WO2020020548A1 - Verfahren zur überwachung einer energieversorgung in einem kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2020020548A1
WO2020020548A1 PCT/EP2019/066563 EP2019066563W WO2020020548A1 WO 2020020548 A1 WO2020020548 A1 WO 2020020548A1 EP 2019066563 W EP2019066563 W EP 2019066563W WO 2020020548 A1 WO2020020548 A1 WO 2020020548A1
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rbl2
electrical system
filter
estimator
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PCT/EP2019/066563
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Quang-Minh Le
Juergen Motz
Patrick LUECKEL
Fabian Jarmolowitz
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring an energy supply in a motor vehicle, in particular with automated ferry operation, according to the preamble of the independent claim.
  • the vehicle electrical system has the task of supplying the electrical consumers with energy. If the power supply fails due to a fault or aging in the on-board electrical system or in an on-board electrical system component in today's vehicles, important functions such as power steering do not apply. Since the steering ability of the vehicle is not impaired, but only becomes stiff, the failure of the vehicle electrical system is generally accepted in today's series-produced vehicles, since the driver is available as a fallback level. To increase the availability, two-channel electrical system structures have been proposed, for example in WO 2015/135729 A1. These are required to supply fault-tolerant systems for highly or fully automated ferry operations.
  • DE 102015221725 A1 already discloses a method for monitoring an electrical vehicle electrical system.
  • This comprises at least one channel with at least one component and a power supply, wherein a terminal voltage is measured for a component and this is compared with a voltage that provides the power supply.
  • a further measurement is carried out in a further state with a further current consumption and compared with the first measurement and a transition resistance to this component is determined from this, taking into account a current that flows into the component in the further state.
  • the measurement variables required for the calculation for example the battery voltage, a further voltage in the lead and the battery current
  • the resistance is then calculated in a second step using Ohm's law.
  • the network is expanded, for example by adding more power lines for additional energy sources and consumers, the number of unknowns (line resistance of the individual lines) and the boundary conditions (mesh equations) increase.
  • the system is undetermined, i.e. the number of unknowns (e.g. the line resistances) is one more than the number of mesh equations.
  • the described direct approach for determining the individual line resistances cannot therefore be used.
  • the invention has for its object to further increase the reliability of the monitoring. This object is achieved by the features of the independent claim.
  • the reliability of the monitoring can be further increased.
  • a determination of the parameters even of an under-determined system can be achieved because the time correlation (the parameters of the vehicle electrical system, such as the line resistance, for example, remain approximately constant) to further equations for determining the parameters or Leads to resistance.
  • the combination of several measurements at different times by parameter estimation methods is now used according to the invention to determine specific parameters for the vehicle electrical system.
  • sufficient information can be provided for simultaneous use Estimation of several parameters of the on-board electrical system (contact resistance) also provide if there are no measuring points.
  • estimation methods also offers the advantage that they not only provide the estimated value itself, but also an estimation quality (for example the variance of the estimate) so that the reliability of the determined parameters can be estimated here.
  • This reliability can be used as a further criterion, in particular, for the activation of safety-relevant functions, for example in automated ferry operation.
  • the parameters to be estimated in particular the contact resistances or resistances, can be determined simultaneously and independently of one another. The only requirement is that there is a corresponding stimulus in the respective strand.
  • This additional information can be used to increase the statistical certainty of the results, for example by selecting the most precise measuring sensors or by merging the data, in particular by adding additional, additional measurement variables - for example by using central power / power distributors measurement data.
  • the additional redundancy can further reduce the system's probability of failure.
  • the parameter estimation is particularly expediently carried out only when it can be ensured that the current has sufficient strength to excite the respective string.
  • a pre-filter device such as logic could be installed, which then evaluates the measured current and compares it with a threshold value. If the measured current of an on-board electrical system string exceeds the threshold value, the parameter estimation of the corresponding parameter can be started. This can further improve the quality of the diagnostic result. If the corresponding threshold is not exceeded, the update of the estimate for this journal is suspended. This further improves the security of the arrangement.
  • a specially optimized suggestion for improving the quality of estimate can be provided in a particularly expedient manner. This is particularly advantageously possible if these do not impair the operation of the vehicle electrical system.
  • a redundant channel or electrical system branch is particularly preferably provided for this.
  • the measured variables used to determine the parameter are synchronized, in particular by a filter, preferably a fractional delay filter, a Lagrangian filter, narrow filter or similar methods.
  • a filter preferably a fractional delay filter, a Lagrangian filter, narrow filter or similar methods.
  • a filter particularly expediently determines a delay factor for time synchronization of the measured variables for all measured variables to be delayed.
  • the delay factor of the filter is also particularly expediently determined by a parameter estimator. A high signal quality of the delayed signals can thus be achieved with little computation effort for estimating the delay factor.
  • FIG. 1 shows a possible vehicle electrical system for a vehicle for automated driving
  • FIG. 2 shows a supply and data structure for two security-relevant channels for on-board electrical system diagnosis
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram or model of an energy store
  • Figure 4 shows the structural structure of the parameter estimator as well
  • Figure 5 shows the structural structure of the filter structure for time synchronization.
  • a battery or accumulator is described in the exemplary embodiment as a possible energy store.
  • other energy stores suitable for this task can be used equally, for example on an inductive or capacitive basis, fuel cells, capacitors or the like.
  • FIG. 1 shows a possible topology of an energy supply system, consisting of a basic on-board network 22 which supplies at least one basic consumer 24, which is shown as an example.
  • a basic on-board network 22 which supplies at least one basic consumer 24, which is shown as an example.
  • an energy storage device or a battery with an associated (battery) sensor and / or a starter, and / or several non-safety-relevant comfort consumers, which could be secured or controlled by an electrical load distribution could also be provided in the on-board electrical system 22.
  • the basic electrical system 22 has a lower voltage level than a high-voltage electrical system 10, for example it can be a 14 V electrical system.
  • a DC voltage converter 20 is arranged between the basic electrical system 22 and the high-voltage electrical system 10.
  • the high-voltage on-board electrical system 10 includes, for example, a high-voltage energy store 16 such as a high-voltage battery, possibly with an integrated battery management system, shown by way of example a load 18 that is not safety-related or comfort consumers such as an air conditioning system supplied with an increased voltage level, etc., and an electric machine 12
  • the energy store 16 can be switched on via a switching means 14 for supplying the high-voltage electrical system 10.
  • high voltage is understood to mean a voltage level which is higher than the voltage level of the basic electrical system 22.
  • it could be a 48-volt electrical system.
  • the high-voltage electrical system 10 could be completely omitted, components such as starter, generator and energy store then being assigned to the basic electrical system.
  • the first safety-relevant sub-electrical system 30 is connected to the basic electrical system 22 via a separating element 28.
  • the further safety-relevant sub-electrical system 40 is connected to the basic electrical system 22 via a further separating element 26.
  • the first safety-relevant sub-electrical system 30 can be supplied with energy via an energy store 32.
  • the characteristic parameters of the energy store 32 are detected by a sensor 34.
  • the sensor 34 is preferably arranged adjacent to the energy store 32.
  • the first safety-relevant sub-electrical system 30 supplies a safety-relevant consumer 36. This safety-relevant consumer 36 is only shown as an example. Depending on requirements, further safety-relevant consumers 36 are supplied via the sub-electrical system 30, as explained in more detail below.
  • the further safety-relevant sub-electrical system 40 can also be supplied by a further energy store 42.
  • the parameters of the further energy store 42 are recorded by a further sensor 44.
  • the further sensor 44 is arranged adjacent to the further energy store 42.
  • the further safety-relevant sub-electrical system 40 supplies at least one further safety-relevant consumer 46.
  • further safety-relevant consumers 46 can also be supplied in the further safety-relevant sub-electrical system 40.
  • a fault 50 is indicated in the further safety-relevant sub-electrical system 40. This could lead to an increased wiring harness resistance 48.
  • a cable harness diagnosis is carried out using a parameter estimator 104, which reliably detects such fault cases 50.
  • the redundant, in particular function-redundant, safety-relevant consumers 36, 46 that can be supplied via the two safety-related partial on-board systems 30, 40 are those that are necessary to remove a vehicle from an automated system. to ensure that ferry operations (no driver intervention required) are brought to a safe state in the event of critical errors. As described in more detail below, the vehicle may stop, either immediately, at the edge of the lane or only at the next rest area, etc.
  • the following safety-relevant consumers 36, 46 are provided as examples.
  • This is at least a braking system 60.
  • the braking functionality can either be achieved by a first component or consumer 62 (for example a so-called electronic stability program, which can bring the vehicle to a standstill), which is supplied via the on-board electrical system 30.
  • the redundant braking functionality is alternatively achieved via a further component or a further consumer 64 (for example a so-called iBooster, which generates the braking pressure electromechanically).
  • the further consumer 64 is supplied via the further safety-relevant channel 40.
  • a redundant power supply is possible via the two safety-relevant sub-electrical systems 30, 40, so that reliable braking of the vehicle is still possible even if one of the sub-electrical systems 30, 40 fails.
  • a steering system 66 for example, is provided as a further safety-relevant component.
  • the steering system 66 consists of a first component or consumer 68, for example in the form of an electrical steering system, which is supplied by the sub-electrical system 30.
  • the steering system 66 comprises a further component or consumer 70 (likewise, for example, an electric steering system), which can also steer the vehicle in the desired manner independently of the first component 68.
  • the further component or consumer 70 is supplied with energy by the further safety-relevant sub-electrical system 40.
  • An automated driving function 78 is provided as a further safety-relevant and redundant component.
  • An associated first computing unit 80 and a first sensor unit 74 are thus supplied with energy by the first channel 30.
  • the automated driving function 78 can be implemented in a redundant manner by a further computing unit 82 and one or more sensor units 76 which are th channel 40 is supplied.
  • the trajectory is planned with associated control values for the required actuators.
  • the sensor units 74, 76 each provide the current environment information of the vehicle for the trajectory planning.
  • the data connections 54, 56 are also shown in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the data connections 54, 56 conduct the acquired data, in particular current and / or voltage values at the separating element 26, 28 and / or at energy stores 32, 42, as determined, for example, via the sensors 34, 44, and / or at the safety-relevant consumers 62, 64 , 68, 70, 74, 76, 80, 82 to an on-board electrical system diagnosis 58.
  • a first data connection 54 forwards the data of those components to the on-board electrical system diagnosis 58 that are supplied by the sub-electrical system 30.
  • a further data transmission 56 for example forwards the data of those components to the on-board electrical system diagnosis 58 which are supplied with energy by the further sub-electrical system 40.
  • the data connections 54, 56 can be suitable bus systems, such as a LIN or a CAN bus.
  • the data connection 54 forwards the current and voltage values of the separating or coupling means 28 (Udcdc, Idcdc) of interest.
  • the sensor 34 in particular a battery sensor, detects the voltage Ubatt at the energy store 32 and / or the current Ibatt of the energy store 32 and / or other states, parameters of a model of the energy store 32.
  • the current currents Iv are at the individual consumers 62, 64 , 68, 70, 74, 76, 80, 82 or current voltages Uv (terminal voltages) of the individual consumers 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 at the respective terminals of these consumers 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 for forwarding to the on-board electrical system diagnosis 58.
  • FIG. 3 shows the wiring harness model 91 based on a typical sub-electrical system 30, 40 as an example.
  • a partial electrical system 30, 40 according to FIGS. 1 and 2 and with the relevant electrical system components is provided, consisting of a DC voltage converter (separating element 26, 28), the energy store 32, 42 with sensor 34, 44, wiring harness branches with the corresponding speaking plus-side supply line resistances including line resistances 51 (plus-side resistors, index 1 Rxl: Rll, R21, R31) and ground-side supply line resistances including contact resistors 55 (ground-side resistors, index 2 Rx2: R12, R22, R32) and with various safety-relevant consumers 36, 46 by the associated load currents Ivl, Iv2, I v3 and the terminal voltages Uvl, Uv2, Uv3 for three consumers 36, 46 as an example.
  • a DC voltage converter separating element 26, 28
  • wiring harness branches with the corresponding speaking plus-side supply line resistances including line
  • the consumers 36, 46 are controlled by a current distributor 52.
  • This structure forms the basis for the wiring harness model 91.
  • the wiring harness resistances (plus-side line resistances including contact resistors 51, ground-side supply line resistances including contact resistors 55) are estimated using a parameter estimation method as explained below.
  • the necessary currents Iv and voltages Uv for calculating the wiring harness resistances are provided by components that contain the measuring devices via the described communication network (data connections 54, 56).
  • the resistors Rbl, Rb2, etc. represent the lead resistors 51 including contact resistors 55 to the corresponding component.
  • the plus-side (index 1) and ground-side (index 2) resistors Rxy, 51, 55 are estimated according to the invention, i.e. for example for the contact resistance of the energy store 32 on the plus side Rbl or on the ground side Rb2 as follows:
  • ⁇ BI, BZ ⁇ fil + ffs2
  • the system of equations describing the sub-electrical system 30, 40 above can be described in the form of the parameters of interest of the sub-electrical system 30, 40, namely the sum of the corresponding plus-side lead resistances including contact resistors 51 and ground-side lead resistances including contact resistances 55 in the respective branches, as parameter vector X k .
  • the parameter vector X k can be updated for each new magazine using the parameter estimator 104 using appropriate measurement values which are summarized in the vector Z k .
  • parameter estimator 104 For the recursive solution of the system of equations, a so-called Extended Kalman Filter (EKF) is used as parameter estimator 104 in the exemplary embodiment, as shown in FIG.
  • EKF Extended Kalman Filter
  • further parameter estimators 104 such as (recursive) least-square methods or further state estimators such as standard / unscented Kalman filters, particle filters or similar estimation / optimization methods could also be used.
  • the parameter estimator 104 comprises at least one prediction 106.
  • An initial estimate is sent to the prediction 106 as input variables the state variable X k , and an initial estimate Pk-i of the error covariance Pk.
  • the currently determined output values from a correction 108 namely the current parameter vector X k and the current error covariance Pk, arrive at the prediction 106 as input variables.
  • Vk system matrix of measurement noise
  • ⁇ L ⁇ I ⁇ t * ⁇ - L ( ⁇ ( ⁇ )]
  • the expected value and the covariance of the parameters% k are thus estimated.
  • the temporal preceding estimate of the state dynamics is subjected in order to obtain a prediction for the current point in time.
  • the predictions are corrected in the block 108 with the new information of the current measured values and result in the current estimate sought.
  • additional measurement variables for example through the use of (further) central current / power distributors 52, these can be used for additional information in order to increase the statistical reliability of the results, for example by selecting the most precise measurement sensors or by fusing the measurement data , The additional redundancy can further reduce the system's probability of failure.
  • the adjustment of the The parameters can be estimated by including the additional measured variables in and.
  • the prerequisite for a good diagnostic result is that the excitation current has sufficient amplitude. It is therefore advantageous to carry out the parameter estimation 104 only in a targeted manner if it can be ensured that the current Iv has sufficient strength to excite the respective strand. This can e.g. are carried out by installing a pre-filter device such as a logic, which then evaluates the measured current Iv and with a
  • Threshold value (e.g. 15 A) is compared. If the measured current Iv of an on-board power supply system is 20 A, for example, and thus exceeds the threshold value, the parameter estimation 104 of the corresponding line resistance 51 can be started. Otherwise, the estimate of resistance 51 is suspended for the current measurement sample.
  • the matrices of the Extended Kalman filter for the corresponding measurement equation are not updated in this time step.
  • measurement errors i.e. Errors in the actual measuring process, composed of systematic (epistemic) and random (aleatory) errors.
  • systematic errors are based on deterministic relationships. Are you now able to view these relationships online, i.e. in operation, to estimate, this source of error can be eliminated.
  • the previous estimation model can be expanded to include a so-called disturbance variable model.
  • the disturbance variable model describes the influence of unknown states on the measurement result, here the systematic measurement error.
  • these unknown parameters must be estimated in addition to the line resistances 51. This is possible with enough measuring points (observability).
  • w the physical quantity to be measured, in the electrical system 30, 40 e.g. Current Iv or voltage Uv. #T is accordingly the generally deviating measurement.
  • the parameters a, b correspond to gain and bias (constant superimposed size).
  • the bias ⁇ instead of the bias ⁇ , only the cumulative bias has to be estimated in order to compensate for the bias error. The same is possible depending on the availability of measuring points for the gain error. The same procedure applies here. A combination of the two calibration approaches is also possible, provided that suitable suggestions are available. Furthermore, the estimation of the systematic measurement error can be used for a diagnosis of the measuring points and these can be recognized as faulty in the case of large errors. This additional information can be elementary for a sufficient ASIL qualification, which also includes the ability to diagnose the measuring points.
  • the parameter estimation can be adjusted by adding the other parameters in ⁇ ( ⁇ ⁇ , ⁇ ) and.
  • the estimation method e.g. a Kalman filter then provides, if possible, an estimate of the lead and contact resistances 51, 55 and the possibly accumulated parameters of the measurement equations with minimal variance, i.e. with the greatest possible estimation quality.
  • An input variable u (k) reaches a parameter estimator 116 for a delay D, a physical system 112 and a filter 114, in particular a so-called fractional delay filter.
  • the measured variables z (k) are supplied to both the parameter estimator 104 and the parameter estimator 116 for the delay D.
  • the delay D determined by the parameter estimator 116 also reaches the filter 114.
  • the filter 114 determines time-synchronous output variables u (k + D * ts) which are fed to the parameter estimator 104.
  • the parameter estimator 104 determines the estimated parameters Rbl2 of the wiring harness model 91 from the supplied time-synchronous input variables u (k + D * ts) and the measured variables z (k) Delay D.
  • a filtering is carried out for all measured variables «(fr) to be delayed, which carries out a time shift by an initial factor D. This can be done by a so-called fractional delay filter 114. Implementation using a first-order lag range filter is described below.
  • the estimated output quantity h fr + B p s is thus calculated according to the procedure described above.
  • the estimate of the new delay factor can then be calculated as follows:
  • the already calculated value for «(fe + B - t s ) can then be used to estimate the parameters of the lead and contact resistance of the cable harness.
  • additional filtering of higher quality can be implemented (for example Lagrangian filter of higher order), the output variables of which are then fed to the parameter estimation. This has the advantage that a high signal quality of the delayed signals can be achieved with little computation effort for estimating the factor D.
  • the parameter estimator 104 can, for example, be accommodated in the on-board electrical system diagnosis 58 block shown in FIG. 2 or be part of the on-board electrical system diagnosis 58. According to FIG. 2, the corresponding measured values reach this on-board electrical system diagnosis 58.
  • the described method for determining relevant parameters of a sub-electrical system 30, 40 in a motor vehicle is particularly suitable for systems in which a high accuracy of a prediction is required, such as in autonomous ferry operation. In any case, appropriate countermeasures must be initiated quickly and reliably in the event of a possible error.
  • the determined parameters Rbl2 or xk are made available to a higher-level on-board electrical system diagnosis function in order to ensure a safe supply of on-board electrical system to selected systems (for example braking system, steering, environment detection, control computer). If there are significant deviations in the parameters of the wiring harness model 91, error information is generated. This error information is made available to the higher-level electrical system diagnosis. If necessary, countermeasures such as, for example, performing a safe stop of the motor vehicle or the like are initiated when this error information is present. Alternatively, if the vehicle is is not in the autonomous ferry operation, such operation can be prevented. Further information regarding maintenance or diagnosis can also be initiated. If necessary, the ascertained parameters can be corrected or determined on the basis of certain systematic measurement errors, in particular an error covariance Pk, a gain a or a bias b, and / or

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug, wobei in einem Teilbordnetz (30,40) zumindest ein Energiespeicher (32) mehrere vorzugsweise sicherheitsrelevante Verbraucher (36, 46) mit Energie versorgt, wobei zumindest zumindest eine Messgröße (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv) eines Energiespeichers (32) und/oder zumindest eines Verbrauchers (36, 46) erfasst wird, wobei zumindest ein Kabelbaummodell (91) vorgesehen ist, welches das Teilbordnetz (30, 40) abbildet, und dass ein Parameterschätzer (104) vorgesehen ist, der zumindest eine Kenngröße (Rb12) des Kabelbaummodells (91) abschätzt unter Verwendung der Messgröße (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Überwachung einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit automatisiertem Fährbetrieb, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Das Fahrzeugbordnetz hat die Aufgabe, die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Fällt die Energieversorgung aufgrund eines Fehlers bzw. Alterung im Bordnetz bzw. in einer Bordnetzkomponente in heutigen Fahrzeugen aus, so entfallen wichtige Funktionen, wie die Servolenkung. Da die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt, sondern nur schwergängig wird, ist der Ausfall des Bordnetzes in heutigen in Serie befindlichen Fahrzeugen allgemein akzeptiert, da der Fahrer als Rückfallebene zur Verfügung steht. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit wurden zweikanalige Bordnetz- Strukturen wie beispielsweise in der WO 2015/135729 Al vorgeschlagen. Diese werden benötigt, um Systeme für den hoch- oder vollautomatischen Fährbetrieb fehlertolerant zu versorgen.
Aus der DE 102015221725 Al ist bereits ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Bordnetzes bekannt. Dieses umfasst mindestens einen Kanal mit zumindest einer Komponente und eine Energieversorgung, wobei eine Klemmenspannung bei einer Komponente gemessen wird und diese mit einer Spannung, die die Energieversorgung bereitstellt, verglichen wird. Weiterhin wird eine weitere Messung in einem weiteren Zustand bei einer weiteren Stromaufnahme durchgeführt und mit der ersten Messung verglichen und daraus unter Berücksichtigung eines Stroms, der in die Komponente im weiteren Zustand fließt, ein Übergangswiderstand zu dieser Komponente ermittelt. Zur Bestimmung des Zuleitungswiderstands müssen die für die Berechnung notwendigen Messgrößen (beispielsweise die Batteriespannung, eine weitere Spannung in der Zuleitung und der Batteriestrom) nur einmal erfasst werden. Der Widerstand wird dann im zweiten Schritt mithilfe des ohmschen Gesetzes rechnerisch ermittelt.
Kommt es nun zu einer Erweiterung des Netzwerks beispielsweise durch Hinzufügen weiterer Stromstränge für weitere Energiequellen sowie Verbraucher, erhöht sich die Anzahl der Unbekannten (Leitungswiderstände der einzelnen Stränge) sowie die der Randbedingungen (Maschengleichungen). Das System ist in diesem Fall unterbestimmt, d.h., dass die Anzahl der Unbekannten (beispielsweise die Leitungswiderstände) um eins größer ist als die Anzahl der Maschengleichungen. Der beschriebene direkte Ansatz zur Bestimmung der einzelnen Leitungswiderstände kann daher nicht angewendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit der Überwachung weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Offenbarung der Erfindung
Dadurch, dass zur Bestimmung der interessierenden Kenngrößen des Bordnetzes, insbesondere des Übergangswiderstands, erfindungsgemäß auf ein Parameterschätzverfahren zurückgegriffen wird, kann die Zuverlässigkeit der Überwachung weiter erhöht werden. Hierbei kann unter Zuhilfenahme von mehreren Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten (Zeitverlauf) eine Ermittlung der Kenngrößen auch eines unterbestimmten Systems erreicht werden, weil die zeitliche Korrelation (die Kenngrößen des Bordnetzes wie beispielsweise die Leitungswiderstände bleiben näherungsweise konstant) zu weiteren Gleichungen zur Bestimmung der Kenngrößen bzw. Widerstände führt. Die Kombination von mehreren Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch Parameterschätzverfahren wird nun erfindungsgemäß zur Ermittlung spezifischer Kenngrößen für das Bordnetz eingesetzt. Gerade bei verzweigten Bordnetzen kann durch das Ausnutzen einer zeitlichen Korrelation genügend Information zur gleichzeitigen Schätzung mehrerer Kenngrößen des Bordnetzes (Übergangswiderstände) liefern auch bei fehlenden Messstellen.
Der Rückgriff auf solche Schätzverfahren bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sie nicht nur den Schätzwert selbst liefern, sondern auch eine Schätzgüte (beispielsweise die Varianz der Schätzung) sodass hier die Zuverlässigkeit der ermittelten Kenngrößen abgeschätzt werden kann. Diese Zuverlässigkeit kann als weiteres Kriterium gerade zur Freischaltung sicherheitsrelevanter Funktionen, beispielsweise beim automatisierten Fährbetrieb, verwendet werden.
Weiterhin können die zu schätzenden Kenngrößen, insbesondere die Übergangswiderstände bzw. Widerstände, gleichzeitig und unabhängig voneinander bestimmt werden. Voraussetzung ist lediglich, dass eine entsprechende Anregung in dem jeweiligen Strang vorhanden ist.
Insbesondere durch das Flinzufügen von weiteren, zusätzlichen Messgrößen - etwa durch den Einsatz von zentralen Strom-/Leistungsverteilern - können diese zusätzlichen Informationen dazu genutzt werden, um die statistische Sicherheit der Ergebnisse zu erhöhen, beispielsweise durch die Auswahl der genauesten Messsensoren oder durch eine Fusion der Messdaten. Weiterhin kann durch die zusätzliche Redundanz die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems verringert werden.
Besonders zweckmäßig wird die Parameterschätzung nur dann gezielt durchgeführt, wenn sichergestellt werden kann, dass der Strom zur Anregung des jeweiligen Strangs genügend Stärke aufweist. Flierzu könnte beispielsweise eine Vorfilter- Vorrichtung wie etwa eine Logik eingebaut werden, die dann die gemessene Stromstärke auswertet und mit einem Schwellwert vergleicht. Wenn der gemessene Strom eines Bordnetzstrangs den Schwellwert überschreitet, kann die Parameterschätzung der entsprechenden Kenngröße gestartet werden. Dadurch kann die Güte des Diagnoseergebnisses weiterhin verbessert werden. Sollte der entsprechende Schwellwert nicht überschritten werden, wird die Aktualisierung des Schätzwerts für diesen Zeitschrift ausgesetzt. Dadurch wird die Sicherheit der Anordnung weiter verbessert. Besonders zweckmäßig kann eine speziell optimierte Anregung zur Verbesserung des der Schätzgüte vorgesehen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft möglich, wenn diese den Betrieb des Bordnetzes nicht beeinträchtigen. Besonders bevorzugt ist hierbei ein redundanter Kanal bzw. Bordnetzzweig hierfür vorgesehen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden die zur Bestimmung der Kenngröße verwendeten Messgrößen synchronisiert, insbesondere durch ein Filter, vorzugsweise ein Fractional Delay Filter, ein Lagrange Filter, Farrow Filter oder ähnliche Verfahren. Dadurch kann eine Verfälschung eines Diagnoseergebnisses aufgrund eventueller Assynchronität der Messgrößen, beispielsweise durch nicht synchrone Taktgeber, reduziert werden.
Besonders zweckmäßig bestimmt ein Filter einen Verzögerungsfaktor zur Zeitsynchronisierung der Messgrößen für alle zu verzögernden Messgrößen. Besonders zweckmäßig wird auch der Verzögerungsfaktor des Filters durch einen Parameterschätzer bestimmt. Damit kann bei geringem Rechenaufwand zur Schätzung des Verzögerungsfaktors eine hohe Signalgüte der verzögerten Signale erreicht werden.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figur 1 ein mögliches Bordnetz für ein Fahrzeug zum automatisierten Fahren,
Figur 2 eine Versorgungs- und Datenstruktur für zwei sicherheitsrelevante Kanäle zur Bordnetzdiagnose,
Figur 3 ein Ersatzschaltbild bzw. Modell eines Energiespeichers,
Figur 4 der strukturelle Aufbau des Parameterschätzers sowie Figur 5 der strukturelle Aufbau der Filterstruktur zur Zeitsynchronisation. Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.
Figur 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Basisbordnetz 22, welches zumindest einen Basisverbraucher 24 versorgt, der beispielhaft dargestellt ist. Alternativ könnte auch im Basisbordnetz 22 ein Energiespeicher bzw. eine Batterie mit zugehörigem (Batterie)sensor und/oder ein Starter, und/oder mehrere nicht sicherheitsrelevante Komfort- Verbraucher, die durch eine elektrische Lastverteilung abgesichert bzw. angesteuert sein könnten, vorgesehen sein. Das Basisbordnetz 22 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 10 niedrigeres Spannungsniveau auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 22 und dem Hochvolt-Bordnetz 10 ist ein Gleichspannungswandler 20 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 10 umfasst beispielhaft einen Hochvolt- Energiespeicher 16 wie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine nicht sicherheitsrelevante Last 18 bzw. Komfortverbraucher wie beispielsweise eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschi- ne 12. Der Energiespeicher 16 kann über ein Schaltmittel 14 zur Versorgung des Hochvolt-Bordnetzes 10 zugeschaltet werden. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau des Basisbordnetzes 22. So könnte es sich beispielsweise um ein 48- Volt- Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt- Bordnetz 10 ganz entfallen, wobei dann Komponenten wie Starter, Generator und Energiespeicher dem Basisbordnetz zugeordnet werden.
Mit dem Basisbordnetz 22 sind beispielsweise zwei sicherheitsrelevante Teilbordnetze 30, 40 verbunden. Das erste sicherheitsrelevante Teilbordnetz 30 ist über ein Trennelement 28 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Das weitere sicherheitsrelevante Teilbordnetz 40 ist über ein weiteres Trennelement 26 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Das erste sicherheitsrelevante Teilbordnetz 30 kann über einen Energiespeicher 32 mit Energie versorgt werden. Die charakteristischen Kenngrößen des Energiespeichers 32 werden von einem Sensor 34 erfasst. Der Sensor 34 ist vorzugsweise benachbart zum Energiespeicher 32 angeordnet. Das erste sicherheitsrelevante Teilbordnetz 30 versorgt einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 36. Dieser sicherheitsrelevante Verbraucher 36 ist lediglich exemplarisch gezeigt. Es werden je nach Bedarf noch weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 36 über das Teilbordnetz 30 versorgt wie nachfolgend noch näher ausgeführt.
Auch das weitere sicherheitsrelevante Teilbordnetz 40 kann durch einen weiteren Energiespeicher 42 versorgt werden. Die Kenngrößen des weiteren Energiespeichers 42 erfasst ein weiterer Sensor 44. Der weitere Sensor 44 ist benachbart zum weiteren Energiespeicher 42 angeordnet. Das weitere sicherheitsrelevante Teilbordnetz 40 versorgt zumindest einen weiteren sicherheitsrelevanten Verbraucher 46. Je nach Bedarf können auch im weiteren sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 40 weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 46 versorgt werden. Im weiteren sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 40 ist ein Fehlerfall 50 angedeutet. Dieser könnte zu einem erhöhten Kabelbaumwiderstand 48 führen.
Wie nachfolgend näher ausgeführt wird unter Verwendung eines Parameterschätzers 104 eine Kabelbaumdiagnose durchgeführt, die solche Fehlerfälle 50 zuverlässig erkennt.
Die über die beiden sicherheitsrelevanten Teilbordnetze 30, 40 versorgbaren redundanten, insbesondere funktionsredundanten, sicherheitsrelevanten Verbraucher 36, 46 sind solche, die notwendig sind, ein Fahrzeug von einem automati- sierten Fährbetrieb (kein Eingreifen des Fahrers notwendig) beispielsweise in kritischen Fehlerfällen in einen sicheren Zustand zu überführen. Wie nachfolgend näher beschrieben kann es sich um ein Anhalten des Fahrzeugs, sei es sofort, sei es am Fahrbahnrand oder erst am nächsten Rastplatz etc. handeln.
Beispielhaft sind folgende sicherheitsrelevante Verbraucher 36, 46 vorgesehen. Hierbei handelt es sich zumindest um ein Bremssystem 60. Die Bremsfunktionalität kann entweder durch eine erste Komponente bzw. Verbraucher 62 (beispielsweise ein sogenanntes elektronisches Stabilitätsprogramm, welches das Fahrzeug zum Stillstand bringen kann), der über das Teilbordnetz 30 versorgt wird, erreicht werden. Die redundante Bremsfunktionalität wird alternativ über eine weitere Komponente bzw. weiteren Verbraucher 64 (beispielsweise ein sogenannter iBooster, der den Bremsdruck elektromechanisch erzeugt) erreicht. Der weitere Verbraucher 64 wird über den weiteren sicherheitsrelevanten Kanal 40 versorgt. Eine redundante Energieversorgung ist über die beiden sicherheitsrelevanten Teilbordnetze 30, 40 möglich, so dass selbst bei Ausfall eines der Teilbordnetze 30, 40 ein zuverlässiges Bremsen des Fahrzeugs nach wie vor möglich ist.
Als weitere sicherheitsrelevante Komponente ist beispielsweise ein Lenksystem 66 vorgesehen. Das Lenksystem 66 besteht aus einer ersten Komponente bzw. Verbraucher 68, beispielsweise in Form einer elektrischen Lenkung, die durch das Teilbordnetz 30 versorgt wird. Weiterhin umfasst das Lenksystem 66 eine weitere Komponente bzw. Verbraucher 70 (ebenfalls beispielsweise eine elektrische Lenkung), die ebenfalls unabhängig von der ersten Komponente 68 das Fahrzeug in gewünschter Weise lenken kann. Die weitere Komponente bzw. Verbraucher 70 wird von dem weiteren sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 40 mit Energie versorgt.
Als weitere sicherheitsrelevante und redundant ausgeführte Komponente ist eine automatisierte Fahrfunktion 78 vorgesehen. So werden eine zugehörige erste Recheneinheit 80 sowie eine erste Sensoreinheit 74 von dem ersten Kanal 30 mit Energie versorgt. In redundanter Art und Weise kann die automatisierte Fahrfunktion 78 durch eine weitere Recheneinheit 82 sowie eine oder mehrere Sensoreinheiten 76 realisiert werden, welche durch den weiteren sicherheitsrelevan- ten Kanal 40 versorgt wird. In den Recheneinheiten 80, 82 erfolgt beispielsweise die Trajektorienplanung mit zugehörigen Ansteuerwerten für die benötigten Aktuatoren. Die Sensoreinheiten 74, 76 stellen jeweils die aktuellen Umfeldinformationen des Fahrzeugs für die Trajektorienplanung zur Verfügung.
Weiterhin sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 auch die Datenverbindungen 54, 56 eingezeichnet. Die Datenverbindungen 54, 56 leiten die erfassten Daten, insbesondere Strom- und/oder Spannungswerte am Trennelement 26, 28 und/oder an Energiespeichern 32, 42 wie beispielsweise über die Sensoren 34, 44 ermittelt, und/oder an den sicherheitsrelevanten Verbrauchern 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 an eine Bordnetzdiagnose 58 weiter. Beispielsweise leitet eine erste Datenverbindungen 54 die Daten derjenigen Komponenten an die Bordnetzdiagnose 58 weiter, die durch das Teilbordnetz 30 versorgt werden. Eine weitere Datenübertragung 56 leitet beispielsweise die Daten derjenigen Komponenten an die Bordnetzdiagnose 58 weiter, welche durch das weitere Teilbordnetz 40 mit Energie versorgt werden. Bei den Datenverbindungen 54, 56 kann es sich um geeignete Bussysteme handeln wie beispielsweise um einen LIN-oder einen CAN-Bus.
Im einzelnen leitet die Datenverbindung 54 interessierende Strom- und Spannungswerte des Trenn- bzw. Kopplungsmittels 28 (Udcdc, Idcdc) weiter. Der Sensor 34, insbesondere ein Batteriesensor, erfasst die Spannung Ubatt am Energiespeicher 32 und/oder den Strom Ibatt des Energiespeichers 32 und/oder weitere Zustände, Parameter eines Modells des Energiespeichers 32. Weiterhin stehen die aktuellen Ströme Iv an den einzelnen Verbrauchern 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 bzw. aktuelle Spannungen Uv (Klemmenspannungen) der einzelnen Verbraucher 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 an den jeweiligen Klemmen dieser Verbraucher 62, 64, 68, 70, 74, 76, 80, 82 zur Weiterleitung an die Bordnetzdiagnose 58 zur Verfügung.
In Figur 3 ist beispielhaft das Kabelbaummodell 91 basierend auf einem typischen Teilbordnetz 30,40 abgebildet. Hierbei ist ein Teilbordnetz 30,40 gemäß den Figuren 1 bzw. 2 sowie mit den relevanten Bordnetz- Komponenten vorgesehen, bestehend aus einem Gleichspannungswandler (Trennelement 26, 28), dem Energiespeicher 32, 42 mit Sensor 34, 44, Kabelbaumzweige mit den ent- sprechenden plusseitigen Zuleitungswiderständen inklusive Leitungswiderständen 51 (plusseitige Widerstände, Index 1 Rxl: Rll, R21, R31) und masseseitigen Zuleitungswiderständen inklusive Kontaktwiderständen 55 (masseseitige Widerstände, Index 2 Rx2: R12, R22, R32) sowie mit diversen sicherheitsrelevanten Verbrauchern 36, 46, gekennzeichnet durch die zugehörigen Lastströme Ivl, Iv2, I v3 und die Klemmenspannungen Uvl, Uv2, Uv3 für beispielhaft drei Verbraucher 36, 46. Die Verbraucher 36, 46 werden von einem Stromverteiler 52 angesteuert. Diese Struktur bildet die Basis für das Kabelbaummodell 91. Die Kabelbaumwiderstände (plusseitige Leitungswiderstände inklusive Kontaktwiderstände 51, masseseitige Zuleitungswiderstände inklusive Kontaktwiderstände 55) werden wie nachfolgend näher erläutert durch ein Parameterschätzverfahren abgeschätzt. Die notwendigen Ströme Iv und Spannungen Uv zur Berechnung der Kabelbaumwiderstände (plusseitige Leitungswiderstände inklusive Kontaktwiderstände 51, masseseitige Zuleitungswiderstände inklusive Kontaktwiderstände 55) werden von Komponenten, die die Meßvorrichtungen beinhalten, über das beschriebene Kommunikationsnetz (Datenverbindungen 54,56) bereitgestellt.
Die Widerstände Rbl, Rb2, etc. stellen die Zuleitungswiderstände 51 inklusive Kontaktwiderständen 55 zur entsprechenden Komponente dar. Die plusseitigen (Index 1) und masseseitigen (Index 2) Widerstände Rxy, 51, 55 werden erfindungsgemäß in Summe abgeschätzt, d.h. beispielsweise für den Übergangswiderstand des Energiespeichers 32 auf der Plusseite Rbl bzw. auf der Masseseite Rb2 wie folgt:
^BI,BZ = Äfil + ffs2
Auftretende Fehler in einem Strang können daher auf beiden Leitungen erkannt, aber nicht unterschieden werden. Entsprechendes gilt für die Zuleitungswiderstände des Trennelement 26 (Rdcl+Rdc2= Rdcl,dc2; R11+ R12= R11,12;
R21+R22= R21,22; R31+R32= R31,32). Die oben beschriebenen Widerstände sind entsprechende Kenngrößen des Kabelbaummodells 92 und werden nachfolgend in einem Zustandsvektor Xk zusammengefasst.
Vorhandene Spannungs- und Strommessungen sind in das Ersatzschaltbild als Ususr, IBLGG etc. eingezeichnet. Es ergibt sich folgendes Gleichungssystem, welches das Bordnetzmodell bzw. Kabelbaummodell 91 des jeweiligen Teilbordnetzes 30, 40 beschreibt:
Figure imgf000012_0001
für jeden der beispielhaft gezeigten drei von dem Stromverteiler 52 gespeisten Verbrauchern 36, 46, Energiespeicher 34, 44 und Trennelementen 26,28 gemäß Figur 3.
Das obige Teilbordnetz 30, 40 beschreibende Gleichungssystem lässt sich in Form der interessierenden Kenngrößen des Teilbordnetzes 30,40, nämlich die Summe der entsprechenden plusseitigen Zuleitungswiderständen inklusive Kontaktwiderständen 51 und masseseitigen Zuleitungswiderständen inklusive Kontaktwiderständen 55 in den jeweiligen Zweigen, als Parametervektor Xk beschreiben. Der Parametervektor Xk lässt sich unter Verwendung des Parameterschätzers 104 unter Rückgriff auf entsprechende Messwerte, die in dem Vektor Zk zusammengefasst sind, für jeden neuen Zeitschrift aktualisieren.
Nachfolgend sind die entsprechenden Größen wie beschrieben in entsprechenden Vektoren bzw. Matrizen zusammengefasst:
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000013_0001
Zur rekursiven Lösung des Gleichungssystems wird im Ausführungsbeispiel als Parameterschätzer 104 ein sogenannter Extended Kalman Filter (EKF) verwendet wie in Figur 4 gezeigt. Alternativ könnten auch weitere Parameterschätzer 104 wie beispielsweise (rekursive) Least-Square-Verfahren, oder weitere Zustandsschätzer wie Standard-/Unscented -Kalman-Filter, Partikelfilter oder änhli- che Schätz-/Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen.
Der Parameterschätzer 104 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 umfasst zumindest eine Prädiktion 106. Als Eingangsgrößen gelangen an die Prädiktion 106 eine initiale Schätzung
Figure imgf000013_0002
der Zustandsgröße Xk, sowie eine initiale Schätzung Pk-i der Fehlerkovarianz Pk. Außerdem gelangen im eingeschwungenen Zustand die aktuell ermittelten Ausgangswerte aus einer Korrektur 108, nämlich der aktuelle Parametervektor Xk sowie die aktuelle Fehlerkovarianz Pk, als Eingangsgrößen an die Prädiktion 106.
In der Prädiktion 106 erfolgt eine Aktualisierung bzw. ein Zeit-Update. Hierbei erfolgt eine Zustandsvorhersage der Zustandsvariablen Xk in Form der Gleichung
Figure imgf000013_0003
Außerdem erfolgt in der Prädiktion 106 eine Vorhersage der Fehlerkovarianzmatrix Pk in Form der Gleichung pk = LΐL-iAI + WkQk-iWl
Wobei
Ak: Jacobi-Matrix von
Figure imgf000013_0004
Wk: Systemmatrix des Systemrauschens
Qk-i: Varianz des Systemrauschens Die Ausgangsgrößen
Figure imgf000014_0002
sowie
Figure imgf000014_0001
gelangen als Eingangsgrößen an den Block Korrektur 108. In der Korrektur 108 erfolgt eine Aktualisierung der Schätzwerte anhand der Messung(en). Zunächst erfolgt eine Berechnung des sogenannten Kalman-Gains ifk mit der Formel
%k = piMi p l + fÄlf r1
Wobei
Hk: Jacobi-Matrix von
Figure imgf000014_0003
Vk: Systemmatrix des Meßrauschens
Anschließend erfolgt in der Korrektur 108 das Schätzungs- Update anhand der Messung gemäß der Formel:
ίL = ίI ΐt*ϊ - L(^(ϊ)]
Zuletzt erfolgt in der Korrektur 108 eine Aktualisierung der Fehlerkovarianz Pk gemäß der Formel:
Pk = (I - MMP~k
Wobei I der Einheitsmatrix entspricht.
Es erfolgt somit eine Schätzung des Erwartungswertes und der Kovarianz der Kenngrößen %k. In einem ersten Schritt des Filtervorgangs wird die zeitlich vo rangegangene Schätzung der Zustandsdynamik unterworfen, um eine Voraussa ge für den aktuellen Zeitpunkt zu erhalten. Die Vorhersagen werden in dem Block Korrektur 108 mit den neuen Informationen der aktuellen Messwerte korrigiert und ergeben die gesuchte aktuelle Schätzung.
Messdatenfusion/-auswahl
Durch das Hinzufügen von weiteren, zusätzlichen Messgrößen etwa durch den Einsatz von (weiteren) zentralen Strom-/Leistungsverteilern 52 können diese zu sätzlichen Informationen dazu genutzt werden, um die statistische Sicherheit der Ergebnisse zu erhöhen z.B. durch Auswahl der genauesten Messsensoren oder durch Fusion der Messdaten. Weiterhin kann durch die zusätzliche Redundanz die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems verringert werden. Die Anpassung der Parameterschätzung kann durch Aufnahme der weiteren Messgrößen in und erfolgen.
Selektives Schätzverfahren
Die Voraussetzung für ein gutes Diagnoseergebnis ist, dass der Anregungsstrom genügend Amplitude aufweist. Daher ist es von Vorteil, die Parameterschätzung 104 nur dann gezielt durchzuführen, wenn sichergestellt werden kann, dass der Strom Iv zur Anregung des jeweiligen Stranges genügende Stärke aufweist. Dies kann z.B. erfolgen durch den Einbau einer Vorfilter- Vorrichtung wie etwa eine Logik, die dann die gemessene Stromstärke Iv auswertet und mit einem
Schwellwert (z.B. 15 A) vergleicht. Wenn der gemessene Strom Iv eines Bordnetzstranges beispielsweise 20A beträgt und somit den Schwellwert überschreitet, kann die Parameterschätzung 104 des entsprechenden Leitungswiderstandes 51 gestartet werden. Andernfalls wird die Schätzung des Widerstandes 51 für die aktuelle Messprobe ausgesetzt. Dazu werden die Matrizen des Extended Kalman Filters für die entsprechende Messgleichung in diesem Zeitschritt nicht aktualisiert.
Auch eine aktive Diagnose mit speziell optimierten Anregungen zur Verbesserung der Schätzgüte ist denkbar, wenn diese den Betrieb des Bordnetzes nicht beeinträchtigen. Prädestiniert hierfür ist ein redundanter Kanal bzw. Teilbordnetz 30, 40.
Online Schätzung und Kompensation systematischer Messfehler
Grundsätzlich setzen sich Messfehler, d.h. Fehler im eigentlichen Messvorgang, aus systematischen (epistemischen) und zufälligen (aleatorischen) Fehlern zusammen. Letztere entstammen zufälligen physikalischen Prozessen und sind ohne eine Änderung des physikalischen Messprinzips nicht zu beeinflussen. Systematische Fehler beruhen allerdings auf deterministischen Zusammenhängen. Ist man nun in der Lage, diese Zusammenhänge online, d.h. im Betrieb, zu schätzen, kann man diese Fehlerquelle eliminieren.
Dazu kann man das bisherige Schätzmodell um ein sog. Störgrößenmodell erweitern. Das Störgrößenmodell beschreibt den Einfluss unbekannter Zustände auf das Messergebnis, hier den systematischen Messfehler. Zur Kompensation des systematischen Messfehlers müssen diese unbekannten Parameter zusätzlich zu den Leitungswiderständen 51 geschätzt werden. Dies ist bei genügend Messstellen möglich (Beobachtbarkeit).
Ein in der Praxis gängiges Modell für systematische Messfehler ist der lineare Zusammenhang m = a - m + b .
Hierbei stellt w? die zu messende physikalisch Größe, im Bordnetz 30, 40 z.B. Strom Iv oder Spannung Uv, dar. Entsprechend ist #t die im Allgemeinen abweichende Messung. Die Parameter a,b entsprechen Verstärkung und Bias (konstante überlagerte Größe). Ein perfekter Sensor läge bei a = 1,6 = ü vor. Kann man nun a,b schätzen (auch Kalibration genannt), kann der systematische Messfehler kompensiert werden.
Im Bordnetz sind meist mehrere Sensoren 34, 44 und entsprechende systematische Messfehler vorhanden. Für die Schätzung der Zuleitungs- und Kontaktwiderstände 51, 55 ist allerdings nur der kumulierte Einfluss dieser Fehler auf die Schätzung der Widerstände 51, 55 relevant. Daher können die zusätzlich zu schätzenden Parameter stark reduziert werden, was eine Kalibrierung meist erst möglich macht. Bei der Schätzung von z.B. drei Widerständen 51,55 und entsprechenden Messstellen ergibt sich die Spannung Ul im ersten Strang zu
Figure imgf000016_0001
Nimmt man nun obiges Modell für die systematischen Messfehler an, ergibt sich
Figure imgf000016_0002
Damit muss statt der Bias ^ nur der kumulierte Bias geschätzt werden, um den Bias-Fehler zu kompensieren. Gleiches ist je nach Verfügbarkeit von Messstellen für den Verstärkungsfehler möglich. Hier gilt die gleiche Vorgehensweise. Außerdem ist eine Kombination aus den beiden Kalibrieriungsansätzen möglich, unter der Voraussetzung, dass geeignete Anregungen vorhanden sind. Weiterhin kann die Schätzung des systematischen Messfehlers zu einer Diagnose der Messstellen genutzt werden und diese bei großen Fehlern als fehlerhaft erkannt werden. Diese zusätzliche Information kann elementar für eine ausreichende ASIL Qualifizierung sein, bei der auch die Diagnostizierbarkeit der Messstellen eingeht.
Verwendet man ein Schätzverfahren, das auch zufällige Messfehler berücksichtigt, kann die Messgleichung um Zufallsgrößen e erweitert werden, z.B. zu fi = (s 'Bi + fr) + e. Die Anpassung der Parameterschätzung kann durch Aufnahme der weiteren Parameter in ή(ϊ^,§) und erfolgen.
Das Schätzverfahren, z.B. ein Kalman-Filter, liefert dann nach Möglichkeit eine Schätzung der Zuleitungs- und Kontaktwiderstände 51, 55 und der ggf. kumulierten Parameter der Messgleichungen mit minimaler Varianz, d.h. mit größtmöglicher Schätzgüte.
Zeitsynchronisation:
Der strukturelle Aufbau der Filterstruktur zur Zeitsynchronisation ist in Figur 5 gezeigt. Eine Eingangsgröße u (k) gelangt an einen Parameterschätzer 116 für eine Verzögerung D, an ein physikalisches System 112 sowie an ein Filter 114, insbesondere ein sogenannter Fractional Delay Filter. Die erfassten Messgrößen z (k) werden sowohl dem Parameterschätzer 104 wie auch dem Parameterschätzer 116 für die Verzögerung D zugeführt. Die von dem Parameterschätzer 116 ermittelte Verzögerung D gelangt ebenfalls an den Filter 114. Der Filter 114 ermittelt zeitsynchrone Ausgangsgrößen u(k + D *ts), die dem Parameterschätzer 104 zugeführt werden. Der Parameterschätzer 104 ermittelt aus den zugeführten zeitsynchronen Eingangsgrößen u(k + D *ts) und den Messgrößen z (k) die geschätzten Parameter Rbl2 des Kabelbaummodells 91. Diese von dem Parameterschätzer 104 geschätzten Parameter Rbl2 gelangen ebenfalls als Eingangsgrößen an den Parameterschätzer 116 für die Verzögerung D.
Die oben aufgeführten Verfahren zur Sensorfusion und Messfehlerkalibrierung setzen synchrone Messdaten voraus. Synchron bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Startzeitpunkt der Messung für alle Messgrößen gleich ist
Figure imgf000017_0001
etc)· In dezentralen Systemen wie dem Energiebordnetz ist dies jedoch nicht gegeben. Die Messungen sind auf mehrere Teilkomponenten verteilt, die jeweils interne, unabhängige Taktgeber verwenden. Aus diesem Grund wird das Diagnoseergebnis stark durch die Asynchronität der Messgrößen beeinflusst.
Lässt sich jedoch die Asynchronität bestimmen und eliminieren, hat das einen positiven Effekt auf das Diagnoseergebnis. Für das nachfolgende Synchronisierungskonzept wird von zeitdiskreten Messgrößen ausgegangen, die mit derselben Abtastrate vorliegen, aber eine zeitliche Verschiebung zueinander aufweisen, die D · ts beträgt ( ts ist die Samplezeit der Abtastung, D stellt den Verzögerungsfaktor zwischen den Signalen als linearen Faktor bezogen auf die Samplezeit dar).
Von den obigen Meßgrößen stehen zum Abtastzeitpunkt k daher folgende Messwerte zur Verfügung (unter der Annahme, daß die zeitliche Verschiebung für jede Meßgröße einer bestimmten Komponente identisch ist):
Figure imgf000018_0001
Zur Bestimmung des Verzögerungsfaktors D wird für alle zu verzögernden Messgrößen «(fr) eine Filterung vorgenommen, die eine zeitliche Verschiebung um einen initialien Faktor D vornimmt. Dies kann durch ein sogenanntes Fractio- nal Delay Filter 114 geschehen. Nachfolgend ist die Realisierung durch ein Lag- range Filter 1. Ordnung beschrieben.
«(fr + B · ts) = (ii(fr) (1 - I?) + u(k - I) D)
Damit wird nach oben beschriebener Vorgehensweise die geschätzte Ausgangsgröße h fr + B ps berechnet.
Die Schätzung des neuen Verzögerungsfaktors kann dann wie folgt berechnet werden:
BQf) - B{k - 1} + k) - kQi' + B fs)] |ii - 1 + D ts) - k(k + D t,)]"1 k : Abtastzeitpunkt
z: gemessene Ausgangsgröße
h: über Modellgleichung aus u geschätzte Ausgangsgröße Implementiert man diese Messgleichung in einen Parameterschätzer 116, kann mit Hilfe der rauschbehafteten Messgrößen
Figure imgf000019_0001
und z(k) die Verzögerung B geschätzt werden.
Zur Parameterschätzung der Zuleitungs- und Kontaktwiderstände des Kabelbaums kann dann der bereits berechnete Wert für «(fe + B - ts) verwendet werden. Alternativ kann unter Zuhilfenahme des berechneten Faktors D eine zusätzliche Filterung höherer Güte realisiert werden (beispielsweise Lagrange Filter höherer Ordnung), dessen Ausgangsgrößen dann der Parameterschätzung zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß bei geringem Rechenaufwand zur Schätzung des Faktors D eine hohe Signalgüte der verzögerten Signale erreicht werden kann.
Der Parameterschätzer 104 kann beispielsweise in dem in Figur 2 gezeigten Block Bordnetzdiagnose 58 untergebracht sein bzw. ein Teil der Bordnetzdiagnose 58 sein. Die entsprechenden Messwerte gelangen gemäß Figur 2 an diese Bordnetzdiagnose 58.
Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung relevanter Kenngrößen eines Teilbordnetzes 30, 40 in einem Kraftfahrzeug eignet sich insbesondere für Systeme, bei denen eine hohe Genauigkeit einer Vorhersage erforderlich ist wie beispielsweise beim autonomen Fährbetrieb. Es sind in jedem Fall bei einem möglichen Fehler schnell und zuverlässig entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Mit dem vorgeschlagenen Parameterschätzer 104 ist eine schnelle und zuverlässige Diagnose möglich, weshalb es dafür besonders geeignet ist. So werden die ermittelten Kenngrößen Rbl2 bzw. xk einer übergeordneten Bordnetz- Diagnosefunktion zur Verfügung gestellt, um eine sichere Bordnetzversorgung ausgewählter Systeme (beispielsweise Bremssystem, Lenkung, Umfelderkennung, Kontrollrechner) zu gewährleisten. Gibt es signifikante Abweichungen der Kenngrößen des Kabelbaummodells 91, so wird eine Fehlerinformation generiert. Diese Fehlerinformation wird der übergeordneten Bordnetzdiagnose zur Verfügung gestellt. Gegebenenfalls werden bei Vorliegen dieser Fehlerinformation Gegenmaßnahmen wie beispielsweise ein Durchführen eines sicheren Halts des Kraftfahrzeugs oder Ähnliches initiiert. Alternativ könnte, wenn sich das Fahrzeug nicht im autonomen Fährbetrieb befindet, ein solcher Betrieb unterbunden werden. Auch weitere Informationen hinsichtlich Wartung oder Diagnose können initiiert werden. Gegebenenfalls können die ermittelten Kenngrößen anhand bestimmter systematischer Messfehler, insbesondere eine Fehlerkovarianz Pk, eine Verstärkung a oder ein Bias b, korrigiert bzw. ermittelt werden und/oder eine
Fehlerinformation in Abhängigkeit von dem systematischen Messfehler generiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug, wobei in einem Teilbordnetz (30,40) zumindest ein Energiespeicher (32) mehrere vorzugsweise sicherheitsrelevante Verbraucher (36, 46) mit Energie versorgt, wobei zumindest zumindest eine Messgröße (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv) eines Energiespeichers (32) und/oder zumindest eines Verbrauchers (36, 46) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kabelbaummodell (91) vorgesehen ist, welches das Teilbordnetz (30, 40) abbildet, und dass ein Parameterschätzer (104) vorgesehen ist, der zumindest eine Kenngröße (Rbl2) des Kabelbaummodells (91) abschätzt unter Verwendung der Messgröße (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße (Rbl2) des Kabelbaummodells (91) verwendet wird zur Erzeugung einer Fehlerinformation, beispielsweise bei Abweichung der Kenngröße (Rbl2) von einem Grenzwert und/oder bei Abweichung weiterer Kenngrößen, die in Abhängigkeit von der Kenngröße des Kabelbaummodells (41) bestimmt werden, von einem Grenzwert.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Kenngröße (Rbl2) oder der Fehlerinformation das Fahrzeug in einen sicheren Betriebszustand überführt wird o- der ein autonomer Fährbetrieb unterbunden wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer (104) zumindest eine Prädiktion (106) und/oder zumindest eine Korrektur (108) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer (104) die Kenngröße (Rbl2) aktualisiert unter Verwendung der Messgröße (Ubatt, Ibatt) und/oder der bisherigen Kenngröße (Rbl2).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilbordnetz (30,40) zumindest eine Lastverteilung (52) vorgesehen ist, wobei die Lastverteilung (52) durch den Energiespeicher (32) mit Energie versorgt wird, wobei die Lastverteilung (52) mehrere, insbesondere für den autonomen Fährbetrieb benötigte Verbraucher (36,46) mit Energie versorgt, wobei eine Messgröße (Uv, Iv) an der Lastverteilung (52) erfasst wird und dem Parameterschätzer (104) zugeführt wird zur Ermittlung der Kenngröße (Rbl2)).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilbordnetz (30,40) zumindest ein Trennelement (26), insbesondere ein Gleichspannungswandler, vorgesehen ist, wobei eine Messgröße (Udcdc, Idcdc) an dem Trennelement (26) erfasst und dem Parameterschätzer (104) zu geführt wird zur Ermittlung der Kenngröße (Rbl2).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer (104) zumindest dann eine neue Kenngröße (Rbl2) ermittelt, wenn ein Strom zur Anregung des Teilbordnetzes (30) eine hinreichende Größe aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gehen gekennzeichnet, dass als Kenngröße (Rbl2) ein Übergangswiderstand, insbesondere zwischen Energiespeicher (32) und Lastverteilung (52) verwendet ist und/oder dass als Kenngröße ein Zustandsvektor verwendet ist, der mehrere Kontaktwiderstände und/oder Zuleitungswiderstände (Rbl2, Rdcl,dc2;
Rll,12) in verschiedenen Zweigen des Teilbordnetzes (30) umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer (104) einen systematischen Messfehler, insbesondere eine Fehlerkovarianz (Pk), eine Verstärkung (a) oder ein Bias (b), ermittelt, und eine Fehlerinformation in Abhängigkeit von dem systematischen Messfehler generiert wird, und/oder die Kenngröße (Rbl2) in Abhängigkeit von dem systematischen Messfehler korrigiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße (Rbl2) des Kabelbaummodells (91) ein plus- seitiger Kontaktwiderstand (Rbl) sowie ein masseseitiger Kontaktwiderstand (Rb2) in Summe (Rbl2) abgeschätzt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung der Kenngröße (Rbl2) verwendeten Messgrößen (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv) synchronisiert werden, insbesondere durch ein Filter (114), vorzugsweise ein Fractional Delay Filter, ein Lagrange Filter, oder Farrow Filter.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zeitsynchronisierung der Messgrößen (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv) ein Filter (114) einen Verzögerungsfaktor (D) bestimmt für alle zu verzögernden Messgrößen (Ubatt, Ibatt; Uv, Iv).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzögerungsfaktor (D) des Filters durch einen Parameterschätzer (116) bestimmt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameterschätzer (104, 116) ein Zustandsschätzer, insbesondere ein Kalman-Filter, besonders bevorzugt ein Extended Kalman Filter (EKF) oder Unscented Kalman- Filter, insbesondere rekursive Least- Square-Verfahren oder Partikelfilter, verwendet ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer zukünftigen Kenngröße (Rbl2) eine prädiktive Diagnose und/oder Wartungsempfehlung und/oder eine Betriebsstrategieoptimierung erfolgt.
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