DE102020112035B3

DE102020112035B3 - Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz mittels Sichtbarkeitsgraphen, Steuereinrichtung sowie Bordnetz

Info

Publication number: DE102020112035B3
Application number: DE102020112035.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Waffler; Christoph Sudan; Johannes Göpfert; Sarmed Hussain
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten:- Bestimmen zumindest einer Zeitreihe (8) aus Stromwerten (I) eines über einen Strompfad (4) des Bordnetzes (1) fließenden Stroms;- Bestimmen eines Sichtbarkeitsgraphen anhand der zumindest einen Zeitreihe (8) aus Stromwerten (I), wobei durch den Sichtbarkeitsgraphen jeder Stromwert (I) als ein Knoten repräsentiert wird und eine Sichtbarkeit zweier Stromwerte (I) durch zwei, nach einem vorbestimmten Sichtbarkeitskriterium über eine Kante verbundene Knoten repräsentiert wird,- Bestimmen einer Gradanzahl (G) für jeden Knoten als eine Anzahl an mit diesem Knoten verbundenen Kanten anhand des Sichtbarkeitsgraphen,- Bestimmen einer Gradverteilung (10) als eine Häufigkeitsverteilung der Gradanzahlen (G),- Erkennen eines Lichtbogens anhand einer Veränderung der Gradverteilung (G) im Vergleich zu einer, ein lichtbogenfreies Bordnetz (1) beschreibenden Referenzgradverteilung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung sowie ein Bordnetz.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze bzw. Hochvoltsysteme, für Kraftfahrzeuge, beispielsweise elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen üblicherweise eine Vielzahl von Bordnetzkomponenten, beispielsweise Elektromotoren, Klimaanlagen, Scheinwerfer, Hochvoltspeicher, Inverter, etc. auf. Die Bordnetzkomponenten sind über stromführende Strompfade elektrisch verbunden. Dabei kann es im Fehlerfall vorkommen, dass sich unerwünschte Lichtbögen bzw. Fehlerlichtbögen ausbilden, welche zu einem Defekt des gesamten Bordnetzes führen können. Parallele Lichtbögen, welche sich beispielsweise zwischen zwei Strompfaden ausbilden, verursachen einen Kurzschluss, welcher auf einfache Weise erkannt werden kann. Bei einem seriellen Lichtbogen innerhalb eines Strompfades sinkt ein Stromwert des Stromes jedoch auf einen Wert unterhalb des Nennstroms, sodass dieser oftmals nicht von einer Überstrom-Schutzeinrichtung, beispielsweise einer Schmelzsicherung oder einer halbleiterbasierten Sicherung, erkannt werden kann.
Die DE 10 2019 202 039 B3 offenbart ein automatisiertes Verfahren zur Detektion eines Lichtbogens in einem Gleichstromnetz. Dabei wird ein Zeitsignal als zeitlicher Verlauf des elektrischen Stroms in dem Gleichstromnetz ermittelt. Das Zeitsignal wird digital abgetastet und das digitalisierte Zeitsignal wird in mindestens zwei Zeitbereiche aufgeteilt. Dann werden die Zeitsignale der Zeitbereiche mittels diskreter Fourier-Transformation in Frequenzsignale transformiert und die Frequenzsignale werden in Sektionen aufgeteilt. In einem nächsten Schritt werden normierte Differenzmittelwerte der Frequenzsignale der Sektionen gebildet. Außerdem werden ein Referenzschwellwert, eine erste Anzahl und eine zweite Anzahl ermittelt, wobei die zweite Anzahl die Anzahl an Sektionen in aufeinanderfolgenden Zeitbereichen angibt, bei denen der normierte Differenzmittelwert größer als der Referenzschwellwert ist. Die erste Anzahl und die zweiten Anzahl werden verglichen und ein einen detektierten Lichtbogen definierendes Fehlersignal ausgegeben, wenn die zweite Anzahl größer als die erste Anzahl ist.
Aus der DE 10 2018 114 540 B3 ist ein Verfahren zur Erkennung von Lichtbögen in Gleichstromkreisen bekannt, bei welchem der Zeitverlauf eines den Strom repräsentierenden Messsignals erfasst und in einzelne Zeitabschnitte unterteilt wird. Die Zeitabschnitte werden in den Frequenzbereich transformiert, womit man Kurzzeitspektren erhält. Die Veränderung der Kurzzeitspektren für jede oder für ausgewählte Frequenzen oder für jedes oder für ausgewählte Frequenzbänder wird untersucht, um entweder anhand der Veränderung oder aber anhand der Veränderung der Energieinhalte von zumindest Funktionsblöcken des Frequenzspektrums, zu denen verschiedene Frequenzen des Kurzzeitspektrums zusammengefasst sind, ermitteln zu können, ob der Rauschanteil im Messsignal ausreichend groß ist, um auf das Vorliegen eines Lichtbogens zu schließen.
Die US 2017 / 0 324 236 A1 beschreibt einen Lichtbogendetektor, welcher einen Stromsensor und eine Leistungsspektrumumwandlungseinheit, die ein Ausgabesignal des Stromsensors in ein Leistungsspektrum umwandelt, umfasst. Außerdem umfasst der Lichtbogendetektor eine Abschnittswert-Erhaltungseinheit, die einen Lichtbogenmessabschnitt für das Leistungsspektrum in mehrere Bereiche unterteilt und aus Regionswerten für die Vielzahl von Regionen mit Ausnahme eines maximalen der Regionswerte, einen Regionswert als Schnittwert des Bogenmessabschnitts erhält. Darüber hinaus umfasst der Lichtbogendetektor eine Lichtbogenbestimmungseinheit, die das Vorhandensein eines Bogens durch Vergleichen des Schnittwerts mit einem bestimmten Schwellwert vergleicht.
In der US 2002 / 0 183 990 A1 ist ein Verfahren zum Erstellen eines Modells einer elektronischen Schaltung beschrieben. Die RU 2 111 533 C1 zeigt Messgeräte, welche dazu verwendet werden können, um die Parameter von Systemen zu untersuchen, die durch Diagramme beschrieben werden, insbesondere in Informations- und Computernetzwerken.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sämtliche Lichtbögen in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs auf einfache und zuverlässige Weise erkennen zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erkennen eines Lichtbogens, insbesondere eines seriellen Lichtbogens, in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren wird zumindest eine Zeitreihe aus Stromwerten eines über einen Strompfad des Bordnetzes fließenden Stroms erfasst bzw. bestimmt und anhand der zumindest einen Zeitreihe wird ein Sichtbarkeitsgraph bestimmt. Durch den Sichtbarkeitsgraphen wird jeder Stromwert als ein Knoten repräsentiert. Eine Sichtbarkeit zweier Stromwerte wird durch zwei, nach einem vorbestimmten Sichtbarkeitskriterium über eine Kante verbundene Knoten repräsentiert. Außerdem werden bei dem Verfahren anhand des Sichtbarkeitsgraphen eine Gradanzahl für jeden Knoten als eine Anzahl an mit diesem Knoten verbundenen Kanten sowie anschließend eine Gradverteilung als eine Häufigkeitsverteilung der Gradanzahlen bestimmt. Anhand einer Veränderung der Gradverteilung im Vergleich zu einer, ein lichtbogenfreies Bordnetz beschreibenden Referenzgradverteilung wird ein Lichtbogen erkannt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine Ausführungsform davon durchzuführen. Außerdem gehört zu der Erfindung ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei durch einen Strompfad verbundenen Bordnetzkomponenten, einer Strommesseinrichtung zum Erfassen eines über den Strompfad fließenden Stroms und einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Die Bordnetzkomponenten sind insbesondere Hochvoltkomponenten eines Hochvoltbordnetzes für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Beispielsweise können die Bordnetzkomponenten ein Hochvoltspeicher, eine elektrische Antriebsmaschine sowie ein den Hochvoltspeicher und die Antriebsmaschine elektrisch verbindender Inverter sein. Die Bordnetzkomponenten sind über Versorgungsleitungen verbunden, welche den Strompfad ausbilden. Außerdem kann das Bordnetz eine Schutzeinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, den Strompfad bei einem Fehler in dem Bordnetz, beispielsweise bei einem seriellen Lichtbogen, zu unterbrechen und damit die Bordnetzkomponenten voneinander zu trennen. Eine solche Schutzeinrichtung kann beispielsweise einen durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Halbleiterschalter aufweisen, welcher in dem Strompfad angeordnet ist.
Um einen Lichtbogen in dem Strompfad erkennen zu können, wird zunächst die Zeitreihe aus Stromwerten erfasst. Dazu kann in dem Strompfad eine Strommesseinrichtung, welche beispielsweise einen Strommesswiderstand, einen Hall-Sensor oder dergleichen aufweist, angeordnet sein. Die Strommesseinrichtung erfasst bzw. misst ein Stromsignal über die Zeit und übermittelt dieses an die Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein. Die Steuereirichtung kann aber auch eigenständig sein und beispielsweise über einen Bus mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs kommunizieren. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, anhand des zeitabhängigen Stromsignals eine Zeitreihe aus Stromwerten, beispielsweise aus zumindest einhundert Stromwerten zu bestimmen, indem sie das Stromsignal mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz abtastet und die Stromwerte abspeichert. Anhand der Zeitreihe bestimmt die Steuereinrichtung den Sichtbarkeitsgraphen bzw. „Visibility Graph“, welcher es ermöglicht, Informationen über Eigenschaften der Zeitreihe zu erlangen. In der Topologie des Sichtbarkeitsgraphen ist die lichtbogenbedingte Dynamik der Zeitreihe zu erkennen, sodass der Lichtbogen durch Analysieren bzw. Charakterisieren des Sichtbarkeitsgraphen erkannt werden kann.
Dabei wird jeder Stromwert in dem Sichtbarkeitsgraphen mit einem Knoten assoziiert. Außerdem wird für jeden Stromwert anhand eines vorbestimmten Sichtbarkeitskriteriums bestimmt, ob der Stromwert für einen anderen Stromwert sichtbar ist. Die Sichtbarkeit zweier Stromwerte wird mit einer Kante in dem Sichtbarkeitsgraphen assoziiert. Zwei füreinander sichtbare Stromwerte der zumindest einen Zeitreihe werden also durch zwei miteinander verbundene Knoten in dem Sichtbarkeitsgraphen dargestellt. Der Sichtbarkeitsgraph ist also ein Netzwerk, welches durch Knoten und Kanten beschrieben wird. Der Sichtbarkeitsgraph wird vorzugsweise als Adjazenzmatrix bestimmt.
Vorzugsweise wird als der Sichtbarkeitsgraph ein horizontaler Sichtbarkeitsgraph bestimmt, bei welchem das Sichtbarkeitskriterium besagt, dass zwei Stromwerte sichtbar sind, wenn sie größer sind als sämtliche, in der zumindest einen Zeitreihe zwischen den zwei Stromwerten liegende Stromwerte. Anders ausgedrückt sind zwei Stromwerte sichtbar, wenn die zwei in der Zeitreihe als Balken dargestellte Stromwerte durch eine horizontal verlaufende Sichtbarkeitslinie verbunden werden können, ohne einen zwischen den zwei Balken liegenden anderen Balken, welcher einen Stromwert darstellt, zu schneiden. Zwei Balken können immer dann durch eine horizontale Sichtbarkeitslinie verbunden werden, sobald sich zwischen den zwei Balken kein weiterer Balken befindet, welcher eine größere Höhe aufweist als einer der zwei Balken. Das Sichtbarkeitskriterium beim horizontalen Sichtbarkeitsgraphen besagt also, dass zwei Stromwerte dann nicht sichtbar sind, sobald ein dazwischen liegender Stromwert größer ist als einer der beiden äußeren Stromwerte. In mathematischer Schreibweise lautet für eine Zeitreihe {x_i}_i=1,...,N von N Stromwerten das Sichtbarkeitskriterium x_i,x_j > x_n für alle n, sodass i < n < j.
Es kann aber auch ein allgemeiner Sichtbarkeitsgraph bestimmt werden, bei welchem zwei Stromwerte (t_a,y_a) und (t_b,y_b) Sichtbarkeit aufweisen und als zwei miteinander über eine Kante verbundene Knoten repräsentiert werden können, falls jeder andere Stromwert {t_c,y_c} für t_a < t_c < tb das Sichtbarkeitskriterium $y_{c} < y_{a} + (y_{b} - y_{a}) \frac{t_{c} - t_{a}}{t_{b} - t_{a}}$
erfüllt.
Anhand des Sichtbarkeitsgraphen wird anschließend für jeden Knoten die Gradanzahl bestimmt. Dazu können die Spalten bzw. Zeilen der symmetrischen Adjazenzmatrix aufsummiert werden. Die Gradanzahl für einen Knoten ist die Anzahl an Stromwerten, welche für den mit diesem Knoten korrespondierenden Stromwert sichtbar sind. Die Gradanzahl entspricht dabei der Anzahl an mit diesem Knoten verbundenen Kanten. Da jeder Knoten zumindest mit seinem benachbarten Knoten verbunden ist und somit jeder Stromwert zumindest mit seinem in der Zeitreihe benachbarten Stromwert Sichtbarkeit aufweist, ist die Gradanzahl für die äußeren Knoten zumindest eins und für innenliegende Knoten zumindest zwei. Dann wird die Häufigkeitsverteilung der Gradanzahlen bestimmt, indem die Häufigkeit jeder Gradanzahl bestimmt wird. Für jede Gradanzahl wird also bestimmt, wie viele Knoten diese Gradanzahl aufweisen. Diese Häufigkeitsverteilung ist die Gradverteilung, welche den Sichtbarkeitsgraphen charakterisiert und anhand welcher der Sichtbarkeitsgraph analysiert werden kann. Die Gradverteilung weist bei Stromwerten, welche für einen lichtbogenfreien Strompfad gemessen werden, einen charakteristischen Verlauf auf, welcher sich ändert, sobald der Strompfad einen Lichtbogen aufweist. Somit kann anhand der Änderung der Gradverteilung im Vergleich zu der Referenzgradverteilung, welche den lichtbogenfreien Fall charakterisiert, der Lichtbogen erkannt werden. Dabei können beispielsweise für die Bordnetzkomponenten und/oder für bestimmte Betriebsfälle der Bordnetzkomponenten unterschiedliche Referenzgradverteilungen vorgegeben sein.
Die Lichtbogenerkennung mittels des Sichtbarkeitsgraphen und der Gradverteilung ist besonders einfach und kostengünstig, da keine zusätzliche Hardware benötigt wird. Es wird lediglich von der ohnehin vorhandenen Strommesseinrichtung das Stromsignal erfasst, welches von der ebenfalls bereits vorhandenen Steuereinrichtung analysiert wird. Nach Erkennen des seriellen Lichtbogens kann die Steuereinrichtung beispielsweise die Schutzeinrichtung des Bordnetzes ansteuern, um den Strompfad zu unterbrechen und die Bordnetzkomponenten zu trennen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die zumindest eine Zeitreihe von erfassten, diskreten Stromwerten vor dem Bestimmen des Sichtbarkeitsgraphen quantisiert wird und in eine Zeitreihe von Quantisierungswerten umgewandelt wird. Dazu wird jeder erfasste Stromwert einem vorbestimmten Stromintervall zugeordnet und jedes Stromintervall wird durch einen Quantisierungswert repräsentiert, wobei der Sichtbarkeitsgraph anhand der Zeitreihe aus Quantisierungswerten bestimmt wird. Es wird also jeder Stromwert einem Stromintervall zugeordnet, falls sich der Stromwert innerhalb von Intervallgrenzen des Stromintervalls befindet. Dieses Stromintervall wird durch einen Quantisierungswert repräsentiert. Alle gemessenen, ähnlichen Stromwerte werden also einem Stromintervall zugeordnet und somit über nur einen Quantisierungswert beschrieben.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird anhand von Häufigkeiten der Gradanzahlen nach einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift ein die Gradverteilung beschreibender Bestimmungswert bestimmt, wobei der Lichtbogen anhand des zumindest einen Bestimmungswertes erkannt wird. Die Gradverteilung wird also weiterverarbeitet, indem für sie der Bestimmungswert bestimmt wird. Dabei werden insbesondere bei der vorbestimmten Berechnungsvorschrift die Häufigkeiten derjenigen Gradanzahlen der Gradverteilung aufsummiert, bei welchen bei einem Lichtbogen in dem Strompfad höhere Häufigkeiten zu erwarten sind, und die Häufigkeiten derjenigen Gradanzahlen subtrahiert, bei welchen bei einem Lichtbogen niedrigere Häufigkeiten zu erwarten sind. Es erfolgt also eine Summenbildung der Häufigkeiten, wobei die Häufigkeiten derjenigen Gradanzahlen mit positivem Vorzeichen in die Summenbildung eingehen, bei welchen bei einem Lichtbogen in dem Strompfad höhere Häufigkeiten zu erwarten sind, und die Häufigkeiten derjenigen Gradanzahlen mit negativem Vorzeichen in die Summenbildung eingehen, bei welchen bei einem Lichtbogen in dem Strompfad niedrigere Häufigkeiten zu erwarten sind. Dabei weist der resultierende Bestimmungswert bei Vorliegen eines Lichtbogens in dem Strompfad üblicherweise einen höheren Wert auf als bei Abwesenheit eines Lichtbogens in dem Strompfad. Anhand dieses Vergleiches des Bestimmungswertes mit einem Referenzbestimmungswert, welcher den lichtbogenfreien Fall beschreibt und anhand der Referenzgradverteilung bestimmt werden kann, kann der Lichtbogen auf einfache Weise erkannt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zumindest zwei Zeitreihen mit Stromwerten erfasst, anhand derer zumindest zwei Sichtbarkeitsgraphen, zumindest zwei Gradverteilungen sowie zumindest zwei Bestimmungswerte bestimmt werden, wobei aus den zumindest zwei Bestimmungswerten ein Durchschnittswert bestimmt wird, anhand dessen der Lichtbogen in dem Strompfad erkannt wird. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Bestimmungswerte eine hohe Streuung aufweisen, sodass anhand nur eines Bestimmungswertes ein Lichtbogen möglicherweise nicht zuverlässig erkannt werden kann. Daher werden mehrere Bestimmungswerte bestimmt. Dazu können beispielsweise die Verfahrensschritte bis einschließlich zur Bestimmung der Gradverteilung mehrmals, beispielsweise zumindest einhundertmal, insbesondere fünfhundertmal, wiederholt werden, sodass aus zumindest einhundert Gradverteilungen zumindest einhundert Bestimmungswerte bestimmt werden können und aus zumindest einhundert Bestimmungswerten ein Durchschnittswert bestimmt werden kann. Anhand dieses Durchschnittswertes kann der Lichtbogen besonders zuverlässig erkannt werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Durchschnittswerten über die Zeit bzw. ein zeitlicher Verlauf der Durchschnittswerte bestimmt wird und die Veränderung der Gradverteilung im Vergleich zur Referenzgradverteilung und damit der Lichtbogen anhand eines zeitlichen Verlaufes der Durchschnittswerte erkannt wird. Dabei werden im Verlauf der Strommessung kontinuierlich neue Durchschnittswerte berechnet, sodass eine Zeitreihe aus Durchschnittswerten bestimmt wird. Falls in dem Strompfad ein Lichtbogen auftritt, so ist innerhalb des zeitlichen Verlaufes der Durchschnittswerte ein deutlicher, nahezu sprunghafter, Anstieg zu erkennen. Anhand dieses Anstiegs kann der Lichtbogen erkannt werden.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung sowie für das erfindungsgemäße Bordnetz.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines seriellen Lichtbogens in dem Bordnetz;
3 eine Balkendarstellung einer Zeitreihe von Stromwerten;
4 eine Darstellung einer Kennlinie zum Quantisieren der Stromwerte;
5 eine Balkendarstellung einer Zeitreihe von Quantisierungswerten;
6 eine Darstellung eines Sichtbarkeitsgraphen als Adjazenzmatrix, welcher aus der Balkendarstellung der Zeitreihe von Quantisierungswerten gewonnen wird;
7 eine Balkendarstellung einer Gradverteilung;
8 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufes von Durchschnittswerten.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Bordnetz 1 für ein hier nicht gezeigtes Kraftfahrzeug. Das Bordnetz 1 ist insbesondere eine Hochvoltbordnetz, kann aber auch als ein 48 V-Bordnetz gebildet sein. Das Bordnetz 1 weist mehrere Bordnetzkomponenten 2, 3 auf. Die Bordnetzkomponenten 2, 3 sind über einen Strompfad 4 elektrisch verbunden. Das Bordnetz 1 weist außerdem eine Strommesseinrichtung 5, beispielsweise einen Shuntwiderstand, auf, welche dazu ausgelegt ist, einen über den Strompfad 4 fließenden Strom zu messen. Die Strommesseinrichtung 5 führt diesen gemessenen Strom einer Steuereinrichtung 6 des Bordnetzes 1 zu, welche anhand des gemessenen Stroms einen Lichtbogen, insbesondere auch einen seriellen Lichtbogen, in dem Bordnetz 1 erkennen kann. Nach Erkennen des Lichtbogens kann die Steuereinrichtung 6 eine Schutzeinrichtung 7, beispielsweise einen Halbleiterschalter, des Bordnetzes 1 zum Unterbrechen des Strompfades 4 ansteuern.
In 2 ist ein Ablaufdiagram für das von der Steuereinrichtung 6 durchgeführte Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in dem Bordnetz 1 gezeigt. In einem ersten Schritt S1 wird hier von der Steuereinrichtung 6 anhand des Strommesssignals der Strommesseinrichtung 5 eine Zeitreihe von Stromwerten bestimmt. Dazu wird das Strommesssignal mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz abgetastet, sodass für eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Stromwerte bestimmt werden. In 3 ist die Zeitreihe 8 aus Stromwerten I in Form von einem I-t-Balkendiagramm gezeigt, in welchem die Stromwerte I über die Zeit t aufgetragen sind. In einem zweiten Schritt S2 werden die Stromwerte I mithilfe einer in 4 gezeigten D-I-Kennlinie α quantisiert. Die Kennlinie α ordnet jedem Stromwert I einen Quantisierungswert D zu. Eine Zeitreihe 9 aus Quantisierungswerten D ist in 5 in Form von einem D-t-Balkendiagramm gezeigt, welches die mittels der Kennlinie α aus den Stromwerten I gewonnenen Quantisierungswerte D über die Zeit t zeigt.
In einem dritten Schritt S3 wird aus der Zeitreihe 9 aus Quantisierungswerten D ein Sichtbarkeitsgraph, hier ein horizontaler Sichtbarkeitsgraph HVG bzw. „horizontal visibilty graph“, bestimmt. Der Sichtbarkeitsgraph HVG ist in 6 als Adjazenzmatrix M gezeigt. Der Sichtbarkeitsgraph HVG ist ein Netzwerk, welches durch Knoten und Kanten beschrieben wird, wobei die Knoten zu den Stromwerten U bzw. den Quantisierungswerten D korrespondieren und die Kanten zu Sichtbarkeiten zwischen den Stromwerten I bzw. Quantisierungswerten D korrespondieren. Jeweils zwei Quantisierungswerte D sind hier füreinander sichtbar und können durch zwei über eine Kante verbundene Knoten repräsentiert werden, wenn die als Balken B1, B2 dargestellten Quantisierungswerte D über eine horizontal verlaufende, keine(n) weiteren Balken B3 schneidende horizontale Sichtbarkeitslinie L1 verbunden werden können.
Aus dem Sichtbarkeitsgraphen HVG kann für jeden, mit jeweils einem Stromwertwert assoziierten Knoten in einem vierten Schritt S4 eine Gradanzahl G als die Anzahl der Kanten eines Knotens bestimmt werden, indem bestimmt wird, für wie viele andere Stromwerte jeweils ein Stromwert sichtbar ist. Die Gradanzahl G kann durch Aufsummieren der Spalten bzw. Zeilen der symmetrischen Adjazenzmatrix M bestimmt werden. In einem fünften Schritt S5 wird eine Gradverteilung 10 aus Gradanzahlen G bestimmt, welche eine Häufigkeit H der jeweiligen Gradanzahlen G beschreibt. In 7 ist ein H-G-Balkendiagramm gezeigt, bei welchem die Häufigkeiten H über die Gradanzahlen G aufgetragen sind.
In einem sechsten Schritt S6 wird ein Bestimmungswert ε aus den Gradanzahlen G nach einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift bestimmt. Sei u ein Vektor, in welchem die Gradverteilung 10 des Sichtbarkeitsgraphen HVG gespeichert ist, wobei Elemente u(1), u(2), ..., u(n) des Vektors die Häufigkeiten der Gradanzahlen 1, 2,...,n sind, so ist der Bestimmungswert ε insbesondere ε=+u(2)+u(3)-u(4)-u(5)-u(6)-....-u(n). Im Falle eines Lichtbogens in dem Bordnetz 1 ist der Bestimmungswert ε im Durchschnitt größer als in einem Normalbetrieb des Bordnetzes 1 ohne Lichtbogen. Dabei werden insbesondere mehrere Bestimmungswerte ε anhand von mehreren Zeitreihen 8 aus Stromwerten I bestimmt, da aufgrund der Streuung der Bestimmungswerte ε anhand eines einzelnen Bestimmungswertes ε ein Lichtbogen möglicherweise nicht zuverlässig erkannt werden kann. Aus diesen mehreren Bestimmungswerten ε wird dann ein Durchschnittswert ε~ bestimmt. Beispielsweise können dazu die Schritte S1 bis S6 mehrmals, beispielsweise fünfhundertmal wiederholt werden. Bei einer Zeitreihe von beispielsweise hundert Stromwerten werden also mithilfe von 50.000 Stromwerten fünfhundert Sichtbarkeitsgraphen ermittelt, um jeweils einen Durchschnittswert ε~ berechnen zu können. Alle Bestimmungswerte ε können beispielsweise in einem Vektor abgespeichert werden. Sobald der fünfhundertste Bestimmungswert ε berechnet wurde, wird der Durchschnitt gebildet und dadurch der Durchschnittswert ε~ bestimmt. Mithilfe von diesem Durchschnittswert ε~ lässt sich eindeutig anhand eines Vergleiches mit einem Referenzdurchschnittswert für den Normalbetriebs des Bordnetzes 1 entscheiden, ob ein Lichtbogen eingetreten ist oder nicht.
In einem siebten Schritt S7 wird ein Verlauf 11 der Durchschnittswerte ε~ über die Zeit t bestimmt, wie er in 8 gezeigt ist. Dazu werden fortlaufend neue Bestimmungswerte ε berechnet. In jedem Rechenschritt wird ein neuer Bestimmungswert ε in dem Vektor abgespeichert und der älteste bzw. erste Bestimmungswert ε wird aus dem Vektor entfernt. Man betrachtet also den zeitlichen Verlauf vom Durchschnitt von fünfhundert Bestimmungswerten ε, um einen Lichtbogen detektieren zu können. In 8 ist dabei zu erkennen, dass zu einem Zeitpunkt t_arc ein Lichtbogen eintritt, da der Verlauf 11 hier eine Stufe aufweist. Ab diesem Zeitpunkt t_arc weist der Verlauf 11 also höhere Bestimmungswerte ε auf, welche auf den Lichtbogen hindeuten.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: - Bestimmen zumindest einer Zeitreihe (8) aus Stromwerten (I) eines über einen Strompfad (4) des Bordnetzes (1) fließenden Stroms; - Bestimmen eines Sichtbarkeitsgraphen anhand der zumindest einen Zeitreihe (8) aus Stromwerten (I), wobei durch den Sichtbarkeitsgraphen jeder Stromwert (I) als ein Knoten repräsentiert wird und eine Sichtbarkeit zweier Stromwerte (I) durch zwei, nach einem vorbestimmten Sichtbarkeitskriterium über eine Kante verbundene Knoten repräsentiert wird, - Bestimmen einer Gradanzahl (G) für jeden Knoten als eine Anzahl an mit diesem Knoten verbundenen Kanten anhand des Sichtbarkeitsgraphen, - Bestimmen einer Gradverteilung (10) als eine Häufigkeitsverteilung der Gradanzahlen (G), - Erkennen eines Lichtbogens anhand einer Veränderung der Gradverteilung (G) im Vergleich zu einer, ein lichtbogenfreies Bordnetz (1) beschreibenden Referenzgradverteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als der Sichtbarkeitsgraph ein horizontaler Sichtbarkeitsgraph (HVG) bestimmt wird, bei welchem das Sichtbarkeitskriterium besagt, dass zwei Stromwerte (I) der zumindest einen Zeitreihe (8) sichtbar sind, wenn sie größer sind als sämtliche, in der zumindest einen Zeitreihe (8) zwischen den zwei Stromwerten (I) liegende Stromwerte (I).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtbarkeitsgraph in Form von einer Adjazenzmatrix (M) bestimmt wird und die zumindest eine Gradverteilung (G) anhand der Adjazenzmatrix (M) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zeitreihe (8) von erfassten Stromwerten (I) vor dem Bestimmen des Sichtbarkeitsgraphen quantisiert wird und in eine Zeitreihe (9) von Quantisierungswerten (D) umgewandelt wird, indem jeder erfasste Stromwert (I) einem vorbestimmten Stromintervall zugeordnet wird und jedes Stromintervall durch einen Quantisierungswert (D) repräsentiert wird, wobei der Sichtbarkeitsgraph anhand der Zeitreihe (9) aus Quantisierungswerten (D) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Häufigkeiten (H) der Gradanzahlen (G) nach einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift ein die Gradverteilung (10) beschreibender Bestimmungswert (ε) bestimmt wird, wobei der Lichtbogen anhand des Bestimmungswertes (ε) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der vorbestimmten Berechnungsvorschrift die Häufigkeiten (H) derjenigen Gradanzahlen (G) der Gradverteilung (10) aufsummiert werden, bei welchen bei einem Lichtbogen in dem Bordnetz (1) höhere Häufigkeiten zu erwarten sind, und die Häufigkeiten (H) derjenigen Gradanzahlen (G) subtrahiert werden, bei welchen bei einem Lichtbogen niedrigere Häufigkeiten zu erwarten sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zeitreihen (8) mit Stromwerten bestimmt werden, anhand derer zumindest zwei Sichtbarkeitsgraphen, zumindest zwei Gradverteilungen (G) sowie zumindest zwei Bestimmungswerte (ε) bestimmt werden, wobei aus den zumindest zwei Bestimmungswerten (ε) ein Durchschnittswert (ε~) bestimmt wird, anhand dessen der Lichtbogen in dem Bordnetz (1) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf (11) von Durchschnittswerten (ε~) bestimmt wird und die Veränderung der Gradverteilung (10) im Vergleich zur Referenzgradverteilung und damit der Lichtbogen anhand des zeitlichen Verlaufes (11) der Durchschnittswerte (ε~) erkannt werden.
Steuereinrichtung (6) für ein Bordnetz (1) eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei, durch einen Strompfad (4) verbundenen Bordnetzkomponenten (2, 3), einer Strommesseinrichtung (5) zum Erfassen eines über den Strompfad (4) fließenden Stroms und einer Steuereinrichtung (6) nach Anspruch 9.