DE102015111881B4

DE102015111881B4 - Bordnetzarchitektur für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102015111881B4
Application number: DE102015111881.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Alfred Grom; Konrad Hanakam
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: CN206528431U; DE102015111881A1

Abstract

Bordnetzarchitektur für Fahrzeuge mit
einer Batterie (1),
einem Starter (S), der über eine Starterleitung (2) mit einem Pluspol (11) der Batterie (1) verbunden ist und zum Starten eines Motors des Fahrzeuges während eines Startvorgangs eingerichtet ist,
einem Hauptstromverteiler (3), der über eine Hauptstromverteilerleitung (10) mit dem Pluspol (11) der Batterie (1) verbunden ist, und
einem Motorstromverteiler (8),
dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstromverteiler (8) über eine erste Motorstromverteilerleitung (14) mit der Starterleitung (2) und über eine zweite Motorstromverteilerleitung (13) mit dem Hauptstromverteiler (3) verbunden ist, wobei zwischen den Motorstromverteilerleitungen (13, 14) und an dem Motorstromverteiler angeschlossenen Lasten (19) eine Stromweiche (15) angeordnet ist, die so eingerichtet ist,
dass der Motorstromverteiler (8) über die erste Motorstromverteilerleitung (14) und die Starterleitung (2) direkt mit Strom aus der Batterie (11) und während des Startvorgangs über die zweite Motorstromverteilerleitung (13) vorübergehend mit Strom aus dem Hauptstromverteiler (3) versorgt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bordnetzarchitektur für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung dabei die Stromversorgung von im Motorraum angeordneten Komponenten (Lasten), wie beispielsweise der Zündung, der Wasserpumpe, der Ventilsteuerung bzw. -regelungen, den Startrelais sowie weiteren Sensoren und Aktuatoren.
Die DE 10 2013 013 371 A1 offenbart ein Bordnetz, bei dem in einer Vorstartphase ein Schalterelement geschlossen ist, um einen Stützkondensator vollständig zu laden. Das Schalterelement ist geschlossen damit a) ein Generator, der bereits in einer ersten Startphase Strom liefert, diesen Strom an einen Starter liefern kann und b) Strom von dem Stützkondensator den Starter mit Energie versorgen kann. Schließlich werden in einer zweiten Startphase eine Starterleitung und eine Generatorleitung durch ein weiteres Schalterelement parallel geschaltet.
Eine vergleichbare Offenbarung findet sich auch in der DE 10 2013 013 369 A1 . Weitere alternative Bordnetzarchitekturen werden in der DE 10 2012 219 560 A1 , der DE 39 30 153 A1 , der US 7,235,898 B1 , der EP 1 729 392 A2 oder der DE 199 13 131 A1 offenbart.
Eine noch weitere bekannte Bordnetzarchitektur ist in 1 dargestellt. Dort ist eine Fahrzeugbatterie 1, die regelmäßig im Heck, zum Beispiel im Kofferraum, des Fahrzeugs angeordnet ist, über eine Starterleitung 2 mit dem Starter S und dem Generator G verbunden. Des Weiteren besteht eine Verbindung der Fahrzeugbatterie 1 mit einem Hauptstromverteiler 3, der meist ebenso im Heck des Fahrzeuges angeordnet ist. An den Hauptstromverteiler 3 sind über eine Leitung 6 ein hinterer Stromverteiler 4 sowie über eine Leitung 7 ein vorderer Stromverteiler 5 angeschlossen. Die Starterleitung 2 und eine Leitung 10 zur Anbindung des Hauptstromverteilers 3 an die Batterie 1 sind mit einem Pluspol 11 der Batterie 1 verbunden. Der Minuspol 12 ist über die Karosserie geerdet. Gleiches gilt für den Starter S und den Generator G. Des Weiteren ist im Motorraum ein Motorstromverteiler 8 angeordnet, der über eine dedizierte Leitung 9 an dem Hauptstromverteiler 3 angeschlossen ist.
Bei der Stromversorgung des Motorstromverteilers muss einerseits eine Unterspannungsproblematik und andererseits eine EMV Problematik beachtet werden. Insbesondere bei Fahrzeugen bei denen die Batterie im Heck des Fahrzeugs angeordnet ist, fällt die Spannung im Startmoment, d.h. beim Startvorgang, am Starter und somit am Fremdstartstützpunkt stark ab (Startspannungsabfall). Dieser Startspannungsabfall ist deshalb besonders groß, weil über die Starterleitung mit dem hohen Starterstrom eine hohe Spannung abfällt. Damit dieser Startspannungsabfall nicht zu einem Spannungsabfall im Motorstromverteiler führt, ist die dedizierte Leitung 9 vorgesehen, die den Motorstromverteiler mit dem Hauptbordnetz, dem Hauptstromverteiler 3 verbindet, so dass die Stromversorgung des Motorstromverteilers 8 bzw. der daran angeschlossenen Lasten 19 über den Hauptstromverteiler 3 unabhängig von eine Spannungsabfall beim Startvorgang erfolgt.
Bei einigen der an den Motorstromverteiler angeschlossenen Lasten, z.B. der Zündung und der Ventilsteuerung bzw. - regelung handelt es sich um „schmutzige“ Verbraucher, die große leistungsgebundene Störungen ins Bordnetz einbringen können. Um diese Rückwirkung zu verringern ist wiederum die dedizierte Leitung 9 vorgesehen, die den Motorstromverteiler 8 nicht mit dem vorderen Stromverteiler 5, sondern direkt mit dem Hauptstromverteiler 3 im Heck verbindet.
Für die Versorgung der Motorfunktionen wie Zündung, Ventilregelung, Wasserpumpe, Starterrelais sowie weitere Sensoren und Aktuatoren wird zur Kompensation oder Behebung der obigen Problematik die erwähnte dedizierte Leitung 9 vorgesehen. Die dedizierte Leitung 9 verursacht allerdings Mehrkosten und hat ein zusätzliches Gewicht von ca. 400g bis 500g.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Bordnetzarchitektur der eingangs genannten Art bereitzustellen, die kostengünstiger ist, Gewicht einspart und dennoch die Unterspannungs- sowie EMV-Problematik kompensiert oder behebt.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Figuren genannt.
Gemäß einem Aspekt ist der Motorstromverteiler über die Starterleitung die gleichzeitig Generatorleitung sein kann versorgt. Das Einbringen von Störungen in diese Leitung ist nicht problematisch, da die Störungen auf dem Weg über die Batterie abklingen und nicht mehr im Hauptbordnetz (Hauptstromverteiler) ankommen, wodurch zumindest eine vergleichbare Wirkung wie bei der dedizierten Leitung erzielt wird. Die Starterleitung ist dabei in der Lage die Last des Motorstromverteilers ohne weiteres zu tragen. Um die Unterspannungsproblematik zu vermeiden wird der Motorstromverteiler kurzzeitig im Startmoment über den vorderen Stromverteiler aus dem Hauptbordnetz (Hauptstromverteiler) versorgt. Das kurzzeitige kommutieren von der Starterleitung auf das Hauptbordnetz erfolgt durch eine Stromweiche im (elektronischen) Motorstromverteiler.
Gemäß einem Aspekt wird folglich eine Bordnetzarchitektur für Fahrzeuge mit einer Batterie und einem Starter vorgeschlagen. Der Starter kann auch als Anlasser bezeichnet werden. Der Starter ist über eine Starterleitung mit einem Pluspol der Batterie verbunden und dient während eines Startvorgang zum Starten eines Motors des Fahrzeugs. Darüber hinaus ist ein Hauptstromverteiler vorgesehen. Der Hauptstromverteiler bildet das Hauptbordnetz des Fahrzeugs und ist über eine Hauptstromverteilerleitung mit dem Pluspol der Batterie verbunden. Des Weiteren ist ein Motorstromverteiler vorgesehen, der der Stromversorgung von Komponenten des Fahrzeugs im Motorraum dient. Anders als in Bezug auf den Stand der Technik oben erläutert wird der Motorstromverteiler primär über die Starterleitung mit Strom versorgt und lediglich hilfsweise während des Startvorgangs aus dem Hauptstromverteiler. Hierfür ist der Motorstromverteiler mit der Starterleitung und über eine Motorstromverteilerleitung mit dem Hauptstromverteiler verbunden. Letzteres kann sich in einer direkten Verbindung des Motorstromverteilers über die Motorstromverteilerleitung mit dem Hauptstromverteiler realisieren oder indirekt über eine Verbindung des Motorstromverteilers mit einem vordere Stromverteiler des Fahrzeugs mittels der Motorstromverteilerleitung, wobei der vordere Stromverteiler wiederum mit dem Hauptstromverteiler verbunden ist. Durch diese Gestaltung ist es möglich den Motorstromverteiler über die Starterleitung direkt mit Strom aus der Batterie und während des Startvorgangs vorübergehend mit Strom aus dem Hauptstromverteiler zu versorgen. Dadurch kann auf die dedizierte Leitung verzichtet werden, wodurch das Gewicht der dedizierten Leitung eingespart werden kann. Da mit der Starterleitung eine bestehende Leitung verwendet wird, sich die Bordnetzarchitektur im Vergleich zum Stand der Technik jedoch um die dedizierte Leitung reduziert, sind auch die Kosten für die vorgeschlagene Bordnetzarchitektur geringer. Hinsichtlich der erwähnten EMV Problematik bietet sich die Starterleitung an, da die Störungen beim Weg über die Batterie abklingen und nicht mehr im Hauptbordnetz, d.h. dem Hauptstromverteiler ankommen. Die in der Starterleitung vorkommende Unterspannungsproblematik beim Startvorgang wird dadurch kompensiert, dass der Motorstromverteiler während des Startvorgangs nicht über die Starterleitung sondern aus dem Hauptbordnetz, d.h. dem Hauptstromverteiler mit Strom versorgt wird.
Um die Stromversorgung des Motorstromverteilers während des Startvorgangs kurzzeitig auf den Hauptstromverteiler zu kommutieren, ist eine Stromweiche vorgesehen, die dem Motorstromverteiler zugeordnet ist. Über diese Stromweiche lässt sich die vorübergehende Versorgung des Motorstromverteilers mit Strom aus dem Hauptstromverteiler steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der Starterleitung und einer an den Motorstromverteiler angeschlossenen Last ein erster Transistor angeschlossen. Ein zweiter Transistor ist zwischen der Motorstromverteilerleitung und der an den Motorstromverteiler angeschlossenen Last angeordnet. Bei den Transistoren handelt es sich bevorzugt um so genannte Mosfets. Diesbezüglich ist jedoch darauf zu verweisen, dass die ursprüngliche Materialbezeichnung von Mosfet hier nicht gemeint ist sondern vielmehr der Aufbau des Gate-Schichtstapels. Die Transistoren sind bevorzugt Teil des Motorstromverteilers, d.h. in dem Motorstromverteiler angeordnet. Durch die Verwendung von Transistoren, insbesondere Mosfets kann auf einfachste Art und Weise die erwähnte Kommutierung beim Startvorgang realisiert werden.
Gemäß einer Varianten sind die Transistoren (Mosfets) so geschaltet, dass sie den Strom leiten (R gegen R_DSON, zum Beispiel 1 mOhm), wenn der Strom in Richtung der Last fließt und sperren, wenn der Strom seine Richtung ändern will (R gegen unendlich). Hierfür ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die eine Richtung in der der Strom fließt bestimmt. Dies kann beispielsweise über eine Spannungsmessung über den Widerstand RDSON der Mosfets erfolgen. Dadurch übernehmen die Mosfets die Funktionen von idealen Dioden. Die Ausgangsspannung zur Last ist dann U_M= max (U_{starterleitung}; U_{Hauptstromverteiler}) . Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Stromweiche autark abhängig von der Richtung in der Strom fließt arbeitet und keine Steuerleitung zu den Transistoren notwendig ist. Des Weiteren werden die Lasten redundant über zwei Pfade versorgt und dadurch eine erhöhte Verfügbarkeit realisiert. Diese Schaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Bordnetzarchitektur ferner einen Generator (Lichtmaschine) aufweist, der über die Starterleitung mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist und im Betrieb die Batterie mit Strom versorgt (lädt). Darüber hinaus treten bei dieser Gestaltung die EMV wirksamen Störungen dann auf, wenn der Motor gestartet ist und der Generator läuft, d.h. in Betrieb ist. Wenn dann der Generator einspeist, weil die Erregung hochgefahren ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Spannungslage des Generators höher ist als die Spannungslage der Batterie und damit des Hauptstromverteilers. Ausgehend von dieser Prämisse wird die Stromweiche dann immer den Strompfad zur Starterleitung durchschalten.
Alternativ kann der Generator jedoch auch über eine separate Generatorleitung mit dem Hauptstromverteiler verbunden sein und im Betrieb den Hauptstromverteiler mit Strom versorgen. In diesem Fall, aber auch in den zuvor genannten Fall, kann es vorteilhaft sein den ersten und zweiten Transistor (Mosfet) über jeweils eine Steuerleitung an einer Klemme anzuschließen. Die Klemme fungiert primär als Schalter (ein/aus). Der Klemme vorgeschaltet ist eine Elektronik bzw. Schaltlogik, die das Ein- und Ausschalten der Klemme unter bestimmten Voraussetzungen steuert. Hierbei ist der erste Transistor bei ausgeschalteter Klemme eingeschaltet, um Strom zu leiten (zur Last), während der zweite Transistor ausgeschaltet ist und der erste Transistor bei eingeschalteter Klemme ausgeschaltet ist, während der zweite Transistor eingeschaltet ist, um Strom zu leiten (zur Last). Die Steuerung der Klemme basiert bei dieser Ausgestaltung auf einem Vergleich der Spannung in der Starterleitung und der Spannung der Motorstromverteilerleitung. Insbesondere wird die Klemme ausgeschaltet, wenn die Spannung in der Starterleitung größer ist als die Spannung in der Motorstromverteilerleitung reduziert um eine vorbestimmten Wert (U_{Starterleitung} > U_{Hauptstromverteiler} - xV). xV kann zum Beispiel 1V sein. Unter dieser Voraussetzung ist der erste Transistor eingeschaltet und eine Versorgung des Motorstromverteilers erfolgt über die Starterleitung. Ansonsten ist die Klemme eingeschaltet. Ist die obige Gleichung nicht erfüllt und damit die Klemme eingeschaltet, ist der zweite Transistor eingeschaltet und eine Versorgung des Motorstromverteilers erfolgt aus dem Hauptstromverteiler, d.h. über die Motorstromverteilerleitung.
Im normalen Fahrbetrieb erfolgt die Versorgung der an dem Motorstromverteiler angeschlossenen Last also über die Starterleitung. Allerdings kann der zweite Transistor nur in eine Richtung sperren (Source nach Drain). In Richtung vom Hauptstromverteiler bzw. der Motorstromverteilerleitung zur Last (Drain nach Source) hingegen ist die Substratdiode des zweiten Transistors wirksam. Diese Substratdiode hat in der Regel eine Vorwärtsspannung von 0,8-1 V. Diese Eigenschaft hat einerseits einen positiven Effekt, da Spannungsspitzen des Generators über die Substratdiode des zweiten Transistors über die an den Motorstromverteiler angeschlossene Last gedämpft werden können. Andererseits ist an dem zweiten Transistor dann ein Temperatursensor vorzusehen, denn der Stromfluss bei diesen Spitzen führt zur Umsetzung von Verlusten im Transistor (Strom x 1 V). Erwärmt sich der Transistor zu stark, muss er zu seinem Schutz durchgeschaltet werden, wodurch die Stromweichenfunktion verloren geht.
Um Letzteren entgegenzuwirken kann ein dritter Transistor, insbesondere ein dritter Mosfet zwischen dem zweiten Transistor und der an den Motorstromverteiler angeschlossenen Last in Reihe jedoch mit gegengesetzter Ausrichtung der Substratdiode angeordnet werden. Der dritte Transistor erlaubt den Stromfluss über die Substratdiode des zweiten Transistors zu sperren. Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile. Die Substratdiode des zweiten Transistors kann nach wie vor zur Dämpfung von Generatorspitzen verwendet werden. In diesem Fall ist der dritte Transistor durchgeschaltet, d.h. erlaubt einen Stromfluss in Richtung der Last. Wird die Verlustleistung des zweiten Transistors zu groß, schaltet der dritte Transistor den Pfad ab und verhindert eine Beschädigung des zweiten Transistors. Hierfür ist der dritte Transistor über eine Steuerleitung an einer Klemme angeschlossen, die in Abhängigkeit der Temperatur des zweiten Transistors den dritten Transistor ein bzw. ausschaltet. Mit anderen Worten ist ein Temperatursensor an dem zweiten Transistor insbesondere einer Diode des zweiten Transistors angeordnet und der dritte Transistor ist über eine Steuerleitung an einer weiteren Klemme angeschlossen. Bei eingeschalteter Klemme ist der dritte Transistor ausgeschaltet, wobei die Klemme eingeschaltet ist, wenn eine von dem Temperatursensor erfasste Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Alternativ ist es auch denkbar den Pfad vom Hauptstromverteiler über die Motorstromverteilerleitung zum Motorstromverteiler grundsätzlich zu trennen, wenn die Stromversorgung über die Starterleitung erfolgt (Klemme aus). In diesem Fall, ist der dritte Transistor über eine Steuerleitung an der Klemme angeschlossen und bei ausgeschalteter Klemme eingeschaltet.
Gemäß einer Weiterbildung ist es bevorzugt einer, bevorzugt mehreren und am meisten bevorzugt allen an dem Motorstromverteiler angeschlossenen Lasten der jeweiligen Last zugeordnet ein Transistor (vierter Transistor) insbesondere ein Mosfet vorzuschalten. Dies entspricht einer voll elektronischen Ausführung des Motorstromverteilers. Das Klemmenschalten und Absichern der angeschlossenen Lasten erfolgt nun elektronisch über die vierten Transistoren wodurch sich die Vorteile der elektronischen Absicherung von Leitungen und der elektronischen Klemmenschaltung ergeben. Durch konfigurierbare, angepasste Auslösekennlinien zur Überlast-/Kurzschlussabschaltung können die Querschnitte der Leitungen zu den am Motorstromverteiler angeschlossenen Lasten reduziert werden. Mosfets schalten viel schneller als Relais, wodurch sich grundsätzlich neue Energiemanagement-Funktionen ergeben. Mosfets ermöglichen eine wesentlich größere Anzahl von Schaltzyklen und haben keine Qualitätseinschränkungen bei sehr niedrigen Temperaturen (kein einfrieren, wie bei Relais möglich). Der Vorteil der vorgeschalteten Stromweiche aus dem ersten und zweiten gegebenenfalls dritten Transistor ist, dass diese gleichzeitig als Verpolschutz fungieren und einen Stromfluss bei Verpolung verhindern.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Aspekte umgesetzt werden können, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen. Diese erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt:

1 einen schematischen Schaltplan einer Bordnetzarchitektur aus dem Stand der Technik;
2 einen schematischen Schaltplan einer Bordnetzarchitektur gemäß einem ersten Aspekt;
3 einen schematischen Schaltplan einer Bordnetzarchitektur gemäß einem zweiten Aspekt;
4 eine mögliche Ausgestaltung einer Stromweiche zum Einsatz in der Bordnetzarchitektur aus 2;
5 eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Stromweiche zum Einsatz in der Bordnetzarchitektur aus 2 oder 3;
6 eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Stromweiche zum Einsatz in der Bordnetzarchitektur aus 2 oder 3; und
7 eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Stromweiche zum Einsatz in der Bordnetzarchitektur aus 2 oder 3.

In den verschiedenartigen Darstellungen kennzeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder vergleichbare Elemente und auch eine wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
In 2 ist eine Fahrzeugbatterie 1, die regelmäßig im Heck, zum Beispiel im Kofferraum, des Fahrzeugs angeordnet ist über eine Starterleitung 2 mit dem Starter S und dem Generator G verbunden. Des Weiteren besteht eine Verbindung der Fahrzeugbatterie 1 mit einem Hauptstromverteiler 3, der meist ebenso im Heck des Fahrzeuges angeordnet ist. An den Hauptstromverteiler 3 sind über eine Leitung 6 ein hinterer Stromverteiler 4 sowie über eine Leitung 7 ein vorderer Stromverteiler 5 angeschlossen. Die Starterleitung 2 und eine Leitung 10 zur Anbindung des Hauptstromverteilers 3 an die Batterie 1 sind an einem Pluspol 11 der Batterie 1 angeschlossen. Der Minuspol 12 ist über die Karosserie geerdet. Gleiches gilt für den Starter S und den Generator G. Des Weiteren ist im Motorraum ein Motorstromverteiler 8 angeordnet. Insoweit ist die Bordnetzarchitektur in 2 mit der Bordnetzarchitektur aus dem Stand der Technik wie die 1 dargestellt ist vergleichbar.
Anders als im Stand der Technik ist hier der Motorstromverteiler 8 jedoch über eine Leitung 14 und die Starterleitung 12 direkt am Pluspol 11 der Batterie 1 angeschlossen. Mit anderen Worten verbindet die Leitung 14 die Starterleitung 2 und den Motorstromverteiler 8. Des Weiteren ist der Motorstromverteiler 8 über eine weitere Leitung 13 am vorderen Stromverteiler 5 angeschlossen. Zwischen den Leitungen 13,14 und den an dem Motorstromverteiler 8 angeschlossenen Lasten 19 ist eine Stromweiche 15 angeordnet. Diese setzt sich in einem ersten Beispiel, wie es in 4 dargestellt ist aus einem ersten Transistor (hier einem Mosfet) 18 und einem zweiten Transistor (hier einem Mosfet) 17 zusammen. Die in 4 dargestellte Stromweiche 15 arbeitet autark. Hierfür ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die die Stromrichtung bestimmt, d.h. einen Stromfluss in Richtung der Last 19 oder in einer entgegengesetzten Richtung. Die Transistoren 17,18 sind so geschaltet, dass sie den Strom leiten, wenn der Strom in Richtung der Last 19 fließt und sperren, wenn der Strom seine Richtung ändern will. Dabei kann die Bestimmung der Stromrichtung beispielsweise über eine Spannungsmessung an dem Widerstand RDSON der Transistoren 17,18 realisiert werden. Die beiden Transistoren 17,18 übernehmen somit die Funktion von idealen Dioden und die Ausgangsspannung zu der Last 19 entspricht dann stets der maximalen Spannung der Starterleitung 2 bzw. der Leitung 14 oder der Motorstromverteilerleitung 13, die mit dem vorderen Stromverteiler 5 verbunden ist und damit der Spannung des Hauptstromverteilers 3.
Durch diese Stromweiche 15 kann beispielsweise realisiert werden, dass die Lasten 19 des Motorstromverteilers 8 im Allgemeinen mit Strom aus der Batterie 1 über die Starterleitung 2, die Leitung 14 und den ersten Transistor 18 versorgt werden. Kommt es beim Starten des Fahrzeugs zu einem Spannungsabfall in der Starterleitung 2 ändert sich die Stromflussrichtung und der Transistor 18 wird abgeschaltet, so dass die Stromversorgung der Last 19 des Motorstromverteilers 8 über den Hauptstromverteiler 3, den vorderen Stromverteiler 5, die Leitung 13 und den zweiten Transistor 17 erfolgt.
3 zeigt eine alternative Bordnetzarchitektur die sich von 2 primär dadurch unterscheidet, dass der Generator G nicht in die Batterie 1, sondern in den Hauptstromverteiler 3 und damit ins Hauptbordnetz einspeist. Die Leitung 7 ist folglich eine Generatorleitung, die den Hauptstromverteiler 3 mit dem Generator G verbindet. An diese Leitung 7 ist sowohl der vordere Stromverteiler 5 als auch über die Leitung 13 der Motorstromverteiler 8 angeschlossen. Die Stromweiche in 4 kann bei dieser Ausgestaltung nicht zum Einsatz kommen, da die Stromweiche immer zur Generatorseite kommutieren würde und dann die Störungen der Lasten des Motorstromverteilers im Hauptbordnetz, d.h. dem Hauptstromverteiler 3 anliegen.
Dementsprechend wird eine Stromweiche sie in 5 dargestellt ist als Alternative vorgeschlagen. Diese Stromweiche kann sowohl bei einer Bordnetzarchitektur wie sie in 2 dargestellt ist als auch bei einer Bordnetzarchitektur wie sie in 3 dargestellt ist zum Einsatz kommen.
Anders als in 4 sind die Transistoren 17,18 hier über eine Ansteuerleitung an einer Klemme 20 angeschlossen. Die Klemme 20 entspricht einem Schalter mit den Funktionen ein/aus, der in Abhängigkeit von vorgegebenen Parametern ein- bzw. ausgeschaltet wird. Hierzu ist eine Schaltlogik vorgesehen. Insbesondere wird als Schaltlogik vorgesehen, dass der erste Transistor 18 eingeschaltet bzw. angeschaltet ist, während der zweite Transistor 17 ausgeschaltet ist, wenn die Klemme 20 aus ist. Ist die Klemme 20 an, wird der zweite Transistor 17 eingeschaltet und der erste Transistor 18 ausgeschaltet. Ferner ist die Klemme 20 aus, wenn die Spannung der Starterleitung 2 größer der Spannung aus dem vorderen Stromverteiler 5, d.h. in der Leitung 13 minus einen vorgegebenen Wert, zum Beispiel 1 V, ist. Ansonsten ist die Klemme 20 an.
Im normalen Fahrbetrieb erfolgt die Versorgung der an dem Motorstromverteiler angeschlossenen Last 19 also über die Starterleitung 2. Allerdings kann der zweite Transistor 17 nur in eine Richtung sperren (Source nach Drain). In Richtung vom Hauptstromverteiler 2 bzw. der Motorstromverteilerleitung 13 zur Last 19 (Drain nach Source) hingegen ist die Substratdiode des zweiten Transistors 17 wirksam. Diese Substratdiode hat in der Regel eine Vorwärtsspannung von 0,8-1 V. Diese Eigenschaft hat einerseits einen positiven Effekt, da Spannungsspitzen des Generators G über die Substratdiode des zweiten Transistors 17 über die an den Motorstromverteiler 8 angeschlossene Last 19 gedämpft werden können. Andererseits ist an dem zweiten Transistor 17 dann ein Temperatursensor vorzusehen, denn der Stromfluss bei diesen Spitzen führt zur Umsetzung von Verlusten im Transistor 17 (Strom x 1 V). Erwärmt sich der Transistor 17 zu stark, muss er zu seinem Schutz durchgeschaltet werden, wodurch die Stromweichenfunktion verloren geht.
Um Letzterem entgegenzuwirken kann wie in 6 dargestellt ein dritter Transistor 21, insbesondere ein dritter Mosfet zwischen dem zweiten Transistor 17 und der an den Motorstromverteiler 8 angeschlossenen Last 19 in Reihe jedoch mit gegengesetzter Ausrichtung der Substratdiode angeordnet werden. Der dritte Transistor 21 erlaubt den Stromfluss über die Substratdiode des zweiten Transistors 17 zu sperren. Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile. Die Substratdiode des zweiten Transistors 17 kann nach wie vor zur Dämpfung von Generatorspitzen verwendet werden. In diesem Fall ist der dritte Transistor 21 durchgeschaltet, d.h. erlaubt einen Stromfluss in Richtung der Last 19. Wird die Verlustleistung des zweiten Transistors zu groß, schaltet der dritte Transistor 21 den Pfad ab und verhindert eine Beschädigung des zweiten Transistors 17. Hierfür ist der dritte Transistor 21 über eine Steuerleitung an einer weiteren nicht dargestellten Klemme angeschlossen, die in Abhängigkeit der Temperatur des zweiten Transistors 17 den dritten Transistor 21 ein bzw. ausschaltet. Alternativ ist es auch denkbar den Pfad vom Hauptstromverteiler 3 (hier dem vorderen Stromverteiler 5 oder der Generatorleitung 7) über die Motorstromverteilerleitung 13 zum Motorstromverteiler 8 grundsätzlich zu trennen, wenn die Stromversorgung über die Starterleitung 2 erfolgt (Klemme 20 aus). In diesem Fall, ist der dritte Transistor 21 über eine Steuerleitung an der Klemme 20 angeschlossen und bei ausgeschalteter Klemme eingeschaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wie sie in 7 gezeigt ist, ist allen an dem Motorstromverteiler 8 angeschlossenen Lasten 19 der jeweiligen Last 19 zugeordnet ein Transistor 22 (vierter Transistor) insbesondere ein Mosfet vorgeschaltet. Dies entspricht einer voll elektronischen Ausführung des Motorstromverteilers 8. Das Klemmenschalten und Absichern der angeschlossenen Lasten 19 erfolgt nun elektronisch über die vierten Transistoren 22 wodurch sich die Vorteile der elektronischen Absicherung von Leitungen und der elektronischen Klemmenschaltung ergeben. Durch konfigurierbare, angepasste Auslösekennlinien zur Überlast-/Kurzschlussabschaltung können die Querschnitte der Leitungen zu den am Motorstromverteiler 8 angeschlossenen Lasten 19 reduziert werden. Mosfets schalten viel schneller als Relais, wodurch sich grundsätzlich neue Energiemanagement-Funktionen ergeben. Mosfets ermöglichen eine wesentlich größere Anzahl von Schaltzyklen und haben keine Qualitätseinschränkungen bei sehr niedrigen Temperaturen (kein einfrieren, wie bei Relais möglich). Der Vorteil der vorgeschalteten Stromweiche 15 aus dem ersten 18 und zweiten 17 gegebenenfalls dritten 21 Transistor ist, dass diese gleichzeitig als Verpolschutz fungieren und einen Stromfluss bei Verpolung verhindern.
Es versteht sich das die obigen Ausgestaltungen der Stromweiche in verschiedenartigen Bordnetzarchitektur zum Einsatz kommen können. Zwei solche Bordnetzarchitekturen wurden in 2 und 3 beschrieben, wobei die verschiedenen Stromweichen aus den 4-7 in der Bordnetzarchitektur gemäß 2 und die verschiedenen Stromweichen aus den 5-7 in der Bordnetzarchitektur gemäß 3 zum Einsatz kommen können.

Claims

Bordnetzarchitektur für Fahrzeuge mit einer Batterie (1), einem Starter (S), der über eine Starterleitung (2) mit einem Pluspol (11) der Batterie (1) verbunden ist und zum Starten eines Motors des Fahrzeuges während eines Startvorgangs eingerichtet ist, einem Hauptstromverteiler (3), der über eine Hauptstromverteilerleitung (10) mit dem Pluspol (11) der Batterie (1) verbunden ist, und einem Motorstromverteiler (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstromverteiler (8) über eine erste Motorstromverteilerleitung (14) mit der Starterleitung (2) und über eine zweite Motorstromverteilerleitung (13) mit dem Hauptstromverteiler (3) verbunden ist, wobei zwischen den Motorstromverteilerleitungen (13, 14) und an dem Motorstromverteiler angeschlossenen Lasten (19) eine Stromweiche (15) angeordnet ist, die so eingerichtet ist, dass der Motorstromverteiler (8) über die erste Motorstromverteilerleitung (14) und die Starterleitung (2) direkt mit Strom aus der Batterie (11) und während des Startvorgangs über die zweite Motorstromverteilerleitung (13) vorübergehend mit Strom aus dem Hauptstromverteiler (3) versorgt wird.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1, bei der zwischen der Starterleitung (2) und einer an den Motorstromverteiler (8) angeschlossenen Last (19) ein erster Transistor (18), insbesondere ein erster Mosfet, und zwischen der Motorstromverteilerleitung (13) und der an dem Motorstromverteiler (8) angeschlossenen Last (19) ein zweiter Transistor (17), insbesondere ein zweiter Mosfet angeordnet ist.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 2, bei der eine Ansteuerschaltung vorgesehen ist, die eine Richtung in der der Strom fließt bestimmt, wobei der erste (18) und zweite (17) Transistor so geschaltet sind, dass sie Strom leiten, wenn der Strom in Richtung der an dem Motorstromverteiler (8) angeschlossenen Last (19) fließt und einen Stromfluss sperren, wenn der Strom seine Richtung ändern will.
Bordnetzarchitektur nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Stromweiche (15) autark anhängig von der Richtung in der der Strom fließt arbeitet.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 2, bei der der erste (18) und zweite (17) Transistor über jeweils eine Steuerleitung an einer Klemme (20) angeschlossen sind und der erste Transistor (18) bei ausgeschalteter Klemme (20) eingeschaltet ist, um Strom zu leiten, während der zweite Transistor (17) ausgeschaltet ist, und der erste Transistor (18) bei eingeschalteter Klemme (20) ausgeschaltet ist während der zweite Transistor (17) eingeschaltet ist, um Strom zu leiten, wobei die Klemme (20) ausgeschaltet ist, wenn die Spannung in der Starterleitung (2) größer ist als die Differenz der Spannung in der Motorstromverteilerleitung (13) mit einem vorbestimmten Wert und ansonsten eingeschaltet ist.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 5, bei der ein dritter Transistor (21), insbesondere ein dritter Mosfet, zwischen dem zweiten Transistor (17) und der an dem Motorstromverteiler (8) angeschlossenen Last (19) in Reihe vorgesehen ist.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 6, bei der der dritte Transistor (21) über eine Steuerleitung an der Klemme (20) angeschlossen ist und bei eingeschalter Klemme ausgeschaltet ist.
Bordnetzarchitektur nach Anspruch 6, bei der ein Temperatursensor an dem zweiten Transistor (17), insbesondere einer Diode des zweiten Transistors (17) angeordnet ist und der dritte Transistor (21) über eine Steuerleitung an einer weiteren Klemme angeschlossen ist und bei eingeschalter Klemme ausgeschaltet ist, wobei die Klemme eingeschaltet ist, wenn eine von dem Temperatursensor erfasste Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Bordnetzarchitektur nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der einer, bevorzugt mehreren am meisten bevorzugt allen, an dem Motorstromverteiler (8) angeschlossenen Last/-en (19) der jeweiligen Last (19) zugeordnet ein vierter Transistor (22), insbesondere ein Mosfet, vorgeschaltet ist.
Bordnetzarchitektur nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Generator (G), der über die Starterleitung (2) mit dem Pluspol (11) der Batterie (1) verbunden ist und im Betrieb die Batterie (1) mit Strom versorgt.
Bordnetzarchitektur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend einen Generator (G), der über eine Generatorleitung (7) mit dem Hauptstromverteiler (3) verbunden ist und im Betrieb den Hauptstromverteiler (3) mit Strom versorgt.