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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Fahrzeugs mit insbesondere automatisierter Fahrfunktion nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 3041200 A1 sind ein Verfahren und ein Regler zur Begrenzung eines Gasungsstroms bei Batterien, insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt. Hierbei wird eine Spannung eines Generators in Abhängigkeit eines gemessenen Ladestroms derart reduziert, dass unter Berücksichtigung eines jeweiligen Innenwiderstands der Starterbatterie große Gasungsströme verringert und kleine Gassungsströme vergrößert werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfügbarkeit des Bordnetzes weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs wird ein fehlerhafter Zustand des Bordnetzes zumindest verzögert. Dies wird erreicht, indem der Energiespeicher zumindest für eine bestimmte Zeitspanne als Spannungsbegrenzungsmittel verwendet wird zur Begrenzung eines Spannungsanstiegs der Spannung des Bordnetzes. Damit werden gerade gezielt solche Bereiche des Energiespeichers genutzt, die sonst üblicherweise als nicht ordnungsgemäßer Zustand definiert sind und in diesen beispielsweise auch keine automatischen Fahrfunktionen bzw. Manöver zu Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand zugelassen würden. Durch die gezielte Zulassung eines solchen bislang als nicht zulässigen angesehen Bereichs kann die Verfügbarkeit von automatischen Fahrfunktionen weiter erhöht werden. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, die Zeitspanne des Energiespeichers so zu wählen, dass während dieser Zeitspanne ein Ausgasen des Energiespeichers, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie, noch erfolgt. In diesem Zustand findet zwar nur noch eine Nebenreaktion der Batterie als sogenannter parasitärer Effekt statt, der sich unter Umständen negativ auf die Lebensdauer auswirkt. Um dennoch eine ausreichende Reaktionszeit bei kurzzeitiger Leistungsaufnahme zur Verfügung zu stellen, ist gerade dieser Bereich noch als zulässig definiert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verbraucher während der Zeitspanne zu einer Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand beiträgt. Dieser Verbraucher kann somit im Rahmen einer gezielten Beendigung des automatisierten Fahrbetriebs länger zur Verfügung stehen. Als mögliche Verbraucher kommen besonders bevorzugt Komponenten eines Bremssystems und/oder eines Lenksystems zum Einsatz.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest eine solche Betriebsweise zur Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand aktiviert wird, deren Ende innerhalb der Zeitspanne liegt. Damit werden sicher kritische Zustände vermieden, da nunmehr sichergestellt ist, dass der Energiespeicher beispielsweise nicht über die Zeitdauer des Ausgasen hinaus, was üblicherweise mit einem noch stärkeren Spannungsanstieg verbunden wäre, erforderlich ist. Lediglich die Zeitspanne des moderaten Spannungsanstiegs wird als zulässig erachtet, nicht jedoch der Bereich, der darüber hinausgeht. Dies erhöht die Sicherheit des Gesamtsystems.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest die Steuereinheit unterschiedliche Betriebsweisen zum Erreichen eines sicheren Betriebszustands des Fahrzeugs auswählt. Besonders zweckmäßig wird eine Betriebsweise aktiviert in Abhängigkeit von der Dauer der Betriebsweise in die Überführung des sicheren Zustands und/oder in Abhängigkeit von der Zeitspanne. Damit erhöht sich weiter die Sicherheit des Gesamtsystems, da lediglich Betriebsweisen innerhalb eines noch tolerablen Bereichs, der beispielsweise korrespondiert mit einem moderaten Spannungsanstieg, ausgewählt werden.
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Besonders zweckmäßig ist vorgesehen, dass die Zeitspanne des Energiespeichers abhängig von einem Ersatzschaltbild bzw. Modell des Energiespeichers gewählt wird. Damit kann bereits in vorhersehbarer Art und Weise die Genauigkeit des Gesamtsystems weiter verbessert werden. Außerdem lassen sich so noch sicher bestimmte Reserven vorgeben, damit sichergestellt wird, dass Bereiche mit starkem Spannungsanstieg sicher nicht als zulässig erachtet werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes.
- 2 den zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung im Fehlerfall,
- 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Energiespeichers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Bordnetz 10, vorzugsweise eines Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest einen Generator 12, gegen Masse geschaltet, zumindest einen Energiespeicher 14 zur Versorgung des Bordnetzes 10 sowie beispielhaft mehrere Verbraucher 16, 18 bzw. Aktoren. Bei dem Energiespeicher 14 handelt es sich vorzugsweise um einen elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, insbesondere um eine Blei-Säure-Batterie. Das Bordnetz 10 versorgt Verbraucher 16 und weitere Verbraucher/Aktoren 18. Die weiteren Verbraucher/Aktoren 18 dienen insbesondere der Überführung eines Fahrzeugs in einen sicheren Zustand. Hierzu ist eine Steuereinheit 22 vorgesehen, die ebenfalls von dem Bordnetz 10 mit Energie versorgt wird und die Verbraucher/Aktoren 18 ansteuert wie mit entsprechenden Pfeilen angedeutet. In dieser Steuereinheit 22 sind unterschiedliche Szenarien bzw. Betriebsweisen SSL 1, SSL 2, SSL 3 zur Überführung in einen sicheren Zustand hinterlegt. Diese können sich beispielsweise durch unterschiedliche Zeitspannen TS unterscheiden, die benötigt werden, bis das Fahrzeug vom Auftreten des Fehlers bzw. von der Aktivierung zum Zeitpunkt t0 in den sicheren Zustand gebracht wurde, beispielsweise angehalten wurde.
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Beim Fehlerfall des Generators 12 (beispielsweise durch einen Kurzschluss einer Feldendstufe) kann es zu einer erhöhten Leistungsabgabe durch den Generator 12 kommen. Ist das Bordnetz 10 nicht in der Lage, diese zusätzlich bereitgestellte Leistung aufzunehmen, so kommt es zwangsläufig zum Anstieg der Spannung U im Bordnetz 10. Die erhöhte Spannung U kann zu Ausfällen von Komponenten bzw. Geräten (Verbraucher 16) im Bordnetz 10 führen. Ein Grund für diese Ausfälle kann unter anderem eine eigenständige Abschaltung aufgrund von Überspannungen der Verbraucher 16 sein.
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Ein Fahrzeug in der Betriebsart des autonomen Fahrens ist auf einen zuverlässigen Betrieb und damit eine zuverlässige elektrische Energieversorgung bestimmter elektrischer Verbraucher/Aktoren 18 angewiesen, um beispielsweise in einem Fehlerfall das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu überführen. Insbesondere soll die Betriebsbereitschaft der Verbraucher/Aktoren 18 im Fehlerfall sichergestellt bzw. möglichst lange erhalten werden. Als sicherer Zustand könnte beispielsweise der Fall verstanden werden, dass das Fahrzeug zum Stillstand gebracht wird. Zur Überführung in den sicheren Zustand können unterschiedliche Szenarien bzw. Betriebsweisen SSL 1, SSL 2, SSL 3 vorgesehen werden.
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Insbesondere soll eine vorzugsweise zeitlich begrenzte Verzögerung des Spannungsanstiegs im Fehlerfall bewirkt werden, um ein Abschalten der elektrischen Verbraucher/Aktoren 18 und/oder ihrer Steuergeräte zu verhindern. Hierzu wird erfindungsgemäß als Spannungsbegrenzungsmittel ein zusätzlicher Verbraucher vorgesehen, der zumindest kurzzeitig die überschüssige Leistung aufnimmt.
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Als Spannungsbegrenzungsmittel wird vorzugsweise eine bestehende Komponente, beispielsweise der Energiespeicher 14 verwendet, den Spannungsanstieg bei einem Fehlerfall kurzzeitig zu begrenzen. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Zeitbegrenzung vorgesehen, die eine zeitbegrenzte Spannungsbegrenzung für eine Zeitspanne T2 vorsieht.
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In 2 ist der zeitliche Verlauf der Spannung U dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 tritt ein Fehlerfall ein. Zuvor wird beispielsweise das Fahrzeug im automatischen Fahrbetrieb betrieben. Aufgrund des Fehlers wird zum Zeitpunkt t0 eine Betriebsweise zum Erreichen eines sicheren Zustands eingeleitet. Im Fehlerfall steigt die Bordnetzspannung U an. In 2 verläuft dieser Anstieg beispielhaft geradenförmig mit einer relativ starken Steigung bis zum Zeitpunkt t1. Zum Zeitpunkt t1 wird das Spannungsbegrenzungsmittel, die Verwendung des Energiespeichers 14 als zusätzlicher Verbraucher, aktiv, um einen weiteren Anstieg der Spannung U zu verhindern oder zumindest im Anstieg zu bremsen. Die Spannungsbegrenzung erfolgt für eine Zeitspanne T2. Die Spannungsbegrenzung im Ausführungsbeispiel erfolgt somit zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 für die Dauer der Zeitspanne T2. In diesem Bereich bis zum Zeitpunkt t2 wird ein Betrieb bestimmter Verbraucher 16 bzw. Aktoren als zulässig angesehen bzw. zugelassen. Der Spannungsanstieg der Spannung U verlangsamt sich, sichtbar durch eine geringere Geradensteigung zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 für die Dauer der Zeitspanne T2. Die in 2 gezeigte Zeitspanne TS ist diejenige Zeitspanne, bis die Betriebsweise SSL 1, SSL 2, SSL 3 zum Erreichen des sicheren Zustands abgeschlossen ist, bis sich also das Fahrzeug im sicheren Zustand befindet. In 2 ist die maximale Zeitspanne TS gezeigt, um das Fahrzeug beginnend im Zeitpunkt t0 bis spätestens zum Zeitpunkt t2 (und damit noch innerhalb der Zeitspanne T2 und damit im zulässigen Bereich) in den sicheren Zustand zu überführen. Im Ausführungsbeispiel steigt nach dem Zeitpunkt t2 die Spannung U wieder stärker an, bis sie ein sogenanntes Reset-Level erreicht. Dies wird nun nicht mehr als zulässiger Bereich angesehen. Daher endet die Zeitspanne T2.
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Der vorzugsweise als Batterie ausgebildete Energiespeicher 14 kann als zusätzlicher Verbraucher elektrische Energie aufnehmen, bis die Batterie gesättigt bzw. aufgeladen ist. Ab diesem Zeitpunkt ist eine Batterie nur noch bedingt in der Lage, elektrische Energie aufzunehmen. Eine weitere Stromaufnahme findet dann nur noch über die Nebenreaktionen statt, im Falle einer Blei-Säure-Batterie wäre das im wesentlichen die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden durch Elektrolyse (im folgenden auch Ausgasung genannt). Dieser Vorgang schlägt sich zwar negativ auf die Lebensdauer des Energiespeichers 14 nieder. Dieser parasitäre Effekt wird jedoch nun erfindungsgemäß dazu genutzt, um den Spannungsanstieg der Spannung U kurzzeitig für die Zeitspanne T2 zu begrenzen. Die Wandlung von elektrischer in chemische Energie (Elektrolyse) ermöglicht bei Anstieg des Elektrodenpotenzials eine zeitbegrenzte Stromaufnahme, die exponentiell von der anliegenden Spannung abhängig ist. Damit wird dem Spannungsanstieg entgegengewirkt.
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Diese kurzzeitige Leistungsaufnahme des Energiespeichers 14 für die Zeitspanne T2 stellt eine ausreichende Reaktionszeit zur Verfügung, um auf einen Systemfehler (beispielsweise ein Generatorfehler) reagieren zu können. Der parasitäre Effekt des Ausgasens wird gezielt genutzt, um die Funktionalität des Energiespeichers 14 von Aufnahme, Speichern und Abgabe von elektrischer Energie um den Aspekt der zuverlässigen kurzzeitigen Limitierung der Betriebsspannung U zu ergänzen.
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Das Verhalten des Energiespeichers 14 lässt sich anhand des Ersatzschaltbilds 30 gemäß 3 modellieren. Hier ist das Ersatzschaltbild 30 einer Blei-Säure-Batterie als möglicher Energiespeicher 14 dargestellt. Das Ersatzschaltbild 30 umfasst einen Innenwiderstand 32, der in Reihe mit einer Kapazität 34 sowie zwei jeweils parallelverschalteten RC-Gliedern 38, 40 geschaltet ist. An der Kapazität 34 fällt die Ruhespannung U0 der Batterie bzw. des Energiespeichers 14 ab. Parallel geschaltet zu dem aus Innenwiderstand 32, Kapazität 34, RC-Glieder 36,38 gebildeten Zweig ist ein veränderlicher ohmscher Widerstand 40 vorgesehen, der in dem Modell für die Nebenreaktion der Gasung verwendet ist. Damit lässt sich der begrenzte Spannungshub im Fehlerfall abschätzen bzw. die Dimensionierung der Zeitspanne T2 gezielt vornehmen.
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Üblicherweise werden Energiespeicher 14, insbesondere die Blei-Säure-Batterie in einem zulässigen Bereich betrieben. Dieser zulässige Bereich umfasst in der Regel nicht den Bereich der Batterie, bei dem diese ausgast. Der Hersteller macht hierzu auch keine Angaben, wie sich das Spannungsniveau in diesem nicht zulässigen Bereich entwickelt.
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Erfindungsgemäß wird nun dieser Bereich, in dem die Batterie ausgast, gerade auch für die Auslegung bei der Überführung in den sicheren Zustand herangezogen. Das Verhalten der Batterie in diesem Ausgasungsbereich lässt sich dank des Modells der 3 relativ präzise vorhersagen. Damit lässt sich insbesondere die Zeitspanne T2 des Ausgasens in 2 die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 vorhersagen. Wenn das Ausgasen zum Zeitpunkt t2 beendet ist, steigt die Spannung U wieder stark an. Dieser starke Spannungsanstieg kann zu der beschriebenen Schädigung bzw. Ausfällen der Komponenten bzw. Steuergeräte führen und ist unter allen Umständen zu vermeiden. Somit wird erfindungsgemäß eine solche Überführung in den sicheren Betriebszustand ausgewählt, die sicherstellt, dass sie vor dem Zeitpunkt T2 abgeschlossen ist. Somit wählt die Steuereinheit 22 ein solches Szenario SSL 1, SSL 2, SSL 3 aus, deren Dauer TS zumindest den Zeitpunkt t2 (Ende des Ausgasens) nicht übersteigt. Die entsprechenden Zeitspannen TS1, TS2, TS3 der unterschiedlichen Szenarien SSL 1, SSL 2, SSL 3 können vorab bereits in der Steuereinheit 22 hinterlegt sein; alternativ wäre es möglich, fortlaufend diese entsprechenden Zeitspannen TS1, TS2, TS3 abhängig von den jeweiligen Betriebszuständen im Rahmen einer Prädiktion zu ermitteln. Tritt nun zum Zeitpunkt t0 der Fehlerfall auf, wählt die Steuereinheit 22 eine solche Betriebsweise mit zugehöriger Zeitspanne TS aus, für die gilt, dass TS kleiner ist als die Zeitspanne T2. Die entsprechenden Zeitpunkte t0, t1, t2 wurden wie vorab beschrieben für einen worst case (beispielsweise ein Fehlerfall des Generators 12 mit dessen quasi unkontrollierter Einspeisung maximaler Leistung in das Bordnetz 10) ermittelt und stehen der Steuereinheit 22 zur Verfügung. T2 wird aufgrund des Batteriemodells nach 3 ermittelt. Im Überspannungsfall sucht die Steuereinheit 22 sich ein solches Szenario SSL1, SSL2, aus, welches beginnend mit dem Fehlerfall in t0 spätestens zum Zeitpunkt t2 abgeschlossen ist.
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Das Bordnetz 10 versorgt insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 18 bzw. Aktoren. Sicherheitsrelevante Verbraucher wach auf 18 bzw. Aktoren sind solche, die notwendig sind, ein Fahrzeug von einem automatisierten Fahrbetrieb (kein Eingreifen des Fahrers notwendig) beispielsweise in kritischen Fehlerfällen in einen sicheren Zustand zu überführen. Bei einer Betriebsweise zur Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand kann es sich beispielsweise um ein Anhalten des Fahrzeugs, sei es sofort, sei es am Fahrbahnrand oder erst am nächsten Rastplatz etc. handeln. Diese beispielhaft genannten unterschiedlichen Szenarien SSL 1, SSL 2, SSL 3 unterscheiden sich jedenfalls zumindest in der Zeitspanne TS, in der sich das Fahrzeug im sicheren Zustand befindet.
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Es können beispielsweise folgende sicherheitsrelevanten Verbraucher 18 bzw. Aktoren 18 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um ein Bremssystem. Die Bremsfunktionalität kann entweder durch eine erste Komponente 18 (beispielsweise ein sogenannter iBooster, der den Bremsdruck elektromechanisch erzeugt), die über den einen sicherheitsrelevanten Kanal versorgt wird, erreicht werden. Die redundante Bremsfunktionalität wird alternativ über eine weitere Komponente 18 erreicht. Beispielhaft kann als weitere Komponente 18 ein sogenanntes elektronisches Stabilitätsprogramm verwendet werden, welches ebenfalls das Fahrzeug zum Stillstand bringen kann. Als weitere sicherheitsrelevante Komponente ist beispielsweise ein Lenksystem 18 vorgesehen.
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Das vorgestellte Verfahren ist insbesondere bei Fahrzeugen geeignet, in denen das Bordnetz 10 eine hohe Sicherheitsrelevanz besitzt. Dies ist bspw. bei Fahrzeugen mit automatisierten Fahrfunktionen der Fall.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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