DE10360892A1

DE10360892A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verschleisserfassung bei Steuergeräten

Info

Publication number: DE10360892A1
Application number: DE10360892A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dressler; Stephan Wohlfahrt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-21
Also published as: GB2409281B; GB2409281A; GB0427228D0; FR2864302B1; US20050283341A1; FR2864302A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Verschleißerfassung bei Steuergeräten zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug, sowie entsprechendes Steuergerät, wobei eine dne Verschleiß eines Ladungsspeichers des Steuergerätes darstellende Größe zur Verschleißerfassung des Steuergerätes ausgewertet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verschleisserfassung bei Steuergeräten sowie entsprechendem Steuergerät zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Dazu zeigt die DE 195 16 481 A1 eine Einrichtung zum Erfassen, Speichern und Ausgeben von Daten eines Steuergeräts in einem Kraftfahrzeugs. Dabei sollen wesentliche Daten der Lebensgeschichte, u. a. auch die Temperatur des Steuergerätes erfasst werden, gespeichert werden und bei Bedarf ausgegeben werden und somit bei der Beurteilung eines gebrauchten Steuergerätes bezüglich Ausfallwahrscheinlichkeit und Zuverlässigkeit Anhaltspunkte zu geben. Da Steuergeräte von Kraftfahrzeugen einen beachtlichen Kostenfaktor darstellen und der an sich rauhe Betrieb eines Kraftfahrzeugs zur Folge hat, dass mechanische, elektrische und thermische Einflüsse von außen ein gewisses Gefahrenpotential für ein Steuergerät darstellen. Dabei werden Messwerte genommen, die oberhalb und unterhalb bestimmter Grenzen liegen. Anhand dieser Maximal- oder Minimaltemperaturen sind Angaben bezüglich der Ausfallwahrscheinlichkeit und Zuverlässigkeit des Steuergerätes möglich, die allerdings einen gewissen Mangel an Exaktheit aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein genaueres und zuverlässigeres Verfahren bezogen auf den Stand der Technik anzugeben, welches eine Verschleisserfassung bei Steuergeräten zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Dazu wird von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verschleisserfassung bei Steuergeräten sowie einem entsprechenden Steuergerät zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug ausgegangen, wobei vorteilhafter Weise eine den Verschleiss des Ladungsspeichers des Steuergerätes darstellende Größe zur Verschleisserfassung des Steuergerätes selbst ausgewertet wird.
Damit wird im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem lediglich die Maximal- oder Minimaltemperatur erfasst wird, eine kontinuierliche Aussage über den Verschleiss bis zu einem bestimmten Zeitpunkt und eine Abschätzung der noch möglichen Nutzungs- bzw. Lebensdauer ab einem Zeitpunkt bezogen auf das Steuergerät möglich.
Dabei entspricht vorteilhafter Weise die den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe entweder einer Temperatur des Ladungsspeichers oder einer elektrischen Ladung des Ladungsspeichers oder einer mit der Temperatur des Ladungsspeichers veränderlichen Größe oder der Frequenz einer Wechselspannung, mit der der Ladungsspeicher und wenigstens Teile des Steuergerätes betrieben werden. Bevorzugt dabei ist eine Größe, aus der sich ein Verlust eines Dielektrikums des Ladungsspeichers ermitteln lässt, insbesondere die Temperatur.
Zweckmäßiger Weise bildet dabei der Ladungsspeicher mit dem Steuergerät eine bauliche Einheit oder ist in dieses integriert. Bei dem Ladungsspeicher selbst handelt es sich vorteilhafter Weise um einen Kondensator, insbesondere einen Elektrolytkondensator oder auch um eine Batterie, wobei mit dem Begriff Batterie alle diesbezüglichen Bauelemente wie Galvanische Elemente, Normalelemente, Akkumulatoren und eben Batterien zusammengefasst sind.
Die erfindungsgemäße Verschleisserkennung ermöglicht somit jederzeit eine Aussage über die verbrauchte Lebensdauer bzw. Nutzungsdauer des Steuergerätes und durch Extrapolation ist insbesondere bei gleichbleibendem Belastungsprofil das theoretisch zu erwartende Lebensdauerende bzw. Nutzungsdauerende abschätzbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Merkmalen der Ansprüche.
Zeichnung
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein Steuergerät mit integriertem Ladungsspeicher,
2 und 3 ein Steuergerät, bei dem Steuergerät und Ladungsspeicher eine bauliche Einheit bilden, wobei bei 3 kein direkter Kontakt zwischen Ladungsspeicher und Steuergerät besteht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Erfindungsgemäß wird die Nutzungsdauer elektronischer Steuergeräte im Wesentlichen durch die Lebensdauer der darin verwendeten Ladungsspeicher, wie beispielsweise Kondensatoren insbesondere Elektrolytkondensatoren oder Aluminiumelektrolytkondensatoren sogenannten Al-Elkos oder auch Batterien bestimmt. Diese Ladungsspeicher stellen erfindungsgemäß das schwächste Glied der Nutzungskette dar, da diese Ladungsspeicher, insbesondere diese Kondensatoren oder Elektrolytkondensatoren diejenigen Bauteile sind, die am meisten, wenn nicht als einziges, einem wesentlichen Verschleiss unterliegen. Dieser Verschleiss wird dadurch hervorgerufen, dass der enthaltene und funktionsrelevante Eletrolyt respektive das Dielektrikum bzw. die Entsprechung in einer Batterie mit der Zeit und abhängig von bestimmten Bedingungen entweicht. Der Effekt ist umso größer, je höher bestimmte Randbedingungen insbesondere eine eben den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe wie Temperatur, elektrische Ladung, Frequenz bei Wechselspannungsbetreibung des Ladungsspeichers ist und damit zum Verschleiss insbesondere zum Entweichen des Elektrolyten oder Dielektrikums führen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dabei die Temperatur ausgewertet, welche ihrerseits wiederum aus der Umgebungstemperatur, der Bauteilerwärmung, beispielsweise durch Wechselstrombelastung, eben der Eigenerwärmung des Ladungsspeichers resultiert. Bevorzugter Weise stellt damit die Temperatur des Ladungsspeichers abhängig auch von anderen Größen wie der Ladung, der Frequenz bei Wechselspannungsbetreiben eine zentrale physikalische Größe dar, anhand der der Verschleiss des Ladungsspeichers und damit dessen verbrauchte Nutzungsdauer und somit auch die verbrauchte Nutzungsdauer des Steuergerätes erfassen kann. Dabei ist erfindungsgemäß zu beachten, dass der Ladungsspeicher am definierten Lebensdauerende bzw. am Ende der Nutzungsdauer nicht schlagartig ausfällt, sondern dass bestimmte Parameter des Ladungsspeichers nicht mehr exakt oder gar nicht mehr eingehalten werden wie beispielsweise ein Ersatzserienwiderstand oder auch eine Kapazität. 1 zeigt dazu eine Anordnung mit einem Steuergerät 100 und einem darin integrierten Ladungsspeicher 101 sowie einer Auswerteeinheit 103. Die Auswerteeinheit 103 in 1 ist erfindungsgemäß beispielsweise in das Steuergerät 100 integriert und ermöglicht eine Art On-Board-Erfassung oder On-Board-Diagnose bezüglich der Lebens- respektive Nutzungsdauer des Steuergeräts. Gleichermaßen kann die Auswerteeinheit außerhalb des Steuergeräts im Fahrzeug selbst oder auch außerhalb des Fahrzeugs lediglich mit dem Steuergerät verbindbar sein wie hier mit 104 dargestellt. Allerdings sollte dann eine wenigstens abgespeckte Auswerteeinheit, eben wie hier 103 im Fahrzeug oder im Steuergerät vorhanden sein, wenn eine kontinuierliche Auswertung und Erfassung, wie erfindungsgemäß bevorzugt gewünscht wird. D. h. bei Rückläufern oder Feldtestgeräten kann nicht nur wie bisher die Anzahl der Betriebsstunden ausgelesen werden, sondern es kann auch eine klare Aussage zur realen Belastung des Geräts bis zum Zeitpunkt der Untersuchung gemacht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse können wiederum in Neuentwicklungen einfließen, um so ein maßgeschneidertes Design zu erreichen. Überdimensionierungen wären damit ausgeschaltet.
Der Fahrzeughersteller gewinnt damit im Feld, insbesondere unter Testbedingen, ebenfalls Erkenntnisse bezüglich der Belastung der Geräte. Damit wäre es möglich, zu beurteilen, ob z. B. eine Kraftstoffkühlplatte erforderlich ist oder wie diese ausgelegt werden muss, wenn es sich bei dem Steuergerät um ein Motorsteuergerät handelt. Neben Motorsteuergeräten kann aber auch eine Abschätzung bezüglich aller anderen im Fahrzeug befindlichen Steuergeräte, beispielsweise für Bremse, Getriebe usw. erfolgen. Damit können im Service klare Aussagen zum Verschleiss gemacht werden. Es wäre dann auch möglich, den Fahrzeughalter schon bei der Inspektion darauf aufmerksam zu machen, das man das Austauschen des Steuergeräts in Erwägung ziehen sollte, wodurch unerwartete Ausfall- und Standzeiten vermieden werden können. Dies gilt auch für den Fall entsprechend 2, dass das Steuergerät 100 und der Ladungsspeicher 101 eine bauliche Einheit bilden, also der Ladungsspeicher 101 nicht in das Steuergerät integriert ist, sondern lediglich in direktem Kontakt mit dem Steuergerät steht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Auswerteeinheit 103 oder eine optionale externe Auswerteeinheit 104 in den 2 und 3 nicht dargestellt aber selbstverständlich vorhanden (zumindest 103, 104 optional) nicht dargestellt.
3 zeigt ebenfalls eine erfindungsgemäße bauliche Einheit zwischen Steuergerät 100 und Ladungsspeicher 101, welche aber im Gegensatz zu 2 keinen direkten Kontakt aufweist, sondern mittels eines Verbindungselementes 102, beispielsweise einer flexiblen Leiterfolie, einer starren Kontaktverbindung oder auch einer insbesondere wärmeleitenden Verbindung zwischen Steuergerät und Ladungsspeicher ohne elektrischen Kontakt, wobei der elektrische Kontakt auf andere Art durch eine Leitung oder Ahnliches hergestellt wird. Die bauliche Einheit in 3 erfordert somit eine starke räumliche Nähe, ohne allerdings direkten Kontakt entsprechend 2, um die Aussagefähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind dabei Ladungsspeicher in Form von Kondensatoren und dabei wiederum bevorzugt Elektrolytkondensatoren, weshalb im Weiteren im Ausführungsbeispiel von Elektrolytkondensatoren oder Elkos die Rede ist. Dies ist aber, wie vorher ausgeführt, nicht einschränkend im Hinblick auf den erfindungsgemäßen Gegenstand zu werten.
Erfindungsgemäß wird zunächst eine Temperatur des Elektrolytkondensators, beispielsweise die Oberflächentemperatur erfasst. Diese Erfassung erfolgt mittels eines geeigneten Temperatursensors, beispielsweise eines PTC- oder NTC-Widerstandes oder Ähnlichem, wie in 1 mit 105 dargestellt. Dabei insbesondere bei PTC- oder NTC-Widerständen, können eventuelle Nichtlinearitäten per Software korrigiert werden. Im Weiteren erfolgt dann beispielsweise eine Analog-Digital-Wandlung in einer verarbeitenden Einheit, beispielsweise einem Mikrocontroller, insbesondere in der Ausführungseinheit oder Auswerteeinheit 103. Dabei kann die Wandlung und Erfassung in einer langsamen Zeitscheibe der Software, also in einem langsamen Takt erfolgen.
Zur Auswertung des Verschleisses, also der den Verschleiss darstellenden Größen, insbesondere der Temperatur, kann nachfolgende Formel Gleichung GL1 eingesetzt werden:
Dabei entspricht L_X der errechten Lebens- oder Nutzungsdauer für die Umgebungstemperatur T_u des Elektrolytkondensators. L₀ entspricht der Lebensdauer für die obere Kategorietemperatur, da die Lebendsauer von Ladungsspeichern speziell von Elektrolytkondensatoren oder Aluminiumelektrolytkondensatoren (Al-Elkos) in der Regel im Datenblatt des Herstellers bei einer oberen Kategorietemperatur angegeben wird, z. B. 3000 Stunden bei +125°C. Damit kann eben gemäß der angegebenen Formel auf andere Temperaturen umgerechnet werden. L₀ entspricht somit der Lebensdauer für die obere Kategorietemperatur, eben beispielsweise 3000 Stunden und T0 der oberen Kategorietemperatur selbst, eben beispielsweise +125°C. ΔT zeigt dabei die Differenz zwischen einer Umgebungstemperatur T_außen und einer Kondensatorinnentemperatur T_K. Dabei ist die Innentemperatur des Kondensators messtechnisch sehr schwer zu erfassen und wird erfindungsgemäß durch die Oberflächentemperatur zuzüglich eines Korrekturfaktors ersetzt. Da der äußere thermische Widerstand zwischen Oberfläche und Umgebung um ein mehrfaches höher ist als zwischen Oberfläche und Kern, bleibt der dabei entstehende Fehler durch diese Näherung gering.
Die Software der Auswerteeinheit 103 erfasst nun im Takt der Zeitscheibe, also beispielsweise jede Sekunde, die Oberflächentemperatur des Elektrolytkondensators, insbesondere Aluminiumelektrolytkondensators, insbesondere Aluminiumelektrolytkondensators und rechnet diese Temperatur entsprechend der angegebenen Formel in eine Verschleissdauer bei der entsprechenden Referenztemperatur um. Durch Summierung dieser Werte lässt sich z. B. eine prozentuale Angabe des bisherigen Verschleisses ausgeben. Dies soll im Weiteren anhand eines Beispiels verdeutlicht werden:
Die definierte Lebensdauer des Aluminiumelektrolytkondensators aus dem Datenblatt beträgt beispielsweise 3000 Stunden bei +125°C. Damit ergeben sich mit Hilfe der Formel GL1 folgende Werte:
10 sec. bei +75°C entsprechen 0,313 sec. bei +125°C.
10 sec. bei +95°C entsprechen 0,625 sec. bei +125°C.
10 sec. bei +95°C entsprechen 1,250 sec. bei +125°C.
Damit entsprechen
30 sec. Messung 2,188 sec. bei +125°C.
Damit wären also 2,188 sec. vom 10,8 Millionen sec., was 3000 Stunden entspricht, verbraucht. Nach längerer Messung ist eine prozentuale Angabe sinnvoll. Damit kann ein Verschleiss und daraus die Nutzungsdauer des Ladungsspeichers ermittelt werden und damit auf eine zweite Nutzungsdauer des Steuergerätes selbst geschlossen werden, da mit Ausfall des schwächsten Gliedes in der Kette, also des Elektrolytkondensators auch das Steuergerät ausfällt.
Damit ist eine ständige Ermittlung der bisherigen Verschleissdauer und damit eine Abschätzung der noch zu erwartenden Nutzungsdauer sehr zuverlässig und genau, insbesondere gegenüber dem Stand der Technik möglich.

Claims

Verfahren zur Verschleisserfassung bei Steuergeräten zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Verschleiss eines Ladungsspeichers des Steuergerätes darstellende Größe zur Verschleisserfassung des Steuergerätes ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe einer Temperatur des Ladungsspeichers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe einer elektrischen Ladung des Ladungsspeichers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe einer mit einer Temperatur des Ladungsspeichers veränderlichen Größe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellende Größe einer Frequenz einer Wechselspannung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Anhand der Verschleisserfassung eine erste Nutzungsdauer des Ladungsspeichers und daraus eine zweite Nutzungsdauer des Steuergerätes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der den Verschleiss des Ladungsspeichers darstellenden Größe um eine Größe handelt aus der sich ein Verlust eines Dielektrikums ermitteln lässt.
Vorrichtung zur Verschleisserfassung bei Steuergeräten zur Steuerung von Betriebsabläufen bei einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel vorhanden sind, die eine den Verschleiss eines Ladungsspeichers des Steuergerätes darstellende Größe zur Verschleisserfassung des Steuergerätes auswerten.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher sich im Steuergerät befindet oder mit dem Steuergerät eine bauliche Einheit bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ladungsspeicher um einen Kondensator im Steuergerät handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kondensator um einen Elektrolytkondensator handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ladungsspeicher um eine Batterie im Steuergerät handelt.
Steuergerät mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8.