CN114175432A - 车辆车载电网和用于保护车辆车载电网的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种用于机动车(100)的电气的车载电网(150)，其包括配电器(152)和多个第一导线(154)，所述第一导线设计成用于，将对应的多个电气的构件(153)与配电器(152)连接。此外，所述车载电网(150)包括用于对应的多个第一导线(154)的基于半导体的多个第一开关元件(204)，其中，特定的第一导线(154)的特定的第一开关元件(204)构造成用于中断特定的第一导线(154)。此外，所述车载电网(150)包括第二导线(155)，所述第二导线构造成用于，将配电器(152)与车载电网(150)连接，并且所述车载电网包括限定单元(205、215、151)，其设计成用于，限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流。车载电网(150)此外包括控制单元(201)，其设计成用于，确定：尽管通过特定的第一开关元件(204)的第一电流超过第一电流阈值，但是特定的第一开关元件(204)没有断开；并且响应于此，使限定单元(205、215、151)限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电气的车载电网。尤其地，本发明涉及一种用于防护或者说保护机动车的电气的车载电网的方法和/或对应的控制单元。
背景技术
车辆包括许多电气的消耗器，经由车辆的电气的车载电网向各消耗器提供电流。电气的消耗器的缺陷会导致在至电气的消耗器的电气的导线上的短路，其中，其余的车载电网也可能被短路影响。为了保护车载电网，在至各个电气的消耗器的各个导线上、尤其是在一个或多个配电器中通常设置熔断器，所述熔断器构造成用于，由于短路将电气的消耗器与其余的车载电网分开。
熔断器通常具有相对大的公差和相对高的反应时间。此外，需要手动地更换经触发的熔断器。因此，可以代替熔断器使用基于半导体的开关元件(例如MOSFET)，以便将各个电气的消耗器与车辆的车载电网分开。
然而，基于半导体的开关元件可能具有故障，所述故障例如会导致开关元件持久地闭合或者说为“ON”，并且不再可以被断开。在这样的情况中，不能通过有缺陷的开关元件提供用于车载电网的保护功能。
发明内容
本文件涉及如下技术任务，即，以有效的方式提高电气的车载电网的由于在车载电网的电气的供应导线上的事件的安全性。
所述任务通过每个独立权利要求来解决。在从属权利要求中主要描述有利的实施方式。要指出的是，从属于独立权利要求的权利要求的附加特征可以在没有独立权利要求的特征的情况下或仅结合独立权利要求的特征的部分形成单独的并且独立于独立权利要求的全部特征的组合的发明，其可以构成独立权利要求、分案申请或在后申请的内容。这以相同的方式适用于在说明书中描述的技术教导，所述技术教导可以构成独立于独立权利要求的特征的发明。
按照一方面，描述用于机动车的电气的车载电网。所述车载电网包括至少一个配电器，所述至少一个配电器设计成用于，向车载电网的部分区域提供电流。通常，车载电网包括用于车载电网的不同的子网或部分区域的多个不同的配电器。
此外，车载电网包括多个第一导线，所述第一导线设计成用于，将对应的多个电气的构件与配电器连接。换句话说，车载电网的通过配电器提供电流的部分区域可以包括多个电气的构件(尤其是消耗器)，所述电气的构件分别经由电气的导线与配电器连接。
此外，车载电网包括用于对应的多个电气的构件或用于对应的多个第一导线的基于半导体的多个第一开关元件。在此，在特定的第一导线上的特定的第一开关元件可以构造成用于中断该特定的第一导线。尤其是可以对于每个第一导线提供(在必要情况下正好)一个第一开关元件，以便将相应的第一导线在需要时(例如在短路时)隔开。在此，用于特定的第一导线的特定的第一开关元件可以构造成用于，一旦通过特定的第一开关元件的第一电流超过第一电流阈值，则在无故障的运行中自动断开该特定的第一开关元件。第一开关元件可以具有一个或多个单极的和/或双极的晶体管、例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管和/或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
车载电网此外包括第二导线，所述第二导线构造成用于，将配电器与车载电网连接。配电器可以构造成，使得在第二导线上的第二电流具有在对应的多个第一导线上的多个第一电流的总和或等于各第一电流的总和。尤其是配电器可以构造成用于，将第二电流分配到所述多个第一导线上。在第二导线上的第二电流可以等于用于车载电网的通过配电器形成的部分区域的电流。
此外，车载电网包括限定单元，所述限定单元设计成用于，限定或阻止在第二导线上的第二电流和/或改变在第二导线上的第二电压。所述限定单元可以包括第二开关元件(例如MOS晶体管或IGBT)，所述第二开关元件设计成用于，中断第二导线，以便阻止第二电流。备选地或补充地，限定单元可以具有变压器、尤其是直流变压器，所述变压器设计成用于，降低和/或阻止第二电流。所述变压器例如可以用作用于车载电网的能量源。
此外，车载电网包括控制单元，所述控制单元设计成用于，确定：尽管通过特定的第一开关元件的第一电流超过第一电流阈值，但是该特定的第一开关元件没有断开。因此可以探测特定的第一开关元件的故障。为此目的，例如可以使用在特定的第一导线上的电流测量单元，以便确定通过特定的第一开关元件的第一电流。控制单元然后可以基于所述电流测量单元的传感器数据探测：尽管超过第一电流阈值，但是所述特定的第一开关元件没有断开。
控制单元此外设计成用于，响应于确定了特定的第一开关元件没有断开，使限定单元限定或阻止在第二导线上的第二电流和/或降低在第二导线上的第二电压。因此可以引起在车载电网的较高的层级上的电流的限定或中断，以便限定在特定的第一导线(包括有缺陷的第一开关元件)上的第一电流。这样可以以有效且可靠的方式限定车载电网的通过配电器形成的部分区域的故障对车载电网的其余部分的影响。
限定单元可以具有上级的电流阈值，从所述上级的电流阈值开始，自动限定或阻止在第二导线上的第二电流。所述上级的电流阈值可以大于第一电流阈值(尤其是以系数2或更多、或5或更多、或10或更多大于第一电流阈值)。
控制单元可以设计成用于，使限定单元限定或阻止在第二导线上的第二电流，即使第二电流还未达到上级的电流阈值。因此可以引起对车载电网的特别可靠的保护。
控制单元可以设计成用于，在限定或阻止在第二导线上的第二电流之前，将关于其上设置有特定的第一开关元件的特定的第一导线的信息；和/或关于经由特定的第一导线连接在配电器上的特定的构件的信息；和/或关于在特定的第一导线上的第一电流的故障原因的信息存储到用于车载电网的故障存储器中。因此能够可靠地实现，在特定的第一导线上的故障在在后的时间点可以以有效且有针对性的方式消除。
控制单元可以设计成用于，在第二导线上的第二电流被限定或阻止之前，使(车载电网的通过配电器形成的部分区域的)所述多个构件之中的至少一个构件转移到可靠的状态中；和/或使所述多个构件之中的至少一个构件与备选的供电装置耦合。因此可以进一步提高车载电网的运行可靠性。
控制单元可以设计成用于，基于(必要情况下机器学习的)预测模型来预测，尽管通过特定的第一开关元件的第一电流超过第一电流阈值，所述特定的第一开关元件在先前的时间点没有断开。此外，控制单元可以设计成用于，在所述先前的时间点之前就已经采取一个或多个措施，以便降低在所述先前的时间点引起的第二电流的限定或中断对车载电网的影响。通过预测特定的第一开关元件的故障行为的时间点，可以以可靠的方式并且已经及早实施以上防护措施。因此能够进一步提高车载电网的运行的可靠性。
控制单元可以设计成用于，使限定单元将在第二导线上的第二电流限定成，使得所述多个电气的构件之中的至少一个电气的构件可以继续在降级的运行模式中运行。通过限定第二电流因此可以以有效的方式提高车载电网的可用性。
控制单元在必要情况下可以是特定的第一开关元件的部分(并且不是上级的控制器的部分)。尤其是控制单元可以设计成用于，将控制信号发送给限定单元的控制模块，以便使限定单元的控制模块将限定单元运行成，使得限定或阻止在第二导线上的第二电流。因此可以进行第一开关元件和限定元件的去中心化的控制。因此可以进一步提高车载电网的效率。
按照另一方面，描述一种(道路)机动车(尤其是轿车或载重车或公共汽车或摩托车)，其具有在本文件中所描述的车载电网。
按照另一方面，描述一种用于保护在本文件中所描述的电气的车载电网的方法。所述方法具有：确定：尽管通过特定的第一开关元件的第一电流超过第一电流阈值，但是从配电器引导离开的第一导线的特定的第一开关元件没有断开。此外，所述方法具有：响应于此，使在通向配电器的第二导线上的第二电流被限定或阻止，和/或在第二导线上的第二电压被降低。
按照另一个面，描述一种软件(SW)程序。所述SW程序可以设计成用于在处理器(例如在车辆的控制器上)实施，以及由此实施在本文件中所描述的方法。
按照另一方面，描述一种存储介质。所述存储介质可以具有SW程序，所述SW程序设计成用于在处理器上实施，以及由此实施在本文件中所描述的方法。
要注意的是，在本文件中所描述的方法、装置和系统不仅可单独使用而且可与在本文件中描述的其他方法、装置和系统结合地使用。此外，在本文件中所描述的方法、装置和系统的任何方面可以以多样化的方式相互组合。尤其是权利要求的特征可以以多样化的方式相互组合。
附图说明
此外根据实施例进一步描述本发明。在附图中：
图1a示出包括示例性的电气的消耗器的示例性的车辆；
图1b示出车辆的示例性的电气的车载电网的一部分；
图1c示出包括熔断器的示例性的配电器；
图2a示出包括基于半导体的开关元件的示例性的配电器；
图2b和2c示出配电器对在第一供应导线上的事件的示例性的响应；
图3示出用于防护车辆的电气的车载电网的示例性的方法的流程图；以及
图4示出用于防护车辆的电气的车载电网的另一种示例性的方法的流程图。
具体实施方式
如开头陈述的那样，本文件涉及提高车辆的电气的车载电网的安全性。就此而言，图1a示出包括不同的电气的消耗器101、102、103的示例性的车辆100。示例性的电气的消耗器是传感器102、执行器103和/或控制器101。
图1b示出车辆100的示例性的车载电网150的一部分。车载电网150包括至少一个能量源151，所述至少一个能量源设计成用于，提供在车载电网150中的电能。示例性的能量源151是：(电化学的)储能器、变压器和/或发电机。
车载电网150可以具有一个或多个配电器152，所述配电器设计成用于，经由各个第一供应导线154向各个电气的消耗器153、101、102、103提供来自能量源151的电流。能量源151可以经由第二导线155与配电器152连接。
配电器152可以如在图1c中示出的那样具有在各个导线154、155上的熔断器164、165，以便在各个导线154、155上的短路时可以中断各个导线154、155。
熔断器164、165通常具有相对大的公差、反应相对缓慢并且不可逆(从而必须手动地更换)。熔断器164、165可以如在图2a中示出的那样通过具有安全功能的半导体开关205、204代替。这样可以改善精确性、速度和可逆性。此外，可以通过使用基于半导体的开关元件204、205提供保护和诊断能力。
基于半导体的开关元件204、205也许会失效和/或具有缺陷。例如，内在的空穴密度(Defektdichte)会导致提高的漏电，由此会损坏开关元件204、205的锁定特性和/或由此在负载时也许不再可以完全引起开关元件204、205的接通。开关元件204、205的过载会导致开关元件204、205的持久的中断或持久的短路。
如果具有安全功能的半导体开关204以持久的短路、即“permanent on”失效，则半导体开关204的路径154不再可以切断。因此不再能够确保半导体开关204的安全功能。
如在图2a中示出的那样，可以存在开关元件204、205在不同的等级层次上的分级的布置结构。然而在电流分配中的紧接着较高的等级层次通常具有比处于该等级层次之下的等级层次上的开关元件204显著较高的安全阈值。因此可以在下级的(第一)导线154上的短路情况中不触发较高的层级的安全功能。于是不进行配电器152与车载电网150的分离。
备选地或补充地，可以为了提供冗余度而实施各个半导体开关204、205的加倍(例如“+开关”和“-开关”)。然而这导致花费和/或成本的加倍以及可用性的下降。
各个开关元件204、205可以如在图2a中示出的那样相互经由通讯网络相互连接。尤其是能够使第一层级的第一开关元件204的控制单元201与处于该第一层级之上的第二层级的第二开关元件205通讯。尤其是能够使第一开关元件204的控制单元201控制第二开关元件205，以便例如断开第二开关元件205。
如在图2b中示出的那样，例如可以探测在第一开关元件204上的事件214，通过所述事件损坏第一开关元件204的接通。尤其是可以探测，尽管超过特定的第一电流阈值，但是第一开关元件204没有断开并且因此第一导线154不可以隔开。第一开关元件204的控制单元201可以接着将控制信号211发送给第二开关元件204(尤其是第二开关元件204的控制模块)，以便断开第二开关元件204。尽管还未达到用于允许通过第二开关元件205的电流的第二电流阈值，但是在此可以在必要情况下引起第二开关元件204的断开。因此可以通过配电器152的分离引起对车载电网150的可靠的保护。
第二开关元件205可以是变压器215、尤其是DC/DC或者说直流变压器的部分。如在图2c中示出的那样，第一开关元件204的控制单元201可以设计成用于，对识别出的事件214进行响应而使变压器215降低在第二导线155上的电流。因此可以限定所述事件214对车载电网150的其余部分的影响。变压器215和第二开关元件205是用于限定和/或用于中断通过第二导线155的第二电流的限定单元的示例。
包括失效的末级或者说包括失效的半导体开关204的安全功能201可以因此非正式地与上级的安全功能互连，以便显示安全情况或事件214。响应于此，即使未超过上级的安全功能的电流阈值，也可以触发上级的安全功能。
图2b形象地说明配电器152的半导体开关单元204的失效和探测到的事件214以中断或去激活供电气的指令211向配电器152的半导体开关单元205的传输。图2c形象地说明配电器152的半导体开关单元204的失效和探测到的事件214以对供电降级或去激活的指令211向用于配电器152的DC/DC变压器215的传输。
备选或补充于较高的安全层级，可以在必要情况下使用直流变压器作为能量源151。可以例如通过控制指示211使所述能量源151降低输出电压或完全切断输出。电压的下降可以例如这样进行，即，能够继续实现各个消耗器153的其余功能(例如对于特定的时间间隔)，并且降低、尤其是最小化短路情况的影响。
各个安全功能可以基于模型地执行，例如以便预测故障情况或事件214。由此产生如下可能性，即提高或最大化用于触发的可用的延迟时间。这尤其是在如下情况中是有利的，即，在要切断的供应区段中，其余的消耗器、发电机、等153必须被通知或去激活。
控制单元201可以设计成用于，存档诊断和故障存储，从而可以界定对于事件214的故障原因。这样可以引起各个有缺陷的构件的有效的更换。尤其是可以因此避免去激活的、符合功能的构件的错误的更换。
在本文件中，所述分级的保险装置可以应用于：车载电网150的子网；供电轨道的部段；和/或车载电网环形结构的部段。切断例如可以基于电气的部分路径154或构件153的功能上建立的切断来进行。
图3示出用于防护车载电网150的示例性的方法300的流程图。可以探测事件214(步骤301)，并且可以基于此识别故障(步骤302)。响应于此，可以经由识别的故障通知较高的安全层级(步骤303)，并且可以检查，是否需要立即的触发(步骤304)。
如果不需要立即的触发，则可以在车载电网150的相关的部分区域内通讯安全情况，例如因此可以以双重的能量供应装置对消耗器进行切换(步骤305)和/或因此将供电气的预定的(anstehend)中断通知给消耗器。此外可以在必要情况下进行一个或多个系统的控制的去激活和/或降级(步骤306)。
当需要立即的触发或在实施上述步骤305、306之后，可以进行车载电网150的相关的部分区域的切断(步骤307)。此外可以实施故障的诊断和/或到故障存储器中的记录(步骤308)。此外可以引起向车辆100的用户的故障报告(步骤309)。此外可以引起车辆100的(没有车载电网150的相关的和/或分开的部分区域的)紧急运行(步骤310)。
图4示出用于保护机动车100的电气的车载电网150的另一种方法400的流程图。所述方法400可以通过控制单元201来实施。
车载电网150包括配电器152和多个第一导线154，所述第一导线设计成用于，将对应的多个电气的构件153(尤其是消耗器101、102、103)与配电器152连接。此外，车载电网150包括用于对应的多个电气的构件153或用于对应的多个第一导线154的基于半导体的多个第一开关元件204。在此，在第一导线154上的第一开关元件204可以构造成用于，中断相应的第一导线154(并且因此将相应的构件153与配电器152分开)。各个构件153因此可以分别利用开关元件204与配电器152分开(通过断开开关元件204)或连接(通过闭合开关元件204)。
车载电网150此外包括第二导线155，所述第二导线构造成用于，将配电器152与车载电网150连接。配电器152可以构造成用于，将在第二导线155上的第二电流划分到多个第一导线154上。
此外，车载电网150包括限定单元205、215、151(例如第二开关元件205和/或变压器215、151)，所述限定单元设计成用于，限定或阻止在第二导线155上的第二电流和/或改变在第二导线155上的第二电压。
所述方法400包括：确定401，尽管通过特定的第一开关元件204的第一电流超过第一电流阈值(在所述电流阈值时，特定的第一开关元件204应该断开)，但是所述特定的第一开关元件204没有断开。此外，所述方法400包括：响应于此，使402限定单元205、215、151限定或阻止在第二导线155上的第二电流和/或降低在第二导线155上的第二电压。因此即使在有缺陷的第一开关元件204的情况下也可以提供用于其余的车载电网150的可靠的保护。
通过在该文件中所描述的措施能够实现，在没有附加的电路机构的情况下捕获在车载电网150的部分区域中的对安全关键的事件311(在必要情况下仅基于软件)。因此能够降低车辆100的成本、重量和需要的结构空间。此外能够提高车载电网150的可用性。此外能够以可靠且有效的方式将诊断、故障定位和在必要情况下紧急运行配置给车载电网150的各个构件153。尤其是能够将错误报告和需要的构件交换明确地配置给相关的构件153。
本发明不限制于示出的实施例。尤其是要注意的是，说明书和附图仅应形象地说明所提出的方法、装置和系统的原理。
Claims (12)
1.一种用于机动车(100)的电气的车载电网(150)；其中，所述车载电网(150)包括：
-配电器(152)；
-多个第一导线(154)，所述第一导线设计成用于，将对应的多个电气的构件(153)与所述配电器(152)连接；
-用于对应的多个第一导线(154)的基于半导体的多个第一开关元件(204)；其中，特定的第一导线(154)的特定的第一开关元件(204)构造成用于，中断所述特定的第一导线(154)；
-第二导线(155)，所述第二导线构造成用于，将配电器(152)与车载电网(150)连接；
-限定单元(205、215、151)，所述限定单元设计成用于，限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流和/或改变在第二导线(155)上的第二电压；以及
-控制单元(201)，所述控制单元设计成用于，
-确定：尽管通过特定的第一开关元件(204)的第一电流超过第一电流阈值，但是所述特定的第一开关元件(204)没有断开；并且
-响应于此，使限定单元(205、215、151)限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流和/或降低在第二导线(155)上的第二电压。
2.按照权利要求1所述的车载电网(150)，其中，
-限定单元(205、215、151)具有上级的电流阈值，从所述上级的电流阈值开始，自动限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流；并且
-控制单元(201)设计成用于，使限定单元(205、215、151)限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流，即使第二电流还未达到所述上级的电流阈值。
3.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，控制单元(201)设计成用于，在第二导线(155)上的第二电流被限定或阻止之前，将
-关于其上设置有特定的第一开关元件(204)的特定的第一导线(154)的信息；
-关于经由特定的第一导线(154)连接在配电器(152)上的特定的构件(153)的信息；和/或
-关于在特定的第一导线(154)上的第一电流的故障原因的信息存储到用于车载电网(150)的故障存储器中。
4.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，控制单元(201)设计成用于，在第二导线(155)上的第二电流被限定或阻止之前，使
-所述多个构件(153)之中的至少一个构件(153)转移到安全的状态中；和/或
-所述多个构件(153)之中的至少一个构件(153)与备选的供电装置耦合。
5.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，
-限定单元(205、215、151)包括第二开关元件(205)，所述第二开关元件设计成用于，中断第二导线(155)，以便阻止第二电流；和/或
-限定单元(205、215、151)包括变压器(215、151)、尤其是直流变压器，所述变压器设计成用于，降低和/或阻止第二电流。
6.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，控制单元(201)设计成用于，使限定单元(205、215、151)将在第二导线(155)上的第二电流限定成，使得所述多个电气的构件(153)之中的至少一个电气的构件能够继续在降级的运行模式中运行。
7.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，
-控制单元(201)是特定的第一开关元件(204)的部分；和/或
-控制单元(201)设计成用于，将控制信号(211)发送给限定单元(205、215、151)的控制模块，从而使限定单元(205、215、151)的控制模块将限定单元(205、215、151)运行成，使得限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流。
8.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，第一开关元件(204)具有简称为的MOS金属氧化物半导体、晶体管和/或简称为IGBT的绝缘栅双极型晶体管。
9.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，控制单元(201)设计成用于，
-基于预测模型来预测，尽管通过特定的第一开关元件(204)的第一电流超过第一电流阈值，但是所述特定的第一开关元件(204)在先前的时间点没有断开；并且
-在所述先前的时间点之前就已经采取一个或多个措施，以便降低在所述先前的时间点引起的第二电流的限定或中断对车载电网(150)的影响。
10.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，
-配电器(152)构造成，使得在第二导线(155)上的第二电流具有在对应的多个第一导线(154)上的多个第一电流的总和或等于所述总和；和/或
-配电器(152)构造成用于，将第二电流分配到所述多个第一导线(154)上。
11.按照上述权利要求之一所述的车载电网(150)，其中，
-特定的第一开关元件(204)构造成，一旦通过特定的第一开关元件(204)的第一电流超过第一电流阈值，则在无故障的运行中自动断开该特定的第一开关元件；和/或
-第一电流阈值小于上级的电流阈值，从所述上级的电流阈值开始，限定单元(205、215、151)自动限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流。
12.一种用于保护机动车(100)的电气的车载电网(150)的方法(400)；其中，所述车载电网(150)包括配电器(152)和多个第一导线(154)，所述第一导线设计成用于，将对应的多个第一导线(154)与配电器(152)连接；其中，车载电网(150)包括用于对应的多个电气的构件(153)的基于半导体的多个第一开关元件(204)；其中，特定的第一导线(154)的特定的第一开关元件(204)构造成用于，中断特定的第一导线(154)；其中，车载电网(150)包括第二导线(155)，所述第二导线构造成用于，将配电器(152)与车载电网(150)连接，并且所述车载电网包括限定单元(205、215、151)，所述限定单元设计成用于，限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流和/或改变在第二导线(155)上的第二电压；其中，所述方法(400)包括：
-确定(401)：尽管通过特定的第一开关元件(204)的第一电流超过第一电流阈值，但是所述特定的第一开关元件(204)没有断开；并且
-响应于此，使(402)限定单元(205、215、151)限定或阻止在第二导线(155)上的第二电流和/或降低在第二导线(155)上的第二电压。
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