektrischen Leistung zur Verfügung.
  • In den 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Verwaltung und Verteilung von gekoppelten Ressourcen an einem konkreten Ausführungsbeispiel beschrieben. 3 zeigt dabei die Struktur, während in 4 die logische Reihenfolge der ablaufenden Kommunikation verdeutlicht ist.
  • 3 zeigt in einer oberen Detaillierungsebene einen Koordinator Gesamtfahrzeug, in einer unteren Ebene die Quelle mechanische Leistung RmL und die Quelle elektrische Leistung 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, umfaßt je einen Koordinator für die mechanische und für die elektrische Leistung, denen ein weiterer Koordinator zur Koordination der beiden Ressourcen übergeordnet ist. Entsprechend weist die Quelle mechanische Leistung RmL einen Koordinator RmL für die Quelle mechanische Leistung sowie Sammler für die elektrische und mechanische Leistung auf. Im gezeigten 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 ausgestattet. Die Quelle elektrische Leistung besteht im gezeig ten Ausführungsbeispiel aus Generator und Batterie. In weiteren, aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten Detaillierungsebenen können die Quellen und Komponenten weiter strukturiert werden unter Beachtung der oben dargestellten Grundprinzipien. Zwischen den einzelnen Elementen werden Informationen und Aufträge ausgetauscht. Dabei sind die Informationskanäle mit gestrichelten Linien und einem Fragezeichen versehen dargestellt, während mit durchgezogenen Pfeilen und mit Ausrufezeichen versehenen die Auftragskanäle dargestellt sind.
  • In 4 ist der zeitliche Zusammenhang der Informations- und Auftragsübermittlung dargestellt. Dabei ist von oben nach unten die Zeit aufgetragen, während waagrecht die jeweilige Aktion dargestellt ist. Die Aktionen werden nacheinander durchgeführt.
  • Die Wirkungsweise der Ressourcenverwaltung und -verteilung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist nachfolgend anhand der 3 und 4 beschrieben.
  • Jede Komponente sammelt mit Hilfe des Sammlers für die jeweilige Ressource den zukünftigen Bedarf der in ihr enthaltenen Verbraucher. Dabei werden die Bedarfszahlen für die jeweilige Ressource in den Komponenten aufgrund des aktuellen 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 Strombedarf 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. 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 elektrischen Verbrauchern verbunden, die nicht in allen Betriebszuständen 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 herantragen würde, wäre es nicht mehr möglich, das Fahrzeug zu bremsen, da die gesamte Generatorleistung für die Ladung der Batterie benötigt wird. In der gezeigten Struktur jedoch wird die Batterie aufgrund einer Entscheidung eines Koordinators 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 elektrische Leistung zu überwachen. Durch die Priorisierung des elektrischen Leistungsbedarfs im Sammler elektrischer Leistung in der Quelle ReL kann der Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug auf den Ladungszustand der Batterie schließen. Ein Leistungsbedarf mit hoher Priorität entspricht einem schlechten Ladungszustand der Batterie.
  • Jede Komponente und Quelle meldet den Ressourcenbedarf elektrischer Leistung an den Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug derart, daß zu einem Leistungsbedarf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den Fall, daß beispielsweise drei Prioritäten von jede Komponente vergeben 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, elektrische Leistung (Abfrage P_eRerl(Gütemerkmale)). Die Quelle der Ressource elektrische Leistung teilt daraufhin dem Koordinator 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 mehrere Werte. Die realisierbare elektrische Leistung wird mit Gütemerkmalen versehen. Beispielsweise sollen die drei Güteklassen „optimal", „akzeptabel" und „maximal" für die elektrische Leistung existieren. Hierbei steht „optimal" beispielsweise für ökonomische oder ökologische Optimierung. Eine entsprechende Zuordnung ergibt sich für die beiden übrigen 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 mechanische Leistung) erfolgen.
  • Ist der Wert der realisierbaren elektrischen Leistung niedriger als die von den Komponenten (Verbrauchern) geforderte Summe, muß der Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug anhand der Prioritäten entscheiden, welche Leistungsbeträge welcher Komponente zur Verfügung gestellt werden sollen.
  • In einem dritten Schritt beauftragt der Koordinator elektrische 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 Randbedingungen versehen. Diese beziehen sich beispielsweise auf die gewünschte Dynamik der Bereitstellung, da diese der Charakteristik der zuzuschaltenden Last entsprechen muß.
  • Darauffolgend bestimmt der Koordinator ReL, wie die elektrische Leistung durch den Generator und/oder die Batterie zur Verfügung gestellt wird. Ist der Generator an der Leistungsbereitstellung beteiligt, dann meldet dieser einen Bedarf an mechanischer Leistung an den internen Sammler für die mechanische Leistung in der Quelle ReL. Die Anforderung des Generators nach elektrischer Leistung initiiert die Verwaltung und Koordination der mechanischen Leistung durch den Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug.
  • Dieser fragt die Komponenten auf deren geforderten mechanischen Leistung ab (Abfragen P_mReb(Prioritäten), P_mFb(Prioritäten), P_mKb(Prioritäten), P_mRmb(Prioritäten)). Bezüglich der mechanischen Leistung tritt die Quelle mechanische Leistung selber auch als Verbraucher auf (Motornebenaggregate wie Wasserpumpe, Ölpumpe usw.). Die Koordination der Ressource mechanische Leistung soll zentral durch den Koordinator 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 anderen 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 Koordinators einer höheren Detaillierungsebene möglich und erhöht die Variationsmöglichkeiten und damit die Integration von neuen Funktionen im System Gesamtfahrzeug. Die vorgestellte Entscheidung kann nur auf einer höheren Ebene getroffen werden, da der Koordinator RmL nicht weil, 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 Koordination abgreifen, wäre es in dem diskutierten Szenario nicht mehr möglich, die Batterie bei einer ausgeschöpften Ressource mechanische Leistung zu laden. Die gesamte Motorleistung würde beispielsweise für den Vortrieb und die Motornebenaggregate 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 Kühlmittel) ist vom Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug aufgrund abstrakter Informationen zu überwachen. Über die Priorisierung des mechanischen Leistungsbedarfs der Motornebenaggregate durch den Sammler mechanische Leistung in der Quelle mechanische Leistung kann der Koordinator 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 mechanische Leistung an den Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug derart, daß zu einem Ressourcenbedarf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den Fall, daß beispielsweise drei Prioritäten von jeder Komponenten vergeben werden können, meldet jede Komponente maximal drei Leistungsanforderungen. Diese Werte haben zuvor innerhalb der Komponenten die internen mechanischen Leistungssammler ermittelt, entsprechend priorisiert und nach Prioritäten 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 Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug die realisierbare Leistung mit. Unter der realisierbaren mechanischen Leistung ist nicht ein einzelner Wert zu verstehen. Vielmehr fallen hierunter mehrere Werte. Die realisierbare mechanische Leistung 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 Optimierung oder für eine Leistungsbereitstellung ohne Schaltvorgang. Eine entsprechende Zuordnung ergibt sich für die beiden übrigen Gütemerkmale unter Gesichtspunkten wie Motorgeräusch, Wirkungsgrad des Motors usw.. Die tatsächliche Anzahl der Merkmale sowie deren Ausprägung sind für den jeweiligen Anwendungsfall festzulegen.
  • Auf der Basis der klassifizierten realisierbaren Leistung realisiert dann der Koordinator Gesamtfahrzeug (Koordinator mech.-elekt. Leistung) über die Koordination für die Ressourcen je nach Situation verschiedene Strategien. Hierunter sind beispielsweise ein optimales Energiemanagement, eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs, eine Erhöhung des Gesamtkomforts, usw. zu verstehen. Ist der Wert der realisierbaren mechanischen Leistung niedriger als die von den Komponenten (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 geforderten Leistungen für die Verbraucher zur Verfügung zu stellen (Auftrag P_mRms(Randbedingungen)). Der Auftrag ist mit Randbedingungen versehen. Diese beziehen sich beispielsweise auf die gewünschte Dynamik der Bereitstellung, da diese der Charakteristik der zuzuschaltenden Last entsprechen muß.
  • Die Quelle RmL gibt eine Information an den Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, welche Leistung sofort realisierbar ist (Abfrage P_mRmrso(Gütemerkmale)). 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 zurückgegeben. Hier besteht evtl. eine Abweichung vom zuvor geforderten stationären Wert infolge unzureichender Motordynamik. Daher wurde zuvor nur von der stationären mechanischen 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 Gesamtfahrzeug teilt den Komponenten und Quellen die ihnen sofort zur Verfügung stehenden Leistungsbeträge zu (Aufträge P_mFz, P_mKz, P_mRmz, P_mRez). Die Zuteilung der mechanischen Leistung hat bei den Komponenten und Quellen zur Folge, daß die entsprechenden Koordinatoren nach zuvor festge legten Strategien die zugeteilte mechanische Leistung auf die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen priorisierten Bedarf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
  • Der Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug beauftragt die Quelle RmL (dort den Koordinator), die Summe der zugeteilten mechanischen Leistungen sofort zu realisieren und die ansonsten geforderten vorzubereiten (Auftrag P_mRmzre).
  • Nach der Zuteilung der von der Quelle ReL geforderten mechanischen Leistung für den Generator kann die Quelle ReL die Anfrage des Koordinators elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug bezüglich der realisierbaren Leistung beantworten. Die Quelle ReL gibt die Information an den Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, welche 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 Leistungen zurückgegeben. Hier besteht evtl. eine Abweichung vom zuvor geforderten stationären Wert infolge unzureichender Dynamik des Generators und der Batterie. Daher wurde zuvor nur von der stationären elektrischen Leistung gesprochen. 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 Gesamtfahrzeug teilt den Komponenten die ihnen sofort zur Verfügung stehen elektrischen Leistungsbeträge zu (Aufträge P_eFz, P_eKz, P_eRmz, P_eRez). Die Zuteilung der elektrischen Leistung hat bei den Komponenten und Quellen zur Folge, daß die entsprechenden Koordinatoren nach zuvor festgelegten Strategien die zugeteilte elektrische Leistung auf die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen priorisierten Bedarf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
  • Der Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug beauftragt die Quelle ReL (Dort den Koordinator), die Summe der zugeteilten elektrischen Leistungen sofort zu realisieren und die ansonsten geforderten vorzubereiten (Auftrag P_eRezre).

Claims (5)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches mehrere Ressourcen aufweist, wobei für jede Ressource wenigstens eine Quelle und wenigstens ein Verbraucher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ressource ein Koordinator vorgesehen ist vorgesehen ist, der abhängig vom Potential der Quelle und vom Ressourcenbedarf des Verbrauchers die Ressource dem Verbraucher zuteilt, dass von den Verbrauchern den Koordinatoren der Bedarf an der jeweils koordinierten Ressource mitgeteilt wird, dass die Quellen den Koordinator das realisierbare Potential der Ressource mitteilt, und dass bei gekoppelten Ressourcen, d.h., bei Ressourcen die nicht unabhängig voneinander verwaltet werden können zur Verwaltung und Verteilung dieser Ressourcen übergeordnete Koordinatoren vorgesehen sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatoren die Ressourcen den Verbrauchern zuteilen unter Berücksichtigung des realisierbaren Potentials der Ressourcen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinator die Quelle veranlasst, die Ressource im Rahmen des Gesamtbedarfs bereitzustellen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den übergeordneten Koordinatoren von den Verbrauchern und Quellen jeweils der Bedarf an der jeweiligen Ressource mitgeteilt werden.
  5. Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs, welches mehrere Ressourcen aufweist, wobei für jede Ressource wenigstens eine Quelle und wenigstens ein Verbraucher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung für jede Ressource ein Koordinator vorgesehen ist vorgesehen ist, der abhängig vom Potential der Quelle und vom Ressourcenbedarf des Verbrauchers die Ressource dem Verbraucher zuteilt, dass von den Verbrauchern den Koordinatoren der Bedarf an der jeweils koordinierten Ressource mitgeteilt wird, dass die Quellen den Koordinator das realisierbare Potential der Ressource mitteilt, und dass bei gekoppelten Ressourcen, d.h., bei Ressourcen die nicht unabhängig voneinander verwaltet werden können zur Verwaltung und Verteilung dieser Ressourcen in der Vorrichtung übergeordnete Koordinatoren vorgesehen sind.
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