DE102005005236B4 - Fahrzeug mit einem Bordnetz und einer Mehrzahl von elektrischen Lasten - Google Patents

Fahrzeug mit einem Bordnetz und einer Mehrzahl von elektrischen Lasten Download PDF

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    • H02J2310/46The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles

Abstract

Fahrzeug mit einer Mehrzahl von elektrischen Lasten (5, 24 bis 34), wenigstens einer Stromquelle (35, 64), einem zwischen die Stromquelle (35, 64) und die Lasten (5, 24 bis 30) geschalteten, eine Mehrzahl von steuerbaren Stromverteilungs-Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) aufweisenden Bordnetz, und einer zur Steuerung der Stromverteilung durch die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) bestimmten Steuervorrichtung, wobei die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) über laststromführende Leitungen untereinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ausgewählte Lasten (5, 24 bis 34) an wenigstens je zwei der Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) direkt und so angeschlossen sind, dass sie beim Ausfall eines der direkt an sie angeschlossenen Knoten über den jeweils anderen direkt an sie angeschlossenen Knoten mit Strom versorgt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und ein Bordnetz dafür.
  • In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Bordnetze verwendet, mittels derer die vorhandenen elektrischen Lasten auch dann noch mit elektrischem Strom versorgt werden können, wenn Teile des Bordnetzes defekt sind und in irgendwelchen Leitungsabschnitten Kurzschlüsse oder Unterbrechungen auftreten. Bei den elektrischen Lasten handelt es sich um elektrische Verbraucher wie z. B. Beleuchtungselemente, Alarmgeräte, Steuergeräte für Bremsanlagen oder andere in Kraftfahrzeugen übliche Geräte.
  • Bei einem bekannten Kraftfahrzeug der oben bezeichneten Gattung ( DE 102 13 732 A1 ) enthält das Bordnetz eine Stromquelle mit vier Stromanschlüssen, an die je ein Leitungstrang des Bordnetzes angeschlossen ist. Jeder Leitungsstrang enthält mehrere, mit wenigstens je einer Last verbundene Stromverteilungs-Knoten, die über laststromführende Leitungen untereinander verbunden sind und wobei die jeweils letzten im betreffenden Leitungsstrang angeordneten Knoten durch eine Ringleitung miteinander verbunden sind. Jeder Knoten ist außerdem mit zwei elektrisch steuerbaren Schaltern versehen. Diese können mittels Steuereinheiten, die den Knoten einzeln zugeordnet sind, so geschaltet werden, dass eine Last, die normalerweise von einem ihr zugeordneten Leitungsstrang mit Strom versorgt wird, im Falle eines defekten Leitungsabschnitts bei Bedarf auch oder nur über einen der anderen Leitungsstränge mit Strom versorgt werden kann.
  • Bei einem ebenfalls bereits bekannten Kraftfahrzeug der eingangs bezeichneten Gattung ( DE 199 16 452 C2 ) ist anstelle der vier Leitungsstränge lediglich eine Ringleitung vorgesehen, die an zwei oder mehr Stellen mit der Stromquelle verbunden werden kann und in der die Knoten in Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Beim Auftreten eines Defekts in einem Abschnitt der Ringleitung brauchen die Schalter der Knoten lediglich so gesteuert werden, dass der defekte Leitungsabschnitt abgeschaltet wird und dann keine Verbindung mehr mit der Ringleitung hat.
  • In keinem der beiden beschriebenen Fälle ist es möglich, auch den Totalausfall eines einzelnen Knotens zu kompensieren. Ein defekter Knoten führt vielmehr zu dessen Isolierung im betreffenden Leitungsstrang bzw. in der Ringleitung und damit zu der unangenehmenen Folge, dass die an den betreffenden Knoten angeschlossenen Lasten nicht mehr mit Strom versorgt werden. Das mag bei bestimmten Lasten tolerierbar sein, z. B. bei einer Innenbeleuchtung oder einem Motor für einen Fensterhebermechanismus, sollte aber bei anderen Lasten wie z. B. bei den Steuergeräten für die Bremsanlage oder den rückwärtigen Bremsleuchten verhindert werden, um die Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs nicht zu gefährden.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Bordnetze besteht darin, dass die Leitungsstränge bzw. Ringleitungen so dimensioniert werden müssen, dass sie im Falle eines Defekts auch die Summe aller derjenigen Ströme aufnehmen können, die im Vergleich zum Normalfall zusätzlich durch bestimmte Leitungsabschnitte zu den verschiedenen Lasten fließen. Das bedingt eine weit stärkere Ausbildung der elektrischen Leitungen, als dies bei üblichen Bordnetzen der Fall ist, bei denen die zu den Lasten führenden Leitungen mit Sicherungen versehen sind, die die betreffende Last im Falle eines Defekts vom Bordnetz trennen.
  • Schließlich benötigen die bekannten Kraftfahrzeuge aus verschiedenen Gründen eine zusätzliche, zentrale Steuervorrichtung. Dadurch ergibt sich der weitere Nachteil, dass beim Ausfall dieser zentralen Steuervorrichtung auch das gesamte Bordnetz ausfällt und das Fahrzeug nicht mehr betriebsfähig ist.
  • Entsprechendes gilt für die Bordnetze von anderen Fahrzeugen.
  • Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht daher darin, das Fahrzeug der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, dass die geschilderten Nachteile vermieden werden. Dabei sollen hauptsächlich eine höhere Verfügbarkeit und Redundanz erreicht und sichergestellt werden, dass ein defekter Knoten nicht automatisch zu einem Ausfall der an diesen angeschlossenen Lasten führt.
  • Zur Lösung dieses Problems dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 18 und mit besonderem Vorteil auch die Merkmale der Ansprüche 8 und 13.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 grob schematisch einen Teil eines erfindungsgemäßen Bordnetzes, das sich durch eine hohe Verfügbarkeit und Redundanz auszeichnet;
  • 2 eine schematische Draufsicht auf ein durch seine äußere Kontur angedeutetes Kraftfahrzeug und ein in diesem installiertes Bordnetz mit Stromverteilungs-Knoten und Lasten;
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromverteilungs- Knotens des Bordnetzes nach 1 und 2; und
  • 4 schematisch ein Blockschaltbild für einen Teil des Bordnetzes nach 2 bei Anwendung von nach 3 ausgebildeten Stromverteilungs-Knoten.
  • 1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Bordnetzes für Kraftfahrzeuge. Das Bordnetz enthält eine Mehrzahl von hier drei Stromverteilungs-Knoten 1, 2 und 3 und dient dem Zweck, eine im Kraftfahrzeug installierte Energie- bzw. Stromquelle 4, z. B. einen Generator und/oder eine Batterie, mit einer ebenfalls im Kraftfahrzeug vorgesehenen Last 5 in Form eines elektrischen Verbrauchers zu verbinden. Das Bordnetz ist so aufgebaut, dass wenigstens ein Knoten (hier der Knoten 1) über eine erste Anschlussleitung 6 und wenigstens ein anderer Knoten (hier der Knoten 2) über eine zweite Anschlussleitung 7 direkt mit einem Stromanschluss 8 der Stromquelle 4 verbunden ist. Bei dem Stromanschluss 8 kann es sich natürlich auch um zwei parallele Stromausgänge der Stromquelle 4 handeln, deren Masseanschluss nicht dargestellt ist.
  • Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel ein direkt an die erste Anschlussleitung 6 angeschlossener Knoten (hier der Knoten 1) über einen Leitungsabschnitt 9 mit wenigstens einem direkt an die zweite Anschlussleitung 7 angeschlossenen Knoten (hier dem Knoten 2) verbunden.
  • Erfindungsgemäß ist die Last 5 über weitere Leitungsabschnitte 10 und 11 sowohl mit dem Knoten 1 als auch mit dem Knoten 2 verbunden. Dabei ist angenommen, dass die Knoten 1 und 2 dort, wo sie mit den Anschlussleitungen 6, 7 und Leitungsabschnitten 9 bis 11 verbunden sind, je einen elektrisch bzw. elektronisch steuerbaren Schalter aufweisen, der mittels nicht dargestellter Steuerungen jeweils in einen geschlossenen und in einen geöffneten Zustand gesteuert werden kann, wie weiter unten näher erläutert ist. Schließlich ist angenommen, dass beim normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs die Stromzufuhr zur Last 5 über die Anschlussleitung 6, den Knoten 1 und den Leitungsabschnitt 10 erfolgen soll, während die Knoten 2 und 3 die Stromversorgung zu weiteren, nicht dargestellten Lasten bewirken.
  • Aufgrund der beschriebenen Ausbildung des Bordnetzes ergeben sich im Falle eines Fehlers folgende Möglichkeiten, die Last 5 trotz des Fehlers mit Strom zu versorgen:
    Ein Fehler kann z. B. dadurch eintreten, dass die Anschlussleitung 6 defekt ist (z. B. Unterbrechung oder Kurzschluss). In diesem Fall ist es durch Öffnen bzw. Schließen von Schaltern der beteiligten Knoten 1 und 2 möglich, die Last 5 über die Anschlussleitung 7, den Knoten 2 und den Leitungsabschnitt 11 mit Strom zu versorgen.
  • Alternativ könnte die Stromversorgung der Last 5 auch über die Anschlussleitung 7, den Knoten 2, den Leitungsabschnitt 9, den Knoten 1 und den Leitungsabschnitt 10 erfolgen. Entsprechende Schaltmöglichkeiten ergeben sich bei einem Defekt der Anschlussleitung 7.
  • Ein weiterer Fehler kann z. B. dadurch eintreten, dass ein gesamter Knoten defekt und damit unbrauchbar ist. Gilt dies z. B. für den Knoten 1, dann kann die Last 5 wiederum über die Anschlussleitung 7, den Knoten 2 und den Leitungsabschnitt 11 versorgt werden. Entsprechendes gilt beim Ausfall des Knotens 2.
  • Eine weitere Fehlermöglichkeit besteht darin, dass der Leitungsabschnitt 10 defekt ist (z. B. Unterbrechung oder Kurzschluss). Auch in diesem Fall kann die Last 5 über die Anschlussleitung 7, den Knoten 2 und den Leitungsabschnitt 11 mit Strom versorgt werden.
  • Aus allem folgt eine hohe Verfügbarkeit der Last 5. Unabhängig davon, welches der für ihren normalen Betrieb vorgesehenen Bauelemente 1, 6 und/oder 10 ausfällt, gibt es stets einen redundanten Strompfad von der Stromquelle 4 zur Last 5, über den der Last 5 beim Auftreten eines Defekts weiterhin Strom zugeführt werden kann. Daher eignet sich die beschriebene Ausbildung des Bordnetzes insbesondere für solche Lasten, die aus Sicherheitsgründen kritisch sind (z. B. Motorsteuerungen, Bremsanlagen, elektrische Lenkeinrichtungen od. dgl.). Zumindest diese Lasten, die nachfolgend als ausgewählte Lasten bezeichnet werden, sollten erfindungsgemäß direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung weiterer Knoten oder Lasten mit wenigstens je zwei Knoten verbunden werden.
  • Zur weiteren Erhöhung der Redundanz dient der in 1 dargestellte Knoten 3, der über einen Leitungsabschnitt 12 mit dem Knoten 1 und über einen weiteren Leitungsabschnitt 14 mit dem Knoten 2 verbunden ist. Dadurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass beim Ausfall einer Anschlussleitung, z. B. der Anschlussleitung 7, die Last 5 nicht nur über die Anschlussleitung 6, den Knoten 1 und den Leitungsabschnitt 10 oder über die Anschlussleitung 6, den Knoten 1, den Leitungsabschnitt 9, den Knoten 2 und den Leitungsabschnitt 11, sondern auch über die Anschlussleitung 6, den Knoten 1, den Leitungsabschnitt 12, den Knoten 3, den Leitungsabschnitt 14, den Knoten 2 und den Leitungsabschnitt 11 oder über die Teile 6, 1, 9, 2, 14, 3, 12, 1 und 10 bedient werden kann, je nach dem, welche Stromrichtungen im Einzelfall zu beachten sind. Dadurch könnte sogar ein weiterer Defekt, z. B. im Leitungsabschnitt 10 oder 11, auftreten, ohne dass die Last 5 stromlos wird. Außerdem wäre es stets und auch unabhängig von Defekten möglich, die Last 5 durch wenigstens zwei parallele Strompfade, die einerseits den Leitungsabschnitt 10 und andererseits den Leitungsabschnitt 11 einschließen, mit Strom zu versorgen. Dadurch würde erreicht, dass beide Strompfade nur einen Teil des zur Last 5 fließenden Stroms und die beiden Leitungsabschnitte 10 und 11 z. B. nur etwa die Hälfte des für die Last 5 benötigten Stroms aufnehmen müssten. Dadurch ist es möglich, die die Knoten miteinander und/oder mit den Lasten verbindenden Leitungsabschnitte weniger stark bzw. dick auszubilden, als es erforderlich wäre, wenn jeweils nur ein einziger Strompfad für den bei einem Defekt zusätzlich aufzunehmenden Strom zur Verfügung stehen würde. Schließlich zeigt 1, dass durch Betätigung der den Knoten 1, 2 und 3 zugeordneten Schalter je nach dem, wo ein Defekt auftritt, zahlreiche Strompfade geschaffen werden können, was zu einer hohen Verfügbarkeit und Redundanz führt.
  • Das anhand der 1 beschriebene Bordnetz wird beim Vorhandensein mehrerer Lasten zweckmäßig entsprechend erweitert, wie 2 zeigt, in der eine Umrisslinie 15 die äußere Kontur eines Kraftfahrzeugs andeuten soll. Außerdem sind in 2 acht Knoten 16 bis 23 durch Kreise und elf Lasten 24 bis 34 durch Quadrate darge stellt. Eine durch ein Oval dargestellte Stromquelle ist mit dem Bezugszeichen 35 versehen und im Frontbereich des Kraftfahrzeugs dargestellt.
  • Analog zu 1 ist auch in 2 ein Stromanschluss der Stromquelle 35 über wenigstens je eine erste und eine zweite Anschlussleitung 36, 37 mit je einem Knoten (16 bzw. 19) direkt verbunden. Der Knoten 16 ist ferner mit dem Knoten 17 in Reihenschaltung verbunden, der seinerseits in Reihe mit dem Knoten 18 liegt. Entsprechend sind die Knoten 19, 20 und 21 mit der zweiten Anschlussleitung 37 in Reihenschaltung verbunden. Die Knoten 16 bis 18 können als ein linker und die Knoten 19 bis 21 als ein rechter, z. B. jeweils am Boden des Kraftfahrzeugs verlegter Hauptstrang des Bordnetzes verstanden werden. Dagegen befinden sich die Knoten 22 und 23 in mittleren Bereichen des Kraftfahrzeugs, wobei der Knoten 22 über Leitungsabschnitte 38, 39 mit den Knoten 17 und 21 verbunden und beispielsweise im Dachbereich angeordnet ist, wie die strichpunktierte Darstellung der Leitungsabschnitte 38, 39 andeuten soll. Außerdem ist der Knoten 23 über Leitungsabschnitte 40, 41 mit den Knoten 18 und 20 verbunden und z. B. am Boden des Kraftfahrzeugs verlegt. Schließlich sind die Knoten 18 und 21 über einen am Boden verlegten Leitungsabschnitt 42 direkt miteinander verbunden. Die Knoten 22 und 23 bilden somit diagonal durch das Kraftfahrzeug erstreckte Teile des Bordnetzes, während der Leitungsabschnitt 42 die beiden Hauptstränge 16, 17, 18 und 19, 20, 21 des Bordnetzes im Heckbereich des Fahrzeugs quer miteinander verbindet, so dass das Bordnetz insgesamt eine netzartige Struktur anstatt der üblichen baum- oder ringförmigen Struktur hat.
  • Die Knoten 16 bis 23 sind analog zu 1 paarweise mit den Lasten 24 bis 34 verbunden, wie aus 2 klar ersichtlich ist. Daher ist z. B. die Last 24 mit den Knoten 17 und 18 und die Last 31 mit den Knoten 20 und 22 direkt verbunden. Außerdem ist die Last 25 z. B. einerseits über die Knoten 17 und 16 oder über die Knoten 23, 18, 17 und 16 an die erste Anschlussleitung 36 und/oder z. B. über die Knoten 23, 20 und 19 oder über die Knoten 23, 18, 21, 20 und 19 an die zweite Anschlussleitung 37 anschließbar.
  • Der netzartige Aufbau des Bordnetzes hat zur Folge, das wenigstens ein Knoten (z. B. 16) über die erste Anschlussleitung 36 und wenigstens ein Knoten (z. B. 19) über die zweite Anschlussleitung 37 jeweils direkt an den Stromanschluss der Stromquelle 35 angeschlossen ist. Außerdem ist wenigstens ein Knoten (z. B. 18), der direkt oder über wenigstens einen anderen Knoten (z. B. 17, 16) an die erste Anschlussleitung 36 angeschlossen ist, mittels eines Leitungsabschnitts (z. B. 42) mit wenigstens einem anderen Knoten (z. B. 21) verbunden, der seinerseits direkt oder über wenigstens einen weiteren Knoten (z. B. 20, 19) an die zweite Anschlussleitung 37 angeschlossen ist. Dadurch werden die beiden Hauptstränge 16, 17, 18 und 19, 20, 21 des Bordnetzes an einer von der Stromquelle 35 entfernt liegenden Seite so miteinander verbunden, dass alle Knoten 16 bis 23 bei Bedarf von der ersten und/oder von der zweiten Anschlussleitung 36, 37 aus mit Strom versorgt werden können. Dasselbe könnte natürlich alternativ oder zusätzlich durch weitere Querverbindungen erreicht werden, z. B. durch eine direkte Verbindung z. B. der Knoten 16 und 19.
  • Der Aufbau eines Knotens ist in 3 am Beispiel des Knotens 19 der 2 dargestellt. Die anderen Knoten 16 bis 18 und 20 bis 23 sind entsprechend ausgebildet, so dass die nachfolgende Beschreibung auf den Knoten 19 beschränkt wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
  • Nach 3 enthält der Knoten 19 zwei oder auch mehr, als Ein- oder Ausgänge verwendbare Anschlüsse 44 und 45, die zur Verbindung mit einem der Stromanschlüsse 36, 37 der Stromquelle 35 oder mit einem anderen Knoten dienen, und wenigstens einen weiteren, als Ausgang dienenden Anschluss 46, der zur Verbindung mit einer Last dient. Im Ausführungsbeispiel ist der Anschluss 44 gemäß 2 über die Anschlussleitung 37 mit der Stromquelle 35, der Anschluss 45 über einen Leitungsabschnitt 47 mit dem Knoten 20 und der Anschluss 46 über einen weiteren Leitungsabschnitt 48 mit der Last 29 verbunden.
  • Der Anschluss 44 ist über einen ersten, elektrisch bzw. elektronisch steuerbaren Schalter 49 an eine interne Stromschiene 50 des Knotens 19 angeschlossen. Ein Steueranschluss des Schalters 49 ist über einen Wandler 51 an einen Steuerausgang einer in den Knoten 19 integrierten Steuereinheit 52 angeschlossen, mittels derer der Schalter 49 in einen geöffneten bzw. nicht leitenden und in einen geschlossenen bzw. leitenden Zustand gesteuert werden kann. Außerdem sind dem Schalter 49 innerhalb des Knotens 19 erste Sensoren 53 und 54 zugeordnet, wobei der Sensor 53 ein Stromsensor und der Sensor 54 ein Spannungssensor ist, die die Ströme und Spannungen in der vom Anschluss 44 zur Stromschiene 50 führenden Leitung dienen. Die Sensoren 53, 54 sind über je einen weiteren Wandler 55, 56 mit entsprechenden Eingängen der Steuereinheit 52 verbunden. Außerdem ist die Stromschiene 50 an ein internes Netzteil 57 des Knotens 19 angeschlossen, das die Steuereinheit 52 und ggf. die Wandler 51, 55 und 56 mit den erforderlichen Strömen und Spannungen versorgt. Bei den Wandlern 51, 55 und 56 kann es sich je nach Ausbildung der Steuereinheit 52 und des Netzteils 57 sowie der Funktion der angeschlossenen Bauteile um A/D- bzw. D/A-Wandler handeln.
  • Schließlich ist im Kraftfahrzeug ein übliches Kommunikationsnetz 58 vorhanden, das z. B. aus einem schematisch angedeuteten Bus-System besteht. Ein Datenausgang bzw. -eingang der Steuereinheit 52 ist über eine bidirektionale Schnittstelle 59, z. B. ein übliches Kommunikations-Interface, mit dem Kommunikationsnetz 58 verbunden. Über diese Schnittstelle 59 kann die Steuereinheit 52 Daten in das Kommunikationsnetz 58 liefern und im Kommunikationsnetz 58 vorhandene Daten empfangen.
  • Der Anschluss 45 und ggf. weitere, zur Verbindung mit weiteren Knoten bestimmte Anschlüsse des Knotens 19 sind über erste Schalter 60 und zugehörige Sensoren, die hinsichtlich ihrer Funktion dem Schalter 49 und den Sensoren 53, 54 entsprechen, in der beschriebenen Weise mit der Stromschiene 50 und der Steuereinheit 52 verbunden, so dass insoweit eine erneute Beschreibung nicht erforderlich ist.
  • Die Leitungen, die vom Anschluss 46 und ggf. von weiteren, ebenfalls zur Verbindung mit Lasten bestimmten Anschlüssen des Knotens 19 zur Stromschiene 50 und zur Steuereinheit 52 führen, weisen zweite elektrisch bzw. elektronisch steuerbare Schalter 61 und zweite Sensoren 62 und 63 auf, die beide ebenfalls mit der Steuereinheit 52 verbunden sind. Die Funktion dieser Schalter 61 und Sensoren 62, 63 entspricht denen der Schalter 49, 60 und Sensoren 53, 54.
  • Bei den Schaltern 49, 60 und 61 handelt es sich zweckmäßig um solche, die entgegengesetzte Richtungen leitend gemacht bzw. geschaltet werden können, wie dies z. B. für Relais, Leistungstransistoren, insbesondere FET-Transistoren od. dgl. gilt, doch können sie auch aus zwei parallel geschalteten, für je eine Stromrichtung zuständigen Schaltelementen wie z. B. Tyristoren aufgebaut werden.
  • Die Steuereinheit 52 ist erfindungsgemäß vorzugsweise als ein an die Schnittstelle 59 angeschlossener Microcontroller ausgebildet und dazu in an sich bekannter Weise mit einem Microprozessor versehen, an den eine Speichereinheit angeschlossen ist, die z. B. je einen Programmspeicher, Arbeitsspeicher, Datenspeicher und Adressspeicher aufweist. Jede Steuereinheit 52 ist vorzugsweise frei programmierbar. Zu diesem Zweck ist dem Microprozessor z. B. eine Programmierschnittstelle zugeordnet. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass die Steuereinheiten 52 aller Knoten 16 bis 23 dezentrale Teile einer gemeinsamen Steuervorrichtung bilden und über das Kommunikationsnetz 58 miteinander kommunizieren. Insbesondere wandeln die Steuereinheiten 52 die von den Sensoren 53, 54 und 62, 63 ermittelten Strom- und Spannungswerte in lesbare Daten um, die auch von den anderen Steuereinheiten 52 ständig erfasst und nach einem in deren Programmspeichern abgelegten Programm bearbeitet werden. Dabei wird jede Steuereinheit 52 bei der Installation im Kraftfahrzeug entsprechend der jeweiligen Lage und Ausbildung des zugehörigen Knotens so programmiert, dass bei Inbetriebnahme nur diejenigen Schalter 49, 60 und 61 geöffnet sind, die die Grundversorgung der Lasten beim normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs sicherstellen sollen. Schließlich wird jeder Steuereinheit 52 und damit jedem Knoten mit Hilfe des Adressspeichers je eine eindeutige Adresse zugeordnet, die auch eine gezielte Übermittlung von Daten und Befehlen zwischen den einzelnen Steuereinheiten 52 ermöglicht.
  • Tritt während des Betriebs ein Fehler auf, der z. B. durch einen Kurzschluss (Maximalstrom) oder eine Unterbrechung (Nullstrom) in der betreffenden Leitung verursacht und mittels des jeweiligen Stromsensors 53, 61 festgestellt wird, werden die in der defekten Leitung befindlichen Schalter geöffnet und stattdessen ggf. andere Schalter geschlossen, um die Versorgung der Lasten mit Strom trotz des Fehlers im oben beschriebenen Umfang sicherzustellen. Die betreffenden Anschlüsse 44, 45 und 46 werden dabei jeweils über die Stromschiene 50 miteinander verbunden. Dies ist schematisch in 4 für den beispielhaften Fall dargestellt, dass der Knoten 20, der z. B. normalerweise über einen der Schalter 61 die Last 31 versorgt, total ausfällt. Dieser Fehler wird durch die zugehörigen Sensoren ermittelt und durch die auf das Kommunikationsnetz 58 gegebenen Daten den dezentralen Steuereinheiten 52 mitgeteilt. Diese aktivieren daraufhin die mit ihnen verbundenen Schalter derart, dass trotz des Fehlers die Last 31 weiterhin mit Strom versorgt wird. Im speziellen Fall erfolgt dies z. B. dadurch, dass ein Schalter 61 des Knotens 22 geschlossen wird, der beim Normalbetrieb geöffnet ist, um die Last 31 jetzt über den Knoten 22 mit Strom zu versorgen (vgl. auch 2), während der entsprechende Schalter beim Knoten 20 ggf. geöffnet wird. Gleichzeitig kann die Last 29 vom Knoten 19 und die Last 30 vom Knoten 21 bedient werden.
  • Die Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Bordnetzes ergibt sich anhand der 4 auch für einen beispielhaften Fall, in dem der Knoten 20 normalerweise an der Energie- bzw. Stromversorgung aller drei Lasten 29, 30 und 31 beteiligt ist. Bei einem Ausfall dieses Knotens 20 wäre dennoch eine zumindest reduzierte Energie- bzw. Stromversorgung der Lasten 29 bis 31 über die Knoten 19, 21 und 22 möglich. Selbst ein Defekt in der Anschlussleitung 37 könnte behoben werden, indem z. B. der Knoten 19 vom Bordnetz abgekoppelt wird und die Lasten 29 bis 31 sämtlich über die Anschlussleitung 36 und die Knoten 16, 17 und 20 bis 22 versorgt werden.
  • Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheiten 52 so programmiert sind, dass die Stromstärken der die ersten und/oder zweiten Schalter 49, 60 und 61 durchfließenden Ströme geregelt werden.
  • Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Schalter 49, 60 bzw. 61 als regelbare Widerstände, Transistoren od. dgl. und so ausgebildet sind, dass über ihre Steueranschlüsse die Stromstärke der Ströme auf vorgewählte Werte eingestellt und/oder auf vorgewählte Maximalwerte begrenzt werden können. Die Sensoren 53, 54 bzw. 62, 63 dienen in diesem Fall auch als Istwertgeber für die die Schalter durchfließenden Ströme bzw. an diesen anliegende Spannungen, während zugehörige Sollwerte in den Programmspeichern der Steuereinheiten 52 gespeichert sind. Hierdurch ist erfindungsgemäß eine Lastflusssteuerung bzw. -regelung in dem Sinne möglich, dass im Falle eines Fehlers durch entsprechende Regelung der die ersten und/oder zweiten Schalter 49, 60, 61 durchfließenden Ströme in allen betreffenden Leitungsabschnitten eine Begrenzung der Stromstärken bzw. eine vorgewählte maximale Leistungsaufnahme durch die Lasten sichergestellt wird. Dabei werden die Sollwerte z. B. so gewählt, dass im Falle eines Fehlers insbesondere diejenigen Leitungsabschnitte, durch die hindurch zusätzliche Lasten versorgt werden müssen (z. B. 38 in 2 und 4), nicht überlastet werden. Die betreffenden Lasten werden dann mit entsprechend reduzierter Leistung betrieben, bis der Fehler z. B. durch Aufsuchen einer Werkstatt behoben ist.
  • Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Bordnetzes besteht darin, dass keine zentrale Steuervorrichtung benötigt wird. Da alle Knoten mit Steuereinheiten 52 nach Art von Microcontrollern versehen und frei programmierbar sind bzw. nach einem vorab fest eingegebenen Programm arbeiten, sind alle Steuereinheiten 52 autark. Eine zusätzliche, übergeordnete Steuerung ist daher nicht erforderlich. Alle Steuereinheiten 52 können vielmehr unter Benutzung der über das Kommunikationsnetz 58 erhaltenen bzw. ausgetauschten Daten, im übrigen jedoch ausschließlich aufgrund des Programms betrieben werden, das in den ihnen selbst zugeordneten Programmspeichern abgelegt ist. Ein Totalausfall einer Steuereinheit 52 ist daher gleichbedeutend mit dem Totalausfall eines Knotens, nicht aber mit einem Ausfall des gesamten Bordnetzes. Dennoch ist es natürlich möglich, eine zusätzliche zentrale Steuervorrichtung vorzusehen, die die Funktion des beschriebenen Bordnetzes nicht beeinträchtigt. Eine solche zentrale Steuervorrichtung könnte z. B. Überwachungsaufgaben haben, der Protokol lierung des Kraftfahrzeugbetriebs dienen und/oder zum Auffinden von Fehlern bei der Wartung und Reparatur verwendet werden. Da jeder Knoten mittels des Adressspeichers der Steuereinheit mit einer eindeutigen Adresse versehen ist, können auf diese Weise alle vorhandenen Knoten über das Kommunikationsnetz 58 gezielt angesprochen werden.
  • Anstelle der Sensoren 53, 54, 62, 63 oder zusätzlich zu diesen können Sensoren vorgesehen werden, die andere Zustände als die Stromstärke und die Spannung messen, um die Funktionsfähigkeit bzw. den Ausfall einer Steuereinheit 52, einer Last 5, 24 bis 30, der Stromquelle 35 od. dgl. und ggf. weitere gewünschte Zustände anzuzeigen, die dann in den Steuereinheiten 52 in Zustandsdaten umgeformt und dem Kommunikationsnetz 58 zugeführt werden.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, außer der in 2 als üblicher Generator angenommenen Stromquelle 35 zusätzlich eine Stromquelle in Form einer Batterie 64 (2) vorzusehen, die zumindest eine Notversorgung des Bordnetzes und ein sofortiges Aufsuchen einer Werkstatt ermöglicht. Diese Batterie 64 kann an einer beliebigen Stelle an das Bordnetz angeschlossen werden. Mit besonderem Vorteil erfolgt dies analog zur Stromquelle 35 mit zwei parallelen Anschlussleitungen 65 und 66, die mit den beiden Hauptsträngen 16, 17, 18 bzw. 19, 20, 21 und vorzugsweise mit zwei anderen Steuereinheiten 52 als die Stromquelle 35 verbunden werden, damit beim Defekt einer Anschlussleitung oder Stromquelle noch die jeweils andere Anschlussleitung oder Stromquelle zur Verfügung steht und ausreichende Redundanz sichergestellt ist. Natürlich ist es auch möglich, mehr als zwei derartige Stromquellen 35, 64 vorzusehen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt insbesondere für den Aufbau der intelligenten Knoten 16 bis 23, die auch anders als beschrieben ausgebildet werden können. Auch die Anordnung und Verbindung der Knoten und die Verlegung der verschiedenen Leitungsabschnitte im Kraftfahrzeug kann anders sein, als in den Zeichnungen dargestellt ist. Insbesondere könnte zumindest eine der ausgewählten Lasten an mehr als zwei Knoten direkt angeschlossen sein. Weiter ist klar, dass die Betriebsspannung für die Steuereinheit 52 und die zugehörigen Bauelemente eines Knotens anstatt durch das interne Netzteil 57 alternativ oder zusätzlich auch über das Bus-System des Kommunikationsnetzes 58 zugeführt werden kann und dann im Block 57 lediglich aufbereitet wird. Dies kann beispielsweise durch Anwendung eines mehradrigen Bus-Kabels geschehen, das wenigstens eine Ader für Signale (Zustandsdaten, Befehle) und eine Ader für die Betriebsspannung aufweist oder bei dem die Signale auf die Adern für die Betriebsspannung aufmoduliert werden. Abgesehen davon kann die Erfindung mit Vorteil an bereits vorhandenen Bordnetzen realisiert werden, indem diese zusätzlich mit den beschriebenen Knoten versehen werden. Hierbei werden vorzugsweise solche Knoten verwendet, bei denen zumindest die Stromflüsse durch die zu den Lasten führenden Schalter regelbar sind. Dadurch ist eine gezielte Lastflusssteuerung möglich, die verhindert, dass unter Umständen zu schwach ausgelegte Leitungen beim Fließen höherer, nur im Falle eines Fehlers auftretender Ströme durchbrennen. Weiterhin brauchen nicht alle, sondern zweckmäßig nur die ausgewählten Lasten eines Bordnetzes in der beschriebenen Weise von zwei Knoten her versorgt werden. Das ist in 2 beispielhaft für zwei Lasten 67 und 68 in Form von automatischen Türöffnungsmechanismen dargestellt, die nur vom Knoten 17 bzw. 20 aus mit Strom versorgt werden. Außerdem ist klar, dass die in 2 dargestellten Lasten und Knoten nur ein Ausführungsbeispiel darstellen, das in vielfacher Weise verändert werden kann. Das gilt insbesondere im Hinblick darauf, dass die Erfindung nicht nur auf die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Kraftfahrzeuge, sondern in analoger Weise auch auf irgendwelche anderen Fahrzeuge angewendet werden kann. Als "andere" Fahrzeuge kommen hier im Prinzip alle Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge und auch Schienen- oder Kettenfahrzeuge in Betracht. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in einer anderen als der beschriebenen und dargestellten Weise miteinander kombiniert werden können.

Claims (17)

  1. Fahrzeug mit einer Mehrzahl von elektrischen Lasten (5, 24 bis 34), wenigstens einer Stromquelle (35, 64), einem zwischen die Stromquelle (35, 64) und die Lasten (5, 24 bis 30) geschalteten, eine Mehrzahl von steuerbaren Stromverteilungs-Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) aufweisenden Bordnetz, und einer zur Steuerung der Stromverteilung durch die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) bestimmten Steuervorrichtung, wobei die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) über laststromführende Leitungen untereinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ausgewählte Lasten (5, 24 bis 34) an wenigstens je zwei der Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) direkt und so angeschlossen sind, dass sie beim Ausfall eines der direkt an sie angeschlossenen Knoten über den jeweils anderen direkt an sie angeschlossenen Knoten mit Strom versorgt werden.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz wenigstens zwei an die Stromquelle (35, 64) angeschlossene Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) aufweist.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz eine Vielzahl von zur Verbindung der Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) bestimmten Leitungsabschnitten (9 bis 14, 38 bis 42, 47) derart aufweist, das wenigstens ein Knoten über eine erste der Anschlussleitungen (6, 36, 65) und wenigstens ein anderer Knoten über eine zweite der Anschlussleitungen (7, 37, 66) direkt an die Stromquelle (4, 35, 64) angeschlossen ist und wenigstens ein direkt oder über wenigstens einen anderen Knoten an die erste Anschlussleitung (6, 36, 65) angeschlossener Knoten mittels eines der Leitungsabschnitte (9 bis 14, 38 bis 42, 47) mit wenigstens einem direkt oder über wenigstens einen anderen Knoten an die zweite Anschlussleitung (7, 37, 66) angeschlossenen Knoten verbunden ist.
  4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz weitere, die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) mit den Lasten (5, 24 bis 34) verbindende Leitungsabschnitte (10, 11, 48) enthält, die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) mit diesen weiteren Leitungsabschnitten (10, 11, 48) verbundene Anschlüsse (46) sowie diesen Anschlüssen (46) zugeordnete Sensoren (62, 63) und elektrisch steuerbare Schalter (61) aufweisen, die Steuervorrichtung mit den Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) einzeln zugeordneten Steuereinheiten (52) versehen ist, wobei alle Steuereinheiten (52) über ein Kommunikationsnetz (58) miteinander verbunden sind, und die Stromversorgung der Lasten (5, 24 bis 34) durch die wenigstens zwei direkt an diese angeschlossenen Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) mittels der Schalter (61), Sensoren (62, 63) und Steuereinheiten (52) erfolgt.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) weitere, mit den Leitungsabschnitten (9 bis 14, 38 bis 42, 47) und/oder Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) verbundene Anschlüsse (44, 45) sowie diesen zugeordnete, mit den Steuereinheiten (52) verbundene weitere Sensoren (53, 54) und elektrische bzw. elektronisch steuerbare Schalter (49, 60) aufweist und dass die weiteren Schalter (49, 60) mittels der weiteren Sensoren (53, 54) und der Steuereinheiten (52) so steuerbar sind, dass den Lasten (5, 24 bis 34) auch beim Auftreten eines mittels der weiteren Sensoren (53, 54) in den Leitungsabschnitten (9 bis 14, 38 bis 42, 47) und/oder den Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) ermittelten Fehlers Strom zuführbar ist.
  6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) direkt oder über wenigstens einen anderen der Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) mit den beiden Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) verbunden ist.
  7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) netzartig miteinander und mit den Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) verbunden sind.
  8. Fahrzeug, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (52) zur Regelung der Stromstärken der die Schalter (49, 60, 61) durchfließenden Ströme eingerichtet sind.
  9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (49, 60, 61) regelbare Widerstände oder Leistungstransistoren enthalten.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (52) über das Kommunikationsnetz (58) miteinander in Verbindung stehen und die Regelung der Stromstärken der die Schalter (49, 60, 61) durchfließenden Ströme unter Berücksichtigung von Zustandsdaten erfolgt, die von den Steuereinheiten (52) auf das Kommunikationsnetz (58) gegeben werden.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdaten zumindest die von den Sensoren (53, 54; 62, 63) ermittelten Stromstärken und/oder Informationen über die Funktionsfähigkeit bzw. den Ausfall von Steuereinheiten (52), Lasten (5, 24 bis 30) oder Stromquellen (35, 64) angeben.
  12. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (53, 54, 62, 63) zur Ermittlung der Stromflüsse in den Leitungsabschnitten (9 bis 14, 38 bis 42, 47) und Anschlussleitungen (6, 7; 36, 37; 65, 66) eingerichtet sind und die Stromverteilung im Bordnetz anhand der ermittelten Stromflüsse erfolgt.
  13. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (52) als Microprozessoren ausgebildet und mit je einem Programmspeicher versehen sind, in dem ein für den zugehörigen Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) bestimmtes Programm gespeichert ist.
  14. Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Programme unter Berücksichtigung der maximalen Stromstärken erstellt sind, mit denen die beteiligten Leitungen belastet werden dürfen.
  15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (35, 64) wenigstens einen Generator und/oder wenigstens eine Batterie enthält.
  16. Fahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, an verschiedene Steuereinheiten (52) angeschlossene Stromquellen (35, 64) vorgesehen sind.
  17. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten (1 bis 3, 16 bis 23) mit an die Steuereinheiten (52) angeschlossenen Spannungssenoren (54, 63) versehen sind.
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