DE102016212184A1 - Verfahren zum Erkennen eines Fehlerfalls in einem Bordnetz - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Erkennen eines Fehlerfalls in einem Bordnetz (70) vorgestellt. Bei dem Verfahren wird eine erfasste Bordnetzspannung ausgewertet, indem ein Signal, das einen Verlauf der Bordnetzspannung in einem Zeitbereich repräsentiert, einer Fourier-Transformation unterzogen wird und das durch die Fourier-Transformation erhaltene Spektrum ausgewertet wird, wobei ein Ausfall einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers (72) erkannt wird, indem in dem Spektrum eine Amplitude bei einer Schaltfrequenz und eine normierte Summe aller Frequenzen ausgewertet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Diagnoseeinrichtung zum Erkennen eines Fehlerfalls in einem Bordnetz. Das vorgestellte Verfahren dient u. a. zum Überwachen eines Gleichspannungswandlers, insbesondere eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, der bspw. in einem Mehrspannungsbordnetz eingesetzt wird, und zum Erkennen eines Lichtbogens in dem Bordnetz.
• Stand der Technik
• Unter einem Bordnetz ist die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Fahrzeug zu verstehen. Insbesondere in Mehrspannungs-Bordnetzes werden Gelichspannungswandler eingesetzt. Ein Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung, die eine an deren Eingang angelegte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau wandelt. Solche Gleichspannungswandler werden bspw. in Mehrspannungsnetzen eingesetzt. In Kraftfahrzeugen verwendete Bordnetze sind in vielen Fällen als Mehrspannungsnetze ausgebildet, die die elektrische Versorgung der Komponenten im Kraftfahrzeug sicherstellen.
• Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten und sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen steigt die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug.
• Bei einem zukünftigen hochautomatischen Fahren sind fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden. Daher besitzt bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher im Kraftfahrzeug nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler in elektrischen Bordnetzen müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.
• Eine Diagnose des gesamten Spannungswandlers ist aus der Druckschrift DE 10 2013 212 149 A1 bekannt. In dieser ist ein Spannungswandler mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite beschrieben, der über ein erstes Steuergerät ansteuerbar ist. Dieses Steuergerät kann den Spannungswandler derart ansteuern, dass dieser eine gegenüber einem normalen Betriebszustand geänderte Ausgangsspannung erzeugt, die von dem Steuergerät erfasst und ausgewertet wird.
• Es ist festzuhalten, dass es bislang nur möglich ist, einen kompletten Ausfall eines Gleichspannungswandlers zu erkennen. Bei Ausfall einer der bspw. vier Phasen kann zwar insbesondere in Teillast die Ausgangsspannung noch eingeregelt werden. Allerdings werden die restlichen, funktionierenden Phasen unzulässig überlastet. Diese können überhitzen und schließlich ohne Vorankündigung ebenfalls ausfallen.
• Offenbarung der Erfindung
• Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Diagnoseeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
• Das vorgestellte Verfahren ermöglicht in Ausgestaltung die Erkennung des Ausfalls einer einzelnen Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers im laufenden Betrieb, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Hierzu sieht das Verfahren u. a. den Einsatz einer Fourier-Transformation vor.
• Weiterhin ermöglicht das Verfahren in Ausgestaltung die Erkennung von Lichtbögen, insbesondere im 48V-Bordnetz, eines Fahrzeugs. Lichtbögen entstehen beim Trennen von Leitungen mit mittlerer oder hoher Spannung unter Last. Zu beachten ist, dass Lichtbögen Fahrzeugbrände auslösen können und daher erkannt werden müssen.
• Bei dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, dass sowohl für die Lichtbogen-Erkennung als auch für die Erkennung des Phasenausfalls des Gleichspannungswandlers das gleiche Diagnoseprinzip und die gleiche Diagnoseeinrichtung verwendet werden können. Diese Diagnose kann in verschiedenen Bordnetzkomponenten partioniert werden. Mit der vorgestellten Diagnoseeinrichtung können beide Fehlerfälle erkannt werden.
• Es kann somit einerseits der Fehlerfall des Lichtbogens mit Hilfe einer Fourier-Transformation erkannt werden, der auftritt, wenn unter Last ein Strompfad bspw. im 48 Volt-Netz getrennt wird. Dies geschieht nach dem hierin beschriebenen Verfahren. Andererseits kann eine Diagnose eines mehrphasigen Spannungswandlers unter Zuhilfenahme der gleichen Fourier-Transformation und weiterer Rechenschritte in der Nachverarbeitung gemessener Signale vorgenommen werden.
• Zur Erkennung beider Fehlerfälle wird ein Signal, das einen Verlauf der Bordnetzspannung in einem Zeitbereich repräsentiert, einer Fourier-Transformation unterzogen. Dieser Zeitbereich umfasst bspw. 10 bis 20 Schaltperioden, d. h. je nach Frequenz bspw. einen Bereich von 100μs bis 10 ms.
• Die Diagnose eines mehrphasigen Spannungswandlers erfolgt somit unter Zuhilfenahme der Fourier-Transformation und weiterer Rechenschritte in der Nachverarbeitung gemessener Signale. Es wurde erkannt, dass beim Phasenausfall in der Fourier-Analyse bei der Schaltfrequenz die höchsten Amplituden zu erkennen sind. Bei einem intakten Gleichspannungswandler hingegen ist dies nicht der Fall. Weiterhin ist die normierte Summe aller Frequenzen bei einem defekten Gleichspannungswandler größer als bei einem intakten Gleichspannungswandler. Werden beide Kriterien genutzt, kann der Fehlerfall "Phasenausfall" sicher erkannt werden
• Das vorgestellte Verfahren nutzt einen Algorithmus, der es ermöglicht, ggf. ohne zusätzliche Hardware alle Phasen des Gleichspannungswandlers und die darin verbauten Bauelemente zu überwachen. Zu beachten ist, dass auf Basis eines überall im Fahrzeug verfügbaren Signals, nämlich der Bordnetzspannung, gearbeitet wird, wodurch der "Ort der Implementierung" irrelevant ist. So kann verfügbare Rechenkapazität effizient genutzt werden, indem der Algorithmus bspw. in einem zentralen Diagnosegerät implementiert wird, das ebenso die Lichtbogenerkennung durchführen kann. Eine FFT-Auswerteeinrichtung ist ggf. notwendig, wenn diese nicht bereits für eine Lichtbogenerkennung vorgesehen ist.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein zweikanaliges Bordnetz nach dem Stand der Technik.
• 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines zweikanaligen Bordnetzes.
• 3 zeigt in einem Blockschaltbild einen vierphasigen Aufwärts-/Abwärts-Schaltwandler nach dem Stand der Technik.
• 4 zeigt einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens.
• 5 zeigt in einem Graphen die ersten 150 normierten Periodogrammordinaten basieren auf einer Uio-Messung.
• 6 zeigt in einem Graphen die ersten 150 normierten Periodogrammordinaten basieren auf einer Defekt-Messung.
• 7 zeigt eine Diagnoseeinrichtung zur parallelen Erkennung eines Lichtbogens.
• Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines zweikanaligen Bordnetzes nach dem Stand der Technik, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese umfasst eine elektrische Maschine 12, bspw. einen Starter, einen ersten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 14, eine erste Batterie 16, der ein Batteriemanagementsystem 18 zugeordnet ist, einen Gleichspannungswandler 20, der als Koppelelement zwischen einer 48 Volt-Seite 22 und einer Niedervoltseite 24, bspw. mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, einen ersten elektronischen Stromverteiler bzw. eine erste electronic Power Distribution Unit 26 (ePDU: elektronische Energieversorgungseinheit), der einen elektronischen Stromverteiler mit Sicherungsfunktion und Spannungs- und Strommessungen darstellt, einen zweiten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 28, eine zweite Batterie 30 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 32, eine zweite ePDU 34, einen zweiten Gleichspannungswandler 36, der als Koppelelement zwischen der Hochvoltseite 22 und einer weiteren Niedervoltseite 38, bspw. ebenfalls mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, eine dritte Batterie 40 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 42, einen ersten sicherheitsrelevanten Verbraucher 50, einen zweiten sicherheitsrelevanten Verbraucher 52, einen dritten sicherheitsrelevanten Verbraucher 54 und einen vierten sicherheitsrelevanten Verbraucher 56. Der sicherheitsrelevante Verbraucher 54 und der sicherheitsrelevante Verbraucher 50 sind zueinander redundant, ebenso wie die sicherheitsrelevanten Verbraucher 52 und 56. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher 52 und 56 sind in einem Gehäuse verbaut.
• Mit einer Umrandung gekennzeichnet sind das Basisbordnetz 60 mit HV-Komponenten und 14 V-Komponenten ohne Sicherheitsrelevanz. In diesem Basisbordnetz 60 sind die erste Batterie 16 und die zweite Batterie 30 enthalten, einmal mit Hochvolt (HV), nämlich die erste Batterie 16, sowie mit 14 V, nämlich die zweite Batterie 30.
• An das Basisbordnetz 60 angekoppelt ist ein sicherheitsrelevanter Kanal 62 mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern wie bspw. Bremse, Lenkung usw. Ein zweiter sicherheitsrelevanter Kanal 64 versorgt ebenfalls sicherheitsrelevante Komponenten mit 14 V. Da auch hier die sicherheitsrelevanten Komponenten aus 14 V versorgt werden, sind der zweite Gleichspannungswandler 36 und die dritte Batterie 40 vorgesehen.
• In 2 ist der vereinfachte Aufbau eines Bordnetzes gezeigt, das insgesamt mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Gleichspannungswandler 72, eine ePDU 74 und einen Verbraucher 76. Der Gleichspannungswandler 72 ist zwischen einem 14 Volt-Bordnetz 80 und einem 48 Volt-Bordnetz 82 angeordnet. Nicht dargestellt sind Energiequellen und Energiespeicher sowie notwendige Elemente des 14 Volt-Bordnetzes 80. Durch einen Blitz 84 ist ein Phasenausfall im Gleichspannungswandler 72 angedeutet.
• In einer Verbindung 86 zwischen dem Gleichspannungswandler 72 und der ePDU 74 kann ein erster Lichtbogen 88 entstehen, wenn diese unter Last getrennt wird. Zu dieser Verbindung 86 gehören auch die Steckverbindungen am Gleichspannungswandler 72 und an der ePDU 74. An die ePDU 74 angeschlossen ist der Verbraucher 76, der durch einen Widerstand dargestellt ist. Auch in einer Verbindung 90 zu diesem Verbraucher 76 kann ein Lichtbogen entstehen, in diesem Fall der mit Bezugsziffer 92 bezeichnete zweite Lichtbogen. Nicht dargestellt sind weitere mögliche Verbraucher sowie Energiespeicher im 48 Volt-Bordnetz 82.
• Wie nachfolgend noch ausgeführt wird, kann ein Phasenausfall des Wandlers durch eine Fourier-Transformation erkannt werden. Hierfür müssen die Ausgangsspannungen erfasst werden und in dem angedeuteten Mikrocontroller oder einer ähnlichen Einrichtung verarbeitet werden. Die gleichen Mess- und Verarbeitungseinrichtungen können dann dafür genutzt werden, auch den ersten Lichtbogen 88 zu erkennen.
• Die Erkennung eines Phasenausfalls des Gleichspannungswandlers 72 kann auch außerhalb durchgeführt werden. Ein möglicher Ort ist die ePDU 74. In diesem Fall müssen die nachfolgend beschriebenen Signalerfassungs- und Verarbeitungseinrichtungen sowie die nachstehend beschriebenen Algorithmen in die ePDU 74 aufgenommen werden. Mit diesen Einrichtungen kann dann die ePDU 74 zusätzlich zum Defekt des Gleichspannungswandlers gleichfalls den ersten Lichtbogen 88 und den zweiten Lichtbogen 92 erkennen. Ein möglicher Aufbau einer Diagnoseeinrichtung ist in 7 wiedergegeben.
• In 3 ist der schematische Aufbau eines Schaltwandlers als Ausführung eines Gleihspannungswandlers gezeigt, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Auf der linken Seite befinden sich die High-Side 102, üblicherweise mit Spannungen im Bereich von 48 V, daran anschließend ein erster Schutzschalter 104 und ein erster Eingangsfilter 106. Anschließend folgen vierphasig ausgeführte High-Side und Low-Side-Mosfets als Schaltzelle 108. Zur Spannungswandlung wird weiterhin ein Ferrit-Modul 110 zur Energiespeicherung benötigt, das aus gekoppelten Induktivitäten 112 besteht.
• Auf der 14 V-Ausgangsseite, mit KL30 und Bezugsziffer 114 gekennzeichnet, befinden sich ein zweiter Filter 116 und ein Schutzschalter 118. Auf der Ausgangsseite können die benötigten Spannungen gemessen werden: Entweder wird U_{ausgangsspannung_LV} 120 direkt am Wandlerausgang herangezogen, alternativ kann die Spannung U_internLV 122, welche zwischen Ferrit-Modul 110 und dem zweiten Filter 116 abgegriffen wird, und somit nicht durch den zweiten Filter 116 gedämpft wird, verwendet werden.
• Auf der Eingangsseite liegen an: U_{eingangsspannung_HV} 124 direkt am KL40, bezeichnet mit Bezugsziffer 130. Weiterhin die Spannung U_internHV, 126, die zwischen der Schaltzelle 108 und dem ersten Filter 106 abgegriffen wird, und somit nicht durch den ersten Filter 106 gedämpft wird, verwendet werden.
• Ein Ausfall einer Phase beim Schaltwandler 100 kann verschiedene Ursachen haben. Unter anderem können dies sein:
• – Fehlerhafte Ansteuerung einer der vier High-Side/Low-Side Treiber
• – Ausfall einer der 4 High-Side/Low-Side Treiber
• – Ausfall der High-Side/Low-Side Mosfets einer Phase
• – Unterbrechung einer Phase
• 4 zeigt einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens. Dabei erfolgt in einem Schritt 200 die Messung des Spannungsverlaufs über mehrere Schalterperioden. In einem anschließenden Schritt 202 wird eine DFT durchgeführt, es folgt die Erstellung eines Periodogramms. Dann folgt in einem weiteren Schritt 204 die Suche der maximalen Ordinate im Periodogramm. Anschließend folgt in einem darauffolgenden Schritt 206 die Suche aller Ordinaten. Abschließend erfolgt in einem letzten Schritt 208 der Vergleich mit gespeicherten Werten.
• Ein Periodogramm, das auch als Wellenschaubild bezeichnet wird, zeigt die Spektraldichte eines Signals. Dabei ist auf der x-Achse die Frequenz bzw. die Periode aufgetragen und auf der y-Achse bspw. der erkannte Varianzanteil.
• 5 zeigt in einem Graphen 300, an dessen Abszisse 302 die Frequenzen in Hz und an dessen Ordinate 304 die Amplituden aufgetragen sind, die ersten 150 normierten Periodogrammordinaten basierend auf einer Uio-Messung, d. h. für den fehlerfreien Fall. Die Summe aller Ordinaten beträgt hier 1,02.
• 6 zeigt in einem Graphen 400, an dessen Abszisse 402 die Frequenzen in Hz und an dessen Ordinate 404 die Amplituden aufgetragen sind, die ersten 150 normierten Periodogrammordinaten basierend auf einer Defekt-Messung. Die Summe aller Ordinaten beträgt für diesen Fall 2,1023.
• Der verwendete Fehlerdetektionsalgorithmus wird nachfolgend detailliert beispielhaft erläutert:
  Das vorgestellte Verfahren sieht die Messung eine der in Zusammenhang mit 3 genannten Spannungen für einen gewissen Zeitbereich vor. Die Auflösung muss aufgrund des sogenannten Nyquist-Shannon-Abtasttheorems deutlich oberhalb der Schaltfrequenz liegen. Es müssen weiterhin mehrere Perioden aufgenommen werden.
• In einem zweiten Schritt wird für dieses Signal in Ausgestaltung eine diskrete Fourier-Analyse (DFT) erfolgen. Es wird wie folgt vorgegangen:
  Gegeben sei ein endliches Zeit-diskretes Signal. M = {g₀, ..., g_N} (1.11)
• Da außerhalb des Zeitintervalls [t₀, t_N] ohnehin keine Informationen über das Verhalten von g vorliegen, kann an dieser Stelle angenommen werden, dass sich das Signal periodisch fortsetzt, d, h. es gilt P(g) = t_N – t₀. Natürlich soll auch hierfür eine Möglichkeit gefunden werden, das gegebene Signal als Fourier-Reihe darzustellen bzw. das zugehörige Frequenzspektrum zu ermitteln. Dazu kann analog wie im stetigen Fall 1.1.2 vorgegangen werden, es muss dann allerdings das Integral in 1.10 durch eine Summe und das Differential dt durch den "zeitlichen Abstand" der einzelnen Messwerte t_i – t_i-1 = Δ^T, i = 1, ..., N ersetzt werden. Hierbei wird angenommen, dass es sich um eine äquidistante Abtastung handelt.
• Damit ergibt sich im diskreten Fall.

  

  mit

  

  
• Hierbei gilt f_n := n/((N + 1)Δ^T) und kann wieder als "Schwingungen während des betrachteten Intervalls" bzw. während P(g) aufgefasst werden.
• Bei genauerer Betrachtung von 1.14 fällt auf, dass gilt

  

  und 1.14 damit (N + 1)-periodisch ist.
• Es kann sogar noch einen Schritt weiter gegangen und gezeigt werden, dass gilt

  

  wobei z die komplexe Konjugation von z ∊ C bezeichnet.
• Dies führt zum sogenannten Aliasing-Effekt. Dieser besagt, dass bei der Rekonstruktion eines periodischen, zeitstetigen Signals die Frequenz f_n = n/P(g) als Alias der Frequenzen f_n + K, f_n + 2K, ... auftritt, und diese nach der Digitalisierung nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind.
• Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem besagt, dass ein periodisches Signal g(t) genau dann ohne Informationsverlust aus einer entsprechenden Digitalisierung rekonstruiert werden kann, wenn alle Frequenzanteile des Signals echt kleiner als die halbe Abtastfrequenz f_(T)/2 sind. Umgekehrt bedeutet dies, dass Frequenzen größergleich der Hälfte der Abtastfrequenz nicht korrekt im Frequenzspektrum der DFT wiedergegeben werden können. Genaugenommen fließen jene Frequenzen in die Fourier-Koeffizienten ihrer jeweiligen Alias ein.
• Aufgrund der vorstehend beschriebenen periodischen Eigenschaften der Fourier-Koeffizienten im insbesondere endlichen, diskreten Fall lässt sich die unendliche Summe in (1.22) auf die folgende Art und Weise verkürzen:

  
• Zu beachten ist, dass es bereits zahlreiche Algorithmen zur Berechnung der DFT auf Basis einer diskreten, endlichen Menge von Punkten gibt. Die effizienteste und am weitesten verbreitete Möglichkeit der Implementierung nennt sich "Fast-Fourier-Transform" (FFT). Auch in Matlab steht die FFT bereits als fertige Routine zur Verfügung. Dadurch ist es möglich, einen (N + 1)-dimensionalen Vektor direkt in seine DFT zu überführen, welche als ebenfalls (N + 1)-dimensionaler, komplexer Vektor der Fourier-Koeffizienten C = [C₀, ..., C_N] (1.23) ausgegeben wird.
• Nachfolgend wird auf die Erstellung eines Periodogramms eingegangen:
  In dritten Schritt wird gemäß dem vorgestellten Verfahren ein Periodogramm wie folgt erstellt:
  Für ein gegebenes Frequenzspektrum C und der Menge der dazugehörigen Fourier-Frequenzen M_f wird das Periodogramm als Plot der folgenden Zuordnung definiert: P:M_f – → R (1.24) f_n7 – → |C_n|, n = –∞, ..., ∞. (1.25)
• Im Falle der DFT kann in (1.25) gemäß (1.18) auf n = 0, ..., N und darüber hinaus aufgrund von (1.21) auf n = 0, ..., d(N + 1)/2e beschränkt werden.
• Vor diesem Hintergrund ist festzustellen, dass bereits in den ersten N⁰ := d(N + 1)/2e Fourier-Koeffizienten alle (verfügbaren) Informationen enthalten sind. Bei der graphischen Darstellung des Periodogramms wird definiert, dass die X-Achse stets in der Einheit Herz (Hz = 1/8) anzugeben ist. Wie bereits erwähnt gilt im Falle der DFT:

  
• Unter der Voraussetzung, dass die Abtastfrequenz ebenfalls in Hz angegeben ist, ist |C_n| für n = 0, ..., K – 1 also der (n/N)·f^(T) Frequenzkomponente zuzuordnen.
• Im Folgenden wird stets die für die Fehlerdiagnose uninteressante, konstante Komponente von M durch Subtraktion des Mittelwerts eliminieret, weshalb stets gilt C₀ = 0.
• Weiterhin wird aus Gründen der Übersichtlichkeit stets eine skalierte Version der Fourier-Koeffizienten betrachtet, nämlich C'_n := 1 / N + 1C_n ∀n = 0, ..., N' (1.27)
• Anschließend folgt die Überführung einer diskreten, endlichen Menge von äquidistanten Messpunkten M in den realwertigen Vektor der Absolutbeträge des Frequenzspektrum (im Folgenden Periodogrammordinaten): C' := [|C'₀|, ..., |C'_N'|] (1.28)
• Bemerkung: Wird C⁰ (elementenweise) mit dem Faktor V_M ^–1 multipliziert, für

  

  so wird bei

  

  vom normierten Frequenzspektrum bzw. dem normierten Periodogramm gesprochen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im folgenden Verlauf ausschließlich das normierte Periodogramm für graphische Darstellungen verwendet.
• Zusammengefasst ist zu erkennen: Betrachtet wird jeweils die Menge der X zuletzt erfassten Abtastwerte der Bordnetzspannung (für ein festes X, z. B. X = 1000). Mittels diskreter Fourier-Transformation wird das zugehörige Periodogramm bestimmt. Periodogramm kann dabei als die Zuordnung einzelner Frequenzen und ihrem "Anteil am Signal" interpretiert werden.
• Für die Erkennung des Ausfalls einer Phase können nun folgenden Kriterien hinzugezogen werden:
• 1) Frequenz und Höhe der Maximalordinate im Periodogramm
• Bei Ausfall einer Phase ist die Schaltfrequenz des Wandlers als maximale Ordinate im Periodogramm zu sehen. Es wird auf 5 verwiesen. Im i.O.-Fall gibt es keinen so ausgeprägten Peak, die maximale Ordinate ist betragsmäßig kleiner und liegt nicht bei der Schaltfrequenz des Wandlers.
• 2) Summe über alle Periodogrammordinaten
• Bei Ausfall einer Phase ist die Summe aller Ordinaten deutlich größer als bei einem Wandler im fehlerfreien Fall, wie die folgende Tabelle zeigt:

  Messung	x = io	x = nio
  Ux(250,36,15) (Uausgangsspannung)	1.02	2.1023
  Ux(500,36,15) (Uausgangsspannung)	0.92177	2.2211
  Ux(1000,36,15) (Uausgangsspannung)	0.92845	4.1359
  Ux(250,48,13.8) (Uausgangsspannung)	0.99826	2.0068
  Ux(500,48,13.8) (Uausgangsspannung)	0.97457	2.2857
  Ux(1000,48,13.8) (Uausgangsspannung)	0.96912	4.2378
  Ux(250,36,15) (Uintern)	1.3386	4.2178
  Ux(500,36,15) (Uintern)	1.3347	4.5079
  Ux(1000,36,15) (Uintern)	1.3051	10.4183
  Ux(250,48,13.8) (Uintern)	1.2908	4.0112
  Ux(500,48,13.8) (Uintern)	1.3448	4.751
  Ux(1000,48,13.8) (Uintern)	1.405	20.3344

  Tabelle 1 (iO: in Ordnung; niO: nicht in Ordnung)
• Gemäß dem vorgestellten Verfahren kann im Betrieb ein Fehler erkannt werden, wenn die Summe über alle Periodogrammordinaten in einem bestimmen Betriebspunkt plötzlich ansteigt und sich gleichzeitig die Frequenz der Maximalordinate verschiebt.
• In einer Ausführungsform kann die Trennschärfe der Diagnose verbessert werden, wenn die vorstehend beschriebenen Algorithmen zunächst kalibriert werden. Dies bedeutet, dass die betriebspunktabhängigen Werte für alle gewünschten Betriebspunkte bestimmt werden müssen. Dies geschieht auf Basis von Beispielmessungen anhand eines nachweislich fehlerfreien Wandlers und muss einmalig vor Inbetriebnahme der Algorithmen geschehen.
• Weiterhin kann alternativ der Wandler beim erstmaligen Betrieb im Produktionswerk oder im Fahrzeug die oben genannten Werte je Betriebspunkt abspeichern.
• Gemäß dem vorgestellten Verfahren kann dabei die Spannung an einer der folgenden Stellen erfasst werden. Es wird hierbei auf 2 verwiesen.
• – U_internLV
• – U_internHV
• – U_wandlerausgangLV
• – U_wandlereingangHV
• Weiterhin kann die Diagnose sowohl im Wandler selbst als auch in anderen Bordnetzkomponenten durchgeführt werden.
• 7 zeigt eine Ausführung einer Diagnoseeinrichtung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 500 bezeichnet ist. Diese Diagnoseeinrichtung 500 ist bspw. in einer ePDU implementiert und umfasst Hardware 502 und Software 504. In der Hardware 502 ist ein Hochpass- und Aliasingfilter 506 mit einem Durchlassfrequenzbereich f von 1,5 kHz < f < 100 Hz vorgesehen, der dazu dient, den Strom in dem jeweiligen Kanal im 48 Volt-Bordnetz abzutasten. Zwischen der Hardware 502 und der Software 504 ist ein Analog-Digital-Wandler 510 mit in diesem Fall 10.5 Bit nutzbarer Auflösung bereitgestellt. Das abgetastete Signal wird über diesen Wandler 510 eingelesen.
• In der Software 504 sind ein Puffer 520, ein 522 zur Verhinderung des "Leck"-Effekts, ein Block 524 zum Durchführen einer FFT, ein Block 526 zur Selektion charakteristischer FFT-Bins, ein Block 528 zur Bildung des Quadrats eines Betrags und ein Block 530, der die berechneten Werte über mehrere Durchläufe filtert, was auch als moving average bezeichnet wird.
• Bei dem über den Wandler 510 eingelesenen Signal werden über eine Fensterfunktion und die FFT die relevanten Funktionen ermittelt. Überschreitet eine vorher bestimmte Anzahl der gemittelten Peaks einen Schwellenwert, wird ein Lichtbogen erkannt und es wird der Strompfad abgeschaltet. Für die Erkennung eines Lichtbogens wird davon ausgegangen, dass das resultierende Periodogramm eine sehr breitbandige Amplitudenverteilung aufweist und die Anzahl der Peaks, die über dem Schwellenwert liegen, über einen größeren Zeitraum vergleichsweise groß ist.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102013212149 A1 [0005]

Claims (9)

1. Verfahren zum Erkennen eines Fehlerfalls in einem Bordnetz (70), bei dem eine erfasste Bordnetzspannung ausgewertet wird, indem ein Signal, das einen Verlauf der Bordnetzspannung in einem Zeitbereich repräsentiert, einer Fourier-Transformation unterzogen wird und das durch die Fourier-Transformation erhaltene Spektrum ausgewertet wird, wobei ein Ausfall einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers (72) erkannt wird, indem in dem Spektrum eine Amplitude bei einer Schaltfrequenz und eine normierte Summe aller Frequenzen ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das dazu eingesetzt wird, einen Lichtbogen (88, 92) in dem Bordnetz (70) zu erkennen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem einzelne Phasen des Gleichspannungswandlers (70) überwacht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Signal einer diskreten Fourier-Analyse unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem betriebspunktabhängige Werte für alle gewünschten Betriebspunkte bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei dem ein Periodogramm erstellt wird, dessen Periodogrammordinaten ausgewertet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem normierte Periodogrammordinaten ausgewertet werden.
8. Diagnoseeinrichtung zum Erkennen eines Fehlerfalls in einem Bordnetz (70), die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
9. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 8, die in einem elektronischen Stromverteiler (74) implementiert ist.

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