Titel

Verfahren zum Überwachen einer Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Aus der DE 102018212369 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei in einem Teilbordnetz zumindest ein Energiespeicher mehrere vorzugsweise sicherheitsrelevante Verbraucher mit Energie versorgt, wobei zumindest eine Messgröße eines Energiespeichers und/oder zumindest eines Verbrauchers erfasst wird, wobei zumindest ein Kabelbaummodell vorgesehen ist, welches das Teilbordnetz abbildet, und wobei ein Parameterschätzer vorgesehen ist, der zumindest eine Kenngröße des Kabelbaummodels abschätzt unter Verwendung der Messgröße.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Zuverlässigkeit einer Energieversorgung weiter erhöht. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Offenbarung der Erfindung

Durch eine Überwachung der steuergeräteinternen Stromversorgungspfade insbesondere für sicherheitsrelevante Verbraucher kann die Zuverlässigkeit der Energieversorgung weiter erhöht werden. Insbesondere anhand der Überwachung der elektrischen Widerstände der stromführenden Pfade und Bauteile sowie bevorzugter Weise auch deren Verbindungen kann die Diagnoseabdeckung auf den kompletten Energieversorgungspfad des insbesondere sicherheitsrele- vanten Verbrauchers ausgeweitet werden. Durch den Einsatz von geeigneten Messmethoden wie beispielsweise differenzielle Spannungsmessverstärker und entsprechende Berechnungsmethoden über Parameterschätzverfahren ist eine zeitkontinuierliche und präzise Ermittlung der steuergeräteinternen Kenngrößen wie beispielsweise Widerstände möglich.

Durch die Verwendung eines Parameterschätzers zur Bestimmung der elektrischen Kenngröße bzw. des elektrischen Widerstands können große Anteile solcher Messfehler ausgeschlossen werden, die sich während der Messung sowohl als zufällige als auch als systematische Fehlerquantitäten äußern könnten.

Besonders bevorzugt kann zur Ermittlung einer Fehlerinformation ein insbesondere statischer Schwellwert verwendet werden, beispielsweise ein vom Hersteller spezifizierter Nennwert (beispielsweise des Widerstands) des stromführenden Bauteils. Weicht die geschätzte Kenngröße des Bauteils stark von ihrem Nennwert ab, kann dies als Fehlerinformation verwendet werden beispielsweise durch Eintrag in den Fehlerspeicher oder Weitergabe der Fehlerinformation an ein übergeordnetes Energiemanagementsystem zur Weiterverarbeitung beispielsweise als Fahrerwarnung oder die Degradation des Fährbetriebs. Dadurch lässt sich die Sicherheit im Fahrzeug weiter erhöhen.

Besonders zweckmäßig lässt sich das beschriebene Überwachungsprinzip auf unterschiedliche Schaltungskonstellationen, insbesondere von Parallelschaltungen auch unterschiedlicher stromführender Bauteile ausdehnen, indem geeignete Messpunkte für Strom und Spannung vor den Verzweigungen und/oder zu Beginn oder Ende der Strompfade, beispielsweise an den Kontakten, gewählt werden können. Dadurch können neben den Widerstandswerten der stromführenden Bauteile auch die Widerstände der Zuleitung und/oder Kontakte berücksichtigt und für die Fehlerermittlung herangezogen werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der Schwellwert flexibel in Abhängigkeit von einem Widerstandsmodell gewählt. Dann können insbesondere Verschiebungen der Arbeitspunkte beispielsweise durch veränderte Temperaturbedingungen nicht zu Fehlauslösungen führen. Die Sicherheit der Anordnung erhöht sich dadurch weiter. In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Aktualität der Messwerte überprüft und erforderlichenfalls eine neue Ermittlung veranlasst. Damit können zuverlässige und aktuelle Aussagen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit getroffen werden.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur 1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel des Leistungsverteilers, der zwei Teilbordnetze miteinander verbindet,

Figur 2 zeigt die zu erfassenden Größen bei einer Parallelschaltung von zwei stromführenden Schaltmitteln,

Figur 3 zeigt die zu erfassenden Größen bei einer Parallelschaltung von zwei stromführenden Sicherungen,

Figur 4 zeigt die zu erfassenden Größen bei einer Parallelschaltung zweier stromführender Schaltmittel und zweier Strom führender Sicherungen,

Figur 5 zeigt eine Messanordnung zur Ermittlung der Gesamtkenngröße der Anordnung nach Figur 4,

Figur 6 zeigt eine Struktur des Schätzverfahrens in Form eines Kalman- Filters,

Figur 7 zeigt eine Anordnung zur Ermittlung eines flexiblen Schwellwerts,

Figur 8 zeigt eine Erweiterung der Messanordnung nach Figur 5, Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht stromführender Teile einer steuergeräteinternen Anordnung mit zugehöriger Struktur einer weiteren Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtkenngröße dieser Anordnung,

Figur 10 zeigt eine Struktur einer weiteren Vorrichtung zur Ermittlung eines weiter ausgebauten Strompfads.

Ausführungsform der Erfindung

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Die Figur 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Bordnetz 13, welches einen Energiespeicher 12, insbesondere eine Batterie 12 mit zugehörigem Sensor 14, vorzugsweise ein Batteriesensor, sowie mehrere insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, die durch einen elektrischen Leistungsverteiler 18 abgesichert bzw. angesteuert werden, umfasst. Bei den Verbrauchern 16 handelt es sich um Spezialverbraucher mit hohen Anforderungen bzw. einem hohen Schutzbedarf, allgemein als sicherheitsrelevante Verbraucher 16 bezeichnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Lenkung und/oder ein Bremssystem als solche Komponenten, die unbedingt versorgt werden müssen, um im Fehlerfall das Lenken und/oder Bremsen des Fahrzeugs sicherzustellen. Gesondert werden Kenngrößen des jeweiligen Verbrauchers 16 erfasst und bei Abweichung von tolerablen Werten der jeweilige Schalter 15 geöffnet. Das Bordnetz 13 besteht aus einem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11 und einem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 kann von dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 durch den Leistungsverteiler 18 getrennt werden, insbesondere im Fehlerfall bzw. kritischen Zustand des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 ist beispielsweise ein nach ASIL qualifiziertes (beispielsweise nach DIN ISO26262) Teilbordnetz 11 , welches zumindest einen der sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 umfasst und gegebenenfalls mit einem eigenen Energiespeicher 12 zur Spannungsstützung ausgestattet sein kann. Das nicht sicherheitsrelevante Teilbord- netz 10 umfasst zumindest einen nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17, beispielsweise kann es sich um sog. QM-Verbraucher handeln. Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch zumindest ein weiterer sicherheitsrelevanter Verbraucher im nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10, beispielsweise bei einer redundanten Ausführung der sicherheitsrelevanten Verbraucher, angeordnet sein kann. Bei dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 handelt es sich um ein nicht ASIL qualifiziertes Bordnetz.

An einem Anschluss (Klemme KL30_1) des Leistungsverteilers 18 ist ebenfalls der Energiespeicher 12 angeschlossen. Der Sensor 14 ist in der Lage, eine elektrische Kenngröße wie beispielsweise eine Spannung Ub am Energiespeicher 12 und/oder einen Strom Ib durch den Energiespeicher 12 und/oder eine Temperatur Tb des Energiespeichers 12 zu erfassen. Der Sensor 14 kann aus den ermittelten elektrischen Kenngrößen Ub, Ib, Tb beispielsweise den Ladezustand SOC des Energiespeichers 12 oder weitere Kenngrößen des Energiespeichers 12 ermitteln. An dem weiteren Anschluss (KL 30_1) des Leistungsverteilers 18, an dem auch der Energiespeicher 12 angeschlossen ist, ist optional auch ein weiterer Versorgungszweig für zumindest einen weiteren Verbraucher 25 vorgesehen. Der Verbraucher 25 wird beispielhaft über eine Schmelzsicherung 23 abgesichert. Es können noch weitere Verbraucher 25 vorgesehen sein, die ebenfalls über Schmelzsicherungen 23 abgesichert werden können. Bei diesen Verbrauchen 25 handelt es sich um solche, die auch bei Auftrennen bzw. Öffnen des Schaltmittels 19 im Leistungsverteiler 18 noch von dem Energiespeicher 12 mit Energie versorgt werden sollen, vorzugsweise solche sicherheitskritische Verbraucher 25, die kritisch sind hinsichtlich Störungen im Bezug auf die Versorgungssicherheit. Somit ist an dem Anschluss KL 30 _1 ein (optionaler) sicherheitsrelevanter bzw. sicherheitskritischer Bordnetzpfad bzw. Teilbordnetz 11 angeschlossen.

Der Leistungsverteiler 18 ist in der Lage, entsprechende Kenngrößen wie Spannung Uv, Strom Iv der Verbraucher 16 zu ermitteln. Der Leistungsverteiler 18 ist darüber hinaus ebenfalls in der Lage, entsprechende Kenngrößen des Energiespeichers 12 wie Spannung Ub und/oder Strom Ib und/oder Temperatur Tb zu ermitteln. Hierzu enthält der Leistungsverteiler 18 die entsprechende Sensorik bzw. empfängt die Daten von dem Sensor 14. Ebenfalls besitzt der Leistungsver- teiler 18 entsprechende Auswertemittel 21 wie beispielsweise einen Mikrocontroller, erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Das Auswertemittel 21 dient zur Ermittlung kritischer Zustände insbesondere des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 11 wie beispielsweise Erkennung eines Überstroms und/oder einer Unter-oder Überspannung am Teilbordnetz 11 für den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16, 25. Hierzu werden entsprechende Kenngrößen erfasst und mit geeigneten Schwellwerten verglichen. Als Auswertemittel 21 kommt beispielsweise ein Mikrocontroller zum Einsatz. Der Mikrocontroller bzw. das Auswertemittel 21 ist darüber hinaus in der Lage, entsprechende Schalter 15 bzw. das Schaltmittel 34 eines hochstromfähigen Trennschalters 34 im Hauptpfad 30 bzw. ein Schaltmittel 54 in einem Zusatzpfad 50 anzusteuern. Zu dem Hauptpfad 30 ist der Zusatzpfad 50 parallel verschaltetet. Der Zusatzpfad 50 umfasst das Schaltmittel 54 und ein hierzu in Reihe angeordneten Widerstand 58, insbesondere Strombegrenzungswiderstand 58. im Normalbetrieb sind beide Pfade 30, 50 parallel aktiv, also deren Schaltmittel 34, 54 sind geschlossen. Darüber hinaus dient der Zusatzpfad 50 zum Vorladen des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10, wenn beispielsweise erstmalig ein Energiespeicher an das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 angeschlossen wird. Der kapazitive Anteil des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10 sorgt für einen hohen Ladestrom über den Zusatzpfad 50, der in diesem Szenario ebenfalls vor Überlast geschützt sein muss.

Über das Schaltmittel 34 kann eine entsprechende Trenn- bzw. Koppelfunktion insbesondere der beiden Bordnetz-Zweige (Teilbordnetz 10 für nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17 an Anschluss KL 30_0; weiteres Teilbordnetz 11 für sicherheitsrelevante Verbraucher 16, 25) realisiert werden. Dies dient insbesondere als Sicherungsfunktion, um die Auswirkungen von kritischen Zuständen wie Über- oder Unterspannungen und/oder Überströmen und/oder thermische Überlastung zu unterbinden. Im Fehlerfall können die beiden Teilbordnetze 10, 11 durch den Leistungsverteiler 18 voneinander getrennt werden durch Öffnen der Schaltmittel 34, 54.

Das Bordnetz 13 weist ein gegenüber einem optional vorgesehenen Hochvolt- Bordnetz 20 niedrigeres Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Bordnetz 13 und dem Hochvolt- Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 22 angeordnet. Das Hochvolt- Bordnetz 20 umfasst beispielhaft einen Energiespeicher 24, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine Last 26, beispielsweise ein Komfortverbraucher wie eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 28. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau U2 verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau U1 des Basisbordnetzes 13. 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 20 ganz entfallen.

Beispielhaft ist in der Ausführung als möglicher Energiespeicher 12, 24 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.

Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34, 54 jeweils duch zumindest zwei antiseriell (in Reihe zueinander und zwar gegengerichtet, bspw. „back-to-back“ oder mit gemeinsamen Source-Anschluss) verschaltete Schaltelemente gebildet, vorzugsweise unter Verwendung von Leistungshalbleitern, besonders bevorzugt FET's bzw. MOSFET's. Anstelle von MOSFETs können bspw. auch Relais, Bipolartransistoren oder IGBTs mit Paralleldioden usw. verwendet werden.

Durch die nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 2-10 beschriebenen Maßnahmen kann der Diagnoseabdeckungsgrad des kompletten Energieversorgungspfads 59 durch eine Überwachung insbesondere der internen Verbindung und Versorgungspfade 59 innerhalb eines Steuergeräts 78 erhöht werden. Die Grundidee der internen Überwachung von steuergeräteinternen Versorgungspfaden 59 und Verbindungen basiert auf einer Überwachung einer elektrischen Kenngröße, insbesondere eines elektrischen Widerstands R der steuergeräteinternen stromführenden Pfade und Bauteile 60, 62 sowie Verbindungen bzw. Kontakte 74. Durch den Einsatz von geeigneten Messmethoden wie beispielsweise differenzielle Spannungsverstärker bzw. Messverstärker 66 sowie von entspre- chenden Berechnungsmethoden wie beispielsweise Parameterschätzverfahren, realisiert in einem Parameterschätzer 68, ist eine zeitkontinuierliche, präzise Ermittlung der steuergeräteinternen Widerstände R als elektrische Kenngröße möglich.

In den nachfolgend gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgt eine Diagnose in zwei Schritten. Zunächst wird die elektrische Kenngröße wie beispielsweise der elektrische Widerstand R von Bauteilen bzw. Strompfaden auf Basis der Messgrößen U, I (als Maß für den durch das Bauteil fließenden Strom I bzw. als Maß für die an dem Bauteil abfallende Spannung II) und durch Einsatz von Parameterschätzverfahren ermittelt. Anschließend erfolgt eine Auswertung der Ergebnisse und bei Bedarf eine Einleitung anschließender Systemreaktionen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 wird als erste Applikation eine Diagnose der elektrischen Eigenschaft eines stromführenden Elements wie beispielsweise ein Schaltmittel 60 (Figur 2), beispielsweise ein Transistor, besonders bevorzugt ein MOSFET, bzw. eine Sicherung 62 (Figur 3) dargestellt. Durch das stromführende Element 60,62 fließt ein Strom I. An dem stromführenden Element 60,62 fällt eine Spannung U ab. Die Bestimmung der Widerstände R der stromführenden Elemente bzw. Bauteile 60,62 setzt die Messung der elektrischen, differenziellen Spannung U, die zwischen den beiden Bauteile- Anschlüssen bzw. über die Bauteile anliegt, voraus. Der Versorgungspfad 59 setzt sich aus zwei parallel verschalteten Teilpfaden, die zumindest teilweise in dem Steuergerät 78 angeordnet sind und entsprechende stromführende und den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16,25 absichernde Bauteile 60,62 wie beispielsweise Schaltmittel 60 bzw. Sicherungen 62. umfassen. In hochsicherheitsrelevanten Anwendungen wird teilweise redundante Hardware verwendet, sodass beim Ausfall eines Teils des Systems der gesamte Betrieb mithilfe der redundanten Auslegung trotzdem weiterhin aufrechterhalten werden kann. Dies ist beispielhaft in den Figuren 2 und 3 dargestellt durch entsprechende parallelver- schalteten von Schaltmittel und 60 (Figur 2) bzw. Sicherungen 62 (Figur 3). Prinzipiell lässt sich das Verfahren auch für die Konstellationen gemäß den Figuren 2 bzw. 3 anwenden. In der Praxis kommt es zu weiteren Kombinationen von zwei oder mehr parallelverschalteten Schaltmitteln 60 und/oder von zwei oder mehr parallelverschalteten Sicherungen 62, sodass sich beispielhaft eine Konstellation gemäß Figur 4 ergibt. Hierbei sind zumindest beispielhaft zwei Schaltmittel 60 und zumindest zwei Sicherungen 62 jeweils parallel zueinander verschaltet. Der Versorgungspfad 59, der zumindest teilweise in dem Steuergerät 78 angeordnet ist, weist in diesem Ausführungsbeispiel vier parallele und damit redundante Teilzweige auf. Sie werden von einem Strom I, wie er vor den Parallelverzweigungen fließt, gespeist. An den stromführenden und den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16,25 absichernden Bauteilen wie den Schaltmitteln 60 bzw. Sicherungen 62 fällt eine Spannung U ab.

Wie in Figur 5 exemplarisch für die Konstellation gemäß Figur 4 gezeigt erfolgt die Messung der differenziellen Spannung U durch Einsatz eines geeigneten Spannungsmessers wie beispielsweise ein Differenzverstärker 66. Der Strom I wird durch eine entsprechende Messvorrichtung wie beispielsweise ein Messwiderstand 64 bzw. Mess-Shunt gemessen. Die Ausgangsgrößen des Messwiderstands 64 als Maß für den fließenden Strom I sowie des Differenzverstärkers 66 als Maß für die Spannung U werden dem Parameterschätzer 68 zugeführt. Der Parameterschätzer 68 kommt zum Einsatz, um die elektrische Kenngröße wie den resultierenden Widerstand R des stromführenden Bauteiles 60,62 insbesondere unter Ausschluss eines großen Anteils der Messfehler, die sich während der Messung sowohl als zufällige als auch als systematische Fehlerquantitäten äußern können, zu bestimmen.

Wenn alle MOSFETs 60 und Sicherungen 62 des Parallelkonstrukts intakt im Betrieb sind, fließt der gesamte Strom I durch alle vier Bauelemente 60, 62. Der Gesamtleitwert G dieses Konstrukts lässt sich als Summe der elektrischen Leitwerte der vier Bauelemente 60,62 bilden. Verschlechtert sich der Leitwert von mindestens einem der Bauelemente 60,62 oder im schlimmsten Fall, wenn sich die Verbindung (e.g. Lötstelle) zur Leiterplatte löst, spiegelt es sich direkt im Leitwert G beziehungsweise im Widerstand R des gesamten Konstrukts bzw. Versorgungspfads 59 wieder. Der Gesamtleitwert G wird geringer, der Gesamtwiderstand R wird größer. Als einfaches Beispiel: unter der Annahme, dass alle Bauteile 60,62 im Nennbetrieb den gleichen Widerstandswert aufweisen, erhöht sich beim Wegfall eines der vier parallelgeschalteten Bauteile 60, 62 der Gesamtwiderstand um ca. 33% in Bezug auf den ursprünglichen Gesamtwiderstand R. Wenn der Gesamtwiderstand R im Laufe des Betriebs mit Hilfe von Messgrößen U, I und einem Widerstandsbeobachter oder Parameterschätzer 68 ständig überwacht wird, macht sich anhand einer Änderung des Gesamtwiderstands R der Wegfall eines der vier Bauelemente 60, 62 sofort bemerkbar. Dieser als latent betrachtete Fehler lässt sich somit detektieren. Eine Verschlechterung des Widerstands R kann im Prinzip auch erkannt werden, vorausgesetzt es ist genügend Stromanregung vorhanden. Figur 5 zeigt den Aufbau solcher Vorrichtung zur Ermittlung des Widerstandes R.

Überschreitet die Änderung im geschätzten Widerstand R des Konstrukts gemäß Figur 4 einen gewissen Grenzwert Rg, kann dies als Fehler registriert werden, woraufhin entsprechende Reaktionen getriggert werden können (z.B. Eintrag in den Fehlerspeicher oder Weitergabe der Fehlerinformation an ein übergeordnetes Energiemanagementsystem zur Weiterverarbeitung zum Beispiel Fahrerwarnung oder Degradation des Fährbetriebs).

Auch im Falle, dass kein Bauteilwegfall vorliegt, die elektrische Leitfähigkeit G der einzelnen Bauteile (Schaltmittel 60 und/oder Sicherung 62) sich jedoch verschlechtert, kann dies auch als Latentfehler betrachtet werden, da diese Verschlechterung sich auch im Gesamtwiderstand R widerspiegelt.

Der Ersatzwiderstand des Parallelkonstrukts wird nun als R gekennzeichnet.

Der Widerstand R ist die entsprechende Kenngröße dieses, in der Hauptanwendung recht einfachen, Netzwerkmodells und wird nachfolgend in einem Parametervektor x _k zusammengefasst.

Vorhandene Spannungs- und Strommessungen sind in das obige Ersatz- Schaltbild als U, I eingezeichnet und werden in den nachfolgenden Formeln ggf. als UFET+FUSE (bzw. UD als differenzielle Spannung) bzw. IFET+FUSE bezeichnet.

Es ergibt sich folgende Gleichung, welche das Netzwerkmodell nach Ohm'schen Gesetz beschreibt:

U _D = I ■ R Die Gleichung lässt sich in Form der interessierenden Kenngröße, nämlich des Widerstands /? als Parametervektor x _k , beschreiben. Der Parametervektor Xk lässt sich somit unter Verwendung des Parameterschätzers 68 unter Rückgriff auf entsprechende Messwerte, die in dem Messvektor Zk zusammengefasst sind, für jeden neuen Zeitschrift aktualisieren.

Nachfolgend sind die entsprechenden Größen wie bereits beschrieben in entsprechenden Vektoren bzw. Matrizen zusammengefasst:

Parametervektor: x _k = [S] ,

Systemgleichung: f(x _k-1 ,u _k ) = x _k ^ , Messvektor:z _fe = [l/ _D ]

Residuum: h(x _k ,Ö) = [U _o - J ■ Ä]

Zur rekursiven Lösung des Gleichungssystems wird im Ausführungsbeispiel als Parameterschätzer 68 ein sogenannter Extended Kalman Filter (EKF) verwendet. Alternativ könnten auch weitere Parameterschätzer 68 wie beispielsweise (rekursive) Least-Square-Verfahren, oder weitere Zustandsschätzer wie Standard- /Unscented -Kalman-Filter, Partikelfilter oder änhliche Schätz- /Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen.

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 Widerständen 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 m die zu messende physikalisch Größe, z.B. Strom I oder Spannung U, dar. Entsprechend ist m die im Allgemeinen abweichende Messung. Die Parameter a, b entsprechen Verstärkung und Bias (konstante überlagerte

Größe). Ein perfekter Sensor läge bei a = 1, b = 0 vor. Kann man nun a, b schätzen (auch Kalibration genannt), kann der systematische Messfehler kompensiert werden.

Im Allgemeinen sind meist mehrere Sensoren und entsprechende systematische Messfehler vorhanden. Für die Schätzung der Widerstände ist allerdings nur der kumulierte Einfluss dieser Fehler auf die Schätzung der Widerstände relevant. Daher können die zusätzlich zu schätzenden Parameter stark reduziert werden, was eine Kalibrierung meist erst möglich macht. Bei der Schätzung des Ersatzwiderstands des Parallelkonstrukts und entsprechenden Messstellen ergibt sich die Spannung UD ZU UD ⁼ ^FET+FUSE^ ■

Nimmt man nun obiges Modell für die systematischen Messfehler an, ergibt sich

Damit muss statt der Bias b der Bias b _± 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 m = (a - m + b) + e. Die Anpassung der Parameterschätzung kann durch Aufnahme der weiteren Parmeter in h(x _k ,O) und x _k erfolgen.

Das Schätzverfahren, z.B. ein Kalman-Filter, liefert dann nach Möglichkeit eine Schätzung der Widerstände R und der ggf. kumulierten Parameter der Messgleichungen mit minimaler Varianz, d.h. mit größtmöglicher Schätzgüte.

Die Struktur des Kalman-Filters als wesentlicher Bestandteil des Parameterschätzers 68 ist in Figur 6 gezeigt. Der Parameterschätzer 68 umfasst zumindest eine Prädiktion 67 bzw. Zeit-Update. Als Eingangsgrößen gelangen an die Prädiktion 67 eine initiale Schätzung der Zustandsgröße xk, sowie eine initiale Schätzung Pk-1 der Fehlerkovarianz Pk. Außerdem gelangen im eingeschwungenen Zustand die aktuell ermittelten Ausgangswerte aus einer Korrektur 69 (bzw. Messungs-Update), nämlich der aktuelle Parametervektor xk sowie die aktuelle Fehlerkovarianz Pk, als Eingangsgrößen an die Prädiktion 67.

In der Prädiktion 67 erfolgt eine Aktualisierung bzw. ein Zeit-Update. Hierbei erfolgt eine Zustandsvorhersage der Zustandsvariablen xk in Form der Gleichung

X _k = Xk-l.U )

Außerdem erfolgt in der Prädiktion 67 eine Vorhersage der Fehlerkovarianzmatrix Pk in Form der Gleichung

Pfc

Wobei

Ak: Jacobi-Matrix von f Xk-iAik)

Wk: Systemmatrix des Systemrauschens

Qk-1 : Varianz des Systemrauschens

Die Ausgangsgrößen x _k sowie P gelangen als Eingangsgrößen an den Block Korrektur 69. In der Korrektur 69 erfolgt eine Aktualisierung der Schätzwerte anhand der Messungen). Zunächst erfolgt eine Berechnung des sogenannten Kalman-Gains K _k mit der Formel K _k = P _k H ^T _k H _k P _k H ^T _h + F^F^ ¹

Wobei

Hk: Jacobi-Matrix von h(xj~,O)

Vk: Systemmatrix des Messrauschens

Anschließend erfolgt in der Korrektur 69 das Schätzungs-Update anhand der Messung gemäß der Formel:

Zuletzt erfolgt in der Korrektur eine Aktualisierung der Fehlerkovarianz Pk gemäß der Formel:

P _k = (I - K _k H _k )P _k

Wobei I der Einheitsmatrix entspricht.

Es erfolgt somit eine Schätzung des Erwartungswertes und der Kovarianz der Kenngrößen x _ft . In einem ersten Schritt des Filtervorgangs wird die zeitlich vorangegangene Schätzung der Zustandsdynamik unterworfen, um eine Voraussage für den aktuellen Zeitpunkt zu erhalten. Die Vorhersagen werden in dem Block Korrektur 69 mit den neuen Informationen der aktuellen Messwerte korrigiert und ergeben die gesuchte aktuelle Schätzung.

In Figur 7 wird ein Ansatz zur Ermittlung des Schwellwerts Rn beschrieben. Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen wurde zur Auswertung der Ergebnisse ein Schwellwert des maximalen Widerstands Rn herangezogen. Dieser nominelle Wert kann sich beispielsweise aus den Spezifikationen der Bauteile 60, 62 oder durch vorhandene Kenntnisse oder Erfahrungen der Funktionsentwicklung ableiten. Der Schwellwert Rn kann einen fixen Wert besitzen, alternativ kann der Schwellwert Rn als Berechnungsmodell ausgeführt sein. Das Berechnungsmodell kann abhängig vom aktuellen Arbeitspunkt den Schwellwert Rn entsprechend anpassen. Zur Ermittlung des aktuellen Arbeitspunkts können weitere externe Einflüsse wie beispielsweise Temperatur T oder Ähnliches berücksichtigt werden.

Dies ist beispielhaft in Figur 7 gezeigt. Ein Widerstandsbeobachter 86 ermittelt auf Basis der Messgrößen für Spannung U und Strom I den aktuellen Widerstand Rm der parallel verschalteten Schaltmittel 60 und/oder Sicherungen 62. Beispielhaft sind jeweils zwei Parallelschaltungen von Schaltmittel 60 und Sicherungen 62 als stromführende und den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16,25 absichernde Bauteile in dem Lastverteiler 18 vorgesehen mit zugehörigen Versorgungspfad 59 im Steuergerät 78. Parallel wird der nominelle Widerstand Rn bzw. Schwellwert Rn anhand eines Widerstandsmodells 88 online berechnet. Das Widerstandsmodell 88 ist beispielhaft als thermisches Modell realisiert. Das Widerstandsmodell 88 ermittelt den nominellen Widerstand Rn anhand der gemessenen Bauteiletemperatur T. Die Auswertung der Ergebnisse findet in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit 90 (Hardware-Fehler-Überwachung) statt. Abhängig von dem Vergleich der Ausgangsgröße Rm (geschätzter Widerstand Rm) des Widerstandsbeobachters 86 und der Ausgangsgröße Rn des Widerstandsmodells 88, dem Schwellwert Rn, kann eine Fehlerinformation 92 generiert werden. Die entsprechenden Fehlerreaktionen auf diese Fehlerinformation 92 könnte beispielsweise in einem Eintrag in einen Fehlerspeicher oder eine Weitergabe der Fehlerinformation 92 an ein übergeordnetes System, beispielsweise Energiemanagementsystem zur Weiterverarbeitung beispielsweise in Form einer Fahrerwarnung oder Degradation des Fährbetriebs vorgenommen werden. Weiterhin ist zur Entprellung, bzw. zur Vermeidung falsch erkannter Fehler eine Entprel I- funktion vorgesehen, die nur dann einen Fehler 92 meldet, wenn beispielsweise der geschätzte Widerstand Rm eine Anzahl n mal hintereinander die Toleranzschwelle überschreitet.

Als ein einfaches Beispiel: unter der Annahme, dass alle Bauteile 60, 62 im Nennbetrieb den gleichen Widerstandswert aufweisen, erhöht sich beim Wegfall eines der vier parallelgeschalteten Bauteile 60, 62 der Gesamtwiderstand um ca. 33% in Bezug auf den ursprünglichen Gesamtwiderstand.

In einem weiteren Teil des Systems erfolgt eine Überwachung der Aktualität der ermittelten Widerstandswerte Rm. Die Einsatzfähigkeit des Fahrzeugs hängt davon ab, ob die notwendigen Prüfintervalle der Steuergeräte 78 eingehalten wurden. Ist längere Zeit kein verlässlicher Wert verfügbar, kann keine sichere Aussage über die Funktionsfähigkeit getroffen werden. Dies erfolgt über Abspeicherung eines Zählerstandes im nichtflüchtigen Speicher der Recheneinheit. Der Zähler zählt die definierten Prüfzyklen (z.B. Fahrzyklen oder KI15 ein/aus Zyklen) und ergreift bei Überschreiten eines Grenzwertes eine definierte Maßnahme.

Folgende Maßnahmen werden ergriffen, wenn kein aktueller Widerstand Rm verfügbar ist:

Schritt 1 : Anforderung zur Erzeugung eines Lastpulses an das Fahrzeug stellen

Schritt 2: Falls Anforderung erfolglos, Fahrermeldung generieren.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 versteht sich als Erweiterung der vorherigen Anwendungen. In Steuergeräten 78 finden sich sehr häufig elektrische Netzwerke, die im Prinzip als Zusammenführung der vorherigen Anordnungen angesehen werden können. Auch Teile der in Steuergeräten 78 verwendeten Leiterplatten lassen sich als Teil der stromführenden Pfade ansehen. Sind Strommessungen in den jeweiligen Strompfaden zum Beispiel mithilfe von Messwiderständen 64 vorhanden, dann lassen sich der Widerstand der einzelnen Strompfade samt Bauelemente (Schaltmittel 60 und/oder Sicherung 62, gegebenenfalls auch parallel verschaltetet) und Kupferschiene (Leitungswiderstand Reu) durch eine Platzierung entsprechender Spannungsmesspunkte bestimmen.

In Figur 8 ist ein Beispiel eines einfachen Netzwerks, bestehend aus zwei Strompfaden, die sich kreuzen, zu sehen. In jedem Zweig befinden sich Bauteile wie Schaltmittel 60 und/oder Sicherung 62, jeweils parallelverschalteten. Die Geamtwiderstände R in den jeweiligen Pfaden R1 , R2 verstehen sich jeweils als Summe aller vorhandenen Widerstände in den Stromzweigen (Gesamtwiderstand RFET+FUSE der stromführenden Bauteile 60, 62, der Stromschiene bzw. Leiterplatten-Stromschiene Reu). Dabei können die Bauteile 60, 62 beliebig oft, analog zu den beschriebenen Anwendungen, parallel geschaltet werden. Eine Strommessung mit zugehörigem Messwiderstand 64 ist in jedem Stromzweig vorhanden. Somit werden die jeweiligen Strommesswerte 11 , I2 neben dem Spannungsabfall U dem Parameterschätzer 68 zugeführt zur Ermittlung der jeweiligen Gesamt-Widerstände R1 , R2 in den einzelnen Strompfaden. Entsprechende Spannungsmesspunkte zur differenziellen Spannungsmessung U über den Messverstärker 66 sind wie gezeigt jeweils zwischen den stromführenden Bauelementen 60, 62 und jeweiligen Messwiderständen 64 vorzusehen. Das Prinzip lässt sich ohne Einschränkungen ver- wenden, wenn sich das Netzwerk verkompliziert, beispielsweise durch Hinzufügen weiterer Strompfade und weiterer Bauelemente wie Schaltmittel 60 und/oder Sicherungen 62. Für Sternpunkte mit n-Abzweigungen und somit n Strangwiderständen Rn können mit n/2 differenziellen Spannungsmessverstärkern 66 alle Strangwiderstände Rn überwacht werden.

Wie in Figur 9 angedeutet umfasst der gesamte Versorgungspfad 59 neben den stromführenden Bauteilen 60,62 und Leiterbahnen auch noch Kontakte 74. Diese dienen im Steuergerät 78 als Schnittstelle zur Außenwelt und verbinden die steuergeräteinternen Versorgungspfade 59 an die externen Kabelbäume. Die Kontakte 74, zum Beispiel Steckkontakte, sind im Prinzip mit Leiterplatten 76 beispielsweise gelötet oder geschweißt verbunden, meistens über mehrere Stellen oder Pins. Bedingt durch Fahrzeugvibration oder durch Alterung können sich diese Kontakte 74 während der Laufzeit verschlechtern oder sogar lösen. Die Fähigkeit der Stromführung kann dadurch stark beeinträchtigt werden. Es liegt ein potentieller Latentfehler vor. Aus diesem Grunde ist eine Überwachung der elektrischen Kontakteigenschaften der Kontakte 74 aus Sicherheitssicht von Interesse.

Die Messstrecke bzw. Versorgungspfad 59, deren Gesamtwiderstandswert R überwacht wird, kann durch geeignete Festlegung der differenziellen Spannungsmesspunkte erweitert werden. Legt man wie in Figur 9 unten die Spannungsmesspunkte nicht mehr nur über die stromführenden Bauteile wie Schaltmittel 60 und/oder Sicherung 62, sondern an die Pins der Kontakte 74 des Steuergeräts 78 wie in Figur 10 gezeigt, kann man für den gesamten Strompfad bzw. Versorgungspfad 59 samt Bauteil 60, 62, Leiterbahn (zugehöriger Widerstand Reu) und Steckkontakt (zugehöriger Widerstand R _CO nn) den gesamten Widerstand R überwachen. Dazu wird ein Pin des Kontakts 74 als Sense-Leitung bzw. Spannungsabgriff genutzt, während die anderen Pins weiterhin die Stromführung zur Aufgabe haben.

Werden die Sense-Leitungen bzw. Spannungsabgriffe außerhalb des Steuergeräts 78 ausgelegt, kann die zu überwachende Strecke noch weiter ausgebaut werden. Der überwachte Strompfad besteht nun aus den stromführenden Bauteilen wie Schaltmittel 60 und/oder Sicherung 62, den Leiterbahnen (Reu) und dem gesamten Steckkontakt-System (Rconn) inklusive Gegenstecker wie in Figur 10 gezeigt. Der Leistungsverteiler 18 mit zugehöriger Überwachungsschaltung 34 ist beispielsweise in einem 12 V-Bordnetz 13 in einem Kraftfahrzeug direkt an der Schnittstelle zwischen dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 und dem sicherheitsrelevanten T eilbordnetz 11 , insbesondere ASI L-qualifizierten T eilbord- netz 11 angeordnet. Es umfasst zumindest das Trenn-und Verbindungsmodul, welches aus dem Hauptpfad 30 und dem parallelverschalteten Zusatzpfad 50 bzw. Versorgungspfad 59 mit zugehörigen Bauteilen 60,62 besteht. Die Verwendung ist jedoch darauf nicht eingeschränkt.