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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten eines Stoßes gegen eine Batterie eines Fahrzeugs mittels eines elastischen Hohlschlauchs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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So ist aus der
DE 102012110733 A1 bereits ein solches Verfahren zu entnehmen, bei dem ein elastisch verformbarer Hohlraum und mit diesem verbunden zumindest ein Drucksensor vorgesehen und das Signal dieses Drucksensors einer Steuereinheit zugeführt und zum Erkennen eines Aufpralls und zum Steuern der Zufuhr von Strom und/oder Treibstoff verwendet wird und der elastische Hohlraum entsprechend im Fahrzeug in der Nähe oder um die besonders empfindlichen Komponenten, beispielsweise der Hochspannungsbatterie angeordnet ist.
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Neben solchen Sensoren schlägt beispielsweise die
WO 2012055612 A2 ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs vor, wobei der Ladevorgang der Traktionsbatterie durch eine Trenneinrichtung unterbrochen wird, wenn eine vom Beschleunigungssensor gemessene Beschleunigung des Fahrzeugs eine vorgegebene Bedingung erfüllt. Während jedoch im Stand beim Laden solche Erschütterungen selten und daher die Zuordnung einfach ist, treten während des Fahrbetriebs deutlich mehr und verschiedene Erschütterungen auf, die für sich nicht hinreichend klar auf einen Stoß gegen die Batterie schließen lassen.
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Die
DE 102017211047 A1 lehrt einen Batteriepack für ein Elektrofahrzeug mit mindestens einer Batteriezelle und mindestens einen Drucksensor zur Erkennung einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack, wobei mindestens eine der Batteriezellen mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung zur Deaktivierung der Batteriezelle aufweist.
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So werden bei Erkennung der mechanischen Einwirkung mittels mehrerer Drucksensoren mehrere Sensorsignale von den mehreren Drucksensoren zu der Steuereinheit übertragen. Dann wird in der Steuereinheit ermittelt, welche Batteriezellen von der mechanischen Einwirkung betroffen sind. Anschließend wird zu den von der mechanischen Einwirkung betroffenen Batteriezellen jeweils ein Ansteuersignal übertragen. Mittels mehrerer in dem Batteriepack verteilter Drucksensoren ist somit eine Ortsauflösung der mechanischen Verformung in dem Batteriepack möglich. Somit können gezielt nur die betroffenen Batteriezellen deaktiviert und in einen sicheren Zustand überführt werden, während andere, nicht beschädigte Batteriezellen in Betrieb bleiben. Ferner kann eine redundante Verarbeitung von Sensorsignale von mehreren Drucksensoren auch vor einer Fehlauslösung schützen. Dadurch erhöht sich jedoch der Aufwand für die große Anzahl erforderlicher Sensoren deutlich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und zugleich sichere Bewertung eines Stoßes gegen eine Batterie zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der elastische Hohlschlauch beziehungsweise der zumindest eine Drucksensor an einem Ende des Hohlschlauchs, vorzugsweise zwei Drucksensoren, also an jedem Ende jeweils einer, zur Erfassung des bei einem Stoß auftretenden Druckänderung im Inneren des Hohlschlauchs genutzt werden, aber für die Bewertung der Signale der Drucksensoren zusätzlich ein weiterer Stoßsensor vorgesehen ist und der zeitliche Verlauf des Signals des Drucksensors gegenüber einem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Zeitpunkt bewertet wird.
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Die zeitliche Bewertung ist dabei deutlich mehr als eine reine Plausibilitätsprüfung, sondern vorzugsweise eine Bestimmung einer Zeitdifferenz zwischen vorgegebenen Ereignissen der jeweiligen Signale.
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So wird in einer Ausgestaltung aus dem Signal des Stoßsensors durch Vergleich gegen eine Startschwelle ein Startzeitpunkt eines Stoßes abgeleitet. Stoßsensoren, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren sind zum einen im Fahrzeug in der Regel bereits vorhanden, sei es für die Fahrdynamikregelung oder Auslösung für Insassenschutzeinrichtungen. Diese müssen also auch nicht unmittelbar für diese Anwendung zusätzlich verbaut werden, sofern diese nur zumindest einen hinreichenden Beschleunigungsanteil in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs erfassen, was aber aufgrund der Querempfindlichkeit häufig keine genaue Ausrichtung in Z-Achse erfolgt.
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So eignen sich aber auch ein Drehratensensor mit einer Empfindlichkeitsausrichtung, welche zumindest auch einen Beschleunigungsanteil in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs erfasst.
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Ebenfalls geeignet erscheint ein Körperschallsensor, welcher Schwingungen in Fahrzeugkarosserie erfasst oder ein schwingungsbasierender Anprallsensor oder andere Formen von Kontaktsensoren, beispielsweise auf Basis von Widerstandsmatten, kapazitiven oder piezoelektrischen Messprinzipien, die beispielsweise flächig an der Unterseite des Fahrzeugs angeordnet sind und einen Stoß gegen die Fahrzeugunterseite erkennen können.
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In Bezug auf das vorliegende Verfahren haben diese Stoßsensoren die Funktion, primär einen Referenzzeitpunkt für die Bewertung des Signals der Drucksensoren zu schaffen.
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Zudem ist vorgesehen, dass aus dem zeitlichen Verlauf des Signals der Drucksensoren jeweils ein Zeitpunkt des Eintreffens des Druckimpulses aufgrund des Stoßes am Drucksensor erfasst und aus der zeitlichen Differenz zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt auf die Position(en) des Stoßes abgeleitet wird.
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Als Referenzzeitpunkt des Drucksensorsignals wird dazu in einer Ausgestaltung aus dem Anstieg des Signals des Drucksensors auf einen Startzeitpunkt rückgerechnet und die Zeitdifferenz zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt ermittelt wird. Eine solche Rückrechung ist natürlich nicht im Echtzeitverlauf eines solchen Stoßes möglich, aber für die vorliegende Anwendung gerade auch nicht erforderlich. Die Ermittlung eines Anstiegszeitpunkts hat aber den besonderen Vorteil, dass diese zeitlich besonders gut in Bezug auf einen Referenzzeitpunkt des Stoßsensors bewertet und daraus auf die Position des Auftreffens über die Länge des Hohlschlauchs geschlossen werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist an beiden Enden des Hohlschlauchs jeweils ein Drucksensor vorgesehen und aus der Länge des elastischen Hohlschlauchs und den Zeitdifferenzen zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt und den jeweils aus den Signalen der beiden Drucksensoren abgeleiteten rückgerechneten Anstiegszeitpunkten die Breite der Zone des Stoßes abgeleitet wird.
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Durch die vorgestellten Ausgestaltungen ergeben sich besonders geeignete Anwendungsaspekte, indem nämlich bei einer Batterie bestehend aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Batteriezellen die Position(en) des Stoßes und der Breite des vom Stoß erfassten Zone die betroffenen Batteriezellen ermittelt und vorzugsweise nur die Batteriezellen in der vom Stoß erfassten Zone als potenziell beschädigt betrachtet und vorzugsweise deren Ladung auf andere Zellen umgeladen oder entladen werden. So kann günstigstenfalls das Fahrzeug trotz einer potenziellen Beschädigung noch eventuell zumindest in einem Notbetrieb gehalten werden.
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Es ist also vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug mit einer Batterie und einem elastischen Hohlschlauch zwischen der Batterie und der Fahrzeugaußenhaut sowie zumindest einem Drucksensor an einem Ende des Hohlschlauchs zur Erfassung des bei einem Stoß auftretenden Druckänderung im Inneren des Hohlschlauchs ausgestattet und ein weiterer Stoßsensor vorgesehen ist. Zudem ist eine Auswerteeinheit zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen, welche eingerichtet ist, um die zeitlichen Verläufe des bzw. der Signale der Drucksensoren gegenüber einem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Zeitpunkt zu bewerten.
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Die Erfindung wird nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs
- 2 bewahrte und bewertet Signalverläufe
- 3 Skizze der Ableitung des Anfangszeitpunkts aus dem Anstiegsverlauf des Drucksensorsignals
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Die 1 skizziert schematisch ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug mit einer Batterie 3 bestehend aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Batteriezellen 3.1 ff., wobei die räumliche Anordnung der Batteriezellen hier skizzenhaft nur in X Richtung des Fahrzeugs veranschaulicht ist, jedoch selbstverständlich die einzelnen Batteriezellen (3.1 ff.) auch abweichend dazu beispielsweise in Y Richtung versetzt angeordnet sein können.
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Zudem ist ein elastischer Hohlschlauch 1 zwischen der Batterie 3 und der Fahrzeugaußenhaut, also insbesondere dem Unterboden, vorgesehen und hier in der Figur als dicke schwarze Linie gezeichnet, wobei der konkrete Verlauf hier nur skizzenhaft und zur vereinfachten Darstellung in der Skizze gewählt ist und in der Praxis Anwendung bezogen abweichend, insbesondere auch mäanderförmig geschlungen oder entsprechend der räumlichen Gegebenheiten im Fahrzeug angepasst verlegt werden kann.
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Zudem ist zumindest ein, hier in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch jeweils beidseits am Ende des Hohlschlauchs jeweils ein Drucksensor P1,P2 vorgesehen und in bekannter Weise druckdurchlässig mit dem Inneren des Hohlschlauchs 1 zur Erfassung des bei einem Stoß auftretenden Druckänderung im Inneren des Hohlschlauchs 1 verbunden. Die konkrete Position der beiden Drucksensoren T1 und T2 ist dabei auch wiederum rein skizzenhaft aus Platzgründen entsprechend in der Figur gezeigt und wird in der Praxis näher unmittelbar an den Batteriezellen liegen.
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Prinzipiell kann das Verfahren auch bereits mit nur einem Drucksensor und einem zumindest weitgehend verschlossenen Gegenende des Hohlschlauchs durchgeführt werden und die Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt des Stoßsensors und dem Anstieg des Drucksignals im Hohlschlauch bestimmt werden. Daraus kann dann zwar auch die Position, aber nicht die Breite der Stoßzone entsprechend abgeleitet werden.
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Zudem ist also ein weiterer Stoßsensor G vorgesehen, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als ein multidirektionales Sensorcluster aus Beschleunigungssensoren ausgestaltet sei wie, wie es beispielsweise für die Fahrdynamik-Regelung vorgesehen ist. Auch wenn ein solches Sensorcluster räumlich beabstandet von der Fahrzeugaußenhaut im Inneren des Fahrzeugs, beispielsweise im sogenannten Tunnel oder sogar im Steuergerät der Fahrdynamikregelung angeordnet ist, kann aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Impulsübertragung das Signal eines hier in der Skizze von unten auftreffenden Stoßes sehr schnell zum Stoßsensor G gelangen und dort hinreichende Signalausschläge erzeugen. Hervorzuheben ist dabei, dass im Gegensatz zur Crashschwere-Bewertung bei Unfällen ist hierbei weniger auf die absolute Stärke des Stoßes und einen entsprechend hohen Signalverlauf ankommt, sondern ein daraus abgeleiteter Zeitpunkt in zeitlicher Relation zum zeitlichen Verlauf des Drucksignals gesetzt werden soll.
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Entsprechend ist eine Auswerteeinheit ECU zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche vorgesehen und mit einer entsprechenden Software in einem Speicher und zum Laden und Ausführen in den Mikroprozessor der Auswerteeinheit eingerichtet, um die zeitlichen Verläufe des bzw. der Signale der Drucksensoren P1,P2 gegenüber einem aus dem Signal des Stoßsensors G abgeleiteten Zeitpunkt zu bewerten.
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Dies soll skizzenhaft an 2 näher erläutert werden. 2 zeigt in einem zeitlichen Verlauf die 3 maßgeblichen Signale des Stoßsensors G sowie der hier vorzugsweise vorgesehenen 2 Drucksensoren P1 und P2, wobei die Signale mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Sensoren gekennzeichnet sind.
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Aus dem Signal des Stoßsensors G wird ein Startzeitpunkt (tG) eines Stoßes abgeleitet, beispielsweise durch Vergleich des Signals oder eines daraus abgeleiteten, beispielsweise vorgefilterten Signals gegen eine Startschwelle. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass eine potenzielle Fehlinterpretation beispielsweise durch starke Erschütterungen aufgrund unebener Fahrbahn hier zwar nicht ausgeschlossen werden können, jedoch durch geeignete andere Maßnahmen in der Bewertung des Signals des Stoßsensors bzw. der Drucksensoren abgefangen werden können und für den hier beschriebenen Verfahrensaspekt ausschließlich die zeitliche Bewertung in Bezug zum zeitlichen Verlauf des Drucksensorsignals entscheidend ist.
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Dazu wird vorzugsweise aus dem zeitlichen Verlauf des Signals der Drucksensoren P1, P2 jeweils ein Zeitpunkt tP1, tP2 des Eintreffens des Druckimpulses aufgrund des Stoßes am Drucksensor P1,P2 erfasst und aus der zeitlichen Differenz zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt tG auf die Position(en) des Stoßes abgeleitet.
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Als Referenzzeitpunkt des Drucksensorsignals P1 bzw. P2 wird vorzugsweise aus dem Anstieg des Signals des Drucksensors P1 bzw. P2 auf einen Startzeitpunkt tP1, und tP2 rückgerechnet und die Zeitdifferenz tP1, - tG, tP2 -tG) zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt ermittelt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Linearisierung einer Mehrzahl von Abtastwerten und Schnittpunktbestimmung zwischen einem linearisierten Verlauf vor dem Anstieg sowie einer Linearisierung im Anstiegsbereich der Flanke recht einfach ermittelt werden. Es handelt sich hier zeitlich gesehen um eine Rückrechnung, denn natürlich kann der Startzeitpunkt tP1 und tP2 erst zeitlich nach Erfassung einer Anzahl von Abtastzeitpunkten im Anstiegsverlauf des Drucksensors erfasst werden. Im Gegensatz zu den Erfordernissen bei der Auslösung von Airbags im Falle eines Crashs, wo die Entfaltung des Airbags noch vor dem Auftreffen des Körpers des Insassen auf den Airbags bzw. die dahinter befindlichen Karosserieelemente zumindest hinreichend erfolgt sein muss, wenn nicht gar abgeschlossen sein sollte, so ist Ziel dieses Verfahrens nur eine hinreichend genaue Bewertung, ob und welche Zellen einer Batterie eventuell getroffen wurden und entsprechende Maßnahmen abgeleitet werden sollen. Sind, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 1 gezeigt, an beiden Enden des Hohlschlauchs jeweils ein Drucksensor P1,P2 vorgesehen, so kann vorzugsweise aus der Länge des elastischen Hohlschlauchs 1 und den Zeitdifferenzen tP1 - tG und tP2 -tG, also zu dem aus dem Signal des Stoßsensors abgeleiteten Startzeitpunkt(tG und den jeweils aus den Signalen der beiden Drucksensoren (P1,P2) abgeleiteten rückgerechneten Anstiegszeitpunkten tP1, tP2 die Breite der Zone des Stoßes abgeleitet wird.
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Als Formel ausgedrückt kann näherungsweise angesetzt werden:
wobei Abweichungen aufgrund der Geometrie und der Materialien im Unterboden des Fahrzeugs bzw. in der Verlegung des Hohlschlauchs 1 bspw in einer Mäanderform flächig über den ganzen Batteriebereich berücksichtigt werden können.
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Letztlich wird der Laufzeitunterschied zwischen dem Stoßsignal und der demgegenüber geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit des Drucks ausgenutzt und durch die Länge de Hohlschlauchs auch noch verstärkt.
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Insbesondere ist denkbar, dass gerade in Z Richtung zwischen der Außenhaut des Fahrzeugs und dem Hohlschlauch ein gewisser räumlicher Abstand oder mechanischen Dämpfungsstrukturen vorhanden sind, welche einen Stoß erst verzögert an bzw. in den Hohlschlauch 1 einprägen. Dies kann aber durch geeignete Parametrisierung gut angepasst werden.
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Zudem ist der Verlauf der Drucksignale für die beiden Drucksensoren P1 und P2 nicht nur rein zeitlich von der konkreten Position des Auftreffens des Stoßes abhängig, sondern verändert sich auch zusätzlich der gesamte Verlauf des Druckimpulses je weiter entfernt der Stoß auf den Hohlschlauch trifft. Auch dieser Einfluss kann jedoch gut durch entsprechende Parametrisierung und Kalibrierung berücksichtigt werden und ist die rein zeitliche Bewertung selbst relativ gut von diesem Einfluss zu befreien.
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Auch in Bezug auf die Auswertung der Signale des Stoßsensors 1 ist die besondere Situation einer Erkennung eines Stoßes von unten gegen den Fahrzeugboden, also mit einer zumindest nicht unerheblichen Komponente in Z Richtung hinsichtlich der Signalcharakteristik eventuell deutlich abweichend von den Algorithmen, die sonst für die Fahrdynamikregelung oder Aufprallerkennung im Unfall verwendet werden und sollte eine solche Stoßerkennung mit einer entsprechend auf diesen Anwendungsfall kalibrierten Algorithmen erfolgen, beispielsweise in der Frequenzcharakteristik insbesondere die Einflüsse mechanischer Dämpfungsstrukturen im Fahrzeug verbaut bezüglich der Position des gewählten Stoßsensors sowie der doch besonderen Stoßrichtung neu bewertet und das Signal und dessen Auswertung entsprechend kalibriert werden. Dazu wurde bereits eine 1. Modellanalyse mit Stoßtests durchgeführt.
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Es sei nochmals erwähnt, dass die vorliegende Algorithmuspfad primär auf die Erkennung der Position und Breite des Stoßes und damit die individuell getroffenen Zellen der Fahrzeugbatterie optimiert ist und durchaus andere Verfahren und parallele Algorithmuspfade zur Auswertung einer potenziellen Schwere des Stoßes vorgesehen sein können.
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So kann beispielsweise die Schwere des Stoßes und damit Eindringtiefe eventuell einfacher auf Basis der Initialsensordaten, also beispielsweise der Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren des Sensorclusters selbst, also einer sogenannten IMU Inertial Measuring Unit beispielsweise durch Integration bestimmt werden und die Signale des Drucksensors ausschließlich zur Steuerung entsprechender Zeitpunkte, beispielsweise wie dem Anfang oder Ende der Integration genutzt werden.
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Sehr große Stoßzonen, wie beispielsweise bei einen großflächigen massiven Bordsteinkontakt, ergeben evt. an beiden Drucksensoren frühzeitig hohe Drucksignalanstiege, d.h. keine großen Zeitunterschiede zwischen den Drucksensoren und nahe am Startzeitpunkt des Stoßsensors, können aber durch die Stärke des Signals des Inertialsensors dann wiederum plausibilisiert werden als auch eben durch die Zeitdifferenz zwischen den Drucksensoren. Zudem kann die Empfindlichkeit der Drucksensoren in Abhängigkeit vom Abstand zur Position des Stoßes über die Länge des Hohlschlauchs angepasst werden, bspw in Abhängigkeit von dem ermittelten Startzeitpunkt des Stoßsensors.
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Zudem kann eben ergänzend die Stärke des Stoßsignals wie auch der Drucksignale bewertet werden.
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Die Einflüsse der Position des Stoßes wie auch der Größe der Zone des Stoßes als auch der Stärke des Stoßes beziehungsweise Eindringtiefe können also ermittelt und bewertet werden.
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Die Eigendynamik des Fahrzeugs, also die Richtung und Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung auf das Gesamtfahrzeug sowie der Beladungszustand und sonstige Einflussfaktoren auf den konkreten Schwerpunkt des Fahrzeugs, also den vehicle center of gravity (COG), beeinflussen natürlich in gewisser Weise die Messung und kann eine möglichst exakte Bewertung dieser Größen wiederum bei der Beurteilung der Schwere des Stoßes und Stoßrichtung auf die Batterie mitberücksichtigt werden.
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Unter der Annahme, dass Stöße von der Fahrzeugrückseite nur über das Rückwärtsfahren denkbar sind und keine Stöße von hinten (also -X-Richtung) am Unterboden beim Vorwärtsfahren in +X-Richtung zu erwarten sind und umgekehrt, können diese als Fehlermeldung erkannt werden anstelle von Adaptionen wegen unwahrscheinlicher Auswirkungen auf die Geschwindigkeit > Fahrzeuggeschwindigkeit (von hinten beim Vorwärtsfahren).
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Die Latenz zwischen den Sensoren kann auch einen Einfluss haben und sollte geprüft und ggfs berücksichtigt und ausgeglichen werden.
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Die Ermittlung des Startzeitpunkts des Stoßsensors aus Basis des Inertialsignals kann evt eine Pufferung erfordern, bspw bei einem 9m langen mäanderförmig verlegten Hohlschlauch doch immerhin 9m*340m/s →26.4ms.
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Für die Ermittlung des Anstiegszeitpunkts des Drucksignals kann, wie schon erläutert eine lineare Trendkalkulation als Rückrechnung erfolgen, indem bspw die Zeitpunkte mit Druckänderung @1mBar, 3mBar, 6mBar verwendet werden und auf den Start rückgeschlossen wird.
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Für die Ermittlung des Zeitpunkts t3 können Kriterien aus der Crash-Algorithmik zum Einsatz kommen, die durch Auswertung aller Frequenzbereiche eine plötzliche Signaländerung erkennen. Oszillationen in hohe Frequenzen deuten auf einen Anstoß hin. Da die Laufzeiten der eingesetzten Filter und Kriterien bekannt sind, kann der Zeitpunkt t3 noch genauer ermittelt werden wenn diese Laufzeiten vom Zeitpunkt der Schwellenüberschreitung rückgerechnet werden. (<- Fraglich ist wie genau wir hier formulieren wollen)
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Alternativ können zur Ermittlung des Zeitpunkts t3 auch spezielle Sensoren zur Kontaktsensierung (CoSSy) zum Einsatz kommen, die Körperschallsignale auswerten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012110733 A1 [0002]
- WO 2012055612 A2 [0003]
- DE 102017211047 A1 [0004]
