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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
eines Fahrzeugs.
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Aus
der
DE 195 14 738 ist
bereits ein Verfahren bekannt, bei dem die aus einem Generator entnommene
elektrische Leistung berechnet wird und sofern die elektrische Leistung,
die entnommen werden soll zu groß ist, die Zuschaltung von
elektrischen Verbrauchern geringer Priorität verhindert wird.
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Ein
Steuerverfahren bzw. eine Steuervorrichtung ist beispielsweise aus
der
DE-A-41 11 023 (
US-Patent 5,351,776 ) bekannt.
Dort wird eine Steuerung des Gesamtfahrzeugs, wenigstens bezüglich Antriebsstrang
und Bremse, vorgeschlagen, welche eine hierarchische Auftragsstruktur
für die
Steueraufgaben aufweist. Die dort beschriebe Steuerungsstruktur
umfasst Koordinationselemente, welche einen aus einer höheren Hierarchieebene
ausgehenden Befehl in Befehle für
Elemente einer nachgeordneten Hierarchieebene umsetzen. Die Inhalte
der von oben nach unten in der Hierarchiestruktur weitergegebenen
Befehle stellen physikalische Größen dar,
die die Schnittstellen zwischen den einzelnen Hierarchieebenen bestimmen.
Die beschriebenen Schnittstellen orientieren sich dabei an den physikalischen
Gegebenheiten der Fahrzeugbewegung, insbesondere des Antriebsstrangs
und der Bremse. Eine darüber
hinaus gehende Betrachtung einer Fahrzeugsteuerung beispielsweise
unter Be rücksichtigung
der Karosserieelektronik (z. B. Generatorsteuerung, Schiebedachantrieb,
Fensterheber, usw.) wird nicht beschrieben. Aufgrund der zunehmenden
Vernetzung von bisher eigenständigen
Systemen in der Fahrzeugtechnik reicht die ausschließliche Betrachtung
von Antriebsstrang und Bremse nicht mehr aus. Vielmehr ist es erforderlich,
eine Steuerungsstruktur des Gesamtfahrzeugs anzugeben, mit deren
Hilfe auch außerhalb
der Triebstrang- und Bremsensteuerung liegende Systeme verknüpft werden
können
und deren Aufgaben koordiniert werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung beschreibt die Verwaltung und Verteilung der im Fahrzeug
zur Verfügung
stehenden Ressourcen. Dabei wird unter Ressource eine Leistung verstanden,
die von Komponenten, sogenannten Quellen, anderen Komponenten, sogenannten
Senken oder Verbrauchern, zum Verbrauch zur Verfügung gestellt wird. Beispiele
für derartige
Ressourcen sind „mechanische
Leistung", die vom
Antriebsstrang (Motor, Kupplung, Getriebe), vom Scheibenwischermotor,
vom Schiebedachmotor, usw. erzeugt wird, „elektrische Leistung", die vom Generator
und der Batterie bereitgestellt wird, „thermische Leistung", die vom Motor und
ggf. von einem Latentwärmespeicher
erzeugt wird, usw..
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Hier
sind bei dem Beispiel „mechanische
Leistung" die aufgeführten Komponenten
Antriebsstrang, Scheibenwischermotor und Schiebedachmotor Quellen
voneinander uabhängige
Ressourcen, die ebenso unabhängig
voneinander verwaltet werden.
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Durch
die beschriebene Verwaltung und Verteilung der Ressourcen wird eine
Steuerungsstruktur für das
Gesamtfahrzeug bereitgestellt, die über Antriebsstrang und Bremse
hinaus auch andere Komponenten, insbesondere Komponenten der Karosserieelektronik,
berücksichtigen
kann.
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Besondere
Vorteile ergeben sich aus der erfindungsgemäßen Lösung, da der Ressourcenverwalter entscheidungsfähig bezüglich der
Ressourcenverteilung ist, ohne daß er spezifische Details über die
einzelnen Verbraucherkomponenten kennen muß. Daher wird der Verwalter
mit möglichst
allgemeinen und eher abstrakten, aber dennoch aussagekräftigen Informationen über die
einzelnen Komponenten im voraus versorgt.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
beschriebene Ressourcenverwaltung eine deutliche Vereinfachung der
Analyse der Steuerungsstruktur im Rahmen des Entwicklungsprozesses
ermöglicht,
da das Muster zur Ressourcenverwaltung eine Modellierungshilfe für die Anordnung
der Ressourcen in den einzelnen Ebenen während der Analyse der Steuerungsstruktur
und die ablaufende Kommunikation bietet, ohne daß die Verbraucher bezüglich des
Verbrauchs von Ressourcen priorisiert werden müssen.
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Ferner
ist vorteilhaft, daß die
Ressourcenverwaltung übersichtlich
ist und sich einfach in die Struktur des Gesamtfahrzeugs integrieren
läßt. Dies
führt in
vorteilhafter Weise zu einer ganzheitlichen Architektur des Gesamtfahrzeugs
mit einer frei optimierbaren Hardwaretopologie.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
Ressourcenverwaltung und -verteilung eigenständig ausgelegt werden kann
(Entwicklungssharing) und somit die Möglichkeit bietet, bereits getestete
Softwaremodule mit standardisierten physikalischen Schnittstellen
wiederzuverwenden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß eine Ressourcenverwaltung
mit Koordinatoren auf gleicher Ebene wie die Quellen und Verbraucher
sowie mit übergeordneten
Koordinatoren bei gekoppelten Ressourcen die Möglichkeit bietet, ein übersichtliches
Gesamtleistungsmanagement mit wenigen Schnittstellen und voneinander
weitestgehend unabhängigen
Komponenten zu ermöglichen.
Dadurch ergibt sich eine gute Austauschbarkeit der Komponenten,
die aufgrund der wenigen, definierten Schnittstellen unabhängig voneinander
entwickelt und getestet werden können
(Entwicklungs-Sharing).
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen
näher erläutert. Dabei
zeigt 1 an einem Beispiel eine Hardware-Konfiguration
eines vernetzten Steuerungssystems für ein Fahrzeug. In 2 ist
die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung
und – verteilung
in allgemeiner Form dargestellt. 3 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Verwaltung und Verteilung mechanischer und elektrischer Leistung.
In 4 ist am Beispiel eines Interaktionsdiagramms
die Kommunikation zwischen den Komponenten beim Anwendungsbeispiel
aus 3 dargestellt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist
anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel für eine Hardware-Konfiguration
eines Steuerungssystems für ein
Fahrzeug dargestellt. Dabei ist mit 100 ein sogenannter
Master-Controller bezeichnet, der unter anderem ein Interface 102 (Gateway)
umfaßt,
an dem verschiedene BUS-Systeme angeschlossen sind. Die Aufteilung
dieser BUS-Systeme ist dabei beispielhaft. Das erste BUS-System 104 stellt
die Kommunikation zwischen dem Master 100 und den das Abtriebsmoment
steuernden Elementen her. Der BUS 104 verbindet den Master 100 mit
einem Steuergerät 106 zur
Motorsteuerung und einem Steuergerät 108 zur Getriebesteuerung.
Andererseits ist der BUS 104 über entsprechende Leitungen 114 bis 116 mit
Meßeinrichtungen 110 bis 112 verbunden.
Diese Meßeinrichtungen
erfassen die zur Steuerung des Abtriebsmoments auszuwertenden Betriebsgrößen des
Motors und/oder des Fahrzeugs, beispielsweise Fahrgeschwindigkeit,
Motordrehzahl, zugeführte
Luftmenge bzw. -masse, Last, Abgaszusammensetzung, Motortemperatur,
Getriebeübersetzung,
Schaltzustand eines Wandlers, Klopfneigung, usw.. Ein zweiter BUS 118 verbindet
den Master-Controller 100 bzw. sein Interface 102 mit
Elementen zur Bremsensteuerung 120, Lenkung 122 und/oder
zur Fahrwerkregelung 124. Analog zum oben Gesagten werden
von den Meßeinrichtungen 126 bis 128 über entsprechende
Verbindungsleitungen 130 bis 132 dem BUS 118 Betriebsgrößen des
Motors und/oder des Fahrzeugs wie Raddrehzahlen, Feder/Dämpfer-Wege, Bremskräfte, usw.
zugeführt.
Ferner sind noch weitere BUS-Systeme 134 und 136 vorgesehen,
die vorzugsweise mit einer anderen Übertragungsrate als die Systeme 104 und 118 arbeiten.
Diese BUS-Systeme verbinden den Master-Controller mit Geräten 138 der
Karosserieelektronik (Generator, Licht, Sitzverstellung, Fensterheber,
Schiebedachantrieb, usw.) am BUS 134 und ggf. mit Geräten 140 zur
Telekommunikation am BUS 136. Die zur Beeinflussung von
Motor, Bremsanlage, usw. notwendigen Stellelemente und Stellglieder
sind entweder an die jeweilige Steuereinheit oder an den jeweiligen
BUS angeschlossen.
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Die
in 1 dargestellte Konfiguration stellt ein Beispiel
dar, welches in anderen Ausführungsbeispielen
beispielsweise unter Verzicht auf den Master-Controller 100 anders
gestaltet sein kann. Wesentlich ist, daß die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung
und -verteilung, die nachfolgend beschrieben ist, unabhängig von
der konkreten Ausgestaltung des Steuerungssystems auf Hardwareebene
ist und eine nach Platz-, Störungsanfälligkeitsgründen oder
dergleichen optimierte Konfiguration der einzelnen Elemente des
Steuerungssystems erlaubt. Umgekehrt erlaubt die erfindungsgemäße Vorgehensweise
aber auch eine an die Ressourcenverwaltung und -verteilung angepaßte Hardwarekonfiguration,
wenn beispielsweise im konkreten Anwendungsfall die Quellen mechanischer
Leistung und elektrischer Leistung durch jeweils eine Steuerungseinheit gesteuert
werden, während
der zuständige übergeordnete
Koordinator im Master-Controller 100 plaziert wird.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Ressourcenverwaltung
und -verteilung in allgemeiner Form. Der in 2 dargestellte
Grundgedanke der Ressourcenverwaltung und -verteilung erfordert
bezüglich
einer Ressource, daß Quelle
und Verbraucher innerhalb einer Ebene der Struktur anzuordnen sind.
Er wird auch angewendet bei gekoppelten Ressourcen, d. h. bei Ressourcen,
die von Verbrauchern (auch in verschiedenen Ebenen) genutzt werden
und die voneinander abhängig
sind. Der Gesamtkoordinator ist dann den Einzelressourcenkoordinatoren übergeordnet
anzuordnen, d.h. mindestens in der höchsten der beteiligten Ebenen.
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2 zeigt
eine Quelle sowie zwei Verbraucher (Verbraucher 1 und Verbraucher
2) und einem der Quelle und den Verbrauchern zugeordneten Koordinator,
der die Ressourcenverwaltung und -verteilung übernimmt. Im nachfolgenden
wird angenommen, daß Quelle,
Verbraucher und Koordinator sich in einer Ebene (Detaillierungsebene
x) befinden, da die von der Quelle bereitgestellte Ressource nur
innerhalb dieser Ebene nur von den beiden Verbrauchern verbraucht
wird. Der in 2 dargestellte Grundgedanke
wird jedoch auch dann angewendet, wenn die von der Quelle erzeugte
Ressource von verschiedenen Verbrauchern in unterschiedlichen Ebenen
verbraucht wird, und/oder wenn von den Verbrauchern 1 und 2 der
dargestellten Detaillierungsebene x weitere Ressourcen aus einer
anderen Ebene verbraucht werden.
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Der
Koordinator der in 2 dargestellten Detaillierungsebene
koordiniert die Bereitstellung und den Verbrauch der Ressource.
Jede Komponente der entsprechenden Detaillierungsebene besitzt für jede Ressource
(beispielsweise mechanische, elektrische, thermische, hydraulische,
pneumatische Leistung, usw.) einen eigenen Sammler, der den speziellen
Ressourcenbedarf der Verbraucher dieser Komponente und ggf. auch
der Quelle der Ressource ermittelt. Mit dem Begriff Komponente ist
dabei nicht zwingend ein Bauteil (Hardware) gemeint. Vielmehr wird
unter Komponente im Rahmen der allgemeinen Definition ein Bestandteil eines
Ganzen verstanden. So werden unter einer Komponente Hardware- und/oder
Softwaremodule zusammengefaßt.
Die Sammler bestimmen in den einzelnen Verbrauchern und ggf. in
der Quelle, die jeweils aus verschiedenen Teilkomponenten bestehen
können,
den jeweiligen Bedarf an der von der Quelle erzeugten Ressource
(beispielsweise mechanische Leistung). Der Ressourcenbedarf der
einzelnen Komponenten wird in mehreren, unterschiedlich priorisierten
Teilmengen ermittelt, so daß für jede Einzelkomponente
des entsprechenden Verbrauchers oder der Quelle der jeweilige Ressourcenbedarf
vorliegt. Diese einzelnen Teilmengen sind je nach ihrer Wichtigkeit
unterschiedlich priorisiert und werden zur Bestimmung des Ressourcenbedarfs der
Komponente aufsummiert.
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Der
Koordinator fragt jede Komponente (Verbraucher und Quelle) der Detaillierungsebene
nach ihrem Ressourcenbedarf bzw. erhält diese Werte von den Komponenten
(Bedarfsabfrage oder Anforderungsbeziehung). Der Koordinator fragt
ferner die Quellen der Ressource nach dem verfügbaren Potential, d.h. der
Maximalmenge der Ressource, die von der Quelle erzeugt werden kann,
bzw. erhält
entsprechende Werte von der Quelle (Potentialabfrage). Dabei wird
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
unter verfügbarem
Potential nicht ein einzelner Wert verstanden, sondern mehrere Werte.
Diese Werte werden mit Gütemerkmalen
versehen. Die Gütemerkmale
geben dem Koordinator weitere Informationen für die Entscheidung über die
Verteilung der Ressource, da sie etwas über den Charakter der Bereitstellung
aussagen. Mögliche
Gütemerkmale sind
beispielsweise „optimal", „akzeptabel" oder „maximal". So kann beispielsweise
der Verbrennungsmotor ein verfügbares
Potential mit der Güte „optimal" bei verbrauchsoptimaler
Steuerung ermitteln oder ein verfügbares Potential mit der Güte „maximal" bei einer Steuerung
auf maximale Leistung.
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Der
Koordinator verteilt das verfügbare
Potential der Quellen entsprechend dem nach Wichtigkeit des Verbrauchers
und/oder der Bedarfsart priorisierten Ressourcenbedarf der einzelnen
Komponenten. Ein Konfliktfall liegt vor, wenn der aufsummierte Ressourcenbedarf
der Verbraucher (und ggf. der Quelle) das Potential der Quellen übersteigt.
In diesem Fall beschränkt
der Koordinator entsprechend der Prioritäten und einer in der Spezifikation
festgelegten Strategie die von jeder Komponente der Ebene x zum
Verbrauch verfügbaren Ressourcenbeträge. Die
Entscheidungsstrategie ist im Koordinator abgelegt und kann situationsabhängig oder
fahrertypabhängig
variiert werden.
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Der
Koordinator teilt den Komponenten der Detaillierungsebene x einen
ggf. eingeschränkten
Verbrauch der Ressource zu (Bedarfszuteilung) und beauftragt die
Quellen der Ressource, die Summe der zugeteilten Ressourcen bereitzustellen
(Gesamtbedarfsbereitstellung). Jede Komponente verteilt entsprechend
der Prioritäten
und der in der Spezifikation vorgegebenen Strategie die vom Koordinator
zugeteilten Ressourcen auf ihre Einzelkomponenten.
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Die
Sammlung und Zuteilung der Ressource einer nur lokal innerhalb einer
Komponente verfügbaren Ressource
kann sich mit gleicher Vorgehensweise in verschiedenen Detaillierungsebenen
bei Verfeinerung einer Komponente wiederholen.
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Das
Muster für
die Verwaltung und Verteilung einer Ressource ist unabhängig von
der Art der Ressource. Jede Ressource erfordert einen eigenen Koordinator,
der Aufträge
im Rahmen der Ressourcenverwaltung und -verteilung an die Quellen
und Verbraucher erteilt.
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Für die Verwaltung
von gekoppelten Ressourcen ist ein übergeordneter Koordinator notwendig.
Der übergeordnete
Koordinator greift dabei nur auf die Koordinatoren der jeweiligen
Ressourcen über
Aufträge
zu und realisiert in ihm abgelegte Strategien. Für die Abläufe zur koordinierten Verwaltung
gekoppelter Ressourcen ist jeweils von deren gegenseitigen physikalischen
Abhängigkeiten
auszugehen. An der prinzipiellen Strategie zur Ressourcenverwaltung
wird nichts geändert.
Allerdings wird die logisch ablaufende Kommunikation zur Ressourcenverwaltung
an verschiedenen Stellen, die sich an den physikalischen Abhängigkeiten
orientieren, aufgebrochen und entsprechend geschachtelt weitergeführt. So
kann beispielsweise in einem Fall nach der Bedarfs- und Potentialabfrage
eines Koordinators die Bedarfszuteilung erst dann erfolgen, wenn
von der höheren
Ebene eine Bedarfszuteilung erfolgt ist. Damit ergibt sich eine
flexible Anpaßbarkeit
der Ressourcenverwaltung und -verteilung an die jeweilige Syste mausprägung bei
gleichzeitig klar eingegrenztem Änderungsaufwand.
Gekoppelte Ressourcen sind Ressourcen, die nicht unabhängig voneinander
verwaltet werden können.
Als Beispiel ist hier die Kopplung zwischen der Ressource mechanische
Leistung, die durch die Quelle Motor, Kupplung und Getriebe zur
Verfügung
gestellt wird, und einer Ressource elektrische Leistung zu nennen,
die von dem Generator und der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellt
wird. Der Generator benötigt
zur Bereitstellung der elektrischen Leistung eine mechanische Leistung,
die vom Motor produziert wird. Bezüglich der Bedarfs- und Potentialabfrage
sowie der Bedarfszuteilung hat der Koordinator der Quelle für die mechanische
Leistung die Aufträge
vom übergeordneten
Koordinator, der die Bedürfnisse
der Quelle für
die elektrische Leistung sammelt, zu berücksichtigen.
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Die
beschriebene Ressourcenverwaltung und -verteilung erfüllt die
anwachsenden Forderungen des Automobilmarktes nach stark anwachsender
Funktionalität,
niedrigen Entwicklungskosten und kurzen Innovationszyklen. Die stark
anwachsende Funktionalität
schlägt
sich in immer komplexeren Koppelfunktionen nieder, bei denen bisher
autarke Komponenten integrativ genutzt werden. Als Beispiele sind
hier die folgenden Koppelfunktionen zu nennen:
Koppelfunktion | zu
koordinierende Komponenten |
Fahrdynamikregelung | Bremse,
Motor, Getriebe, Differential, Fahrwerk, Lenkung |
Abstandsregelung | Motor,
Getriebe, Bremse |
Triebstrangregelung | Motor,
Kupplung, Getriebe |
Bordnetzmanagement | Motor,
Generator, Batterie |
Innenraumklimatisierung | Klimaanlage,
Motor, Latentwärmespeicher,
Umluftklappe |
Wegfahrsperre | Motor,
Getriebe, Lenkung |
Leuchtweitenregelung | Scheinwerfer,
Lenkung, Fahrwerk |
Pre-crash-Sensierung
usw. | Abstandsregelung,
Gurtstraffer, Airbag, Überrollbügel |
Tab.1:
Kopplungsfunktionen und zu koordinierende Komponenten
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Zur
Realisierung der Koppelfunktionen werden die Komponenten zu Funktionsgruppen
kombiniert und in hierarchischen Ebenen organisiert, wie am Beispiel
des Antriebsstrangs und der Bremse im eingangs genannten Stand der
Technik geschehen.
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Die
Anordnung der Komponenten innerhalb der Hierarchie ist von entscheidender
Bedeutung für
die Übersichtlichkeit
der Struktur des Gesamtfahrzeugs.
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Im
Kraftfahrzeug sind verschiedene Ressourcen verfügbar, die von unterschiedlichen
Quellen erzeugt werden. Beispiele sind in der folgenden Tabelle
genannt.
Ressource | Quelle |
mechanische
Leistung 1 | Motor,
Kupplung, Getriebe |
mechanische
Leistung 2 | Scheibenwischermotor |
mechanische
Leistung 3 | Schiebedachmotor |
elektrische
Leistung 1 | Generator,
Batterie |
elektrische
Leistung 2 | Batterie,
Zündschlüssel |
thermische
Leistung 1 | Motor,
Latentwärmespeicher |
thermische
Leistung 2 | Standheizung |
hydraulische
Leistung | Hydraulikspeicher,
-pumpe |
pneumatische
Leistung | Druckluftspeicher,
Kompressor |
chemische
Leistung | Kraftstofftank |
usw. | |
Tab.2:
Beispiele für
Ressourcen und Quellen
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Die
Quelle einer Ressource und ihre Verbraucher werden in der Hierarchie
immer nur so hoch wie nötig
und dabei so tief wie möglich
modelliert (d.h. im Rahmen einer ggf. ebenfalls hierarchischen Struktur
dargestellt). Diese Notwendigkeit ergibt sich aus den Aufgaben der
Komponenten. Die möglichst
tiefe Anordnung der Komponenten in der Hierarchie gewährt eine
gute Austauschbarkeit der Komponenten.
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Greifen
mehrere Komponenten als Verbraucher auf eine oder mehrere Quellen
einer Ressource zu, dann sind die Quellen in der Detaillierungsebene
zu modellieren, in der die Aufträge,
welche zum Ressourcenverbrauch führen,
koordiniert werden. Ein Koordinator zur Verwaltung und Verteilung
der Ressource ist ebenfalls in dieser Ebene zu modellieren. Die
Quellen können
dann weiter in tieferen Detaillierungsebenen verfeinert werden.
Der Koordinator hat für
den Fall, daß zur
Bereitstellung der Ressource mehrere Quellen zur Verfügung stehen,
neben der Koordination der Verbraucher auch die Aufgabe, die Quellen
hinsichtlich eines gemeinsamen Potentials der Ressource zu verwalten.
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Die
Auswahl einer Detaillierungsebene richtet sich nach Gesichtspunkten
wie der Anordnung des Auftraggebers für die Komponente in der Hierarchie,
ob die Komponente ihre Aufgaben autark erfüllen kann oder externe Koordinatoren
benötigt,
welche Informationen für
die Vergabe von Aufträgen
benötigt
werden, wo die Aufträge
der Komponente koordiniert werden, usw..
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Ein
Beispiel für
die Verwaltung und Verteilung gekoppelter Ressourcen ist eine Optimierung über die Ressource
mechanische (Motor, Kupplung, Getriebe) und elektrische Leistung
(Generator, Batterie). Zur Verdeutlichung dieser Optimierung soll
das folgende Szenario betrachtet werden. Es liegt ein Konflikt vor,
bei dem die Verbraucher der mechanischen Leistung 100% der maximalen
Leistung fordern. Der Generator als Verbraucher einer mechanischen
Leistung generiert entsprechend seinem Wirkungsgrad eine elektrische
Leistung, die er den Verbrauchern der elektrischen Leistung zur
Verfügung
stellt. Nun soll ein weiterer Verbraucher für elektrische Leistung zugeschaltet
werden. Die für
diesen Verbraucher benötigte
elektrische Leistung kann nicht aus der Batterie entnommen werden.
Im Rahmen einer übergeordneten
Optimierung werden also entweder andere elektrische Verbraucher
oder aber auch Verbraucher einer mechanischen Leistung abgeschaltet. Für den Fall,
daß Verbraucher
einer mechanischen Leistung abgeschaltet werden, steht dem Generator
eine höhere
mechanische Leistung zur Erzeugung einer höheren elektrischen Leistung
zur Verfügung.
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In
den 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Verwaltung
und Verteilung von gekoppelten Ressourcen an einem konkreten Ausführungsbeispiel
beschrieben. 3 zeigt dabei die Struktur,
während
in 4 die logische Reihenfolge der ablaufenden Kommunikation
verdeutlicht ist.
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3 zeigt
in einer oberen Detaillierungsebene einen Koordinator Gesamtfahrzeug,
in einer unteren Ebene die Quelle mechanische Leistung RmL und die
Quelle elektrische Leistung ReL. Ferner sind nicht weiter strukturiert
Komponenten und Verbraucher der Fahrzeugbewegung sowie von Karosserie
und Innenraum dargestellt. Der Koordinator Gesamtfahrzeug, der in
einer hohen Detaillierungsebene dargestellt ist, umfaßt je einen
Koordinator für
die mechanische und für
die elektrische Leistung, denen ein weiterer Koordinator zur Koordination
der beiden Ressourcen übergeordnet
ist. Entsprechend weist die Quelle mechanische Leistung RmL einen
Koordinator RmL für
die Quelle mechanische Leistung sowie Sammler für die elektrische und mechanische
Leistung auf. Im gezeigten Beispiel besteht die Quelle mechanische
Leistung aus Motor, Wandler und Getriebe. Entsprechend ist die Quelle
elektrische Leistung ReL mit einem Koordinator ReL sowie mit Sammlern
für die
elektrische und mechanische Leistung ausgestattet. Die Quelle elektrische
Leistung besteht im gezeig ten Ausführungsbeispiel aus Generator
und Batterie. In weiteren, aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellten Detaillierungsebenen können die Quellen und Komponenten
weiter strukturiert werden unter Beachtung der oben dargestellten
Grundprinzipien. Zwischen den einzelnen Elementen werden Informationen
und Aufträge
ausgetauscht. Dabei sind die Informationskanäle mit gestrichelten Linien
und einem Fragezeichen versehen dargestellt, während mit durchgezogenen Pfeilen
und mit Ausrufezeichen versehenen die Auftragskanäle dargestellt
sind.
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In 4 ist
der zeitliche Zusammenhang der Informations- und Auftragsübermittlung dargestellt. Dabei
ist von oben nach unten die Zeit aufgetragen, während waagrecht die jeweilige
Aktion dargestellt ist. Die Aktionen werden nacheinander durchgeführt.
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Die
Wirkungsweise der Ressourcenverwaltung und -verteilung in einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist nachfolgend anhand der 3 und 4 beschrieben.
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Jede
Komponente sammelt mit Hilfe des Sammlers für die jeweilige Ressource den
zukünftigen
Bedarf der in ihr enthaltenen Verbraucher. Dabei werden die Bedarfszahlen
für die
jeweilige Ressource in den Komponenten aufgrund des aktuellen Istzustandes
der Komponente und/oder eines z.B. durch den Fahrerwunsch vorgegebenen
zukünftigen
Zustands berechnet und in dem jeweiligen Sammler nach Wichtigkeit
priorisiert und gesammelt (aufsummiert). Beispielsweise wird der
Bedarf an mechanischer Leistung des Verbrennungsmotors durch das
dem sich ändernden
Fahrerwunsch entsprechenden Drehmoments berechnet. Der Bedarf an
elektrischer Leistung wird z.B. aus dem bei Einschaltung der Beleuchtung
zu erwartendem Strombedarf bzw. Leistungsbedarf ermittelt.
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Der
Koordinator für
die Ressource elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
fragt die Komponenten (Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum
und sämtliche
Quellen) auf die von diesen geforderte elektrische Leistung ab (Abfragen
P_eFb(Prioritäten),
P_eKb(Prioritäten),
P_eRmb(Prioritäten), P_eReb(Prioritäten), vgl. 3 und 4).
Bezüglich
der elektrischen Leistung tritt die Quelle elektrische Leistung
selber auch als Verbraucher auf (z.B. durch elektrische Batterieheizung,
Ladung der Batterie, usw.).
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Die
Koordination der elektrischen Leistung erfolgt zentral durch den
Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug.
Dies bedeutet, daß die
Batterie nicht direkt eine Leistung vom Generator fordern kann.
Damit wäre
eine Priorisierung der Batterie gegenüber allen anderen elektrischen
Verbrauchern verbunden, die nicht in allen Betriebszuständen sinnvoll
ist. Dies zeigt das folgende Szenario. Die Batterie sei fast leer
und das Fahrzeug verfüge über eine
Bremsanlage mit elektrischer Zuspannung. Für den Fall, daß die Batterie
direkt ihren Bedarf an den Generator herantragen würde, wäre es nicht
mehr möglich,
das Fahrzeug zu bremsen, da die gesamte Generatorleistung für die Ladung
der Batterie benötigt
wird. In der gezeigten Struktur jedoch wird die Batterie aufgrund
einer Entscheidung eines Koordinators einer höheren Detaillierungsebene nicht
geladen, weil die momentane Leistung des Generators für die Bremse
zum Verzögern
des Fahrzeugs benötigt
wird. Diese Entscheidung kann nur auf einer höheren Ebene getroffen werden,
da der Koordinator ReL nicht weiß, woher die konkrete Anforderung
bezüglich
der elektrischen Leistung kommt.
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Der
Ladungszustand der Batterie ist in der Quelle elektrische Leistung
zu überwachen.
Durch die Priorisierung des elektrischen Leistungsbedarfs im Sammler
elektrischer Leistung in der Quelle ReL kann der Koordinator elektrische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug auf den Ladungszustand der
Batterie schließen.
Ein Leistungsbedarf mit hoher Priorität entspricht einem schlechten
Ladungszustand der Batterie.
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Jede
Komponente und Quelle meldet den Ressourcenbedarf elektrischer Leistung
an den Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
derart, daß zu
einem Leistungsbedarf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den Fall,
daß beispielsweise
drei Prioritäten
von jede Komponente vergeben werden können, meldet jeder Komponente
maximal drei Leistungsanforderungen. Diese Werte haben zuvor innerhalb der
Komponenten die internen Leistungssammler ermittelt, entsprechend
priorisiert und nach Prioritäten
aufsummiert.
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In
einem zweiten Schritt erfragt der Koordinator elektrische Leistung
im Koordinator Gesamtfahrzeug bei der Quelle für die Ressource elektrische
Leistung die realisierbare, elektrische Leistung (Abfrage P_eRerl(Gütemerkmale)).
Die Quelle der Ressource elektrische Leistung teilt daraufhin dem
Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug die
realisierbare Leistung mit.
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Der
Koordinator elektrische Leistung berücksichtigt dabei noch nicht,
daß sich
aus der Bereitstellung der elektrischen Leistung durch den Generator
eine Anforderung bezüglich
der mechanischen Leistung ergibt. Dies ist sinnvoll unter dem Aspekt,
daß beispielsweise
der Generator durch einen eigenen Verbrennungsmotor angetrieben
wird und dann keinen Bedarf bezüglich
der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors meldet, der primär dem Vortrieb
dient.
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Unter
der realisierbaren elektrischen Leistung ist nicht ein einzelner
Wert zu verstehen. Vielmehr fallen hierunter mehrere Werte. Die
realisierbare elektrische Leistung wird mit Gütemerkmalen versehen. Beispielsweise
sollen die drei Güteklassen „optimal", „akzeptabel" und „maximal" für die elektrische
Leistung existieren. Hierbei steht „optimal" beispielsweise für ökonomische oder ökologische
Optimierung. Eine entsprechende Zuordnung ergibt sich für die beiden übrigen Gütemerkmale
unter Gesichtspunkten wie beispielsweise Temperatur der Batterie,
Wirkungsgrad des Generators usw.. Die tatsächliche Anzahl der Merkmale
sowie deren Ausprägung
sind für
den jeweiligen Anwendungsfall festzulegen.
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Der
Koordinator elektrische Leistung versucht den gesamten elektrischen
Leistungsbedarf aus dem Generator zu decken. Die Batterie dient
lediglich zur Pufferung der elektrischen Leistung. Allerdings ergibt
sich die maximal realisierbare elektrische Leistung aus der Kombination
des Generators mit der Batterie.
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Auf
der Basis der klassifizierten realisierbaren Leistungen kann dann
der Koordinator Gesamtfahrzeug (Koordinator mech.-elekt. Leistung) über die
Koordinatoren für
die Ressourcen je nach Situation verschiedene Strategien realisieren,
z.B. optimales Energiemanagement, Reduzierung des Brennstoffver brauchs,
Erhöhung des
Gesamtkomforts usw.. Dies kann z.B. durch eine Vorgabe eines maximalen
Betrags der Ressourcen in ausgewählten
Betriebszuständen
(z.B. möglichst
minimale mechanische Leistung) erfolgen.
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Ist
der Wert der realisierbaren elektrischen Leistung niedriger als
die von den Komponenten (Verbrauchern) geforderte Summe, muß der Koordinator
elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug anhand der Prioritäten entscheiden,
welche Leistungsbeträge
welcher Komponente zur Verfügung
gestellt werden sollen.
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In
einem dritten Schritt beauftragt der Koordinator elektrische Leistung
im Koordinator Gesamtfahrzeug die Quelle der Ressource elektrische
Leistung, die stationär
geforderten Leistungen für
die Verbraucher zur Verfügung
zu stellen (Auftrag P_eRes(Randbedingungen)). Der Auftrag ist mit
Randbedingungen versehen. Diese beziehen sich beispielsweise auf
die gewünschte
Dynamik der Bereitstellung, da diese der Charakteristik der zuzuschaltenden
Last entsprechen muß.
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Darauffolgend
bestimmt der Koordinator ReL, wie die elektrische Leistung durch
den Generator und/oder die Batterie zur Verfügung gestellt wird. Ist der
Generator an der Leistungsbereitstellung beteiligt, dann meldet
dieser einen Bedarf an mechanischer Leistung an den internen Sammler
für die
mechanische Leistung in der Quelle ReL. Die Anforderung des Generators
nach elektrischer Leistung initiiert die Verwaltung und Koordination
der mechanischen Leistung durch den Koordinator mechanische Leistung
im Koordinator Gesamtfahrzeug.
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Dieser
fragt die Komponenten auf deren geforderten mechanischen Leistung
ab (Abfragen P_mReb(Prioritäten),
P_mFb(Prioritäten),
P_mKb(Prioritäten),
P_mRmb(Prioritäten)).
Bezüglich
der mechanischen Leistung tritt die Quelle mechanische Leistung
selber auch als Verbraucher auf (Motornebenaggregate wie Wasserpumpe, Ölpumpe usw.).
Die Koordination der Ressource mechanische Leistung soll zentral
durch den Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
erfolgen. Die Motornebenaggregate können nicht direkt eine mechanische
Leistung vom Motor fordern. Dies würde einer Priorisierung der
Motornebenaggregate gegenüber
allen anderen mechanischen Verbrauchern entsprechen. Eine Koordination
der Motornebenaggregate ist allerdings nur möglich, wenn diese schaltbar
sind, d. h. wenn sie gestuft oder stufenlos betrieben werden können. Schaltbare
Motornebenaggregate sind in heutigen Fahrzeugen allerdings noch nicht üblich. Daß die Betrachtung
des Verbrauchsaspekts der Motornebenaggregate bezüglich der
mechanischen Leistung sinnvoll ist, zeigt ein Szenario bei dem ein
Motornebenaggregat, beispielsweise die Wasserpumpe, nur mit Teillast
betrieben wird. Dann kann die übrige
mechanische Leistung dem Generator zur Ladung einer fast leeren
Batterie zur Verfügung
gestellt werden. Diese Vorgehensweise ist nur aufgrund einer Entscheidung
eines Koordinators einer höheren
Detaillierungsebene möglich
und erhöht
die Variationsmöglichkeiten
und damit die Integration von neuen Funktionen im System Gesamtfahrzeug.
Die vorgestellte Entscheidung kann nur auf einer höheren Ebene
getroffen werden, da der Koordinator RmL nicht weil, woher die Anforderung
bezüglich
der mechanischen Leistung kommt. Für den Fall, daß die Motornebenaggregate
direkt ihren Bedarf an den Motor herantragen würden und dann auch ohne weitere
Koordination abgreifen, wäre
es in dem diskutierten Szenario nicht mehr möglich, die Batterie bei einer
ausgeschöpften
Ressource mechanische Leistung zu laden. Die gesamte Motorleistung
würde beispielsweise
für den
Vortrieb und die Motornebenaggregate benötigt. Für eine Ladung der Batterie
müßte der
Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug dann
die dem Vortrieb zur Verfügung
gestellte mechanische Leistung reduzieren und die dadurch verfügbar gewordene
mechanische Leistung der Quelle ReL und damit dem Generator zuteilen.
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Der
Motorzustand (z. B. Versorgung mit Schmier- und Kühlmittel)
ist vom Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
aufgrund abstrakter Informationen zu überwachen. Über die Priorisierung des mechanischen
Leistungsbedarfs der Motornebenaggregate durch den Sammler mechanische Leistung
in der Quelle mechanische Leistung kann der Koordinator mechanische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug auf den Motorzustand schließen. Ein
Leistungsbedarf mit hoher Priorität entspricht einem schlechten
Motorzustand.
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Jede
Komponente und Quelle meldet den Ressourcenbedarf mechanische Leistung
an den Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
derart, daß zu
einem Ressourcenbedarf auch dessen Priorität mitgeliefert wird. Für den Fall,
daß beispielsweise
drei Prioritäten
von jeder Komponenten vergeben werden können, meldet jede Komponente
maximal drei Leistungsanforderungen. Diese Werte haben zuvor innerhalb
der Komponenten die internen mechanischen Leistungssammler ermittelt,
entsprechend priorisiert und nach Prioritäten aufsummiert.
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Der
Koordinator für
die mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug fragt bei
der Quelle RmL die realisierbare mechanische Leistung ab (Abfrage
P_mRmrl(Gütemerkmale)).
Die Quelle RmL teilt daraufhin dem Koordinator mechanische Leistung
im Koordinator Gesamtfahrzeug die realisierbare Leistung mit. Unter
der realisierbaren mechanischen Leistung ist nicht ein einzelner
Wert zu verstehen. Vielmehr fallen hierunter mehrere Werte. Die
realisierbare mechanische Leistung wird mit Gütemerkmalen versehen. Beispielsweise
sollen die drei Güteklassen, „optimal", „akzeptabel" und „maximal" für die mechanische
Leistung existieren. Hierbei steht „optimal" beispielsweise für ökonomische, ökologische
Optimierung oder für
eine Leistungsbereitstellung ohne Schaltvorgang. Eine entsprechende
Zuordnung ergibt sich für
die beiden übrigen
Gütemerkmale
unter Gesichtspunkten wie Motorgeräusch, Wirkungsgrad des Motors
usw.. Die tatsächliche
Anzahl der Merkmale sowie deren Ausprägung sind für den jeweiligen Anwendungsfall
festzulegen.
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Auf
der Basis der klassifizierten realisierbaren Leistung realisiert
dann der Koordinator Gesamtfahrzeug (Koordinator mech.-elekt. Leistung) über die
Koordination für
die Ressourcen je nach Situation verschiedene Strategien. Hierunter
sind beispielsweise ein optimales Energiemanagement, eine Reduzierung
des Brennstoffverbrauchs, eine Erhöhung des Gesamtkomforts, usw.
zu verstehen. Ist der Wert der realisierbaren mechanischen Leistung
niedriger als die von den Komponenten (Verbrauchern) geforderte
Summe, muß der Koordinator
mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug anhand der Prioritäten entscheiden,
welche Leistungsbeträge
welcher Komponente zur Verfügung
gestellt werden sollen.
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Daraufhin
beauftragt der Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug
die Quelle RmL, die stationär
geforderten Leistungen für
die Verbraucher zur Verfügung
zu stellen (Auftrag P_mRms(Randbedingungen)). Der Auftrag ist mit
Randbedingungen versehen. Diese beziehen sich beispielsweise auf
die gewünschte
Dynamik der Bereitstellung, da diese der Charakteristik der zuzuschaltenden
Last entsprechen muß.
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Die
Quelle RmL gibt eine Information an den Koordinator mechanische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, welche Leistung sofort realisierbar
ist (Abfrage P_mRmrso(Gütemerkmale)).
Auch die realisierbare mechanische Leistung ist mit den gewählten Gütemerkmalen
zu versehen. So werden in dem gewählten Beispiel mit den Gütemerkmalen „optimal", „akzeptabel" und „maximal" drei mechanische
Leistungen zurückgegeben.
Hier besteht evtl. eine Abweichung vom zuvor geforderten stationären Wert
infolge unzureichender Motordynamik. Daher wurde zuvor nur von der
stationären
mechanischen Leistung gesprochen. Erkennt die Quelle RmL, daß die geforderte
mechanische Leistung nicht mit den geforderten Randbedingungen (Dynamik, usw.)
bereitgestellt werden kann, dann ergreift sie Maßnahmen, die dies zu einem
späteren
Zeitpunkt ermöglichen
(Vorhaltfunktion, Abgasrückführung, Ladedruckkontrolle
usw.).
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Der
Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug teilt
den Komponenten und Quellen die ihnen sofort zur Verfügung stehenden
Leistungsbeträge
zu (Aufträge
P_mFz, P_mKz, P_mRmz, P_mRez). Die Zuteilung der mechanischen Leistung
hat bei den Komponenten und Quellen zur Folge, daß die entsprechenden
Koordinatoren nach zuvor festge legten Strategien die zugeteilte
mechanische Leistung auf die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen
priorisierten Bedarf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
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Der
Koordinator mechanische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug beauftragt
die Quelle RmL (dort den Koordinator), die Summe der zugeteilten
mechanischen Leistungen sofort zu realisieren und die ansonsten
geforderten vorzubereiten (Auftrag P_mRmzre).
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Nach
der Zuteilung der von der Quelle ReL geforderten mechanischen Leistung
für den
Generator kann die Quelle ReL die Anfrage des Koordinators elektrische
Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug bezüglich der realisierbaren Leistung
beantworten. Die Quelle ReL gibt die Information an den Koordinator
elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug, welche elektrische
Leistung sofort realisierbar ist (Abfrage P_eRerso(Gütemerkmale)).
Auch die realisierbare elektrische Leistung ist mit gewählten Gütemerkmalen
zu versehen. So werden im gewählten
Beispiel mit den Gütemerkmalen „optimal", „akzeptabel" und „maximal" drei elektrische
Leistungen zurückgegeben.
Hier besteht evtl. eine Abweichung vom zuvor geforderten stationären Wert
infolge unzureichender Dynamik des Generators und der Batterie.
Daher wurde zuvor nur von der stationären elektrischen Leistung gesprochen.
Erkennt die Quelle ReL, daß die
geforderte elektrische Leistung nicht mit den geforderten Randbedingungen
(Dynamik usw.) bereitgestellt werden kann, ergreift sie Maßnahmen,
die dies zu einem späteren
Zeitpunkt ermöglichen
(Erregerstrom, Übererregung
usw.).
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Der
Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug teilt
den Komponenten die ihnen sofort zur Verfügung stehen elektrischen Leistungsbeträge zu (Aufträge P_eFz,
P_eKz, P_eRmz, P_eRez). Die Zuteilung der elektrischen Leistung
hat bei den Komponenten und Quellen zur Folge, daß die entsprechenden
Koordinatoren nach zuvor festgelegten Strategien die zugeteilte
elektrische Leistung auf die Verbraucher aufteilen, die zuvor einen
priorisierten Bedarf bei dem internen Sammler angemeldet haben.
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Der
Koordinator elektrische Leistung im Koordinator Gesamtfahrzeug beauftragt
die Quelle ReL (Dort den Koordinator), die Summe der zugeteilten
elektrischen Leistungen sofort zu realisieren und die ansonsten geforderten
vorzubereiten (Auftrag P_eRezre).