DE102015000576A1

DE102015000576A1 - Motor vehicle with switching device for a power-driven component

Info

Publication number: DE102015000576A1
Application number: DE102015000576.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kaspar
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-17
Also published as: DE102015000576B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung (7) zum Schalten einer elektrischen Komponente (3) eines Kraftfahrzeugs (1). Die Schaltvorrichtung (7) weist einen Bordnetzanschluss (13) zum Anschließen der Schaltvorrichtung (7) an ein elektrisches Bordnetz (2) des Kraftfahrzeugs (1) und einen Komponentenanschluss (14) zum Anschließen der Komponente (3) an die Schaltvorrichtung (7) auf. Die Schaltvorrichtung (7) soll zuverlässig und verschleißarm schalten können. Der Komponentenanschluss (14) ist hierzu mit dem Bordnetzanschluss (13) über zwei Schaltstufeneinheiten (8, 9) gekoppelt und zumindest eine oder jede Schaltstufeneinheit (8, 9) weist einen Halbleiterschalter (19) zum Schalten eines zwischen dem Komponentenanschluss (14) und dem Bordnetzanschluss (13) fließenden Versorgungsstromes (I) der Komponente (3) auf.The invention relates to a switching device (7) for switching an electrical component (3) of a motor vehicle (1). The switching device (7) has an electrical system connection (13) for connecting the switching device (7) to an electrical on-board network (2) of the motor vehicle (1) and a component connection (14) for connecting the component (3) to the switching device (7) , The switching device (7) should be able to switch reliably and wear. The component connection (14) is for this purpose coupled to the vehicle electrical system connection (13) via two switching stage units (8, 9) and at least one or each switching stage unit (8, 9) has a semiconductor switch (19) for switching one between the component connection (14) and the Onboard power supply (13) flowing supply current (I) of the component (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Aktor des Kraftfahrzeugs handeln. Die Schaltvorrichtung kann zwischen ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs und die Komponente geschaltet sein. Hierzu weist die Schaltvorrichtung einen Bordnetzanschluss und einen Komponentenanschluss auf. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, bei welchem zumindest eine Komponente über eine jeweilige erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.The invention relates to a switching device for switching an electrical component of a motor vehicle. The electrical component may be, for example, a control unit or an actuator of the motor vehicle. The switching device can be connected between an electrical system of the motor vehicle and the component. For this purpose, the switching device has a vehicle electrical system connection and a component connection. The invention also includes a motor vehicle in which at least one component is coupled via a respective switching device according to the invention to an electrical system of the motor vehicle.

Die Energieversorgung von elektrischen Komponenten über ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs erfolgt auf der letzten Verteilungsebene des Leitungssatzes über einen singulären Strompfad, der also ausschließlich aus dem Bordnetz zu einer der Komponenten führt. Dieser Strompfad kann eine Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement und mindestens eine Fahrzeugleitung zur Energieversorgung der elektrischen Komponente beinhalten. Soll gleichzeitig eine bedarfsgerechte Klemmensteuerung, das heißt die Steuerung des Energieflusses beispielsweise über einen Schalter, beziehungsweise eine Energieflusssteuerung der elektrischen Komponente durchgeführt werden, ist dem beschriebenen Strompfad mindestens ein elektromechanisches Relais vorgeschaltet.The power supply of electrical components via a vehicle electrical system of a motor vehicle takes place on the last distribution level of the wiring harness via a singular current path, which thus leads exclusively from the electrical system to one of the components. This current path may include a fuse as a line protection element and at least one vehicle line for supplying power to the electrical component. If at the same time a demand-based terminal control, that is, the control of the energy flow, for example via a switch, or a power flow control of the electrical component are performed, the described current path is preceded by at least one electromechanical relay.

Durch den Einsatz einer Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement ergibt sich der Nachteil, dass ein exklusiver, für den Benutzer des Kraftfahrzeugs zugänglicher Einbauort der Schmelzsicherung gefunden werden muss. Dies verursacht in der Regel längere Verdrahtungswege und damit Kosten- und Gewichtssteigerungen im Leitungssatz. Gleichzeitig ist die Dimensionierung des Leitungsquerschnittes von der Auslösecharakteristik der vorgeschalteten Schmelzsicherung abhängig. Aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der Schmelzsicherung und der Fahrzeugleitung tritt bei der Überdimensionierung besonders bei Verbrauchern mit kurzzeitigen impulsförmigen Stromspitzen, wie sie beispielsweise durch Pufferkondensatoren verursacht werden können, und niedriger Nennleistung der Fall auf, dass die Leitung innerhalb ihres spezifischen Temperaturbereichs betrieben werden kann, allerdings die Schmelzsicherung auslösen würde. Um ein unkoordiniertes Auslösen der Schmelzsicherung zu verhindern, wird bei der Dimensionierung der Nennwert für den Sicherungsstrom bei der Schmelzsicherung erhöht, was wiederum eine Erhöhung des Leitungsquerschnittes zur Folge hat. Dies führt ebenfalls zu einer Kosten- und Gewichtssteigerung im Leitungssatz.The use of a fuse as line protection element has the disadvantage that an exclusive, accessible to the user of the motor vehicle installation location of the fuse must be found. This usually causes longer wiring paths and thus cost and weight increases in the wiring harness. At the same time, the dimensioning of the cable cross section depends on the tripping characteristic of the upstream fuse. Due to the different thermoelectric properties of the fuse and the vehicle line occurs in over-dimensioning, especially in consumers with short-term pulse-shaped current peaks, as can be caused for example by buffer capacitors, and low power the case that the line can be operated within its specific temperature range, however would trigger the fuse. In order to prevent an uncoordinated triggering of the fuse, the nominal value for the fuse current at the fuse is increased in the dimensioning, which in turn has an increase in the line cross-section result. This also leads to a cost and weight increase in the wiring harness.

Der Einsatz eines elektromechanischen Relais als Schaltelement führt bei Funktionen mit erhöhtem Schaltspiel, beispielsweise einem Start-Stop-Betrieb bei einer Startersteuerung eines Starters des Kraftfahrzeug, zu einem erhöhten Kontaktverschleiß. Dieser Kontaktverschleiß trägt zur Erhöhung des Ausfallrisikos bei. Gleichzeitig werden bei der Durchführung des Schaltspiels hörbare, unerwünschte Klack-Geräusche erzeugt.The use of an electromechanical relay as a switching element leads in functions with increased switching cycle, for example, a start-stop operation in a starter control of a starter of the motor vehicle, to increased contact wear. This contact wear contributes to increasing the risk of failure. At the same time, audible, undesirable clicking noises are generated when performing the switching cycle.

Aus der EP 2 107 673 A1 ist bekannt, als Ausschalter für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zu verwenden.From the EP 2 107 673 A1 It is known to use as breaker for an electrical component of a motor vehicle, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Aus der WO 2005/115805 A1 ist bekannt, einen Starter für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs über einen MOSFET mit einer Fahrzeugbatterie zu koppeln. Mittels des MOSFETS kann eine unbegrenzte Anzahl an Schaltzyklen ermöglicht werden.From the WO 2005/115805 A1 It is known to couple a starter for an internal combustion engine of a motor vehicle via a MOSFET with a vehicle battery. By means of the MOSFET, an unlimited number of switching cycles can be made possible.

Aus der US 2011/0134573 A1 ist eine Steuereinrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals für eine sicherheitsrelevante Komponente eines Kraftfahrzeugs bekannt. Mittels der Fördereinrichtung kann eine korrekte Funktionsweise einer Komponente überwacht werden und bei Erkennen eines Fehlers ein Versorgungsstrom abgeschaltet werden.From the US 2011/0134573 A1 a control device for generating a switching signal for a safety-relevant component of a motor vehicle is known. By means of the conveyor, a correct operation of a component can be monitored and a supply current can be switched off when a fault is detected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Komponente bedarfsweise oder wahlweise an einem Bordnetz zu- und abschalten zu können.The invention is based on the object in a motor vehicle, an electrical component as needed or optionally on a vehicle electrical system and to be able to switch off.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.The object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims.

Durch die Erfindung wird eine Schaltvorrichtung zum Schalten der elektrischen Komponente des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Schaltvorrichtung weist in der eingangs beschriebenen Weise einen elektrischen Bordnetzanschluss zum Anschließen der Schaltvorrichtung an ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs sowie einen elektrischen Komponentenanschluss zum Anschließen der Komponente an die Schaltvorrichtung auf. Mit anderen Worten kann die Schaltvorrichtung zwischen das Bordnetz und die elektrische Komponente geschaltet werden. Insbesondere kann eine Versorgungsstrom aus dem Bordnetz über die Schaltvorrichtung zur Komponente geführt werden. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Starter für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs handeln, beispielsweise um den Elektromagneten zum Einkoppeln des Starters. Als Komponente kann allgemein ein Aktor, der als elektrischer Verbraucher wirkt, vorgesehen sein. Insbesondere kann der elektrische Verbrauchter einen Betriebsstrom größer als 1 Ampere, insbesondere größer als 5 Ampere, aufweisen.The invention provides a switching device for switching the electrical component of the motor vehicle. The switching device has in the manner described above an electrical vehicle power supply connection for connecting the switching device to an electrical system of the motor vehicle and an electrical component connection for connecting the component to the switching device. In other words, the switching device can be switched between the electrical system and the electrical component. In particular, a supply current from the vehicle electrical system via the switching device to the component can be performed. The electrical component may be, for example, a control unit or a starter for an internal combustion engine of the motor vehicle, for example, the electromagnet for coupling the starter. As a component can generally actor, which acts as an electrical consumer, is provided be. In particular, the electrical consumed may have an operating current greater than 1 ampere, in particular greater than 5 amperes.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist der Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss über zwei Schaltstufeneinheiten gekoppelt. Eine oder jede Schaltstufeneinheit weist einen Halbleiterschalter zum Schalten des zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss fließenden Versorgungsstromes der Komponente auf. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich jeweils beispielsweise um einen Transistor, insbesondere einen Bipolar-Transistor oder einen MOSFET oder einen JFET (Junction-FET), handeln.In the case of the switching device according to the invention, the component connection is coupled to the vehicle electrical system connection via two switching stage units. One or each switching stage unit has a semiconductor switch for switching the supply current of the component flowing between the component terminal and the vehicle electrical system connection. The semiconductor switch can each be, for example, a transistor, in particular a bipolar transistor or a MOSFET or a JFET (junction FET).

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei der Schaltvorrichtung der Versorgungsstrom mittels zweier Schaltstufeneinheiten geschaltet werden kann. Hierdurch lässt sich der Versorgungsstrom zuverlässig schalten. Des Weiteren wird durch die Schaltstufeneinheiten der Versorgungsstrom mittels eines Halbleiterschalters geschaltet, so dass sich weder eine Geräuschentwicklung beim Schalten noch ein mechanischer Verschleiß ergibt.The invention has the advantage that in the switching device, the supply current can be switched by means of two switching stage units. As a result, the supply current can be switched reliably. Furthermore, the supply current is switched by means of a semiconductor switch by the switching stage units, so that there is no noise during switching or mechanical wear.

Die Erfindung weist Weiterbildungen auf, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention has further developments, resulting in additional benefits.

In einer Weiterbildung weist jede Schaltstufeneinheit jeweils eine Leitungsschutzschaltung auf, welche dazu ausgelegt ist, an einem Messpunkt ein mit einer Stromstärke des Versorgungsstromes korreliertes Messsignal zu ermitteln. Beispielsweise kann an dem Messpunkt ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein, an welchem ein Spannungswert ermittelt und hieraus ein Spannungssignal erzeugt wird. Es kann auch eine Stromstärkemessung an dem Messpunkt vorgesehen sein, um ein Stromstärkesignal zu erzeugen. Es kann auch z. B. mittels eines Bimetallstreifens oder eines Temperatursensors ein Auslösesignal bei Überhitzung als Messsignal erzeugt werden. In Abhängigkeit von dem Messsignal kann die jeweilige Schaltstufeneinheit in einen sperrenden Zustand geschaltet werden. Um den Einsatz zusätzlicher Komponenten (z. B. des genannten Shunts) zu verhindern, kann der Spannungsabfall U_DS über dem Schaltelement, z. B. des MOSFETs, als korreliertes Messignal für die Stromstärke erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ zum Leitungsschutz kann diese Methode auch zum Schutz des Schaltelements gegen thermische Überlast dienen. Eine zusätzliche Schutzbeschaltung (Überstromabsicherung) des Halbleiterschalters kann entfallen. Mit anderen Worten wird z. B. der Halbleiterschalter in den sperrenden Zustand geschaltet, also in einen nicht leitenden Zustand, falls das Messsignal ein Sperrkriterium erfüllt. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch das Sperrkriterium ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit einer vorbestimmten Mindeststromstärke signalisiert ist. Durch die Leitungsschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Kurzschluss in der elektrischen Komponente die Schaltvorrichtung selbsttätig sperrt oder die Komponente elektrisch vom Bordnetz trennt.In a development, each switching stage unit has in each case a line protection circuit which is designed to determine a measuring signal correlated with a current intensity of the supply current at a measuring point. For example, a shunt resistor may be provided at the measuring point, at which a voltage value is determined and from this a voltage signal is generated. An amperage measurement may also be provided at the measurement point to generate a current signal. It can also be z. B. by means of a bimetallic strip or a temperature sensor, a trigger signal when overheating be generated as a measurement signal. Depending on the measuring signal, the respective switching stage unit can be switched to a blocking state. To prevent the use of additional components (eg, the aforementioned shunt), the voltage drop U_DS across the switching element, e.g. B. the MOSFET, are detected as a correlated current measuring signal. In addition or as an alternative to line protection, this method can also be used to protect the switching element against thermal overload. An additional protective circuit (overcurrent protection) of the semiconductor switch can be omitted. In other words, z. B. the semiconductor switch is switched to the blocking state, ie in a non-conductive state, if the measurement signal meets a blocking criterion. In particular, it is provided that an overcurrent or a short-circuit current with a predetermined minimum current is signaled by the blocking criterion. The circuit protection circuit has the advantage that, in the event of a short circuit in the electrical component, the switching device automatically blocks or separates the component electrically from the vehicle electrical system.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerungseinheit bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, für jede der Schaltstufeneinheiten ein unabhängiges Steuersignal zu erzeugen. Die Steuerungseinheit kann die Steuersignale z. B. in Abhängigkeit von einem Einschaltbefehl und/oder einem Ausschaltbefehl erzeugen, den die Steuerungseinheit z. B. aus einem Kommunikationsbus empfangen kann, insbesondere einen CAN-Bus (CAN Controller Area Network). Die Steuerungseinheit kann in einem Gehäuse der Schaltvorrichtung zusammen mit den beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sein. Die Steuerungseinheit kann aber auch beispielsweise als separates Steuergerät mit einem Gehäuse gekoppelt sein, in welchem die beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sind. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit über einen Kommunikationsbus mit den Steuereinrichtungen gekoppelt sein. Die Steuerungseinheit ist des Weiteren dazu ausgelegt, bei Erzeugen des Steuersignals für die jeweilige Schaltstufeneinheit an einen Diagnosemesspunkt eine sich ergebende Veränderung des Versorgungsstroms zu ermitteln. An dem Diagnosemesspunkt kann beispielsweise in der beschriebenen Weise ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein oder eine Schaltung für eine Stromstärkemessung. Zur Diagnose der Schalterzustände (offen/geschlossen) kann auch direkt die Spannung am Diagnosemesspunkt erfasst werden. Die Steuerungseinheit weist den Vorteil auf, dass eine Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten überprüft werden kann, indem nach Erzeugen oder Einstellen oder Verändern eines der Steuersignale oder beider Steuersignale die Veränderung des Versorgungsstromes erfasst wird. Ergibt sich keine Veränderung des Versorgungsstromes, so kann hieraus auf einen Defekt, der mittels des Steuersignals angesteuerten Schaltstufeneinheit rückgeschlossen werden, falls eine vorgegebene oder erwartete Stromstärkeänderung ausbleibt.In a development of the invention, a control unit is provided, which is designed to generate an independent control signal for each of the switching stage units. The control unit can control the control signals z. B. in response to a switch-on and / or a switch-off command generate, the control unit z. B. can receive from a communication bus, in particular a CAN bus (CAN Controller Area Network). The control unit may be provided in a housing of the switching device together with the two switching stage units. However, the control unit can also be coupled for example as a separate control unit with a housing in which the two switching stage units are provided. For example, the control unit may be coupled to the control devices via a communication bus. The control unit is further designed to determine a resulting change in the supply current when generating the control signal for the respective switching stage unit to a diagnostic measuring point. At the diagnostic measuring point, for example, a shunt resistor or a circuit for a current measurement can be provided in the manner described. To diagnose the switch states (open / closed), the voltage at the diagnostic measuring point can also be detected directly. The control unit has the advantage that an operability of the switching stage units can be checked by detecting the change in the supply current after generating or setting or changing one of the control signals or both control signals. If there is no change in the supply current, then it is possible to draw conclusions about a defect in the switching stage unit controlled by the control signal if a predetermined or expected current intensity change does not occur.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die beschriebene Steuerungseinheit auch eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Zustandssignals aus der Komponente auf. Beispielsweise kann die Empfangseinrichtung einen Bus-Koppler für den beschriebenen Kommunikationsbus umfassen. Alternativ kann auch direkt eine Hardware-Verbindung oder Drahtverbindung zum Auslesen eines Analogwertes (Spannung an einem Diagnosepunkt) eingesetzt werden. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgelegt, die sich ergebende Veränderung des Versorgungsstromes auch anhand des Zustandssignals zu ermitteln. Beispielsweise können als Zustandssignal beim Einschalten der Komponente entsprechende Statusmeldung der Komponente empfangen werden, durch welche sich ergibt, dass die Komponente nun mit einem Versorgungsstrom versorgt ist. Des Weiteren können mittels des Zustandssignals auch beispielsweise Spannungsmesswerte und/oder Stromstärkemesswerte, die jeweils durch die Komponente selbst ermittelt werden, an die Steuerungseinheit übertragen werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand diese elektrischen Größen erfasst werden können und in der Steuerungseinheit für die Diagnose der Schaltstufeneinheiten genutzt werden können.In a development of the invention, the described control unit also has a receiving device for receiving a status signal from the component. For example, the receiving device may comprise a bus coupler for the described communication bus. Alternatively, a hardware connection or wire connection for reading out an analog value (voltage at a diagnosis point) can also be used directly. The control unit is designed to determine the resulting change in the supply current based on the state signal. For example, as the state signal when switching the component corresponding Status message of the component are received, by which it follows that the component is now supplied with a supply current. Furthermore, by means of the status signal, it is also possible, for example, to transmit voltage measurement values and / or current measurement values, which are respectively determined by the component itself, to the control unit. This has the advantage that these electrical variables can be detected without additional circuit complexity and can be used in the control unit for the diagnosis of the switching stage units.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind der Komponentenanschluss und der Bordnetzanschluss unabhängig von den beiden Schaltstufeneinheiten zusätzlich über eine Schutzschaltung miteinander verbunden. Diese Schutzschaltung ist dazu ausgelegt, den Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss elektrisch miteinander zu verbinden, falls zwischen diesen beiden Anschlüssen eine vorbestimmte Überspannung abfällt. Durch die Schutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass induktive Lasten mittels der Schaltvorrichtung geschaltet werden können, also eine in der angeschlossenen Komponente vorhandene Induktivität geschaltet werden kann. Die Schutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, insbesondere einer Zehnerdiode, bereitgestellt sein. Um die transiente Überspannung bei einem Schaltvorgang nicht in das Restbordnetz zurückzukoppeln, kann die Energie der angeschlossenen Induktivität in der Schutzschaltung abgebaut werden. Schaltungstechnisch kann dies durch eine Freilaufdiode, eine TVS-Diode oder einen Varistor oder eine Snubber-Beschaltung erfolgen. Die beiden Anschlüsse werden also allgemein über die Schutzschaltung zunächst elektrisch gegeneinander isoliert, dann aber elektrisch miteinander verbunden, sobald die zwischen den Anschlüssen abfallende Spannung über einen vorbestimmten Überspannungswert steigt. Bei Absinken der Spannung unter den Übersteuerungswert kann die Schutzschaltung dann wieder in einen elektrisch isolierenden Zustand übergehen.In a development of the invention, the component connection and the vehicle electrical system connection are additionally connected to one another via a protection circuit independently of the two switching stage units. This protection circuit is designed to electrically connect the component connection to the vehicle electrical system connection if a predetermined overvoltage drops between these two connections. The protection circuit has the advantage that inductive loads can be switched by means of the switching device, that is, an inductance present in the connected component can be switched. The protection circuit can be provided, for example, on the basis of a diode, in particular a 10-diode. In order not to feed back the transient overvoltage in a switching operation in the remaining on-board electrical system, the energy of the connected inductance in the protection circuit can be reduced. Circuit technology, this can be done by a freewheeling diode, a TVS diode or a varistor or a snubber circuit. The two terminals are thus generally electrically isolated from one another via the protection circuit initially, but then electrically connected to each other as soon as the voltage dropping between the terminals rises above a predetermined overvoltage value. When the voltage drops below the override value, the protection circuit can then again change to an electrically insulating state.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Schaltstufeneinheiten über eine jeweilige Verpolschutzschaltung mit dem Komponentenanschluss und/oder dem Bordnetzanschluss verschaltet. Die Verpolschutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode bereitgestellt sein. Durch die Verpolschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass die Schaltstufeneinheiten vor einer mechanischen oder thermischen Zerstörung bewahrt sind, wenn die Schaltvorrichtung in verkehrter Schaltrichtung mit dem Bordnetz verschaltet wird.In one development of the invention, the two switching stage units are connected via a respective polarity reversal protection circuit to the component connection and / or the vehicle electrical system connection. The polarity reversal protection circuit can be provided, for example, on the basis of a diode. The polarity reversal protection circuit has the advantage that the switching stage units are prevented from mechanical or thermal destruction when the switching device is connected in the wrong direction with the vehicle electrical system.

In einer Weiterbildung weisen Halbleiterschalter der beiden Schaltstufeneinheiten eine unterschiedliche Bauweise auf. Beispielsweise kann einer der Halbleiterschalter ein MOSFET sein und der Halbleiterschalter der anderen Schaltstufeneinheit eine Bipolar-Transistor. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Halbleiterschalter unterschiedlich auf eine bestimmte Fehlersituation reagieren und hierdurch die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass einer der Halbleiterschalter in der Fehlersituation unbeschädigt bleibt.In a development, semiconductor switches of the two switching stage units have a different construction. For example, one of the semiconductor switches may be a MOSFET and the semiconductor switch of the other switching stage unit may be a bipolar transistor. This results in the advantage that the semiconductor switches react differently to a specific error situation and thus the probability is increased that one of the semiconductor switches remains undamaged in the error situation.

In einer Weiterbildung sind die beiden Schaltstufeneinheiten zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss seriell verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Versorgungsstrom auch bei Zerstörung einer der Schaltstufeneinheiten zuverlässig mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit unterbrochen oder abgeschaltet werden kann.In a further development, the two switching stage units are connected in series between the component connection and the vehicle electrical system connection. This has the advantage that the supply current can be reliably interrupted or switched off even if one of the switching stage units is destroyed by means of the remaining switching stage unit.

In einer alternativen Weiterbildung sind die beiden Schaltstufeneinheiten zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss parallel verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei der Zerstörung einer der Schaltstufeneinheiten ein Versorgungsstrom über die verbleibende Schaltstufeneinheit bereitgestellt werden kann.In an alternative development, the two switching stage units are connected in parallel between the component connection and the vehicle electrical system connection. This has the advantage that even when one of the switching stage units is destroyed, a supply current can be provided via the remaining switching stage unit.

Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist ein Bordnetz zum Bereitstellen einer Gleichspannung und eines jeweiligen Versorgungsstromes für zumindest eine elektrische Komponente, insbesondere zumindest eines Steuergeräts, des Kraftfahrzeugs auf. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist die zumindest eine Komponente jeweils über eine jeweilige Schaltvorrichtung an das Bordnetz angeschlossen, wobei die jeweilige Schaltvorrichtung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.The invention also includes a motor vehicle. The motor vehicle according to the invention has an electrical system for providing a DC voltage and a respective supply current for at least one electrical component, in particular at least one control device, of the motor vehicle. In the motor vehicle according to the invention, the at least one component is connected in each case via a respective switching device to the electrical system, wherein the respective switching device is an embodiment of the switching device according to the invention.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car.

Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:In the following an embodiment of the invention is described. Show:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung; und 1 a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with a first embodiment of the switching device according to the invention; and

2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. 2 a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with a second embodiment of the switching device according to the invention.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the embodiment, however, the described Components of the embodiment in each case individually, independently of each other to be considered features of the invention, which each further independently develop the invention and thus individually or in any other than the combination shown are to be regarded as part of the invention. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 kann ein Bordnetz 2 aufweisen, an welches mehrere elektrische Komponenten angeschlossen sein können, von denen in 1 beispielhaft nur eine elektrische Komponente 3 dargestellt ist. Die Komponente 3 kann beispielsweise ein elektronisches Steuergerät oder ein Elektromagnet für einen Starter sein. Die elektrische Komponente 3 stellt einen elektrischen Verbraucher dar. Ein elektrischer Verbraucher ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein elektrisches oder elektronisches Gerät, welches einen Betriebsstrom aufweist, der größer als 500 mA, insbesondere größer als 1 A, ist. 1 shows a motor vehicle 1 which may be, for example, a motor vehicle, in particular a passenger car. The car 1 can be a wiring system 2 have, to which a plurality of electrical components may be connected, of which in 1 by way of example only an electrical component 3 is shown. The component 3 For example, it may be an electronic controller or an electromagnet for a starter. The electrical component 3 represents an electrical consumer. An electrical load is in the context of the invention, in particular an electrical or electronic device having an operating current which is greater than 500 mA, in particular greater than 1 A, is.

Das Bordnetz 2 kann eine Spannungsquelle 4 aufweisen, die beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator und/oder einen Generator umfassen kann. Durch die Spannungsquelle 4 kann eine Versorgungsspannung bereitgestellt sein, die beispielsweise in einem Bereich von 10 V bis 14 V oder in einem Bereich von 40 V bis 55 V oder in einem Bereich größer 60 V liegen kann. Die Versorgungsspannung kann zwischen einer Fahrzeugmasse 5 und einer elektrischen Leiteinrichtung 6, beispielsweise einem Kabel oder einer Stromschiene, erzeugt sein. Die Komponente 3 kann über eine Schaltvorrichtung 7 mit der Leiteinrichtung 6 gekoppelt sein. Des Weiteren kann die Komponente 3 mit der Fahrzeugmasse 5 gekoppelt sein. Die Fahrzeugmasse 5 kann beispielsweise durch elektrisch leitende Bauteile, beispielsweise ein Chassis oder ein Rahmen des Kraftfahrzeugs 1, bereitgestellt sein.The electrical system 2 can be a voltage source 4 may include, for example, a battery or an accumulator and / or a generator. By the voltage source 4 For example, a supply voltage may be provided which may, for example, be in a range of 10 V to 14 V or in a range of 40 V to 55 V or in a range greater than 60 V. The supply voltage can be between a vehicle ground 5 and an electrical guide 6 , For example, a cable or a busbar, be generated. The component 3 Can via a switching device 7 with the guide 6 be coupled. Furthermore, the component 3 with the vehicle mass 5 be coupled. The vehicle mass 5 For example, by electrically conductive components, such as a chassis or a frame of the motor vehicle 1 be provided.

Durch die Schaltvorrichtung 7 kann ein Versorgungsstrom I, der von dem Bordnetz 2 über die Schaltvorrichtung 7 zu der Komponente 3 fließen kann, geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 7 kann hierzu eine erste Schaltstufeneinheit 8, eine zweite Schaltstufeneinheit 9, eine Steuerungseinheit 10, eine Verpolschutzschaltung 11 und eine Schutzschaltung 12 aufweisen. Die Schutzschaltung 7 kann über einen Bordnetzanschluss 13 mit der Leitungseinrichtung 6 verbunden sein. Der Bordnetzanschluss 13 kann beispielsweise einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Die Schaltvorrichtung 7 kann über einen Komponentenanschluss 14 mit der Komponente 3 verschaltet sein. Der Komponentenanschluss 14 kann einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Zum Verbinden des Komponentenanschlusses 14 mit der Komponente 3 kann ein Leitungselement 15 vorgesehen werden, das beispielsweise ein Kabel oder eine Stromschiene aufweisen kann.By the switching device 7 can be a supply current I, that of the electrical system 2 over the switching device 7 to the component 3 can flow, be switched. The switching device 7 For this purpose, a first switching stage unit 8th , a second switching stage unit 9 , a control unit 10 , a polarity reversal protection circuit 11 and a protection circuit 12 exhibit. The protection circuit 7 can via a vehicle electrical system connection 13 with the conduit device 6 be connected. The electrical system connection 13 may for example have one or more electrical contacts. The switching device 7 Can via a component connection 14 with the component 3 be interconnected. The component connection 14 may have one or more electrical contacts. For connecting the component connection 14 with the component 3 can be a conduit element 15 may be provided, which may have, for example, a cable or a busbar.

Der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 sind in der Schaltvorrichtung 7 über die beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 verschaltet oder gekoppelt oder verbunden. Des Weiteren sind der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 parallel zu den beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 über die Schutzschaltung 12 verbunden.The electrical system connection 13 and the component connector 14 are in the switching device 7 via the two switching stages units 8th . 9 interconnected or coupled or connected. Furthermore, the electrical system connection 13 and the component connector 14 parallel to the two switching stages units 8th . 9 over the protection circuit 12 connected.

Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils unabhängig voneinander durch ein jeweiliges Schaltsignal S1, S2 geschaltet werden, das durch die Steuerungseinheit 10 erzeugt sein kann. Die Steuerungseinheit 10 kann in einem Gehäuse 16 eingebaut sein, an welchem auch die Schaltstufeneinheiten 8, 9 angeordnet sein können. Die Steuerungseinheit 10 kann z. B. einen Mikrocontroller aufweisen. Die Steuerungseinheit 10 kann auch außerhalb des Gehäuses 16 bereitgestellt sein, beispielsweise als ein Programmmodul in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1.The switching stages units 8th . 9 can each be independently switched by a respective switching signal S1, S2, by the control unit 10 can be generated. The control unit 10 can in a housing 16 be installed, in which also the switching stages units 8th . 9 can be arranged. The control unit 10 can z. B. have a microcontroller. The control unit 10 can also be outside the case 16 be provided, for example as a program module in a control unit of the motor vehicle 1 ,

Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Steuersignale S1, S2 in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl zum Einschalten und/oder Ausschalten zu erzeugen, der z. B. in an sich bekannter Weise von einem (nicht dargestellten) zentralen Bordnetzmanagement an die Steuerungseinheit 10 ausgesendet werden kann.The control unit 10 may be adapted to generate the control signals S1, S2 in response to a switching command for switching on and / or off, the z. B. in a conventional manner from a (not shown) central wiring system management to the control unit 10 can be sent out.

Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Funktionstüchtigkeit oder Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten 8, 9 mittels eines Diagnosesignals D zu überprüfen, welches an einem Diagnosemesspunkt 17 erzeugt werden kann, über welchen der Versorgungsstrom I geführt ist. Beispielsweise können die Schaltstufeneinheiten 8, 9 über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Komponentenanschluss 14 gekoppelt sein, wie es in 1 dargestellt ist. Sie können auch über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Bordnetzanschluss 13 gekoppelt sein (nicht dargestellt). Der Diagnosemesspunkt 17 kann beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand oder eine Strommesseinrichtung, wie dieser bzw. diese aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert sein. Es ist auch ein direkter Abgriff der elektrischen Spannung insbesondere ohne Shunt möglich. Anhand des Diagnosesignals kann durch die Steuerungseinheit 10 eine Veränderung in der Stromstärke des Versorgungsstroms 1 ermittelt werden. Insbesondere kann die Veränderung in Abhängigkeit von den Schaltsignalen S1, S2 ermittelt werden. Hierdurch kann durch die Steuerungseinheit 10 ermittelt werden, ob die Schaltstufeneinheiten 8, 9 jeweils auf das jeweilige Steuersignal S1, S2 in einer vorbestimmten Weise reagieren. Falls dies nicht der Fall ist, kann durch die Steuerungseinheit 10 ein Warnhinweis oder Fehlersignal W ausgegeben werden, welches beispielsweise durch eine Anzeigeeinrichtung 18 einem Benutzer des Kraftfahrzeugs 1 signalisieren kann, dass das Kraftfahrzeug 1 eine fehlerhafte Schaltvorrichtung 7 aufweist.The control unit 10 can be designed to the functionality or operability of the switching stages units 8th . 9 to check by means of a diagnostic signal D, which at a diagnostic measuring point 17 can be generated, via which the supply current I is guided. For example, the switching stages units 8th . 9 via the diagnostic measuring point 17 with the component connection 14 be coupled as it is in 1 is shown. You can also via the diagnostic measuring point 17 with the electrical system connection 13 be coupled (not shown). The diagnostic measuring point 17 may for example be realized by a shunt resistor or a current measuring device, as this or this is known from the prior art. It is also a direct tap of the electrical voltage, in particular without a shunt possible. Based on the diagnostic signal can by the control unit 10 a change in the amperage of the supply current 1 determined become. In particular, the change in dependence on the switching signals S1, S2 can be determined. This can be done by the control unit 10 be determined whether the switching stages units 8th . 9 each respond to the respective control signal S1, S2 in a predetermined manner. If this is not the case, can by the control unit 10 a warning or error signal W is output, which, for example, by a display device 18 a user of the motor vehicle 1 can signal that the motor vehicle 1 a faulty switching device 7 having.

Zusätzlich zu dem Diagnosesignal D kann die Steuerungseinheit 10 ein Zustandssignal Z von der Komponente 3 empfangen. Das Zustandssignal Z kann beispielsweise über einen Kommunikationsbus, beispielsweise einen CAN-Bus, von der Komponente 3 zu der Steuerungseinheit 10 übertragen werden. Anhand des Zustandssignals Z kann ein Betriebszustand der Komponente 3 und/oder ein von der Komponente 3 ermittelter Stromstärkewert des Versorgungsstroms 1 empfangen werden.In addition to the diagnostic signal D, the control unit 10 a status signal Z from the component 3 receive. The status signal Z can, for example, via a communication bus, such as a CAN bus, from the component 3 to the control unit 10 be transmitted. Based on the state signal Z, an operating state of the component 3 and / or one of the component 3 determined current value of the supply current 1 be received.

Die Schutzschaltung 12 kann dazu ausgelegt sein, bei Anliegen einer Überspannung mit einem vorbestimmten Mindestspannungswert zwischen dem Bordnetz 13 und dem Komponentenanschluss 14 diese Überspannung durch elektrisches Verbinden der Anschlüsse 13, 14 abzubauen, so dass die Überspannung nicht über den Schaltstufeneinheiten 8, 9 abfällt. Hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt. Die Schutzschaltung 12 kann beispielsweise eine oder mehrere Dioden aufweisen.The protection circuit 12 can be designed to be in the presence of an overvoltage with a predetermined minimum voltage value between the electrical system 13 and the component connector 14 this overvoltage by electrically connecting the terminals 13 . 14 so that the overvoltage does not exceed the switching stages units 8th . 9 drops. As a result, the switching stages units 8th . 9 protected against destruction by the overvoltage. The protection circuit 12 For example, it may have one or more diodes.

Die Verpolschutzschaltung 11 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, und kann einen Stromfluss von dem Komponentenanschluss 14 hin zum Bordnetzanschluss 13 blockieren. Auch hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung oder Beschädigung geschützt.The polarity reversal protection circuit 11 may be configured in a manner known per se, for example based on a diode, and may be a current flow from the component terminal 14 towards the electrical system connection 13 To block. This also makes the switching stages units 8th . 9 protected against destruction or damage.

Jede Schaltstufeneinheit 8, 9 kann einen elektronischen Halbleiterschalter 19 aufweisen, bei dem es sich beispielsweise um einen Transistor handeln kann, insbesondere um einen MOSFET oder JFET, oder um einen Bipolar-Transistor. Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils auch eine Leitungsschutzschaltung 20 aufweisen, die bevorzugt als analoge Schaltung oder elektronische Schaltung ausgestaltet ist, das heißt eine Schaltung, die nicht auf eine Analog-Digital-Wandlung angewiesen ist.Each switching stage unit 8th . 9 can be an electronic semiconductor switch 19 which may, for example, be a transistor, in particular a MOSFET or JFET, or a bipolar transistor. The switching stages units 8th . 9 can each have a circuit protection circuit 20 which is preferably designed as an analog circuit or electronic circuit, that is, a circuit that is not dependent on an analog-to-digital conversion.

Durch die Leitungsschutzschaltung 20 kann ein Gate-Signal oder Basis-Signal oder Steuersignal C erzeugt werden, durch welches ein Schaltzustand des Halbleiterschalters 19 in an sich bekannter Weise gesteuert oder festgelegt ist. Die Leitungsschutzschaltung 20 kann das Schaltsignal C in Abhängigkeit von dem Steuersignal S1, S2 erzeugen. Des Weiteren kann die Leitungsschutzschaltung an einem Messpunkt 21 der jeweiligen Schaltstufeneinheit 8, 9 ein mit der Stromstärke des Versorgungsstroms I korreliertes Messsignal M erfassen. Beispielsweise kann der Messpunkt 21 einen Shunt-Widerstand oder eine Stromstärkemessschaltung aufweisen. In dem Messpunkt 21 kann auch beispielsweise ein Bimetall oder ein Temperatursensor bereitgestellt sein. Falls anhand des Messsignals M durch die Leitungsschutzschaltung 20 erkannt wird, dass ein Überstrom fließt, das heißt die Stromstärke des Versorgungsstroms I oberhalb eines vorbestimmten Höchstwerts liegt, kann durch Leitungsschutzschaltung 20 mittels des Schaltsignals C der jeweilige Halbleiterschalter 19 in einen sperrenden Zustand geschaltet werden, unabhängig vom Steuersignal S1, S2. Hierdurch kann beispielsweise bei einem Kurzschluss in der Komponente 3 der Stromfluss des Versorgungsstroms I unterbrochen werden.Through the line protection circuit 20 For example, a gate signal or base signal or control signal C can be generated, by which a switching state of the semiconductor switch 19 is controlled or fixed in a conventional manner. The circuit protection circuit 20 can generate the switching signal C in response to the control signal S1, S2. Furthermore, the line protection circuit at a measuring point 21 the respective switching stage unit 8th . 9 capture a correlated with the current intensity of the supply current I measurement signal M. For example, the measuring point 21 have a shunt resistor or a current measuring circuit. In the measuring point 21 For example, a bimetal or a temperature sensor can also be provided. If based on the measurement signal M through the line protection circuit 20 is detected that an overcurrent flows, that is, the current intensity of the supply current I is above a predetermined maximum value, can by line protection circuit 20 by means of the switching signal C, the respective semiconductor switch 19 be switched to a blocking state, regardless of the control signal S1, S2. As a result, for example, in the case of a short circuit in the component 3 the current flow of the supply current I are interrupted.

In dem in 1 gezeigten Beispiels sind die Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen dem Bordnetzanschluss 13 und dem Komponentenanschluss 14 in Serie geschaltet. Bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem leitenden Zustand verharrt, kann der Versorgungsstrom I mittels des verbleibenden Halbleiterschalters 19 sicher unterbrochen werden.In the in 1 the example shown are the switching stage units 8th . 9 between the electrical system connection 13 and the component connector 14 connected in series. If one of the semiconductor switches is damaged 19 in the way that the damaged semiconductor switch 19 permanently remains in a conductive state, the supply current I by means of the remaining semiconductor switch 19 be safely interrupted.

In 2 ist im Gegensatz dazu eine Schaltvorrichtung 7 gezeigt, bei welcher die zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen einem Bordnetzanschluss 13 und einem Komponentenanschluss 14 in einer Parallelschaltung verschaltet sind.In 2 is in contrast a switching device 7 shown in which the two shift stage units 8th . 9 between a vehicle electrical system connection 13 and a component connector 14 are connected in a parallel connection.

Durch die Parallelschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 der Schaltstufeneinheiten 8, 9 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit weiterhin ein Versorgungsstrom I zu der Komponente 3 aus dem Bordnetz 2 geführt werden kann.Due to the parallel connection, there is the advantage that if one of the semiconductor switches is damaged 19 the switching stages units 8th . 9 in the way that the damaged semiconductor switch 19 permanently in a blocking state remains, by means of the remaining switching stage unit continues to supply current I to the component 3 from the electrical system 2 can be performed.

Bei der Erfindung können allgemein an einem Gehäuse 16 auch mehrere der Komponentenanschlüsse 14 bereitgestellt sein, wobei jeder Komponentenanschluss 14 mit dem Bordnetzanschluss 13 über eine jeweilige Anordnung aus zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 gekoppelt sein kann. Hierbei können für jeden der Komponentenanschlüsse 14 unterschiedliche Anordnungen der jeweiligen Schaltstufeneinheiten 8, 9 vorgesehen sein, also eine Parallelschaltung oder eine Serienschaltung. Hierdurch kann mittels des Gehäuses 16 eine Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, an welcher mehrere Komponenten bedarfsweise mit einer sicher abschaltenden (Serienschaltung) oder sicher durchschaltenden (Parallelschaltung) Anordnung zweier Schaltstufeneinheiten mit dem Bordnetz 2 gekoppelt werden können.In the invention, generally on a housing 16 also several of the component connections 14 be provided, each component connection 14 with the electrical system connection 13 via a respective arrangement of two switching stage units 8th . 9 can be coupled. Hereby, for each of the component connections 14 different arrangements of the respective switching stage units 8th . 9 be provided, ie a parallel connection or a series connection. In this way, by means of the housing 16 a switching device are provided, on which several components, if necessary, with a safe shutdown ( Series connection) or safely switching (parallel connection) arrangement of two switching stage units with the electrical system 2 can be coupled.

Die beschriebenen Schaltvorrichtungen stellen somit modulare Schaltstufen mit einer elektronischen Kurzschlussabschaltung und Diagnoseschnittstelle für ein Warnsignal W dar. Im Gegensatz zum heutigen Stand der Technik wird mindestens ein elektromechanisches Relais durch einen elektronischen Schalter (MOSFET, Bipolar-Transistor) ersetzt. Das elektronische Schaltelement wird in Verbindung mit einer analogen Kurzschlussdetektion als Leitungsschutzschaltung und Lichtbogenschutz eingesetzt. Die Leitungsschutzschaltung ist bevorzugt durch diskrete Bauelemente oder integriert als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder ASSP (Application Specific Standard Product) ausgestaltet. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe oder große Schaltgeschwindigkeit, da z. B. eine Analog-Digital-Wandlung oder eine Programmcodeinterpretation entfallen kann, wie sie z. B. für den Einsatz eines Mikrocontrollers nötig wäre. Eine Schmelzsicherung und die damit verbundenen Nachteile können entfallen. Durch die Substitution des elektromechanischen Relais durch elektronische Schalter kann auch die Geräuschemission im Schaltverhalten gedämpft beziehungsweise verhindert werden. Mit den beschriebenen Komponenten der Schaltstufe werden hinsichtlich der Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bevorzugt bei Bedarf eine parallele Verschaltung der Schaltungseinrichtung oder eine serielle Verschaltung der Schaltstufeneinheiten bereitgestellt.The switching devices described thus constitute modular switching stages with an electronic short-circuit cut-off and diagnostic interface for a warning signal W. In contrast to the current state of the art, at least one electromechanical relay is replaced by an electronic switch (MOSFET, bipolar transistor). The electronic switching element is used in conjunction with an analog short-circuit detection as line protection circuit and arc protection. The line protection circuit is preferably configured by discrete components or integrated as ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or ASSP (Application Specific Standard Product). This results in a particularly high or high switching speed, since z. As an analog-to-digital conversion or a program code interpretation can be omitted, as z. B. would be necessary for the use of a microcontroller. A fuse and the associated disadvantages can be omitted. The substitution of the electromechanical relay by electronic switches, the noise emission in the switching behavior can be damped or prevented. With the described components of the switching stage, a parallel connection of the circuit device or a serial connection of the switching stage units are preferably provided with regard to the supply and protection of functional safety relevant current paths and electrical components in the motor vehicle.

Die in 1 dargestellte erste Topologievariante beinhaltet zwei in Serie geschaltete elektronische Schaltelemente mit der beschriebenen Anordnung zur Kurzschlussdetektion und Abschaltung. Durch die Redundanz im Schaltpfad wird sichergestellt, dass der Stromfluss im Strompfad selbst Defekt eines Schaltelements (niederohmig leitend) sicher durch das zweite Schaltelement getrennt und diagnostiziert werden kann. Die beiden Schaltstufen werden als elektronische Schalter dargestellt, um zusätzlich zur Redundanz die Diversität zu erhöhen, werden die Anwendungen bis 48 V Bordnetzspannung bevorzugt mit unterschiedlicher Technologie der Schaltstufen verwendet (zum Beispiel einen Bipolar-Transistor und einen MOSFET-Schalter). Beide Schaltstufen werden von einer übergeordneten Steuerungseinheit, die entweder innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet sein kann oder Teil eines separaten Steuergerätes sein kann, unabhängig voneinander über die Steuersignale S1, S2 angesteuert. Eine schnelle, analoge Kurzschlussabschaltung ermöglicht durch die Messung des Spannungspotenzials an definierten Messpunkten 21 eine leistungsgesteuerte Kurzschlussdetektion. Bei Überschreiten einer festgelegten Stromschwelle wird die Ansteuerung der Schalteinheiten 8, 9 zurückgenommen und der Schaltkontakt durch die Leitungsschutzschaltung 20 geöffnet. Zum Schutz der elektronischen Komponenten ist eine optionale Schutzbeschaltung der Schalteinheiten und ein optionaler Verpolschutz vorsehbar.In the 1 illustrated first topology variant includes two series-connected electronic switching elements with the described arrangement for short-circuit detection and shutdown. The redundancy in the switching path ensures that the current flow in the current path itself defect of a switching element (low-resistance conductive) can be safely separated and diagnosed by the second switching element. The two switching stages are shown as electronic switches to increase the diversity in addition to redundancy, the applications are used to 48 V board voltage preferably with different technology of the switching stages (for example, a bipolar transistor and a MOSFET switch). Both switching stages are controlled by a higher-level control unit, either inside the housing 16 may be arranged or may be part of a separate control device, independently controlled via the control signals S1, S2. A fast, analogue short-circuit shutdown is possible by measuring the voltage potential at defined measuring points 21 a power-controlled short-circuit detection. When a specified current threshold is exceeded, the control of the switching units 8th . 9 withdrawn and the switching contact through the line protection circuit 20 open. To protect the electronic components, an optional protective circuit of the switching units and an optional reverse polarity protection can be provided.

In der 2 ist die Topologie der Schaltstufe zur Erhöhung der Verfügbarkeit des geschalteten Pfades mit angeschlossener elektronischer Komponente dargestellt. Ziel ist die Energieversorgung der Komponente selbst bei hochohmigem Ausfall eines Halbleiterschalters 19 aufrechtzuerhalten. Gleiches gilt für die Verfügbarkeit des elektronischen Leitungsschutzes. Im Falle eines Kurzschlusses bleibt durch die Redundanz der Schaltstufen und des elektronischen Leitungsschutzes die Funktion zum Trennen des Strompfades erhalten, zum Beispiel zur Detektion und Abschaltung des entstehenden Lichtbogens in Energienetzen mit 48 V Nennspannung. Zusätzliche Diversität zur Steigerung der Verfügbarkeit kann, wie im Zusammenhang mit der Topologie von 1 beschrieben, durch den Einsatz von unterschiedlichen elektronischen Schaltertypen (Bipolar-Transistor und MOSFET-Schalter) erzielt werden.In the 2 shows the topology of the switching stage for increasing the availability of the switched path with connected electronic component. The goal is the energy supply of the component even with high-impedance failure of a semiconductor switch 19 maintain. The same applies to the availability of electronic line protection. In the event of a short circuit, the redundancy of the switching stages and the electronic line protection, the function for separating the current path is maintained, for example, for detection and shutdown of the resulting arc in power networks with 48 V nominal voltage. Additional diversity to increase availability may be as related to the topology of 1 described by the use of different electronic switch types (bipolar transistor and MOSFET switch) can be achieved.

Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine modulare elektrische Schaltstufe zur Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann.Overall, the example shows how can be provided by the invention, a modular electrical switching stage for the supply and protection of functional safety relevant current paths and electrical components in the motor vehicle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2107673 A1 [0005]
WO 2005/115805 A1 [0006]
US 2011/0134573 A1 [0007]

Claims

Switching device ( 7 ) for switching an electrical component ( 3 ) of a motor vehicle ( 1 ), comprising: - a vehicle electrical system connection ( 13 ) for connecting the switching device ( 7 ) to an electrical system ( 2 ) of the motor vehicle ( 1 ), - a component connection ( 14 ) for connecting the component ( 3 ) to the switching device ( 7 ), characterized in that the component connection ( 14 ) with the vehicle electrical system connection ( 13 ) via two switching stage units ( 8th . 9 ) and at least one or each switching stage unit ( 8th . 9 ) a semiconductor switch ( 19 ) for switching one between the component connection ( 14 ) and the vehicle electrical system connection ( 13 ) flowing supply current (I) of the component ( 3 ) having.

Switching device ( 7 ) according to claim 1, wherein each switching stage unit ( 8th . 9 ) each have a circuit protection circuit ( 20 ), which is designed to be at a measuring point ( 21 ) to determine a measuring signal (M) correlated with a current intensity of the supply current (I) and, in dependence on the measuring signal (M), the respective switching stage unit ( 8th . 9 ) to switch to a blocking state.

Switching device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein a control unit ( 10 ), which is designed for each of the switching stage units ( 8th . 9 ) to generate an independent control signal (S1, S2) and when generating a control signal (S1, S2) at a diagnostic measuring point ( 17 ) to determine a resulting change in the supply current (I).

Switching device ( 7 ) according to claim 3, wherein the control unit ( 10 ) a receiving device for receiving a status signal (Z) from the component ( 3 ) and is designed to determine the resulting change in the supply current (I) also based on the state signal (Z).

Switching device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein the component connection ( 14 ) and the vehicle electrical system connection ( 13 ) independent of the switching stage units ( 8th . 9 ) via a protection circuit ( 12 ) and the protection circuit ( 12 ) is designed to prevent the component connection ( 14 ) and the on-board power supply ( 13 ) electrically connect to each other if a predetermined overvoltage drops between them.

Switching device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein the two switching stage units ( 8th . 0 ) with the component connection ( 14 ) and / or the vehicle electrical system connection ( 13 ) via a respective polarity reversal protection circuit ( 11 ) are interconnected.

Switching device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein both switching stage units ( 8th . 9 ) Semiconductor switch ( 19 ) have different construction.

Switching device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein the two switching stage units ( 8th . 9 ) between the component connector ( 14 ) and the vehicle electrical system connection ( 13 ) are connected in series.

Switching device ( 7 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the two switching stage units ( 8th . 9 ) between the component connector ( 14 ) and the vehicle electrical system connection ( 13 ) are connected in parallel.

Motor vehicle ( 1 ) with a vehicle electrical system ( 2 ) for providing a DC voltage and a respective supply current (I) for at least one electrical component ( 3 ), in particular at least one control unit, of the motor vehicle ( 1 ), characterized in that the at least one component ( 3 ) each via a respective switching device ( 7 ) is connected to one of the preceding claims to the electrical system.