Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, Aachen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von elektrischen Komponenten eines Fahrzeuges und Verfahren hierfür.

Hintergrund der Erfindung

Bisherige Fahrzeuge werden (nach Kundenwunsch) von einem Hersteller produziert und an den Kunden ausgeliefert. Dabei werden eine Vielzahl von Steuerungskomponenten zur Steuerung und Regelung von Fahrzeugkomponenten im Fahrzeug eingebaut. Diese Steuerungskomponenten sind spezialisiert auf die Bereitstellung spezifischer Funktionalitäten. Dabei können einzelne Steuerungskomponenten untereinander über ein im Fahrzeug befindliches drahtgebundenes Bussystem kommunizieren.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen auf der einen Seite und der zunehmenden Bereitschaft Fahrzeuge gemeinschaftlich zu nutzen entsteht ein erhöhter Bedarf an Flexibilität. Dem steht jedoch entgegen, dass die bisherigen Fahrzeugsysteme, insbesondere wegen der Steuerungskomponenten, nicht flexibel sind. D.h. die Nachrüstung von Fahrzeugkomponenten und ihre Integration in das Fahrzeug und sein Steuerung ist in aller Regel nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich. Gleichzeitig ist festzustellen, dass mit der zunehmenden Komplexität bisheriger Steuerungssysteme zugleich die Fehleranfälligkeit steigt, sodass vergleichsweise geringe Fehlfunktionen zu einem Komplettausfall führen können.

Zudem ist im Feld der Elektromobilität zu erkennen, dass die bisherigen Ansätze zur Energieverteilung in einem Fahrzeug nicht mehr ausreichen, um einem Verwender das Erreichen seines Zieles zu ermöglichen, da die bisherigen Ansätze lediglich eine Rückmeldung des Zustandes nicht jedoch eine sinnvolle Verteilung von Energie zulassen, sodass u.U. mit geringen Komforteinbußen das Ziel einer Fahrt erreicht werden könnte.

Ausgehend von dieser Situation ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von elektrischen Komponenten eines Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen, die einen flexibleren Betrieb bei erhöhter Sicherheit erlauben.

Die Aufgabe wird gelöst, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:

Fig. 1 zeigt schematisch Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschreiben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.

Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein", „eine" und „eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von elektrischen Komponenten S _t , Ai eines Fahrzeuges FZG dargestellt. Dabei können elektrische Komponenten jeglicher Art sein und insbesondere Sensoren und Aktoren umfassen.

Weiterhin weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Microcontrollern ud , uC ₂ , uC ₃ auf. Microcontroller ist dabei nicht limitierend zu verstehen sondern kann auch FPGA und ASICs betreffen. Auch die in der Figur dargestellte Anzahl ist nur Beispielhaft und es kann jegliche Anzahl von 2 oder mehr Microcontrollern vorgesehen sein. Die Microcontroller uCi , uC ₂ , uC ₃ sind über ein Kommunikationssystem BUS miteinander verbunden, um Informationen auszutauschen. Bevorzugt ist das Kommunikationssystem einheitlich. Zumindest ein erster Microcontroller uC1 und ein zweiter Microcontroller uC2 sind dabei so ausgestaltet, dass sie zumindest einen Teil der Funktionen zur Steuerung und Regelung von elektrischen Komponenten S, , A _t eines Fahrzeuges redundant bereitstellen, sodass bei Ausfall eines der zwei Microcontrollers der redundant vorgehaltene Teil von dem nicht ausgefallen Microcontroller übernommen werden kann. D.h. in der Figur 1 kann der Microcontroller uC ₂ sowohl Funktionen zur Steuerung und Regelung in Bezug auf die elektrische Komponenten S als auch A, bereitstellen.

Wenn z.B. Microcontroller uCi ausfällt, dann kann der Microcontroller uC ₂ Funktionen zur Steuerung und Regelung in Bezug auf die elektrische Komponenten ST bereitstellen. Fällt hingegen der Microcontroller uC ₂ aus, dann kann der Microcontroller uCi Funktionen zur Steuerung und Regelung in Bezug auf die elektrische Komponenten Si und der der Microcontroller uC ₃ Funktionen zur Steuerung und Regelung in Bezug auf die elektrische Komponenten A _t bereitstellen.

D.h. es wird nunmehr eine Steuerungsredundanz vorgesehen, sodass ein Ausfall eines steuernden Microcontrollers aufgefangen werden kann. Natürlich muss die Redundanz nicht für alle elektrischen Komponenten vorgesehen sein, sondern es kann für besonders kritische Komponenten Redundanz vorgesehen sein, z.B. für den Antrieb nicht jedoch für alle Assistenzsysteme.

Die Microcontroller uC,, uC ₂ , uC ₃ kontrollieren zudem die Bereitstellung von Energie an die elektrischen Komponenten A _u S, , wobei die Bereitstellung von Energie abhängig ist von einem zur Verfügung stehendem Energieangebot und weiterhin abhängig ist von einem prognostiziertem Energiebedarf für eine vorgegebene Strecke.

D.h. ein Benutzer gibt am Beginn seiner Fahrt ein bestimmtes Ziel vor. Abhängig von der zur Verfügung stehenden Energie kann dann die Energieabnahme so gesteuert werden, dass die Energie zur Erreichung des Zieles ausreicht. Steht mehr Energie zur Verfügung kann diese je nach Benutzerpräferenz eingesetzt werden.

Z.B. kann bei einem vollen Tank / vollem Ladezustand eine bestimmte Strecke ohne Komforteinbu ßen zurückgelegt werden. Steigt aber z.B. der Energiebedarf in Folge kühlerer Witterung / Beleuchtung etc. so kann es erforderlich sein, einzelne Komfortfunktionen nicht mehr mit Energie zu versorgen, um ein gewünschtes Fahrtziel noch erreichen zu können. Beispielsweise wäre eine Fahrzeugbeleuchtung bei Einbruch der Dunkelheit nicht verzichtbar, allerdings eine Heizungssteuerung oder ein Entertainment könnte weniger Leistung oder gar keine Leistung erhalten. D.h. das vorgeschlagene System ist flexibel, um Energie zu verteilen, sodass ein gewünschtes Fahrtziel erreicht wird. Natürlich kann sich dabei auch die Situation ergeben, dass ein bestimmtes gewünschtes Fahrtziel nicht erreicht werden kann. In diesem Fall kann es abhängig von einer Voreinstellung und/oder einer Benutzerwahl unterschiedliche Ziele geben, wie z.B. die Einplanung von Zwischenhalten, um einen Energiespeicher neu zu befüllen/laden/wechseln oder aber möglichst nahe an das gewünschte Ziel zu führen.

Aufgrund der modularen Ausgestaltung können neue Funktionen in das Fahrzeug auch ohne weiteres integriert werden ohne dass es hierfür langwieriger Umbauten bedarf.

Dabei können elektrische Komponenten über eine direkte Verkabelung an einen oder mehrere Microcontroller angebunden sein oder aber alternativ oder zusätzlich auch mittels des Komm u n i katio n ssystem s BUS angebunden sein.

In vorteilhaften Ausgestaltungen ist das Kommunikationssystem BUS ein drahtgebundenes oder drahtloses Kommunikationssystem. Geeignete drahtgebundene Kommunikationssysteme können z.B. auf Basis von CAN, LAN, FlexRay, MOST, I2C, optischer Bus, etc. aufgebaut sein. Drahtlose Kommunikationssysteme können z.B. auf Basis von WLAN, ZigBee, NFC, etc. aufgebaut sein. Natürlich können auch beide System parallel betrieben sein - es sollte dann lediglich ein Protokollwandler vorgesehen sein, so dass die einzelnen Kommunikationssysteme miteinander verknüpfbar sind.

Obwohl die Erfindung besonders vorteilhaft in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Gleichwohl kann sie auch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Erfindung mit jeglichem Fahrzeug betrieben werden, sei es ein Land-, Wasser oder Luftfahrzeug.

Zur Eingabe von Zieldaten / Informationen / Komforteinstellungen kann eine Eingabevorrichtung, beispielsweise ein grafisches Benutzerinterface Ul, vorgesehen sein. Dieses kann wiederum unmittelbar mit einem oder mehreren Microcontrollern kommunizieren oder aber gleichfalls über das Kommunikationssystem BUS angebunden sein. Beispielsweise kann der Benutzer ein bestimmtes Ziel vorgeben. Auf Basis einer aktuellen Position (GPS oder vergleichbar), z.B. ermittelt durch eine Navigationskomponente oder bezogen aus einem mobilen Kommunikationsnetz, wird sodann ein Energieprofil errechnet und mit der zur Verfügung stehenden Energie verglichen. Dabei können auch Daten zur Verkehrslage, Umweltdaten wie z.B. Temperatur, Sonneneinstrahlung, Regensensor, etc. Berücksichtigung finden.

Diese Daten können dabei auch nach Bedarf aktualisiert werden. Weiterhin kann der Benutzer auch Vorgaben zum gewünschten Komfort machen und z.B. angeben, dass eine „sportlichere" Fahrweise gewünscht ist, ... oder aber er kann Vorgaben treffen, für den Fall, dass der Energieinhalt nicht für die Strecke ausreicht.

Aufgrund der Tatsache, dass die Daten auch aktuell nachgehalten werden können, kann ich auch während einer Fahrt Richtung Fahrtziel eine Änderung ergeben, z.B. eine Verkehrsstörung zwingt zu einer großräumigen Umleitung, dass ein ursprünglich erreichbares Ziel nicht mehr mit den gewünschten Komfortmerkmalen erreicht werden kann. Dann kann die Steuerung entsprechend von (Benutzer-) Vorgaben bestimmte System mit weniger oder keiner Energie versorgen, um das Ziel doch noch zu erreichen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Microcontroller uC _{l 5} uC ₂ , uC ₃ gleichartig sind. Hierdurch sinkt der entwicklungsaufwand und die redundante Übernahme von Funktionen wird erleichtert. Beispielsweise kann jedem Microcontroller eine bestimmte Funktionalität mittels einem geeigneten (oder mehreren) Konfigurationsfile(s) zugeordnet sein. Diese Funktionalitäten können den anderen Microcontrollern innerhalb des Fahrzeuges FZG mitgeteilt werden, sodass das System selbst erkennt, wenn neue Funktionen hinzukommen. Weiterhin wird hierdurch ermöglicht, dass die einzelnen Microcontroller sich gegenseitig überwachen können, sodass ein Ausfall eines Microcontroller für den Funktionen redundant zur Verfügung gestellt werden, zur Übernahme durch den Stand-By Microcontroller führt.

Vorteilhafterweise können zudem die Microcontroller ud , uC ₂ , uC ₃ gleichartige Firmware aufweisen. D.h. die Funktionalität wird durch die Konfiguration bestimmt. Zugleich wird aber ein Firmware-Update erheblich vereinfacht, da nunmehr alle Microcontroller mit der gleichen Firmware aktualisiert werden können. Beispielsweise kann über eine Schnittstelle I/O, z.B. eine OBDII oder vergleichbar, mit einem Microcontroller {oder dem Kommunikationssystem BUS) kommuniziert werden, um eine Firmware für alle Microcontroller zur Verfügung zu stellen. Diese Firmware kann nun entweder auf alle Microcontroller gleichzeitig verbreitet werden, oder aber ein Microcontroller übernimmt die Verteilung innerhalb des Systems. In einem vorteilhaften Verfahren zur Steuerung und Regelung von elektrischen Komponenten eines Fahrzeuges FZG gemäß der vorherigen Beschreibung werden z.B. die nachfolgenden Schritte bereitgestellt.

Dabei wird an einem Microcontroller uCi ein lokaler Energiebedarf erkannt und über das Kommunikationssystem BUS kommuniziert, wobei der lokale Energiebedarf in Bezug auf seine Notwendigkeit klassifiziert ist, d.h. ob er essentiell ist oder aber in einer oder mehreren Komfortabstufungen verzichtbar ist.

Unabhängig hiervon wir ein im Fahrzeug FZG zur Verfügung stehendes Energieangebot bestimmt. Zudem wird unabhängig ein prognostizierter Energiebedarf für eine vorgegebene Strecke bestimmt.

Anschließend wird an Hand der kommunizierten Energiebedarfe (zu einem bestimmten Zeitpunkt) und deren Notwendigkeit sowie an Hand des prognostizierten Energiebedarfs und des zur Verfügung stehenden Energieangebotes, entschieden, welcher Energiebedarf befriedigt werden kann. Dabei ist die Entscheidungsfindung nicht notwendigerweise auf einem Microcontroller uC _t , uC ₂ , uC ₃ zentralisiert, sondern die Entscheidungsfindung kann auch verteilt im System stattfinden.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung kann die Entscheidung auf einem Optimierungsalgorithmus ausgewählt aus der Gruppe aufweisend Marktbasiert, Simplex Algorithmus, Regelbasiert, Fuzzy-Regelung, Genetische Optimierung, Hill Climbing Optimierung, basieren. Die Optimierung wird im System über alle Microcontroller ud , uC ₂ , uC ₃ vorzugsweise dezentral ausgeführt, eine zentrale Ausführung auf mindestens einem Microcontroller ist jedoch gleichfalls möglich.

Auf Grund der Eigenschaften des Systems kann auch erkannt werden, ob alle (oder ein bestimmter) Microcontroller uCi , uC ₂ , uC ₃ innerhalb des Systems funktionstüchtig sind / ist, und wenn erkannt wird, dass ein Microcontroller uCi nicht funktionstüchtig ist, werden die Funktionen des redundant vorgehaltenen Teils von dem nicht ausgefallen Microcontroller uC ₂ übernommen.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bei Erkennen, das ein Microcontroller nicht funktionstüchtig ist, versucht wird den ausgefallen Microcontroller uCi neu zu starten.

Weiterhin ist es auf Grund der Eigenschaften des Systems möglich, dass ein zu bereits vorhandenen Microcontrollern uC , uC ₂ hinzugefügter weiterer Microcontroller uC ₃ als solcher von den vorhandenen Mircocontrollern ud , uC ₂ erkannt wird. D.h. es wird eine Plug & Play Funktionalität zur Verfügung gestellt, bei dem neue Microcontroller automatisch bei Verbindung im System angemeldet und automatisch mit ihren Funktionen bei den anderen Microcontrollern registriert werden können. Es sei weiterhin angemerkt, obwohl es vorteilhaft sein kann, wenn die einzelnen Microcontroller gleichartige Firmware aufweisen, so ist dies jedoch keine zwingende Bedingung. Vielmehr können auch mehrere Microcontroller mit unterschiedlichen Firmwaren vorgesehen sein, z.B. in Folge einer Hinzufügung / Austausch von Komponenten. Wichtig ist lediglich, dass die einzelnen Microcontroller miteinander kommunizieren können. D.h. mittels der Erfindung wird es nunmehr möglich eine dezentrales, kompakt ausgelegtes Controller-System bereitzustellen, das es ermöglicht Fahrzeugkomponenten-Controller durch intelligente Mikroprozessor-gestützte Controller-Einheiten (Agenten) zu ersetzten. Diese Mikroprozessor-gestützte Controller-Einheiten (Agenten) werden auch als Microcontroller in dieser Erfindung beschrieben. Diese Microcontroller sind in der Lage selbständig Fahrzeugkomponenten zu steuern/regeln/kontrollieren, und (Sensor-) Daten im Fahrzeug FZG auszulesen, um die Komponenten optimiert zu betreiben.