CN111511609B - 次级车载电网电池、车载电网系统以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对于机动车的初级车载电网(2)冗余的次级车载电网(5)的次级车载电网电池(7)，包括：‑用于提供电能的电池单体组合(11)；‑第一连接端(13)，用于将次级车载电网电池(7)与至少一个次级车载电网构件(6)电气连接；‑第二连接端(14)，用于将次级车载电网电池(7)与初级车载电网(2)电气连接；‑在第一连接端(13)与和电池单体组合(11)电气连接的电路连接点(16)之间的第一开关机构(15)；‑在第二连接端(14)与电路连接点(16)之间的第二开关机构(18)；以及‑控制机构(21)，其设计为，为了从初级车载电网(2)给所述至少一个次级车载电网构件(6)供电而提供用于两个开关机构(15、18)的导通状态；并且为了防止初级车载电网侧的过载而提供用于第二开关机构的截止状态。本发明此外还涉及一种车载电网系统(1)以及一种机动车。

Description

次级车载电网电池、车载电网系统以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于对于机动车的初级车载电网冗余的次级车载电网的次级车载电网电池，所述次级车载电网电池包括用于提供电能的电池单体组合。本发明此外涉及一种车载电网系统以及一种机动车。
背景技术
用于机动车的车载电网系统已经由现有技术已知。这样的车载电网系统例如可以具有带有至少一个初级车载电网构件的初级车载电网以及至少一个带有至少一个次级车载电网构件的次级车载电网。由文献DE 10 2015 117 766 A1为此例如已知一种车载电网系统，其具有初级车载电网以及多个分散的次级车载电网，其中，次级车载电网通过自身的DC/DC转换器或直流电压转换器从初级车载电网供电。次级车载电网在此不具有自身的蓄能器或电池，而是从初级车载电网的中央电池供电。
借助于DC/DC转换器可以将由初级车载电网提供的具有第一值的输入电压转换为用于次级车载电网的、具有相比于第一值不同的第二值的输出电压。但是也可以规定，这样的直流电压转换器在输入电压波动的情况下使用，以便提供恒定的输出电压。如此例如在12V初级车载电网与12V次级车载电网之间的12V/12V直流电压转换器可以将初级车载电网的由初级车载电网提供的可能波动的12V输入电压转换为用于次级车载电网的恒定的12V输出电压。
直流电压转换器然而必须经由通信线路和功率线路与不同的车载电网连接以用于传输电能，并且因此不利地影响机动车中的结构空间以及机动车的重量。此外，这样的直流电压转换器输出例如以热形式的损耗功率，从而必须昂贵地单独地冷却这些直流电压转换器。
发明内容
本发明的目的在于，特别是成本有利地、节省重量地且低损耗功率地设计用于机动车的车载电网系统。
按照本发明，该目的通过具有按照本发明的特征的次级车载电网电池、车载电网系统以及机动车解决。本发明有利的实施方案是从属权利要求、说明书以及附图的技术方案。
按照本发明的用于对于机动车的初级车载电网冗余的次级车载电网的次级车载电网电池具有：用于提供电能的电池单体组合；第一连接端，用于将次级车载电网电池与至少一个次级车载电网构件电气连接；以及第二连接端，用于将次级车载电网电池与初级车载电网电气连接。此外，次级车载电网电池包括在第一连接端与和电池单体组合电气连接的电路连接点之间的第一开关机构；以及在第二连接端与电路连接点之间的第二开关机构。次级车载电网电池的控制机构设计为，为了从初级车载电网给所述至少一个次级车载电网构件供电而提供对于两个开关机构的导通状态以用于允许由第二连接端经由电路连接点至第一连接端的能量流；并且为了防止初级车载电网侧的过载而提供对于第二开关机构的截止状态以用于阻止由第二连接端至电路连接点的能量流。
本发明此外还包括一种用于机动车的车载电网系统，所述车载电网系统具有：初级车载电网，其包括至少一个初级车载电网构件和用于给所述至少一个初级车载电网构件供电的初级车载电网电池。此外车载电网系统具有对于初级车载电网冗余的次级车载电网，所述次级车载电网包括至少一个次级车载电网构件和按照本发明的次级车载电网电池或其实施形式。次级车载电网电池经由第一连接端与所述至少一个次级车载电网构件电气连接且经由第二连接端与初级车载电网电气连接。
次级车载电网对于初级车载电网冗余地构成且特别是用于机动车的高度自动化行驶模式(HAF)或全自动化行驶模式(VAF)。次级车载电网因此特别是HAF车载电网，其具有所述至少一个对于所述至少一个初级车载电网构件冗余的次级车载电网构件以及次级车载电网电池。次级车载电网电池因此构成为HAF电池或VAF电池。因为在如下行驶模式下——在该模式下机动车至少高度自动化或至少半自动化行驶——构件必须构成为特别可靠和防故障的，所以这些构件不仅设置在初级车载电网中而且在次级车载电网中。如此在所述至少一个初级车载电网构件失灵的情况下可以应用为此冗余的满足同一个功能的次级车载电网构件。冗余的构件特别是传感器和/或执行器。传感器例如可以是环境检测传感器和/或间距传感器。执行器可以是用于影响机动车的纵向动态性和横向动态性的执行器、例如转向执行器和制动执行器。
所述至少一个初级车载电网构件可以从初级车载电网电池或初级车载电网蓄能器供电。所述至少一个次级车载电网构件可以由次级车载电网电池或次级车载电网蓄能器供电。此外，次级车载电网电池具有第一连接端，所述至少一个次级车载电网构件可连接到该第一连接端上。为了提供用于所述至少一个次级车载电网构件供电的电能，次级车载电网电池具有电池单体组合。电池单体组合构成为电池单体的电路连接，例如串联电路和/或并联电路。电池单体组合例如可以提供12V的次级车载电网电压以用于所述至少一个次级车载电网构件。电池单体组合具有第一极、例如正极以及第二极、例如负极。各极中之一、例如正极与电路连接点电气连接。
电路连接点此外经由第一开关机构与第一连接端连接。通过第一开关机构那么第一连接端可切换到电池单体组合上。第一开关机构特别是设计为，在导通状态下允许至第一连接端的至少一个能量流，并且在截止状态下截止至第一连接端的至少一个能量流。第一开关机构例如可以具有半导体开关、例如功率MOSFET，其至少是能单向截止的。为了提供双向的截止能力、亦即为了截止朝向第一连接端和朝向电路连接点的能量流，第一开关机构例如可以具有两个反串联的半导体开关和/或继电器。
如果例如所述至少一个次级车载电网机构应供以电池单体组合的电能，那么对于第一开关机构提供导通状态。为了提供导通状态例如可以激活或接通半导体开关或闭合继电器。在导通状态下连接到第一连接端上的次级车载电网构件经由第一开关机构与电池单体组合电气连接。备选或附加于从电池单体组合供能但是也可以规定，所述至少一个次级车载电网构件从初级车载电网供以电能。此外次级车载电网电池具有第二连接端，次级车载电网电池能够通过第二连接端与初级车载电网电气连接。特别是初级车载电网和次级车载电网具有几乎相同的车载电网电压、优选12V。如此次级车载电网电池可以在没有中间连接直流电压转换器的情况下与初级车载电网电气连接，其方式为将初级车载电网直接连接到第二连接端上。
第二连接端通过第二开关机构与电路连接点电气连接，所述电路连接点也与第一开关机构电气连接。由此第一开关机构也与第二开关机构电气连接。第二开关机构特别是设计为，在导通状态下允许由第二连接端至电路连接点的至少一个能量流，并且在截止状态下至少截止至电路连接点的能量流。第二开关机构例如同样可以具有半导体开关、例如功率MOSFET和/或继电器。如果第二次级车载电网构件应从初级车载电网供以电能，那么对于两个开关机构提供导通状态。通过两个开关机构的导通状态能实现由第二连接端经由所述两个开关机构至第一连接端的能量流路径。在连接到第一连接端上的次级车载电网构件和连接到第二连接端上的初级车载电网的情况下，因此电能可以从初级车载电网经由能量流路径流至次级车载电网构件。
如果不应运行所述至少一个次级车载电网构件，那么可以在截止状态下运行第一开关机构。因此，次级车载电网构件既不供以电池单体组合的电能也不从初级车载电网供以电能。例如在初级车载电网的运转良好的状态下不运行次级车载电网构件。次级车载电网构件那么例如仅仅当所述至少一个初级车载电网构件失灵的情况下才运行或激活。也可以规定，在机动车非自动化的、手动的行驶模式下次级车载电网构件是非激活的，并且第一开关机构具有截止状态。
为了阻止：在初级车载电网中出现的过载——其例如由于在初级车载电网中的短路引起——传输至次级车载电网，在过载情况下至少第二开关机构可以转变到截止状态。这样的过载例如可以是在初级车载电网中的过流和/或过压。过流例如可以是以电流峰值形式的短时的过流和/或持久的导致次级车载电网电池的过热的过流。通过第二开关机构的截止状态——其例如通过继电器的打开或半导体开关的停用提供——可以阻止所述至少一个次级车载电网构件以及电池单体组合的过载。
为了提供开关机构的不同的开关状态、亦即导通状态和截止状态，次级车载电网电池具有控制机构，其设计为，驱控可控制的开关机构。提供相应的要求的开关状态可理解为或者转变到所要求的开关状态或者保持所要求的开关状态。控制机构例如可以是次级车载电网电池的电池管理系统的构件。
通过所述两个集成的开关机构——其可以经由两个连接端与初级车载电网和次级车载电网连接——可以通过次级车载电网电池有利地提供多个功能。借助于次级车载电网电池，次级车载电网构件可以不仅由电池单体组合而且初级车载电网供以电能。附加地可以由次级车载电网阻止在初级车载电网中例如在过载情况下的波动。因此特别是在初级车载电网与次级车载电网电池之间的直流电压转换器不是必要的。省去直流电压转换器有利地影响车载电网系统的重量、成本、结构空间和损耗功率。
证实为有利的是，所述控制机构设计为，为了从初级车载电网给电池单体组合充电而提供至少对于第二开关机构的导通状态。通过第二开关机构的导通状态允许由第二连接端经由电路连接点至电池单体组合的能量流。在该情况下，例如第一开关机构可以具有截止状态。电池单体组合例如可以在机动车的停车状态下和/或在机动车的手动行驶状态下充电，其方式为所述控制机构使得第二开关机构置于导通状态。
优选地，所述电池单体组合和所述开关机构设置在一个共同的电池壳体中，其中，所述两个连接端设置在电池壳体的壳体壁中。开关机构因此集成到次级车载电网电池中。特别是，所述控制机构也设置在电池壳体中。次级车载电网电池因此特别紧凑地构成且提供多个不同的功能。
按照一个实施形式，所述第二开关机构具有至少朝向电路连接点可截止的开关元件、特别是半导体开关和/或继电器。为了持续阻止由电路连接点至第二连接端的能量流，第二开关机构沿截止方向具有与开关元件串联的二极管。所述开关元件设计为，在第二开关机构的截止状态下至少截止由第二连接端至电路连接点的能量流，例如在初级车载电网侧过载的情况下。二极管例如可以连接在第二连接端与开关元件之间。二极管朝向第二连接端沿截止方向极化，从而通过二极管持续不仅在开关元件的导通状态下而且在截止状态下阻止由电路连接点至第二连接端的能量流。该二极管在如下情况下是特别有利的，即如果作为开关元件应用带有寄生的体二极管或反向二极管的半导体开关。基于该反向二极管——其在半导体开关的截止状态下朝向第二连接端导通——可以仅仅单向地朝向电路连接点阻止能量流。为了阻止朝向第二连接端的能量流而设有二极管，所述二极管在半导体开关的截止状态下与反向二极管反串联地连接。通过二极管可以有利地例如阻止：在次级车载电网中的过载传输至初级车载电网。
备选于此地，所述第二开关机构在导通状态下设计为，引导由电路连接点至第二连接端的能量流，其中，所述控制机构设计为，为了从次级车载电网电池的电池单体组合提供用于初级车载电网的供电而提供用于第二开关机构的导通状态。第二开关机构那么设计为，将能量流在第二开关机构的导通状态下双向引导。次级车载电网电池那么可以有利地也用于给初级车载电网供电或支持初级车载电网电池。此外可以提供由电池单体组合经由电路连接点、经由第二开关机构以及经由第二连接端至初级车载电网的能量流路径。
证实为有利的是，所述第一和/或第二开关机构设计为用于在相应的连接端与电路连接点之间能量流的双向的截止和导通。特别是，所述第一和/或第二开关机构具有各两个反串联的半导体开关和/或各至少一个继电器。在所述两个反串联的半导体开关、例如功率MOSFET的截止状态下，相应的反向二极管反串联连接，从而可以沿两个方向阻止能量流。继电器在打开状态下双向可截止且在闭合状态下双向可导通。双向导通能力和截止能力特别是在第二开关机构的情况下是特别有利的，因为在第二开关机构的导通状态下一个车载电网的构件可由其他车载电网的电池供电，而在第二开关机构的截止状态下可以由一车载电网阻止在另一个车载电网中的过载。
在本发明的一个改进中，所述控制机构设计为，根据电流传感器数据和/或电压传感器数据监控初级车载电网的电流和/或电压，并且将电流的超过预定的电流边界值的过流值和/或电压的超过预定的电压边界值的过压值识别为过载。所述控制机构例如可以接收传感器数据和通过分析传感器数据来识别过载。传感器数据可以例如经由通信通道由初级车载电网的传感器机构传输给控制机构。但是也可以规定，次级车载电网电池具有至少一个传感器机构用于检测初级车载电网的电流传感器数据和/或电压传感器数据。这样的传感器机构可与第二连接端电气连接且测量位于在第二连接端上的电压和/或流经第二连接端的电流。次级车载电网电池的传感器机构的传感器数据那么可以提供给控制机构，所述控制机构可以识别过载。在识别出过载的情况下，控制机构可以提供用于第二开关机构的截止状态。
在另一实施形式中，所述第二开关机构具有两个反串联的半导体开关、带有集成的反向二极管的半导体开关，其中，所述控制机构设计为，提供用于次级车载电网电池的诊断模式，并且为此将这样的半导体开关利用由第二连接端朝向电路连接点沿流动方向极化的反向二极管对于预定的诊断时间段转变到截止状态，并且为了诊断次级车载电网电池的故障监控至少一个由次级车载电网电池的传感器机构在诊断时间段期间检测的特征参量。传感器机构特别是设计为，作为特征参量检测如下中至少之一：在电路连接点与电池单体组合的接地连接端之间的电流；在第二连接端与电路连接点之间的电流；在第一连接端上的电压；在第二连接端上的电压；在半导体开关上的电压。优选地，所述控制机构设计为，作为故障诊断在电池单体组合与接地之间的电气连接的中断和/或对于诊断模式要转变到截止状态的半导体开关的开关能力不足和/或传感器机构的功能不足。
所述两个反串联的半导体开关中如下这样的半导体开关——其反向二极管朝向电池单体组合沿流动方向极化且其因此朝向电路连接点不是能截止的——用于诊断在次级车载电网电池中的故障。为此，该诊断半导体开关为了提供诊断模式短时地对于预定的诊断时间段置于截止状态或打开，由此有目的地能实现来自电池单体组合的电流。诊断模式可以在此在次级车载电网电池的运行期间周期地例如以1秒或1毫秒的间距通过控制机构提供。
例如可以实施电气诊断，其中检测：在电池单体组合与和次级车载电网电池的接地连接端连接的接地端之间的电气连接是否存在或者至少变差、特别是中断。该电气连接的中断，亦即在次级车载电网电池上的接地损耗在初级车载电网中故障的情况下导致两个车载电网、亦即初级车载电网和冗余的次级车载电网的立刻的失灵。为了识别接地损耗而打开诊断半导体开关，由此其反向二极管产生在导通电压水平上的电位差。如果存在至接地连接端的电气连接，那么这导致来自电池单体组合的电流，其中仅仅稍微地、例如最高1.3V地给该电池单体组合放电。
在按照规定存在至接地的电气连接的情况下，在电路连接点与接地连接端之间的电流在打开诊断半导体开关之后超过预定的阈值、例如10A，因为直接从电池单体组合实现用于次级车载电网构件的供电的电流。在电路连接点与接地连接端之间的电流例如可以由传感器机构的第一电流传感器检测。在电气连接存在接地损耗并因此中断的情况下该电流几乎为0A。
附加地，可以例如由传感器机构的第二电流传感器检测在第二连接端与电路连接点之间的电流。在存在至接地的连接的情况下，次级车载电网构件在打开诊断半导体开关之后不再由初级车载电网而是电池单体组合供电，从而几乎没有电流流经诊断半导体开关的反向二极管。那么假如经由反向二极管的电流显著低于预定的阈值，那么电气连接估计为存在的。在接地损耗的情况下，几乎立刻由初级车载电网提供的用于支持次级车载电网构件的电流流经打开的诊断半导体开关的反向二极管且因此超过阈值。
备选或附加于电流的监控，可以由传感器机构的第一电压传感器检测在诊断半导体开关上的电压。如果该电压低于反向二极管的导通电压，那么该电气连接评估为存在的。如果电压至少等于导通电压，那么这是对于如下的标记，即从初级车载电网提供的电流流经诊断半导体开关的反向二极管用于支持次级车载电网，并且因此次级车载电网电池不具有至接地的连接。
此外可以将由传感器机构的第二电压传感器检测的在第一连接端上的电压与由传感器机构的第三电压传感器检测的在第二连接端上的电压相比较。在连接接地连接端的情况下，两个电压几乎相同，亦即最高相互间相差预定的边界值。在接地损耗的情况下，在第一连接端上的电压相比于在第二连接端上的电压微小地下降，这虽然没有限制次级车载电网的功能能力，然而能实现接地损耗的诊断。
也可以实施执行器诊断，其中检测：诊断半导体开关——其在诊断模式之外在初级车载电网中短路的情况下应阻止能量馈送到初级车载电网中——是否是可开关的。换言之检测：该诊断半导体开关究竟是否对控制机构的用于提供截止状态的信号做出反应。例如可能的是，诊断半导体开关不再可以打开，因为该诊断半导体开关是永久熔断的(durchlegieren)且因此是不可开关的。为了诊断，给诊断半导体开关通过控制机构提供用于截止状态的信号。
在可开关的状态下，所述诊断半导体开关打开，其中，通过电池单体组合的电流以过去在诊断模式之前存在的通过第二连接端的电流的水平形成。在可开关的状态下，在第二连接端与电路连接点之间的电流至少短时为0A，因为用于次级车载电网构件的电流直接从电池单体组合流出。那么几乎也没有电流流经诊断半导体开关的反向二极管，因为次级车载电网构件的供电由初级车载电网倒换到电池单体组合。
如果诊断半导体开关是无法开关的且根据控制机构的信号不可过渡到截止状态，那么将不发生供电由初级车载电网倒换到电池单体组合。通过电池单体组合的电流将以0A检测，并且此外由初级车载电网提供的在第二连接端与电路连接点之间的电流是可测量的。
此外可以在诊断模式下实施传感器诊断，其中检测：传感器机构是否是具有功能能力的。例如，传感器机构可以在第二连接端与电路连接点之间以及在电路连接点与接地连接端之间具有电流传感器。在电路连接点与第一连接端之间的电流例如可以通过计算方式通过基尔霍夫定律确定，或者在那里可以设有另一电流传感器。借助于该电流传感器可以如上所述检测诊断半导体开关以及接地连接。为了可以可靠实施电气诊断和执行器诊断，也应检测传感器机构的功能能力。如果打开诊断半导体开关用以提供诊断模式，那么出现特征参量的值，如其已经结合在半导体开关的可开关的状态下的执行器诊断以及结合在与接地连接的状态下的电气诊断所述那样。如果传感器机构的传感器检测特征参量的值，其不同于特征参量的所述值，那么可以由此识别电流传感器的功能不足。
按照本发明的机动车包括按照本发明的车载电网系统。机动车特别是轿车，其构成为用于至少高度自动化的行驶、亦即用于高度自动化的行驶和/或全自动化的行驶。
参照按照本发明的次级车载电网电池提出的实施形式及其优点相应适用于按照本发明的车载电网系统以及按照本发明的机动车。
本发明另外的特征由权利要求、附图和附图说明产生。之前在说明书中所述的特征和特征组合以及如下在附图说明中所述的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合可以不仅以各自说明的组合而且也以其他组合或单独地应用。
附图说明
现在根据优选实施例以及参照附图进一步阐明本发明。附图示出：
图1示出按照本发明的车载电网系统的第一实施形式的示意图；
图2示出按照本发明的车载电网系统的第二实施形式的示意图；
图3示出按照本发明的车载电网系统的第三实施形式的示意图；以及
图4示出按照本发明的车载电网系统的第四实施形式的示意图。
具体实施方式
在附图中相同以及功能相同的元件设有相同附图标记。
图1示出用于在此未示出的机动车的车载电网系统1。车载电网系统1具有初级车载电网2，其包括初级车载电网电池3和至少一个初级车载电网构件4。此外车载电网系统1具有次级车载电网5，其构成为对于初级车载电网2的冗余。次级车载电网5是所谓的HAF(高度自动化行驶)和/或VAF(全自动化行驶)车载电网，其具有至少一个对于高度自动化行驶必要的次级车载电网构件6。这样的次级车载电网构件6例如是用于机动车的环境检测的传感器和/或用于干预机动车的纵向动力和横向动力的执行器。次级车载电网5具有次级车载电网电池7。在此车载电网系统1具有另一次级车载电网8，其另一次级车载电网构件9在此通过直流电压转换器10从初级车载电网2供能。另一次级车载电网8那么在此不具有自身的电池。备选或附加地，另一次级车载电网8也可以具有自身的电池，从而另一次级车载电网构件9可从自身的电池和/或初级车载电网2供能。
次级车载电网电池7具有电池单体组合11，其在此包括电池单体12的串联电路。次级车载电网电池7经由第一连接端13与次级车载电网构件6电气连接。次级车载电网电池7经由第二连接端14与初级车载电网2在没有中间连接直流电压转换器的情况下电气连接。次级车载电网电池7此外具有第一开关机构15，所述第一开关机构与第一连接端13和电路连接点16电气连接。电路连接点16此外与电池单体组合11电气连接。第一开关机构15在此具有继电器17。在第一开关机构15的截止状态下、亦即如果继电器17打开，那么双向中断在第一连接端13与电路连接点16之间的能量流。次级车载电网构件6那么不可以供以电池单体组合11的电能。在第一开关机构15的导通状态下，亦即如果继电器17闭合，那么在第一连接端13与电路连接点16之间的能量流是可能的。次级车载电网构件6例如可以供以电池单体组合11的电能。
次级车载电网电池7此外具有第二开关机构18，所述第二开关机构与第二连接端14和电路连接点16电气连接。第二开关机构18在此同样具有继电器19以及二极管20。在第二开关机构18的截止状态下，亦即如果继电器19打开，那么双向中断在第二连接端14与电路连接点16之间的能量流。在第二开关机构18的截止状态下，可以由次级车载电网5阻止初级车载电网侧的过载、例如在初级车载电网2中的过流和/或过压，因为第二开关机构18阻止由与初级车载电网连接的第二连接端14朝向电路连接点16的能量流。
在第二开关机构18的导通状态下，亦即如果继电器19闭合，那么由第二连接端14至电路连接点16的能量流是可能的。由电路连接点16朝向第二连接端14的能量流通过二极管20阻止。如果不仅第一开关机构15而且第二开关机构18具有导通状态，那么次级车载电网构件6也可以从初级车载电网2供以电能。在至少第二开关机构18具有导通状态的情况下，可以通过初级车载电网2给次级车载电网电池7充电，其方式为给电池单体组合11从初级车载电网2供给电能。
次级车载电网电池7的控制机构21设计为，驱控开关机构15、18。如果例如次级车载电网构件6应从初级车载电网2供能，那么使得两个开关机构15、18置于导通状态。如果例如在初级车载电网2中出现过载，那么至少使得第二开关机构18达到截止状态。第一开关机构15可以在初级车载电网侧过载的情况下达到导通状态，从而次级车载电网构件6从电池单体组合11供以电能。初级车载电网侧的过流和/或初级车载电网侧的过压例如可以借助于在第二连接端14旁的传感器机构22检测。
所述两个开关机构15、18、电池单体组合11以及控制机构21可以集成到一个共同的电池壳体23中。连接端13、14可以设置在电池壳体23的壳体壁24中。次级车载电网电池7因此构成为紧凑的、提供多种功能构件。
在图2中示出机动车用车载电网系统1的另一实施形式。在此，第二开关机构15具有两个反串联的半导体开关HL1、HL2、例如MOSFET。为了提供第一开关机构15的截止状态，可以关断两个半导体开关HL1、HL2。半导体开关HL1、HL2的寄生反向二极管BD在半导体开关HL1、HL2的截止状态下反串联连接且阻止在第一连接端13与电路连接点16之间沿两个方向或双向的能量流。第二开关机构18同样具有半导体开关HL3、例如MOSFET，其然而仅仅单向地朝向电路连接点16是可截止的。半导体开关HL3的反向二极管BD允许在半导体开关HL3的截止状态下朝向第二连接端14的能量流。串联连接在半导体开关HL3上游的二极管10然而可以持久地不仅在半导体开关HL3的导通状态下而且截止状态下截止朝向第二连接端14的能量流。
在图3中示出用于机动车的车载电网系统1的另一实施形式。第一开关机构15在此仅仅具有半导体开关HL1，并且单向是可截止的。反向二极管BD也允许在半导体开关HL1的截止状态下由与次级车载电网构件6电气连接的第一连接端13至电路连接点16的能量流。由电路连接点16至次级车载电网构件6的能量流在半导体开关HL1的截止状态下被阻止。第一开关机构15但是也可以如图2中所示具有两个反串联的半导体开关以用于构成第一开关机构15的双向截止能力。
第二开关机构18附加于半导体开关HL3还具有第二反串联的半导体开关HL4。在两个半导体开关HL3、HL4的截止状态下、亦即在第二开关机构18的截止状态下双向阻止在第二连接端14与电路连接点16之间的能量流。如此例如可以由次级车载电网5阻止初级车载电网侧的过载，并且可以由初级车载电网2阻止次级车载电网侧的过载。通过借助于反串联的半导体开关HL3、HL4提供的第二开关机构18的双向截止能力可以取消二极管20，如其在图1和图2中所示。
通过省去二极管20，第二开关机构18在导通状态下双向是可导通的。那么也可以发生由电路连接点16朝向第二连接端14的能量流。因此也可以通过次级车载电网电池7给初级车载电网2供以电能。换言之，可以通过次级车载电网电池7支持初级车载电网电池3。此外，控制机构21可以提供第二开关机构18的导通状态且控制朝初级车载电网2的方向的能量流。
在图4中示出车载电网系统1的另一实施形式，其中控制机构21设计为，在使用第二开关机构18的两个反串联的半导体开关HL3、HL4的情况下在诊断模式下运行次级车载电网电池7。为了提供诊断模式，控制机构21可以打开这样的半导体开关HL3，其反向二极管BD由第二连接端14至电路连接点16且由此至电池单体组合11沿流动方向极化。例如控制机构21可以诊断，在次级车载电网电池7中是否存在以在电池单体组合11和电池单体组合11的接地连接端26至接地M的电气连接的中断25或变差的形式的故障。接地M例如可以是机动车的车身。诊断模式可以周期地在预定的诊断时刻和在次级车载电网电池7的运行期间实施。
通过打开半导体开关HL3或提供用于半导体开关HL3的截止状态，有目的地能实现从电池单体组合11朝向接地连接端26的电流，假如中断25不存在，并且因此至接地M的连接按照规定存在。来自电池单体组合11的该电流例如可以利用第一电流传感器27检测。如果由第一电流传感器27检测的电流大于预定的阈值、例如10A，那么中断25不存在，并且电池单体组合11与接地M连接。如果由第一电流传感器27检测的电流小于预定的阈值，那么至接地M的电气连接至少已经变差。如果检测的电流几乎为0A，那么中断25存在，并且电池单体组合11不与接地M连接。在次级车载电网电池7上的这样的接地损耗虽然不导致次级车载电网5的失灵，然而在初级车载电网2中的另一故障将导致两个车载电网2、5的立刻的失灵。
附加地可以由第二电流传感器28监控在第二连接端14与电路连接点28之间的电流。在正确连接到接地M上的情况下，用于次级车载电网构件6的电流在打开的半导体开关HL3的情况下直接从电池单体组合11流出，其中经由半导体开关HL3的反向二极管BD的电流几乎为0A。如果存在接地连接的中断25，那么电流立刻流经半导体开关HL3的反向二极管BD，这可通过第二电流传感器28检测且可通过控制机构21诊断为故障。
备选或附加于用于检测在电池单体组合11与接地M之间的电气连接的电流的检测，也可以监控在第一连接端13、第二连接端14和半导体开关HL3上的电压。如果存在接地连接的中断25，那么在第一连接端13上的电压下降且小于在第二连接端14上的电压。此外在半导体开关HL3上的电压至少相应于反向二极管BD的导通电压。
而且可以在诊断模式下检测：半导体开关HL3是可以按照规定来开关还是例如永久熔断的。在永久熔断的状态下，不再可以打开半导体开关HL3——其在车载电网2、5的运行期间通常是闭合的——且因此不再可以阻止在初级车载电网2的短路情况下馈送到初级车载电网2中。为了诊断半导体开关HL3的该不可开关性而检测：该半导体开关HL3在诊断模式下是否也实际上是打开的，在该诊断模式下半导体开关HL3原本应通过控制机构21打开。例如，如果从电池单体组合11朝向电路连接点16流动的电流几乎相应于在提供诊断模式之前流经第二连接端14的电流，于是可以识别到半导体开关HL3的打开的状态。在该情况下，次级车载电网构件6在打开半导体开关HL3之后从电池单体组合11供以电流。
如果半导体开关HL3是不可开关的且不再可打开，那么将不会导致次级车载电网构件6从初级车载电网2的供电倒换到从电池单体组合11的供电。在电池单体组合11与电路连接点16之间的电流那么为几乎0A，并且次级车载电网构件6将再次从初级车载电网2供以电流。而且，假如在诊断模式下根据第二电流传感器28检测的电流短时几乎为0A，那么打开的状态并继而半导体开关HL3的开关能力是可识别的。电流传感器27、28在半导体开关HL3的打开的状态下应检测的该电流值也可以用于诊断电流传感器27、28的功能能力。在半导体开关HL3具有功能能力且在诊断模式下打开的情况下，电流传感器27、28必须检测相应的值。假如其未做这一点，那么将其诊断为无功能能力。
通过诊断模式、亦即通过打开半导体开关HL3不产生限制，因为在电路连接点16与接地连接端26之间中断的情况下用于次级车载电网构件6的供电的电流也可以流经半导体开关HL3的反向二极管BD。在第一连接端13上的电压降仅仅稍微地下降、特别是下降了最大1.3V。次级车载电网5那么此外完全被支持，不具有功能上的限制。
附图标记列表
1 车载电网系统
2 初级车载电网
3 初级车载电网电池
4 初级车载电网构件
5 次级车载电网
6 次级车载电网构件
7 次级车载电网电池
8 另一次级车载电网
9 另一次级车载电网构件
10 直流电压转换器
11 电池单体组合
12 电池单体
13 第一连接端
14 第二连接端
15 第一开关机构
16 电路连接点
17 继电器
18 第二开关机构
19 继电器
20 二极管
21 控制机构
22 传感器机构
23 电池壳体
24 壳体壁
25 中断
26 接地连接端
HL1、HL2、HL3、HL4 半导体开关
BD 反向二极管
M 接地

Claims (16)

1.用于对于机动车的初级车载电网(2)冗余的次级车载电网(5)的次级车载电网电池(7)，包括：
-用于提供电能的电池单体组合(11)；
-第一连接端(13)，用于将次级车载电网电池(7)与至少一个次级车载电网构件(6)电气连接；
-第二连接端(14)，用于将次级车载电网电池(7)与初级车载电网(2)电气连接；
-在第一连接端(13)与和电池单体组合(11)电气连接的电路连接点(16)之间的第一开关机构(15)；
-在第二连接端(14)与电路连接点(16)之间的第二开关机构(18)；以及
-控制机构(21)，其设计为，为了从初级车载电网(2)给所述至少一个次级车载电网构件(6)供电而提供对于第一开关机构(15)和第二开关机构(18)的导通状态以用于允许由第二连接端(14)经由电路连接点(16)至第一连接端(13)的能量流；并且为了防止初级车载电网侧的过载而提供对于第二开关机构的截止状态以用于阻止由第二连接端(14)至电路连接点(16)的能量流。
2.根据权利要求1所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述控制机构(21)设计为，为了利用来自初级车载电网(2)的能量给电池单体组合(11)充电而提供至少对于第二开关机构(18)的导通状态以用于允许由第二连接端(14)经由电路连接点(16)至电池单体组合(11)的能量流。
3.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述电池单体组合(11)、所述第一开关机构(15)和第二开关机构(18)设置在一个共同的电池壳体(23)中，其中，第一连接端(13)和第二连接端(14)设置在电池壳体(23)的壳体壁(24)中。
4.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述第二开关机构(18)具有至少朝电路连接点(16)的方向可截止的开关元件，并且为了持续阻止由电路连接点(16)至第二连接端(14)的能量流而沿截止方向具有与开关元件串联的二极管(20)。
5.根据权利要求4所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述开关元件是半导体开关和/或继电器。
6.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述第二开关机构(18)在导通状态下设计为，允许由电路连接点(16)至第二连接端(14)的能量流，其中，所述控制机构(21)设计为，为了从次级车载电网电池(7)的电池单体组合(11)为初级车载电网(2)供能而提供对于第二开关机构(18)的导通状态。
7.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述第一开关机构(15)设计为用于在相应的第一连接端(13)与电路连接点(16)之间能量流的双向的截止和导通，和/或第二开关机构(18)设计为用于在相应的第二连接端(14)与电路连接点(16)之间能量流的双向的截止和导通。
8.根据权利要求7所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述第一开关机构(15)和/或第二开关机构(18)具有各两个反串联的半导体开关(HL1、HL2、HL3、HL4)和/或各至少一个继电器(17、19)。
9.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述控制机构(21)设计为，根据电流传感器数据和/或电压传感器数据监控初级车载电网(2)的电流和/或电压，并且将电流的超过预定的电流边界值的过流值和/或电压的超过预定的电压边界值的过压值识别为过载。
10.根据权利要求9所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述次级车载电网电池(7)具有至少一个传感器机构(22)，以用于检测初级车载电网(2)的电流传感器数据和/或电压传感器数据。
11.根据权利要求1或2所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述第二开关机构(18)具有两个反串联的、带有集成的反向二极管(BD)的半导体开关，其中，所述控制机构(21)设计为，提供用于次级车载电网电池(7)的诊断模式，并且为此将这样的半导体开关利用由第二连接端(14)朝向电路连接点(16)沿流动方向极化的反向二极管(BD)对于预定的诊断时间段转变到截止状态，并且为了诊断次级车载电网电池(7)的故障而监控至少一个由次级车载电网电池(7)的电流传感器(27、28)在诊断时间段期间检测的特征参量。
12.根据权利要求11所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述电流传感器(27、28)设计为，作为特征参量检测如下中至少一个：在电路连接点(16)与电池单体组合(11)的接地连接端(26)之间的电流；在第二连接端(14)与电路连接点(16)之间的电流；在第一连接端(13)上的电压；在第二连接端(14)上的电压；在半导体开关上的电压。
13.根据权利要求11或12所述的次级车载电网电池(7)，其特征在于，所述控制机构(21)设计为，将在电池单体组合(11)与接地(M)之间的电气连接的中断(25)和/或对于诊断模式要转变到截止状态的半导体开关的开关能力不足和/或电流传感器(27、28)的功能不足诊断为故障。
14.用于机动车的车载电网系统(1)，具有：初级车载电网(2)，其包括至少一个初级车载电网构件(4)和用于给所述至少一个初级车载电网构件(4)供电的初级车载电网电池(3)；和对于初级车载电网(2)冗余的次级车载电网(5)，所述次级车载电网包括至少一个次级车载电网构件(6)和根据权利要求1至13之一所述的次级车载电网电池(7)，其中，所述次级车载电网电池(7)经由第一连接端(13)与所述至少一个次级车载电网构件(6)电气连接且经由第二连接端(14)与初级车载电网(2)电气连接。
15.根据权利要求14所述的车载电网系统(1)，其特征在于，所述至少一个初级车载电网构件(4)构成为传感器和/或执行器以用于提供机动车的至少高度自动化的行驶模式，并且所述至少一个次级车载电网构件(6)构成为冗余的传感器和/或执行器。
16.机动车，包括根据权利要求14或15所述的车载电网系统(1)。
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