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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz, insbesondere ein elektrisches Bordnetz, für ein Kraftfahrzeug mit mehreren Verbrauchern und ein Verfahren zum Versorgen von Verbrauchern in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Elektrische Bordnetze in Kraftfahrzeugen weisen eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern auf, die von einer Energieversorgung, wie bspw. einer Batterie oder einem Generator, mit elektrischer Energie versorgt werden. Darüber hinaus verfügen elektrische Bordnetze auch über elektromechanische bzw. elektronische Bauteile, wie bspw. Schalter und Spannungswandler.
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Die elektrische Energie im Kraftfahrzeug sollte derart verfügbar sein, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung sichergestellt ist, so dass zumindest sicherheitsbezogene Einrichtungen, wie bspw. die Bremsen, die Lenkung und auch das Licht, sicher und durchgängig versorgt werden. Im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start unmöglich wird. Zu beachten ist, dass es im Falle eines Ausfalls in der Spannungsversorgung oder bei einem Kurzschluss im Bordnetz zu einem Ausfall der Versorgung der Verbraucher kommen kann, was wiederum zum Ausfall von Funktionen des Kraftfahrzeugs führt.
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Die Einführung neuartiger elektronischer oder mechatronischer Systeme im Kraftfahrzeug, wie elektrischer Lenkung oder neuartiger Assistenzsysteme, wie z. B. Bremsassistent oder Adaptive Cruise Control (adaptiver Fahrtregler), welche den Energieverbrauch des Fahrzeug senken und die Sicherheit bzw. den Komfort für den Fahrer deutlich erhöhen, findet derzeit verstärkt statt. Zukünftig sind weitere Systeme, die autonomes oder teilautonomes Fahren ermöglichen, in Planung oder werden aktuell entwickelt. Falls solche Systeme in einem Fahrzeug verbaut sind, so müssen diese auch zuverlässig funktionieren bzw. die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen. Hierbei sind besonders sogenannte Common-Cause-Fehler bzw. Einfach-Fehler, die dann zur schlagartigen Fehlfunktion des gesamten Systems oder Teilsystems führen, zu vermeiden.
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Der Einsatz derartiger neuer Systeme stellt somit auch erhöhte Anforderungen an die Sicherheit bzw. Verfügbarkeit des Bordnetzes, da diese Systeme meist aus dem Standard-12V-Bordnetz des Fahrzeugs versorgt werden. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen finden auch Bordnetze mit höherer Spannung Verwendung. Ein Ausfall des Bordnetzes basierend auf einem Einfachfehler darf in keinem Fall zum Ausfall eines sicherheitsbezogenen Systems führen, das für die sichere Funktion des Fahrzeugs unabdingbar ist und sich aus dem 12V-Bordnetz versorgt.
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Ein einfacher Fehler, wie bspw. ein Kurzschluss im Bordnetz oder der Ausfall einer Batterie oder des Generators, darf nicht zum Wegfall der Lenkbarkeit oder Bremsbarkeit des Fahrzeugs führen. Ein derartiger Defekt darf auch nicht dazu führen, dass beispielsweise ein System zur autonomen oder teilautonomen Steuerung des Fahrzeugs schlagartig ausfällt. Ein Autofahrer, der sich auf das System verlässt und eventuell gerade unachtsam ist, würde eventuell bei einem schlagartigen Ausfall zu spät oder falsch reagieren, was zu einer Gefährdung führen könnte.
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Das aktuell in den meisten Fahrzeugen verbaute Bordnetz mit einem Generator und einer 12-V-Batterie ist für die bisher verbauten elektrischen Systeme meist ausreichend. Für neuartige sicherheitsbezogene Systeme, deren Funktion für den sicheren Betrieb des Fahrzeugs unabdingbar ist, sind neuartige Bordnetztopologien nötig, welche die Energieversorgung für diese sicherheitsbezogenen Verbraucher zuverlässig sicherstellen.
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Wie bereits ausgeführt wurde sind in modernen Bordnetzen zunehmend sicherheitsbezogene Verbraucher vorgesehen, die wichtige Funktionen im Kraftfahrzeug ausführen und in keinem Fall ausfallen dürfen. Um dies zu erreichen, ist es bekannt, sicherheitsbezogene Verbraucher an ein oder mehrere Teilbordnetze anzuschließen, wobei jedes Teilbordnetz über eine eigene Energieversorgung, die bspw. eine Batterie und/oder einen Generator umfassen kann, verfügt. Bei Ausfall der Energieversorgung eines Teilbordnetzes können sicherheitsbezogene Verbraucher von anderen Teilbordnetzen versorgt werden und damit deren Betrieb aufrechterhalten werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 004 330 A1 beschreibt ein Bordnetz für sicherheitsbezogene Verbraucher mit mindestens zwei Teilbordnetzen, bei dem ein sicherheitsbezogener Verbraucher über zwei verschiedene Versorgungswege mit einer Versorgungsspannung zu versorgen ist, wobei die Versorgungswege durch Entkopplungsmittel voneinander entkoppelbar sind. Außerdem ist der sicherheitsbezogene Verbraucher über wenigstens vier Versorgungswege mit wenigstens zwei Energiespeichern verbindbar.
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Aus der Druckschrift
DE 102 51 589 A1 ist ein Bordnetz mit wenigstens zwei Teilbordnetzen, in denen jeweils eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht, bekannt. In dem Bordnetz ist ein sicherheitsbezogener Verbraucher vorgesehen, der an eines der Teilbordnetze angeschlossen ist. Dieser ist über zwei verschiedene Versorgungswege mit einer Versorgungsspannung beaufschlagbar, wobei die Versorgungswege durch Entkopplungsmittel, wie bspw. Schalter, voneinander entkoppelt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Bordnetz nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 vorgeschlagen. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass dieses dazu eingerichtet ist, Verbraucher mit einem sogenannten mittleren Sicherheitsbezug mit elektrischer Energie aus jeweils einem Teilbordnetz von mindestens zwei Teilbordnetzen zu versorgen. Der Verbraucher ist hierzu bspw. über Schalter mit den Teilbordnetzen verbunden und kann symmetrisch zwischen den beiden Teilbordnetzen geschaltet sein. Es sind weiterhin Verbraucher ohne Sicherheitsbezug vorgesehen, die ebenfalls mit Energie versorgt werden. Selbstverständlich können zusätzlich Verbraucher mit einem hohen Sicherheitsbezug vorgesehen sein.
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Es werden somit Bordnetztopologien vorgestellt, die eine sichere Versorgung sicherheitsbezogener Verbraucher gewährleisten und die "gewöhnlichen" Verbraucher effizient versorgen. Dies wird mit geringem Aufwand erreicht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Topologien, die Verbraucher mit mittlerem Sicherheitsbezug und ohne Sicherheitsbezug versorgen.
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Ein Teilbordnetz zeichnet sich durch eine eigene, typischerweise von den anderen Teilbordnetzen unabhängige Energieversorgung aus. Als Energieversorgung kann bspw. eine Batterie und/oder ein Generator dienen. Weiterhin kann ein Teilbordnetz über einen Energiespeicher verfügen.
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Verbraucher in dem Bordnetz sind Einrichtungen bzw. Komponenten des Fahrzeugs, wie bspw. elektronische Bremssysteme, Lichtsysteme und elektronische Lenksysteme, zugeordnet. Je nach zugeordneter Komponente erfolgt die Einstufung des betreffenden Verbrauchers in eine Sicherheitsstufe.
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Jedes Teilbordnetz wird bspw. über ein Basisbordnetz von einem dort angeordneten Generator mit Energie versorgt, wobei das Teilbordnetz durch einen Spannungswandler oder Schalter vom Basisbordnetz getrennt ist und über einen separaten Energiespeicher verfügen kann, so dass Verbraucher in diesem Teilbordnetz mit hoher Spannungsqualität und hoher Zuverlässigkeit versorgt werden können. Neben den Verbrauchern können in den Teilbordnetzen auch Überwachungsgeräte vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführung der Schaltungsanordnung.
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2 zeigt eine weitere Ausführung der Schaltungsanordnung.
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3 zeigt noch eine weitere Ausführung der Schaltungsanordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Grundsätzlich können Verbraucher in mehrere Kategorien entsprechend ihres Sicherheitsbezugs eingeteilt werden. Den im Folgenden vorgestellten Topologien liegen Verbraucher der folgenden drei Kategorien zu Grunde.
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Verbraucher R1: hoher Sicherheitsbezug und redundante Versorgung, der Verbraucher ist einer hohen Sicherheitsstufe zugeordnet,
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Verbraucher R2: mittlerer Sicherheitsbezug, der Verbraucher ist einer mittleren Sicherheitsstufe zugeordnet,
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Verbraucher R3: kein Sicherheitsbezug, der Verbraucher ist keiner Sicherheitsstufe zugeordnet.
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1 zeigt ein Bordnetz 10, bei dem eine Versorgung eines Verbrauchers mittleren Sicherheitsbezugs aus zwei Teilbordnetzen erfolgt. Die Darstellung zeigt ein erstes Teilbordnetz 12 und ein zweites Teilbordnetz 14. Dem ersten Teilbordnetz 12 sind ein erster Generator 16 und eine erste Batterie 18 zugeordnet. Dem zweiten Teilbordnetz 14 sind ein zweiter Generator 20 und eine zweite Batterie 22 zugeordnet. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Verbraucher R3a 24, einen Verbraucher R2 26 und einen Verbraucher R3b 28. Außerdem sind eine erste Schalteinheit 30 mit einem ersten Schalter 32 und einer ersten Diode 34 sowie eine zweite Schalteinheit 40 mit einem zweiten Schalter 42 und einer zweiten Diode 44 wiedergegeben.
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Im Folgenden sind die Verbraucher R3a 24 und R3b 28 unabhängige Verbraucher der Sicherheitskategorie 3, d. h. Verbraucher ohne Sicherheitsbezug. Dies bedeutet, es handelt sich nicht um eine redundante Versorgung eines Verbrauchers, wie dies bei Verbrauchern der Kategorie 1, also bei Verbrauchern mit hohem Sicherheitsbezug, der Fall wäre. Der Verbraucher R2 26 ist ein Verbraucher der Sicherheitskategorie 2 und somit ein Verbraucher mittleren Sicherheitsbezugs. Dieser ist symmetrisch zu den beiden Teilbordnetzen 12, 14 angeordnet.
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Entsprechend dieser Einteilung werden die Verbraucher in das Bordnetz 10 integriert. Bei den hierin vorgestellten Bordnetztopologien werden, wie dies eingangs beschrieben wurde, vornehmlich oder gar ausschließlich Verbraucher mit maximal mittlerem Sicherheitsbezug versorgt. Das Bordnetz 10 der 1 besteht im Prinzip aus den beiden Teilbordnetzen 12, 14 links und rechts mit je einem Generator 16 bzw. 20 und Batterie 18 bzw. 22, welche über die intelligenten Schalteinheiten 30, 40 einen Verbraucher mit mittlerem Sicherheitsbezug, den Verbraucher R2 26, versorgen. Die intelligenten Schalteinheiten 30, 40 haben Diodenfunktion, was bedeutet, dass Sie nur Stromfluss aus einem der Teilbordnetze 12 bzw. 14 zum Verbraucher R2 26 zulassen. Falls eine Quelle, bspw. ein Generator 16 bzw. 20, eines Teilbordnetzes 12 bzw. 14 eine Überspannung verursacht, so trennt die entsprechende intelligente Schalteinheit 30 bzw. 40 ebenfalls. Die Generatoren 16, 20 können als zwei getrennte Generatoren 16, 20 oder zwei Generatoren 16, 20 auf einer Welle und eventuell in einem Gehäuse bestehen.
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Der Vorteil der Topologie in 1 ist, dass entweder das rechte oder das linke Teilbordnetz 12 oder 14 komplett, z. B. auch mit Kurzschluss ausfallen kann, und die Versorgung des Verbrauchers R2 26 immer noch dauerhaft sichergestellt ist. Theoretisch können auch mehrere Verbraucher der Kategorie 2 parallelversorgt werden. Allerdings muss dann sichergestellt werden, dass kein derartiger Verbraucher einen Kurzschluss oder eine Überspannung, die zum Ausfall der anderen Verbraucher führt, verursacht.
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Falls keine dauerhafte Versorgung unabhängig von einem beliebigen Einzelfehler nötig ist, so kann die Topologie gemäß 2 gewählt werden, bei der ein Bordnetz mit zwei Teilbordnetzen mit je einer Batterie, die aus einem Generator versorgt werden, vorgesehen ist. 2 zeigt ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Dieses umfasst ein erstes Teilbordnetz 102 und ein zweites Teilbordnetz 104. Beiden Teilbordnetzen 102, 104 ist ein Generator 106 zugeordnet. Dieser versorgt eine erste Batterie 108 im ersten Teilbordnetz 102 und eine zweite Batterie 110 im zweiten Teilbordnetz 104.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine erste Schalteinheit S1a 120 mit einem ersten Schalter 122 und einer ersten Diode 124, eine zweite Schalteinheit S1b 130 mit einem zweiten Schalter 132 und einer zweiten Diode 134, eine dritte Diode D2a 140, eine vierte Diode 142, einen Verbraucher R3a 150, einen Verbraucher R2 152 sowie einen Verbraucher R3b 154.
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Bei dieser Ausführung wird auf einen Generator verzichtet und die beiden Teilbordnetze 102, 104 mit je einer Batterie 108 bzw. 110 werden über einen einzigen Generator, den Generator 106, versorgt und notfalls über die intelligenten Schalteinheiten S1a 120, S1b 130 von diesem entkoppelt. Falls der Generator 106 einen Kurzschluss oder eine Überspannung verursacht, so werden beide Bordnetze 102, 104 hiervon getrennt und können weiterarbeiten, bis die Batterien 108, 110 leer sind. Der Verbraucher R2 152, der ein Verbraucher mittleren Sicherheitsbezugs darstellt, kann also noch versorgt werden, bis beide Teilbordnetze 102, 104 ausgefallen sind.
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Anstelle der Dioden D2a 140 und D2b 142 können auch intelligente Schalter mit Diodenfunktion eingesetzt werden. Falls hier der Generator 106 ausfällt, so sollte der Fahrer gewarnt werden, dass sein Fahrzeug bzw. sicherheitsbezogene Systeme in absehbarer Zeit ausfallen könnten. Bei einem Batteriekurzschluss wird die betroffene Batterie 108 bzw. 110 über die entsprechende Diode 140 bzw. 142 vom Verbraucher R2 152 getrennt und über die intelligente Schalteinheit 120 bzw. 130 wird ebenfalls der Generator 106 von der Batterie 108 bzw. 110 getrennt. Über die andere Batterie 108 bzw. 110 kann der Verbraucher R2 152 mit mittlerem Sicherheitsbezug weiterhin versorgt werden. Im Betrieb wird der Verbraucher R3a 150 ohne Sicherheitsbezug aus dem ersten Teilbordnetz 102 und der Verbraucher R3b 154 ohne Sicherheitsbezug aus dem zweiten Teilbordnetz 104 versorgt.
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Zur Vereinfachung kann auch die zweite Batterie weggelassen werden. Eine solche Topologie mit einem Generator und einer Batterie ist in 3 dargestellt. 3 zeigt ein Bordnetz 200.
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In diesem Fall könnten ein Teilbordnetz bestehend aus Generator und Verbraucher bei Ausfall der Batterie und ein Teilbordnetz bestehend aus Batterie und Verbraucher bei Ausfall des Generators angegeben werden.
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Die Darstellung zeigt einen Generator 206, eine Batterie 208, einen ersten Schalter 210 parallel zu einer ersten Diode D1 212, eine Schalteinheit 220 mit einem Schalter S1 222 und einer Diode 224, einen Schalter S2 226 in Reihe zu einer zweiten Diode 228, einen Schalter S3 230 sowie einen Verbraucher R2 240 mittlerem Sicherheitsbezug, einen Verbraucher R3a 242 ohne Sicherheitsbezug und einen Verbraucher R3b 244 ohne Sicherheitsbezug.
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Bei dieser Ausführung kann der Verbraucher R2 240 mit mittlerem Sicherheitsbezug entweder über den Generator 206 oder die Batterie 208 versorgt werden, falls die andere Komponente ausfällt. Der Generator 206 kann sowohl mit Kurzschluss als auch mit Überspannung ausfallen. Dies wird über den Schalter S1 222 bzw. den Schalter S2 226 wirkungsvoll vom Bordnetz 200 ferngehalten. Eine Batterie, in diesem Fall die Batterie 206 zeigt keine Überspannung. Daher wird nur der Kurzschluss der Batterie 208 vom Bordnetz 200 über die Diode D1 212 getrennt.
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Hierbei ist allerdings zu beachten, dass mit weggefallener Batterie 208 auch deren Pufferwirkung wegfällt. Verbraucher, die steile und hohe Leistungspulse dem Bordnetz 200 entnehmen, können somit nicht oder nur mit Derating, d. h. mit Drosselung, versorgt werden. Der parallele erste Schalter 210 ermöglicht, falls die Batterie 208 keinen Kurzschluss aufweist, ein Laden auch über Energieströme aus dem Bordnetz 200, beispielsweise beim Bremsen von elektrischen Antrieben.
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Falls ein nicht sicherheitbezogener Verbraucher, in diesem Fall der Verbraucher R3a 242 oder der Verbraucher R3b 244, einen Kurzschluss oder eine Überspannung verursacht, so wird dies über den Schalter S3 230 von dem Verbraucher R2 240 über ein Öffnen ferngehalten. Die Schalteinheit 220 zwischen der Batterie 208 und dem Generator 206 verhindert, dass ein Kurzschluss des Generators 206 oder der Batterie 208 die jeweils andere Komponente mit kurzschließt und ermöglicht ein Laden der Batterie 208 durch den Generator 206.
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Bei den gezeigten Ausführungen der 1 bis 3 sind somit Schalter vorgesehen, mit denen für den Verbraucher R2 der mittleren Sicherheitsstufe zwischen den beiden Teilbordnetzen hin- und hergeschaltet werden kann, und Schalter die ein Abtrennen von Teilbordnetzen, Energieversorgungen, d. h. Batterie und/oder Generator, und/oder Verbrauchern aus dem Bordnetz möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004330 A1 [0009]
- DE 10251589 A1 [0010]
