DE102015000576B4

DE102015000576B4 - Motor vehicle with switching device for an on-board power supply-operated component

Info

Publication number: DE102015000576B4
Application number: DE102015000576.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kaspar
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2035-01-17
Also published as: DE102015000576A1

Abstract

Schaltvorrichtung (7) zum Schalten einer elektrischen Komponente (3) eines Kraftfahrzeugs (1), aufweisend:- einen Bordnetzanschluss (13) zum Anschließen der Schaltvorrichtung (7) an ein elektrisches Bordnetz (2) des Kraftfahrzeugs (1),- einen Komponentenanschluss (14) zum Anschließen der Komponente (3) an die Schaltvorrichtung (7), wobei der Komponentenanschluss (14) mit dem Bordnetzanschluss (13) über zwei Schaltstufeneinheiten (8, 9) gekoppelt ist und jede Schaltstufeneinheit (8, 9) einen Halbleiterschalter (19) zum Schalten eines zwischen dem Komponentenanschluss (14) und dem Bordnetzanschluss (13) fließenden Versorgungsstromes (I) der Komponente (3) aufweist, wobei die beiden Schaltstufeneinheiten (8, 9) zwischen dem Komponentenanschluss (14) und dem Bordnetzanschluss (13) parallel verschaltet sind und eine Steuerungseinheit (10) bereitgestellt ist, die dazu ausgelegt ist, für jede der Schaltstufeneinheiten (8, 9) ein unabhängiges Steuersignal (S1, S2) zu erzeugen und bei Erzeugen eines Steuersignals (S1, S2), an einem Diagnosemesspunkt (17) eine sich ergebende Veränderung des Versorgungsstromes (I) zu ermitteln undeine Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten zu überprüfen und hierfür nach Verändern eines der Steuersignale (S1, S2) oder beider Steuersignale (S1, S2) die Veränderung des Versorgungsstromes (I) zu erfassen und auf einen Defekt der mittels des Steuersignals (S1, S2) angesteuerten Schaltstufeneinheit (8,9) rückzuschließen, falls eine vorgegebene oder erwartete Stromstärkeänderung ausbleibt, undbei Beschädigung eines der Halbleiterschalter (19) der Schaltstufeneinheiten (8, 9) in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter (19) dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit (8, 9) weiterhin den Versorgungsstrom (I) aus dem Bordnetz (2) zu der Komponente (3) zu führen.Switching device (7) for switching an electrical component (3) of a motor vehicle (1), comprising: - an on-board power supply connection (13) for connecting the switching device (7) to an electrical on-board power supply (2) of the motor vehicle (1), - a component connection ( 14) for connecting the component (3) to the switching device (7), the component connection (14) being coupled to the on-board power supply connection (13) via two switching stage units (8, 9) and each switching stage unit (8, 9) having a semiconductor switch (19 ) for switching a supply current (I) of the component (3) flowing between the component connection (14) and the on-board power supply connection (13), the two switching stage units (8, 9) between the component connection (14) and the on-board power supply connection (13) in parallel are interconnected and a control unit (10) is provided which is designed to generate an independent control signal (S1, S2) for each of the switching stage units (8, 9) and when generating a control signal (S1, S2) to determine a resulting change in the supply current (I) at a diagnostic measuring point (17) and to check the functionality of the switching stage units and for this after changing one of the control signals (S1, S2) or both control signals (S1, S2 ) to detect the change in the supply current (I) and to infer a defect in the switching stage unit (8, 9) controlled by means of the control signal (S1, S2) if there is no predetermined or expected change in current intensity and if one of the semiconductor switches (19) of the switching stage units is damaged (8, 9) in such a way that the damaged semiconductor switch (19) remains permanently in a blocking state, by means of the remaining switching stage unit (8, 9) the supply current (I) from the vehicle electrical system (2) to the component (3) respectively.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Aktor des Kraftfahrzeugs handeln. Die Schaltvorrichtung kann zwischen ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs und die Komponente geschaltet sein. Hierzu weist die Schaltvorrichtung einen Bordnetzanschluss und einen Komponentenanschluss auf. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, bei welchem zumindest eine Komponente über eine jeweilige erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.The invention relates to a switching device for switching an electrical component of a motor vehicle. The electrical component can be, for example, a control device or an actuator of the motor vehicle. The switching device can be connected between an on-board network of the motor vehicle and the component. For this purpose, the switching device has an on-board power supply connection and a component connection. The invention also includes a motor vehicle in which at least one component is coupled to an on-board network of the motor vehicle via a respective switching device according to the invention.

Die Energieversorgung von elektrischen Komponenten über ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs erfolgt auf der letzten Verteilungsebene des Leitungssatzes über einen singulären Strompfad, der also ausschließlich aus dem Bordnetz zu einer der Komponenten führt. Dieser Strompfad kann eine Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement und mindestens eine Fahrzeugleitung zur Energieversorgung der elektrischen Komponente beinhalten. Soll gleichzeitig eine bedarfsgerechte Klemmensteuerung, das heißt die Steuerung des Energieflusses beispielsweise über einen Schalter, beziehungsweise eine Energieflusssteuerung der elektrischen Komponente durchgeführt werden, ist dem beschriebenen Strompfad mindestens ein elektromechanisches Relais vorgeschaltet.The power supply of electrical components via an on-board network of a motor vehicle takes place on the last distribution level of the wiring harness via a singular current path, which therefore leads exclusively from the on-board network to one of the components. This current path can contain a fuse as a line protection element and at least one vehicle line for supplying energy to the electrical component. If at the same time a needs-based terminal control, that is, the control of the energy flow, for example via a switch, or an energy flow control of the electrical component is to be performed, at least one electromechanical relay is connected upstream of the described current path.

Durch den Einsatz einer Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement ergibt sich der Nachteil, dass ein exklusiver, für den Benutzer des Kraftfahrzeugs zugänglicher Einbauort der Schmelzsicherung gefunden werden muss. Dies verursacht in der Regel längere Verdrahtungswege und damit Kosten- und Gewichtssteigerungen im Leitungssatz. Gleichzeitig ist die Dimensionierung des Leitungsquerschnittes von der Auslösecharakteristik der vorgeschalteten Schmelzsicherung abhängig. Aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der Schmelzsicherung und der Fahrzeugleitung tritt bei der Überdimensionierung besonders bei Verbrauchern mit kurzzeitigen impulsförmigen Stromspitzen, wie sie beispielsweise durch Pufferkondensatoren verursacht werden können, und niedriger Nennleistung der Fall auf, dass die Leitung innerhalb ihres spezifischen Temperaturbereichs betrieben werden kann, allerdings die Schmelzsicherung auslösen würde. Um ein unkoordiniertes Auslösen der Schmelzsicherung zu verhindern, wird bei der Dimensionierung der Nennwert für den Sicherungsstrom bei der Schmelzsicherung erhöht, was wiederum eine Erhöhung des Leitungsquerschnittes zur Folge hat. Dies führt ebenfalls zu einer Kosten- und Gewichtssteigerung im Leitungssatz.The use of a fuse as a line protection element results in the disadvantage that an exclusive installation location for the fuse that is accessible to the user of the motor vehicle has to be found. This usually causes longer wiring routes and thus increases in costs and weight in the wiring harness. At the same time, the dimensioning of the cable cross-section depends on the tripping characteristics of the upstream fuse. Due to the different thermoelectric properties of the fuse and the vehicle cable, if the cable is oversized, especially with consumers with short-term pulse-shaped current peaks, such as those caused by buffer capacitors, and a low rated power, the line can be operated within its specific temperature range, however the fuse would trip. To prevent the fuse from tripping in an uncoordinated manner, the nominal value for the fuse current for the fuse is increased when dimensioning, which in turn results in an increase in the cable cross-section. This also leads to an increase in cost and weight in the wiring harness.

Der Einsatz eines elektromechanischen Relais als Schaltelement führt bei Funktionen mit erhöhtem Schaltspiel, beispielsweise einem Start-Stop-Betrieb bei einer Startersteuerung eines Starters des Kraftfahrzeug, zu einem erhöhten Kontaktverschleiß. Dieser Kontaktverschleiß trägt zur Erhöhung des Ausfallrisikos bei. Gleichzeitig werden bei der Durchführung des Schaltspiels hörbare, unerwünschte Klack-Geräusche erzeugt.The use of an electromechanical relay as a switching element leads to increased contact wear in functions with increased switching cycle, for example start-stop operation in the case of a starter control of a starter of the motor vehicle. This contact wear increases the risk of failure. At the same time, audible, unwanted clacking noises are generated when the switching cycle is carried out.

Aus der EP 2 107 673 A1 ist bekannt, als Ausschalter für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zu verwenden.From the EP 2 107 673 A1 It is known to use a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) as an off switch for an electrical component of a motor vehicle.

Aus der WO 2005/115805 A1 ist bekannt, einen Starter für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs über einen MOSFET mit einer Fahrzeugbatterie zu koppeln. Mittels des MOSFETS kann eine unbegrenzte Anzahl an Schaltzyklen ermöglicht werden.From the WO 2005/115805 A1 It is known to couple a starter for an internal combustion engine of a motor vehicle to a vehicle battery via a MOSFET. An unlimited number of switching cycles can be made possible by means of the MOSFET.

Aus der US 2011/0134573 A1 ist eine Steuereinrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals für eine sicherheitsrelevante Komponente eines Kraftfahrzeugs bekannt. Mittels der Fördereinrichtung kann eine korrekte Funktionsweise einer Komponente überwacht werden und bei Erkennen eines Fehlers ein Versorgungsstrom abgeschaltet werden.From the US 2011/0134573 A1 a control device for generating a switching signal for a safety-relevant component of a motor vehicle is known. Correct functioning of a component can be monitored by means of the conveying device and a supply current can be switched off when a fault is detected.

Aus der DE 10 2007 062 955 A1 ist zur Spannungsstabilisierung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs eine Schaltung bekannt, über welche ein Energiespeicher mit dem Bordnetz verschaltet ist. Die Schaltung weist ein Diodenelement auf, durch welches eine aktive Diode realisiert ist, wobei zum Schalten des Stroms aus dem Energiespeicher sechs parallel geschaltete Leistungs-MOSFETs bereitgestellt sind, unter denen der Strom aus dem Energiespeicher aufgeteilt wird, sodass ein Gesamtstrom von 200 A von jedem MOSFET nur zu einem Sechstel getragen werden muss, also 33 A. Zum Schalten der MOSFETs sind die Gates aller MOSFETs über eine gemeinsame Steuerschaltung mit einem Schmitt-Trigger verschaltet.From the DE 10 2007 062 955 A1 For voltage stabilization of an on-board network of a motor vehicle, a circuit is known via which an energy store is connected to the on-board network. The circuit has a diode element through which an active diode is implemented, six parallel-connected power MOSFETs being provided for switching the current from the energy store, among which the current from the energy store is divided, so that a total current of 200 A from each MOSFET only has to be carried by one sixth, i.e. 33 A. To switch the MOSFETs, the gates of all MOSFETs are connected to a common control circuit with a Schmitt trigger.

Aus der DE 10 2012 218 914 A1 , der DE 10 2010 007 452 A1 , der US 2010/0066431 A1 , der US 6,275,958 B1 , der US 5,926,010 A und der US 5,598,041 A ist jeweils bekannt, zum sicheren elektrischen Trennen einer elektrischen Last von einer Spannungsquelle eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen vorzusehen, die entweder beide durch Transistoren oder durch eine Kombination aus einem Transistor und einem mechanischen Schalter gebildet sein können.From the DE 10 2012 218 914 A1 , the DE 10 2010 007 452 A1 , the US 2010/0066431 A1 , the US 6,275,958 B1 , the U.S. 5,926,010 A and the U.S. 5,598,041 A It is known in each case to provide a series circuit of two switching elements for safe electrical isolation of an electrical load from a voltage source, which can be formed either by transistors or by a combination of a transistor and a mechanical switch.

Aus der DE 198 42 059 A1 ist ein Fehlerstromschutzschalter bekannt, der ein redundantes und/oder diversitäres Zusatztrennteil aufweist, um einen Fehlerstrom auf der Grundlage einer CMOS-Verstärkerschaltung zu detektieren und bei Auftreten eines Fehlerstroms das Unterbrechen des Stroms auf der Grundlage von Schaltkontakten einerseits und Sprengkapseln andererseits zu ermöglichen.From the DE 198 42 059 A1 a residual current circuit breaker is known which has a redundant and / or diverse additional separating part in order to to detect a fault current on the basis of a CMOS amplifier circuit and, if a fault current occurs, to enable the current to be interrupted on the basis of switch contacts on the one hand and detonators on the other.

Die Druckschrift DE 10 2005 011 390 A1 beschreibt einen Stromregler, über welchen in einem Kraftfahrzeug ein Generator mit einer Last verschaltet ist. Beiderseits des Stromreglers sind noch Pufferbatterien zugeschaltet. Ist der Stromregler thermisch überlastet und ist dennoch aktuell ein großer Versorgungsstrom für die Last notwendig, kann der Stromregler entlastet werden, indem ein Überbrückungsschalter geschlossen wird und somit ein Teil des Versorgungstroms am Stromregler vorbeigeführt wird.The pamphlet DE 10 2005 011 390 A1 describes a current regulator via which a generator is connected to a load in a motor vehicle. Buffer batteries are still connected on both sides of the current regulator. If the current regulator is thermally overloaded and a large supply current is still required for the load, the current regulator can be relieved by closing a bypass switch and thus leading part of the supply current past the current regulator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Komponente bedarfsweise oder wahlweise an einem Bordnetz zu- und abschalten zu können.The invention is based on the object of being able to switch on and off an electrical component in a motor vehicle as required or optionally on an on-board network.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention result from the features of the dependent claims.

Durch die Erfindung wird eine Schaltvorrichtung zum Schalten der elektrischen Komponente des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Schaltvorrichtung weist in der eingangs beschriebenen Weise einen elektrischen Bordnetzanschluss zum Anschließen der Schaltvorrichtung an ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs sowie einen elektrischen Komponentenanschluss zum Anschließen der Komponente an die Schaltvorrichtung auf. Mit anderen Worten kann die Schaltvorrichtung zwischen das Bordnetz und die elektrische Komponente geschaltet werden. Insbesondere kann ein Versorgungsstrom aus dem Bordnetz über die Schaltvorrichtung zur Komponente geführt werden. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Starter für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs handeln, beispielsweise um den Elektromagneten zum Einkoppeln des Starters. Als Komponente kann allgemein ein Aktor, der als elektrischer Verbraucher wirkt, vorgesehen sein. Insbesondere kann der elektrische Verbrauchter einen Betriebsstrom größer als 1 Ampere , insbesondere größer als 5 Ampere, aufweisen.The invention provides a switching device for switching the electrical components of the motor vehicle. In the manner described at the outset, the switching device has an on-board electrical system connection for connecting the switching device to an on-board electrical system of the motor vehicle and an electrical component connection for connecting the component to the switching device. In other words, the switching device can be switched between the vehicle electrical system and the electrical component. In particular, a supply current from the vehicle electrical system can be fed to the component via the switching device. The electrical component can be, for example, a control device or a starter for an internal combustion engine of the motor vehicle, for example the electromagnet for coupling the starter. An actuator that acts as an electrical consumer can generally be provided as a component. In particular, the electrical consumer can have an operating current greater than 1 ampere, in particular greater than 5 amperes.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist der Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss über zwei Schaltstufeneinheiten gekoppelt. Jede Schaltstufeneinheit weist einen Halbleiterschalter zum Schalten des zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss fließenden Versorgungsstromes der Komponente auf. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich jeweils beispielsweise um einen Transistor, insbesondere einen Bipolar-Transistor oder einen MOSFET oder einen JFET (Junction-FET), handeln.In the switching device according to the invention, the component connection is coupled to the vehicle electrical system connection via two switching stage units. Each switching stage unit has a semiconductor switch for switching the component supply current flowing between the component connection and the vehicle electrical system connection. The semiconductor switch can be, for example, a transistor, in particular a bipolar transistor or a MOSFET or a JFET (junction FET).

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei der Schaltvorrichtung der Versorgungsstrom mittels zweier Schaltstufeneinheiten geschaltet werden kann. Hierdurch lässt sich der Versorgungsstrom zuverlässig schalten. Des Weiteren wird durch die Schaltstufeneinheiten der Versorgungsstrom mittels eines Halbleiterschalters geschaltet, so dass sich weder eine Geräuschentwicklung beim Schalten noch ein mechanischer Verschleiß ergibt.The invention has the advantage that, in the switching device, the supply current can be switched by means of two switching stage units. This enables the supply current to be switched reliably. In addition, the switching stage units switch the supply current by means of a semiconductor switch, so that there is neither noise development during switching nor mechanical wear.

Bei der Erfindung sind die beiden Schaltstufeneinheiten zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss parallel verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei der Zerstörung einer der Schaltstufeneinheiten ein Versorgungsstrom über die verbleibende Schaltstufeneinheit bereitgestellt werden kann. Bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter der Schaltstufeneinheiten in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, wird mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit weiterhin ein Versorgungsstrom zu der Komponente aus dem Bordnetz geführt.In the invention, the two switching stage units are connected in parallel between the component connection and the on-board power supply connection. This results in the advantage that even if one of the switching stage units is destroyed, a supply current can be provided via the remaining switching stage unit. If one of the semiconductor switches of the switching stage units is damaged in such a way that the damaged semiconductor switch remains permanently in a blocking state, the remaining switching stage unit continues to supply a supply current to the component from the vehicle electrical system.

Des Weiteren ist eine Steuerungseinheit bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, für jede der Schaltstufeneinheiten ein unabhängiges Steuersignal zu erzeugen. Die Steuerungseinheit kann die Steuersignale z.B. in Abhängigkeit von einem Einschaltbefehl und/oder einem Ausschaltbefehl erzeugen, den die Steuerungseinheit z.B. aus einem Kommunikationsbus empfangen kann, insbesondere einen CAN-Bus (CAN Controller Area Network). Die Steuerungseinheit kann in einem Gehäuse der Schaltvorrichtung zusammen mit den beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sein. Die Steuerungseinheit kann aber auch beispielsweise als separates Steuergerät mit einem Gehäuse gekoppelt sein, in welchem die beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sind. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit über einen Kommunikationsbus mit den Steuereinrichtungen gekoppelt sein. Die Steuerungseinheit ist des Weiteren dazu ausgelegt, bei Erzeugen des Steuersignals für die jeweilige Schaltstufeneinheit an einen Diagnosemesspunkt eine sich ergebende Veränderung des Versorgungsstroms zu ermitteln. An dem Diagnosemesspunkt kann beispielsweise in der beschriebenen Weise ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein oder eine Schaltung für eine Stromstärkemessung. Zur Diagnose der Schalterzustände (offen/geschlossen) kann auch direkt die Spannung am Diagnosemesspunkt erfasst werden. Die Steuerungseinheit weist den Vorteil auf, dass eine Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten überprüft werden kann, indem nach Erzeugen oder Einstellen oder Verändern eines der Steuersignale oder beider Steuersignale die Veränderung des Versorgungsstromes erfasst wird. Ergibt sich keine Veränderung des Versorgungsstromes, so kann hieraus auf einen Defekt der mittels des Steuersignals angesteuerten Schaltstufeneinheit rückgeschlossen werden, falls eine vorgegebene oder erwartete Stromstärkeänderung ausbleibt.Furthermore, a control unit is provided which is designed to generate an independent control signal for each of the switching stage units. The control unit can generate the control signals, for example as a function of a switch-on command and / or a switch-off command, which the control unit can receive from a communication bus, in particular a CAN bus (CAN Controller Area Network). The control unit can be provided in a housing of the switching device together with the two switching stage units. However, the control unit can also be coupled, for example, as a separate control device to a housing in which the two switching stage units are provided. For example, the control unit can be coupled to the control devices via a communication bus. The control unit is also designed to determine a resulting change in the supply current when the control signal for the respective switching stage unit is generated at a diagnostic measuring point. At the diagnostic measuring point, for example, a shunt resistor or a circuit for measuring the current intensity can be provided in the manner described. To diagnose the switch states (open / closed), the voltage at the diagnostic measuring point can also be recorded directly. The control unit has the advantage that the functionality of the switching stage units can be checked by changing the supply current after generating or setting or changing one of the control signals or both control signals is captured. If there is no change in the supply current, conclusions can be drawn from this about a defect in the switching stage unit controlled by means of the control signal, if a predetermined or expected change in current intensity does not occur.

Die Erfindung weist Weiterbildungen auf, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention has further developments which result in additional advantages.

In einer Weiterbildung weist jede Schaltstufeneinheit jeweils eine Leitungsschutzschaltung auf, welche dazu ausgelegt ist, an einem Messpunkt ein mit einer Stromstärke des Versorgungsstromes korreliertes Messsignal zu ermitteln. Beispielsweise kann an dem Messpunkt ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein, an welchem ein Spannungswert ermittelt und hieraus ein Spannungssignal erzeugt wird. Es kann auch eine Stromstärkemessung an dem Messpunkt vorgesehen sein, um ein Stromstärkesignal zu erzeugen. Es kann auch z.B. mittels eines Bimetallstreifens oder eines Temperatursensors ein Auslösesignal bei Überhitzung als Messsignal erzeugt werden. In Abhängigkeit von dem Messsignal kann die jeweilige Schaltstufeneinheit in einen sperrenden Zustand geschaltet werden. Um den Einsatz zusätzlicher Komponenten (z.B. des genannten Shunts) zu verhindern, kann der Spannungsabfall U_DS über dem Schaltelement, z.B. des MOSFETs, als korreliertes Messsignal für die Stromstärke erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ zum Leitungsschutz kann diese Methode auch zum Schutz des Schaltelements gegen thermische Überlast dienen. Eine zusätzliche Schutzbeschaltung (Überstromabsicherung) des Halbleiterschalters kann entfallen. Mit anderen Worten wird z.B. der Halbleiterschalter in den sperrenden Zustand geschaltet, also in einen nicht leitenden Zustand, falls das Messsignal ein Sperrkriterium erfüllt. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch das Sperrkriterium ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit einer vorbestimmten Mindeststromstärke signalisiert ist. Durch die Leitungsschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Kurzschluss in der elektrischen Komponente die Schaltvorrichtung selbsttätig sperrt oder die Komponente elektrisch vom Bordnetz trennt.In one development, each switching stage unit has in each case a line protection circuit which is designed to determine a measurement signal that is correlated with a current strength of the supply current at a measurement point. For example, a shunt resistor can be provided at the measuring point, at which a voltage value is determined and a voltage signal is generated therefrom. A current intensity measurement can also be provided at the measuring point in order to generate a current intensity signal. A trigger signal in the event of overheating can also be generated as a measurement signal by means of a bimetal strip or a temperature sensor, for example. The respective switching stage unit can be switched to a blocking state as a function of the measurement signal. In order to prevent the use of additional components (e.g. the aforementioned shunt), the voltage drop U_DS across the switching element, e.g. the MOSFET, can be recorded as a correlated measurement signal for the current strength. In addition or as an alternative to line protection, this method can also be used to protect the switching element against thermal overload. An additional protective circuit (overcurrent protection) of the semiconductor switch can be omitted. In other words, the semiconductor switch, for example, is switched to the blocking state, i.e. to a non-conductive state, if the measurement signal meets a blocking criterion. In particular, it is provided that the blocking criterion indicates an overcurrent or a short-circuit current with a predetermined minimum current strength. The line protection circuit has the advantage that in the event of a short circuit in the electrical component, the switching device automatically locks or electrically isolates the component from the vehicle electrical system.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die beschriebene Steuerungseinheit auch eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Zustandssignals aus der Komponente auf. Beispielsweise kann die Empfangseinrichtung einen Bus-Koppler für den beschriebenen Kommunikationsbus umfassen. Alternativ kann auch direkt eine Hardware-Verbindung oder Drahtverbindung zum Auslesen eines Analogwertes (Spannung an einem Diagnosepunkt) eingesetzt werden. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgelegt, die sich ergebende Veränderung des Versorgungsstromes auch anhand des Zustandssignals zu ermitteln. Beispielsweise können als Zustandssignal beim Einschalten der Komponente entsprechende Statusmeldung der Komponente empfangen werden, durch welche sich ergibt, dass die Komponente nun mit einem Versorgungsstrom versorgt ist. Des Weiteren können mittels des Zustandssignals auch beispielsweise Spannungsmesswerte und/oder Stromstärkemesswerte, die jeweils durch die Komponente selbst ermittelt werden, an die Steuerungseinheit übertragen werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand diese elektrischen Größen erfasst werden können und in der Steuerungseinheit für die Diagnose der Schaltstufeneinheiten genutzt werden können.In a further development of the invention, the control unit described also has a receiving device for receiving a status signal from the component. For example, the receiving device can comprise a bus coupler for the communication bus described. Alternatively, a hardware connection or wire connection can also be used directly to read out an analog value (voltage at a diagnosis point). The control unit is designed to determine the resulting change in the supply current based on the status signal. For example, when the component is switched on, corresponding status messages from the component can be received as a status signal, which indicates that the component is now supplied with a supply current. Furthermore, voltage measurement values and / or current intensity measurement values, which are each determined by the component itself, can also be transmitted to the control unit by means of the status signal. This results in the advantage that these electrical variables can be recorded without additional circuit complexity and can be used in the control unit for diagnosing the switching stage units.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind der Komponentenanschluss und der Bordnetzanschluss unabhängig von den beiden Schaltstufeneinheiten zusätzlich über eine Schutzschaltung miteinander verbunden. Diese Schutzschaltung ist dazu ausgelegt, den Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss elektrisch miteinander zu verbinden, falls zwischen diesen beiden Anschlüssen eine vorbestimmte Überspannung abfällt. Durch die Schutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass induktive Lasten mittels der Schaltvorrichtung geschaltet werden können, also eine in der angeschlossenen Komponente vorhandene Induktivität geschaltet werden kann. Die Schutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, insbesondere einer Zehnerdiode, bereitgestellt sein. Um die transiente Überspannung bei einem Schaltvorgang nicht in das Restbordnetz zurückzukoppeln, kann die Energie der angeschlossenen Induktivität in der Schutzschaltung abgebaut werden. Schaltungstechnisch kann dies durch eine Freilaufdiode, eine TVS-Diode oder einen Varistor oder eine Snubber-Beschaltung erfolgen. Die beiden Anschlüsse werden also allgemein über die Schutzschaltung zunächst elektrisch gegeneinander isoliert, dann aber elektrisch miteinander verbunden, sobald die zwischen den Anschlüssen abfallende Spannung über einen vorbestimmten Überspannungswert steigt. Bei Absinken der Spannung unter den Übersteuerungswert kann die Schutzschaltung dann wieder in einen elektrisch isolierenden Zustand übergehen.In a further development of the invention, the component connection and the on-board power supply connection are additionally connected to one another via a protective circuit independently of the two switching stage units. This protective circuit is designed to electrically connect the component connection to the vehicle electrical system connection if a predetermined overvoltage drops between these two connections. The protective circuit has the advantage that inductive loads can be switched by means of the switching device, that is to say an inductance present in the connected component can be switched. The protective circuit can for example be provided on the basis of a diode, in particular a Zener diode. In order not to feed the transient overvoltage back into the rest of the vehicle electrical system during a switching process, the energy of the connected inductance can be dissipated in the protective circuit. In terms of circuitry, this can be done using a freewheeling diode, a TVS diode or a varistor or a snubber circuit. The two connections are generally electrically isolated from one another via the protective circuit, but then electrically connected to one another as soon as the voltage dropping between the connections rises above a predetermined overvoltage value. When the voltage drops below the overdrive value, the protective circuit can then return to an electrically insulating state.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Schaltstufeneinheiten über eine jeweilige Verpolschutzschaltung mit dem Komponentenanschluss und/oder dem Bordnetzanschluss verschaltet. Die Verpolschutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode bereitgestellt sein. Durch die Verpolschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass die Schaltstufeneinheiten vor einer mechanischen oder thermischen Zerstörung bewahrt sind, wenn die Schaltvorrichtung in verkehrter Schaltrichtung mit dem Bordnetz verschaltet wird.In a further development of the invention, the two switching stage units are connected to the component connection and / or the vehicle electrical system connection via a respective polarity reversal protection circuit. The polarity reversal protection circuit can be provided on the basis of a diode, for example. The reverse polarity protection circuit has the advantage that the switching stage units are protected from mechanical or thermal destruction if the switching device is connected to the on-board network in the wrong switching direction.

In einer Weiterbildung weisen Halbleiterschalter der beiden Schaltstufeneinheiten eine unterschiedliche Bauweise auf. Beispielsweise kann einer der Halbleiterschalter ein MOSFET sein und der Halbleiterschalter der anderen Schaltstufeneinheit eine Bipolar-Transistor. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Halbleiterschalter unterschiedlich auf eine bestimmte Fehlersituation reagieren und hierdurch die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass einer der Halbleiterschalter in der Fehlersituation unbeschädigt bleibt.In one development, semiconductor switches of the two switching stage units have one different construction. For example, one of the semiconductor switches can be a MOSFET and the semiconductor switch of the other switching stage unit can be a bipolar transistor. This has the advantage that the semiconductor switches react differently to a specific error situation and this increases the probability that one of the semiconductor switches will remain undamaged in the error situation.

Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist ein Bordnetz zum Bereitstellen einer Gleichspannung und eines jeweiligen Versorgungsstromes für zumindest eine elektrische Komponente, insbesondere zumindest eines Steuergeräts, des Kraftfahrzeugs auf. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist die zumindest eine Komponente jeweils über eine jeweilige Schaltvorrichtung an das Bordnetz angeschlossen, wobei die jeweilige Schaltvorrichtung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.The invention also includes a motor vehicle. The motor vehicle according to the invention has an on-board network for providing a direct voltage and a respective supply current for at least one electrical component, in particular at least one control device, of the motor vehicle. In the motor vehicle according to the invention, the at least one component is each connected to the vehicle electrical system via a respective switching device, the respective switching device being an embodiment of the switching device according to the invention.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle.

Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Schaltvorrichtung; und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

An exemplary embodiment of the invention is described below. To do this, show:

1 a schematic representation of a motor vehicle with a switching device; and
2 a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with an embodiment of the switching device according to the invention.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform 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 ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, however, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are thus also to be regarded as part of the invention individually or in a combination other than the one shown. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference symbols.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 kann ein Bordnetz 2 aufweisen, an welches mehrere elektrische Komponenten angeschlossen sein können, von denen in 1 beispielhaft nur eine elektrische Komponente 3 dargestellt ist. Die Komponente 3 kann beispielsweise ein elektronisches Steuergerät oder ein Elektromagnet für einen Starter sein. Die elektrische Komponente 3 stellt einen elektrischen Verbraucher dar. Ein elektrischer Verbraucher ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein elektrisches oder elektronisches Gerät, welches einen Betriebsstrom aufweist, der größer als 500 mA, insbesondere größer als 1 A, ist. 1 shows a motor vehicle 1 , which can be, for example, a motor vehicle, in particular a passenger vehicle. The car 1 can be an electrical system 2 have, to which several electrical components can be connected, of which in 1 for example only one electrical component 3 is shown. The component 3 can for example be an electronic control unit or an electromagnet for a starter. The electrical component 3 represents an electrical consumer. In connection with the invention, an electrical consumer is in particular an electrical or electronic device which has an operating current that is greater than 500 mA, in particular greater than 1 A.

Das Bordnetz 2 kann eine Spannungsquelle 4 aufweisen, die beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator und/oder einen Generator umfassen kann. Durch die Spannungsquelle 4 kann eine Versorgungsspannung bereitgestellt sein, die beispielsweise in einem Bereich von 10 V bis 14 V oder in einem Bereich von 40 V bis 55 V oder in einem Bereich größer 60 V liegen kann. Die Versorgungsspannung kann zwischen einer Fahrzeugmasse 5 und einer elektrischen Leiteinrichtung 6, beispielsweise einem Kabel oder einer Stromschiene, erzeugt sein. Die Komponente 3 kann über eine Schaltvorrichtung 7 mit der Leiteinrichtung 6 gekoppelt sein. Des Weiteren kann die Komponente 3 mit der Fahrzeugmasse 5 gekoppelt sein. Die Fahrzeugmasse 5 kann beispielsweise durch elektrisch leitende Bauteile, beispielsweise ein Chassis oder ein Rahmen des Kraftfahrzeugs 1, bereitgestellt sein.The on-board network 2 can be a voltage source 4th have, which can include, for example, a battery or an accumulator and / or a generator. By the voltage source 4th A supply voltage can be provided which can be in a range from 10 V to 14 V or in a range from 40 V to 55 V or in a range greater than 60 V, for example. The supply voltage can be between a vehicle ground 5 and an electrical control device 6th , for example a cable or a busbar, be generated. The component 3 can via a switching device 7th with the guidance system 6th be coupled. Furthermore, the component 3 with the vehicle mass 5 be coupled. The vehicle mass 5 can for example by electrically conductive components, for example a chassis or a frame of the motor vehicle 1 , be provided.

Durch die Schaltvorrichtung 7 kann ein Versorgungsstrom I, der von dem Bordnetz 2 über die Schaltvorrichtung 7 zu der Komponente 3 fließen kann, geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 7 kann hierzu eine erste Schaltstufeneinheit 8, eine zweite Schaltstufeneinheit 9, eine Steuerungseinheit 10, eine Verpolschutzschaltung 11 und eine Schutzschaltung 12 aufweisen. Die Schutzschaltung 7 kann über einen Bordnetzanschluss 13 mit der Leitungseinrichtung 6 verbunden sein. Der Bordnetzanschluss 13 kann beispielsweise einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Die Schaltvorrichtung 7 kann über einen Komponentenanschluss 14 mit der Komponente 3 verschaltet sein. Der Komponentenanschluss 14 kann einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Zum Verbinden des Komponentenanschlusses 14 mit der Komponente 3 kann ein Leitungselement 15 vorgesehen werden, das beispielsweise ein Kabel oder eine Stromschiene aufweisen kann.By the switching device 7th can be a supply current I from the vehicle electrical system 2 via the switching device 7th to the component 3 can flow, switched. The switching device 7th can do this with a first switching stage unit 8th , a second switching stage unit 9 , a control unit 10 , a reverse polarity protection circuit 11 and a protection circuit 12th exhibit. The protection circuit 7th can be connected to an on-board power supply 13th with the line facility 6th be connected. The on-board power supply connection 13th can for example have one or more electrical contacts. The switching device 7th can have a component connection 14th with the component 3 be interconnected. The component connection 14th can have one or more electrical contacts. For connecting the component connector 14th with the component 3 can be a line element 15th be provided, which can for example have a cable or a busbar.

Der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 sind in der Schaltvorrichtung 7 über die beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 verschaltet oder gekoppelt oder verbunden. Des Weiteren sind der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 parallel zu den beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 über die Schutzschaltung 12 verbunden.The on-board power supply connection 13th and the component connection 14th are in the switching device 7th via the two switching stage units 8th , 9 interconnected or coupled or connected. Furthermore, the on-board power supply connection 13th and the component connection 14th parallel to the two switching stage units 8th , 9 via the protection circuit 12th connected.

Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils unabhängig voneinander durch ein jeweiliges Schaltsignal S1, S2 geschaltet werden, das durch die Steuerungseinheit 10 erzeugt sein kann. Die Steuerungseinheit 10 kann in einem Gehäuse 16 eingebaut sein, an welchem auch die Schaltstufeneinheiten 8, 9 angeordnet sein können. Die Steuerungseinheit 10 kann z.B. einen Mikrocontroller aufweisen. Die Steuerungseinheit 10 kann auch außerhalb des Gehäuses 16 bereitgestellt sein, beispielsweise als ein Programmmodul in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1.The switching stage units 8th , 9 can each independently of one another by means of a respective switching signal S1 , S2 switched by the control unit 10 can be generated. The control unit 10 can in one housing 16 be installed, on which the switching stage units 8th , 9 can be arranged. The control unit 10 can for example have a microcontroller. The control unit 10 can also be outside the housing 16 be provided, for example as a program module in a control unit of the motor vehicle 1 .

Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Steuersignale S1, S2 in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl zum Einschalten und/oder Ausschalten zu erzeugen, der z.B. in an sich bekannter Weise von einem (nicht dargestellten) zentralen Bordnetzmanagement an die Steuerungseinheit 10 ausgesendet werden kann.The control unit 10 can be designed to control signals S1 , S2 to generate depending on a switching command for switching on and / or switching off, for example in a manner known per se from a central on-board network management system (not shown) to the control unit 10 can be sent out.

Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Funktionstüchtigkeit oder Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten 8, 9 mittels eines Diagnosesignals D zu überprüfen, welches an einem Diagnosemesspunkt 17 erzeugt werden kann, über welchen der Versorgungsstrom I geführt ist. Beispielsweise können die Schaltstufeneinheiten 8, 9 über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Komponentenanschluss 14 gekoppelt sein, wie es in 1 dargestellt ist. Sie können auch über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Bordnetzanschluss 13 gekoppelt sein (nicht dargestellt). Der Diagnosemesspunkt 17 kann beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand oder eine Strommesseinrichtung, wie dieser bzw. diese aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert sein. Es ist auch ein direkter Abgriff der elektrischen Spannung insbesondere ohne Shunt möglich. Anhand des Diagnosesignals kann durch die Steuerungseinheit 10 eine Veränderung in der Stromstärke des Versorgungsstroms I ermittelt werden. Insbesondere kann die Veränderung in Abhängigkeit von den Schaltsignalen S1, S2 ermittelt werden. Hierdurch kann durch die Steuerungseinheit 10 ermittelt werden, ob die Schaltstufeneinheiten 8, 9 jeweils auf das jeweilige Steuersignal S1, S2 in einer vorbestimmten Weise reagieren. Falls dies nicht der Fall ist, kann durch die Steuerungseinheit 10 ein Warnhinweis oder Fehlersignal W ausgegeben werden, welches beispielsweise durch eine Anzeigeeinrichtung 18 einem Benutzer des Kraftfahrzeugs 1 signalisieren kann, dass das Kraftfahrzeug 1 eine fehlerhafte Schaltvorrichtung 7 aufweist. The control unit 10 can be designed to ensure the functionality or functionality of the switching stage units 8th , 9 to check by means of a diagnostic signal D, which at a diagnostic measuring point 17th can be generated, over which the supply current I is carried. For example, the switching stage units 8th , 9 via the diagnostic measuring point 17th with the component connection 14th be coupled as it is in 1 is shown. You can also use the diagnostic measuring point 17th with the on-board power supply connection 13th be coupled (not shown). The diagnostic measuring point 17th can be implemented, for example, by a shunt resistor or a current measuring device such as is known from the prior art. The electrical voltage can also be tapped directly, in particular without a shunt. Using the diagnostic signal, the control unit 10 a change in the current strength of the supply current I can be determined. In particular, the change can be a function of the switching signals S1 , S2 be determined. This allows the control unit 10 it can be determined whether the switching step units 8th , 9 each to the respective control signal S1 , S2 respond in a predetermined manner. If this is not the case, the control unit can 10 a warning or error signal W can be output, for example by a display device 18th a user of the motor vehicle 1 can signal that the motor vehicle 1 a faulty switching device 7th having.

Zusätzlich zu dem Diagnosesignal D kann die Steuerungseinheit 10 ein Zustandssignal Z von der Komponente 3 empfangen. Das Zustandssignal Z kann beispielsweise über einen Kommunikationsbus, beispielsweise einen CAN-Bus, von der Komponente 3 zu der Steuerungseinheit 10 übertragen werden. Anhand des Zustandssignals Z kann ein Betriebszustand der Komponente 3 und/oder ein von der Komponente 3 ermittelter Stromstärkewert des Versorgungsstroms I empfangen werden.In addition to the diagnostic signal D, the control unit 10 a status signal Z from the component 3 receive. The status signal Z can for example via a communication bus, for example a CAN bus, from the component 3 to the control unit 10 be transmitted. Based on the status signal Z can be an operating state of the component 3 and / or one of the component 3 determined current value of the supply current I are received.

Die Schutzschaltung 12 kann dazu ausgelegt sein, bei Anliegen einer Überspannung mit einem vorbestimmten Mindestspannungswert zwischen dem Bordnetz 13 und dem Komponentenanschluss 14 diese Überspannung durch elektrisches Verbinden der Anschlüsse 13, 14 abzubauen, so dass die Überspannung nicht über den Schaltstufeneinheiten 8, 9 abfällt. Hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt. Die Schutzschaltung 12 kann beispielsweise eine oder mehrere Dioden aufweisen.The protection circuit 12th can be designed to have an overvoltage with a predetermined minimum voltage value between the vehicle electrical system 13th and the component connection 14th this overvoltage by electrically connecting the connections 13th , 14th reduce so that the overvoltage does not go over the switching stage units 8th , 9 falls off. As a result, the switching stage units 8th , 9 protected against destruction by the overvoltage. The protection circuit 12th can for example have one or more diodes.

Die Verpolschutzschaltung 11 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, und kann einen Stromfluss von dem Komponentenanschluss 14 hin zum Bordnetzanschluss 13 blockieren. Auch hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung oder Beschädigung geschützt.The reverse polarity protection circuit 11 can be configured in a manner known per se, for example on the basis of a diode, and can allow a current to flow from the component connection 14th towards the on-board power supply connection 13th To block. This also makes the switching stage units 8th , 9 protected from destruction or damage.

Jede Schaltstufeneinheit 8, 9 kann einen elektronischen Halbleiterschalter 19 aufweisen, bei dem es sich beispielsweise um einen Transistor handeln kann, insbesondere um einen MOSFET oder JFET, oder um einen Bipolar-Transistor. Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils auch eine Leitungsschutzschaltung 20 aufweisen, die bevorzugt als analoge Schaltung oder elektronische Schaltung ausgestaltet ist, das heißt eine Schaltung, die nicht auf eine Analog-Digital-Wandlung angewiesen ist.Each switching step unit 8th , 9 can use an electronic semiconductor switch 19th have, which can be, for example, a transistor, in particular a MOSFET or JFET, or a bipolar transistor. The switching stage units 8th , 9 each can also have a line protection circuit 20th have, which is preferably designed as an analog circuit or electronic circuit, that is, a circuit that does not rely on an analog-digital conversion.

Durch die Leitungsschutzschaltung 20 kann ein Gate-Signal oder Basis-Signal oder Steuersignal C erzeugt werden, durch welches ein Schaltzustand des Halbleiterschalters 19 in an sich bekannter Weise gesteuert oder festgelegt ist. Die Leitungsschutzschaltung 20 kann das Schaltsignal C in Abhängigkeit von dem Steuersignal S1, S2 erzeugen. Des Weiteren kann die Leitungsschutzschaltung an einem Messpunkt 21 der jeweiligen Schaltstufeneinheit 8, 9 ein mit der Stromstärke des Versorgungsstroms I korreliertes Messsignal M erfassen. Beispielsweise kann der Messpunkt 21 einen Shunt-Widerstand oder eine Stromstärkemessschaltung aufweisen. In dem Messpunkt 21 kann auch beispielsweise ein Bimetall oder ein Temperatursensor bereitgestellt sein. Falls anhand des Messsignals M durch die Leitungsschutzschaltung 20 erkannt wird, dass ein Überstrom fließt, das heißt die Stromstärke des Versorgungsstroms I oberhalb eines vorbestimmten Höchstwerts liegt, kann durch Leitungsschutzschaltung 20 mittels des Schaltsignals C der jeweilige Halbleiterschalter 19 in einen sperrenden Zustand geschaltet werden, unabhängig vom Steuersignal S1, S2. Hierdurch kann beispielsweise bei einem Kurzschluss in der Komponente 3 der Stromfluss des Versorgungsstroms I unterbrochen werden.Through the line protection circuit 20th a gate signal or base signal or control signal C can be generated by which a switching state of the semiconductor switch 19th is controlled or fixed in a manner known per se. The line protection circuit 20th can switch signal C depending on the control signal S1 , S2 respectively. Furthermore, the line protection circuit at a measuring point 21 the respective switching step unit 8th , 9 Detect a measurement signal M correlated with the current strength of the supply current I. For example, the measuring point 21 have a shunt resistor or a current measuring circuit. In the measuring point 21 For example, a bimetal or a temperature sensor can also be provided. If on the basis of the measurement signal M by the line protection circuit 20th it is recognized that an overcurrent is flowing, that is, the current strength of the supply current I is above a predetermined maximum value, can be done by line protection circuit 20th the respective semiconductor switch by means of the switching signal C. 19th can be switched to a blocking state, regardless of the control signal S1 , S2 . In this way, for example, in the event of a short circuit in the component 3 the current flow of the supply current I can be interrupted.

In dem in 1 gezeigten Beispiels sind die Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen dem Bordnetzanschluss 13 und dem Komponentenanschluss 14 in Serie geschaltet. Bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem leitenden Zustand verharrt, kann der Versorgungsstrom I mittels des verbleibenden Halbleiterschalters 19 sicher unterbrochen werden.In the in 1 The example shown are the switching stage units 8th , 9 between the on-board power supply connection 13th and the component connection 14th connected in series. If one of the semiconductor switches is damaged 19th in such a way that the damaged semiconductor switch 19th remains permanently in a conductive state, the supply current I can by means of the remaining semiconductor switch 19th sure to be interrupted.

In 2 ist im Gegensatz dazu eine Schaltvorrichtung 7 gezeigt, bei welcher die zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen einem Bordnetzanschluss 13 und einem Komponentenanschluss 14 in einer Parallelschaltung verschaltet sind.In 2 is, in contrast, a switching device 7th shown in which the two switching stage units 8th , 9 between an on-board power supply connection 13th and a component connection 14th are connected in a parallel connection.

Durch die Parallelschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 der Schaltstufeneinheiten 8, 9 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit weiterhin ein Versorgungsstrom I zu der Komponente 3 aus dem Bordnetz 2 geführt werden kann.The parallel connection has the advantage that if one of the semiconductor switches is damaged 19th the switching stage units 8th , 9 in such a way that the damaged semiconductor switch 19th remains permanently in a blocking state, a supply current I continues to the component by means of the remaining switching stage unit 3 from the on-board network 2 can be performed.

Bei der Erfindung können allgemein an einem Gehäuse 16 auch mehrere der Komponentenanschlüsse 14 bereitgestellt sein, wobei jeder Komponentenanschluss 14 mit dem Bordnetzanschluss 13 über eine jeweilige Anordnung aus zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 gekoppelt sein kann. Hierbei können für jeden der Komponentenanschlüsse 14 unterschiedliche Anordnungen der jeweiligen Schaltstufeneinheiten 8, 9 vorgesehen sein, also eine Parallelschaltung oder eine Serienschaltung. Hierdurch kann mittels des Gehäuses 16 eine Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, an welcher mehrere Komponenten bedarfsweise mit einer sicher abschaltenden (Serienschaltung) oder sicher durchschaltenden (Parallelschaltung) Anordnung zweier Schaltstufeneinheiten mit dem Bordnetz 2 gekoppelt werden können.In the invention can generally on a housing 16 also several of the component connections 14th be provided, each component connector 14th with the on-board power supply connection 13th via a respective arrangement of two switching stage units 8th , 9 can be coupled. For each of the component connections 14th different arrangements of the respective switching stage units 8th , 9 be provided, so a parallel connection or a series connection. This allows by means of the housing 16 a switching device can be provided on which several components, if necessary, with a safely disconnecting (series connection) or safely switching through (parallel connection) arrangement of two switching stage units with the on-board network 2 can be coupled.

Die beschriebenen Schaltvorrichtungen stellen somit modulare Schaltstufen mit einer elektronischen Kurzschlussabschaltung und Diagnoseschnittstelle für ein Warnsignal W dar. Im Gegensatz zum heutigen Stand der Technik wird mindestens ein elektromechanisches Relais durch einen elektronischen Schalter (MOSFET, Bipolar-Transistor) ersetzt. Das elektronische Schaltelement wird in Verbindung mit einer analogen Kurzschlussdetektion als Leitungsschutzschaltung und Lichtbogenschutz eingesetzt. Die Leitungsschutzschaltung ist bevorzugt durch diskrete Bauelemente oder integriert als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder ASSP (Application Specific Standard Product) ausgestaltet. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe oder große Schaltgeschwindigkeit, da z.B. eine Analog-Digital-Wandlung oder eine Programmcodeinterpretation entfallen kann, wie sie z.B. für den Einsatz eines Mikrocontrollers nötig wäre. Eine Schmelzsicherung und die damit verbundenen Nachteile können entfallen. Durch die Substitution des elektromechanischen Relais durch elektronische Schalter kann auch die Geräuschemission im Schaltverhalten gedämpft beziehungsweise verhindert werden. Mit den beschriebenen Komponenten der Schaltstufe werden hinsichtlich der Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bevorzugt bei Bedarf eine parallele Verschaltung der Schaltungseinrichtung oder eine serielle Verschaltung der Schaltstufeneinheiten bereitgestellt.The switching devices described thus represent modular switching stages with an electronic short-circuit shutdown and diagnostic interface for a warning signal W. In contrast to the current state of the art, at least one electromechanical relay is replaced by an electronic switch (MOSFET, bipolar transistor). The electronic switching element is used in connection with an analog short-circuit detection as a line protection circuit and arc protection. The line protection circuit is preferably designed by discrete components or integrated as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or ASSP (Application Specific Standard Product). This results in a particularly high or high switching speed, since, for example, an analog-to-digital conversion or a program code interpretation can be omitted, as would be necessary, for example, for the use of a microcontroller. A fuse and the associated disadvantages can be omitted. By replacing the electromechanical relay with electronic switches, the noise emission in the switching behavior can also be dampened or prevented. With the described components of the switching stage, a parallel connection of the switching device or a serial connection of the switching stage units are preferably provided with regard to the supply and protection of functionally relevant current paths and electrical components in the motor vehicle.

Die in 1 dargestellte erste Topologievariante beinhaltet zwei in Serie geschaltete elektronische Schaltelemente mit der beschriebenen Anordnung zur Kurzschlussdetektion und Abschaltung. Durch die Redundanz im Schaltpfad wird sichergestellt, dass der Stromfluss im Strompfad selbst Defekt eines Schaltelements (niederohmig leitend) sicher durch das zweite Schaltelement getrennt und diagnostiziert werden kann. Die beiden Schaltstufen werden als elektronische Schalter dargestellt, um zusätzlich zur Redundanz die Diversität zu erhöhen, werden die Anwendungen bis 48 V Bordnetzspannung bevorzugt mit unterschiedlicher Technologie der Schaltstufen verwendet (zum Beispiel einen Bipolar-Transistor und einen MOSFET-Schalter). Beide Schaltstufen werden von einer übergeordneten Steuerungseinheit, die entweder innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet sein kann oder Teil eines separaten Steuergerätes sein kann, unabhängig voneinander über die Steuersignale S1, S2 angesteuert. Eine schnelle, analoge Kurzschlussabschaltung ermöglicht durch die Messung des Spannungspotenzials an definierten Messpunkten 21 eine leistungsgesteuerte Kurzschlussdetektion. Bei Überschreiten einer festgelegten Stromschwelle wird die Ansteuerung der Schalteinheiten 8, 9 zurückgenommen und der Schaltkontakt durch die Leitungsschutzschaltung 20 geöffnet. Zum Schutz der elektronischen Komponenten ist eine optionale Schutzbeschaltung der Schalteinheiten und ein optionaler Verpolschutz vorsehbar.In the 1 The first topology variant shown includes two series-connected electronic switching elements with the described arrangement for short-circuit detection and disconnection. The redundancy in the switching path ensures that the current flow in the current path, even if a switching element is defective (low-resistance conductive), can be safely separated and diagnosed by the second switching element. The two switching stages are represented as electronic switches, in order to increase the diversity in addition to redundancy, the applications up to 48 V on-board voltage are preferably used with different switching stage technology (for example a bipolar transistor and a MOSFET switch). Both switching stages are controlled by a higher-level control unit, either inside the housing 16 can be arranged or can be part of a separate control device, independently of one another via the control signals S1 , S2 controlled. Fast, analog short-circuit disconnection is made possible by measuring the voltage potential at defined measuring points 21 a power-controlled short-circuit detection. When a specified current threshold is exceeded, the switching units are activated 8th , 9 withdrawn and the switching contact through the line protection circuit 20th open. To protect the electronic components, an optional protective circuit for the switching units and an optional reverse polarity protection can be provided.

In der 2 ist die Topologie der Schaltstufe zur Erhöhung der Verfügbarkeit des geschalteten Pfades mit angeschlossener elektronischer Komponente dargestellt. Ziel ist die Energieversorgung der Komponente selbst bei hochohmigem Ausfall eines Halbleiterschalters 19 aufrechtzuerhalten. Gleiches gilt für die Verfügbarkeit des elektronischen Leitungsschutzes. Im Falle eines Kurzschlusses bleibt durch die Redundanz der Schaltstufen und des elektronischen Leitungsschutzes die Funktion zum Trennen des Strompfades erhalten, zum Beispiel zur Detektion und Abschaltung des entstehenden Lichtbogens in Energienetzen mit 48 V Nennspannung. Zusätzliche Diversität zur Steigerung der Verfügbarkeit kann, wie im Zusammenhang mit der Topologie von 1 beschrieben, durch den Einsatz von unterschiedlichen elektronischen Schaltertypen (Bipolar-Transistor und MOSFET-Schalter) erzielt werden.In the 2 the topology of the switching stage to increase the availability of the switched path with connected electronic components is shown. The aim is to supply the component with energy even in the event of a high-resistance failure of a semiconductor switch 19th maintain. The same applies to the availability of the electronic line protection. In the event of a short circuit, the redundancy of the switching stages and the electronic line protection means that the function for separating the current path is retained, for example for detecting and switching off the arcing that occurs in power networks with a nominal voltage of 48 V. Additional diversity to increase availability can, as in connection with the topology of 1 can be achieved by using different types of electronic switches (bipolar transistor and MOSFET switch).

Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine modulare elektrische Schaltstufe zur Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann.Overall, the example shows how the invention can provide a modular electrical switching stage for supplying and protecting functionally relevant current paths and electrical components in the motor vehicle.

Claims

Switching device (7) for switching an electrical component (3) of a motor vehicle (1), comprising: - An on-board network connection (13) for connecting the switching device (7) to an on-board electrical system (2) of the motor vehicle (1), - A component connection (14) for connecting the component (3) to the switching device (7), the component connection (14) being coupled to the on-board power supply connection (13) via two switching stage units (8, 9) and each switching stage unit (8, 9) a semiconductor switch (19) for switching a supply current (I) of the component (3) flowing between the component connection (14) and the on-board power supply connection (13), the two switching stage units (8, 9) between the component connection (14) and the on-board power supply connection (13) are connected in parallel and a control unit (10) is provided which is designed to generate an independent control signal (S1, S2) for each of the switching stage units (8, 9) and, when a control signal (S1, S2) is generated, to determine a resulting change in the supply current (I) at a diagnostic measuring point (17) and to check the functionality of the switching stage units and for this purpose, after changing one of the control signals (S1, S2) or both control signals (S1, S2), to detect the change in the supply current (I) and for a defect in the switching stage unit controlled by means of the control signal (S1, S2) (8,9) to infer if a predetermined or expected change in current intensity does not occur, and if one of the semiconductor switches (19) of the switching stage units (8, 9) is damaged in such a way that the damaged semiconductor switch (19) remains permanently in a blocking state, the remaining switching stage unit (8, 9) continues to draw the supply current (I) from the Lead electrical system (2) to the component (3).

Switching device (7) after Claim 1 , each switching stage unit (8, 9) each having a line protection circuit (20) which is designed to determine a measurement signal (M) correlated with a current strength of the supply current (I) at a measurement point (21) and as a function of the measurement signal (M) to switch the respective switching stage unit (8, 9) into a blocking state.

Switching device (7) after Claim 1 or 2 , wherein the control unit (10) has a receiving device for receiving a status signal (Z) from the component (3) and is designed to determine the resulting change in the supply current (I) also on the basis of the status signal (Z).

Switching device (7) according to one of the preceding claims, wherein the component connection (14) and the on-board power supply connection (13) are connected to one another independently of the switching stage units (8, 9) via a protective circuit (12) and the protective circuit (12) is designed to to electrically connect the component connection (14) and the vehicle electrical system connection (13) to one another if a predetermined overvoltage drops between them.

Switching device (7) according to one of the preceding claims, wherein the two switching stage units (8, 0) are connected to the component connection (14) and / or the vehicle electrical system connection (13) via a respective polarity reversal protection circuit (11).

Switching device (7) according to one of the preceding claims, both switching stage units (8, 9) having semiconductor switches (19) of different designs.

Motor vehicle (1) with an on-board network (2) for providing a direct voltage and a respective supply current (I) for at least one electrical component (3), in particular at least one control device, of the motor vehicle (1), characterized in that the at least one component ( 3) is connected to the on-board network via a respective switching device (7) according to one of the preceding claims.