DE102014210280B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, Schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, Schaltungsanordnung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung (1), die ein Niederspannungsteilnetz (2) und ein Hochspannungsteilnetz (3) aufweist,wobei ein Testsignal von einem der Teilnetze (2,3) in das andere Teilnetz (3,2) gesendet wird, umin Abhängigkeit des Signalempfangs in dem anderen Teilnetz (3,2) auf einen Fehlerfall zu erkennen undbei Erkennen eines Fehlerfalls die Schaltungsanordnung (1) in einen sicheren Zustand zu schalten,dadurch gekennzeichnet,dass als Testsignal ein Datenbus (5),der eine Niederspannungssteuereinheit (6) des Niederspannungsteilnetzes (2) mit einer Hochspannungssteuereinheit (7) des Hochspannungsteilnetzes (3) verbindet,zumindest zeitweise mit maximaler Buslast betrieben wird, so dass in festen Zeitabständen Datenpakete übertragen werden,und dass in Abhängigkeit von einem, durch die die Datenpakete empfangenden Steuereinheit (7,6), erfassten zeitlichen Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket auf einen Fehlerfall erkannt wird,wenn der zeitliche Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket größer ist als der feste Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden gesendeten Datenpaketen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung, die ein Niederspannungsteilnetz und ein Hochspannungsteilnetz aufweist, welche insbesondere durch eine Kopplungseinrichtung miteinander wirkverbunden sind, wobei ein Testsignal von einem der Teilnetze in das andere gesendet wird, um in Abhängigkeit des empfangenen Testsignals in dem anderen Teilnetz auf einen Fehlerfall zu erkennen und die Schaltungsanordnung in einen sicheren Zustand zu schalten.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung, die ein Niederspannungsteilnetz und ein Hochspannungsteilnetz aufweist, welche insbesondere durch eine Kopplungseinrichtung miteinander wirkverbunden sind, mit einer Sicherheitseinrichtung, die ein Testsignal von einem der Teilnetze in das andere Teilnetz sendet, um in Abhängigkeit des in dem anderen Teilnetz empfangenen Testsignals auf einen Fehlerfall zu erkennen und die Schaltungsanordnung in einen sicheren Zustand zu schalten.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einer entsprechenden Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Verfahren zum Betreiben elektrischer Schaltungsanordnungen sowie entsprechender Schaltungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Insbesondere in den sogenannten Hybridfahrzeugen beziehungsweise Kraftfahrzeugen mit einer Hybridantriebsvorrichtung finden derartige Schaltungsanordnungen Anwendung. Dabei wird ein Niedervoltteilnetz als Bordnetz des Kraftfahrzeugs und ein Hochvoltteilnetz als Bestandteil der Antriebseinrichtung vorgesehen. Weil für den Antrieb eine wesentlich höhere elektrische Leistung gefordert wird als für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs, weisen die beiden Teilnetze ein unterschiedliches Spannungsniveau auf, wodurch das eine als Niederspannungsteilnetz und das andere als Hochspannungsteilnetz bezeichnet wird. Weil die beiden Teilnetze grundsätzlich elektrisch voneinander getrennt sind, sind diese in der Regel durch eine Koppeleinrichtung miteinander verbunden, die eine Isolationsbarriere zwischen den beiden Teilnetzen überwindet, um beispielsweise das Niederspannungsteilnetz mit Energie aus dem Hochspannungsteilnetz zu speisen. Um Fehlerquellen sicher zu erkennen, beispielsweise, um sicherstellen zu können, dass bei einem Ausschalten der Antriebseinrichtung durch den Fahrer die Leistungsendstufen der Schaltungsanordnung in einen sicheren Zustand geschaltet werden, müssen Software-unabhängige Abschaltpfade vorgesehen werden. Bisher ist es bekannt, ein separates und von einer Niederspannungssteuereinheit und einer Hochspannungssteuereinheit unabhängiges Signal von dem Niederspannungsteilnetz auf das Hochspannungsteilnetz beziehungsweise von der Niederspannungseinheit zu der Hochspannungssteuereinheit zu führen,. Eine Unterbrechung des Signals an einer beliebigen Stelle auf dem Signalpfad wird dann als Fehlerquelle erkannt und die Schaltungsanordnung insgesamt in einen sicheren Zustand überführt. Bisher war dazu ein separater Übertragungskanal zur Überwindung der Isolationsbarriere notwendig.
  • Die Dokumente WO 2014/ 037 133 A1 und US 2013/0 293 251 A1 offenbaren Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf einen separaten Übertragungskanal verzichtet werden kann. Stattdessen wird vorteilhafterweise ein in der Regel ohnehin bereits vorhandener Datenbus zwischen dem Niederspannungsteilnetz und dem Hochspannungsteilnetz, der üblicherweise die Niederspannungssteuereinheit mit der Hochspannungssteuereinheit miteinander verbindet, genutzt. Dadurch erfolgt eine Doppelnutzung des Datenbusses und der separate Übertragungskanal kann eingespart werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass als Testsignal der Datenbus, der die Niederspannungssteuereinheit mit der Hochspannungssteuereinheit, zumindest zeitweise mit maximaler Buslast betrieben wird, so dass in festen Zeitabständen Datenpakete von der einen Steuereinheit auf die andere Steuereinheit übertragen werden, und dass in Abhängigkeit von einem durch die die Datenpakete empfangenden Steuereinheit erfassten zeitlichen Abstand von einem zuletzt empfangenen Datenpaket auf den Fehlerfall erkannt wird. Als Testsignal werden somit Datenpakete über den Datenbus in einem festen zeitlichen Abstand übertragen, wobei hierzu erfindungsgemäß der Datenbus mit seiner maximalen Buslast betrieben wird, wodurch automatisch Datenpakte in festen Zeitabständen übertragen werden. Der maximale Zeitabstand zwischen zwei Datenpaketen hängt dann nur noch von der Busfrequenz und der Paketlänge des jeweiligen Datenpakets ab. Auf der Empfängerseite kann dann in Abhängigkeit von den empfangenen Datenpaketen und dem zeitlichen Abstand zu dem jeweils zuletzt erfassten Datenpaket erkannt werden, ob ein Fehler bei der Übertragung der Datenpakete erfolgt ist, und insbesondere, ob beispielsweise seit dem zuletzt empfangenen Datenpaket mehr Zeit als erwartet vergangen ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einen Fehlerfall erkannt wird, wenn der Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket größer ist als der feste Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Datenpaketen. Hierdurch lässt sich einfach und zeitnah ein Fehlerfall erkennen und die Schaltungsanordnung entsprechend in einen sicheren Zustand schalten beziehungsweise überführen.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zum Einstellen der maximalen Buslast Leerpakete versendet werden. Liegt die Buslast aufgrund des normalen Betriebs nicht bei ihrem Maximum, so wird durch Hinzufügen von Leerpaketen beziehungsweise „Dummy-Paketen“ die maximale Buslast eingestellt, so dass die Datenpakete in gleichen zeitlichen Abständen versendet werden. Dadurch wird das Erfassen der zeitlichen Abstände auf der Empfängerseite vereinfacht. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass zum Erfassen der Zeitabstände ein Monoflop verwendet wird. Insbesondere ist der Monoflop als retriggerbarer Monoflop ausgebildet, der mit jeder steigenden oder mit jeder fallenden Flanke auf eine der Datenleitungen des Datenbuses getriggert wird. Ist die Haltezeit des Monoflops größer als der feste beziehungsweise konstante zeitliche Abstand zwischen zwei Datenpaketen, so kann durch Abfall des Monoflops ein Ausfall der Kommunikation auf dem Datenbus und damit ein Fehlerfall sicher detektiert beziehungsweise erkannt werden.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass über einen vorgebbaren Zeitraum kein Datenpaket versendet wird. Vorzugsweise wird dann die Haltezeit des Monoflops auf den vorgegebenen Zeitraum abgestimmt. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Datenbus nicht durchgängig mit maximaler Buslast betrieben werden muss. Jedoch erhöht sich dadurch auch die Zeitspanne, die zum Erkennen eines Kommunikationsausfalls benötigt wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein weiteres Verfahren zur Fehlererkennung in dem Niederspannungsteilnetz und/oder dem Hochspannungsteilnetz durchgeführt wird, wobei bei Erfassen eines Fehlers durch das weitere Verfahren der Datenbus oder die insbesondere durch den Monoflop überwachte Datenleitung des Datenbus auf Masse geschaltet wird, um eine Unterbrechung der Paketübermittlung zu erzwingen. Somit kann ein parallel laufendes Verfahren zur Fehlererkennung auf einfache Art und Weise in das erfindungsgemäße Verfahren eingebunden werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dieser mit einer Open-Collector- beziehungsweise Open-Drain-Ausgangsstufe die entsprechend überwachte Datenleitung beziehungsweise die Datenleitung, über welche die Datenpakete wie zuvor beschrieben übermittelt werden, nach Masse ziehen und somit einen Kommunikationsausfall erzwingt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich dadurch aus, dass die Sicherheitseinrichtung einen Datenbus aufweist, der eine Niederspannungssteuereinheit des Niederspannungsteilnetzes mit einer Hochspannungssteuereinheit des Hochspannungsteilnetzes verbindet, und zumindest zeitweise den Datenbus mit maximaler Buslast betreibt, so dass in festen Zeitabständen Datenpakete übertragen werden, dass in Abhängigkeit von einem durch die Datenpakete empfangene Steuereinheit erfassten zeitlichen Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket auf den Fehlerfall erkennt.
  • Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Sicherheitseinrichtung wenigstens einen Monoflop in dem Niederspannungsteilnetz und/oder dem Hochspannungsteilnetz aufweist, der zum Erfassen der Zeitabstände der Datenpakete genutzt wird. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem bereits zuvor Beschriebenen.
  • Besonders bevorzugt weist die Sicherheitseinrichtung wenigstens eine Signalerzeugungseinrichtung auf, die die durch den Monoflop zu erfassenden Datenpakete erzeugt. Die Signalerzeugungseinrichtung ist insbesondere unabhängig von einer Steuereinheit ausgebildet, um die unabhängige Überwachung der Schaltungsanordnung zu gewährleisten. Die Signalerzeugungseinheit erzeugt dabei das auf den Datenbus aufgebrachte Testsignal, wie zuvor beschrieben, welches von dem Monoflop zur Auswertung erfasst wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Signalerzeugungseinrichtung dem Niederspannungsteilnetz und der Monoflop dem Hochspannungsteilnetz zugeordnet ist. Der Signalerzeugungseinrichtung kann dabei ein Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement zum Erzeugen des Signals zugeordnet sein.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
    • Figur eine Schaltungsanordnung in einer vereinfachten Darstellung.
  • Die einzige Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Schaltungsanordnung 1 für ein Kraftfahrzeug mit einer Hybridantriebseinrichtung. Die Schaltungsanordnung 1 weist ein Niederspannungsteilnetz 2 und ein Hochspannungsteilnetz 3 auf. Das Hochspannungsteilnetz 3 ist dabei der Antriebseinrichtung zugeordnet und weist beispielsweise auch eine elektrische Maschine auf, die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs motorisch und zur Erzeugung elektrischer Energie generatorisch betrieben werden kann. Das Niederspannungsteilnetz 2 ist als Bordnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet und weist eine im Vergleich zum Hochspannungsteilnetz 3 verringerte elektrische Spannungsleistung auf. Die beiden Teilnetze 2 und 3 sind durch eine Isolationsbarriere 4, hier durch eine gestrichelte Linie dargestellt, voneinander getrennt, so dass die Spannungsniveaus erhalten bleiben, und so dass die hohe Spannung des Hochspannungsteilnetzes 3 nicht zu einer Beschädigung von Komponenten des Niederspannungsteilnetzes 2 führen kann.
  • Um den Betrieb der Schaltungsanordnung 1 zu gewährleisten, müssen die beiden Teilnetze jedoch miteinander kommunizieren. Hierzu ist ein Datenbus 5 vorgesehen, der eine Niederspannungssteuereinheit 6 des Niederspannungsteilnetzes 2 mit einer Hochspannungssteuereinheit 7 des Hochspannungsteilnetzes 3 verbindet. Die Steuereinheiten 6, 7 sind insbesondere als Microcontroller ausgebildet, die durch den Datenbus 5 miteinander über die Isolationsbarriere 4 hinweg kommunizieren.
  • Die Schaltungsanordnung 1 weist weiterhin eine Vorrichtung 8 auf, die dazu ausgebildet ist, die Schaltungsanordnung auf einen Fehlerfall zu überwachen und bei Erfassen eines Fehlerfalls in einen sicheren Zustand zu schalten. Dazu weist die Vorrichtung 8 eine Sicherheitseinrichtung 9 auf, die einen Monoflop 10 umfasst und die Steuereinheiten 6, 7 und den Datenbus 5 nutzt. Vorliegend führt die Sicherheitseinrichtung 8 dabei das folgende Verfahren durch:
    • Zunächst wird der Datenbus 5 derart betrieben, dass er mit maximaler Buslast betrieben wird, so dass Datenpakete von der Niederspannungssteuereinheit 6 an die Hochspannungssteuereinheit 7 in festen zeitlichen Abständen gesendet werden. Der Monoflop 10 überwacht auf der Seite des Hochspannungsteilnetzes 3 den Empfang der Datenpakete, der dann nur noch von der Busfrequenz und der Paketlänge abhängt. Der Monoflop 10 ist als retriggerbarer Monoflop ausgebildet, der mit jeder steigenden oder fallenden Flanke auf einer der Datenleitungen des Datenbusses 5 getriggert wird. Ist die Haltezeit des Monoflops größer als der feste beziehungsweise konstante zeitliche Abstand zwischen zwei Datenpaketen, kann durch Abfallen des Monoflops ein Ausfall der Kommunikation auf dem Datenbus 5 detektiert und damit ein Fehlerfall erkannt werden. Nach oben ist die Haltezeit des Monoflops nur durch die Zeitspanne begrenzt, innerhalb derer Kommunikationsausfälle erkannt werden müssen.
  • Wird die volle Bandbreite des Datenbusses 5 nicht benötigt, kann durch Einfügen von Leerpaketen beziehungsweise „Dummy-Paketen“ trotzdem eine maximale Buslast erreicht werden, die zu den festen zeitlichen Abständen der Datenpakete zueinander führt. Die Sicherheitseinrichtung 8 überwacht somit mittels des Monoflops 10 den zeitlichen Abstand von dem zuletzt erfassten Datenpaket. Übersteigt der erfasste zeitliche Abstand den erwarteten festen Zeitabstand, so wird auf einen Fehlerfall erkannt.
  • Weiterhin ist es denkbar, für einen vorgebbaren Zeitraum keine Datenpakete zu senden, sofern die Haltezeit des Monoflops 10 darauf abgestimmt wird. Dadurch wird die Belastung des Datenbusses 5 verringert. Jedoch erhöht sich dadurch auch die Zeitspanne, die zum Erkennen eines Kommunikationsausfalls benötigt wird. Es ist daher von Anwendungsfall zu Anwendungsfall über die Länge des vorgebbaren Zeitraums zu entscheiden.
  • Eine zusätzliche Überwachungsschaltung auf der Niederspannungsseite und/oder der Hochspannungsseite, welche bei Erkennen eines Fehlerfalls ebenfalls einen sicheren Zustand der Schaltungsanordnung 1 einstellen, können leicht in das beschriebene Verfahren mit einbezogen werden, indem sie mit einer Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgangsstufe im Fehlerfall die überwachte Datenleitung des Datenbusses 5 nach Masse ziehen und somit einen Kommunikationsausfall erzwingen, der von dem Monoflop 10 entsprechend erkannt wird.
  • Die Signale des Monoflops 10 werden beispielsweise durch die Hochspannungssteuereinheit 7 ausgewertete, die dann ebenfalls als Bestandteil der Sicherheitseinrichtung 8 wirkt.
  • Zum Einstellen der Datenpakete unabhängig von den Steuereinheiten 6, 7 ist eine Signalerzeugungseinrichtung 11 vorgesehen, die über ein Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement 12 Datenpakete auf den Datenbus 5 schaltet, die von dem Monoflop 10 entsprechend empfangen beziehungsweise ausgewertet werden. Die Signalerzeugungseinrichtung 11 und das Schaltelement stellen dabei insbesondere Bestandteile der Sicherheitseinrichtung 9 dar.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung (1), die ein Niederspannungsteilnetz (2) und ein Hochspannungsteilnetz (3) aufweist, wobei ein Testsignal von einem der Teilnetze (2,3) in das andere Teilnetz (3,2) gesendet wird, um in Abhängigkeit des Signalempfangs in dem anderen Teilnetz (3,2) auf einen Fehlerfall zu erkennen und bei Erkennen eines Fehlerfalls die Schaltungsanordnung (1) in einen sicheren Zustand zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal ein Datenbus (5), der eine Niederspannungssteuereinheit (6) des Niederspannungsteilnetzes (2) mit einer Hochspannungssteuereinheit (7) des Hochspannungsteilnetzes (3) verbindet, zumindest zeitweise mit maximaler Buslast betrieben wird, so dass in festen Zeitabständen Datenpakete übertragen werden, und dass in Abhängigkeit von einem, durch die die Datenpakete empfangenden Steuereinheit (7,6), erfassten zeitlichen Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket auf einen Fehlerfall erkannt wird, wenn der zeitliche Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket größer ist als der feste Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden gesendeten Datenpaketen.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der maximalen Buslast Leerpakete versendet werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Zeitabstände ein Monoflop (10) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen vorgebbaren Zeitraum keine Datenpakete versendet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Verfahren zur Fehlererkennung in dem Niederspannungsteilnetz (2) und/oder dem Hochspannungsteilnetz (3) durchgeführt wird, wobei bei Erfassen eines Fehlers durch das weitere Verfahren der Datenbus (5) auf Masse geschaltet wird, um eine Unterbrechung der Paketübermittlung zu erzwingen.
  6. Vorrichtung (8) zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsanordnung (1), die ein Niederspannungsteilnetz (2) und ein Hochspannungsteilnetz (3) aufweist, mit einer Sicherheitseinrichtung (9), die ein Testsignal von einem der Teilnetze (2) in das andere Teilnetz (3) sendet, um in Abhängigkeit des Signalempfangs auf einen Fehlerfall zu erkennen und bei Erkennen eines Fehlerfalls die Schaltungsanordnung in einen sicheren Zustand zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (9) als Testsignal einen Datenbus (5), der eine Niederspannungssteuereinheit (6) des Niederspannungsteilnetzes (2) mit einer Hochspannungssteuereinheit (7) des Hochspannungsteilnetzes (3) verbindet, zumindest zeitweise mit maximaler Buslast betreibt, so dass in festen Zeitabständen Datenpakete übertragen werden, und dass in Abhängigkeit von einem durch die die Datenpakete empfangende Steuereinheit (7,6) erfassten zeitliche Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket auf den Fehlerfall erkannt wird, wenn der zeitliche Abstand von dem zuletzt empfangenen Datenpaket größer ist als der feste Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden gesendeten Datenpaketen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (9) einen Monoflop (10) und insbesondere eine Signalerzeugungseinrichtung (11) aufweist.
  8. Schaltungsanordnung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Niederspannungsteilnetz (2) und einem Hochspannungsteilnetz (3), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6.
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