-
Die
folgende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug,
in dem sicherheitsrelevante, mechatronische Komponenten verbaut
sind.
-
Die
Stromversorgungsschaltung besteht aus zwei Bordnetzen und mindestens
einem Energieerzeuger, beispielsweise einem Generator. Jedes Bordnetz
beinhaltet einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, ein
Ladetrennmodul (LTM) und diverse elektrische Verbraucher. Außerdem sind Schalteinrichtungen
(ASE) zur Aktivierung, Deaktivierung bzw. Steuerung der Verbraucher
vorgesehen, die eine Kommunikationsschnittstelle enthalten.
-
Aus
der deutschen Patentanmeldung
DE 10053584 A1 von Volkswagen ist eine redundante Spannungsversorgung
für sicherheitsrelevante
Verbraucher bekannt.
-
Nachteilig
an dieser Spannungsversorgung ist, dass keine Steuerung der Energieverteilung
von der ersten Spannungsversorgung auf die anderen Spannungsversorgungen
bzw. die Verbraucher möglich
ist. Außerdem
ist es mit der vorbekannten Spannungsversorgung nicht möglich Verbraucher
bzw. Verbrauchergruppen gezielt zu deaktivieren.
-
Man
hat deshalb nach anderen Stromversorgungen gesucht und in dem deutschen
Patent
DE 103 48162
B3 eine verbesserte Stromversorgung vorgeschlagen. Bei
dieser Stromversorgung von der DaimlerChrysler AG wird eine Energieversorgung
für Drive-by-wire-Systeme in
Kraftfahrzeugen vorgestellt. In diesem Patent wird die Energie,
die von einer oder mehreren Energiequellen geliefert wird, zunächst über ein
Ladetrennmodul auf zwei Stromkreise aufgeteilt. Die Verbraucher
sind über
Leistungsschalter teilweise mit beiden Stromkreisen verbunden. Dadurch
ist es möglich,
dass ein defekter Verbraucher negative Auswirkungen auf beide Bordnetze
hat. Soll beispielsweise ein Verbraucher, der zuvor vom ersten Stromkreis
versorgt wurde, vom zweiten Stromkreis versorgt werden, so ist es
notwendig, dass beide Leistungsschalter gleichzeitig geschlossen
sind, damit ein durchgehender Betrieb möglich ist. Ist der Verbraucher
defekt, so kann es passieren, dass durch einen hohen Stromfluss
das Spannungsniveau in beiden Bordnetzen absinkt. Ebenso kann nicht
vollständig
ausgeschlossen werden, dass ein Kurzschluss in einem Verbraucher,
der mit beiden Stromkreisen verbunden ist, zu einem Durchbrennen von
beiden Leistungsschaltern führt.
Auch in diesem Fall kann die Energieversorgung des Fahrzeugs vollständig ausfallen.
Da die Leistungsschaler in dem vorbekannten Patent nicht in das
Ladetrennmodul bzw. in die Verbraucher integriert sind, ist ein
zusätzlicher
finanzieller Aufwand nötig,
um die Schalter anzusteuern. Hierzu muss bei einer Ansteuerung über einen
Datenbus jeder Schalter mit einem eigenen Kommunikationscontroller
und einem eigenen Mikroprozessor ausgerüstet werden. Bei einer analogen Ansteuerung
der Schalter ist der Verkabelungsaufwand erheblich höher. Insgesamt
ist der Aufwand an Schaltern und Dioden sehr hoch.
-
Erfindungsgemäße Aufgabe
ist es daher, eine Stromversorgung und ein Ladetrennmodul anzugeben,
mit der und mit dem die Kurschlusssicherheit eines Bordnetzes weiter
verbessert wird. Ebenso macht sich die Erfindung zur Aufgabe die
Anzahl an anzusteuernden Schaltelementen und Dioden zur Kurzschlussabsicherung
im Bordnetz gegenüber dem
vorbekannten Stand der Technik zu verringern.
-
Die
Lösung
gelingt mit einer Stromversorgungsschaltung und zwei Ladetrennmodulen
entsprechend der jeweils unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Stromversorgung und der Ladetrennmodule sind
jeweils in den abhängigen
Ansprüchen
und in der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren
enthalten.
-
Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einer Stromversorgungsschaltung, die aus zwei Bordnetzen und
mindestens einem Energieerzeuger, beispielsweise einem Generator,
besteht. Jedes Bordnetz beinhaltet einen Energiespeicher, vorzugsweise eine
Batterie, ein Ladetrennmodul (LTM) und diverse elektrische Verbraucher.
Außerdem
sind Schalteinrichtungen (ASE) zur Aktivierung, Deaktivierung bzw. Steuerung
der Verbraucher vorgesehen, die eine Kommunikationsschnittstelle
enthalten. Die Verbesserung der Kurzschlusssicherheit gelingt dadurch, dass
die Verbraucher innerhalb der Stromversorgungsschaltung jeweils
nur an einem Stromzweig angeschlossen werden. Außerdem werden die Verbraucher
zu Verbrauchergruppen zusammengefasst, die entsprechend ihrer Sicherheitsanforderungen gruppiert
sind. Die geringere Anzahl von Schaltern gegenüber ähnlichen vorbekannten Stromversorgungsschaltungen
wird ebenfalls dadurch erreicht, dass jeder Verbraucher jeweils
nur an einen Stromzweig angeschlossen wird. Die Ladetrennmodule
ermöglichen
das Abschalten ganzer Verbrauchergruppen.
-
Die
elektrischen Verbraucher werden vorteilhafter Weise in mehrere Gruppen
eingeteilt. Als Fahrbetriebsverbraucher werden dabei die Verbraucher bezeichnet,
die für
den normalen Betrieb des Fahrzeugs notwendig sind, z.B. Kühlerlüfter und
Scheibenwischer, die aber zumindest kurzfristig keinen Einfluss
auf sicherheitsrelevante Funktionen, wie z.B. Bremsen haben. Komfortverbraucher
sind Verbraucher, die eingesetzt werden, um für den Fahrer und die weiteren
Insassen angenehme Umgebungsbedingungen herzustellen. Hierunter
zählen
unter anderem das Radio und die Sitzheizung. Die Motorelektronik
und der Generator zählen
zur Gruppe der Energieerzeuger. Sie sind notwendig zur Erzeugung von
Energie im Fahrzeug. Eine Deaktivierung würde zu einer Verschlechterung
der Energiebilanz führen. Sofern
diese Komponenten nicht selbst defekt sind, muss deshalb der Betrieb
aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann der Batteriezustand
gesichert werden. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher erfüllen Aufgaben,
die die sicherheitsrelevanten Funktionen Lenken und Bremsen beeinflussen.
Beispiel hierfür
ist ein elektromechanischer Brake-by-wire-Aktuator.
-
In
einer weitere vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung werden die sicherheitsrelevanten Verbraucher vorzugsweise
in mehrere Untergruppen eingeteilt. Auf diese Weise kann die Auswirkung
eines Fehlers auf das Bordnetz lokal eingegrenzt. Außerdem kann
ein fehlerhafter Verbraucher, wie z.B. ein blockierender Steer-by-wire-Aktuator
so stromfrei geschaltet werden, wobei gleichzeitig nur eine geringe
Anzahl von anderen Komponenten von der Deaktivierung betroffen sind.
-
Die
erfindungsgemäßen Ladetrennmodule (LTM)
dienen der elektrischen Entkopplung der beiden Bordnetze, der gezielten
Energieverteilung und zur gezielten Deaktikvierung von Verbrauchergruppen
(siehe auch Zeichnung 2). Zur Entkopplung der Bordnetze wird eine
Diode (D1, D2) und ein Schalter (SH1, SH2) verwendet. Mit den Dioden
wird ein Energieaustausch zwischen Bordnetz 1 und Bordnetz 2 jederzeit
verhindert. Über
die Schalter (SH1, SH2) kann ein Bordnetz gezielt von der Energiequelle
entkoppelt werden. Auf diese Weise kann im Normalbetrieb und im
Fehlerfall eine Ladesteuerung vorgenommen werden. Im Fehlerfall,
z.B. bei einer defekten Batterie mit stark verringertem Innenwiderstand kann
durch ein Öffnen
des Schalters eine Rückwirkung
auf den Generator und somit ein Ausfall der Energiequelle durch
Spannungseinbruch verhindert werden. Gegen einen Kurzschluss wird
in Reihe zu den Schaltern SH1 und SH2 eine Sicherung (F1, F2) eingebaut.
Vorzugsweise sind Schalter und Sicherung kombiniert in einem intelligenten
Halbleiterschaltmodul (Smart Highside-Schalter). Die Bordnetze verzweigen
sich über
die Ladetrennmodule in mehrere Stromkreise. Für jede Verbrauchergruppe gibt
es einen eigenen Stromkreis. Dementsprechend existiert ein Stromkreis
für Fahbetriebsverbraucher, einer
für Komfortverbraucher,
einer für
die Versorgung der Energieerzeuger, und mehrere Stromkreise für sicherheitsrelevante
Verbraucher. Jeder Stromkreis kann über einen Schalter im Ladetrennmodul von
der Stromversorgung getrennt werden. Gegen Kurzschluss ist eine
Absicherung über
eine Sicherung vorgesehen. Auch hier wird vorzugsweise ein Smart-Highside-Schalter
verwendet, der Sicherungs- und Schaltfunktion in einem Element vereint.
Neben den abschaltbaren Verbrauchergruppen werden von den Ladetrennmodulen
auch einige besonders sicherheitsrelevante Steuergeräte versorgt.
Der Ausgang für
diese Steuergeräte
ist nicht deaktvierbar. Ein Schutz gegen Kurzschluss z.B. eine Sicherung
ist eingebaut.
-
Die
Ladetrennmodule verfügen
außerdem über eine
Kommunikationsschnittstelle. Diese Schnittstelle ermöglicht es,
Befehle zur Energieverteilung von einem übergeordneten Steuergerät zu empfangen.
Das übergeordnete
Steuergerät
ist vorzugsweise redundant ausgeführt. Die Umsetzung der Befehle
erfolgt dann mithilfe eines Mikroprozessors. Zur Versorgung von
Mikroprozessor und Kommunikationsschnittstelle wird eine Spannungsversorgung eingesetzt.
Die Spannungsversorgung wird von der Batterie des dazugehörigen Bordnetzes
versorgt. Als Kommunikationsmittel zwischen Ladetrennmodul und dem übergeordneten
Steuergerät
wird vorzugsweise ein redundant ausgeführter Kommunikationsbus mit
einem geeigneten Protokoll für
sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise FlexRay genutzt.
Im Fehlerfall ist es möglich
das gesamte Ladetrennmodul vom übergeordneten
Steuergerät
aus zu deaktivieren. Dies geschieht vorzugsweise über eine diskrete
Kommunikationsleitung. Alternativ ist diese Funktion jedoch auch
mithilfe eines Kommunikationsbusses möglich. Bei einer Deaktivierung
des Ladetrennmoduls gehen alle Schalter in ihren Default-Zustand.
Abhängig
von der Gesamtfunktionalität
und den Einzelfunktionalitäten
der Bordnetzkomponenten kann als Default-Zustand entweder offen oder
geschlossen gewählt
werden.
-
Vorzugsweise
ist die Zuteilung der Komponenten zu den Bordnetzen asymmetrisch
ausgelegt. Das erste Bordnetz umfasst dabei die Fahrbetriebsverbraucher,
die Komfortverbraucher, die Motorelektronik und die Generatoransteuerung
sowie eine Versorgung für
sicherheitsrelevante Verbraucher. Dementsprechend umfasst das zugehörige Ladetrennmodul
die Schalter SF für
die Fahrbetriebsverbraucher, SK für die Komfortverbraucher, SM
für die
Motorelektronik und die Generatoransteuerung, sowie SR1.1 bis SRn.1
für die
Gruppen 1 bis n der sicherheitsrelevanten Verbraucher. Das zweite
Bordnetz und das hierzu gehörige
zweite Ladetrennmodul umfasst und enthält die redundant ausgeführten sicherheitsrelevanten
Verbraucher und die Schalter SR1.2 bis SRn.2 zu deren redundanten
Versorgung.
-
Zur
Ansteuerung der einzelnen Verbraucher wird jeweils eine Ansteuerungs-
und Sicherungseinheit (ASE) verwendet. Die ASE besteht aus mindestens
einer Kommunikationsschnittstelle, einer Spannungsversorgung, mindestens
einem Mikroprozessor, einem oder mehreren Schalter (vorzugsweise elektronische
Halbleiterschalter) und/oder gegebenenfalls einer Leistungselektronik,
sowie eventuell weiteren Elementen, die zur Ansteuerung der entsprechenden
Verbraucher notwendig sind. Die ASE sind vorzugsweise in das Gehäuse der
entsprechenden Verbraucher integriert. In diesem Fall benötigen sie
keine eigenen Kommunikationsschnittstelle, Spannungsversorgung und
keinen eigenen Mikroprozessor, da sie die entsprechenden Komponenten des
Verbrauchers nutzen können.
Alternativ zu einer Integration in das Gehäuse des entsprechenden Verbrauchers
gibt es die Möglichkeit,
mehrere ASEs in einem Nebenschaltmodul (NSM) zusammenzufassen. Die
ASEs nutzen dann gemeinsam eine Spannungsversorgung, eine Kommunikationschnittstelle und
einen Mikroprozessor. In einem NSM werden also mehrere Schalter über einen
Mikroprozessor gesteuert.
-
Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen
näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 Eine
hierarchische Darstellung einer erfindungsgemäßen Energieversorgung;
-
2 Ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ladetrennmoduls;
-
3 Zwei
verschiedene Möglichkeiten
der Integration von Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten in die
Bordnetzarchitektur;
-
4 Ein
Blockschaltbild einer Ansteuerungs- und Sicherungseinheit;
-
5 Ein
Nebenschaltmodul;
-
6 Eine
erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur
mit DC/DC Wandler zur Steuerung des Ladestroms einer Bordnetzbatterie;
-
7 Eine
erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur
mit DC/DC Wandler zur Steuerung des Ladestromes für zwei Bordnetzbatterie,
wobei die eine Bordnetzbatterie in einem Fahrzeuganhänger sein kann;
-
8 Eine
erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur,
bei der die Versorgung einer zweiten Batterie in einem Fahrzeuganhänger ohne
DC/DC Wandler erfolgt;
-
9 Zwei
verschiedene Ausführungsformen
von Strombegrenzungsmodulen zur sicheren Ankopplung eines Fahrzeuganhängers mit
einer Batterie, deren Zustand nicht bekannt ist.
-
Die
Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
-
1 gibt
einen Überblick über die
Stromversorgungsschaltung. Im Folgenden wird auch der Begriff Bordnetzarchitektur
als Synonym für
eine Stromversorgung oder eine Energieversorgung benutzt. Die Begriffe
Stromversorgungsschaltung, Bordnetzarchitektur und Energieversorgung
sind als Synonyme zu verstehen und beleuchten hierbei jeweils verschiedene
Aspekte der Erfindung stärker oder
schwächer.
Die Stromversorgungsschaltung ist hierarchisch gegliedert in Energieerzeugung,
Energieverteilung, Energiespeicherung und Verbraucherebene. Die
Energieerzeugung übernimmt
beispielsweise ein Bordnetzgenerator G, der von einer Brennkraftmaschine
angetrieben wird. Die Energieverteilung auf zwei Teilbordnetze erfolgt
durch zwei zur Energieversorgung parallel geschalteten Ladetrennmodule
LTM1, LTM2. Die beiden Ladetrennmodule fächern die durch sie geschalteten
Teilbordnetze in weitere Stromzweige auf. In den einzelnen Stromzweigen
der Teilbordnetze befinden sich die Energiespeicher verschiedene
Gruppen von Verbrauchern. Die Energiespeicher der Teilbordnetze
bilden damit die hierarchische Ebene der Energiespeicherung und die
verschiednen Gruppen der Verbraucher bilden die hierarchische Ebene
der Verbraucher. Die hierarchische Gliederung wird über einen
Kommunikationsbus und zwei aus Sicherheitsgründen redundant ausgeführten, übergeordneten
Steuergeräten
eingerichtet. Über
den Kommunikationsbus werden die schaltbaren und steuerbaren Einheiten
der Stromversorgungsschaltung von den übergeordneten Steuergeräten entsprechend
ihrer Bedeutung für
das Gesamtsystem und entsprechend ihrer Hierarchiestufe mit unterschiedlicher
Vorrangstellung geschaltet und gesteuert.
-
Weitere
Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung
zeigt ebenfalls 1. Zu sehen sind der Generator
G, die redundanten übergeordneten
Steuergeräte Ü-ECU1 und Ü-ECU2. Vom
Generator geht jeweils eine Energieversorgungsleitung zu den Ladetrennmodulen
LTM1 und LTM2. An LTM1 sind über Energieversorgungsleitungen,
die Batterie, die Fahrbetriebsverbraucher, die Komfortverbraucher,
die Versorgung von Motor und Generator und die Gruppen 1 bis 4 der
sicherheitsrelevanten Verbraucher angeschlossen. An die Batterie
ist ein Sensor angeschlossen, der charakteristische Messgrößen wie z.B.
die Batteriespannung misst und über
den Kommunikationsbus, dargestellt mit unterbrochenen Linie, zu
den übergeordneten
Steuergeräten Ü-ECU1, Ü-ECU2 sendet.
Die übergeordneten
Steuergeräte Ü-ECUs können aus
diesen Werten den Batteriezustand ermitteln. Über einen Kommunikationsbus
sind die übergeordneten
Steuergeräte Ü-ECUs mit
den Ladetrennmodulen LTMs, dem Generator, dem Batteriesensor und
den sicherheitsrelevanten Verbrauchern verbunden. Beim mit unterbrochener
Linie dargestellten Kommunikationsbus handelt es sich um einen Bus
der geeignet ist, um sicherheitsrelevante Aufgaben zu erfüllen. Also
vorzugsweise um einen deterministischen Datenbus, mit ereignisabhängigen und
deterministisch steuerbaren Buszugriff.
-
Die
nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher wie z.B. die Fahrbetriebsverbraucher
können
z.B. über
nicht dargestellte Ansteuerungs- und Sicherungs-Einheiten und nicht
gezeigte Kommunikationseinrichtungen gesteuert werden. Auf die Ansteuerungs-
und Sicherungseinheiten wird weiter unten noch eingegangen.
-
2 zeigt
den beispielhaften Aufbau eines Ladetrennmoduls. Im linken Teil
der Zeichnung sind der Kommunikationscontroller und der Mikrocontroller μC zu sehen.
An den Kommunikationscontroller wird der externe Kommunikationsbus
angeschlossen. Die weiteren, internen Bauteile des Ladetrennmoduls
werden danach über
einen internen Bus angesteuert. Eine interne Spannungsversorgung,
die ihre Energie über
den Schalter SV von der zugehörigen
Batterie erhält
versorgt die beiden Controller, Kommunikationskontroller und Mikrocontroller μC mit der
Versorgungsspannung Uvers. Über
ein diskretes Steuersignal, das an den Schalter SV angelegt wird, kann
das Ladetrennmodul LTM1 deaktiviert oder aktiviert werden.
-
Die
Eingangsspannung wird vom Generator geliefert. Über die Diode D1 und den Schalter
SH1 kann die Generatorspannung an die entsprechende Batterie angelegt
werden. Die Batterie ist über
Energieleitungen immer fest mit den entsprechenden Ausgängen des
Ladetrennmoduls verbunden. Im oberen Teil der Schaltung sind die
schaltbaren Ausgänge
mit den Schaltern SM1, SF1, SK1, SR1.1 bis SRn.1 zu sehen. In dem
gezeigten Beispiel werden als Schalter intelligente Halbleiterschalter
mit integrierter Sicherungsfunktion verwendet. Im unteren Teil sind
nicht schaltbare Ausgänge
zu sehen. Diese Ausgänge
werden mit den Sicherungen F1 bis Fn gegen Kurzschluss abgesichert.
Sie dienen der Versorgung von hochrelevanten Steuergeräten oder
Kommunikationseinrichtungen. Der Kommunikationscontroller übersetzt
die Steuerbefehle der übergeordneten
Steuergeräte
auf den internen Bus des Ladetrennmoduls. Mit dem Mikrocontroller
des Ladetrennmoduls wird dann das Energiemanagement für das an
das Ladetrennmodul angeschlossene Teilbordnetz innerhalb der Vorgaben
durch die übergeordneten
Steuergeräte
durchgeführt.
Die schaltbaren und steuerbaren Ausgänge des Ladetrennmoduls werden
deshalb von dem Mikrocontroller über
den internen Bus des Ladetrennmoduls angesprochen.
-
3 zeigt
eine erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur
mit möglichen
Einbaubeispielen für die
Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten ASE, mit denen die Verbraucher
gesteuert werden können.
Im linken Teil der Schaltung ist eine Ansteuerungs- und Sicherungseinheit
ASE integriert im Gehäuse
eines Verbrauchers V1. Eine Anbindung der Kombination von ASE und
Verbraucher an den Kommunikationsbus ist hier zwingend notwendig.
Im rechten Teil der Schaltung sind mehrere Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten
in einem Nebenschaltmodul NSM zusammengefasst. Eine Anbindung der
einzelnen Verbraucher V2, V3, V4 an ein Kommunikationsnetz ist hier
nicht unbedingt erforderlich. Es genügt hier die Anbindung des Nebenschaltmoduls
an den Kommunikationsbus.
-
4 zeigt
den Aufbau einer Ansteuerungs- und Sicherungseinheit ASE. Über eine
Kommunikationsschnittstelle gelangen die Befehle vom externen Kommunikationsbus
zum Kommunikationscontroller und nachfolgend zum Mikrocontroller μC, der diese Befehle
umwandelt und als Schaltsignale an die entsprechenden Schalter weitergibt.
In dem Beispiel wird für
die Kommunikation zwischen Kommunikationscontroller und Mikrokontroller
ein interner Kommunikationsbus z.B. SPI Bus (SPI=Serial Peripheral Interface)
verwendet. Der Schalter S1a wird vom Mikrokontroller ebenfalls über diesen
Bus angesprochen. Alternativ dazu wäre auch eine Kommunikation zwischen
Mikrocontroller und Schalter über
diskrete Steuersignale möglich.
Hierzu wären
in der Zeichnung nicht gezeigte analoge Informationsleitungen notwendig.
Die Absicherung gegen einen Kurzschluss wird mit einer Sicherung
F1a realisiert. Die Sicherungsfunktionalität kann alternativ zu dieser Darstellung
auch im Schalter integriert sein.
-
5 zeigt
eine beispielhafte Ausführung
eines Nebenschaltmoduls NSM. In der Zeichnung sind 3 Schalter S1b
bis Snb zu sehen. Die Befehle gelangen von den übergeordneten Steuergeräten Ü-ECUs über den
externen Kommunikationsbus und den externen Kommunikationscontroller
zum Mikrokontroller μC.
Dort werden die Befehle in interne Befehle für die einzelnen Schalter S1b
bis Snb und für
hier nicht gezeigte Leistungsschaltelemente zur Steuerung und Regelung
von elektrischen Verbrauchern verwendet und umgesetzt. Die Sicherungen
F1b bis Fnb sichern die abgehenden Stromleitungen gegen Kurzschluss
ab. Das Nebenschaltmodul NSM wird von der Batterie des entsprechenden
Bordnetzes mit versorgt.
-
6 zeigt
wie ein DC/DC-Wandler vorteilhaft eingesetzt werden kann um die
Ladespannung einer Batterie 2 in einem Teilbordnetz zu steuern.
In bisherigen, bekannten zweiteiligen Bordnetzen mit je einer Batterie
in einem Teilbordnetz war es immer nur möglich die Spannung für eine der
beiden Batterien zu optimieren. Mit der gezeigten Schaltung nach 6 ist
es möglich,
bei Bedarf die Spannung einer Batterie 2 in einem Teilbordnetz unabhängig von
der für
die Batterie notwendigen Ladespannung zu regeln. Das erste Teilbordnetz
wird von dem Ladetrennmodul LTM1 geschaltet. Die Verbraucher dieses
ersten Teilbordnetzes sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Es
sind aber im wesentlichen dieselben, die schon im Zusammenhang mit
der 1 diskutiert worden sind. Dadurch, dass in dem
Teilbordnetz, das von dem Ladetrennmodul LTM2 geschaltet wird, der Energieverbrauch
geringer ist als im Teilbordnetz, das durch das Ladetrennmodul LTM1
geschaltet wird, und da eine Zuschaltung eines DC/DC-Wandlers nur
temporär
erfolgt, hat auch ein relativ kostengünstiger Wandler mit geringem
Wirkungsgrad nur wenig negative Auswirkungen auf die Energiebilanz. Die
Aufladung der Batterie in einem Teilbordnetz erfolgt daher über einen
mit diesem Teilbordnetz verbundenen und durch das entsprechende
Ladetrennmodul zuschaltbaren DC/DC Wandler. Die Spannungsregelung
des DC/DC Wandlers wird hierbei von den übergeordneten Steuergeräten Ü-ECU1 oder ECU2 übernommen,
die über
einen Kommunikationsbus sowohl die Leistungssteuerung des Generators
als auch die Leistungssteuerung des DC/DC Wandlers übernehmen.
-
In 7 wird
gezeigt, wie der DC/DC-Wandler bei Einsatz eines Anhängers mit
eigenem Energiespeicher im Bedarfsfall abwechselnd zur Ladesteuerung
der Batterie 2 in dem einen Teilbordnetz, das durch das Ladetrennmodul
LTM2 beschaltet wird, und der Anhängerbatterie verwendet werden kann.
Der Vorteil eines Wandlers in der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur ist
hier noch größer, da durch
die relativ lange Leitung zwischen Generator und Anhängerbatterie
ein relativ hoher Spannungsabfall bis zur Anhängerbatterie entsteht. Ohne
einen Ausgleich dieses Spannungsabfalls besteht die Gefahr, dass
entweder die Batterien im Fahrzeug überladen werden oder die Batterie/Batterien
im Anhänger
nicht vollständig
geladen werden können.
Das Ladetrennmodul LTM1 ist in dieser Zeichnung ohne das zugehörige Teilbordnetz
dargestellt.
-
In 8 wird
eine alternative Möglichkeit
zur Versorgung eines Anhängers
mit elektrischer Energie dargestellt. Im mittleren Teil der Zeichnung
ist ein Beispiel für
eine Ankopplung einer Batterie im Anhänger gegeben. Mit dem Schalter
SBA1 im Ladetrennmodul LTM2 kann die Anhängerbatterie vom Generator
entkoppelt werden. Das Strombegrenzungsmodul UAB 1 wird benötigt um
beim Ankoppeln bzw. beim Schließen
des Schalters SBA1 hohe Ströme
zu verhindern. Eine genaue Beschreibung des Strombegrenzungsmoduls
UAB wird anhand 9 gegeben. Diese hohen Ströme könnten dann
Auftreten, wenn der Ladezustand der Batterie im Anhänger sehr schlecht
ist und die Spannung entsprechend niedrig. Im rechten Teil der Zeichnung
ist zu sehen, wie die Verbraucher im Anhänger mit Strom versorgt werden können, ohne
dass eine Batterie im Anhänger
notwendig ist. Sie werden über
einen weiteren Schalter SVA im Ladetrennmodul LTM2 von der Batterie
2 des Fahrzeugbordnetzes versorgt. Ebenso können die Verbraucher im Fahrzeuganhänger über einen
weiteren Schalter SH1 im Ladetrennmodul LTM" direkt an die Energieversorgungsleitung
des Generators zugeschaltet werden.
-
9 zeigt
2 Beispiele für
den Aufbau von Strombegrenzungsmodulen UAB.
-
Im
linken Beispiel ist die Realisierung einer Strombegrenzung mit mehreren
parallelen Stromzweigen. Die zur Strombegrenzung dienenden Stromzweige
haben dabei jeweils einem Schalter SU1 bis SU3 mit jeweils einem
in Serie zum Schalter befindlichen Widerstand R1 bis R3. Zu Beginn
des Ankoppelvorgangs wird nur der Pfad mit dem höchsten ohmschen Widerstand über den
entsprechenden Schalter, hier z.B. SU1 geöffnet. Der größte Widerstand
ist so ausgelegt, dass selbst bei einer vollständig entladenen Batterie im
Anhänger
nur ein relativ kleiner definiert Strom fließen kann z.B. 5A. Mit zunehmender
Spannung an der Anhängerbatterie
wird jeweils ein kleinerer Widerstand gewählt. Denkbar ist auch eine
Kombination von mehreren offenen Pfaden zur stufenweisen Reduzierung
des Widerstandes. Ist der Spannungsunterschied zwischen Anhänger und Zugmaschine
auf ein vertretbares Maß gesunken,
so ist eine Strombegrenzung nicht mehr notwendig. In diesem Fall
wird innerhalb des Strombegrenzungsmoduls UAB ein Stromzweig ohne
begrenzenden Widerstand geschaltet. In der Zeichnung ist dies der Pfad
mit dem Schalter SUn. Der Verluststrom wird so minimiert.
-
Auf
der rechten Seite der Zeichnung ist die gleiche Funktionalität mit einem
regelbaren Lastwiderstand Rr dargestellt. Vorteil dieser Ausführung ist die
geringere Anzahl der Komponenten. Die Strombegrenzungseinheit kommt
bei dieser Ausführungsform
im Prinzip mit einem Strompfad aus, in dem ein ansteuerbarer Schalter
und in Serie dazu ein regelbarer Widerstand geschaltet sind, aus.
Nachteilig sind die verhältnismäßig höheren Kosten,
die für
den regelbaren Widerstand aufgebracht werden müssen. Vorteilhafter Weise enthält die Strombegrenzungseinheit
aber auch bei dieser Ausführungsform
neben dem Pfad mit dem regelbaren Lastwiderstand noch einen schaltbaren
Pfad ohne Widerstand im Strompfad In der Zeichnung ist dies der
Pfad mit dem Schalter SUb. Dieser ist vorteilhaft, da der regelbare Lastwiderstand
nicht beliebig in Richtung 0 Ohm heruntergeregelt werden kann, sondern
weiterhin einen Restwiderstand beinhaltet, der zu einem Spannungsabfall
führt.
-
Mit
der Erfindung lassen sich zusammenfassend folgende Funktionalitäten und
Vorteile realisieren:
Im Normalbetrieb können die Verbraucher in den
Teilbordnetzen einzeln aktiviert/deaktiviert werden bzw. gesteuert
werden. Dies geschieht über
Befehle, die per Kommunikationsbus zu den Kommunikationsschnittstellen
der Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten ASE der einzelnen Verbraucher
oder eines Nebenschaltmoduls übertragen
werden. Im Fehlerfall, ist eine gruppenweise Deaktivierung mehrerer Verbraucher
mithilfe der durch Ladetrennmodule LTM einzeln schaltbaren Stromzweige
innerhalb eines Teilbordnetzes möglich.
So kann beispielsweise ein fehlerhaft agierender sicherheitsrelevanter
Aktuator stromlos geschaltet werden, indem das Ladetrennmodul LTM
den entsprechenden Stromzweig und damit die entsprechende Verbrauchergruppe vom
Bordnetz entkoppelt.
-
Beim
Ausfall des Energieerzeugers, in den gezeigten Ausführungsbeispielen
der Bordnetzgenerator G, haben die beiden Energiespeicher in den
beiden Teilbordnetzen ausreichend Energie, um das Fahrzeug in einen
sicheren Zustand zu bringen. Der Zeitraum von der Entdeckung eines
Energiemangels bzw. des Ausfalls der Energiequelle bis zum Stillstand
des Fahrzeugs mit angezogenen Bremsen (sicherer Zustand) wird als
Notlauf bezeichnet. Bei einem Notlauf werden alle nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher
deaktiviert. Sollte der Energiemangel nicht durch einen Ausfall
des Energieerzeugers verursacht worden sein, so wird die Energieversorgung des/der
Energieerzeuger weiterhin aufrechterhalten. Sollte der Energiemangel
nur vorübergehend
und noch nicht sehr stark ausgeprägt sein, so ist eine stufenweise
Deaktivierung der Verbraucher möglich. Dabei
können
zuerst einzelne Verbraucher deaktiviert werden, dann erfolgt eine
Abkopplung der Komfortverbraucher und schließlich erfolgt eine Abtrennung
der Fahrbetriebsverbraucher.
-
Die
damit verbundenen Vorteile sind hauptsächlich:
- • Eine konsequente
Entkopplung der beiden Teilbordnetze über Dioden und Schalter in
den Ladetrennmodulen.
- • Bei
Ausfall eines Teilbordnetzes können
die redundant ausgeführten
sicherheitsrelevanten Verbraucher über das zweite Teilbordnetz
versorgt werden.
- • Die
erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur
ermöglicht
die gezielte Steuerung einzelner Verbraucher über die Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten
ASE. Hierfür
ist nur bei sicherheitsrelevanten Verbrauchern auf die Sicherheit der
Kommunikationsanbindung, also einen deterministischen Bus zu achten.
Bei den anderen Verbrauchergruppen, wie z.B. den Fahrbetriebsverbraucher
ist eine Kommunikationsanbindung über einen konventionellen arbitrierenden
Bus wie z.B. CAN ausreichend, da diese Verbraucher im Notfall gruppenweise
mithilfe des Ladetrennmoduls LTM abgeschaltet werden.
- • Die
erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur
ermöglicht
die gruppenweise Deaktivierung von nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern
in einer Energiemangelsituation.
- • Im
Fehlerfall kann ein Teilbordnetz komplett über das zugehörige Ladetrennmodul
abgeschaltet werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass ein
Defekt in einem Teilbordnetz die Energiequelle, z.B. den Bordnetzgenerator
in Kombination mit einem antreibenden Verbrennungsmotor, negativ beeinflusst.
- • Die
hierarchische Gliederung der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung
in Energieerzeugung, Energieverteilung, Energiespeicherung und Verbraucherebene
ermöglicht
eine optimierte Bordnetzarchitektur. Die Ladetrennmodule können kompakt
ausgeführt
und in räumlicher
Nähe zu
den Batterien der Teilbordnetze und zur Energiequelle angeordnet
werden. Die Anbindung durch einen sicherheitsspezifischen deterministischen
Kommunikationsbus ermöglicht
eine hohe Zuverlässigkeit
der Energieverteilung über
die Ladetrennmodule LTM mit verhältnismäßig geringem
Aufwand für
die Kommunikationsarchitektur des betreffenden Bussystems.