DE19838337A1 - Steuerungssystem eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Steuerungssystem eines Fahrzeugs vorgeschlagen, mit mehreren Komponenten (10 bis 1014), die in unterschiedlichen logischen Ebenen angeordnet sind, mit wenigstens einer Koordinationskomponente (14), welche die Leistungsbereitstellung und den Leistungsbedarf wenigstens einer Ressourcenart, die von wenigstens zwei Verbrauchern benötigt wird, überwacht, mit wenigstens einer die Ressource bereitstellenden Komponente (101, 1011-1013), mit wenigstens zwei, die Ressource verbrauchenden Komponenten (10, 12), wobei Koordinationskomponente und verbrauchende Komponente in einer logischen Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ressource bereitstellende Komponente in einer untergeordneten Ebene einer verbrauchenden Komponente (10, 12) angeordnet ist und die Koordinationskomponente (14) von der die Ressource bereitstellenden Komponente deren Leistungsvermögen hinsichtlich der Ressource abfragt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem eines Fahrzeugs.

Ein derartiges Steuerungssystem ist beispielsweise aus der DE-A-41 11 023 (US-Patent 5,351,776) bekannt. Dort wird eine Steuerung des Gesamtfahrzeugs, wenigstens bezüglich An­ triebsstrang und Bremse, vorgeschlagen, welche eine hierar­ chische Auftragsstruktur für die Steueraufgaben aufweist. Die dort beschriebene Steuerungsstruktur umfaßt Koordina­ tionselemente, welche einen aus einer höheren Hierarchieebe­ ne ausgehenden Befehl in Befehle für Elemente einer nachge­ ordneten 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 be­ schriebenen Schnittstellen orientieren sich dabei an den physikalischen Gegebenheiten der Fahrzeugbewegung, insbeson­ dere des Antriebsstrangs und der Bremse. Eine darüber hinaus gehende Betrachtung einer Fahrzeugsteuerung beispielsweise unter Berücksichtigung der Karosserieelektronik und der Bordnetzsteuerung wird nicht beschrieben.

Aufgrund der zunehmenden Vernetzung von bisher eigenständi­ gen Systemen in der Fahrzeugtechnik reicht die ausschließli­ che Betrachtung von Antriebsstrang und Bremse nicht mehr aus. Vielmehr ist es erforderlich, eine Steuerungsstruktur des Gesamtfahrzeugs anzugeben, mit deren Hilfe auch außer­ halb der Triebstrang- und Bremsensteuerung liegende Systeme verknüpft werden können und deren Aufgaben koordiniert wer­ den können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa­ tentansprüche erreicht.

Aus dem SAE-Paper 980200 "CARTRONIC - An Open Architecture for Networking the Control Systems of an Automobile" von Torsten Bertram, Rainer Bitzer, Rainer Mayer und Asmus Vol­ kart ist eine Struktur für ein Fahrzeug bekannt, die diese Anforderung erfüllt. Die einzelnen Elemente einer Fahrzeug­ steuerung sind dabei in verschiedenen Detaillierungsebenen vorgegebenen Komponenten zugeordnet, zwischen denen Informa­ tionen im Rahmen vorbestimmter Kommunikationsbeziehungen ausgetauscht werden. In einer obersten Detaillierungsebene sind dabei ein zentraler Koordinator sowie die Komponenten Bordnetz, Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum sowie Antrieb vorgesehen. Diese Komponenten sind jeweils in mehre­ ren Ebenen weiter verfeinert. Z.B. wird die Komponente An­ trieb in einem Koordinator, den Motor, die Kupplung und das Getriebe aufgeteilt. Bezüglich der Verteilung und der Ver­ waltung der im Fahrzeug verfügbaren Ressourcen sowie der diese Ressourcen verbrauchenden Verbraucher ist gemäß dieser Struktur die Verbrauchern gemeinsame Ressource auf der glei­ chen Ebene mit den Verbrauchern und dem für die Ressource zuständigen Koordinator angeordnet. So ist z. B. die Ressour­ ce Antrieb, die Ressource sowohl für die Komponente Fahr­ zeugbewegung als auch für Karosserie und Innenraum ist, in der ersten Ebene angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung beschreibt die Verwaltung und Verteilung der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Ressourcen. Dabei wird unter Ressource eine Leistung verstanden, die von Komponen­ ten, sogenannten Quellen, anderen Komponenten, sogenannten Senken oder Verbrauchern, zum Verbrauch zur Verfügung ge­ stellt wird. Beispiele für derartige Ressourcen sind die Ressource "mechanische Leistung", die vom Antrieb (Motor, Kupplung, Getriebe), erzeugt wird, oder die Ressource "elektrische Leistung", die vom Generator und der Batterie bereitgestellt wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß an zentraler Stelle eine Software-Komponente installiert ist, die die Leistungsbe­ reitstellung und den Leistungsverbrauch der Fahrzeugkompo­ nenten überwacht. Die dabei verfolgte Strategie ist dort zentral appliziert. Wird beispielsweise in einem Betriebs­ punkt ein zu hoher Bedarf an Leistung festgestellt, werden betriebspunktabhängig fahrzeugspezifische Leistungsbegren­ zungen für die einzelnen Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen gemäß dieser applizierten Strategie ermittelt. Die einzelnen Komponenten werden dann innerhalb dieser Begrenzung nach lo­ kalen Kriterien, die die Zentralkomponente nicht kennt, ent­ sprechende Maßnahmen wie beispielsweise das Abschalten ein­ zelner Aggregate einleiten. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die konkreten technischen Möglichkeiten lokal appliziert, die zentrale Strategie zentral appliziert ist, so daß ein rückwirkungsfreier Austausch von Software-Kom­ ponenten beispielsweise bei einer Hardware-Änderung (Verwendung anderer Aggregate, etc.) möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß der resultierende Bedarf der Verbraucher von der für die Leistungsquelle auftraggebenden Software-Komponente aufsummiert und unter Beachtung der vor­ liegenden Randbedingungen in physikalische Stellgrößen, z. B. Drehmoment oder Drehzahl, umgerechnet wird. Dadurch bleiben größere Software-Komponenten autark funktionsfähig, was zu schlankeren Programmen bei reduziertem oder verteiltem Funk­ tionsumfang führt und eine verteilte Entwicklung und Test der einzelnen Komponenten erleichtert.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Verbrauchern gemeinsame Ressource (z. B. Motor-Getriebe-Einheit) in einem Verbraucher (Antrieb/Bremse) der Komponente "Fahrzeugbewegung" angeord­ net ist. Der für die Verwaltung und Verteilung dieser Res­ source zuständige Koordinator ("Koordinator Gesamtfahrzeug") kennt die Ressource nicht (nur über die Komponente An­ trieb/Bremse). Dadurch wird eine einfachere, vertikalere Struktur mit einer geringen Anzahl von Schnittstellen be­ reitgestellt.

In vorteilhafter Weise können dann die Kommunikationsbezie­ hungen in der ersten Detaillierungsebene zwischen dem Koor­ dinator Gesamtfahrzeug und den dort angeordneten Komponenten auf Anforderungs- und Abfragebeziehungen reduziert werden, d. h. im Koordinator sind keine Maßnahmen zur Bildung konkre­ ter Befehle (Aufträge) vorzusehen.

Auch bei dieser Ausführung bleibt die modulare Detaillierung der Struktur bei verändertem Funktionsumfang konstant, geän­ derte Anforderungen haben lediglich hinzukommende bzw. weg­ fallende Kommunikationen zur Folge.

Im Vergleich zu der im oben genannten SAE-Paper vorgestell­ ten Struktur ist die nachfolgend beschriebene Struktur inva­ riant gegen hinzukommende oder entfallende Verbraucher, da der Koordinator nicht zwingend auf der gleichen Detaillie­ rungsebene wie die Quelle und der Verbraucher angeordnet sein muß.

Ferner ist vorteilhaft, daß die Ressourcenverwaltung über­ sichtlich ist und sich einfach in die Struktur des Ge­ samtfahrzeugs integrieren läßt. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer ganzheitlichen Architektur des Gesamtfahr­ zeugs mit einer frei optimierbaren Hardwaretopologie.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Ressourcenverwaltung und -ver­ teilung eigenständig ausgelegt werden kann und somit die Möglichkeit bietet, bereits getestete Softwaremodule mit standardisierten physikalischen Schnittstellen wiederzuver­ wenden.

Es wird ferner ein übersichtliches Gesamtleistungsmanagement mit wenigen Schnittstellen und voneinander weitestgehend un­ abhängigen Komponenten ermöglicht. Dadurch ergibt sich eine gute Austauschbarkeit der Komponenten, die aufgrund der we­ nigen, definierten Schnittstellen unabhängig voneinander entwickelt und getestet werden können.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ausgeführt am Beispiel für die Komponente "Fahrzeugbewegung" die beschriebene Ressourcenverwal­ tung und -verteilung in allgemeiner Form, während in Fig. 2 an­ hand des Beispiels der Komponente "Fahrzeugbewegung" die Kommunikation zwischen einzelnen Ebenen dargestellt ist. Die im folgenden beschriebene Lösung ist dabei in wenigstens ei­ nem Rechnerelement realisiert. Die Aufteilung der einzelnen Komponenten kann beiliebig auf verschiedene Rechnerelemente oder nur auf ein Rechnerelement erfolgen. Die dargestellte Software-Struktur ist in diesem Sinne unabhängig von der konkreten Hardware-Realisierung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Struktur für die Steue­ rung von Kraftfahrzeug-Komponenten, die alle Aufgaben im Fahrzeugbereich umfaßt, am Ausführungsbeispiel der Steuerung der Fahrzeugbewegung. Die Struktur trägt den gestiegenen An­ forderungen bei einer Kraftfahrzeugssteuerung hinsichtlich Komfort, Sicherheit und Verbrauch und der damit verbundenen starken Kopplung der einzelnen Komponenten Rechnung. Sie ist auf eine beliebige Hardware-Topologie abbildbar. Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel stellt die Steuerung der Kompo­ nenten des Antriebsstrangs dar, der für das Gesamtfahrzeug eine wesentliche Quelle der mechanischen Leistung ist, die von verschiedenen Systemen verbraucht wird. Daher treten bei der Steuerung des Antriebsstrangs Anforderungen bezüglich einer fahrzeugweiten Verwaltung dieser Energiequelle auf. Fig. 1 stellt eine Software-Struktur zur Ressourcenverwal­ tung und -verteilung in einer Fahrzeugsteuerung dar.

Die Komponenten eines Fahrzeugs werden innerhalb der zugehö­ rigen Steuerungssoftware durch korrespondierende Komponen­ ten, sogenannte Software-Objekte, repräsentiert. Beispiele für derartige Komponenten sind die Steuerungen sowie die Stellelemente für den Motor, den Wandler, das Getriebe, das Fahrwerk, die Lenkung, etc. Ergänzend finden sich Komponen­ ten (Objekte), die Kontrollaufgaben wahrnehmen (z. B. Koordi­ nation der Motor-Getriebe-Einheit, Koordination der Fahr­ zeugbewegung, Koordination des Gesamtfahrzeugs, etc.), und Komponenten (Objekte) die Informationen von allgemeinem In­ teresse bereitstellen (z. B. Sensoren, Schätzer, etc.). Meh­ rere Komponenten beliebigen Typs können zu abstrakteren Kom­ ponenten zusammengefaßt werden (z. B. Komponente Fahrzeugbe­ wegung, Karosserie- und Innenraum, etc.). Diese Modularisie­ rung orientiert sich dabei an den im Fahrzeug vorhandenen mechanischen und elektrischen Komponenten, Baugruppen und Funktionseinheiten.

In der in Fig. 1 dargestellten Struktur sind in der ober­ sten Detailierungsebene der Fahrzeugsteuerung neben einigen nicht dargestellten Informationsgebern die Komponente 10 für die Steuerung für die Fahrzeugbewegung, die für die Elemente von Karosserie- und Innenraum (12) sowie eine Koordinations­ komponente 14 (Koordinator Gesamtfahrzeug). Letztere über­ wacht unter anderem die Leistungsbereitstellung und den Lei­ stungsbedarf von fahrzeugweit benötigten Ressourcen, z. B. der mechanischen Leistung des Motors und der elektrischen Leistung des Bordnetzes. Sämtliche Kommunikationen in der obersten Detailierungsebene führen in den einzelnen Kompo­ nenten zu weiteren Kommunikationen und/oder zur Ausführung von Aktionen. Dies ist in Fig. 1 anhand einer Detailierung der Komponente "Fahrzeugbewegung" 10 dargestellt. Die näch­ ste Detailierungsebene dieser Komponente umfaßt Steuersyste­ me 101 für den Antrieb und die Bremse, für das Fahrwerk 102 und für die Lenkung 103. Daneben ist in dieser Detailie­ rungsebene ein Koordinator 104 für die Fahrzeugbewegung vor­ gesehen, der entsprechend dem Koordinator für das Ge­ samtfahrzeug die dieser Detailierungsebene benötigten Res­ sourcen verwaltet, die Kommunikation mit dem Koordinator Ge­ samtfahrzeug 14 aufrechterhält und die Kommunikation mit den Komponenten 101 bis 103 bewerkstelligt. In der nächsten De­ tailierungsebene, die entsprechend auch für Fahrwerk und Lenkung ausgeführt ist, ist die Komponente Antrieb/Bremse am Beispiel der Motor-Getriebe-Einheit dargestellt. Auch in dieser Detailierungsebene gibt es einen Koordinator 1011 und jeweils ein Steuerungsobjekt 1012 für den Motor, für den Mo­ mentenwandler (1013) und für das Getriebe (1014). Kommunika­ tionsbeziehungen zwischen den Steuerungsobjekten und dem Ko­ ordinator bzw. zwischen der Gesamtkomponente und dem Koor­ dinator Fahrzeugbewegung 104 sind dargestellt. Entsprechend wird die Komponente "Karosserie- und Innenraum" detailliert.

Wesentlich bei der in Fig. 1 skizzierten Struktur ist, daß die für das Gesamtfahrzeug (Vortrieb, Verzögerung, Erzeugung elektrischer Leistung, etc.) gemeinsame Ressource "Motor-Ge­ triebe-Einheit" der mechanischen Leistung in einer ver­ brauchenden Komponenten dieser Leistung (Komponente "Fahrzeugbewegung", dort "Antrieb/Bremse") angeordnet ist. Dem die Ressource mechanische Leistung verwaltende und ver­ teilende Koordinator 14 ist sie daher nicht bekannt. Res­ source und Koordinator befinden sich also auf unterschiedli­ chen Ebenen.

Als Kommunikationsbeziehungen zwischen einzelnen Komponenten sind Aufträge, beispielsweise zwischen den Objekten 101 bis 103 und dem Koordinator 104 vorgegebenen, über die das Ein­ stellen einer bestimmten Leistung oder einer sonstigen phy­ sikalischen Größe durch den Auftragsempfänger vorgegeben wird. Daneben sind Abfragebeziehungen zur Informationsbe­ schaffung vorgesehen, über welche beispielsweise der Koordi­ nator 14 den Leistungsbedarf für elektrische Leistung der Komponente Fahrzeugbewegung abfragt. Eine dritte Kommunika­ tionsbeziehung ist die Anforderungsbeziehung, über die Wunschsollgrößen übermittelt werden, die von der angeforder­ ten Komponente eingestellt werden sollten. Durch die geeig­ nete Anordnung der Komponenten kann in der ersten Detaillie­ rungsebene auf Auftragsbeziehungen verzichtet werden (siehe auch unten).

In Fig. 2 ist an einem Ausführungsbeispiel die Kommunikati­ on zwischen den Komponenten der in Fig. 1 dargestellten obersten Detaillierungsebene beschrieben. Es handelt sich um die Kommunikation des Koordinators Gesamtfahrzeug 14 mit den in zugeordneten Komponenten Fahrzeugbewegung 10 und Karosse­ rie und Innenraum 12. Im gezeigten Beispiel wird die Res­ source "mechanische Leistung" verwaltet, die in der Kompo­ nente Antrieb auf einer unteren Detaillierungsebene angeord­ net ist. Als einzige Quelle sei der Motor bzw. der Antriebs­ strang 101 angenommen. Sind weitere Quellen für die mechani­ sche Leistung vorhanden, wird die Kommunikation dupliziert und die Werte im Koordinator Fahrzeugbewegung bzw. Gesamt­ fahrzeug addiert.

Der Koordinator jeder Ressourcenart (z. B. Pmech) ist Teil­ komponente des Koordinators Gesamtfahrzeug und koordiniert die Verteilung der Leistungen wie folgt. Jeder Koordinator befragt alle Komponenten (10, 12) der ersten Detaillie­ rungsebene nach ihrem aktuellen maximalen Beitrag (Pmax) zur jeweiligen Leistungsbereitstellung (Kommunikationsverbindung 1). Diese Anfrage wird in der Detailierungsebene Fahrzeugbe­ wegung zur Komponente Antrieb 101 weitergeleitet und von dieser beantwortet. Jede Komponente (z. B. Komponente Bremse in der Detaillierungsebene Fahrzeugbewegung) einer Detailie­ rungsebene besitzt für jede Ressourcenart einen Sammler (z. B. ΣPNA), der den Leistungsbedarf der Verbraucher dieser Komponente ermittelt. Der Leistungsbedarf wird ggf. in meh­ rere unterschiedlich priorisierte Teilmengen aufsummiert. Der Koordinator des Gesamtfahrzeugs fragt jede Komponente der ersten Detailierungsebene nach ihrem Leistungsbedarf PV_Soll, PNA_Soll (Kommunikationsverbindung 2). Der entspre­ chende Leistungsbedarfswert wird vom jeweiligen Sammler zur Verfügung gestellt und dem Koordinator des Gesamtfahrzeugs zugeführt. Ergebnis ist ein von jeder Komponente (10, 12) dem Koordinator Gesamtfahrzeug 14 zugeführten Leistungsbe­ darfswert. Der Koordinator prüft, ob der gesamte Leistungs­ bedarf, d. h. die Summe der von den Komponenten gelieferten Leistungsbedarfswerten das aufsummierte Leistungsvermögen Pmax der Ressource übersteigt (Kommunikationsbeziehung 3). In diesem Fall berechnet er aus dem Betriebszustand, den Prioritäten und einer in der Spezifikation festgelegten Strategie für jede Komponente seiner Detailierungsebene ei­ nen maximal erlaubten Verbrauch. Die Koordinatoren der Kom­ ponenten fragen beim Ressourcenkoordinator diese Beschrän­ kung ab (Kommunikationsbeziehung 4) und reduzieren ggf. über ihre eigene Strategie die lokalen Anforderungen (z. B. Ab­ schalten des Klimakompressors). Die Koordinaten der Kompo­ nenten formulieren unter diesen Randbedingungen die Aufträge für die ihnen zugeordneten Quellen in physikalischer eindeu­ tiger Form, z. B. als Sollmoment MV_Soll für die Komponente Antrieb (Kommunikationsbeziehung 5). Dabei wird der Zusatz­ bedarf aus anderen Komponenten MNA_Soll ggf. abgefragt und mitberücksichtigt (vgl. Kommunikationsbeziehung 5). Die Kom­ ponente Antrieb stellt dann das beauftragte Moment ein, so daß der Koordinator Gesamtfahrzeug die Ressource entspre­ chend den Anforderungen der Komponenten verteilen kann.

Eine entsprechende Vorgehensweise wird auch in bezug auf an­ dere Ressourcen, z. B. in bezug auf elektrische und/oder thermische Leistung eingesetzt.

Claims (8)

1. Steuerungssystem eines Fahrzeugs, mit mehreren Komponen­ ten (10 bis 1014), die in unterschiedlichen logischen Ebenen angeordnet sind, mit wenigstens einer Koordinati­ onskomponente (14), welche die Leistungsbereitstellung und den Leistungsbedarf wenigstens einer Ressourcenart, die von wenigstens zwei Verbrauchern benötigt wird, über­ wacht, mit wenigstens einer die Ressource bereitstellende Komponente (101, 1011-1013), mit wenigstens zwei, die Ressource verbrauchenden Komponenten (10, 12), wobei Ko­ ordinationskomponente und verbrauchende Komponente in ei­ ner logischen Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Ressource bereitstellende Komponente in einer untergeordneten Ebene einer verbrauchenden Kompo­ nenten (10, 12) angeordnet sein kann und die Koordinati­ onskomponente (14) von der die Ressource bereitstellenden Komponente deren Leistungsvermögen hinsichtlich der Res­ source abfragt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinationskomponente (14) in einer obersten logischen Ebene für das Gesamtfahrzeug angeordnet ist, die die Res­ source verbrauchenden Komponenten (10, 12) eine Komponen­ te zur Steuerung der Fahrzeugbewegung und zur Steuerung von Karosserie und den Innenraum sind.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ressource bereitstellende Komponente eine Motor-Getriebe-Einheit als Quelle der me­ chanischen Leistung des Fahrzeugssystems ist, die inner­ halb der logischen Ebene Antrieb/Bremse der Komponente zur Steuerung der Fahrzeugbewegung angeordnet ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinator (14) alle Komponenten (10, 12) seiner Detailierungsebene nach ihrem aktuellen Bedarf an der Ressource (PV_Soll, PNA_Soll) abfragt.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinator aus dem Leistungsbe­ darf für jede Komponente seiner Detailierungsebene einen maximal erlaubten Verbrauch (PV_max, PNA_max) der Res­ source ermittelt.

6. System nach Anspruch 5, dass die Komponenten diesen Wert abfragen.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Komponente ein Koordinator vorgesehen ist, der abhängig von dem maximal erlaubten Verbrauch Aufträge zur Bereitstellung der Bereitstellung an die die Ressource bereitstellende Komponente abgibt.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ressource die mechanische Lei­ stung ist, die vom Koordinator abgefragten bzw. vorgege­ benen Werte Leistungswerte sind und der Auftrag einen Drehmomentenwert repräsentiert.