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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bordnetzdiagnostik in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines motorisierten Zweirads, mittels eines Reglers, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Motorisierte Zweiräder weisen in der Regel eine Lichtmaschine bzw. einen Wechselstrom- oder Drehstrom-Generator auf, der auf der Kurbelwelle verbaut oder mit dieser verbunden ist und zum Laden der Batterie dient, welche wiederum das Bordnetz des Fahrzeugs mit elektrischem Strom versorgt. Da sich der vom Generator gelieferte Wechsel- oder Drehstrom nicht direkt zum Laden der Batterie eignet, wird der Strom über einen nachgeschalteten Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Anstelle eines Gleichrichters kann auch ein Stromrichter mit Halbleiterschaltern verbaut sein, der wahlweise als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeiten kann und es erlaubt, den Generator auch zeitweise als Motor zu betreiben. Außerdem ist es erforderlich, die Generatorleistung zu regeln, um den Sollwert der Ladespannung der Batterie aufrechtzuhalten. Üblicherweise werden beide Funktionen in einer Gleichrichter-Regler-Einheit (auch RR-Unit, Rectifier-Regulator-Unit) vereint.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bordnetzdiagnostik sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Insbesondere wird ein Verfahren zur Bordnetzdiagnostik mittels eines Spannungsreglers vorgeschlagen, der dazu eingerichtet ist, die von einem Generator über einen Stromrichter gelieferte Spannung für ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs durch Ausgabe eines Ausgangssignals zu regeln, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Erfassen eines Ausgangssignals des Spannungsreglers durch eine Steuervorrichtung, Ermitteln einer momentanen Leistungsabgabe an das elektrische Bordnetz auf Grundlage des erfassten Ausgangssignals, und Auswerten der ermittelten Leistungsabgabe zur Diagnostik des elektrischen Bordnetzes und mindestens eines elektrischen Verbrauchers, welcher an das elektrische Bordnetz angeschlossen ist. Auf diese Weise kann ohne wesentliche Eingriffe in die bereits vorhandenen Bauelemente eine Diagnostik des Bordnetzes erfolgen, indem nur das Ausgangssignal des Spannungsreglers an die Steuervorrichtung weitergeleitet wird. Die Steuervorrichtung kann ein Motorsteuergerät oder ABS-Steuergerät sein.
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Das Auswerten der Leistungsangabe kann beispielsweise anhand von Informationen vorgenommen werden, die in Zusammenhang mit einem momentanen Betriebszustand von mindestens einem der elektrischen Verbraucher stehen. Dabei kann es sich z.B. um ein Ein- oder Ausschaltsignal eines Verbrauchers handeln, das etwa aus der Ansteuerung des Verbrauchers oder des Erfassens von anderen Signalen (Betätigung eines Schalters etc.) erkannt wird. Ebenso kann es sich bei den Informationen um den erwarteten oder bisherigen Leistungsbedarf eines Verbrauchers handeln, der beispielsweise geeignet in einer Speichereinheit abgespeichert sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform können das erfasste Ausgangssignal und/oder ein Ergebniswert des Auswertens und/oder die momentane Leistungsabgabe über eine Schnittstelle ausgegeben werden, beispielsweise an eine geeignete Diagnostiksoftware oder an weitere Steuerungseinrichtungen, oder an ein externes Diagnosegerät.
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Optional kann die Auswertung des Leistungssignals auch umfassen, dass eine Frequenzkomponente der ermittelten momentanen Leistungsabgabe bestimmt wird, und eine Blinkerfrequenz eines als Verbraucher angeschlossenen Fahrzeugblinkers auf Basis der bestimmten Frequenzkomponente bestimmt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung können umgesetzt werden mit einem Stromrichter, der beispielsweise einen Diodengleichrichter oder einen Halbleiterschalter-Stromrichter, wie z.B. eine Transistor-Brückenschaltung, umfasst. Der Spannungsregler kann eine Reglerschaltung, z.B. ein üblicher analoger Spannungsregler sein, oder kann auch ein durch Software in einer Steuervorrichtung implementierter Spannungsregler sein. Dabei kann die Steuervorrichtung, die den Spannungsregler und/oder die oben genannten Verfahrensschritte implementiert, beispielsweise ein Motorsteuergerät oder ABS-Steuergerät sein.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens der Erfindung;
- 2 zeigt die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einem Ausgangssignal berechnete Leistungsabgabe eines Stromrichters; und
- 3a und 3b zeigen beispielhafte Stromrichter-Regler-Schaltungen, die in erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden können.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Ausgangssignal eines Spannungsreglers überwacht, der die abgegebene Spannung eines Generators im Fahrzeug regelt. Aus dem Ausgangssignal kann dabei auf die momentan abgegebene Leistung geschlossen werden. Der grundsätzliche Verfahrensablauf ist in 1 als Diagramm gezeigt; das Ausgangssignal des Reglers wird in Schritt 10 erfasst und aus diesem Ausgangssignal wird die in Schritt 20 die Leistungsabgabe ermittelt. Gemäß Schritt 30 kann durch Auswertung der abgegebenen Leistung auf Merkmale des Bordnetzes und der angeschlossenen Verbraucher geschlossen werden. Schließlich kann eines oder mehrere der Signale oder Ergebnisse aus den vorherigen Schritten an einer Schnittstelle in Schritt 40 ausgegeben werden. Die Erfassung des Ausgangssignals und die Auswertung können kontinuierlich stattfinden, in regelmäßigen Abständen oder auch nur bei Bedarf.
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Grundsätzlich ist die Aufgabe des Spannungsreglers zunächst, die an die Batterie bzw. das Bordnetz des Fahrzeugs abgegebene Spannung im Wesentlichen konstant zu halten, also innerhalb eines vorgegebenen Bereichs. Die Leistung des Generators ist drehzahlabhängig und verändert sich damit im Betrieb ständig. Auch bei gleichbleibender Generatorleistung (d.h. bei gleicher Drehzahl) wird ohne Regelung die Spannung bei geringem Stromverbrauch stark ansteigen und kann damit die vorgegebene Ladespannung der Batterie überschreiten.
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Wenn beispielsweise ein Verbraucher an das System angeschlossen wird, dann steigt damit der Stromverbrauch im Bordnetz an. Um die Ladespannung relativ konstant zu halten, wird der Spannungsregler daher eine höhere Generatorleistung zulassen. Aus der Stellgröße, d.h. dem Ausgangssignal des Spannungsreglers kann daher auf die angeschlossenen Verbraucher geschlossen werden. Bei wenigen oder gar keinen Verbrauchern wird das Ausgangssignal des Spannungsreglers so ausgelegt sein, dass die Leistung wirksam begrenzt wird, während bei vielen zugeschalteten Verbrauchern im Bordnetz der Spannungsregler je nach Ausführung entweder die Generatorleistung erhöhen wird oder weniger häufig oder nicht mehr begrenzen wird, so dass die Generatorleistung länger ausgegeben wird.
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2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf 100 der Ausgangsleistung P des Stromrichters, die aus dem Ausgangssignal des Reglers berechnet werden kann. Dabei ist zunächst in einem ersten Bereich 110 kein Verbraucher zugeschaltet und es kommt nur der Grundbedarf des elektrischen Bordnetzes zum Tragen. Dann ist eine Stufe im Leistungsverlauf ersichtlich, die nun eine höhere abgerufene Leistung 120 darstellt, was mit dem Einschalten eines Verbrauchers (z.B. hier der Griffheizung) erklärt werden kann. Soweit die Steuervorrichtung, die das Ausgangssignal des Reglers auswertet, auch feststellen kann, welche Elemente bzw. Verbraucher momentan eingeschaltet sind, können diese jetzt dem veränderten Leistungsverlauf zugeordnet werden. Dazu können beispielsweise die Ansteuersignale an die angeschlossenen Verbraucher entsprechend mit der ermittelten Leistungsabgabe verglichen werden, so dass festgestellt werden kann, ob z.B. ein erfasstes Einschaltsignal eines ersten Verbrauchers einer entsprechenden Änderung in der Leistungsabgabe entspricht. Ebenso könnten neben den Ansteuersignalen auch weitere Werte bezüglich der Verbraucher vorgegeben bzw. abgespeichert sein, so dass auch ermittelt werden kann, ob die Leistungsabgabe dem erwarteten Wert entspricht oder davon abweicht.
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Als weiteres Element wird dann ein Blinker zugeschaltet, was einen neuen abgestuften Bereich 130 im Leistungsverlauf ergibt. Außerdem ist bei ausreichender Abtastfrequenz des Signals deutlich sichtbar, dass es sich um einen Blinker mit periodisch wechselnder Leistungsaufnahme des Blinklichts (an/aus) handelt. Optional kann ein Blinker auch bereits an seiner vorgegebenen Blinkfrequenz erkannt werden, die beispielsweise durch eine diskrete Fouriertransformation (DFT) aus den abgetasteten Ausgangssignalen und/oder der daraus gewonnenen Ausgangsleistung extrahiert werden kann.
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Schließlich erkennt man an der Leistungskurve in Bereich 140 das Abschalten der Verbraucher und die Rückkehr zum Grundbedarf.
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Anhand des gemessenen Ausgangssignals am Regler können also verschiedene Situationen erkannt werden. Beispielsweise kann damit insgesamt festgestellt werden, ob die Leistung in einem üblichen Bereich liegt, etwa anhand vorgespeicherter Werte oder durch Vergleich mit früheren Messwerten, oder ob sich Kriechströme erhöhen. Es sind kurzfristige Messungen möglich, beispielsweise zur Diagnose des elektrischen Bordnetzes, oder auch langfristige Erfassungen des Ausgangssignals, um daraus weitere Aussagen zu treffen. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob sich der Grundbedarf oder der Leistungsbedarf eines bestimmten Verbrauchers mit der Zeit erhöht, oder ob zusätzliche unbekannte Verbraucher an das System angeschlossen wurden. Ebenso kann ein Defekt des Generators oder Gleichrichters/Stromrichters erkannt werden.
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Weiter ist es möglich, durch diese Diagnosemöglichkeiten eine Optimierung des Bordnetzes und der Stromversorgung vorzunehmen. Falls das Bordnetz die maximale Leistungsfähigkeit erreicht, können über die Steuervorrichtung einzelne Verbraucher mit erhöhter Priorität betrieben werden und andere abgeschaltet werden, z.B. Griffheizungen oder Steckdosen. Auf diese Weise kann das System auch mit einem kleineren Generator als sonst vorgesehen sinnvoll betrieben werden und damit die Kosten des Systems entsprechend gesenkt werden.
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Die so erhaltenen und ausgewerteten Signale können zur Diagnostik an einer Schnittstelle ausgegeben werden. Ebenso können sie auch in einer Steuervorrichtung weiter verwendet werden, um wie z.B. beschrieben die Verbraucher gezielt anzusteuern oder andere Eingriffe in das Bordnetz vorzunehmen. Dabei kann sowohl das Ausgangssignal des Reglers direkt ausgegeben werden als auch die daraus berechnete Leistungsabgabe an das Bordnetz. Auch die Ergebnisse einer Auswertung, d.h. die Ermittlung der angeschlossenen Verbraucher und ihres derzeitigen Betriebs- und Funktionszustands, können entsprechend ausgegeben oder weiter verwertet werden. Es können auch weitere Berechnungen vorgenommen werden, wie etwa die Durchschnittsleistung des Generators, der Leistungsbedarf der Verbraucher in bestimmten Zeitabschnitten oder andere.
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Für die Anwendung dieser beispielhaften Verfahren können verschiedene Systeme verwendet werden, die als Stromrichter und Regler für ein Bordnetzspannung und insbesondere eine Batteriespannung dienen.
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Beispielsweise kann eine übliche Gleichrichter-Regler-Einheit mit analogen Komponenten genutzt werden, wie sie in 3a gezeigt ist, und das Ausgangssignal eines Spannungsreglers 240 dieser Einheit kann an eine Steuervorrichtung übermittelt werden. Die drei Phasen eines Generators 200 sind mit Dioden 252 verbunden, die einen Gleichrichter 250 für den Drehstrom des Generators bilden. Der Spannungsregler 240 steuert beispielsweise als Thyristoren 254 ausgebildete Schalter an, die durch Kurzschalten der Phasen die Spannung an die Batterie 210 und das Bordnetz 220 regeln.
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In anderen Ausführungsformen kann wie in 3b gezeigt eine Gleichrichterschaltung oder allgemein ein Stromrichter 260 beliebiger Art mit einer Steuervorrichtung 270 kombiniert werden, in der softwareseitig eine Spannungsregelung implementiert ist und die entsprechend mit den Ein- und Ausgängen des Stromrichters 260 verbunden ist. Dabei kann es sich bei dem Stromrichter zum Beispiel um eine Gleichrichter-Diodenschaltung wie in 3a handeln, oder beispielsweise um eine Transistor-Brückenschaltung 260 (z.B. aus Halbleiterschaltern wie z.B. MOSFETs 262), die sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter für den Generator einsetzbar und in 3b gezeigt ist. Mit letzterem lässt sich durch optionale Verwendung des Generators als Motor eine teilweise Hybridisierung des Antriebsstrangs erreichen, da der Motor unter bestimmten Voraussetzungen als Antriebselement zugeschaltet werden kann.
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Für den Fall eines Dioden-Gleichrichters 250 wie in 3a wird die Begrenzung der Leistung zur Spannungsregelung üblicherweise durch Thyristoren 254 erreicht, welche die Phasen des Generators 200 vorübergehend kurzschließen. Alternativ kann der Gleichrichter vorübergehend getrennt werden, also offen bzw. weggeschaltet werden. Das Ausgangssignal des Spannungsreglers zeigt also die Lade- und Kurzschlussphasen des Gleichrichters (bzw. die Lade- und Öffnungsphasen der Schaltung), so dass die Leistungsabgabe an das Bordnetz 220 aus dem Tastverhältnis zwischen den beiden Optionen ermittelt werden kann. Eine gleichwertige Schaltung kann auch erhalten werden, indem keine Dioden, sondern z.B. MOSFETs unter Verwendung der Body-Diode verwendet werden; auch dann kann die Spannungsregelung durch Kurzschlussphasen bzw. Offenschaltung erreicht werden.
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Auf ähnliche Weise wird bei einer als Gleichrichter und Wechselrichter wirkenden Transistorschaltung 260 der Regler 270 ein Ausgangssignal liefern, das so auf die Transistorschaltung 260 wirkt, dass der Polradwinkel entsprechend verändert wird; bei einem positiven Polradwinkel herrscht Generatorbetrieb, während ein negativer Polradwinkel Motorbetrieb bewirkt. Das Drehmoment des Motors bzw. die Generatorleistung ist abhängig vom Polradwinkel.
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Insgesamt sind das tatsächlich vorhandene Ausgangssignal am Regler und auch der berechnete Zusammenhang zur aktuellen Bordnetzleistung natürlich von der Art der Gleichrichter- bzw. Stromrichterschaltung abhängig, wobei viele Varianten möglich sind. Das Verfahren der Erfindung ist letztendlich nicht abhängig von der Größe, die am Reglerausgang ausgegeben wird, solange aus dieser Größe wie bereits beschrieben ein Rückschluss auf die aktuell benötigte Leistungsabgabe an das Bordnetz möglich ist. Die Erfassung des Ausgangssignals und die Auswertung können kontinuierlich stattfinden, in regelmäßigen Abständen oder auch nur bei Bedarf.
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Die Steuervorrichtung, welche die Auswertung des Ausgangssignals übernimmt, kann das Motorsteuergerät eines Fahrzeugs, insbesondere eines motorisierten Zweirads, sein. Ebenso ist es aber möglich, dass eine separate Steuervorrichtung oder ein anderes bereits am Fahrzeug vorhandenes Steuergerät diese Aufgaben übernimmt, wie z.B. das ABS-Steuergerät. Dasselbe gilt für die Einrichtung des Spannungsreglers in Form eines softwareseitigen Spannungsreglers innerhalb einer Steuervorrichtung; diese Steuervorrichtung kann identisch mit derjenigen sein, die die Auswertung der Signale und Verbrauchskennwerte übernimmt, oder es kann sich um zwei separate beliebige Steuervorrichtungen handeln. Insbesondere kann der Spannungsregler als Teil des Motorsteuergeräts ausgebildet sein, z.B. als darin ausgebildete Logik, wobei die digitalen Ansteuersignale dann über eine geeignete Leitung wie den Kabelbaum des Fahrzeugs zur Stromrichtereinheit übertragen werden. Als Beispiel kann auch die Gleichrichtereinheit wie in 3a einen Aktor bzw. Schalter zum Kurzschließen aufweisen, der von dem Regler in einer Steuervorrichtung wie z.B. dem Motorsteuergerät angesteuert wird, wobei das Stellsignal für den Aktor über eine entsprechende Leitung wie den Kabelbaum des Fahrzeugs gesendet wird.