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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente eines Kraftfahrzeugs und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Man unterscheidet dabei zwischen dem Energiebordnetz und dem Kommunikationsbordnetz, wobei hierin vor allen Dingen auf das Energiebordnetz eingegangen wird, das dafür zuständig ist, die Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Zur Steuerung des Bordnetzes ist üblicherweise ein Mikrocontroller vorgesehen, der neben Steuerungsfunktionen auch Überwachungsfunktionen ausführt.
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In einem Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrzeugfunktionen, wie bspw. einem automatischen, hochautomatischen oder autonomen Fahren, steigt die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die Anzahl an leistungselektrischen Systemen stetig anwächst. Wenn eines dieser Systeme ausfällt, kann es dazu kommen, dass die Bordnetzspannung außerhalb des normalen Betriebsbereichs gerät, was zu einer Beeinträchtigung des Komforts und der Sicherheit der Fahrzeuginsassen führen kann.
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Ein Energiebordnetz, das hierin auch als Fahrzeugbordnetz bezeichnet wird, hat somit die Aufgabe, die elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug mit Energie zu versorgen. Fällt die Energieversorgung aufgrund eines Fehlers, bspw. bedingt durch Alterung, im Bordnetz bzw. in einer Bordnetzkomponente in heutigen Fahrzeugen aus, so entfallen wichtige Funktionen, wie bspw. die Servolenkung. Da die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt, sondern nur schwergängig wird, ist der Ausfall des Bordnetzes in heutigen in Serie befindlichen Fahrzeugen allgemein akzeptiert, da der Fahrer als Rückfallebene zur Verfügung steht.
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Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen resultieren höhere Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug. Um den Ausfall von Komponenten prognostizieren zu können, wurden zuverlässigkeitstechnische Ansätze zur Überwachung von Fahrzeugkomponenten erarbeitet. Dazu werden die Bordnetz-Komponenten während des Betriebs überwacht und deren Schädigung ermittelt
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Die Druckschrift
DE 10 2013 203 661 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz, das wenigstens einen Halbleiterschalter aufweist, der mit Belastungsereignissen belastet wird. Es werden eine Istbelastung des Halbleiterschalters auf Grundlage einer Feststellung zurückliegender Belastungsereignisse und ein Nennbelastungsanteil ermittelt, wobei die Istbelastung und der Nennbelastungsanteil miteinander verglichen werden.
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Bekannte Methoden errechnen aus der gesehenen Belastung die aktuelle Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente. Bei bekannten Verfahren ist jedoch vorgesehen, dass nicht jede Komponente ihre Belastung misst.
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Es sind weiterhin Verfahren zur prädiktiven Diagnose von Fahrzeugbatterien auf Basis der vergangen Belastung und auf Grundlage von relevanten Systemfunktionen bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 11 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das beschriebene Verfahren dient zum Überwachen einer Komponente in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bei dem unter Berücksichtigung der vergangenen Nutzung der Komponente und/oder unter Berücksichtigung von Randbedingungen, wie bspw. dem Wegfallen von relevanten Systembedingungen, der Istzustand der Komponente bestimmt wird.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Überwachen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs und dabei in Ausgestaltung zur prädiktiven Diagnose in einem bspw. zentralen Diagnosemodul eines Kraftfahrzeugs. Auf diese Weise kann der Ausfall der Komponente, bspw. einer Fahrzeugbatterie, insbesondere unter Berücksichtigung von Randbedingungen, der vergangenen Nutzung der Batterie und der Komponenten und dem Wegfallen von Systemfunktionen vorhergesagt werden.
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Die Bestimmung des Istzustands einer zustandsbeschreibenden Komponentengröße kann über ein Belastungs-Belastbarkeitsmodell, ein physikalisches Modell oder ein auf Maschinenlernen basiertes Modell erfolgen.
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Die Bestimmung des zukünftigen Verlaufs von zustandsbeschreibenden Komponentengrößen kann über ein Belastungs-Belastbarkeitsmodell, ein physikalisches Modell oder ein auf Maschinenlernen basiertes Modell erfolgen.
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Weiterhin kann die Ausfallvorhersage über den Vergleich der vorhergesagten bzw. prädizierten zustandsbeschreibenden Komponentengröße mit vorher bestimmten Grenzwerten erfolgen.
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Die Berechnung der Ausfallvorhersage kann in Form einer mittleren zu erwartenden Restlebensdauer durchgeführt werden. Als Maßnahme der bestimmten Restlebensdauer können die Wartungsintervalle variabel gesteuert werden, was auch als Predictive Maintenance bezeichnet wird, und/oder die zukünftige Belastung der Komponenten geregelt werden, was als Predictive Health Management bezeichnet wird, um die Restlebensdauern der Komponenten zu erhöhen.
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Das vorgestellte Verfahren bietet somit die Möglichkeit, die Restlebensdauer (Remaining Useful Life, RUL) von relevanten Bordnetzkomponenten zu bestimmen und damit präventiv diese zu tauschen bzw. Systemmaßnahmen zu treffen, bevor es zu einem Ausfall des Systems kommt.
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Das vorgestellte Verfahren prädiziert den Ausfall von an einem elektronischen Lastverteiler angeschlossene Bordnetzkomponenten auf Basis ihrer vergangenen Nutzung und der relevanten Systemfunktionen, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, wodurch die Funktionsverfügbarkeit und die Sicherheit erhöht wird.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- - Erhöhung der Funktionsverfügbarkeit, z. B. Start Stopp und/oder automatisierte Fahrfunktionen,
- - Wartungsunterstützung, daraus folgt eine Maximierung der Wartungsintervalle ohne zusätzliche Ausfälle zu erzeugen und damit eine Maximierung der Fahrzeugverfügbarkeit für Flottenbetreiber,
- - Kostenreduktion durch das Vermeiden von Liegenbleibern, bspw. durch Bergungskosten usw.,
- - Sicherheitserhöhung durch das Vermeiden von Liegenbeleibern in unübersichtlichen Situationen,
- - Plausibilisierung von gemessenen Strömen, Spannungen und Temperaturen durch Abgleich der Messungen,
- - Berechnung der Belastung und des Remaining Useful Life von angeschlossenen Komponenten, die diese Funktion nicht haben,
- - Plausibilisierung des Istzustands durch Modellabgleich.
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Die vorgestellte Anordnung ist zur Durchführung eines Verfahrens der hierin beschriebenen Art eingerichtet. Diese Anordnung kann in Software und/oder Hardware implementiert sein. Zudem kann die Anordnung oder Teile dieser in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs abgelegt sein oder auch als Steuergerät ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen elektronischen Lastverteiler mit einer zentralen prädiktiven Diagnose.
- 2 zeigt in einem Graphen das Prinzip der Bestimmung einer Restlebensdauer.
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Ausführungen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt einen elektronischen Lastverteiler 10 mit zentraler prädiktiver Diagnoseeinheit als Ausführung der vorgestellten Anordnung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Komponente A 12, eine Komponente B 14 und eine Komponente C 16.
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Über eine erste Verbindung 20 zwischen dem elektronischen Lastverteiler 10 und der Komponente A erfolgt ein Austausch von Daten bzw. Informationen zu den Größen Spannung U, Stromstärke I und Temperatur T. Diese Daten werden auch über eine zweite Verbindung 22 und eine dritte Verbindung 24 ausgetauscht.
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1 stellt somit schematisch den elektronischen Lastverteiler 10 mit integrierter prädiktiver Diagnose-Einheit dar. Der elektronische Lastverteiler 10 kann für jede angeschlossene Komponente 12, 14, 16 den Strom, die Spannung und die Temperatur messen. Diese Größen dienen dann der prädiktiven Diagnose-Einheit der Berechnung des RUL. Die Berechnung des RUL aus der aktuellen und vergangenen Belastung kann entweder über ein Machine Learning Modell, z. B. ein neuronales Netz, ein Stress-Strength Modell oder ein physikalisches Modell erfolgen.
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Zusätzlich zu der Verwendung als Eingangsgröße für das prädiktive Diagnose-Modell kann durch einen Abgleich zwischen den in dem elektronischen Lastverteiler gemessenen Größen und den in den Komponenten gemessenen Größen eine Plausibilisierung der Messgrößen stattfinden. Dies kann über einen einfachen Abgleich, ein Modell, einen Beobachter oder basierend auf einem Maschinen lernen bzw. Machine Learning erfolgen.
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Ein Diagnose-Modell bestimmt den aktuellen Gesundheitszustand. Dies kann in Form von zustandsbeschreibenden Kenngrößen, einem Healthindex, einer Ausfallwahrscheinlichkeit usw. erfolgen. Ein prädiktives Diagnose-Modell prädiziert im Vergleich dazu den zukünftigen Verlauf dieses Gesundheitszustands, um den Ausfall vorherzusagen.
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2 zeigt in einem Graphen 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit t und an dessen Ordinate 54 eine zustandsbestimmende Größe aufgetragen ist, den Verlauf 56 einer zustandsbestimmenden Komponentengröße. Weiterhin eingetragen sind BoL 60 (BoL: beginn of liefetime: Beginn der Lebensdauer) und EoL (EoL. end of lifetime: Ende der Lebensdauer).
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Ein markierter Bereich 70 zeigt einen unterschiedlichen Gradienten in dem Verlauf 56 aufgrund einer variierenden Last und aufgrund von variierenden Umgebungsbedingungen.
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2 zeigt das Prinzip der Bestimmung des Remaining Useful Life. Hierbei wird auf Basis der vergangenen Belastung eine Vorhersage der Restlebensdauer getroffen. Diese wird inklusive eines Vertrauensbereichs bzw. einer Wahrscheinlichkeitsverteilung an das System ausgegeben. Auf Basis dieser Information können dann Systementscheidungen, wie ein Prädiktiver Komponententausch oder andere Systemreaktionen (Lastverteilung, Komponentendegradierung usw.) getroffen werden.
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In diesem Anwendungsbeispiel werden Stress-Strength Modelle, wie diese in der Druckschrift
DE 10 2013 203 661 A1 , in der ein Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts dargelegt ist, beschrieben sind, verwendet.
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Die in dem elektronischen Lastverteiler gemessenen Größen, wie bspw. Strom, Spannung und Temperatur, werden über ein Belastungsmodell in die relevante Komponenten-Belastung umgerechnet. Dies kann entweder mittels eines Datenbasierten Modells, z. B. eines neuronalen Netzes, oder eines physikalischen Modells umgesetzt werden. Die so ermittelte Komponenten-Belastung, wie bspw. Temperaturhübe, wird mit einem Belastbarkeitsmodell, z. B. einer Anzahl ertragbarer Temperaturhübe, der Komponente gegenüber gestellt. Hieraus kann eine Aussage getroffen werden, wie viel der Lebensdauer der Komponente „aufgebraucht“ ist.
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Durch eine Extrapolation der Belastung kann dann die Restlebensdauer (RUL) der Komponente bestimmt werden. Zusätzlich zu der mittleren zu erwartenden Lebensdauer wird ein Vertrauensbereich der zu erwartenden Lebensdauer ausgegeben, z. B. 5% und 95% Grenze der zu erwartenden Lebensdauer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013203661 A1 [0007, 0032]
