Die Erfindung betrifft Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem elektrischen Netzwerk, wobei das elektrische Netzwerk eine Mehrzahl von elektrischen Netzwerkkomponenten aufweist. Insbesondere betriff die Erfindung ein Verfahren, mit dem es möglich sein soll, alle relevanten Fehler in einem DC-Energieversorgungs-Leitungsnetz, insbesondere in einem 48 V-Kfz- Bordnetz, zu detektieren, zu lokalisieren und identifizieren.

Die Fehler, die insbesondere in einem 48 V-Kfz-Bordnetz auftreten können und detektiert werden sollen, sind u.a. Kurzschlüsse gegen Masse, Leitungsbrüche oder unbeabsichtigtes Öffnen von Steckkontakten, Wackelkontakte, Kontaktalterung bzw. Verschlechterung von Übergangswiderständen durch z.B. Korrosion und schleichende Kurzschlüsse, die Fehlerströme hervorrufen können. Neben Fehlerzuständen sollen auch normale Betriebszustände spezifisch erkannt werden.

Die Anforderungen an Niedervolt-Energieversorgungssysteme in Kraftfahrzeugen steigen stetig an. Durch die Erhöhung des Leistungsbedarfs durch neue Verbraucher, aber auch durch größere Leistungsanforderungen bereits bekannter Verbraucher kommt die etablierte 12 V- Spannungsebene an ihre Grenzen. Um die Leitungsquerschnitte reduzieren zu können, wurde mit 48 V eine neue Niedervolt-Spannungsebene für Kraftfahrzeuge (Kfz) eingeführt. 48 V- Bordnetze befinden sich auch bei Abweichungen von der Nennspannung, durch z.B. einen hohen Ladezustand, noch im Bereich der Schutzkleinspannung.

In 48 V-Kfz-Bordnetzen besteht, anders als bei konventionellen 12 V-Netzen, zusätzlich zu den oben genannten Fehlern, die Gefahr der Entstehung von Lichtbögen. Bei Lichtbogenfehlern in Energieversorgung snetzen unterscheidet man zwischen seriellen und parallelen Lichtbögen. Serielle Lichtbögen sind Fehlerzustände, die durch z.B. Leitungsbrüche, schlechten Kontakt von Steckverbindern durch Korrosion oder Trennung von stromtragenden Steckverbindern entstehen können. Sie treten in Serie zur Last auf. Parallele Lichtbögen treten auf, wenn eine spannungstragende Komponente (z.B. eine 48 V- Verkabelung bei beschädigter Isolation) in Kontakt mit Komponenten niedrigeren Potentials (z.B. 12 V oder 0 V/Masse) kommt, und sind in der Regel deutlich stromintensiver. Ist der Kontakt zu niedrigerem Potential zeitlich kurz genug und der entstehende Lichtbogenwiderstand hoch genug, so dass die Trägheit und die Stromtragfähigkeit der absichernden Schutzeinrichtung (z.B. Flachstecksicherung) ein Auslösen verhindert, kann ein stabiler Lichtbogen entstehen, welcher im Ext- remfall einen Fahrzeugbrand verursachen kann. Diese Lichtbögen treten parallel zur Last auf.

Einige der erwähnten neuen Steuergeräte bringen deutlich sicherheitskritischere Funktionen in das Kfz als bisher vorhanden. Speziell im Zusammenhang mit Energieversorgungs- Systemen für hochautomatisiertes oder autonomes Fahren sind die Anforderungen an die Zu- verlässigkeit und Verfügbarkeit extrem hoch. Daher ist es essentiell, eine ausreichende Bewertung der Zuverlässigkeit für individuelle Bordnetze und eine Möglichkeit der Fehlerdetek- tion, -lokalisierung und -Identifikation zu integrieren. Nicht nur die Betrachtung von Lichtbögen, sondern auch Diagnosemethoden für beliebige Bordnetzfehler, sind daher notwendig. Aus der Praxis bekannt sind bereits einige Verfahren, mit denen Fehler, insbesondere serielle und/oder parallele Lichtbögen, in der genannten Umgebung erkannt werden können. Einige davon basieren darauf, typische Frequenzen zu identifizieren, die von Lichtbögen in das Bordnetz abgegeben werden, oder eigens eingekoppelte Hilfssignale zu beobachten, um so ein hinreichendes Indiz für das Vorhandensein eines Lichtbogens zu erhalten.

Die DE 10 2014 206 925 AI beschreibt ein Verfahren, das durch Überwachung eines selbst eingekoppelten Prüfsignals die Lichtbogendetektion sicherstellen soll. Hierbei wird von einer Sendeeinheit ein Prüfsignal auf eine Leitung eingekoppelt und von einer Empfangseinheit ausgewertet. Falls das Prüfsignal die Empfangseinheit nicht erreicht, was z.B. durch ein Handshake-Verfahren überprüft werden kann, kann unter bestimmten Voraussetzungen auf das Vorhandensein eines Lichtbogens oder die Unterbrechung der Strecke geschlossen werden. Auch eine Bewertung der Änderungen des empfangenen Prüfsignals kann Hinweise auf einen Lichtbogen liefern. In der DE 103 59 532 wird ein Verfahren beschrieben, das den Lichtbogen als breitbandige Rauschquelle in einem Verteilungsnetz identifiziert. Hierzu wird ein spezifischer Rauschdetektor aufgebaut, der die natürlich vorhandenen Signale von denen der durch einen Lichtbo- gen erzeugten unterscheiden kann. Der Aufbau beinhaltet einen Bandpassfilter, gesteuert von einem Mikroprozessor, der die entsprechenden Frequenzen des Filters einstellt. So kann das Spektrum abschnittsweise untersucht werden. In der DE 10 2004 037 193 AI wird eine ähnliche Herangehensweise verfolgt. In der DE 101 32 952 B4 bzw. AI wird schließlich ein Verfahren beschrieben, das auf Basis der bekannten Lichtbogenspannung eine Lichtbogenerkennung bietet. Ein Messmittel vor einer Last misst hierbei die an der Last anliegende Spannung. Sobald ein Spannungsabfall um die bekannte Lichtbogenspannung auftritt, soll die Last abgeschaltet oder wenn möglich erhöht werden, um den Lichtbogenstrom so weit abzusenken bis der minimale Lichtbogenstrom unterschritten wurde und der Lichtbogen erlischt. Da jedoch auch in normalen Betriebszu- ständen hohe Spannungseinbrüche, z.B. im Startmoment, auftreten können, sieht das Verfahren eine Wiedereinschaltung der abgeworfenen Lasten vor. Unter der Annahme, dass ein serieller Lichtbogen z.B. aufgrund eines Kabelbruchs oder eines schlechten/unterbrochenen Kontaktes innerhalb von Steckverbindern auftritt, besteht nach Löschung des seriellen Lichtbo- gens keine Versorgung der überwachten Last mehr. Der Versuch der Wiedereinschaltung bestätigt oder widerlegt also die vorherige Identifikation eines seriellen Lichtbogenfehlers.

Ein solches Verfahren ist je nach angeschlossenem Steuergerät nicht zweckdienlich. Besonders sicherheitskritische Funktionen und Steuergeräte dürfen nicht ohne das Vorhandensein eines Fehlers abgeschaltet werden. Auch der wiederkehrende Normalzustand nach Auslösung und die erneute Einschaltung zur Probe ist kein ausreichendes Indiz dafür, dass kein serieller Lichtbogen stattgefunden hat. Es besteht die Möglichkeit, dass bei seriellen Lichtbögen eine erneute Verbindung durch z.B. Zusammenschweißen der gelösten Kontakte oder gebrochenen Kabelenden hergestellt wird. Die Tatsache, dass ein Lichtbogen entstanden ist, muss trotzdem detektiert werden, um mögliche Spätfolgen oder daraus resultierende Fehler, wie z.B. Kurzschlüsse durch beschädigte Isolation, abschätzen zu können. Zusätzlich muss die Spannungsversorgung des messenden Steuergerätes sichergestellt sein und darf nicht über die vom Lichtbogenfehler betroffene Leitung geschehen, da sonst die Funktionalität nicht sichergestellt werden kann.

Den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist somit gemein, dass zur Fehlerdiagnose eines elektrischen Netzwerks ein vorrichtungsmäßig großer Aufwand betrieben werden muss, ohne dass die Diagnose auf einfache und verlässlich Weise zu befriedigenden Ergebnissen führt. Insbesondere haben Fehlerzustände, die eine Versorgung der verwendeten Messmittel betreffen, die Auswirkung, dass die Erkennung nach den vorgestellten Patenten nicht mehr ausgeführt werden kann. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem elektrischen Netzwerk mit einer Mehrzahl von elektrischen Netzwerkkomponenten anzugeben, mit dem es auf einfache und verlässliche Weise möglich ist, einen Fehler bezüglich einer elektrischen Netzwerkkomponente zu detektieren, zu lokalisieren und identifizieren. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen beschrieben.

Insofern liegt die Erfindung also in einem Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem elektrischen Netzwerk, wobei das elektrische Netzwerk eine Mehrzahl von elektrischen Netzwerkkompo- nenten aufweist, mit folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Simulationsmodells für das elektrische Netzwerk, das wenigstens für einen Teil der elektrischen Netzwerkkomponenten, vorzugsweise für alle elektrischen Netzwerkkomponenten, jeweils ein Netzwerkkomponentenmodell sowie für wenigstens einen Teil der bezüglich der Netzwerkkomponenten möglichen elektrischen Fehler jeweils ein Fehlermodell enthält, wobei

jedes Fehlermodell einer jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponente als mögliche elektrische Zustände der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponenten je- weils einen elektrischen Normalzustand der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponente und wenigstens einen elektrischen Fehlerzustand der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponente aufweist, und

eine Mehrzahl von voneinander verschiedener möglicher Netzwerkzustände über die Permutation wenigstens eines Teils der jeweils möglichen elektrischen Zu- stände der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponenten definiert ist,

Bestimmen des jeweiligen aktuellen elektrischen Zustands einer Mehrzahl der elektrischen Netzwerkkomponenten des elektrischen Netzwerks, und

Ermitteln des aktuellen Netzwerkzustands durch Feststellen, welcher im Simulationsmodell definierte mögliche Netzwerkzustand die einzelnen aktuell bestimmten elektrischen Zustände der elektrischen Netzwerkkomponenten aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt eine Besonderheit darin, dass darauf verzichtet werden kann, neue Steuergeräte oder Messeinrichtungen in das elektrische Netzwerk einzubringen. Vielmehr ist es möglich, z.B. bei einem Bordnetz mit elektrischen Steuergeräten, in den Steuergeräten vorhandene Sensoren zu nutzen, um durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Zustandserkennung und Fehlerdiagnose zu verwirklichen. Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich die Sensorik nicht in unmittelbarer Umgebung des zu beobachtenden elektrischen Netzwerks oder Teilnetzwerks befinden muss, wie es bei einem Großteil der bekannten Konzepte der Fall ist, sondern dass auch in anderen Zweigen aufgenommene Messwerte aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegen die zu erkennenden Änderungen im Netzwerk geeignet sein können. Die elektrischen Zustände der Netzwerkkomponenten können grundsätzlich unterschiedliche Eigenschaften sein, die eine Netzwerkkomponente in elektrischer Hinsicht charakterisieren. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der elektrische Zustand einer Netzwerkkomponente ein Stromwert und/oder ein Spannungswert und/oder ein Widerstandswert ist. Das bedeutet, dass sowohl dem Normalzustand als auch jedem Fehlerzustand einer elektrischen Netzwerkkomponente ein jeweiliger Stromwert in Ampere, Spannungswert in Volt und/oder Widerstandswert in Ohm für diese Netzwerkkomponente zugeordnet ist. Vorzugsweise dient das erfindungsgemäße Verfahren dazu, festzustellen, welche Art von Fehler (z.B. Kurzschluss, Leitungsbruch usw.) bei genau welcher Netzwerkkomponente vorliegt. Dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass den im Simulationsmodell definierten möglichen Netzwerkzuständen jeweils eine Beschreibung zugeordnet ist, welche Art von Fehler an welcher elektrischen Netzwerkkomponente aktuell vorliegt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch auch vorgesehen, dass in dem Simulationsprogramm mögliche Netzwerkzustände, deren zugehörige elektrische Zustände der elektrischen Netzwerkkomponenten jeweils maximal um einen jeweiligen vorbe- stimmten Wert voneinander abweichen, eine gemeinsame Klasse bilden. Auf diese Weise können Netzwerkzustände mit ähnlichen elektrischen Zuständen der Netzwerkkomponenten zusammengefasst werden, um die Art des Fehlers bzw. der Fehler in dem elektrischen Netzwerk zumindest einzugrenzen. Grundsätzlich ist es natürlich hilfreich, wenn das Simulationsmodell möglichst viele oder alle elektrischen Netzwerkkomponenten des elektrischen Netzwerks modellmäßig abbildet. Vorzugsweise berücksichtigt das Simulationsmodell als Netzwerkkomponenten wenigstens einerseits eine Batterie und/oder einen Generator und andererseits eine Mehrzahl von Verbrau- chern und eine Mehrzahl von Leitungen zwischen den Verbrauchern selbst sowie zwischen den Verbrauchern und der Batterie und/oder dem Generator.

Bei der Permutation wenigstens eines Teils der jeweils möglichen elektrischen Zustände der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponenten können grundsätzlich alle Zustände einer jeden elektrischen Netzwerkkomponente mit allen Zuständen aller anderen elektrischen Netzwerkkomponenten kombiniert werden. Die Permutation kann jedoch vereinfacht werden, z.B. dadurch, dass man die Annahme trifft, dass nie zwei Fehler gleichzeitig auftreten. Insofern ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei der Permutation wenigstens eines Teils der jeweils möglichen elektrischen Zustände der jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponenten nur solche Permutationen verwendet werden, die für lediglich eine einzige elektrische Netzwerkkomponente einen elektrischen Fehlerzustand aufweisen.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die je- weiligen aktuellen elektrischen Zustände einer Mehrzahl der elektrischen Netzwerkkomponenten des elektrischen Netzwerks wenigstens teilweise über einen Bus von den jeweiligen elektrischen Netzwerkkomponenten an eine Diagnoseeinrichtung übertragen werden, in der das Ermitteln des aktuellen Netzwerkzustands durchgeführt wird. Derartige Busse werden in typischen Kfz-Bordnetzen genutzt.

Außerdem betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines Verfahrens, wie zuvor beschrieben, für ein Bordnetz eines Fahrzeugs als elektrisches Netzwerk, vorzugsweise für das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, ganz besonders bevorzugt für ein 48 V-Kfz-Bordnetz. Dabei umfassen die Netzwerkkomponenten vorzugsweise Steuergeräte mit Strom- und/oder Spannungssensoren, wobei das Bestimmen des jeweiligen aktuellen elektrischen Zustands einer Mehrzahl der elektrischen Netzwerkkomponenten des elektrischen Netzwerks die Erfassung von Strom- und/oder Spannungs werten mittels dieser Strom- und/oder Spannungssenso- ren erfolgt. Ganz besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die Erfassung von Strom- und/oder Spannungswerten ausschließlich mittels dieser Strom- und/oder Spannungssensoren erfolgt. Auf diese Weise entfällt das Erfordernis, für das erfindungsgemäße Verfahren eigene Sensoren zu installieren, was die Sache weiter vereinfacht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Schema einer modellbasierten Überwachung und Fehlerdiagnose in einem

Kfz-Bordnetz,

Fig. 2 schematisch ein Bordnetz gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der

Erfindung mit der Besonderheit einer fehlenden Messung in einem fehlerbehafteten Strang,

Fig. 3 verschiedene Netzwerkkomponentenmodelle und Fehlermodelle gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 ein Gesamtmodell des Bordnetzes gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 Variationen der Batteriespannung in Abhängigkeit der berücksichtigten Gesamtsystemzustände gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 Berechnung der Fehlernormen für einen bestimmten Netzwerkzustand und eine

Darstellung der Fehlernormen als Histogramm gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 7 der Verlauf der Netzwerkzustände gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 8 ein Ergebnis der Klassifikation und einen Vergleich der klassifizierten Netzwerkzustände gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Grundlage für die beschriebene Erfindung ist, dass in heutigen Kfz-Umgebungen bereits eine sehr große Zahl an Spannungs- und Stromsensoren vorhanden ist. Steuergeräte werden immer häufiger mit diesen ausgestattet, da sie das eigene elektrische Verhalten überwachen müssen. So gewährleistet jedes einzelne Steuergerät eine gewisse Diagnosefähigkeit. Zusätzlich ist eine vielseitige Kommunikation über unterschiedliche Bus-Systeme grundsätzlich für fast jedes Steuergerät möglich. Auf dieser Basis können die vorhandenen Sensorinformationen zu einem zentralen Steuergerät kommuniziert werden. Dort realisiert das unten vorgestellte Überwachungs- und Diagnosekonzept die Überwachung, Fehlerdetektion, -lokalisierung und -Identifikation. Fig. 1 zeigt ein Schema einer modellbasierten Überwachung und Fehlerdiagnose in einem Kfz-Bordnetz, um das modellbasierte Monitoring und die modellbasierte Fehlerdiagnose gemäß dem vorlie- genden Ausführungsbeispiel umzusetzen.

Einerseits existiert das reale Kfz-Bordnetz 1, welches an verschiedenen Stellen bzw. in den Steuergeräten Strom- und/oder Spannungswerte liefern kann. Diese Werte werden im Vektor x = (V-L, — Y zusammengefasst. Darunter in Fig. 1 findet man das Bordnetzmodell 2 mit allen berücksichtigten Fehlermodellen. Durch die Verwendung eines Simulationsmodells 3 können alle damit verbunden Fehlervektoren x _i bestimmt und einem Clustering 4 unterworfen werden. Durch den Vergleich des gemessenen Zustands mit den möglichen errechneten Zuständen im Rahmen einer Klassifikation kann festgestellt werden, ob ein Fehler vorliegt, und dieser kann eingegrenzt und über eine Ausgabe 6 ausgegeben werden.

Zur Anwendung dieses modellbasierten Verfahrens ist es erforderlich, ein Gesamtmodell für das zu überwachende reale Bordnetz 1 zu erstellen. Im einfachsten Fall wird eine Modellbildung angestrebt, die eine statische Analyse unterstützt. Das heißt, dass zur Modellbildung nur Quellen und Widerstände verwendet werden müssen. Mit diesen Teilmodellen kann nun das reale Bordnetz 1 in das Bordnetzmodell 2 überführt werden. Verhaltensvariationen der realen Komponenten werden als diskrete Zustände verstanden. Diese diskreten Zustände können an die Modelle in Form einer Parametervariation weitergegeben werden. Um die genannten Fehler im Bordnetzmodell 2 berücksichtigen zu können, müssen Fehlermodelle erstellt und an den zu überwachenden Stellen im Bordnetzmodell 2 eingefügt werden. Eine Unterscheidung zwischen fehlerfreiem Zustand (Normalzustand) und Fehlerzu- stand kann ebenfalls durch eine Parametervariation in den Fehlermodellen erfolgen. Dabei muss sichergestellt sein, dass es einen Zustand der Fehlermodelle gibt, der keinen Einfluss auf das restliche Netzwerk hat und somit einen Normalzustand darstellt. Wenn zur Simulation z.B. eine modifizierte Knotenpotentialanalyse (MNA) herangezogen wird, kann die Modellbildung für eine statische Simulation ein algebraisches Gleichungssystem der folgenden Form ergeben:

G x = b

Hierbei beschreibt G die Admittanzmatrix und b den Anregungsvektor. Der Lösungsvektor x = (v^ ... , t _\ ,■■■) beschreibt die prädizierten Strom- und Spannungswerte an verschiedenen Stellen des Netzwerks. Der Lösungsvektor x kann mehr Komponenten als der Messvektor x aufweisen. Auf der Basis des Gesamtsystemmodells können die Komponentenzustände permutiert werden. Diese Permutation bringt eine Permutationsmatrix P hervor, welche z.B. die folgende Form aufweisen kann:

Das Beispiel zeigt eine Permutationsmatrix für ein Bordnetzmodell mit fünf elektrischen Elementen. Hierbei stellen die Zeilen Variationen der Komponentenzustände und die Spalten Gesamtsystemzustände des Bordnetzes dar. Im Umfeld später beschriebener Klassifikationsund Clustermethoden werden die Strom- und Spannungsmessungen als Merkmale des jeweiligen Zustands aufgefasst und den in der Permutationsmatrix definierten Gesamtsystemzuständen zugeordnet. Eine theoretische Anzahl an Systemzuständen kann mit folgender Regel angegeben werden:

Hierbei wird die Anzahl der Zustände des Gesamtsystems # _sta tes berechnet, n stellt die Anzahl der Komponentenzustände dar, während #ld _n die Anzahl der Steuergeräte mit n Zuständen darstellt. N beschreibt die Anzahl an Zuständen, die die Komponente mit den meisten Zuständen aufweist.

Nach einer vollständigen Permutation können verschiedene vereinfachende Annahmen die Anzahl an Systemzuständen verringern. Eine Annahme kann sein, dass nie zwei Fehler gleichzeitig auftreten, dass also nicht zwei oder mehr Fehlermodelle mit einem einen Fehler beschreibenden Zustand gleichzeitig in einer Spalte der Permutationsmatrix auftreten. Nach der Definition der Gesamtsystemzustände in der Permutationsmatrix P können z.B. mit dem Verfahren gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die berücksichtigten Systemzustände simuliert und so Lösung svektoren x erstellt werden. Die Gesamtheit aller Lösungsvektoren zu den verschiedenen Systemzuständen kann in der Lö- sungsmatrix X zusammengefasst werden, wie sie im oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist.

Grundsätzlich kann jeder prädizierte Lösungsvektor x als eigene Klasse verstanden werden, der in der Klassifikation der Messvektor x zugeordnet wird (und somit auch den Zustän- den/Spalten in der Permutationsmatrix). Als Preprocessing kann allerdings ein Clustering 4, wie in Fig. 1 dargestellt, vorgesehen werden. Dieser Bereich dient der näheren Untersuchung der berücksichtigten Zustände. Hier kann eine Bewertung der Beobachtbarkeit vorgenommen werden. Während verschiedene Zustände große Differenzen aufweisen können, können manche Zustände ebenfalls hohe Ähnlichkeiten aufweisen. Diese Ähnlichkeiten können durch Gruppen- bzw. Klassenbildung identifiziert und bewertet werden. Eine Gruppenbildung kann auf Basis verschiedener Cluster- Algorithmen erfolgen. Eine Besonderheit besteht darin, dass die sinnvolle Anzahl der Klassen nicht pauschal angegeben werden kann. Daher ist eine Kombination aus unüberwachten und überwachten Verfahren anzuwenden. Eine Möglichkeit kann der k-nächste-Nachbarn- Algorithmus in Zusammenhang mit der El- bow-Methode darstellen. Bei dieser Methodenkombination wird nacheinander der k-nächste- Nachbarn- Algorithmus mit Werten für k beginnend bei 1 verwendet. Die Güte jeder Variante wird durch die Berechnung der Abweichung der zugeordneten Zustände zum Klassenschwerpunkt bewertet. Eine minimale Güte wird mit k = 1, eine 100 -ige Genauigkeit mit k = Anzahl Spalten der Permutationsmatrix erreicht. Sobald die Verbesserung der Güte im Vergleich der /c-ten und (k + l)-ten Iteration einen Grenzwert unterschreitet, wird die als optimal betrachtete Anzahl der Klassen auf diesen Wert festgesetzt. Der festzusetzende Grenzwert hängt u.a. mit der verfügbaren Messauflösung zusammen. Neben dieser Methodenkombination gibt es eine große Anzahl anderer Möglichkeiten, die prinzipiell ebenfalls verwendet werden können. Nach einer Klassenbildung kann individuell eine Beobachtbarkeit besonderer Stellen im Bordnetz bewertet werden. Wenn es keine Klasse gibt, die sowohl Normal- als auch Fehlerzustände enthält, kann von einer vollständigen Detektierbarkeit der Fehler ausgegangen werden. Bilden die verschiedenen Fehlerzustände jeweils eigene Klassen, kann zusätzlich von einer vollständigen Lokalisierbarkeit und Identifizierbarkeit ausgegangen werden. Sollten sich Mischklassen gebildet haben, kann eine Aussage darüber getroffen werden, welche Zustände nicht voneinander unterschieden werden können.

Sowohl die Komponentenmodellbildung als auch die Gesamtsystemmodellierung, die Permutation und die Simulation der Zustände, sowie die Klassenbildung kann die Grundlage für die Klassifizierung bilden und muss nicht online geschehen. Nur das Ergebnis dieser Bearbeitungsschritte wird in ein Steuergerät (Beobachter-Steuergerät) implementiert. Hierdurch wird die geforderte Rechenleistung erheblich gesenkt. Die online auszuführende Aufgabe besteht einzig und alleine darin, den Messvektor x den vorher definierten Klassen zuzuordnen. Diese Klassifikation wird durch die Klassifikation 5 in Fig. 1 repräsentiert.

Grundsätzlich können viele verschiedene Klassifizierungsalgorithmen angewendet werden und zum Ziel führen. Die einfachste Möglichkeit besteht beispielsweise ohne vorherige Klassenbildung bzw. ohne Zusammenfassung verschiedener Zustände darin, Fehlernormen (z.B. f = — Λ:||) zwischen allen simulierten Zuständen und dem Messvektor zu erstellen. Die geringste Abweichung zwischen dem Messvektor und den in der Simulation erstellten Größen bildet den wahrscheinlichsten Zustand des Gesamtsystems. Neben der on, -lokalisierung und -Identifikation bietet das Verfahren also auch die Möglichkeit, einen Normalzustand zu identifizieren. Die berücksichtigten Informationen müssen sich nicht auf Strom- und Spannungswerte beschränken. Einigen Steuergeräten fehlen Sensoren, so dass die Strom- oder Spannungsinformation nicht unmittelbar vorhanden ist. Viele dieser speziellen Steuergeräte haben allerdings die Möglichkeit, den eigenen Zustand über ein Bus-System zu kommunizieren. Unter der Annahme, dass diese Zustandsinformation fehlerfrei ist, kann sie im Beobachter-Steuergerät, in welchem die Datenfusion erfolgt, genutzt werden, um bestimmte Zustände bzw. Klassen von der Klassifikation auszuschließen. Sind genauere Komponentenmodelle dieser speziellen Lasten bzw. Steuergeräte vorhanden, können durch Nebensimulationen ebenfalls die entspre- chenden Strom- und Spannungswerte in der Klassifikation berücksichtigt werden. So wird die Anzahl der Eigenschaften erhöht und gleichzeitig die Anzahl der Klassen verringert, was die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Klassifikation erheblich steigert.

Zur Realisierung einer Messwertkommunikation können unabhängig vom tatsächlich ver- wendeten Bus verschiedene Strategien verfolgt werden. Einen bevorzugten Fall stellt die ständige Versorgung des auswertenden Steuergeräts mit allen verfügbaren Messwerten dar. Die zeitliche Auflösung sollte möglichst hoch sein, um auch nur kurz auftretende Zustands- änderungen erkennen zu können. Die aufgenommenen Messwerte können in einem Array von den jeweiligen Steuergeräten mit einer bestimmten Speichertiefe abgespeichert werden. Die- ses Array kann wie ein Schieberegister organisiert sein, so dass der älteste Messwert einem neuen weichen muss, sobald das Array vollständig mit Messwerten gefüllt ist. Das zentrale Steuergerät fragt nacheinander die benötigten Daten ab. Das neue Datenpaket des ersten Steuergeräts, welches wiederholt Daten sendet, muss, um eine lückenlose Überwachung zu gewährleisten, noch mindestens einen dem zentralen Steuergerät bereits bekannten Wert enthal- ten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die sendenden Steuergeräte statt auf eine Abfrage zu warten, selbständig nacheinander die Daten senden. Die Sendeerlaubnis bzw. die Sendeaufforderung kann von den Steuergeräten zyklisch weitergegeben werden. Wichtig hierbei ist das Senden der Datenpakete, bestehend aus einer Anzahl an Messwerten abhängig von der gewählten Speichertiefe, zusammen mit Zeitstempeln, abgeleitet von einer gemeinsamen Zeitbasis. Eine vorherige Uhrensynchronisation ist daher nötig, und eine spätere Messwertsynchronisation im zentralen Steuergerät somit möglich. Unterschiedliche Auflö- sungen können durch Interpolation angeglichen werden.

Für das Verfahren gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es zunächst lediglich erforderlich, dass zu einem festen Zeitpunkt alle verfügbaren Daten vorliegen. Daher besteht eine weitere Möglichkeit der Kommunikationsorga- nisation darin, eine Broadcast-Nachricht des zentralen Steuergerätes an alle Messeinheiten, bestehend aus einem Start-Signal und einer gemeinsamen Zeitbasis, zu senden. Ab diesem Punkt beginnen die Steuergeräte mit einer definierten Auflösung (falls vorgesehen) und einer definierten Speichertiefe (falls vorgesehen), Messwerte aufzunehmen, die sie nach vollständiger Füllung des definierten Speicherplatzes, wie oben beschrieben, an das zentrale Steuergerät zurücksenden. Dieses Verfahren führt zu einer deutlichen Reduzierung der Buslast.

Eine weitere Möglichkeit, die wiederum eine weitere Reduzierung der Buslast zur Folge hat, sieht vor, dass die messenden Steuergeräte selbstständig dann ihre Messwerte an das zentrale Steuergerät senden, sobald ihr Zustand bzw. ihr elektrisches Verhalten um eine bestimmte Größe von dem bisherigen abweicht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass ein Ausfall der Kommunikation nicht erkannt werden könnte und in einer Klassifikation weiterhin eine größere Anzahl an möglichen Klassen verwendet würde.

Die vorliegend beschriebene Überwachungs- und Diagnosemethode bietet im Vergleich zu den oben diskutierten Konzepten aus den bekannten Patentanmeldungen verschiedene wichtige Vorteile: Es werden nur Komponenten verwendet, die bereits in einem Bordnetz vorhanden sind:

Messtechnik, die aufgrund von der geforderten Eigendiagnosefähigkeit der Steuergeräte, bereits vorhanden ist;

Implementierung des Klassifikationsalgorithmus kann auf einem bereits vorhandenen Steuergerät, wie z.B. dem Gateway, Batteriemanager oder Energiemanager, geschehen;

Nutzung der vorhandenen Bus-Systeme;

Auf Basis der zur Verfügung stehenden Sensoren kann eine Bewertung der Beobachtbarkeit einzelner Stellen im Bordnetz gewährleistet werden; so kann die Methode im Vorhinein eine Aussage über die eigene Fähigkeit, einzelne Fehler- und spezifische Normalzustände zu identifizieren, treffen.

Es wird nicht für einen bestimmten Fehler an einem bestimmten Ort ein bestimmter Sensor verwendet oder sogar gefordert, sondern die Fähigkeit aller Sensoren wird darauf geprüft, Fehler an verschiedenen Stellen zu erkennen; so wird die Empfindlichkeit verschiedener bzw. aller Sensoren auf Änderungen im gesamten Bordnetz genutzt.

Das Ergebnis einer Klassifikation ist immer ein spezifischer Zustand. Es werden keine binären Aussagen über bestimmte Zustände getroffen (z.B. Fehlerzustand vorhanden/Fehlerzustand nicht vorhanden).

Die hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform für eine statische Simulation stellt die einfachste Form der Anwendung dar. Erweiterungen auf dynamische Analysen sind einfach möglich, indem ein Prüfsignal an einer zentralen oder passenden Stelle im Bordnetz eingeprägt wird oder ein vorhandenes zeitlich veränderliches Signal genutzt wird. Strom- und Spannungsverläufe werden dann als Merkmale der Zustände herangezogen. Die Bewertungsmöglichkeit der Beobachtbarkeit spezieller Stellen im Bordnetz im Hinblick auf definierte mögliche Fehler kann eine Grundlage dafür sein, das Verfahren in seiner besten Form nutzbar zu machen. Es können Messstellen identifiziert werden, bei denen eine Ergänzung des Ge- samtsystems um verschiedene Messungen eine erheblich bessere Beobachtbarkeit und somit robustere Fehlerdetektion liefern kann.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrie- ben. Hierbei wird das Verfahren zur besseren Verständlichkeit auf die Beobachtung einer speziellen, kritischen Leitung reduziert, wobei zwei mögliche Fehler in Betracht gezogen werden. Das vorgestellte Beispiel ist skalierbar und die Komplexität des Netzwerks ist beliebig erweiterbar. Die Anzahl der möglichen Fehler kann je nach vorhandenen Modellen ebenfalls erweitert werden. Genauso kann die Anzahl der Messpunkte an die jeweiligen individuellen Anforderungen angepasst werden.

Im vorliegenden Beispiel geht es um die Detektion von Leitungsbrüchen bzw. ausgelösten Sicherungen und seriellen Lichtbögen. Die beschriebene beispielhafte Ausführungsform geht von einem Kfz-Bordnetz 1 mit einem Energiespeicher 7, einem Generator 8 und einem ersten Verbraucher 9 und einem zweiten Verbraucher 10 aus. Die Netzwerkkomponenten sind über einen Sternpunkt mit Leitungen 11, 12, 13 und 14 untereinander verbunden.

Um den entscheidenden Vorteil des vorliegenden Verfahrens zu verdeutlichen, besitzen alle Netzwerkkomponenten eine Strom- und Spannungsüberwachung, außer das Steuergerät, wel- ches von der von einem Fehler betroffenen Leitung 14 versorgt wird (redundante Informationen werden vernachlässigt). Diese Werte können über Bus-Systeme zu einer zentralen Stelle gesendet werden. Das zunächst betrachtete Szenario sieht einen Fehler in der Leitung 14 vor. Falls an dieser Stelle Messungen vorhanden waren, weist ein Kommunikationsabbruch auf einen Fehler hin. So können mögliche Zustände weiterhin eingegrenzt werden. Das grundsätzli- che Fehlen der Messungen an diesem Punkt weist also eine zusätzliche Schwierigkeit auf. Das Vorgehen zeigt beispielhaft die gezielte Untersuchung einer Leitung auf mögliche Fehlerquellen. Nachfolgend werden die für die DC-Simulation verwendeten Modelle unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Die Batterie wird, wie in Fig. 3a) gezeigt, im Rahmen einer Arbeitspunktanalyse als Spannungsquelle in Verbindung mit einem Innenwiderstand dargestellt. Sowohl die Quellenspannung als auch der Innenwiderstand variieren z.B. auf Basis des Batterietyps, des SoCs und des SoHs. Daher werden, wie in der Beschreibung der Methode erwähnt, Parameterräume für die Bedatung angegeben. In den angegebenen Beispielen werden aus Gründen der einfachen Nachvollziehbarkeit nur eine begrenze Anzahl an möglichen Zuständen berücksichtigt. Im vorliegenden Modell sind die Zustände der Batterie hinsichtlich Widerstand und Spannung:

R _B = {10ma ΙΟΟπιΩ}

v _B = {40V, 45V, 50V]

Der Generator wird, wie in Fig. 3b) gezeigt, als DC-Motor für eine DC-Simulation mit einer Spannungsquelle und einem Widerstand modelliert. Der Widerstand stellt hierbei den ohm- schen Anteil der Wicklung dar, die Spannungsquelle stellt die induzierte Spannung dar. Je nach Betriebsstrategie und Reglung im Kfz variiert die Spannung der Spannungsquelle. Der ohmsche Anteil wird als konstant angenommen. Im vorliegenden Modell sind die Zustände des Generators hinsichtlich Widerstand und Spannung:

R _G = 120τηΩ

VQ = {45V, 50V, 55V]

Die Verbraucher werden, wie in Fig. 3c) dargestellt, in der DC-Simulation als reine Leistung s Verbraucher angesehen. Der Wert des Ersatzwiderstandes variiert je nach Verbrau- chercharakteristik. Folgende mögliche Charakteristik wird im vorliegenden Modell verwendet: R = {10Ω, 20Ω}

oder

R = 15Ω Sicherungen, Kontakte und Leitungswiderstände werden im in Fig. 3d) gezeigten Leitungsmodell zusammengefasst. Die Summe der einzelnen Widerstände bildet dann den Gesamtwiderstand. Dieser kann durch Berücksichtigung von z.B. Material, Kontaktflächen oder Querschnitten berechnet werden. Angenommen werden: R = 15τηΩ

oder

R = ΙΟτηΩ

oder

R = 20τηΩ

Das Realisierungsbeispiel aus Fig. 3e) zeigt explizit die Berücksichtigung von Leitungsbrüchen, unbeabsichtigten Öffnungen von Steckkontakten oder ausgelösten Sicherungen. Das Widerstandsmodell berücksichtigt einen Fehlerzustand und einen Normalzustand im Rahmen der Parametervariation mit den Zuständen:

R = {lmü, 100ΜΩ}

Als weitere Ursache für einen Steuergeräte- und somit Kommunikationsausfall kommt ein serieller Lichtbogen in Frage. Die typische Lichtbogenspannung kann in einer DC-Simulation durch eine Spannungsquelle abgebildet werden, wie in Fig. 3f) gezeigt, und zwar mit den Zu- ständen: v _arc = {0V, 151 Aus den vorgestellten Teilmodellen lässt sich ein Gesamtsystemmodell für das vorliegende Bordnetz erstellen, wie in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt das Gesamtbordnetzmodell basierend auf den Komponentenmodellen und Fehlermodellen für eine DC-Analyse mit gezielter Fehleruntersuchung in einem ausgefallenem Strang mit dem Verbraucher R33 und seriellem Lichtbogen und Leitungsbruch bzw. ausgelöster Sicherung. Der zur Verfügung stehende Vektor x beinhaltet die Batteriespannung, die Generatorspannung, die Verbraucherspannung an Knoten 4, den Batteriestrom und den Generatorstrom x = (v _lt v ₂ , v ₄ , i _x , i ₂ Y - redundante Informationen werden nicht berücksichtigt.

Beispielhaft wird die Variation eines Messwertes, hier der gemessenen Batteriespannung, in Abhängigkeit der unterschiedlichen Zustände gezeigt, siehe Fig. 5. Die große Varianz in y- Richtung zeigt, dass eine Unterscheidung möglich ist. Zusätzlich zeigt die Ähnlichkeit mancher Zustandsmerkmale, dass eine vollständige Unterscheidung alleine auf Basis dieses Messwertes nicht uneingeschränkt gewährleistete werden kann. Daher bietet die Betrachtung von weiteren Messpunkten einen großen Mehrwert und eine starke Verbesserung.

In Fig. 6 wird beispielhaft für die Klassifikation eines gemessenen Zustands, d.h. für einen konkreten Vektor x, die Berechnung der Fehlernormen vorgestellt. Aus Gründen der besseren Verständlichkeit und Anschaulichkeit wird die Klassifikation über die Fehlernormen mit allen möglichen Zuständen, ohne Reduktion aufgrund von Ähnlichkeiten zwischen nur schwer zu unterscheidenden Zuständen, dargestellt.

Die Darstellung der Fehlernormen zeigt, dass einige simulierte Zustände größere Ähnlichkei- ten mit dem Messvektor aufweisen. Der unten links markierte Zustand weist die kleinste Abweichung auf und kann daher als wahrscheinlichster Zustand aufgefasst werden. Das Szenario im vorgestellten Beispielbordnetz sieht vor, dass die Simulations- bzw. Versuchszeit 10 s beträgt. Zum Zeitpunkt t = 1 s tritt ein serieller Lichtbogen in der betroffenen Leitung auf, und ab t = 5 s wird die entsprechende Last aufgrund einer Unterbrechung in der Leitung oder einer geschmolzenen Sicherung nicht mehr versorgt. Die restlichen Zustände bleiben über die gesamte Simulation- bzw. Versuchszeit konstant. In Fig. 7 ist das Ergebnis der Klassifikation, angewendet auf das gezeigte Bordnetz mit dem beschriebenen Szenario, dargestellt.

Der Verlauf der Gesamtzustände gibt zu den erwarteten Zeitpunkten Änderungen an. Die klassifizierten Zustände sind 9, 10 und 23. Ein Vergleich der Zustände wird in der in Fig. 8 dargestellten Tabelle gezeigt. Während Zustand 9 als fehlerfreier Zustand identifiziert wurde, können den Zuständen 10 und 23 die entsprechenden Fehler„serieller Lichtbogen" oder„Leitung sbruch" zugeordnet werden. Die dieser Patentanmeldung zu Grunde liegende Erfindung entstand in einem Projekt, welches unter dem Förderkennzeichen D-l 1-41883-001-081082 vom BMBF gefördert wurde.

Bezugszeichenliste

Reales Bordnetz 1

Bordnetzmodell mit Fehlermodellen 2

Simulationsmodell 3

Clustering 4

Klassifikation 5

Ausgabe 6

Energiespeicher 7

Generator 8

erster Verbraucher 9

zweiter Verbraucher 10

Leitungen 11, 12, 13, 14