DE10148348B4 - Redundate Spannungsversorgung für dreikanaligen elektrischen Verbraucher - Google Patents

Redundate Spannungsversorgung für dreikanaligen elektrischen Verbraucher Download PDF

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Abstract

Redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher, insbesondere für einen Rechner eines Fahrzeugs, wobei ein erster Kanal (A) des Verbrauchers von einem ersten Spannungszweig (D) versorgt wird, wobei ein zweiter Kanal (B) des Verbrauchers von einem zweiten Spannungszweig (E) versorgt wird, wobei ein dritter Kanal (C) des Verbrauchers von dem ersten und/oder zweiten Spannungszweig (D, E) versorgt wird, wobei die Spannungsversorgung des dritten Kanals (C) durch den ersten Spannungszweig (D) im Fehlerfall durch erste Umschaltmittel unterbrochen wird, wobei die Spannungsversorgung des dritten Kanals (C) durch den zweiten Spannungszweig (E) im Fehlerfall durch zweite Umschaltmittel unterbrochen wird, und wobei die Umschaltmittel eine Diodenfunktion (6) aufweisen, die einen Stromfluß nur von einem Spannungszweig (D, E) zu dem dritten Kanal (C) zuläßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel jeweils eine Abschaltfunktion aufweisen, die sowohl durch eine Überspannungserkennung (1, 7) als auch durch einen Rechner ausgelöst bzw. angesteuert werden kann.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher mit zwei Spannungszweigen.
  • Sicherheitsrelevante Funktionen von Kraftfahrzeugen werden in der Regel redundant ausgelegt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die Regelung einer Steer-by-Wire-Lenkanlage dreifach redundant auszulegen. Dies bedeutet, dass es drei Sensoren, drei Rechner, drei Endstufen und drei Aktoren gibt, um beispielsweise den gewünschten Lenkwinkel der gelenkten Räder anzusteuern. Diese dreifach redundante Auslegung führt nur dann zu dem gewünschten Gewinn an Betriebssicherheit, wenn die Versorgung aller elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie ebenfalls unter allen möglichen Betriebszuständen und auch beim Auftreten von Fehlern in der Steer-by-Wire-Lenkanlage sichergestellt ist. In modernen Fahrzeugkonzepten sind zwei Bordspannungen – nachfolgend als Spannungszweige bezeichnet – von beispielsweise 14 V und 42 V vorgesehen.
  • Zur redundanten Spannungsversorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz mit zwei Spannungszweigen ist es aus der DE-OS 19855245 A1 bekannt, die zu jeder Bordspannung gehörende Batterie über ein Lade-Trenn-Modul mit dem Bordnetz zu verbinden und die an die Batterie angeschlossenen Verbraucher über ein Trennmodul zu versorgen. Sicherheitsrelevante Verbraucher können bei diesem Konzept auch über beide Spannungszweige mit elektrischer Energie versorgt werden. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass beim Auftreten eines Fehlers zwischen Lade-Trenn-Modul und Verbraucher zwei Kanäle des Verbrauchers gleichzeitig ohne Spannungsversorgung sind.
  • Aus der DE 197 42 086 A1 ist eine redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen Verbraucher bekannt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher, insbesondere für den dritten Rechner eines Fahrzeugsteuergeräts, bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und beim Auftreten eines Fehlers in einem der elektrischen Spannungszweige des Bordnetzes die Spannungsversorgung des dreikanaligen elektrischen Verbrauchers in ausreichendem Maße aufrechterhält.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die erfindungsgemäße redundante Spannungsversorgung ist gewährleistet, dass bei Ausfall eines Spannungszweigs mindestens zwei Kanäle des Verbrauchers noch mit elektrischer Energie versorgt werden und nur ein Kanal spannungslos wird. Wegen der dreifachen Redundanz des dreikanaligen Verbrauchers bleibt die Mehrheit der Kanäle voll funktionsfähig, so dass durch den Ausfall eines Spannungszweiges keine oder nur geringe Einbußen in der Funktionalität das Verbrauchers zu erwarten sind. Durch die Diodenfunktion der erfindungsgemäßen redundanten Spannungsversorgung können auch noch innerhalb des elektrischen Verbrauchers auftretende Fehler abgefangen werden, so dass die Sicherheit der Spannungsversorgung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Spannungsversorgungen stark verbessert wird. Außerdem kann die Überspannungserkennung entweder unabhängig von den zur Verfügung stehenden Rechnern oder durch diese Rechner ausgeführt werden, was zu einem verringerten Bauaufwand führt.
  • Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass erste und zweite Umschaltmittel Schalter, insbesondere mechanische oder elektronische Schalter sind, so dass auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Trennung des elektrischen Verbrauchers, bzw. einer der Kanäle, von dem fehlerbehafteten Spannungszweig erfolgen kann.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltmittel eine Strombegrenzung, insbesondere mit Temperaturschutz, aufweisen, die bei zu hohen Strömen auslöst, so dass Zerstörungen durch unzulässig hohe Ströme bei den angeschlossenen Verbrauchern vermieden werden können.
  • Zum Ziel dient auch die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mögliche Ausstattung der Umschaltmittel mit einem Verpolschutz.
  • Um Schäden von den an den ersten Spannungszweig und/oder zweiten Spannungszweig angeschlossenen Verbrauchern abzuwenden, kann weiter vorgesehen sein, dass die Umschaltmittel eine Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, eine Leiterbahnverengung oder eine selbstrückstellende Sicherung aufweisen.
  • Durch wechselweises Betätigen der Umschaltmittel kann die Funktionsfähigkeit des nicht abgeschalteten Spannungszweigs geprüft werden. Ebenso kann durch das Betätigen der Umschaltmittel geprüft werden, ob die erfindungsgemäße redundante Spannungsversorgung voll funktionsfähig ist.
    •
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung und deren Beschreibung entnehmbar.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1: ein Blockschaltbild eines dreikanaligen Verbrauchers, der von zwei Spannungszweigen versorgt wird; und
  • 2: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen redundanten Spannungsversorgung für dreikanalige Verbraucher.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Blockschaltbild eines dreifach redundanten Systems, welches über einen ersten Spannungszweig D und einen zweiten Spannungszweig E mit elektrischer Energie versorgt wird, dargestellt. Wie aus 1 ersichtlich, besteht ein erster Kanal A aus einem Sensor 1, einem Rechner 1, einer Endstufe 1 und einem Aktor 1. Entsprechend ist ein zweiter Kanal B aus einem Sensor 2, einem Rechner 2, einer Endstufe 2 und einem Aktor 2 aufgebaut. Gleiches gilt für einen dritten Kanal C. Wie man aus dieser Darstellung sieht, bedeutet dreifache Redundanz, dass alle Funktionen, angefangen vom Sensor bis zum Aktor, dreifach vorhanden sind.
  • In 1 sind die Rechner und Endstufen zu einem Steuergerät SG zusammengefasst. Dieses Steuergerät SG kann als Beispiel für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher dienen, da sowohl Rechner als auch Endstufen aller drei Kanäle mit elektrischer Energie versorgt werden müssen.
  • Der Kanal A des Steuergeräts SG, bestehend aus Rechner 1 und Endstufe 1, wird über den ersten Spannungszweig D mit elektrischer Energie versorgt. Der zweite Kanal B, bestehend aus Rechner 2 und Endstufe 2, des Steuergeräts SG wird über den zweiten Spannungszweig E mit elektrischer Energie versorgt. Der dritte Kanal C des Steuergeräts SG, bestehend aus Rechner 3 und Endstufe 3, kann sowohl vom ersten Spannungszweig D als auch vom zweiten Spannungszweig E mit elektrischer Energie versorgt werden. Die elektrische Versorgung des ersten Kanals A, des zweiten Kanals B und des dritten Kanals C ist in 1 durch die Blöcke "Versorgung 1", "Versorgung 2" und "Versorgung 3" angedeutet.
  • In 2 ist der Block "Versorgung 3" aus 1 detailliert dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich, kann der Ausgang F sowohl über den ersten Spannungszweig D als auch über den zweiten Spannungszweig E mit elektrischer Energie versorgt werden. Der Block "Versorgung 3" hat einen Ausgang F, über welchen der dritte Kanal C eines elektrischen Verbrauchers, wie z. B. des Steuergeräts SG, mit elektrischer Energie versorgt wird (siehe 1).
  • Zwischen dem ersten Spannungszweig D und Ausgang F ist ein selbsttätiger elektrischer Schalter 3 vorgesehen, welcher entweder durch eine separate Überspannungserkennung 1 oder von einem Steuersignal 2 von einem der Rechner 1, Rechner 2 oder 3 (s. 1) generiert wird. In Richtung des Stromzuflusses schließt sich an den Schalter 3 eine Strombegrenzung 4 an, welche verhindert, dass unzulässig hohe Ströme vom ersten Spannungszweig D zum Ausgang F fließen. Die Strombegrenzung 4 kann mit einer nicht dargestellten Temperaturüberwachung versehen sein.
  • An die Strombegrenzung 4 schließt sich eine Sicherung, welche als Schmelzsicherung, selbstrückstellende Sicherung oder Leiterbahnverengung ausgebildet sein kann, an. Um einen Stromfluss vom Ausgang F zum ersten Spannungszweig D zu verhindern, ist außerdem eine Diode 6 vorgesehen.
  • Die erfindungsgemäße redundante Spannungsversorgung ist bezüglich des Stromflusses vom zweiten Spannungszweig E zum Ausgang F symmetrisch aufgebaut. Ein Schalter 9 wird alternativ von einer Überspannungsüberwachung 7 oder einem Steuersignal 8, welches von einem der Rechner 1, 2 oder 3 generiert wird, angesteuert. Daran schließen sich eine Strombegrenzung 10, eine Sicherung 11 und eine Diode 6 an.
  • Durch die in 2 gezeigte Anordnung wird wirkungsvoll sichergestellt, dass der Ausfall eines Spannungszweigs D oder E sich nicht auf die elektrische Versorgung des an den Ausgang F angeschlossenen, in 2 nicht dargestellten, elektrischen Verbrauchers negativ auswirkt.

Claims (8)

  1. Redundante Spannungsversorgung für einen dreikanaligen elektrischen Verbraucher, insbesondere für einen Rechner eines Fahrzeugs, wobei ein erster Kanal (A) des Verbrauchers von einem ersten Spannungszweig (D) versorgt wird, wobei ein zweiter Kanal (B) des Verbrauchers von einem zweiten Spannungszweig (E) versorgt wird, wobei ein dritter Kanal (C) des Verbrauchers von dem ersten und/oder zweiten Spannungszweig (D, E) versorgt wird, wobei die Spannungsversorgung des dritten Kanals (C) durch den ersten Spannungszweig (D) im Fehlerfall durch erste Umschaltmittel unterbrochen wird, wobei die Spannungsversorgung des dritten Kanals (C) durch den zweiten Spannungszweig (E) im Fehlerfall durch zweite Umschaltmittel unterbrochen wird, und wobei die Umschaltmittel eine Diodenfunktion (6) aufweisen, die einen Stromfluß nur von einem Spannungszweig (D, E) zu dem dritten Kanal (C) zuläßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel jeweils eine Abschaltfunktion aufweisen, die sowohl durch eine Überspannungserkennung (1, 7) als auch durch einen Rechner ausgelöst bzw. angesteuert werden kann.
  2. Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel Schalter (3, 9) aufweisen.
  3. Spannungsversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (3, 9) mechanische oder elektronische Schalter sind.
  4. Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel eine Strombegrenzung (4, 10) aufweisen, die bei zu hohen Strömen auslöst.
  5. Spannungsversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzung (4, 10) einen Temperaturschutz aufweist.
  6. Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel einen Verpolschutz aufweisen.
  7. Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel eine Sicherung (5, 11), insbesondere eine Schmelzsicherung, eine Leiterbahnverengung oder eine selbstrückstellende Sicherung, aufweisen.
  8. Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel wechselweise abgeschaltet werden.
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