DE102014015308A1

DE102014015308A1 - Datenkommunikation über die Versorgungsspannung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102014015308A1
Application number: DE102014015308.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: DE102014015308B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Kommunikationsdaten (TX) zwischen elektrischen Geräten (20, 22) eines Kraftfahrzeugs (10). Die Geräte (20, 22) werden über eine gemeinsame Versorgungsleitung (16) für einen elektrischen Versorgungsstrom (I) miteinander gekoppelt. Die Kommunikationsdaten (TX) werden über die Versorgungsleitung (16) als ein Wechselspannungssignal (SIG) übertragen, welches zumindest eine Frequenz größer als eine vorbestimmte Mindestfrequenz aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es, das Wechselspannungssignal (SIG) verlustarm zu übertragen. Bei jedem Gerät (20, 22) wird zumindest sein Anteil des Versorgungsstroms (I) über eine jeweilige Stromregelschaltung (26) des Geräts (20, 22) geführt, welche eine Stromstärke des über sie geführten Stromes (I, I') auf einen Sollwert (R) regelt und hierbei in einem Frequenzbereich oberhalb der Mindestfrequenz eine Mindestimpedanz aufweist, bei welcher ein überwiegender Teil des Wechselspannungssignals (SIG) über der Stromregelschaltung (26) abfällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Kommunikationsdaten zwischen elektrischen Geräten eines Kraftfahrzeugs. Die Geräte sind über eine gemeinsame Versorgungsleitung für einen elektrischen Versorgungsstrom gekoppelt. Zu der Erfindung gehört auch ein elektrisches Gerät für ein Kraftfahrzeug, das als eines der Geräte in dem Verfahren verwendet werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug, das zum Durchführen des Verfahrens ausgestattet ist.
Das Übertragen von Kommunikationsdaten über eine Versorgungsleitung ist beispielsweise aus der DE 10 2008 044 147 A1 bekannt. Geräte, welche die Kommunikationsdaten empfangen sollen, weisen hierzu eine Empfangsstufe für ein auf die Versorgungsspannung aufmoduliertes mehrstufiges Signal auf. Die Empfangsstufe weist sowohl einen Versorgungspotentialanschluss als auch einen Massenpotentialanschluss auf und wertet die Versorgungsspannung aus. Die Empfangsstufe ist dabei parallel zu der eigentlichen Funktionseinheit des jeweiligen Geräts geschaltet, also beispielsweise einem Elektromotor des Geräts oder einem anderen Aktor oder Sensor, welcher zum Bereitstellen der Gerätefunktion vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2010 044 991 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem ein Sensor seine Sensordaten an ein anderes Gerät über eine Leitung aussendet, welche sowohl zum Übertragen der Daten als auch zum Versorgen des Sensors mit elektrischer Energie dient.
In der DE 10 2011 016 551 A1 ist eine Fahrerassistenzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei welcher ein Sensor zum Erfassen von Umgebungsdaten des Kraftfahrzeugs die Umgebungsdaten auf eine Datenleitung aufmoduliert und in Form von elektrischen Spannungssignalen überträgt.
Die Schwierigkeit bei der Kommunikation über die elektrische Versorgungsleitung in einem Kraftfahrzeug ist, dass durch geschaltete Lasten, beispielsweise durch Elektromotoren mit Wechselrichterantrieb, vielfältige Störungen auf der Versorgungsleitung des Bordnetzes vorhanden sind, welche schwer von Übertragungssignalen zu unterscheiden sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass zur Pufferung von pulsweitenmodulierten Endstufen, Audioendstufen und anderen Leistungsgeräten Kondensatoren mit hoher Kapazität in den jeweiligen Geräten eingesetzt werden, welche das Bordnetz puffern. Dadurch und durch die Batterie ist das Bordnetz extrem niederohmig. Eine Kommunikation muss entsprechend mit hohem Strom aufgeprägt werden. Dies wiederum hat einen hohen Stromverbrauch und starke elektromagnetische Störungen im Kraftfahrzeug zur Folge, was die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) beeinträchtigt. Ferner benötigt diese Lösung teure Bauteile. Ein Ansatz ist nämlich, die Geräte und die Fahrzeugbatterie vom eigentlichen Bordnetz, das heißt den Versorgungsleitungen, mit Induktivitäten zu entkoppeln. Diese Induktivitäten wiederum müssen den vollen Versorgungsstrom eines Geräts tragen können, was große und teure Induktivitäten erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug Kommunikationsdaten über eine Versorgungsleitung mit geringem schaltungstechnischen und energetischen Aufwand zu übertragen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung geht davon aus, dass Geräte eines Kraftfahrzeugs, also beispielsweise ein Motor für einen Fensterheber oder ein Motor für einen verstellbaren Außenspiegel, über eine gemeinsame elektrische Versorgungsleitung für einen elektrischen Versorgungsstrom gekoppelt sind. Die Versorgungsleitung stellt einen Bestandteil des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs dar. Über die Versorgungsleitung können die Geräte mit einer Energiequelle des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, gekoppelt sein und mit elektrischer Energie für ihren Betrieb versorgt werden. Die Kommunikationsdaten werden über die Versorgungsleitung als ein Wechselspannungssignal übertragen. Das Wechselspannungssignal kann beispielsweise als sinusförmiges Wechselspannungssignal oder auf der Grundlage einer Modulation, beispielsweise einer Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM) oder einer Pulscodemodulation (PCM) erzeugt sein. Beispielsweise kann ein 100 Kilohertz-Sinussignal mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 100 Millivolt (100 mVss) vorgesehen sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass das Wechselspannungssignal zumindest eine Frequenz größer als eine vorbestimmte Mindestfrequenz aufweist. Die Mindestfrequenz kann z. B. in einem bereich von 10 Kilohertz bis 200 Kilohertz liegen. Bevorzugt wird ein überwiegender Teil der Signalleistung des Wechselspannungssignals in einem Frequenzbereich oberhalb der Mindestfrequenz über die Versorgungsleitung übertragen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht des Weiteren vor, bei jedem Gerät zumindest ein Teil des Versorgungsstroms der Versorgungsleitung über eine jeweilige Stromregelschaltung des Geräts geführt, welche eine Stromstärke des über sie geführten Stromes auf einen Sollwert regelt. Durch die Stromregelschaltung ist also ein Stromregler realisiert, das heißt die Stromregelschaltung regelt die Stromstärke des über sie geführten Stromes auf einen Sollwert. Wichtig ist, dass es sich um eine Stromregelung und nicht um eine Spannungsregelung handelt.
Durch Einstellen von beispielsweise Parametern der Stromregelung, beispielsweise von Zeitkonstanten und/oder einer Veränderungsrate der Regelgröße, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromregelschaltung in einem Frequenzbereich oberhalb der genannten Mindestfrequenz eine Mindestimpedanz aufweist, bei welcher ein überwiegender Teil des Wechselspannungssignals über der Stromregelschaltung abfällt. Mit anderen Worten verhält sich die Stromregelschaltung gegenüber dem Wechselspannungssignal hochohmig. Mit überwiegender Teil ist gemeint, dass mindestens 50 Prozent, insbesondere mehr als 70 Prozent, bevorzugt mehr als 90 Prozent, der Amplitude des Wechselspannungssignals über der Stromregelschaltung abfallen. Insgesamt ergibt sich durch die Stromregelschaltung mit dem beschriebenen Betriebsverhalten eine Entkopplung des Stromes, welcher dem Gerät zugeführt wird, und der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung auf der Versorgungsleitung, wie sie durch das Wechselspannungssignal verursacht werden.
Durch Führen des Stromes über eine Stromregelschaltung ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil, dass das Wechselspannungssignal zum Übertragen der Kommunikationsdaten nicht in dem Gerät durch eine niederohmige Funktionseinheit, die beispielsweise einen Pufferkondensator umfassen kann, gedämpft wird. Es reicht somit, ein Wechselspannungssignal mit verhältnismäßig kleiner Spitze-zu-Spitze-Amplitude in die Versorgungsleitung einzuprägen. Bei den Nachrichtenempfängern, das heißt den anderen Geräten, fällt dieses Wechselspannungssignal dann über der Stromregelschaltung ab und kann dort als Kommunikationssignal abgegriffen werden. Der Sollwert für die Stromregelung kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem aktuellen Strombedarf des jeweiligen Geräts eingestellt werden.
Die Mindestfrequenz für das Wechselspannungssignal kann in vorteilhafter Weise derart gewählt werden, dass sie größer ist als eine Änderungsrate des Gerätestroms. Mit anderen Worten verändert das jeweilige Gerät seinen Strombedarf langsamer als es der Mindestfrequenz entspricht. Hierdurch wird der Betrieb der Funktionseinheit des Geräts durch Vorsehen der Stromregelschaltung nicht beeinträchtigt, oder es muss die Funktionseinheit des Geräts nicht an einen Betrieb mit der Stromregelschaltung angepasst werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Stromregelschaltung kann in Vorteil bringender Weise noch für weitere Zwecke eingesetzt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eines der Geräte als Mastergerät betrieben wird, über dessen Stromregelschaltung die Versorgungsleitung insgesamt mit einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Über die Stromregelschaltung des Mastergeräts wird also der Versorgungsstrom für die übrigen Geräte geführt. Hierdurch wird durch die Stromregelschaltung des Mastergeräts die gesamte Versorgungsleitung von der elektrischen Energiequelle, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, entkoppelt. Somit kann das Wechselspannungssignal nicht durch den niederohmigen Innenwiderstand der Energiequelle gedämpft werden. Durch die Stromregelschaltung des Mastergeräts wird also die Versorgungsleitung als ein Subnetz beispielsweise in einem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs betrieben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Mastergerät beispielsweise mittels der Stromregelschaltung das gesamte Subnetz abschalten kann, indem es den über die Stromregelschaltung geführten Strom unterbricht. Das Mastergerät kann auch als Halbleiterrelais oder Halbleitersicherung für das Subnetz, d. h. die Versorgungsleitung, dienen, indem die Stromregelschaltung entsprechend ausgelegt wird. Hierdurch wird die Stromregelschaltung multifunktional genutzt, was den Bauteilbedarf für die Herstellung des Kraftfahrzeugs reduziert.
Eines der Geräte, insbesondere das Mastergerät, wird in einer Ausführungsform der Erfindung als Steuergerät betrieben, welches die übrigen Geräte steuert. Hierdurch wird erreicht, dass die übrigen Geräte besonders einfach ausgestaltet sein können. Diese Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die anderen Geräte jeweils eine Funktionseinheit umfassen, durch welche die jeweilige Gerätefunktion bereitgestellt ist. Als Funktionseinheit kann beispielsweise ein Elektromotor mit Wechselrichter bereitgestellt sein oder eine Sensoranordnung mit zumindest einem Sensor, beispielsweise für die Temperatur oder eine Motordrehzahl, oder ein Regensensor. Allgemein kann eine Funktionseinheit zumindest einen Aktor und/oder einen Sensor umfassen.
Des Weiteren wird durch das jeweilige andere Gerät zumindest ein durch die Kommunikationsdaten auslösbarer Grundbefehl zum Steuern der Funktionseinheit bereitgestellt. Im Zusammenhang mit einer Steuerung eines Motors kann beispielsweise der Grundbefehl ein Fahrbefehl sein (vorwärts, rückwärts). Für einen Sensor kann als Grundbefehl ein Auslesebefehl vorgesehen sein. Des Weiteren kann durch jedes der anderen Geräte optional auch eine entsprechende Rückmeldung vorgesehen sein, die in Form von Kommunikationsdaten über die Versorgungsleitung ausgesendet werden können. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Meldung des aktuellen Zustands oder eines Sensorsignals handeln. Das Steuergerät für die anderen Geräte ist dazu ausgelegt, zentral für jedes der anderen Geräte Gerätefunktionen bereitzustellen. Jede Gerätefunktion umfasst dabei jeweils zumindest einen Grundbefehl des jeweiligen Geräts. Die jeweilige Gerätefunktion wird durch das Steuergerät in Abhängigkeit von einem jeweils vorbestimmten Auslösebefehl ausgelöst, und zwar durch Aussenden der zugehörigen Grundbefehle über die Versorgungsleitung. Das Auslösen einer Gerätefunktion kann beispielsweise mittels eines Tasters von einem Benutzer des Kraftfahrzeugs bewirkt werden. Mit anderen Worten kann über das Steuergerät durch Auswählen oder Aktivieren oder Auslösen der jeweiligen Gerätefunktion dann bei einem der anderen Geräte ein Betriebsverhalten bewirkt werden, das komplexer ist, als es durch einen einzelnen Grundbefehl des Geräts bewirkt werden kann.
Das Vorsehen eines zentralen Steuergeräts weist den Vorteil auf, dass mehrere Geräte über ein einzelnes Steuergerät gesteuert werden können und so beispielsweise Türsteuergeräte und Sitzsteuergeräte im Kraftfahrzeug entfallen können. Vor Ort an den einzelnen Positionen im Kraftfahrzeug, wo die jeweilige Gerätefunktion benötigt wird, muss nur ein entsprechender Aktor oder Sensor vorgesehen sein, also beispielsweise ein Motor mit Elektronik oder ein Taster mit entsprechender Elektronik. Das Steuergerät enthält zentralisiert die eigentlichen Gerätefunktionen und setzt diese aus den Grundbefehlen zusammen, die über die Kommunikationsdaten in den anderen Geräten ausgelöst werden können. Die Grundbefehle können über die Versorgungsleitung mittels des Wechselspannungssignals übertragen werden. Es ergibt sich der Entfall beispielsweise von Sitz- und Türsteuergeräten. Zudem ergibt sich ein reduzierter Verkabelungsaufwand auch im Vergleich zu sensorloser Positionierung und Gruppenschaltung von Motoren. Motoren können zudem unabhängig von Systemen entwickelt und erprobt werden, da ihre Ansteuerung über das zentrale Gerät erfolgt, das nicht mit den Motormodellen ausgetauscht werden muss.
Um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können, ist durch die Erfindung auch ein elektrisches Gerät für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Mehrere dieser erfindungsgemäßen Geräte können an eine Versorgungsschaltung geschaltet sein und dann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße elektrische Gerät weist einen Versorgungsanschluss zum Anschließen an eine elektrische Versorgungsleitung des Kraftfahrzeugs auf. Der Strom dient insbesondere zum Betreiben einer Funktionseinheit des Geräts, welche die eigentliche Gerätefunktion bereitstellt, also beispielsweise eine Motorfunktion zum Verstellen eines Fahrzeugsitzes oder eines Fensters oder Spiegels. Eine Stromregelschaltung ist dazu ausgelegt, eine Stromstärke eines über den Versorgungsanschluss geführten Stromes auf einen Sollwert einzuregeln. Das Regeln erfolgt dabei mit einer Änderungsrate, durch welche sich bei der Stromregelschaltung in einem Frequenzbereich oberhalb einer vorbestimmten Mindestfrequenz eine Mindestimpedanz ergibt, bei welcher ein überwiegender Teil eines Wechselspannungssignals der Versorgungsleitung, welches eine Frequenz größer als die Mindestfrequenz aufweist, über der Stromregelschaltung abfällt. Die Änderungsrate der Stromregelung entspricht ihrer Zeitkonstante beim Nachführen der Regelgröße. Indem also die einzuregelnde Stromstärke langsamer oder eben mit geringerer Änderungsrate angepasst wird als das Wechselspannungssignal der Versorgungsleitung, wirkt die Stromregelschaltung wie ein hochohmiger Widerstand bezüglich dieses Wechselspannungssignals, sodass mindestens 50 Prozent, insbesondere mindestens 70 Prozent, bevorzugt mindestens 90 Prozent der Amplitude des Wechselspannungssignals über der Stromregelschaltung abfallen. Hierdurch wird das Wechselspannungssignal nicht z. B. durch eine Funktionseinheit des Geräts beeinträchtigt, die beispielsweise einen niederohmigen Pufferkondensator aufweisen kann.
Das beschriebene Wechselspannungssignal ist natürlich das Kommunikationssignal mit den Kommunikationsdaten, z. B. die z. B. einen Grundbefehl zum Steuern eines anderen Geräts umfassen können. Um dieses Wechselspannungssignal selbst zu erzeugen, sieht eine Ausführungsform des Geräts vor, dass das Wechselspannungssignal durch eine Spannungsaufprägung über einen Kondensator in die Versorgungsleitung eingeprägt wird. Es kann also eine Elektrode des Kondensators mit der Versorgungsleitung und eine andere Elektrode des Kondensators beispielsweise mit einem Operationsverstärker gekoppelt sein, welcher den Kondensator gemäß dem Verlauf des Wechselspannungssignals auf- und entlädt.
Um das Wechselspannungssignal von einem anderen Gerät zu empfangen, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Gerät das Wechselspannungssignal über einen Kondensator aus der Versorgungsleitung auskoppelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein Laststrom unterhalb der Mindestfrequenz aus der Versorgungsleitung entnommen wird, um die Kommunikationsdaten zu empfangen.
Eine andere Form des Aussendens des Wechselspannungssignals ergibt sich gemäß einer Ausführungsform, bei welcher das Gerät dazu ausgelegt ist, das Wechselspannungssignal durch eine Modulation des Sollwerts der Stromregelschaltung aufzumodulieren. Hierdurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass ohne dedizierte Sendeeinheit allein mittels der Stromregelschaltung das Wechselspannungssignal auf die Versorgungsspannung in der Versorgungsleitung aufmoduliert wird.
Um das erfindungsgemäße Kommunikationsprinzip mit Stromregelschaltung in Technologien aus dem Stand der Technik integrieren zu können, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Gerät einen CAN-Controller (CAN – Controller Area Network) aufweist. Im Stand der Technik ist der CAN-Controller über einen Physical Layer mit einer CAN-Busleitung gekoppelt, die durch Erzeugen unterschiedlicher Spannungspegel auf der CAN-H-Leitung und der CAN-F-Leitung Binärdaten aussendet. Dieser Physical Layer kann bei dem erfindungsgemäßen Gerät entfallen. Der CAN-Controller ist mit einer Modulationseinrichtung gekoppelt, die dazu ausgelegt ist, das Wechselspannungssignal auf der Versorgungsleitung in Abhängigkeit von Kommunikationsdaten des CAN-Controllers zu erzeugen. Dann wird bei dem erfindungsgemäßen Gerät der Physical Layer für den CAN-Controller durch die Modulationseinrichtung ersetzt. Die Modulationseinrichtung kann zusätzlich oder alternativ auch dazu ausgelegt sein, das Wechselspannungssignal zu demodulieren und an den CAN-Controller auszugeben. Dann wirkt die Modulationseinrichtung wie eine Empfangsschaltung. Mittels der Modulationseinrichtung kann auch in besonders einfacher Weise der dominante Zustand erreicht werden, der für die Kollisionsprüfung notwendig ist. Hierzu wird bevorzugt eine Phasenmodulation mit einem Phasensprung als dominanter Pegel vorgesehen. Dieser dominante Zustand weist die wichtige Eigenschaft auf, dass er mit anderen dominanten Zuständen anderer Geräte in einer ODER-Funktion überlagerbar ist. Die Modulationseinrichtung kann auf der Grundlage einer der beschriebenen Sendeschaltungen und/oder der beschriebenen Empfangsschaltung bereitgestellt sein.
Um die für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Geräts wichtige Stromregelung zu realisieren, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Stromregelschaltung einen Transistor aufweist und die Stromregelschaltung dazu ausgelegt ist, den über den Versorgungsanschluss empfangenen Strom über eine Steuerstrecke oder Laststrecke des Transistors zu führen, also die Drain-Source-Strecke beziehungsweise die Collector-Emitter-Strecke. Des Weiteren ist die Stromregelschaltung dazu ausgelegt, die Stromstärke auf den Sollwert durch Erzeugen einer Steuerspannung an einer Steuerelektrode des Transistors, also seinem Gate beziehungsweise seiner Basis, einzustellen. Der Transistor ist bevorzugt ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere ein MOS-FET (MOS – Metal Oxide Semiconductor). Hierdurch werden die elektrischen Verluste, die durch Vorsehen der Stromregelung entstehen können, besonders gering gehalten.
Ein Transistor mit einer Body-Diode weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Stromregelschaltung die zusätzliche Funktion eines Verpolschutzes oder einer Abschaltung des Geräts bereitstellen kann. Dies ergibt weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Geräts.
Um mittels des Transistors zuverlässig einen für das Wechselspannungssignal oberhalb der Mindestfrequenz im beschriebenen Sinne hochohmigen Stromregler zu realisieren, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Stromregelschaltung dazu ausgelegt ist, die Steuerspannung, also die Gate-Source-Spannung beziehungsweise die Basis-Emitter-Spannung, kleiner als eine Schwellenspannung des Transistors zu halten, ab welcher der Transistor vollständig durchgeschaltet ist. Mit anderen Worten wird der Transistor bevorzugt teil-durchgeschaltet betrieben, d. h. im Linearbetrieb, sodass eine Veränderung der Steuerspannung unmittelbar eine Veränderung der Stromstärke des über die Steuerstrecke fließenden Stroms bewirkt. Um die Steuerspannung in dem Spannungsbereich betragsmäßig kleiner als die Schwellenspannung zu halten, wird der Sollwert für die Stromregelung in Abhängigkeit von der Steuerspannung selbst eingeregelt. Mit anderen Worten wird der Sollwert für die Stromregelung immer in der Weise adaptiert, dass die Steuerspannung des Transistors in einem vorbestimmten Spannungsintervall liegt. Bevorzugt wird die Steuerspannung in einem Bereich zwischen 0,05 Volt und 0,4 Volt unterhalb der Schwellenspannung betrieben. Hierdurch wird die in der Steuerstrecke des Transistors umgesetzte Verlustleistung minimiert, ohne die Stromregelung zu beeinträchtigen.
Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine elektrische Energiequelle, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie oder einen Generator oder eine Brennstoffzelle, eine mit der Energiequelle gekoppelte Versorgungsleitung, beispielsweise in Form eines Bordnetzes, und mehrere mit der Versorgungsleitung gekoppelte Geräte auf, durch welche jeweilige Gerätefunktionen in dem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein können. Jedes der Geräte stellt dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts dar. Über die Versorgungsleitung werden die Geräte mit einer elektrischen Energie aus der Energiequelle versorgt. Das Kraftfahrzeug ist hierbei dazu ausgelegt, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sodass in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug Kommunikationsdaten zwischen den Geräten über die Versorgungsleitung als Wechselspannungssignal übertragen werden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
2 eine schematische Darstellung mehrerer elektrischer Geräte, die in dem Kraftfahrzeug von 1 bereitgestellt sein können,
3 schematisierte Verläufe elektrischer Spannungssignale über der Zeit, wie sie in einer Versorgungsleitung des Kraftfahrzeugs von 1 durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden können,
4 eine schematische Darstellung eines der elektrischen Geräte des Kraftfahrzeugs von 1 mit einem Modem,
5 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Stromregelschaltung, wie sie jeweils in den elektrischen Geräten des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein können,
6 einen Schaltplan mit den für die Realisierung der Stromregelschaltung von 5 wesentlichen elektrischen Bauelementen,
7 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Spannungssignalen, wie sie in der Schaltung von 6 bei Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden können, und
8 eine weitere schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs von 1, wobei eines der elektrischen Geräte als Halbleiterrelais oder Halbleitersicherung betrieben wird.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein elektrisches Bordnetz 12 aufweisen, bei dem es sich beispielsweise um ein 12-Volt-Bordnetz, ein 48-Volt-Bordnetz oder ein Hochvolt-Bordnetz mit einer elektrischen Spannung von mehr als 60 Volt, insbesondere mehr als 100 Volt, handeln kann.
Das Bordnetz 12 kann eine Energiequelle 14, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie oder einen Generator oder eine Brennstoffzelle, aufweisen. Die Energiequelle 14 kann über Versorgungsleitungen 16, 18 mit elektrischen Geräten 20 des Kraftfahrzeugs 10 gekoppelt sein. Bei den Geräten 20 kann es sich beispielsweise jeweils um eine Klimaanlage oder einen Klimakompressor, einen Antrieb für einen Sitzmotor oder einen Türmotor oder einen Fensterheber oder einen motorischen Antrieb für einen verstellbaren Spiegel oder ein Bedienelement, wie z. B. einen Taster, handeln. Die Versorgungsleitung 16 kann über ein weiteres elektrisches Gerät 22 mit der Energiequelle 14 gekoppelt sein. Bei der Versorgungsleitung 16 kann es sich beispielsweise um eine Plus-Leitung oder eine Minus-Leitung des Bordnetzes 12 handeln. Die Versorgungsleitung 16 kann beispielsweise eine Klemme-30-Leitung (Dauer-Plus) und die Versorgungsleitung 18 eine Klemme-31-Leitung gemäß DIN 72552 sein.
Jedes der Geräte 20 kann eine Funktionseinheit 24 aufweisen, die jeweils allgemein zumindest einen Aktor, beispielsweise einen Elektromotor, und/oder Sensor, beispielsweise einen Regensensor oder eine Bedientaste, aufweisen kann. Die Funktionseinheit 24 ist bei den Geräten 20 über eine Stromregelschaltung 26 mit der Versorgungsleitung 16 gekoppelt.
Auch bei dem Gerät 22 kann eine Stromregelschaltung 26 vorgesehen sein, über welche die Versorgungsleitung 16 mit der Energiequelle 14 gekoppelt sein kann. Die Versorgungsleitung 16 stellt hierdurch ein Subnetz SN dar. Das Gerät 22 stellt ein Mastergerät dar.
Das Gerät 22 kann des Weiteren eine Prozessoreinrichtung μC aufweisen. Das Gerät 22 kann als Steuergerät für die Geräte 20 betrieben werden. Hierzu kann das Gerät 22 Grundbefehle an die Geräte 20 aussenden, welche diese Grundbefehle ausführen. Jeder Grundbefehl wird dabei durch Kommunikationsdaten repräsentiert oder stellt Kommunikationsdaten dar. Diese Kommunikationsdaten können bei dem Kraftfahrzeug 10 über die Versorgungsleitung 16 übertragen werden. Es ist keine separate Kommunikationsleitung, z. B. ein CAN-Bus, nötig. Auf der Versorgungsleitung 16 sind die Kommunikationsdaten durch ein Wechselspannungssignal repräsentiert, welches eine Frequenz oder mehrere Frequenzen in einem Frequenzbereich oberhalb einer Mindestfrequenz aufweist. Der Frequenzbereich, in welchem das Wechselspannungssignal übertragen wird, ist ein Frequenzbereich, bei welchem die Stromregelschaltungen 26 hochohmig sind, das heißt das Wechselspannungssignal wird von der Versorgungsleitung 16 nicht hin zur Energiequelle 14 oder den Funktionseinheiten 24 übertragen. Damit kann es sich bei den Wechselspannungssignalen um ein verhältnismäßig leistungsschwaches Signal handeln, das auch eine verhältnismäßig geringe Spitze-zu-Spitze-Amplitude, beispielsweise in einem Bereich von 0 Volt bis zu 1 Volt oder bis zu als 0,5 Volt, handeln kann. Durch das beschriebene hochohmige Verhalten stellt die Stromregelschaltung 26 eine virtuelle Drossel dar, d. h. eine Schaltung, die sich oberhalb der Mindestfrequenz wie eine Induktivität oder Drossel verhält.
In 2 ist noch einmal das durch die Geräte 20 und 22 sowie die Versorgungsleitungen 16 und 18 gebildete Subnetz SN veranschaulicht. In 2 sind beispielhaft nur zwei der Geräte 22 dargestellt.
Bei dem Gerät 22 kann zum Erzeugen des Wechselspannungssignals SIG auf der Versorgungsleitung 16 ein Modem MOD/DEMOD bereitgestellt sein, mittels welchem das Wechselspannungssignal SIG in die Versorgungsspannung U, welche zwischen der Versorgungsleitung 16 und der Versorgungsleitung 18 durch die Energiequelle 14 erzeugt wird, eingeprägt wird. Das Modem MOD/DEMOD kann eine Physical Layer eines CAN-Controllers CC darstellen. Das Modem MOD/DEMOD kann Sendedaten TX vom CAN-Controller CC, die Kommunikationsdaten darstellen, empfangen und als das Wechselspannungssignal SIG auf die Versorgungsleitung 16 aufmodulieren oder einprägen. Das Modem kann auch das Wechselspannungssignal SIG demodulieren und als Empfangsdaten RX, die Kommunikationsdaten darstellen, an den CAN-Controller CC weitergeben.
Für das Wechselspannungssignal SIG wirkt die Stromregelschaltung 26 als ein hochohmiger Widerstand. Das Gerät 22 kann des Weiteren einen Softwarebereich SW aufweisen, in welchem Gerätefunktionen FN1, FN2, FN3, FN4 bereitgestellt sind, welche Gerätefunktionen der Geräte 20 darstellen. Jede Gerätefunktion FN1 bis FN4 kann einen oder mehrere der beschriebenen Grundbefehle aufweisen, die als das Wechselspannungssignal SIG mittels des CAN-Controllers CC an die Geräte 20 ausgegeben werden können.
Jedes Gerät 20 kann beispielhaft wie folgt ausgestaltet sein. Das Gerät 20 kann ebenfalls eine Modulationsschaltung MOD/DEMOD aufweisen, um das Wechselspannungssignal SIG aus der Versorgungsleitung 16 zu empfangen und an einen CAN-Controller CC als Empfangssignal RX auszugeben. Des Weiteren kann das Gerät 20 von dem CAN-Controller CC Kommunikationssendedaten TX als Kommunikationsdaten empfangen und auf die Versorgungsleitung 16 aufmodulieren. Durch die jeweilige Stromregelschaltung 26 des Geräts 20 ist ein für das Wechselspannungssignal SIG hochohmiger Widerstand bezüglich einer Funktionseinheit FU des Geräts 20 gebildet. Im gezeigten Beispiel kann die Funktionseinheit FU einen Pufferkondensator C, einen Wechselrichter und einen Elektromotor aufweisen. Ein Störsignal NOISE kann im Frequenzbereich des Wechselspannungssignals SIG nicht auf die Versorgungsleitung 16 empfangen, da die Stromregelschaltung 26 auch für das Störsignal NOISE einen hochohmigen Widerstand darstellt. Das Gerät 20 kann des Weiteren einen Softwarebereich, einen Diagnosebereich DIAG und einen Treiberbereich DRV zum Bereitstellen von Diagnosedaten und zum Steuern von Leistungsbauteilen wie dem Wechselrichter aufweisen. Durch den Softwarebereich können die über die Versorgungsleitung 16 empfangenen Grundbefehle in Treibersteuersignale umgesetzt werden, durch welche die Funktionseinheit FU den Grundbefehl ausführt.
Vorzugsweise wird also ein Teilnetz oder Subnetz SN eingerichtet, auf welchem die Geräte 20, 22 miteinander kommunizieren. Die Energiequelle 14 kann über eine reale Drossel oder auch über die Stromregelschaltung 26 entkoppelt werden. Das Gerät 20 kann als Steuergerät und auch als Mastergerät betrieben werden. Die von dem Steuergerät 20 gesteuerten Geräte 22 stellen Slavegeräte dar, die von dem Mastergerät versorgt werden, indem der Versorgungsstrom I für die Geräte 20 über die Stromregelschaltung 26 des Geräts 22 geführt wird, wobei die Stromregelschaltung 26 aus dem Mastergerät die Slavegeräte versorgt und damit von der Batterie entkoppelt. Die Stromregelschaltung 26 des Geräts 22, also des Mastergeräts, kann auch als Abschaltung für das Subnetz SN dienen. Hierdurch kann vom Gerät 22 aus das gesamte Subnetz stromlos geschaltet werden und in dem Kraftfahrzeug 10 Energie gespart werden.
Durch das Subnetz SN wird eine objektorientierte Architektur mit dem Gerät 22 als Master, der alle Funktionen beinhaltet und zwischen den physikalischen Motorobjekten und Schalterobjekten, das heißt den Geräten 20, verteilt. Der Master erzeugt über eine abschaltbare Stromregelschaltung 26 den Sub-Bus oder das Subnetz SN. Die Modems MOD/DEMOD gehen auf konventionelle CAN-Mikrocontroller. Der Master, enthält in der Darstellung keine Endstufen. Optional kann der Master konventionelle Endstufen enthalten. Die Stromregelschaltungen 26 der Slaves, das heißt der Geräte 20, dienen bevorzugt gleichzeitig als Verpolschutz. Hierzu ist ein FET mit entsprechender Body-Diodenverschaltung bereitgestellt, wie sie in 2 dargestellt ist. Durch die Geräte 20 wird in dem gezeigten Beispiel ein Dreiphasenbürstenloser Gleichstrommotor mit Elektronik vor Ort, also beispielsweise in einer Tür, bereitgestellt. Das Gerät 22 kann zentral, beispielsweise in einem Bedienteil in der Innenverkleidung der Tür, angeordnet sein.
Um insbesondere z. B. Bordnetzstörungen der Klemme 30 und Klemme 31 zu entkoppeln, wird gemäß dem gezeigten Prinzip der Sub-Bus, das heißt Subnetz SN, über den Master mit einer virtuellen Drossel aus dem Master ausgeleitet. Der Sub-Bus versorgt zum Beispiel alle Sitz- und Türmotoren und Schalter. Die virtuelle Drossel im Master kann als Abschalter oder Verpolschutz ausgebildet sein.
Das Klemme-30-Modem moduliert zum Beispiel 100 Kilohertz Sinus mit 100 mVss auf den Klemme-30-Sub-Bus. Wesentlich ist eine kompatible Funktion zum CAN. Das Klemme-30-Modem ersetzt den CAN-Transceiver als Layer 1 (physikalische Schicht). Für die Arbitrierungsfunktion des CAN erfordert dies eine schnelle funktionale ODER-Funktion des Modems, zum Beispiel über eine Null-Eins-Unterscheidung durch eine Phasenverschiebung. Das Modem enthält die Sende-, Empfangs- und Filterfunktion für den Klemme-30-Bus. Die Verbindung zum Mikrocontroller erfolgt über CAN-RX und CAN-TX des CAN-Controllers. Dadurch können übliche CAN-Controller und Softwareschichten wie AUTOSAR^® kompatibel zum CAN-Bus eingesetzt werden. Ferner können CAN-Entwicklungstools über einen Klemme-30-Adapter für den Klemme-30-Bus verwendet werden.
Um ein Auslösesignal für die Gerätefunktionen zu erzeugen, kann beispielsweise ein Taster, beispielsweise zur Sitzeinstellung, bereitgestellt sein. Taster haben nur eine sehr geringe Stromaufnahme und erzeugen keine Bordnetzstörungen, weshalb eine Tastergruppe keine virtuelle Drossel in Form der Stromregelschaltung benötigt. Tastergruppen bestehen bevorzugt aus einem Mikrocontroller mit einem Klemme-30-Bus-Modem MOD/DEMOD, vorteilhaft auf einem einzigen Silizium-Chip preisgünstig integriert. Dieser Chip wird anstelle der Codierwiderstände in der Tastergruppe verbaut.
Die Gerätefunktionen der Geräte 20 können auf Seiten der Geräte 20 gemäß eines Software-Objekts aus dem untersten Level für das Gerät durch klar definierte einfachste Operationen, hier als Grundbefehle bezeichnet, durchgeführt werden. Die Geräte 20 können durch ihre CAN-ID unterschieden werden. Die Kommunikation zu einem Gerät 20 erfolgt über Methodenaufruf in Form von CAN-Botschaften.
Aufgaben jedes Geräts 20 ist es zum Beispiel:

– Fahrbefehl (Richtung, Drehzahl, Maximaldrehmoment, Anzahl der Umdrehungen, Anfahrrampe, Beschleunigung),
– positive Rückmeldung (Drehzahl, Stromaufnahme, Drehmoment, Position),
– negative Rückmeldung (Blockade, unzureichende Versorgungsspannung, interner Defekt).

Diese Grundbefehle in Form von Fahrbefehlen und Nachrichten können seitens des Geräts 22 zu komplexen Gerätefunktionen kombiniert werden. Insbesondere wenn die Geräte 20 als Motoren ausgestaltet sind, ergeben sich folgende Vorteile. Die Motoren brauchen nicht flashbar sein, das heißt keinen reprogrammierbaren Softwareteil aufweisen. Vorteilhaft für BLDC-Motoren (Bürstenlose Gleichstrommotoren) ist, dass eine evolutionäre Motoroptimierung möglich ist, ohne dass das Gerät 22 mitentwickelt werden muss. Motoren und Taster stellen Objekte mit klaren einfachen Methoden dar. Für Softwareentwicklung und Test können Motorobjekte simuliert werden. Alle Funktionen sind im Mastergerät, dem Gerät 22, zentralisiert und können unabhängig vom Verbund entwickelt und getestet werden.
In 3 sind beispielhaft über der Zeit t Signalverläufe des Wechselspannungssignals SIG gezeigt, wie sie in die Versorgungsspannung U eingeprägt werden können. Bei dem Beispiel wird davon ausgegangen, dass es sich um ein 14-Volt-Bordnetz handelt. Mittels des Wechselspannungssignals SIG kann eine 100 kBaud-Übertragung bei einer Periodendauer von 10 Mikrosekunden des Wechselspannungssignals SIG erreicht werden. Die Versorgungsspannung U, wie sie in 3 gezeigt ist, wird durch die Energiequelle 14 bereitgestellt. Im Bereich des Subnetzes SN wird durch die Stromregelschaltung 26 des Geräts 22 auf circa 13,7 Volt reduziert, entkoppelt und eine 100 kHz-Sinusschwingung mit 0,1 Vss aufmoduliert. Die reine Sinusschwingung entspricht dem rezessiven Pegel R eines CAN-Layers. Eine Frühverschiebung der Phase entspricht dem Dominanten Pegel D. Die einzelnen Teilnehmer synchronisieren gleichberechtigt die Sinusschwingung mittels PLL-Verfahren (PLL – Phase Locked Loop) auf die Phase und die Amplitude. Jeder Teilnehmer, also die Geräte 20, kann durch eine Phasenfrühverschiebung selbst einen dominanten Pegel D erzeugen. Machen dies zwei oder mehr Teilnehmer gleichzeitig, so tritt eine etwas stärkere Phasenfrühverschiebung auf, was ebenfalls einem dominanten Pegel entspricht. Durch das Verfahren sind beide Voraussetzungen für die überlagerten CAN-Layer gegeben:

1. Der dominante Pegel entspricht der ODER-Funktion der Steuergeräte,
2. der dominante Pegel wird frühzeitig erkannt, sodass die Arbitrierung korrekt abläuft.

Die Sinuserzeugung, Phasenverschiebung, PLL, Filterung und Demodulierung erfolgt vorzugsweise mit digitalen Verfahren. Hierdurch kommt es zu geringen Verzögerungen bei der Signalerzeugung. Die Fehlererkennung beschränkt sich in dieser Ausführung auf den nachgeschalteten CAN-Controller und die Software SW. Optional sind auch auf dem Physical-Layer der Modems MOD/DEMOD Redundanzen denkbar, wie beispielsweise Phasen-Amplitudenkorrelation, Mehrfrequenzverfahren. Die veranschaulichte Phasenmodulation ist somit CAN-kompatibel.
4 veranschaulicht, wie das Wechselsignal SIG von dem Gerät 20, 22 über einen Kondensator Cmod auf die Versorgungsleitung 16 eingeprägt und durch einen Kondensator Cdemod aus der Versorgungsleitung 16 ausgekoppelt werden kann und über Verstärkerelemente dem Modem MOD/DEMOD zugeführt werden kann.
Ein prinzipieller Aufbau einer Stromregelschaltung 26 mit einer Steuerschaltung 44 ist in 5 gezeigt. Die Steuerschaltung 44 kann einen Stromregler 46, einen Integrator 48 und einen Spitzenwert-Detektor 50 aufweisen. Die Stromregelung kann mittels eines Transistors 28 erfolgen, über dessen Steuerstrecke oder Laststrecke 30 ein Laststrom I' geführt werden kann, den das Geräte 20, 22 über eine Versorgungsanschluss V empfängt. Die Stromhöhe des Laststromes I' wird durch die Steuerschaltung 44 automatisch so eingeregelt, dass der mittlere Spannungsabfall einer Drain-Source-Spannung Uds über der Laststrecke 30 minimiert wird. Dies geschieht durch die Detektion oder Erkennung des Spitzenwertes der Gate-Source-Spannung Ugs, die mittels der Rückführungsleitung 46 in die Steuerschaltung 44 übertragen wird. Die Gate-Source-Spannung Ugs kann mit einer Referenzspannung 52 durch eine Vergleichsschaltung 54 verglichen werden. Der Spitzenwertdetektor 50 signalisiert durch ein Überschreitungssignal O, ob die Referenzspannung 52 von der Gate-Source-Spannung Ugs über- oder unterschritten wird. Das Detektionssignal O kann an den Integrator 48 übertragen werden. Der Integrator 48 kann einen statistischen Mittelwert oder einen Summenwert oder einen Integrationswert des Detektionssignals O erzeugen und dieses integrierte Detektionssignal O als Referenzwert oder Signal oder Sollwertsignal R für die Stromregelung 46 bereitstellen. Durch die Stromregelung 46 wird das Sollwertsignal R mit dem Stromstärkewert S durch eine weitere Komparatorschaltung 56 verglichen, und die Gate-Source-Spannung Ugs durch Erzeugen einer Steuerspannung Uc wird derart eingestellt, dass eine Regeldifferenz E zu Null eingeregelt wird. Grundfunktion der Steuerschaltung 44 ist somit eine schnelle Konstantstromregelung des Transistors 28, möglichst mit einem integrierten oder einem anderen verlustarmen Stromstärkesensor 42. Die Höhe des Konstantstromes wird mit einer Zeitkonstante erhöht, was der Funktion der Stromaufladung einer Drossel entspricht. Die Gate-Source-Spannung Ugs wird dabei auf einen Wert eingeregelt, der unterhalb der Schwellenspannung des Transistors 28 ist, sodass der Transistor 28 als regelbarer Widerstand (Transistor – Transient Resistor, veränderlicher Widerstand) wirkt. Die hierbei für das Einregeln des Laststromes I' auf einen Konstantwert verbleibende Regelamplitude ist wesentlich geringer und niederfrequenter bei typischen Geräten für ein Kraftfahrzeug, als die Störamplitude, was ebenfalls einer Funktion einer realen Drossel entspricht.
In 6 ist ein konkreter Schaltungsaufbau gezeigt, der die für die Realisierung des Schaltprinzips gemäß 5 nötigen Bauelemente beschreibt. Bei der Schaltung gemäß 6 sind der Detektor 50, die Komparatorschaltung 54 und die Referenzspannungsquelle 52 in anderer Weise realisiert, weshalb in 5 die Bezugszeichen dieser Elemente zusammengefasst als Detektorschaltung 60 bezeichnet sind. Ein Leitungswiderstand 62 repräsentiert den Ohmschen Widerstand der Versorgungsleitungen 14, 16 und den Innenwiderstand der Energiequelle 12. Die Ansteuerungselektronik ist mit Hilfsspannungen zum Beispiel aus Ladungspumpen versorgt, die sich sinnvollerweise am Source Src des Transistors 28 abstützen. Die Hilfsspannung sind durch die im Stand der Technik üblichen Symbole (Kreis mit + und –) dargestellt. Im Inversbetrieb als Verpolschutz ist der physikalische Drain als Source benutzt.
Die in 6 gezeigte virtuelle Drossel 26 kann auch als Drossel 26 Gerät 22 verwendet werden. Der in 6 verschaltete Transistor 28 stellt gleichzeitig die Funktion eines Verpolschutztransistors bereit. Die Steuerschaltung 44 bewirkt für den Laststrom I' eine Stromregelung. Für Wechselspannungen oberhalb der applizierbaren Frequenz ist der Transistor hochohmig. Die Höhe des Stromes wird automatisch so eingeregelt, dass der mittlere Spannungsabfall der Transistorspannung Uds am Transistor 28 minimiert wird. Der Schaltplan ist beispielhaft. Vorteilhafter wird die Stromregelung über eine verlustfreie Stromsensierung im Halbleiter des Transistors 28 realisiert.
7 zeigt beispielhaft einen Verlauf dreier Spannungen. Die Versorgungsspannung U weist einen Wert im Bereich von 11,94 Volt auf. Der Versorgungsspannung U ist ein Modulationssignal überlagert, welches eine hochfrequente Störung oder ein hochfrequentes Kommunikationssignal sein kann. Die Spannung Uzk in einem Zwischenkreis eine Funktionseinheit FU schwankt in dem Beispiel mit einem niederfrequenten Modulationssignal um einen Wert von 11,78 Volt. Durch den Stromstärkesensor 42 ergibt sich ein Spannungsunterschied zwischen der Zwischenkreisspannung Uzk und der Source-Spannung Usrc. Diese Spannungsdifferenz wird in dem in 11 veranschaulichten Beispiel auf einen Wert von 0,2 Volt als Basisversatz und zusätzlich in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung eingeregelt, die über die Rückführungsleitung 46 in die Steuerschaltung 44 eingespeist wird. 7 zeigt, dass das hochfrequente Modulationssignal in der Versorgungsspannung U und in der Zwischenkreisspannung Uzk erscheint. Anders herum erscheint das Wechselsignal in der Zwischenkreisspannung Uzk nicht in der Versorgungsspannung U. Damit sind die beiden Spannungen durch die virtuelle Drossel 26 entkoppelt. Mit anderen Worten weist die virtuelle Drossel 26 den Vorteil einer Reduktion leitungsgebundener Störungen auf. Der ohnehin vorhandene Verpolschutztransistor ist zudem wesentlich preiswerter und kleiner als eine reale Induktivität. Über den Transistor ergibt sich ein minimaler Spannungsabfall. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, den Zwischenkreiskondensator zu verkleinern.
8 veranschaulicht, wie durch Geräte, die gemäß dem Gerät 22 ausgestaltet sind, mittels der Stromregelschaltung 26, das heißt der virtuellen Drossel, ein Halbleiterrelais oder eine Halbleitersicherung ausgebildet sein kann, über welche jeweilige Subnetze SN von der Energiequelle 14 elektrisch werden können. Hierdurch können im Kraftfahrzeug 10 ein Relais oder eine Sicherung funktional ersetzt und die Entkopplung realisiert werden. Zusätzlich kann dadurch auch eine Kommunikation mit dem Relais oder der Sicherung stattfinden, indem entsprechende Kommunikationssignale an das Gerät 22 gesendet werden können. Hierdurch können Gesamtfunktionen, wie Netzabschaltung, Diagnose und Nachlauf über die Geräte 22 und deren Relaisfunktion beziehungsweise Sicherungsfunktion realisiert werden.
Durch Bereitstellen der Stromregelschaltung in den Geräten 20, 22 ist eine Übertragung von Kommunikationsdaten über eine Versorgungsleitung 16 ohne schwere und teure Bauteile möglich. Es ist ein geringer Leistungsbedarf für die Kommunikation nötig. Es ist hierdurch auch möglich, eine Entkopplung von Batterie, Geräten und anderen Netzteilnehmern und der Versorgungsleitung zu erreichen. Dadurch werden Störungen im Frequenzbereich der Kommunikation vermieden. Gesamtvorteile gegenüber separater Kommunikationsleitung, beispielsweise einem CAN-Bus, sind die folgenden:
Es gibt die Möglichkeit von zweipoligen intelligenten Geräten, das heißt Lasten oder elektrischen Verbrauchern, und Sensoren. Es entfällt mindestens eine Kommunikationsleitung. Hierdurch ergibt sich auch eine Einsparung von Steckern und Leitungen, was zu einem Gewichtsvorteil und Bauraumersparnis führt. Die Einsparung eines Treibers beispielsweise für einen LIN-Bus (LIN – Local Interconnect Network), eine CAN-Drossel und einen ESD-Schutz (ESD – Electro Static Discharge, elektrostatische Entladung).
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Datenkommunikation über die Versorgungsspannung und eine objektorientierte Klemme-30-Busarchitektur realisiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008044147 A1 [0002]
DE 102010044991 A1 [0003]
DE 102011016551 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 72552 [0039]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Kommunikationsdaten (TX) zwischen elektrischen Geräten (20, 22) eines Kraftfahrzeugs (10), mit den Schritten: – die Geräte (20, 22) werden über eine gemeinsame Versorgungsleitung (16) für einen elektrischen Versorgungsstrom (I) miteinander gekoppelt; – die Kommunikationsdaten (TX) werden über die Versorgungsleitung (16) als ein Wechselspannungssignal (SIG) übertragen, welches zumindest eine Frequenz größer als eine vorbestimmte Mindestfrequenz aufweist; – bei jedem Gerät (20, 22) wird zumindest ein Teil (I) des Versorgungsstroms der Versorgungsleitung über eine jeweilige Stromregelschaltung (26) des Geräts (20, 22) geführt, welche eine Stromstärke des über sie geführten Stromes (I, I') auf einen Sollwert (R) regelt und hierbei in einem Frequenzbereich oberhalb der Mindestfrequenz eine Mindestimpedanz aufweist, bei welcher ein überwiegender Teil des Wechselspannungssignals (SIG) über der Stromregelschaltung (26) abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eines der Geräte (22) als Mastergerät betrieben wird, über dessen Stromregelschaltung (26) die Versorgungsleitung (16) mit einer elektrischen Energiequelle (14) des Kraftfahrzeugs (10) gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Geräte (22) als Steuergerät betrieben wird und die anderen Geräte (20) jeweils eine Funktionseinheit (FU) umfassen und zumindest einen durch die Kommunikationsdaten (TX) auslösbaren Grundbefehl zum Steuern der Funktionseinheit (FU) bereitstellen und das Steuergerät (22) zentral für jedes der anderen Geräte (20) Gerätefunktionen (FN1 bis FN4), von denen jede zumindest einem Grundbefehl umfasst, bereitstellt und die jeweilige Gerätefunktion (FN1 bis FN4) in Abhängigkeit von einem jeweils vorbestimmten Auslösebefehl durch Aussenden der zugehörigen Grundbefehle über die Versorgungsleitung (16) auslöst.
Elektrisches Gerät (20, 22) für ein Kraftfahrzeug (10), aufweisend: – eine Versorgungsanschluss (V) zum Anschließen an eine Versorgungsleitung des Kraftfahrzeugs (10); – eine Stromregelschaltung (26), welche dazu ausgelegt ist, eine Stromstärke des über den Versorgungsanschluss (V) empfangenen Stromes (I, I') auf einen Sollwert mit einer Änderungsrate zu regeln, durch welche sich bei der Stromregelschaltung (26) in einem Frequenzbereich oberhalb einer vorbestimmten Mindestfrequenz eine Mindestimpedanz ergibt, bei welcher ein überwiegender Teil eines Wechselspannungssignals (SIG) der Versorgungsleitung (16), welches eine Frequenz größer als die Mindestfrequenz aufweist, über der Stromregelschaltung (26) abfällt.
Gerät nach Anspruch 4, wobei das Gerät dazu ausgelegt ist, das Wechselspannungssignal über einen Kondensator durch eine Spannungsaufprägung in die Versorgungsleitung einzuprägen und/oder aus der Versorgungsleitung auszukoppeln.
Gerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Gerät dazu ausgelegt ist, das Wechselspannungssignal durch eine Modulation des Sollwerts der Stromregelschaltung aufzumodulieren.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Gerät einen CAN-Controller und eine Modulationseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Wechselspannungssignal in Abhängigkeit von Kommunikationsdaten des CAN-Controllers zu erzeugen und/oder das Wechselspannungssignal zu demodulieren und an den CAN-Controller auszugeben.
Gerät (20, 22) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Stromregelschaltung (20, 22) einen Transistor (28) aufweist und die Stromregelschaltung (26) dazu ausgelegt ist, den über den Versorgungsanschluss (V) geführten Strom über eine Steuerstrecke (30) des Transistor (28) zu führen und die Stromstärke auf den Sollwert (R) durch Erzeugen einer Steuerspannung (Ugs) an einer Steuerelektrode (G) des Transistors (28) einzustellen.
Gerät (20, 22) nach Anspruch 8, wobei die Stromregelschaltung (26) dazu ausgelegt ist, die Steuerspannung (Ugs) kleiner als eine Schwellenspannung des Transistors (28), bei der Transistor (28) vollständig durchgeschaltet ist, zu halten und hierzu den Sollwert (R) in Abhängigkeit von der Steuerspannung (Ugs) einzuregeln.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Versorgungsleitung (16) und mehreren mit der Versorgungsleitung (16) gekoppelten Geräten (20, 22), von denen jedes jeweils nach einem der Ansprüche 4 bis 9 ausgestaltet ist, wobei die über die Versorgungsleitung (16) mit einer elektrischen Energiequelle (14) des Kraftfahrzeugs (10) gekoppelt sind und wobei das Kraftfahrzeug (10) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen.