DE102013214825B4

DE102013214825B4 - Verfahren zum Anpassen der Übertragungseigenschaften eines Signals

Info

Publication number: DE102013214825B4
Application number: DE102013214825.9A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kellermann; Stefan Scholz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: DE102013214825A1

Abstract

Verfahren zum Anpassen der Übertragungseigenschaften eines Signals, das von einem ersten Kommunikationsknoten (42) eines Fahrzeugs über zumindest eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) eines Bordnetzes eines Fahrzeugs an einen zweiten Kommunikationsknoten (43) übertragen wird, bei dem:- ein Verlauf der Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) des Bordnetzes durch den ersten Kommunikationsknoten (42) durch eine oder mehrere Messungen bestimmt wird;- aus der oder den Messungen eine Anzahl an charakteristischen Messwerten bestimmt wird;- ein Modell mit ersten Elementen (R1, C1, L1) für die Eingangsimpedanz aus den charakteristischen Messwerten erzeugt und die Beträge der ersten Elemente des Modells ermittelt werden;- eine Dimensionierung von zweiten Elementen (R3, C3, L3) einer Kompensationsschaltung ermittelt wird; und- die Kompensationsschaltung zwischen einem Modem des ersten Kommunikationsknotens (42) und der zumindest einen Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) des Bordnetzes vorgesehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Übertragungseigenschaften eines Signals, das von einem ersten Kommunikationsknoten eines Fahrzeugs über zumindest eine Versorgungsleitung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs an einen zweiten Kommunikationsknoten übertragen wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt und einen Kommunikationsknoten, insbesondere ein Steuergerät, eines Fahrzeugs, der an zumindest eine Versorgungsleitung eines Bordnetzes des Fahrzeugs anschließbar ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
Für die Signalübertragung von Daten zwischen Kommunikationsknoten werden in Fahrzeugen derzeit in der Regel Busleitungen verwendet, an die die Kommunikationsknoten angeschlossen sind. Abhängig von der Art des Busses (z.B. CAN - Controller Area Network, Flexray, LIN - Local Interconnect Network, Ethernet, usw.) werden eine oder zwei verdrillte Leitungen für die Datenübertragung genutzt. Die Anzahl der Busleitungen in einem Fahrzeug variiert in Abhängigkeit des Ausstattungsumfangs und kann bis zu mehreren 10 Stück betragen. Der Aufwand zum Anbringen der Busse in den Fahrzeugen während der Fertigung ist entsprechend hoch. Ferner sind die Busleitungen für ein nicht unerhebliches Gewicht des Fahrzeugs verantwortlich. Es wäre deshalb wünschenswert, den Aufwand für die Verkabelung reduzieren zu können. Dies ist dadurch möglich, dass anstelle separater Kommunikationsleitungen die Versorgungsleitungen des Fahrzeugs (d.h. der Kabelbaum) für die Übertragung von Daten genutzt werden. Dies ist unter dem Begriff „Powerline Communication“ (PLC) bekannt, welche im Umfeld von Hausinstallationen bereits eingesetzt wird.
Der Kabelbaum, eine Batterie des Fahrzugzeugs und Steuergeräte als Kommunikationsknoten des Fahrzeugs sind jedoch nur in sehr begrenztem Maße für PLC geeignet. Ursache sind ein starkes Übersprechen von Signalen, die Ausgestaltung des Kabelbaums in sog. Einleitertechnik, bei der die Karosserie als Rückleitung genutzt wird, eine Bedämpfung der Signale durch die Batterie und eine EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Absicherung aller Steuergeräte-Anschlüsse durch Kondensatoren, die zu einer starken Bedämpfung führen. Dies erzeugt für PLC im Fahrzeug eine extrem schlechte Anpassung sowohl auf der Sender- als auch Empfängerseite an das Stromversorgungsnetz. Außerdem verhält sich jeder Verbindungspunkt anders.
Eine Erhöhung der Signalleistung als Gegenmaßnahme zu der starken Bedämpfung ist in einem Fahrzeug nicht möglich, da dies aufgrund der Nähe der in einem Fahrzeug verbauten Empfangsantennen für Rundfunk, TV und Mobilfunk zu einer EMV-Problematik führen würde.
Bei Verwendung der Versorgungsleitungen des Fahrzeugkabelbaums für die Signalübertragung sind damit gewisse Hürden zu überwinden, die der Übertragungscharakteristik der jeweils gewählten Strecken im Fahrzeug zu schulden sind.
Die DE 10 2006 059 689 A1 offenbart ein Verfahren zum Übertragen von Daten eines Datenstroms über ein Kommunikationsmedium eines Kommunikationssystems in Zeitschlitzen von sich wiederholenden Kommunikationszyklen. Um die Bandbreite des Kommunikationssystems besser auszulasten, werden die Daten des Datenstroms vor dem Senden mittels einer bestimmten Codesequenz spektral gespreizt und die gespreizten Daten dann in den Zeitschlitzen der sich wiederholenden Kommunikationszyklen übertragen.
Die WO 2003/ 030 397 A1 offenbart ein Verfahren zum Vermindern der Abstrahlung von in Energieversorgungsleitungen eingekoppelten Signalen, indem die Unsymmetrieeigenschaften der Energieversorgungsleitungen des Energieversorgungsnetzes gemessen werden und die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen der Übertragungseinrichtungen in Abhängigkeit von den gemessenen Unsymmetrieeigenschaften der Energieversorgungsleitungen eingestellt werden.
Die EP 2 549 679 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Extraktion eines Versorgungssignals aus einem Bussignal auf einem Bus mit zwei Leitungen. Die Vorrichtung ist mit einem ersten und einem zweiten Eingang ausgestattet, die zum Anschluss an eine erste und zweite Leitung bestimmt sind. Die Vorrichtung umfasst eine Umwandlungsschaltung, die so beschaffen und mit dem ersten und dem zweiten Eingang verbunden ist, dass dem Bus ein Strom entnommen wird, um ein Spannungssignal für eine lineare oder schaltende Stromversorgung zu liefern, und eine Kompensationsschaltung, die so beschaffen ist, dass sie die Impedanz ändert, wenn der dem Bus entnommene Strom unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, typischerweise als Folge des Vorhandenseins von Modulationssignalen im Bussignal.
Die EP 0 089 515 A1 offenbart ein Powerline-Datensystem zur Übertragung von Kommunikationssignalen über mindestens einen ersten Powerline-Leiter mit einer charakteristischen Leitungsübertragungsfunktion, wobei das Powerline-Datensystem eine erste Impulsgeneratoreinrichtung, die zum Ankoppeln an den ersten Powerline-Leiter an einer ersten Stelle geeignet ist, wobei die Impulsgeneratoreinrichtung ein digitales Basisbandsignal als Reaktion auf ein Informationssignal über den Powerline-Leiter ausbreitet, wobei das Informationssignal eine Vielzahl von binären Nullbits und eine Vielzahl von binären Einsbits aufweist, und eine erste Abtastbitdetektoreinrichtung umfasst, die zum Ankoppeln an den Powerline-Leiter an einer zweiten Stelle geeignet ist, um das digitale Basisbandsignal zu empfangen und als Reaktion darauf ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch das die Übertragung von Signalen über Versorgungsleitungen des Fahrzeugs ermöglicht wird. Ferner soll ein Kommunikationsknoten, insbesondere ein Steuergerät, eines Fahrzeugs geschaffen werden, der über eine Versorgungsleitung eines Bordnetzes des Fahrzeugs Signale übertragen und empfangen kann. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug anzugeben, bei dem die Kommunikation zwischen den Steuergeräten über das Bordnetz des Fahrzeugs erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9, einen Kommunikationsknoten gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 10 und ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Anpassen der Übertragungseigenschaften eines Signals, das von einem ersten Kommunikationsknoten eines Fahrzeugs über zumindest eine Versorgungsleitung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, an einen zweiten Kommunikationsknoten übertragen wird, vorgeschlagen. Der erste und der zweite Kommunikationsknoten sind z.B. Steuergeräte des Fahrzeugs die zur Steuerung vorgegebener Funktionen dienen. Der erste und der zweite Kommunikationsknoten brauchen nicht über gesonderte Kommunikationsleitungen, wie z.B. eine Busleitung miteinander verbunden sein. Insbesondere sind solche gesonderten Kommunikationsleitungen nicht vorgesehen.
Zunächst wird der Verlauf der Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung des Bordnetzes durch den ersten Kommunikationsknoten durch eine oder mehrere Messungen bestimmt. Hierzu kann z.B. ein Messsignal durch den ersten Kommunikationsknoten in die Versorgungsleitung eingespeist werden. Die Signalantwort wird durch den ersten Kommunikationsknoten zur Bestimmung des Verlaufs der Eingangsimpedanz ausgewertet.
Anschließend wird aus der oder den Messungen eine Anzahl an charakteristischen Messwerten bestimmt. Dies sind z.B. eine Resonanzfrequenz, die Eingangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz sowie die Breite eines vorgegebenen Intervalls um die Resonanzfrequenz.
In einem nächsten Schritt wird ein Modell mit ersten Elementen für die Eingangsimpedanz aus den charakteristischen Messwerten erzeugt und die Beträge der ersten Elemente des Modells werden ermittelt.
Darauf folgend wird eine Dimensionierung von zweiten Elementen einer Kompensationsschaltung ermittelt. Durch die Kompensationsschaltung erfolgt eine Anpassung an die Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung.
Die Kompensationsschaltung wird zwischen einem Modem des ersten Kommunikationsknotens und der zumindest einen Versorgungsleitung des Bordnetzes vorgesehen, wodurch die Anpassung des ersten Kommunikationsknotens an die zumindest eine Versorgungsleitung vorgenommen ist.
Die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens werden für jeden Kommunikationsknoten, der über die zumindest eine Versorgungsleitung kommunizieren soll, vorgenommen.
Das Verfahren ermöglicht somit eine verbesserte Kommunikation über die Versorgungsleitungen (d.h. den Kabelbaum) des Fahrzeugs. Diese Kommunikation kann als PLC (Power Line Communication) betrachtet werden. Die Kommunikation ist zwischen beliebigen Kommunikationsknoten, d.h. Steuergeräten, des Fahrzeugs möglich. Die PLC wird auch bei der speziellen Bordnetztopologie in Einleitertechnik mit einer Rückleitung über die Karosserie ermöglicht.
Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine PLC die Kommunikationsknoten (Steuergeräte) am Ende einer Übertragungsstrecke eine (komplexe) Lastimpedanz darstellen, welche über die jeweilige Leitung transformiert zu einer entsprechenden Eingangsimpedanz am Punkt der Signaleinspeisung führt. Bedingt durch die Fehlanpassung zwischen Signalquelle und Versorgungsleitung führt dies zu einer mehr oder minder starken Verminderung der übertragenen Signalleistung. Durch die Kompensationsschaltung kann dieser Effekt eliminiert oder zumindest minimiert werden, indem durch die Kompensationsschaltung der frequenzabhängige Eingangswiderstand der Versorgungsleitung linearisiert wird.
Die Modellierung der Eingangsimpedanz wird gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens durch den ersten Kommunikationsknoten durchgeführt. Hierdurch ist es möglich, das Verfahren „onboard“, d.h. in dem Fahrzeug selbst, durchzuführen. Hierdurch kann dieses in vorgegebenen Abständen oder gezielt aufgrund eines Ereignisses durchgeführt werden, um Änderungen der Impedanz der zumindest einen Versorgungsleitung (d.h. des Bordnetzes) zu begegnen.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Anpassung der zweiten Elemente der Kompensationsschaltung durch den ersten Kommunikationsknoten durchgeführt werden. Hierdurch wird eine Selbsteinstellung realisiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Kompensationsschaltung digital realisiert ist, wobei eine Selbsteinstellung der Anpassung bzw. Dimensionierung der zweiten Elemente rechnergestützt durch den ersten Kommunikationsknoten erfolgen kann.
Es ist zweckmäßig, wenn das Signal über eine Versorgungsleitung übertragen wird, bei der im Betrieb des Fahrzeugs Ströme von typischerweise kleiner als 1 A auftreten. Anders ausgedrückt wird bei Kommunikationsknoten mit sog. Last-Logik-Trennung der Stromversorgung das Kommunikationssignal über die Versorgungsleitung übertragen, welche zur Versorgung der Logikkomponenten des Kommunikationsknotens dient. Die Nutzung solcher Logik-Versorgungsleitungen im Gegensatz zu Last-Versorgungsleitungen, über die hohe Lastströme von typischerweise mehr als 1 A auftreten, stellt sicher, dass im Logik-Versorgungpfad eine Entkoppel-Induktivität zur Trennung von Strom und Kommunikationssignalen im Kommunikationsknoten eingesetzt werden kann, welche ein kleines Volumen aufweist.
Die Eingangsimpedanz kann als Parallelschwingkreis mit einem Kondensator, einer Induktivität und einem Widerstand modelliert werden. Dabei kann es ferner zweckmäßig sein, wenn zur Einstellung eines Offsets der Impedanz das Modell der Eingangsimpedanz (d.h. der Parallelschwingkreis) um einen seriell verschalteten Widerstand ergänzt wird. Das Vorsehen des seriell zu dem Parallelschwingkreis angeordneten Widerstands ist z.B. dann angebracht, wenn für weit von der Resonanzfrequenz entfernt liegende Frequenzen eine verbleibende Impedanz in der Messung festgestellt wird.
Die Kompensationsschaltung wird durch einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator, einer Induktivität und einem Widerstand modelliert, so dass bei einer seriellen Verschaltung des Modells der Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung und der Kompensationsschaltung die bereits beschriebene Linearisierung der frequenzabhängigen Eingangswiderstande der Versorgungsleitung erzielt ist.
Die Erfindung schlägt ferner ein Computerprogrammprodukt vor, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt werden, wenn das Produkt auf dem Rechner läuft. Der Rechner ist durch den oben beschriebenen Kommunikationsknoten, d.h. ein Fahrzeugsteuergerät, repräsentiert.
Es wird ferner ein Kommunikationsknoten, insbesondere ein Steuergerät, eines Fahrzeugs vorgeschlagen, der an zumindest eine Versorgungsleitung eines Bordnetzes des Fahrzeugs anschließbar ist und zur Übertragung eines Signals an einen zweiten Kommunikationsknoten, insbesondere ein anderes Steuergerät, das Signal in die zumindest eine Versorgungsleitung als Signal-Übertragungskanal einspeisen kann. Der Kommunikationsknoten umfasst ein Modem und eine Kompensationsschaltung, welche eine Anpassung der Impedanz des ersten Kommunikationsknotens an die Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung gewährleistet. Das Modem ist insbesondere ein sog. PLC-Modem.
Ein solcher Kommunikationsknoten ist in der Lage über das Bordnetz mit anderen Kommunikationsknoten zu kommunizieren. Dadurch braucht dieser keine Anschlüsse (Klemmen) für den Anschluss an dedizierte Kommunikationsleitungen mehr aufweisen. Ein solcher Kommunikationsknoten kann daher einfacher und vor allem kleiner gegenüber herkömmlichen Kommunikationsknoten ausgebildet werden. Ansonsten weist ein erfindungsgemäßer Kommunikationsknoten die gleichen Vorteile auf, wie diese in Verbindung mit dem oben beschriebenen Verfahren erläutert wurden.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Kompensationsschaltung durch einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator, einer Induktivität und einem Widerstand gebildet. Bei dieser ist insbesondere der Serienschaltung aus dem Widerstand und dem Kondensator die Induktivität parallel geschaltet.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Kompensationsschaltung zwischen dem Modem und der zumindest einen Signalleitung angeordnet. Hierdurch wird die serielle Verschaltung der Kompensationsschaltung zu der durch einen Parallelschwingkreis modellierbaren Versorgungsleitung ermöglicht, wodurch die gewünschte Linearisierung der frequenzabhängigen Eingangswiderstande der Versorgungsleitung erzielt ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Kompensationsschaltung digital realisiert. Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Kompensationsschaltung selbsteinstellend ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist in dem Kommunikationsknoten zwischen einem für die PLC genutzten Stromversorgungs- und Kommunikationsanschluss und einer internen Stromversorgung eine Entkoppel-Induktivität angeordnet, wobei der Anschluss zur Übertragung von Strömen typischerweise kleiner als 1 A ausgebildet ist.
Es wird ferner ein Fahrzeug vorgeschlagen, das zumindest zwei Kommunikationsknoten der oben beschriebenen Art umfasst. In diesem ist eine Kommunikation zwischen den Kommunikationsknoten über das Bordnetz möglich. Ein derartiges Fahrzeug benötigt keine gesonderten Kommunikationsleitungen, wie z.B. Ein-Draht-Leitungen oder verdrillte Zwei-Draht-Leitungen. Hierdurch ist die Verkabelung einfacher und weniger umfangreich, was eine erleichterte Fertigung des Fahrzeugs sowie ein geringeres Gewicht des Fahrzeugs nach sich zieht.
Es ist zweckmäßig, wenn der zumindest eine Kommunikationsknoten an eine Logik-Versorgungsleitung angeschlossen ist, bei der im Betrieb des Fahrzeugs Ströme von typischerweise kleiner als 1 A auftreten, welche zur Versorgung von Logikkomponenten (interne Stromversorgung für Mikrocontroller, usw.) des Kommunikationsknotens genutzt wird. Hierdurch wird eine „Last-Logik-Trennung“ der Versorgungsleitungen realisiert, wobei durch die Verwendung von Versorgungsleitungen mit geringen Strömen negative Rückwirkungen auf die übertragenen Signale so gering wie möglich gehalten werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, wobei eine Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsknoten über Versorgungsleitungen des Bordnetzes erfolgt;
2 typische Verläufe der Eingangsimpedanz der Versorgungsleitungen des Fahrzeug-Bordnetzes;
3 beispielhafte Messdaten einer Eingangsimpedanz;
4 eine Modellierung der Eingangsimpedanz als Parallelschwingkreis;
5 ein Modell einer Kompensationsschaltung;
6 Impedanz-Frequenz-Diagramme, welche die Kompensation von Real- und Imaginärteil durch die Verwendung einer optimal dimensionierten Kompensationsschaltung zeigen;
7 Impedanz-Frequenz-Diagramme, welche die Kompensation von Real- und Imaginärteil durch die Verwendung einer nicht optimal dimensionierten Kompensationsschaltung zeigen; und
8 eine schematische Darstellung der Anbindung eines für PLC ausgebildeten Steuergeräts an ein Bordnetz.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs. Das Bordnetz umfasst als Energiequelle eine Batterie 10, deren Minus-Pol über eine Leitung 51 mit einem Massekamm 21 verbunden ist, der elektrisch leitend an die Karosserie des Fahrzeugs angebunden ist. Der Massekamm 21 kann beispielsweise mit der Karosserie verschraubt sein. Der Plus-Pol der Batterie 10 ist über jeweilige Leitungen 52, 54 mit zwei Stromverteilern 31, 32 verbunden. Lediglich beispielhaft ist mit dem Stromverteiler 31 über eine Leitung 53 ein Steuergerät 42 und mit dem Stromverteiler 32 über eine Leitung 55 ein Steuergerät 43 verbunden. Die Steuergeräte 42, 43 stellen Kommunikationsknoten dar und sind entsprechend ihrer Funktion an vorgegebenen Stellen im Fahrzeug (z.B. in einer Tür, in der Instrumententafel, im Kofferraum, im Motorraum, im Dach, usw.) verbaut. Die Anbindung der Steuergeräte 42, 43 an eine jeweilige Versorgungsleitung 53 ,55 wird nachfolgend als Koppelstelle bezeichnet.
An einen jeweiligen Stromverteiler 31, 32 ist in der Praxis eine größere Anzahl an Steuergeräten oder Verbraucher angeschlossen. Mit ihrem Bezugspotentialanschluss sind die Steuergeräte 42 und 43 mit einem jeweiligen Massekamm 22, 23 verbunden. Die Massekämme 22, 23 sind elektrisch leitend an die Karosserie des Fahrzeugs angebunden und beispielsweise mit der Karosserie verschraubt. An einen jeweiligen Massekamm 21, 22, 23 ist in der Praxis eine Mehrzahl von Steuergeräten angebunden. Die gezeigte Topologie des Bordnetzes ist lediglich als beispielhaft anzusehen und kann in der Praxis auch mit einer anderen Anzahl an Stromverteilern und einer anderen Anschaltung an die Batterie realisiert sein.
Über die Versorgungsleitungen 52, 53, 54, 55 fließen im Betrieb des Bordnetzes vorzugsweise Ströme von typischerweise kleiner als 1 A. Benötigen Komponenten des Steuergeräts höhere Ströme, so werden diese über eine separate Versorgungsleitung dem Steuergerät zugeführt. Dies ist als Last-Logik-Trennung bekannt und wird nachfolgend in Verbindung mit 8 noch näher erläutert.
Die Kommunikation der Steuergeräte 42, 43 erfolgt über die Versorgungsleitungen des in 1 gezeigten Bordnetzes. Zur Übertragung einer Nachricht von dem Steuergerät 42 an das Steuergerät 43 wird die Nachricht über die Leitung 53, den Stromverteiler 31, die Leitung 54, den Stromverteiler 32 und die Leitung 55 übertragen. Die Nutzung der Versorgungsleitungen des Bordnetzes stellt ein Power Line Communication (PLC) dar. Zur Realisierung der PLC in einem Fahrzeug-Bordnetz erfolgt eine Anpassung der Kommunikationsknoten an die Eingangsimpedanz der Versorgungsleitung. Dies erfolgt durch eine Modellierung der Eingangsimpedanz anhand einer durchgeführten Messung und das Vorsehen einer entsprechenden Kompensationsschaltung.
Eine für PLC eingesetzte Versorgungsleitung (auch als Stromversorgungsleitung bezeichnet) im Fahrzeug besitzt eine Eingangsimpedanz, welche sich durch einen Parallelschwingkreis modellieren lässt. Messungen für typische Kommunikationsstrecken für PLC im Fahrzeug ergeben die in 2 und 3 dargestellten beispielhaften Verläufe. 3 zeigt hierbei eine Mehrzahl an Messungen für verschiedene Koppelstellen. Für jede Koppelstelle ergibt sich damit ein typischer Verlauf der Impedanz (aufgetragen über die y-Achse) für einen betrachteten Frequenzbereich (aufgetragen über die x-Achse), der hier bis 40 MHz reicht.
Für das in 2 dargestellte Beispiel wird der Verlauf der Impedanz in einem Frequenzbereich bis 40 MHz betrachtet. Aus der für einen Koppelpunkt (z.B. die Anbindung des Steuergeräts 42 an die Versorgungsleitung 53) lassen sich für eine Modellierung erforderliche Werte R_max, fo und B extrahieren. Hierbei kennzeichnet f₀ die Resonanzfrequenz, R_max die Eingangsimpedanz bei f₀, sowie B die Breite des Intervalls 2Δf um die Resonanzfrequenz (f₀ ± Δf), bei dem die Impedanz das $1 / \sqrt{2} - fache$
von R_max beträgt. Dieses Verhalten lässt sich durch einen RLC-Parallelschwingkreis modellieren, der in 3 dargestellt ist.
Der RLC-Parallelschwingkreis umfasst einen Widerstand R₁, einen Kondensator C₁ und eine Induktivität L₁. Diese Elemente sind einander parallel geschaltet. Für die Dimensionierung dieses Parallelschwingkreismodells werden folgende Zusammenhänge verwendet, mit Q: Güte, B: 3dB-Bandbreite, f₀: Mittenfrequenz, R_max: Impedanz bei der Resonanzfrequenz, C₁; L₁: zu bestimmende Modellparameter. $Q = \frac{ƒ_{0}}{B} = R_{m a x} \cdot \sqrt{\frac{C_{1}}{L_{1}}}$
$ƒ_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} C_{1}}}$
Liegt für weit von der Resonanzfrequenz fo entfernt liegende Frequenzen eine verbleibende Impedanz vor, wie dies im Beispiel der 2 bei 40 MHz zu erkennen ist, so lässt sich über den Modellparameter R_V ein entsprechender Offset einstellen, so dass die Impedanz bei diesen Frequenzen Null wird. Der Widerstand R_V ist in 4 seriell zu dem RLC-Parallelschwingkreis verschaltet, wobei die Serienschaltung aus R_V und dem RLC-Parallelschwingkreis zwischen den Eingangsklemmen der Versorgungsleitungen verschaltet ist. Zwischen diesen Eingangsklemmen liegt die Spannung U_A an. Z₁ stellt den komplexen Ersatzwiderstand der Koppelstelle dar. Der Widerstandswert von Rv wird bei der Dimensionierung von R₁ berücksichtigt, d.h. der Wert von R₁ wird als R_max - R_V festgelegt. Die Werte der Modellelemente C₁ und L₁ ergeben sich damit zu: $C_{1} = \frac{1}{2 π \cdot B \cdot R_{m a x}}$
$L_{1} = \frac{1}{4 π^{2} \cdot ƒ_{0}^{2} \cdot C_{1}} .$
Der komplexe Ersatzwiderstand Z₁ des RLC-Parallelschwingkreises $Z_{1} = \frac{ω R_{1} L_{1}}{ω L_{1} + j (ω^{2} R_{1} C_{1} L_{1} - R_{1})} + R_{V}$
ermöglicht eine Darstellung der Eingangsimpedanz in Betrag und Phase, wobei im Folgenden nur der Betrag von Z₁ betrachtet wird. Für die Beispielwerte aus 2 erhält man somit $R_{1} = 1200 Ω$
$C_{1} = \frac{1}{2 π \cdot 1,4 MHz \cdot 1,2k Ω} = 97,735 pF$
$L_{1} = \frac{1}{4 π^{2} \cdot 15 {MHz}^{2} \cdot 97,735 pF} = 1,1884 μ H$
Das Verhalten des RLC-Parallelschwingkreises lässt sich durch einen seriellen Reihenschwingkreis kompensieren. Ein solcher Reihenschwingkreis ist in 5 dargestellt, der einen Widerstand R₃, einen Kondensator C₃ und eine Induktivität L₃ umfasst. Dabei ist der Widerstand R₃ der Serienschaltung aus dem Kondensator C₃ und eine Induktivität L₃ parallel geschaltet. Die Elemente R₃, C₃ und L₃ des Reihenschwingkreises lassen sich aus den Elementen R₁, C₁ und L₁ des Parallelschwingkreises berechnen.
Dazu wird eine Pol-Nullstellenkompensation der Übertragungsfunktionen von Parallel- und Reihenschwingkreis angestrebt. Der Reihenschwingkreis mit Parallelwiderstand besitzt im Allgemeinen die Werte R₃, C₃ und L₃. Da die zusätzlichen Bauelemente zur Kompensation die Ströme und Spannungen der Gesamtschaltung nicht rückwirkungsfrei beeinflussen, ergibt sich die Übertragungsfunktion des entstehenden Aufbaus allgemein zu $G (s) = \frac{R_{V}}{R_{3} + R_{V}} \frac{s^{4} A + s^{3} B + s^{2} C + s D + 1}{s^{4} G + s^{3} H + s^{2} J + s K + 1}$
Für die einzelnen Koeffizienten ergibt sich: $A = C_{1} C_{2} L_{1} L_{3}$
$B = \frac{C_{3} L_{1} (R_{1} R_{3} C_{1} + L_{3})}{R_{1}}$
$C = \frac{R_{3} C_{3} L_{1}}{R_{1}} + C_{1} L_{1} + C_{3} L_{3}$
$D = \frac{L_{1}}{R_{1}} + R_{3} C_{3}$
sowie $G = C_{1} C_{2} L_{1} L_{3}$
$\begin{array}{l} H = \frac{C_{3} L_{1} L_{3} (R_{1} + R_{V} + R_{3})}{R_{1} (R_{V} + R_{3})} \\ + \frac{R_{3} C_{1} C_{3}^{2} L_{1} R_{V}}{R_{1} (R_{V} + R_{3})} \end{array}$
$\begin{array}{l} J = \frac{R_{1} C_{3} [R_{3} L_{1} + L_{3} (R_{V} + R_{3})]}{R_{1} (R_{V} + R_{3})} \\ + \frac{R_{1}^{2} C_{1} L_{1} (R_{V} + R_{3}) + R_{1} R_{3} C_{3} L_{1} (R_{V})}{R_{1} (R_{V} + R_{3})} \end{array}$
$\begin{array}{l} K = \frac{L_{1} (R_{1} + R_{V} + R_{3})}{R_{1} (R_{V} + R_{3})} \\ + \frac{R_{1} R_{3} C_{3} (R_{V})}{R_{1} (R_{V} + R l 3)} \end{array}$
Für eine Kompensation der Pol- und Nullstellen im Gesamtsystem müssen die Koeffizienten der Polynome in Zähler und Nenner übereinstimmen. Man erhält so die Bedingung $(A = G) \land (B = H) \land (C = J) \land (D = K)$
und die Lösung des entsprechenden Gleichungssystems ergibt sich zu $C_{3} = \frac{L_{1}}{R_{1}^{2}}$
$L_{3} = R_{1}^{2} \cdot C_{1}$
$R_{3} = R_{1}$
Für den komplexen Ersatzwiderstand des Reihenschwingkreises gilt: $Z_{2} = \frac{R_{3} \cdot (1 - ω^{2} C_{3} L_{3})}{1 - ω^{2} C_{3} L_{3} + j ω C_{3} R_{3}}$
und es ergeben sich die Werte der Kompensationsschaltung nach Gleichung 16 zu: $R_{3} = 1,2 k Ω$
$C_{3} = 82,53 pF$
$L_{3} = 136,42 μ H$
Dies führt für die Reihenschaltung aus Z1+Z2 zu einem linearen Impedanzverlauf und entspricht einer idealen Kompensation des Parallelschwingkreisverhaltens. Dies ist exemplarisch in 6 dargestellt, welche zwei Impedanz-Frequenz-Diagramme zeigt, bei denen die Kompensation von Realteil (6, oben) und Imaginärteil (6, unten) durch die Verwendung einer optimal dimensionierten Kompensationsschaltung illustriert ist. KRP₁ repräsentiert hierbei den Realteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises, KRS₁ den Realteil der Impedanz der Kompensationsschaltung und KR₁ den resultierenden Realteil der Eingangsimpedanz. KIP₁ repräsentiert den Imaginärteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises, KIS₁ den Imaginärteil der Impedanz der Kompensationsschaltung und KI₁ den resultierenden Imaginärteil der Eingangsimpedanz.
In der praktischen Anwendung ist es meist ausreichend, eine mittlere Kompensation durchzuführen, um das Niveau der Eingangsimpedanz anzuheben und auf einem ausreichend hohen Niveau zu halten. Dies ist exemplarisch in 7 dargestellt, welche zwei Impedanz-Frequenz-Diagramme zeigt, bei denen die Kompensation von Realteil (7, oben) und Imaginärteil (7, unten) durch die Verwendung einer nicht optimal dimensionierten, aber immer noch guten Kompensationsschaltung illustriert ist. KRP₂ repräsentiert hierbei den Realteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises, KRS₂ den Realteil der Impedanz der Kompensationsschaltung und KR₂ den resultierenden Realteil der Eingangsimpedanz. KIP₂ repräsentiert den Imaginärteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises, KIS₂ den Imaginärteil der Impedanz der Kompensationsschaltung und KI₂ den resultierenden Imaginärteil der Eingangsimpedanz.
Das beschriebene Vorgehen wird für sämtliche, eine PLC nutzende Kommunikationsknoten (Steuergeräte) durchgeführt.
8 zeigt eine schematische Darstellung der Anbindung eines für PLC ausgebildeten Steuergeräts 82 an ein Bordnetz 80. Das Bordnetz 80 ist durch den in Verbindung mit 4 beschriebenen Parallelschwingkreis, bestehend aus dem Widerstand R₁, dem Kondensator C₁ und der Induktivität L₁, und dem seriell dazu verschalteten Widerstand Rv gebildet. Zusätzlich ist eine die Versorgungsspannung U_Bat des Bordnetzes bereitstellende Energiequelle 81 dargestellt.
Das Steuergerät 82 umfasst ein PLC-Modem 83, eine Steuergeräte-interne Stromversorgung 84, eine Recheneinheit 85 (z.B. einen Mikrocontroller), einen Leistungstreiber 86 sowie die durch den Reihenschwingkreis mit dem Kondensator C₃, der Induktivität L₃ und dem Widerstand R₃ modellierte Kompensationsschaltung, die die beschriebene Linearisierung der frequenzabhängigen Eingangswiderstande der Versorgungsleitung 89 ermöglicht. Der Leistungstreiber 86 steuert über jeweilige Steuerleitungen 91 verschiedene Lasten, wie z.B. Motoren, an. Die Leitung 89 stellt den Kommunikations-Einspeisepunkt für das Steuergerät 82 dar.
Der Reihenschwingkreis ist mit einem Anschluss mit einem Kommunikations- und Versorgungsanschluss 90 des Steuergeräts 82 und mit einem anderen Anschluss mit dem PLC-Modem 83 verbunden. An den Versorgungsanschluss 90 ist ferner über eine Entkoppel-Induktivität L_EK und einen gegen Bezugspotential verschalteten Entstörkondensator C_EMV die Steuergeräte-interne Stromversorgung 84 angeschlossen. Die Entkoppelinduktivität L_EK sorgt dafür, dass die restlichen Komponenten des Steuergeräts (interne Stromversorgung 84, Recheneinheit 85, Leistungstreiber 86) keine Rückwirkungen auf die Nachrichtenübertragung haben. Mit anderen Worten sorgt die Entkoppelinduktivität L_EK dafür, dass Stromversorgung und Kommunikationssignale voneinander entkoppelt werden. Hierzu wird L_EK so gewählt werden, dass |Z| = jwL_EK > 5* Z_max aus 3.
Die Größe der Entkoppel-Induktivität L_EK ist abhängig von dem durch sie fließenden Strom und kann bei gegebener Größe nur einen begrenzten Strom aufnehmen. Um die Entkoppel-Induktivität L_EK so klein wie möglich bauen zu können, wird diese im Strompfad der Logikversorgung vorgesehen, während die Versorgung des Leistungstreibers 86 über eine gesonderte Leitung 87 für die Lastversorgung versorgt wird. Über die Leitung 89 werden Ströme von in der Regel kleiner als 1 A übertragen. Auf der zur Versorgung von einer oder mehreren Lasten genutzten Leitung 87 kann der Strom dagegen sehr viel höher sein. Diese Aufteilung wird als Last-Logik-Trennung bezeichnet. Die Leitungen 87, 89 sind hierzu über (nicht dargestellte) getrennte Versorgungsleitungen an einen Stromverteiler oder eine Batterie des Bordnetzes angeschlossen.
Bezugszeichenliste

10: Energiequelle (Batterie)
21: Massekamm
22: Massekamm
23: Massekamm
31: Stromverteiler
32: Stromverteiler
51: Versorgungsleitung
52: Versorgungsleitung
53: Versorgungsleitung
54: Versorgungsleitung
55: Versorgungsleitung
80: Bordnetz
81: Energiequelle
82: Steuergerät
83: PLC-Modem
84: Steuergerät-interne Stromversorgung
85: Recheneinheit (z.B. Mikrocontroller)
86: Leistungstreiber
87: Leitung für Lastversorgung
88: Leitung für Logikversorgung
89: Leitung
90: Kommunikations- und Versorgungsanschluss des Steuergeräts 82
91: Steuerleitung für eine Last, z.B. einen Motor
R: Impedanz
f: Frequenz
Rmax: Impedanz bei Resonanzfrequenz
f0: Mittenfrequenz
B: Bandbreite
R1: Widerstand des modellierten Parallelschwingkreises
C1: Kondensator des modellierten Parallelschwingkreises
L1: Induktivität des modellierten Parallelschwingkreises
Z1: Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises
R2: Widerstand der Kompensationsschaltung
C2: Kondensator der Kompensationsschaltung
L2: Induktivität der Kompensationsschaltung
Rv: Widerstand zur Korrektur eines Offsets der Impedanz Z₁
LEK: Entkoppel-Induktivität
CEMV: EMV-Kapazität
KRP1: Realteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises
KRS1: Realteil der Impedanz der Kompensationsschaltung
KR1: Resultierender Realteil der Eingangsimpedanz
KIP1: Imaginärteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises
KIS1: Imaginärteil der Impedanz der Kompensationsschaltung
KI1: Resultierender Imaginärteil der Eingangsimpedanz
KRP2: Realteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises
KRS2: Realteil der Impedanz der Kompensationsschaltung
KR2: Resultierender Realteil der Eingangsimpedanz
KIP2: Imaginärteil der Impedanz des modellierten Parallelschwingkreises
KIS2: Imaginärteil der Impedanz der Kompensationsschaltung
KI2: Resultierender Imaginärteil der Eingangsimpedanz

Claims

Verfahren zum Anpassen der Übertragungseigenschaften eines Signals, das von einem ersten Kommunikationsknoten (42) eines Fahrzeugs über zumindest eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) eines Bordnetzes eines Fahrzeugs an einen zweiten Kommunikationsknoten (43) übertragen wird, bei dem: - ein Verlauf der Eingangsimpedanz der zumindest einen Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) des Bordnetzes durch den ersten Kommunikationsknoten (42) durch eine oder mehrere Messungen bestimmt wird; - aus der oder den Messungen eine Anzahl an charakteristischen Messwerten bestimmt wird; - ein Modell mit ersten Elementen (R₁, C₁, L₁) für die Eingangsimpedanz aus den charakteristischen Messwerten erzeugt und die Beträge der ersten Elemente des Modells ermittelt werden; - eine Dimensionierung von zweiten Elementen (R₃, C₃, L₃) einer Kompensationsschaltung ermittelt wird; und - die Kompensationsschaltung zwischen einem Modem des ersten Kommunikationsknotens (42) und der zumindest einen Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) des Bordnetzes vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Modellierung der Eingangsimpedanz durch den ersten Kommunikationsknoten (42, 43) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Anpassung der zweiten Elemente (R₃, C₃, L₃) der Kompensationsschaltung durch den ersten Kommunikationsknoten (42) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kompensationsschaltung digital realisiert ist und eine Selbsteinstellung der Anpassung/Dimensionierung der zweiten Elemente rechnergestützt durch den ersten Kommunikationsknoten (42) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Signal über eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) übertragen wird, bei der im Betrieb des Fahrzeugs Ströme kleiner als 1 A auftreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingangsimpedanz als Parallelschwingkreis mit einem Kondensator (C₁), einer Induktivität (L₁) und einem Widerstand (R₁) modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zur Einstellung eines Offsets der Impedanz (Z₁) das Modell der Eingangsimpedanz um einen seriell verschalteten Widerstand (R_V) ergänzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kompensationsschaltung durch einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator (C₃), einer Induktivität (L₃) und einem Widerstand (R₃) modelliert wird.
Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt werden, wenn das Produkt auf dem Rechner läuft.
Kommunikationsknoten (42), insbesondere Steuergerät, eines Fahrzeugs, der an zumindest eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) eines Bordnetzes des Fahrzeugs anschließbar ist und zur Übertragung eines Signals an einen zweiten Kommunikationsknoten (43), insbesondere ein anderes Steuergerät, das Signal in die zumindest eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) als Signal-Übertragungskanal einspeisen kann, umfassend ein Modem und eine Kompensationsschaltung, welche eine Anpassung der Impedanz des ersten Kommunikationsknotens an die Eingangsimpedanz der zumindest eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) gewährleistet.
Kommunikationsknoten nach Anspruch 10, bei der die Kompensationsschaltung durch einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator (C₃), einer Induktivität (L₃) und einem Widerstand (R₃) gebildet ist.
Kommunikationsknoten nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Kompensationsschaltung zwischen dem Modem und der zumindest einen Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) angeordnet ist.
Kommunikationsknoten nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Kompensationsschaltung digital realisiert ist.
Kommunikationsknoten nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Kompensationsschaltung selbsteinstellend ist.
Kommunikationsknoten nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der in dem Kommunikationsknoten zwischen einem für die PLC genutzten Stromversorgungs- und Kommunikationsanschluss (90) und eine interne Stromversorgung (84) eine Entkoppel-Induktivität (L_EK) angeordnet ist, wobei der Anschluss (90) zur Übertragung von Strömen von kleiner als 1 A ausgebildet ist.
Fahrzeug, umfassend zumindest zwei Kommunikationsknoten (42, 43) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.
Fahrzeug nach Anspruch 16, bei dem der zumindest eine Kommunikationsknoten (42, 43) an eine Versorgungsleitung (52, 53, 54, 55) angeschlossen ist, bei der im Betrieb des Fahrzeugs Ströme von kleiner als 1 A auftreten.