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Die
Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein zugehöriges Energieverteilungsverfahren.
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Aufgrund
der stetig zunehmenden Anzahl elektrischer Verbraucher nimmt die
elektrische Energieversorgung eine immer zentralere Rolle in einem Kraftfahrzeug
ein. Bereits heute übersteigt
die kombinierte Leistungsaufnahme der Verbraucher die Leistung des
Generators um das drei- bis fünffache.
Dies hat negative Auswirkungen auf die Verfügbarkeit elektrischer Energie
und damit auch auf die Verfügbarkeit
der Funktionen für
den Fahrer. Die Integration von zukünftigen sicherheitsrelevanten
elektronischen Systemen wie z.B. trockene X-by-Wire Systeme, d.h. Systeme
ohne mechanische Rückfallebene,
in Fahrzeuge erfordert eine zuverlässige elektrische Energieversorgung
dieser Systeme. Hierfür
ist ein Energie- und Funktionsmanagement erforderlich, welches die
elektrischen Funktionen im Fahrzeug verwaltet und im Falle einer Überlastung
des Bordnetzes nicht sicherheitsrelevante Funktionen deaktivieren
kann. Es muss zu jeder Zeit sicherstellen, dass im Idealfall alle,
aber vor allem die sicherheitsrelevanten und gesetzlich vorgeschriebenen
Systeme im Fahrzeug mit elektrischer Energie versorgt werden können. Gleichzeitig
soll der Akkumulator geladen oder zumindest seine Entladung vermieden
werden, um die Wiederstartfähigkeit
des Fahrzeuges zu gewährleisten.
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Betrachtet
man die elektrische Infrastruktur der meisten Serienfahrzeuge, so
findet man in der Regel einen Generator als Energieerzeuger und
einen oder zwei Bleiakkumulatoren als Energiespeicher. Generator,
Akkumulator und alle Verbraucher sind dabei parallel geschaltet.
Im Fahrzeug lesen Steuergeräte
den Fahrerwunsch beispielsweise über elektrische
Schalter ein und können
ihre Verbraucher entsprechend schalten. Kennzeichnend für die Verbraucher
aus Sicht des Energiemanagements sind Leistungsaufnahme und Priorität. Die Steuergeräte sind über einen
CAN-Bus miteinander vernetzt, wodurch der Informationsaustausch
zwischen den Steuergeräten
sowie die Verteilung von Funktionen auf mehrere Steuergeräte ermöglicht werden.
Zusätzlich zu
den Steuergeräten
existiert ein Bordnetzsteuergerät,
das über
eine Sensorik zur Erfassung der Bordnetzspannung und des Akkumulatorstroms
verfügt. Mit
Hilfe dieser Größen kann
der aktuelle Zustand des Bordnetzes bestimmt werden. Daneben kann das
Energie- und Funktionsmanagement auf weitere Zustandsinformationen
wie z.B. Motordrehzahl und Zündkontakt
zugreifen, die an anderen Stellen erfasst werden und auf dem CAN-Bus
verfügbar
sind.
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Bisher
bekannte Energiemanagementsysteme, die den Anforderungen zukünftiger
trockener X-by-Wire Systeme hinsichtlich Zuverlässigkeit genügen, basieren
auf einem Bordnetzsteuergerät,
welches den Bordnetzzustand über
Sensoren erfasst, die Zustände
der Verbraucher verwaltet und anhand dieser Informationen den Betrieb
der Verbraucher koordiniert. Das Bordnetzsteuergerät ist dabei
die zentrale Komponente, in der die Informationen über den Zustand
des Energiebordnetzes und aller Verbraucher zusammen laufen. Auf
der Basis dieser Informationen werden Verbraucher gemäß einer
statischen Prioritätenliste,
in der alle Verbraucher eingeordnet sind, aktiviert bzw. deaktiviert.
Diese zentrale Entscheidungsfindung bringt eine Reihe von Nachteilen mit
sich, insbesondere, dass das Bordnetzsteuergerät einen Single Point of Failure
bildet. Es muss redundant ausgelegt werden, was mit sehr hohem technischem
und finanziellem Aufwand verbunden ist.
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Eine
neue Herangehensweise zur Entwicklung verteilter Softwaresysteme
mit komplexem, schwer überschaubarem
Gesamtverhalten ist die agentenorientierte Softwareentwicklung.
Im Artikel Wagner et al, „Softwareagenten – Einführung und Überblick über eine
alternative Art der Softwareentwicklung. Teil I: Agentenorientierte
Softwareentwicklung." atp – Automatisierungstechnische
Praxis 45 (2003), Heft 10, S.48 bis 57 wird ein System als eine Menge
von autonomen Agenten betrachtet, die selbstständig innerhalb ihres Entscheidungsrahmens handeln
und dabei vorgegebene Ziele verfolgen. Agenten können miteinander flexibel interagieren und
durch Verhandlungen kooperieren, um ihre individuellen Ziele zu
erreichen. In der agentenorientierten Denkweise wird eine Problemstellung
unter den Gesichtspunkten Autonomie, Interaktion, Reaktivität, Zielorientierung,
Proaktivität
und Persistent in einzelne Agenten abstrahiert, um so z.B. verteilte
Informationen, Funktionalität
und Entscheidungsprozesse beschreiben zu können. Die agentenorientierte
Softwareentwicklung stellt hierfür
Konzepte, Methoden, Vorgehensweisen und Werkzeuge zur Verfügung. Die
Agentenorientierung ist insbesondere für Systeme geeignet, die von
Natur aus eine logische Verteilung aufweisen, strukturellen Änderungen
zur Laufzeit unterworfen sind, komplexe Abläufe bzw. Verhalten aufweisen
oder umfangreiche Kommunikations- und Koordinationsprozesse erfordern.
Auf Basis eines agentenorientierten Lösungsansatzes können flexible,
anpassungsfähige
Softwaresysteme entwickelt werden, welche die Verteilung von Aufgaben, Ressourcen
oder Leistungen sowie verschiedene Sichtweisen oder gegensätzliche
Interessen der realen Problemstellung im Softwaresystem widerspiegeln.
Heute werden Agentensysteme beispielsweise in den Bereichen E-Commerce,
Informationsmanagement, Supply-Chain-Management, Telekommunikation,
Logistik und Produktionsplanung erfolgreich eingesetzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein zuverlässiges,
fehlertolerantes Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug zur Verfügung zu
stellen und ein zugehöriges
Energieverteilungsverfahren anzugeben.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Energieversorgungssystems
für ein Fahrzeug
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Energieverteilungsverfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird jedem
Verbraucher eine Auswerteeinheit zugeordnet, die in Abhängigkeit vom
aktuellen Umgebungszustand, der den aktuellen Energiehaushalt und
alle Verbraucherprioritäten
und Verbraucherzustände
umfasst, den ihr zugeordneten Verbraucher zuschaltet und/oder abschaltet.
Der Energiehaushalt des Fahrzeugs wird beispielsweise in einem Bordnetzsteuergerät ermittelt
und als Information den Auswerteeinheiten in den Verbrauchern zur Verfügung gestellt.
Somit stellt das Bordnetzsteuergerät zwar noch die aktuellen Informationen über den Bordnetzzustand
bereit, die Entscheidungen über
die Aktivierung und Deaktivierung von Verbrauchern werden jedoch
nicht mehr zentral und statisch gefällt, sondern sind das dynamische
Ergebnis von Verhandlungen zwischen den verteilten Auswerteeinheiten.
Im Fall eines Ausfalles des Bordnetzsteuergerätes können verteilten Auswerteeinheiten
der Verbrauchersteuergeräte
dann mit Hilfe der noch vorhandenen Informationen und einer geeigneten
Notlaufstrategie die Verfügbarkeit
der elektrischen Energie für sicherheitsrelevante
Funktionen gewährleisten.
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In
Ausgestaltung des Energieversorgungssystems umfasst der aktuelle
Energiehaushalt Informationen über
die Stromreserve eines Generators und den Ladezustand eines Akkumulators.
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In
weiterer Ausgestaltung des Energieversorgungssystems wertet jede
der Auswerteeinheiten den aktuellen Umgebungszustand dahingehend
aus, ob der Umgebungszustand sicher und fair ist.
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In
Bezug auf das Energiemanagement besteht Sicherheit, wenn entweder
der Generator als Energieerzeuger über eine Leistungsreserve verfügt, d.h.
wenn die Stromreserve des Generators einen vorgegebenen ersten Schwellwert übersteigt,
oder der Akkumulator als Energiespeicher eine ausreichend hohe Energiereserve
besitzt, d.h. wenn der Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen ersten
Schwellwert und die Stromreserve einen zweiten Schwellwert übersteigt.
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Fairness
besteht, wenn erstens kein Verbraucher vom Energie- und Funktionsmanagement deaktiviert
ist, obwohl ausreichend Energie zur Verfügung steht und zweitens kein
Verbraucher mit hoher Priorität
deaktiviert ist, weil mindestens ein Verbraucher mit niedrigerer
Priorität
in Betrieb ist. Letzteres gilt nur dann, wenn die Verbraucher mit
niedrigerer Priorität
genügend
Energie freigeben könnten,
um den Verbraucher mit hoher Priorität in Betrieb zu nehmen.
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Bei
einem erkannten unsicheren Zustand werden beispielsweise Verbraucher
abgeschaltet.
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Bei
einem erkannten unfairen Zustand werden beispielsweise Verbraucher
mit niedriger Priorität
abgeschaltet und Verbraucher mit hoher Priorität zugeschaltet.
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In
weiterer Ausgestaltung des Energieversorgungssystems berechnen die
Auswerteschaltungen wie viel Last freigegeben werden muss, um wieder
einen sicheren Energiehaushalt zu erzielen.
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Die
aktiven Verbraucher sind beispielsweise in einer geordneten Liste
eingetragen, wobei die Verbraucher von links nach rechts mit aufsteigender
Priorität
angeordnet sind, und wobei innerhalb einer Prioritätsstufe
die Verbraucher von links nach rechts mit absteigendem Strombedarf
angeordnet sind.
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Dabei
verfolgen alle Auswerteeinheiten das Ziel Sicherheit in Bezug auf
das gesamte Energieversorgungssystem, während sie das Ziel Fairness
nur in Bezug auf die Verbraucher, denen sie zugeordnet sind, verfolgen.
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Aus
den beiden Zielen Sicherheit und Fairness lässt sich noch ein weiteres
Ziel des Energie- und Funktionsmanagements ableiten: Für den Fall, dass
sich in das System ein Hard- oder
Softwaredefekt einschleichen sollte, muss verhindert werden, dass
der defekte Teilnehmer weitere Schäden anrichten kann. Ein Defekt
ist insbesondere dann zu erkennen, wenn sich ein Teilnehmer nicht
im Sinne der Ziele Sicherheit und Fairness verhält, beispielsweise wenn er
einer Deaktivierungsaufforderung nicht nachkommt. Solche Teilnehmer
werden als defekt erklärt
und aus dem System ausgeschlossen. Dies kann beispielsweise durch
eine Abtrennung des Teilnehmers vom Bordnetz erfolgen.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug,
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2 ein
Blockschaltbild der Aufgabenverteilung, und
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3 bis 9 jeweils
eine schematische Darstellung des Energieversorgungssystems mit wechselnden
Umgebungszuständen.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Energieversorgungssystem 10 einen
Generator 1, einen Energiespeicher 2, mehrere
Steuergeräte 3.1, 3.2 zum
An- oder Abschalten von ihnen zugeordneten Verbrauchern V1, V2 und
ein Bordnetzsteuergerät 4.
Die Steuergeräte 3.1, 3.2,
und das Bordnetzsteuergerät 4 sind über einen
CAN-Bus miteinander vernetzt, wodurch der Informationsaustausch
zwischen den Steuergeräten 3.1, 3.2, 4 sowie
die Verteilung von Funktionen auf mehrere Steuergeräte 3.1, 3.2, 4 ermöglicht werden.
Das Bordnetzsteuergerät 4 verfügt über eine
Sensorik zur Erfassung der Bordnetzspannung, des Versorgungsstroms
IV und des Akkumulatorstroms IA.
Mit Hilfe dieser Kenngrößen kann
der aktuelle Zustand des Bordnetzes bestimmt werden. Zudem kann über das
Bordnetzsteuergerät 4 auf
weitere Zustandsinformationen wie z.B. Motordrehzahl und Zündkontakt
zugegriffen werden, die an anderen Stellen im Fahrzeug erfasst werden
und auf dem CAN-Bus verfügbar
sind.
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Der
Generator 1 ist der Energieerzeuger im Fahrzeug und dessen
potentielle Leistung ist drehzahlabhängig. Die momentane Leistungsabgabe kann
unterhalb der potentiellen Leistung liegen, und ist abhängig von
der Auslastung des Energieversorgungssystems 10. Für die Energieverteilung
ist es von Bedeutung zu wissen, welche Konsequenz das Zuschalten
eines Verbrauchers V1, V2 haben wird, d.h. ob der Generator 1 anschließend überlastet
ist, oder ob der Generator 1 die zusätzliche Last tragen kann. Deshalb
wird als Kenngröße für den Generator 1 dessen
Stromreserve bestimmt, welche sich aus der Differenz des potentiellen
Stroms und der momentanen Auslastung ergibt. Die Stromreserve wird anhand
der Messwerte des Verbraucherstromes IV, und
anhand der bekannten Kennlinie des Generators 1 berechnet.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Energiespeicher 2 im Fahrzeug als Akkumulator 2 ausgeführt. Die
Aufgabe des Energiespeichers 2 ist es, Standzeiten zu überbrücken, und
kurzfristige Lastspitzen aufzufangen. Für die Energieverteilung ist
es von Bedeutung zu wissen, welche Energiereserve für diesen
Zweck noch verfügbar
ist. Da der Akkumulator 2 in der Regel der Fahrzeugausstattung angepasst
ist, kann als ausreichendes Kriterium dafür der Ladezustand des Akkumulators
herangezogen werden. Dies ist eine Kenngröße, welche gemessen bzw. aufgrund
der Messwerte geschätzt
werden kann.
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Die
Verbraucher V1, V2 werden durch ihren Stromverbrauch und ihre individuelle
Priorität
innerhalb des Systems charakterisiert. Für die Energieverteilung von
Bedeutung sind der Schaltzustand der Verbraucher V1, V2 und der
zugehörige
Sollzustand. Der Soll- und Istzustand ist zum Verbraucherzustand zusammengefasst.
Ein Verbraucher V1, V2 befindet sich im Zustand aus, wenn sein Soll-
und Istzustand beide den logischen Wert "0" haben.
Der Verbraucher V1, V2 befindet sich im Zustand an, wenn sein Soll-
und Istzustand beide den logischen Wert "1" haben.
Der Verbraucher V1, V2 befindet sich im Zustand wartend, wenn sein
Sollzustand den Wert "1" und sein Istzustand
den Wert "0" hat. Die Verbraucher
V1, V2 werden durch die Kenngrößen Strombedarf,
Priorität,
und Zustand charakterisiert. Damit ergibt sich der Umgebungszustand
aus den Variablen des Energiehaushaltes Stromreserve und Ladezustand,
aus den Prioritäten
und aus den Zuständen der
Verbraucher V1, V2 im System 10.
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Das
erfindungsgemäße Energieversorgungssystem
beruht auf einer dezentralen und auf die Verbrauchersteuergeräte 3.1, 3.2 verteilten
Funktionalität
ohne eine zentrale Steuerkomponente. Durch das erfindungsgemäße Energieverteilungsverfahren
wird die Überlastung
des Bordnetzes verhindert, indem es den gleichzeitigen Betrieb zu
vieler Verbraucher V1, V2 unterbindet. Als Kriterium für den Betrieb
wird die Wichtigkeit, d.h. die Priorität des Verbrauchers V1, V2 innerhalb
des Systems 10 verwendet.
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Deshalb
werden bei Bedarf bereits aktivierte Verbraucher V1, V2 mit einer
niedrigen Priorität
deaktiviert. Die deaktivierten Verbraucher werden wieder aktiviert,
sobald wieder ausreichende Mengen elektrischer Energie verfügbar sind.
Um die Wiederstartfähigkeit
des Verbrennungsmotors zu gewährleisten, soll
bei niedrigem Ladungszustand eine Entladung des Energiespeichers 2 vermieden
bzw. die Aufladung beschleunigt werden. Um unsichere Betriebszustände zu verhindern,
verfügt
das Energieversorgungssystem 10 über kurze Reaktionszeiten.
Im Falle eines Ausfalles des Bordnetzsteuergerätes 4 wird mit Hilfe
der noch vorhandenen Informationen und einer geeigneten Notlaufstrategie
die Verfügbarkeit elektrischer
Energie für
sicherheitsrelevante Funktionen gewährleistet.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm von Aufgaben, die von der verteilten dezentralen
Steuerung des Energieversorgungssystems 10 ausgeführt werden
müssen.
Dabei verfügt
jedes Verbrauchersteuergerät 3.1, 3.2 über eine
autonome Auswerteeinheit und das Bordnetzsteuergerät 4 stellt
die aktuellen Informationen über
den Bordnetzzustand bereit. Die Entscheidungen über die Aktivierung und Deaktivierung
von Verbrauchern V1, V2 werden jedoch nicht mehr zentral und statisch
gefällt,
sondern sind das dynamische Ergebnis von Verhandlungen zwischen den
verteilten Auswerteeinheiten der Steuergeräte 3.1, 3.2.
Im Fall eines Ausfalles des Bordnetzsteuergerätes 4 können die
Auswerteeinheiten der Verbrauchersteuergeräte 3.1, 3.2 dann
mit Hilfe der noch vorhandenen Informationen und einer geeigneten Notlaufstrategie
die Verfügbarkeit
der elektrischen Energie für
sicherheitsrelevante Funktionen gewährleisten. Im System 10 übernehmen
die Auswerteeinheiten verschiedene Aufgaben bzw. Rollen, in denen sie
zusammengehörige
Ziele verfolgen.
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Ein
Energiewächter
ermittelt und propagiert beispielsweise gemäß den Blöcken 310, 320, 410 und 420 den
aktuellen Energiehaushalt im Bordnetz 10. Ein Fairnesswächter und
ein Sicherheitswächter werten
diese Information aus, vermeiden, erkennen und lösen inkonsistente Zustände, wobei
der Fairnesswächter
die Aufgaben gemäß den Blöcken 210, 330, 430 und 440 löst und der
Sicherheitswächter
die Aufgaben gemäß den Blöcken 220, 340 und 350 löst. Die
Erkennung und Behandlung von Defekten wird von der Rolle eines Defektewächters übernommen, der
die Aufgaben gemäß den Blöcken 230, 360 und 370 löst. Die
verschiedenen Aufgaben sind in 2 dargestellt.
Im System existieren zwei Arten von Auswerteeinheiten. So ermittelt
eine Auswerteeinheit BSG im Bordnetzsteuergerät 4 die Kenngrößen des aktuellen
Energiehaushalts, und in jedem der Steuergeräte 3.1, 3.2 ermittelt
eine Auswerteeinheit SG, ob der zugehörige Verbraucher V1, V2 zu-
oder abgeschaltet wird. Die Auswerteeinheit BSG im Bordnetzsteuergerät 4 übernimmt
die Rolle des Energiewächters
und ermitteln gemäß den dargestellten
Blöcken 310 den
Energiehaushalt durch Ermittlung der Stromreserve im Block 410 und/oder
des Ladezustands im Block 420 und propagieren gemäß Block 320 den
ermittelten Energiehaushalt regelmäßig über den CAN-Bus. Die verteilten
Auswerteeinheiten SG in den Steuergeräten 3.1, 3.2 übernehmen
die Rollen des Sicherheitswächters
und des Fairnesswächters.
Sie prüfen
auf Basis ihrer Informationen und dem ermittelten Energiehaushalt
permanent den aktuellen Systemzustand auf Sicherheit gemäß den Blöcken 330, 430 und 430 und
Fairness gemäß den Blöcken 340 und 350.
Bei Bedarf tauschen die Auswerteeinheiten SG in den Steuergeräten 3.1, 3.2 untereinander
Informationen aus, um unsichere oder unfaire Zustände beispielsweise
durch Deaktivierungsaufforderungen aufzulösen. Gleichzeitig überwachen
sich die Auswerteeinheit im Bordnetzsteuergerät 4 und die Auswerteeinheiten
in den Steuergeräten 3.1, 3.2 in
ihrer Rolle als Defektewächter
gegenseitig, um Defekte zu erkennen, die sich z.B. durch unkooperatives
Verhalten zeigen.
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Die
Auswerteeinheiten SG des verteilten Energie- und Funktionsmanagements
verfolgen die drei wesentlichen Ziele Sicherheit, Fairness und Defektbehandlung.
Dafür sind
allen Auswerteeinheiten die Kenngrößen des aktuellen Energiehaushalts
bekannt. Die Kenngrößen werden
durch das Bordnetzsteuergerät 4 gemessen
und über
den CAN-Bus an die Steuergeräte 3.1, 3.2 propagiert.
Bei den Kenngrößen handelt
es sich um die aktuelle Stromreserve, die sich aus dem potentiellen
Generatorstromes IG abzüglich des aktuellen Verbraucherstromes
IV ergibt, und um den Ladezustand des Akkumulators 2. Zum
Erkennen und Auflösen
unsicherer bzw. unfairer Zustände
durch die Auswerteeinheiten in den Steuergeräten 3.1, 3.2 werden
die nachfolgend beschriebenen Verfahren benutzt. Aus den beiden
Kenngrößen Stromreserve
und Ladezustand kann ermittelt werden, ob der Energiehaushalt sicher
ist oder nicht. Eine negative Stromreserve bedeutet, dass Verbraucher
V1, V2 abgeschaltet werden müssen.
Eine positive Stromreserve bedeutet, dass bei Bedarf neue Verbraucher
V1, V2 zugeschaltet werden dürfen.
Jedoch muss auch der Ladezustand des Akkumulators 2 in
die Entscheidung miteinbezogen werden, damit nicht jeder kurzzeitige
Einbruch der Stromreserve ein Deaktivieren von Verbrauchern V1,
V2 bewirkt.
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Das
Verfahren lässt
einen Entladestrom des Akkumulators 2 von maximal 50A zu,
solange der Akkumulator 2 zu mindestens 65% geladen ist.
Wird diese Schwelle unterschritten, müssen Verbraucher V1, V2 abgeschaltet
werden. Dabei besteht die Gefahr, dass das System anfängt um die
Schaltschwelle herum zu schwingen, deswegen werden für das Aktivieren
und Deaktivieren von Verbrauchern V1, V2 unterschiedliche Schwellwerte
verwendet. Gemäß dem Verfahren
wird überprüft, ob der
aktuelle Zustand unsicher ist, d.h. ob aktive Verbraucher V1, V2
abgeschaltet werden müssen.
Bei einer Aufforderung zur Aktivierung eines Verbrauchers V1, V2
wird überprüft, ob der
Folgezustand nach dem Zuschalten des Verbrauchers V1, V2 sicher
wäre. Für die Deaktivierung
gilt beispielsweise für
den Ladezustand eine Schwelle von 65%. Für Neuaktivierungen gilt beispielsweise
eine Schwelle von 75%. Diese Hysterese beseitigt zwar die Schwingneigung
nicht, verlangsamt jedoch die Schwingfrequenz, so dass es unwahrscheinlich
ist, dass das System eine Schwingungsperiode durchläuft, da
sich in der Regel der Generatorstrom IG vorher ändert.
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Die
Verfahren bestimmen maßgeblich
die Qualität
des Energiemanagements in Bezug auf Wiederstartfähigkeit und Akkumulatorverschleiß. Für einen
konkreten Einsatz bietet es sich an, mehrere Stufen zu verwenden,
beispielsweise als weitere Zwischenstufe einen zulässigen Entladestrom
von 70A bei einem Ladezustand größer als
85% einzuführen. Die
Schwellwerte für
den Akkumulatorladzustand und den maximalen Entladestrom des Akkumulators 2 sind
bei der Auslegung des Energieversorgungssystems 10 zu bestimmen.
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Analog
dazu wird eine notwendige Lastfreigabe ermittelt, um aus einem unsicheren
Zustand wieder in einen sicheren Zustand wechseln zu können. Soll
ein unsicherer Zustand aufgelöst,
und deswegen eine gewisse Stromstärke freigegeben werden, so
werden erst die richtigen Verbraucher V1, V2 für die Deaktivierung ermittelt.
Bei der Durchführung des
Verfahrens muss sichergestellt werden, dass unter Berücksichtigung
der Priorität
die „richtigen" Verbraucher V1,
V2 bestimmt werden, durch deren Deaktivierung die notwendige Lastfreigabe
erreicht werden kann. Einfach den Verbraucher V1, V2 mit der geringsten
Priorität
zu deaktivieren, kann sich als ungeeignete Maßnahme erweisen. Es könnte sein, dass
der erste Verbraucher V1 nicht genügend Strom freigibt, dann müsste man
noch einen zweiten Verbraucher V2 deaktivieren. Es könnte dann
aber sein, dass der zweite Verbraucher so viel Strom freigibt, dass
man den ersten Verbraucher V1 gar nicht hätte deaktivieren müssen. Das
Verfahren basiert auf einer Liste, in der alle aktuell aktiven Verbraucher
V1, V2 eingetragen sind. Die eingetragenen Verbraucher V1, V2 sind
nach ihrer Priorität
und innerhalb der Priorität
nach der Höhe
des Stromverbrauchs geordnet. Mit Hilfe eines iterativen Such- und Markieralgorithmus
können
die geeigneten Deaktivierungskandidaten ermittelt werden. Dabei
werden die in der Liste eingetragenen Verbraucher V1, V2 von links
nach rechts solange markiert, bis die Summe der Ströme der markierten
Verbraucher größer oder
gleich dem erforderlichen Laststrom ist, der erreicht werden muss.
Jetzt sind eventuell mehr Verbraucher markiert als nötig. Deshalb
geht man wieder einen Schritt nach links und überprüft die Summe der Ströme ohne den
Strom des aktuellen Verbrauchers. Ist die Summe der Ströme der markierten
Verbraucher ohne den aktuellen Verbraucher immer noch größer oder
gleich dem benötigten
Laststrom, dann wird die Markierung vom aktuellen Verbraucher entfernt,
wenn nicht, dann bleibt der Verbraucher markiert. Der Vorgang wird
bis zum linken Ende der Liste wiederholt. Die Verbraucher die nach
der Überprüfung des
letzten Listeneintrags noch markiert sind, sind die gesuchten Deaktivierungskandidaten.
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Analog
verläuft
das Verfahren zum Erkennen und Auflösen von unfairen Zuständen. Wartet
ein Verbraucher mit einer hohen Priorität, obwohl Verbraucher mit einer
niedrigeren Priorität
in Betrieb sind, dann kann dieser eine unfaire Zustand sein. Der Zustand
ist nur dann unfair, wenn die Verbraucher mit der niedrigeren Priorität "schuld" daran sind, dass
der Verbraucher mit der höheren
Priorität
nicht in Betrieb genommen werden kann. Das ist dann der Fall, wenn die
Verbraucher mit der niedrigeren Priorität genügend Strom freigeben könnten, damit
der Verbraucher mit der höheren
Priorität
in Betrieb genommen werden kann. Auch das Verfahren zum Erkennen
unfairer Zustände
und Ermitteln des korrekten Zustandes geht von der geordneten Liste
der aktiven Verbraucher aus, bei welcher die aktiven Verbraucher von
Links nach Rechts nach aufsteigender Priorität geordnet sind. Ganz links
befindet sich die niedrigste Prioritätsstufe, ganz rechts die höchste Prioritätsstufe.
Innerhalb einer Prioritätsstufe
sind die Verbraucher von links nach rechts nach absteigendem Strombedarf
angeordnet, links der Verbraucher mit dem höchsten Strombedarf, rechts
der Verbraucher mit dem geringsten Strombedarf. Bei dem Verfahren zum
Erkennen und Auflösen
von unfairen Zuständen werden
die Verbraucher in der Liste von links nach rechts solange markiert,
bis die Summe der Ströme der
markierten Verbraucher den Strombedarf des wartenden Verbrauchers
deckt. Wird diese Bedingung erreicht, dann ist der Umgebungszustand
unfair und muss aufgelöst
werden. Analog wie beim oben beschriebenen Verfahren werden dann
die Deaktivierungskandidaten ermittelt.
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Stößt man vor
Erreichen des benötigten Stromes
auf einen Verbraucher mit gleicher oder größerer Priorität als die
des wartenden Verbrauchers, so ist der Zustand nicht unfair und
die Überprüfung wird
beendet.
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Es
wird deutlich, dass die Auswerteeinheiten des verteilten Energie-
und Funktionsmanagements zur Erfüllung
ihrer Ziele neben der Kenntnis der aktuellen Kenngrößen des
Energiehaushaltes auch eine Übersicht über die
aktuell aktiven Verbraucher mit Priorität und Stromverbrauch besitzen
müssen.
Bei den Eigenschaften des wartenden Verbrauchers handelt es sich
um lokales Wissen, welches in der Auswerteeinheit des zugehörigen Steuergerätes verfügbar ist,
da jede Auswerteeinheit die Kenngrößen es zugehörigen Verbrauchers
kennt. Um möglichst kurze
Reaktionszeiten zu erreichen, wird dieses Wissen bei jeder Änderung,
d.h. ereignisgetriggert, auf dem CAN-Bus übertragen, und von den verteilten Auswerteeinheiten
in den verschiedenen Steuergeräten übernommen.
Der in den Auswerteeinheiten gespeicherte Umgebungszustand umfasst
die Variablen des Energiehaushaltes, Stromreserve und Ladezustand
und eine Liste der Eigenschaften Strombedarf und Priorität aller
aktiven Verbraucher V1, V2.
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Um
die gespeicherten Umgebungszustände auf
einem aktuellen Stand zu halten, versendet der Energiewächter im
Bordnetzsteuergerät 4 in
regelmäßigen Abständen den
neuesten gemessenen Energiehaushalt an alle Steuergeräte 3.1, 3.2.
Die Auswerteeinheiten in den Steuergeräten 3.1, 3.2 übernehmen
diesen Wert und aktualisieren ihren gespeicherten Umgebungszustand.
Die Fairness- und Sicherheitswächter
in den Steuergeräten 3.1, 3.2 melden
jede Umschaltung eines Verbrauchers V1, V2 auf dem CAN-Bus. Beim
Zuschalten werden die Eigenschaften des Verbrauchers V1, V2 wie
Strombedarf und Priorität übertragen,
da die anderen Auswerteeinheiten keine Informationen über andere
Verbraucher haben. Die anderen Auswerteeinheiten tragen den gemeldeten
Verbraucher in ihre Liste der eingeschalteten Verbraucher ein. Beim
Abschalten genügt
es, die Bezeichnung des Verbrauchers zu melden. Die anderen Auswerteeinheiten
entfernen daraufhin diesen Verbraucher aus der Liste der eingeschalteten
Verbraucher. In jeder Umschaltung eines Verbrauchers ist auch implizit
ein neuer Energiehaushalt enthalten. Die Auswerteeinheiten subtrahieren
bei einer Zuschaltung eines Verbrauchers dessen Strombedarf von
der zwischengespeicherten Stromreserve in ihrem gespeicherten Umgebungszustand,
und sie addieren bei einer Abschaltung eines Verbrauchers dessen
Strombedarf zu der zwischengespeicherten Stromreserve in ihrem gespeicherten Umgebungszustand.
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Die 3 bis 9 zeigen
ein Beispielszenario zur Erläuterung
der Funktionsweise der Rolle des Fairnesswächters. Das Beispielszenario
besteht aus einer einfachen Konfiguration, bestehend aus dem Bordnetzsteuergerät 4 und
drei Steuergeräten 3.1, 3.2, 3.3 mit
jeweils einem Verbraucher V1, V2, V3. Die Verbraucher V1 und V2
sind bereits in Betrieb, was durch die graue Lampe angezeigt wird,
der Verbraucher V3 soll im Verlauf des Beispiels zugeschaltet werden.
Im Beispiel soll anhand des in der Auswerteeinheit des dritten Steuergerätes 3.3 implementierten
Fairnesswächters
deutlich werden, wie und auf welchem Wissen die Auswerteeinheiten
operieren, um eine entstandene inkonsistente Situation zu erkennen
und aufzulösen.
Der rechte Teil der jeweiligen Figur zeigt das lokale Wissen und
den gespeicherten Umgebungszustand des Steuergerätes 3.3 an. Im Umgebungszustand
sind der aktuell bekannte Energiehaushalt und die Liste der aktiven Verbraucher
gespeichert, die zum dargestellten Zeitpunkt aus den Verbraucher
V1 und V2 besteht.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, beginnt das Szenario damit,
dass der im Bordnetzsteuergerät 4 implementierte
Energiewächter
beispielsweise zyklisch den neuesten gemessenen Energiehaushalt propagiert.
Die Auswerteeinheit im Steuergerät 3.3 übernimmt
den Wert, und aktualisiert damit den Umgebungszustand des Steuergerätes 3.3.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, soll als nächstes nun der Verbraucher
V3 zugeschaltet werden. Der Sollzustand des Verbrauchers V3 wird
auf den Wert „1" gesetzt. Damit befindet
sich der Verbraucher V3 im Zustand wartend (Soll=1, Ist=0), dies
wird in 4 durch die schraffierte Darstellung
des Verbrauchers V3 angezeigt. Die Auswerteeinheit im Steuergerät 3.3 nimmt
nun den Verbraucher V3 in seine Liste der lokalen wartenden Verbraucher
auf. Damit befindet sich das System 10 in einem neuen Zustand, und
der in der Auswerteeinheit des dritten Steuergerätes 3.3 implementierte
Fairnesswächter
wird aktiv. Der Fairnesswächter überprüft welche
Strommenge der wartende Verbraucher V3 benötigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
benötigt
der wartende dritte Verbraucher 12A. Anschließend überprüft der Fairnesswächter welche
Stromreserve augenblicklich im Energiehaushalt verfügbar ist.
Da die augenblickliche Stromreserve des Generators 1 nur
3A und der Ladezustand des Energiespeichers 2 nur 60% beträgt, schaltet
die Auswerteeinheit im dritten Steuergerät 3.3 den dritten
Verbraucher V3 gemäß der Zielvorgabe „unsichere
Zustände
vermeiden" nicht
zu. Der Fairnesswächter überprüft vielmehr
die Liste der aktiven Verbraucher, ob ein unfairer Zustand vorliegt, d.h.
ob es andere Verbraucher gibt, die ausgeschaltet werden können, um
seinen eigenen Verbraucher V3 einzuschalten. In der Liste der aktiven
Verbraucher befinden sich derzeit zwei Verbraucher V1 und V2, welche
beide eine geringere Priorität
als der Verbraucher V3 haben. Der Verbraucher V1 würde jedoch nur
7A freigeben, was zusammen mit der Stromreserve von 3A erst 10A
wären.
Dies würde
noch immer nicht für
eine Aktivierung des dritten Verbrauchers V3 ausreichen. Der Verbraucher
V2 würde
allerdings 15A freigeben. Dies würde
ausreichen um den dritten Verbraucher V3 zu aktivieren. Deswegen fordert
die Auswerteeinheit im dritten Steuergerät 3.3 wie aus 5 ersichtlich
ist, die Auswerteeinheit im zweiten Steuergerät 3.2 auf, den zweiten
Verbraucher V2 abzuschalten. Die Auswerteeinheit im zweiten Steuergerät 3.2 verhält sich
gemäß den Zielvorgaben
und schaltet seinen Verbraucher V2 wie aus 6 ersichtlich
ist in den Zustand „Wartend" (schraffierte Darstellung),
also elektrisch aus, und verkündet
diesen neuen Zustand sofort auf dem CAN-Bus. Gleichzeitig sperrt
das Steuergerät
seinen Verbraucher V2 für
200 ms, so dass dieser innerhalb dieser Zeit nicht reaktiviert werden
kann. Die Auswerteeinheit im dritten Steuergerät 3.3 empfängt die
Abschaltungsmeldung, und entfernt daraufhin den Verbraucher V2 aus
der Liste der aktiven Verbraucher. Da die Auswerteeinheit den Strombedarf
des zweiten Verbrauchers V2 von 15A kennt, aktualisiert die Auswerteeinheit
den Energiehaushalt, indem die freigegebene Stromstärke von
15A zur zwischengespeicherten Stromreserve von 3A hinzuaddiert wird.
Damit ergibt sich eine neue Stromreserve von 18A. Gleichzeitig ergibt
sich ein neuer Umgebungszustand, und die Aktivitäten des Fairnesswächters beginnen
erneut. Der Fairnesswächter
im dritten Steuergerät 3.3 überprüft im Hinblick
auf seinen wartenden Verbraucher V3 die Stromreserve und erkennt, dass
die neue aktuelle Stromreserve von 18A den Bedarf des wartenden
Verbraucher V3 von 12A übersteigt.
Danach schaut er sich die Stromreserve an. Die Sicherheitsüberprüfung ergibt,
dass der Umgebungszustand auch nach Zuschalten des dritten Verbrauchers
V3 noch sicher wäre.
Deshalb kündigt
die Auswerteeinheit im dritten Steuergerät 3.3 über den CAN-Bus
das Zuschalten des dritten Verbrauchers V3 an, wie aus 7 ersichtlich
ist. Die Auswerteeinheit im dritten Steuergerät 3.3 durchläuft nun
eine Phase von beispielsweise 100 ms, in der die Auswerteeinheiten
der Steuergeräte
um die Stromreserve konkurrieren. Die Auswerteeinheit, die den Verbraucher
mit der höchsten
Priorität
ankündigt
gewinnt und kann seinen Verbraucher zuschalten. Dies ist erforderlich,
da es in diesem verteilten System mit verteiltem Wissens durch zeitgleiche
Entscheidungen zu einem gleichzeitigen Zuschalten von mehreren Verbrauchern
kommen könnte
und sich damit ein unsicherer Energiehaushalt einstellen könnte. Auch
in diesem Fall wäre
es prinzipiell so, dass der Fairnesswächter im zweiten Steuergerät 3.2 jetzt
zeitgleich versuchen würde,
seinen Verbraucher V2 zu reaktivieren. Dieser ist aber für 200 ms
gesperrt um eine unnötige
Buslast zu verhindern. Zudem würde
das zweite Steuergerät 3.2 gegen
das dritte Steuergerät 3.3 ohnehin
verlieren, da die Priorität
des zweiten Verbrauchers V2 niedriger als die Priorität des dritten Verbrauchers
V3 ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
kündigt
deswegen nur das dritte Steuergerät 3.3 eine Zuschaltung
an. Wie aus 8 ersichtlich ist, schaltet
das dritte Steuergerät 3.3 seinen
Verbraucher V3 elektrisch und logisch an, und meldet dies auf dem
CAN-Bus. Gleichzeitig entfernt die Auswerteeinheit des dritten Steuergerätes den
zugeschalteten Verbraucher V3 aus der Liste der lokalen wartenden
Verbraucher, und trägt
den Verbraucher V3 in die Liste der aktivierten Verbraucher ein.
Da der Verbraucher V3 einen Strom von 12A konsumiert, aktualisiert
die Auswerteeinheit den Energiehaushalt und subtrahiert diesen Betrag
von der zwischengespeicherten Stromreserve von 18A. Damit ergibt
sich wieder ein neuer fairer Umgebungszustand. Die Wächter arbeiten
so lange mit den berechneten Werten des Energiehaushaltes weiter,
bis der Energiewächter
des Bordnetzsteuergerätes 4 wieder
einen neuen, gemessenen Energiehaushalt propagiert, wie in 9 dargestellt
ist. Das System befindet sich nun in einem konsistenten, ruhenden
Zustand. Die Konsistenzwächter
werden erst dann wieder aktiv, wenn sich der Energiehaushalt ändert, oder
ein Verbraucher umgeschaltet werden soll.