DE102015200124A1

DE102015200124A1 - Verfahren zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE102015200124A1
Application number: DE102015200124.5A
Authority: DE
Inventors: Anthony Chevret; Christian Bohne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-07-14
Also published as: CN107207000A; WO2016110353A1; EP3243256A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers (100) in einem Bordnetz und ein solches Bordnetz vorgestellt. Dabei ist vorgesehen, den Verbraucher (100) aus mehreren Teilnetzen des Bordnetzes zu versorgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen mindestens eines redundanten Verbrauchers in einem Bordnetz, insbesondere einem Bordnetz in einem Kraftfahrzeug, und ein solches Bordnetz.
Stand der Technik
Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden.
Unter einem hochautomatischen Fahren, das auch als hochautomatisiertes Fahren bezeichnet wird, ist ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, zu verstehen. Bei diesem verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher im Kraftfahrzeug nicht gekannte Sicherheitsrelevanz.
Das heutige konventionelle 14 V-Bordnetz mit nur einem Generator und nur einer Batterie kann die erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit der elektrischen Versorgung nicht mehr in ausreichendem Maße erfüllen. Als Beispiel wird hier das Segeln mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor erwähnt. Während der Segelphase steht der Generator als Energieerzeuger nicht mehr zur Verfügung. Der Ausfall der Batterie in der Segelphase führt daher zum Ausfall der gesamten elektrischen Versorgung im Kraftfahrzeug. Aus diesem Grund werden aktuell 14 V-Bordnetze mit zwei Batterien, sogenannte 2-Batterienbordnetze, bei Automobilherstellern und Zulieferern für Segeln diskutiert.
Es sind Bordnetztopologien für erhöhte Zuverlässigkeit auf Basis eines 14 V-Bordnetzes bekannt, bei denen skalierbare und modulare Bordnetz-Topologien zur Versorgung von sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern realisiert werden. Bei diesen werden die Verbraucher in Verbrauchergruppen mit unterschiedlicher Sicherheitsrelevanz eingeteilt, wobei grundsätzlich eine zweikanalige elektrische Versorgung für redundante, sicherheitsrelevante Verbraucher und eine fehlertolerante Versorgung für einfach vorhandene sicherheitsrelevante Verbraucher vorgesehen sind.
Neben der Weiterentwicklung des 14 V-Bordnetzes wird von Automobilherstellern die Einführung des 48 V/14 V-Bordnetzes geplant. Dieses 48 V/14 V-Bordnetz dient neben der Versorgung von Hochleistungsverbrauchern als Einstiegs-Hybridisierung.
In der Druckschrift DE 198 55 245 B4 ist eine redundante Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz beschrieben. Dabei werden vorhandene Verbraucher redundant aus zwei Teilbordnetzen mit unterschiedlicher Spannung versorgt, wozu eine Versorgung aus zwei getrennten Spannungszweigen vorgesehen ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 010 713 B4 ist ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit zumindest einem sicherheitsrelevanten Verbraucher bekannt. Hierbei wird ein einfach vorhandener sicherheitsrelevanter Verbraucher redundant aus zwei Teilnetzen, einem Primärnetz und einem Sekundärnetz, versorgt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bordnetz gemäß Anspruch 5 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine oder mehrere Spannungslagen, wie bspw. 12 V oder 48 V. Dabei sind mehrfache, galvanisch getrennte Massen für die einzelnen Teilnetze vorgesehen, auch wenn diese die gleiche Spannungslage haben oder auch wenn die Spannungslagen verschieden sind. Weiterhin kann eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen den Teilnetzen vorgesehen sein.
Das vorgestellte Verfahren und das beschriebene Bordnetz haben, zumindest in einigen der Ausführungsformen, eine Reihe von Vorteilen. So können sicherheitsrelevante Teilnetze unabhängig voneinander ausgeführt werden. Weiterhin beeinflussen elektrische Fehler in einem Teilnetz nicht ein anderes sicherheitsrelevantes Teilnetz. Damit können bspw. Fahrzeuge mit automatischen Fahrfunktionen auch im Fall eines Bordnetzfehlers den sicheren Zustand erreichen, indem die elektrische Versorgung für die notwendigen Komponenten aufrechterhalten wird, die hierfür benötigt werden. Weiterhin können mit dem vorgestellten Bordnetz Verbraucher, die mehrere Spannungsebenen, z. B. 14 V und 48 V benötigen und intern galvanisch getrennt sind, versorgt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführung eines Bordnetzes nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bordnetzes nach dem Stand der Technik.
3 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbraucher, der intern redundant aufgebaut ist und eine redundante elektrische Versorgung benötigt.
4 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung eines Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung eines Verbrauchers aus zwei Teilnetzen und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen.
5 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung mehrerer Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung mehrerer Verbraucher aus drei Teilnetzen und Anschluss an drei galvanisch getrennte Masseleitungen.
6 zeigt eine weitere Ausführung einer Anordnung zur Versorgung mehrerer Verbraucher mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung mehrerer Verbraucher aus drei Teilnetzen und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen.
7 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung eines Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung eines Verbrauchers aus zwei Teilnetzen mit je einer Quelle und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine erste Ausbaustufe zur zuverlässigen Versorgung von elektrischen Verbrauchern. Die Darstellung zeigt ein Bordnetz 10 mit einem Basisbordnetz 12, einem ersten Teilnetz 14 und einem zweiten Teilnetz 16. Das Basisbordnetz 12 umfasst einen Starter S 20, einen Generator G 22, eine Batterie B_B 24 sowie eine Verbrauchergruppe R₃ 26 mit nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern.
In dem ersten Teilnetz 14 sind ein erster Schalter S_F1 30, ein zweiter Schalter S_F2 32, ein dritter Schalter S_F3 34, ein Verbraucher R₂ 36, eine Batterie B_1a 38 und ein Verbraucher R_1a 40 vorgesehen. In dem zweiten Teilnetz 16 ist ein Verbraucher R_1b 44 vorgesehen.
In dem Bordnetz 10 sind verschiedene Arten von sicherheitsrelevanten Verbrauchern vorgesehen. Diese sind in zwei Kategorien unterteilt:

1. Redundante Verbraucher, die zweifach vorhanden sind und die gleiche Funktion übernehmen können, bspw. zwei verschiedene Bremsaktuatoren. Diese redundanten Verbraucher sind mit R_1a 40 und R_1b 44 bezeichnet. Sie werden über die beiden getrennten Bordnetzkanäle versorgt, entweder über die Batterie B_B 24 des Basisbordnetzes, den Generator G 22 des Basisbordnetzes 12 oder die Batterie B_1a 38 des ersten Teilnetzes 14. Alternativ können die Verbraucher R_1a 40 und R_1b 44 auch in einem Bauteil bzw. einem Gehäuse zusammengefasst werden. Dieser Aufbau ist in 3 zu sehen.
2. Weiterhin gibt es Verbraucher, die nur einfach vorhanden sind, aber zuverlässig, d. h. fehlertolerant, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. In 1 ist ein solcher Verbraucher mit R₂ 36 gekennzeichnet. Diese Verbraucher können ebenfalls entweder aus dem Basisbordnetz 12 oder aus der Batterie B_1a 38 des ersten Teilnetzes 14 versorgt werden. Die Umschaltung zwischen den Bordnetzkanälen erfolgt mit Hilfe der beiden Schalter S_F2 32 und S_F3 34.

Im normalen Betrieb sind die Schalter S_F1 30 und S_F3 34 geschlossen und der Schalter S_F2 32 ist geöffnet. Die Verbraucher R_1a 40, R_1b 44, R₂ 36 und R₃ 26 werden über das Basisbordnetz 12 versorgt und die Batterie B_1a 38 wird geladen. Im Fehlerfall, bspw. wenn die Spannung im Basisbordnetz 12 zusammenbricht, werden die Schalter S_F1 30 und S_F3 34 geöffnet und S_F2 32 geschlossen und die redundanten bzw. fehlertolerant zu versorgenden Verbrauchern R_1a 40 und R₂ 36 aus der Batterie B_1a 38 versorgt.
2 zeigt eine Ausführung eines fehlertoleranten 48 V/14 V-Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Basisbordnetz 52, einen Bordnetzkanal a 54 und einen Bordnetzkanal b 56. Durch einen Gleichspannungswandler 66 im Basisbordnetz 52 sind ein erstes 14 V-Teilnetz 57 und ein zweites 48 V-Teilnetz 59 gegeben.
Das Basisbordnetz 52 umfasst eine elektrische Maschine 60, eine Batterie B₁ 62, einen Verbraucher R₁ 64, einen Gleichspannungswandler 66, eine Batterie B₂ 68 und einen Verbraucher R₂ 70. Der Bordnetzkanal a 54 umfasst ein Koppelglied K_3a 80, eine Batterie B_3a 82 und einen Verbraucher R_3a 84. Der Bordnetzkanal b 56 weist ein Koppelglied K_3b 90, eine Batterie B_3b 92 und einen Verbraucher R_3b 94 auf. Die Koppelglieder K_3a 80 und K_3b 90 stellen die Verbindung der Bordnetzkanäle a und b zu den Teilnetzen 57 und 59 mit den Spannungen 48 V bzw. 14 V dar.
Die zwei Bordnetzkanäle a 54 und b 56 für sicherheitsrelevante, redundante Verbraucher werden jeweils sowohl an das 14 V-Teilnetz 57 als auch an das 48 V-Teilnetz 59 angekoppelt. Dadurch ist eine im Sinne der Sicherheitstechnik diversitäre Energieversorgung dieser Kanäle sichergestellt. Beim Ausfall eines Teilnetzes, d. h. des 48 V- oder des 14 V-Teilnetzes, wird zumindest noch ein Bordnetzkanal, a oder b, durch das noch funktionsfähige Teilnetz weiter mit Energie versorgt. Die leistungselektronischen Koppelglieder K_3a 80 und K_3b 90 können beispielsweise als Gleichspannungswandler oder Schalter realisiert werden.
Tritt bspw. eine Störung in einem Teilnetz auf, z. B. eine Überspannung, so wird der zugeordnete Bordnetzkanal a 54 oder b 56 mittels des Koppelglieds K_3a 80 bzw. K_3b 90 vom jeweiligen Teilnetz getrennt.
Bislang liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Bordnetzen darauf, die Versorgungsleitung redundant auszulegen, um zwei unabhängige Versorgungen zu realisieren. Hintergrund ist die Anforderung der ISO 26262 nach ausreichend unabhängigen Architekturelementen.
Zu beachten ist jedoch, dass ein Stromkreis nur geschlossen ist, wenn die Ladungsträger wieder zur Stromquelle zurückfließen können. Daher muss neben der Plusleitung auch die Masseleitung ausreichend unabhängig sein. Dies wurde bislang nicht berücksichtigt.
Das hierin beschriebene Verfahren und das erläuterte Bordnetz sind daher darauf ausgerichtet, auch die Masseleitungen der sicherheitsrelevanten Teilnetze entsprechend unabhängig zu gestalten.
Hier stellt sich jedoch das Problem, dass bei den heutigen Fahrzeugen, bei denen die Karosserie überwiegend aus Metall besteht, diese grundsätzlich als Masseleiter genutzt wird. Dies bedeutet, dass alle elektrischen Verbraucher lediglich mit der Plusleitung an das elektrische Bordnetz angeschlossen werden müssen. Die Masseleitung zurück zum Generator oder zur Batterie wird eingespart, indem lediglich eine kurze Masseleitung zur nächstgelegenen Karosseriestelle gelegt wird.
Die ist prinzipiell auch bei 2-Spannungsbordnetzen möglich. Bei diesen ist eine gemeinsame Masse definiert, die über räumlich getrennte Massebolzenanschlüsse verbunden ist. In dieser gemeinsamen Masse zwischen den Teilnetzen können sich Fehler von einem Teilnetz in ein anderes fortpflanzen. Außerdem können sich Sicherungen von Komponenten in Fehlerfällen zu spät oder gar nicht auslösen oder Kurzschlüsse direkt zwischen Versorgung und Masse auftreten. Lediglich bei Hochvoltbordnetzen im Fahrzeug existieren bereits 2-Leiterbordnetz, d. h. das Hochvoltbordnetz ist galvanisch vom Niederbordnetz getrennt, da im Hochvoltbordnetz Spannungen > 60 DC bzw. Wechselspannungen > U_eff > 30 Volt auftreten.
Die vorgestellte Erfindung zeigt nunmehr, wie auch die Masseleitung der einzelnen Teilnetze, die Niederspannungsnetze sind, hinreichend unabhängig realisiert werden kann, um Fehler wie Masseversatz oder Kurzschlüsse nach Masse nicht von einem sicherheitsrelevanten Teilnetz auf das andere übertragen zu lassen. Hierzu wird ein Ansatz für ein Bordnetz mit einer oder mehr als einer Spannungslage, z. B. 12 V + 48 V, vorgestellt.
Es werden mehrfach vorhandene, galvanisch getrennte Massen für die einzelnen Teilnetze eingeführt, auch wenn diese die gleiche Spannungslage haben oder die Spannungslagen verschieden sind. Weiterhin kann eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen den Teilnetzen vorgesehen sein.
Mit dem vorgestellten Bordnetz können Verbraucher, die mehrere Spannungsebenen, z. B. 14 V und 48 V benötigen und intern galvanisch getrennt sind, versorgt werden.
Ein Beispiel für einen sicherheitsrelevanten redundanten Verbraucher ist vereinfacht in 3 zu sehen, welcher mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Bei diesem sind alle Elemente inklusive Energieversorgung und Kommunikation gedoppelt. Dies bedeutet, dass bei Ausfall eines Kanals der andere Kanal alleine den sicheren Betrieb gewährleisten kann.
Die Darstellung zeigt eine erste Signalelektronik 102, eine zweite Signalelektronik 104, einen ersten Hauptcontroller 106, einen zweiten Hauptcontroller 108, eine erste Endstufe 110, eine zweite Endstufe 112, einen ersten Motor 114 und einen zweiten Motor 116. Weiterhin sind mit Doppelpfeilen eine erste Kommunikation 118, eine zweite Kommunikation 120 sowie eine interne Kommunikation 122 verdeutlicht. Pfeile zeigen einen ersten Anschluss 124 an einen ersten Bordnetzpfad und einen zweiten Anschluss 126 an einen zweiten Bordnetzpfad. In der Darstellung sind Komponenten eines Steuergeräts 130 und eines Motors 132 mit Umrandungen gekennzeichnet.
Der in 3 gezeigte Verbraucher 100 ist bspw. als Lenksystem oder Bremssystem ausgebildet, d. h. der Motor 132 steuert ein sicherheitsrelevantes System. Bei diesem redundant aufgebauten Verbraucher 100 sind sowohl die Signalelektronik 102 bzw. 104, der Hauptcontroller 106 bzw. 108, die Endstufen bzw. Leistungsendstufen 110 bzw. 112 und der Motor 132 doppelt vorhanden. Auch die Anschlüsse 124 bzw. 126 an die Bordnetzpfade und die Kommunikation 118 bzw. 120 sind zweifach vorgesehen. Somit kann bei Ausfall einer Komponente oder eines Bordnetzpfads bzw. Kanals in der einen Hälfte die jeweils andere Hälfte redundant die Funktion übernehmen.
Der Verbraucher 100 besteht intern aus zwei Komponenten bzw. Teilen, einem hier oben dargestellten Teil 140 und einem unten dargestellten Teil 142, die jeder mindestens eine Rückfallebene der Funktion sicherstellen können (erster Motor 114 und zweiter Motor 116). Jeder Teil 140 oder 142 enthält die Logik (Signalelektronik 102 bzw. 104, Hauptcontroller 106 bzw. 108), die Leistung (Endstufe 110 bzw. 112) und einen Aktuator (Motor 114 bzw. 116). Jedes Teil 140 oder 142 hat eine eigene Versorgung (Bordnetz 1 und Bordnetz 2). Beide Versorgungen können verschiedene Spannungsniveaus haben und sind intern galvanisch getrennt. Jeder Teil ist auf einem Netzwerk verbunden (erste Kommunikation 118 und zweite Kommunikation 120). Die interne Kommunikation 122 zwischen den beiden Teilen 140 und 142 ist galvanisch getrennt. Es ist darauf hinzuweisen, dass vorhandene Schmelzsicherungen nicht dargestellt sind.
4 zeigt eine erste Ausführungsform des Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist, mit zwei sicherheitsrelevanten Teilnetzen, nämlich Teilnetz A 202 und Teilnetz C 204.
Die Darstellung zeigt eine Energiequelle Q₁ 202, bspw. einen Generator bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, welche beide Teilnetze 202, 204 versorgt. Das linke Teilnetz A 202 umfasst weiterhin einen elektrischen Speicher S_a 208 und Verbraucher V_1a 210 und V_x 212. Die Elemente des Teilnetzes A 202 sind über eine oben dargestellte Plusleitung A 214 und Masse M_a 216 verbunden.
Das Teilnetz C 204 umfasst einen elektrischen Speicher S_c 220 und Verbrauchern V_1c 222 und V_Z 224. Die Verbraucher werden aus einem Koppelelement K_ac 226 über eine Plusleitung C 228 versorgt und sind über eine gemeinsame Masse M_c 230 verbunden.
V_1a 210 und V_1c 222 sind unterschiedliche Verbraucher, die die gleiche Funktion redundant sicherstellen können. Dies wird typischerweise für sicherheitskritische Funktionen verwendet, z. B. Bremsung beim automatischen Fahren bzw. Bremskraftverstärkung.
Es ist weiterhin ein Verbraucher V_2ac 240 vorgesehen, der über zwei unterschiedlichen Versorgungen, nämlich Plusleitung A 214 und Plusleitung C 228 und die zwei entsprechenden Masse M_a 216 und M_c 230 versorgt wird. Beide Versorgungen sind innerhalb des Verbrauchers V_2ac 240 galvanisch getrennt, wie dies in 3 verdeutlicht ist. Jeder galvanische getrennte Teil innerhalb des Verbrauchers V_2ac 240 erlaubt die Redundanz der gleichen Funktion. Es wird typischerweise für kritische Funktionen verwendet, z. B. für eine Lenkung bzw. Lenkungsunterstützung.
Beide Teilnetze 202 und 204 sind über das Koppelelement K_ac 226 gekoppelt. Das Koppelelement K_ac 226 ist ein galvanisches getrenntes Koppelelement, z. B. ein Gleichspannungswandler.
Die elektrischen Speicher S_a 208 und S_c 220 sind zwei getrennte Energiespeicher, wie bspw. eine Batterie oder ein DLC-Speicher. Das Spannungsniveau der beiden Energiespeicher kann unterschiedlich, z. B. 48 V und 14 V, oder gleich sein. Die elektrischen Speicher S_a 208 und S_c 220 können alternativ als Hochvoltspeicher, z. B. mit 310 V oder 400 V, ausgebildet sein.
Mit der Topologie des dargestellten Bordnetzes 200 können die beiden Teilnetze A 202 und C 204 vollständig unabhängig voneinander gestaltet werden. Dies wird anhand nachfolgender Beispiele erläutert.
Beispiel 1:
Die Energiequelle Q₁ 206 verursacht einen Kurzschluss zwischen der Plusleitung A 214 und der Masse M_a 216. In diesem Fall bricht die Spannung im Teilnetz A 202 zusammen und die Funktion der Verbraucher V_1a 210 und V_X 212 fällt aus. Da der Verbraucher V_1a 210 eine sicherheitsrelevante Funktion, wie bspw. den Aufbau des Bremsdrucks, übernommen hat, muss diese von der redundanten Komponente, dem Verbraucher V_1c 222, ausgeführt werden. In diesem Fall wird das Koppelelement K_ac 226 inaktiv geschaltet. Das Teilnetz C 204, das noch intakt ist, kann damit unabhängig vom Fehler in dem Teilnetz A 202 weiter arbeiten und der elektrische Speicher S_c 220 kann die Verbraucher V_1c 222 und V_Z 224 zumindest zeitbegrenzt versorgen.
Der Verbraucher V_2ac 240 kann in der Rückfallebene betrieben werden, da er immer noch über die Plusleitung C 228 mit elektrischer Energie versorgt wird. Von Bedeutung ist, dass die sicherheitsrelevante Funktion, wie z. B. der Aufbau des Bremsdrucks, trotz des Kurzschlusses in der Energiequelle Q₁ 206 sicher ausgeführt werden kann.
Beispiel 2:
Es kommt zu einem elektrischen Fehler in dem Verbraucher V_Z 224, was zu einem Masseversatz der Masse M_c 230 führt. Dies wird von dem Koppelelement K_ac 226 erkannt und dieses wird inaktiv geschaltet. Dadurch hat der Fehler keinen Einfluss auf das Teilnetz A 202. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher V_1a 210 und V_2ac 240 können weiterhin zuverlässig versorgt werden.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Dieses Bordnetz 300 umfasst ein Teilnetz A 302, ein Teilnetz B 304 und ein Teilnetz C 306.
Das Teilnetz B 304 umfasst einen elektrischen Speicher S_b 310 und Verbraucher V_1b 312 und V_Y 314. Die Elemente des Teilnetzes B 304 sind über eine Plusleitung B 316 und Masse M_b 318 verbunden. Das Teilnetz A 302 umfasst einen elektrischen Speicher S_b 320 und Verbraucher V_1a 322 und V_X 324. Die Elemente des Teilnetzes A 302 sind über eine Plusleitung A 326 und Masse M_a 328 verbunden. Das Teilnetz C 306 umfasst einen elektrischen Speicher S_c 330 und Verbraucher V_1c 332 und V_Z 334. Die Elemente des Teilnetzes C 306 sind über eine Plusleitung C 336 und Masse M_c 338 verbunden. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Koppelelement K_ac 350, ein Koppelelement K_ab 352 und Verbraucher V2ac 354, V3bc 356 und V4ab 358 sowie eine Energiequelle Q1 360.
Der Verbraucher V_1b 312 ist eine Redundanz zu dem Verbraucher V_1a 322 und/oder dem Verbraucher V_1c 332, um eine Funktion zu sicherstellen, wie bspw. eine Bremsung bzw. Bremskraftverstärkung. Der Verbraucher V_3bc 356 bzw. V_4ab 358 ist wie V_2ac 354 ein Verbraucher, der mit zwei unterschiedlichen Versorgungen, nämlich die Plusleitungen B 316 und C 336 bzw. die Plusleitungen A 326 und B 316, und die beiden entsprechenden Massen, nämlich M_b 318 und M_c 338 bzw. M_a 328 und M_b 318 versorgt wird. Beide Versorgungen sind innerhalb des Verbrauchers galvanisch getrennt. Es wird hierzu auf 3 verwiesen. Jeder galvanisch getrennte Teil innerhalb des Verbrauchers gewährleistet die Redundanz der gleichen Funktion. Dies wird typischerweise für kritische Funktionen eingesetzt.
Das Teilnetz B 304 ist mit dem Teilnetz A 302 über das Koppelelement K_ab 352 gekoppelt. Das Koppelelement K_ab 352 ist genauso wie das Koppelelement K_ac 350 ein galvanisches getrenntes Koppelelement, bspw. ein Gleichspannungswandler.
Der elektrische Speicher S_b 310 ist, analog zu S_a und S_c in 4, ein Energiespeicher, z. B. eine Batterie oder ein DLC-Speicher. Das Spannungsniveau dieser Energiespeicher kann weiterhin unterschiedlich sein, z. B. 48 V und 14 V. Da alle Teilnetze voneinander galvanisch getrennt sind, können alternativ einer oder mehrere Speicher als Hochvoltspeicher, z. B. mit 310 V oder 400 V, ausgebildet sein.
Mit der gezeigten Topologie können die Teilnetze A 302, B 304 und C 306 vollkommen unabhängig voneinander gestaltet werden. Alternativ ist ein 3-Spannungsbordnetz möglich, z. B. HV/48 V/14 V, 48 V/14 V/14 V oder 48 V/48 V/14 V.
Unabhängig davon können Verbraucher mit zwei Versorgungen, d. h. V_3bc 356, V_4ab 358 und V_2ae 354 verschiedene oder gleiche Spannungslagen bzw. Spannungsniveaus als Versorgungen verwenden.
Die Funktionsweise ist entsprechend den Beispielen 1 und 2 der 4. Zusätzlich zu dem vorstehend gemachten Ausführungen kann das Teilnetz B im Fehlerfall weiter funktionieren und die Verbraucher V_1b 312, V_Y 314, V_3bc 356 und V_4ab 358 weiterhin zumindest zeitbegrenzt versorgen.
In 6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Bordnetzes 400. Dieses Bordnetz 400 umfasst ein Teilnetz A 402, ein Teilnetz B 404 und ein Teilnetz C 406.
Das Teilnetz B 404 umfasst einen elektrischen Speicher S_b 410 und Verbraucher V_1b 412 und V_Y 414. Die Elemente des Teilnetzes B 404 sind über eine Plusleitung B 416 und Masse M_b 418 verbunden. Das Teilnetz A 402 umfasst einen elektrischen Speicher S_b 420 und Verbraucher V_1a 422 und V_X 424. Die Elemente des Teilnetzes A 402 sind über eine Plusleitung A 426 und Masse M_a 428 verbunden. Das Teilnetz C 406 umfasst einen elektrischen Speicher S_c 430 und Verbraucher V_1c 432 und V_Z 434. Die Elemente des Teilnetzes C 406 sind über eine Plusleitung C 436 und Masse M_c 438 verbunden. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Koppelelement Kac 450, ein Koppelelement 452 und Verbraucher V2ac 454, V3bc 456 und V4ab 458 sowie eine Energiequelle Q₁ 460.
Das Koppelelement K_ab 452 ist in diesem Fall ein Koppelelement, das nicht galvanisch getrennt ist. Dieses ist bspw. als Gleichspannungswandler, z. B. als Buck/Boost-Wandler, als einfacher Schalter der Versorgungsleitung oder als Doppelschalter von Masse- und Versorgungsleitung oder als eine Kombination aus den genannten Möglichkeiten ausgebildet.
Falls die beiden Massen M_a 428 und M_b 418 immer gekoppelt sind, d. h. es befindet sich kein Schalter in der Masseleitung, kann die Karosserie für beide Massen verwendet werden. Alternativ kann die Masse M_b 418 durch separate Leitungen mit der Masse M_a 428 verbunden werden.
Zu beachten ist, dass mit dieser Topologie das Teilnetz C 406 vollständig unabhängig von den Teilnetzen A 402 und B 404 gestaltet werden kann. Damit stellt dies einen Kompromiss zwischen den Topologien der 4 und 5 dar. Zudem ist ein 3-Spannungsbordnetz im Vollsystem möglich, z. B. HV/48 V/14 V (HV: Hochvolt, typischerweise ~300V oder ~400V nur für Teilnetz C), 48 V/14 V/14 V oder 48 V/48 V/14 V. Jedoch kann es nach einem Fehler kann es sein, dass nur ein Teilnetz zur Verfügung steht.
Beim dem zuvor erörterten Beispiel 1, bei dem der Generator einen Kurzschluss zwischen der Plusleitung A und der Masse M_a verursacht, sind zwei alternative Szenarien möglich:

1. Das Koppelelement K_ab 452 erkennt ausreichend früh den Fehler und entkoppelt die beiden Teilnetze A 402 und B 404 so schnell, dass sich der Fehler nicht in das Teilnetz B 404 ausgebreitet. In diesem Fall kann das Teilnetz B 404 zumindest zeitbegrenzt weiterhin die Verbraucher V_1b 412, V_Y 414, V_3bc 456 und V_4ab 458 versorgen.
2. Das Koppelelement K_ab 452 erkennt nicht oder nicht ausreichend schnell den Fehler bzw. das Koppelelement K_ab 452 entkoppelt nicht ausreichend schnell die beiden Teilnetze A 402 und B 404, oder das Koppelement K_ab 452 kann nicht die Teilnetze A 402 und B 404 entkoppeln, da z. B. kein Schalter auf der Masseleitung ist. In diesem Fall bleibt nur das Teilnetz C 406 zur Verfügung und es können nur die Verbraucher V_1c 432, V_Z 434 V_2ac 454 und V_3bc 456 weiterversorgt werden.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 500 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Teilnetz A 502 und ein Teilnetz C 504.
Das Teilnetz A 502 umfasst eine Energiequelle Q₁ 510, einen elektrischen Speicher S_a 512 und Verbraucher V_1a 514 und V_x 516. Weiterhin sind eine Plusleitung A 518 und Masse M_a 520 vorgesehen. Das Teilnetz B 504 umfasst eine Energiequelle Q₂ 530, einen elektrischen Speicher S_c 532 und Verbraucher V_1c 534 und V_Z 536. Weiterhin sind eine Plusleitung C 538 und Masse M_c 540 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung ein Koppelelement K_ac 550 und einen Verbraucher V_2ac 552
Die Energiequellen Q₁ 510 und Q₂ 530 versorgen jeweils unabhängig ein Teilnetz, wobei die Energiequelle Q₂ 530 das Teilnetz C 504 versorgt und die Energiequelle Q₁ 510 das Teilnetz A 502 versorgt.
Die Energiequellen Q₁ 510 und Q₂ 530 können jeweils als ein Generator, z. B. bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, eine E-Maschine bzw. Aktuatoren zur Rekuperation, z. B. Wankstabilisierung mit Energierückgewinnung, oder als ein HV-12 V-Wandler, z. B. bei einem E-Fahrzeug, ausgebildet sein.
Das Koppelelement K_ac 550 ist, wie bei den voranstehend erläuterten Ausführungsformen, ein galvanisches getrenntes Koppelelement, z. B. ein Gleichspannungswandler. In diesem Fall ermöglicht das Koppelement K_ac 550 den Energietransfer zwischen den Teilnetzen A 502 und C 504. Es ist außerdem eine weitere, ähnliche Topologie denkbar, bei der diese Kopplung entfällt, da jedes Teilnetz über einen eigenen Energiespeicher verfügt.
Der Verbraucher V_2ac 552 ist, wie vorstehend bereits dargelegt wurde, ein Verbraucher, der mit zwei unterschiedlichen Versorgungen, nämlich die Plusleitung A 518 und die Plusleitung C 538, und über die zwei entsprechenden Masse, nämlich M_a 520 und M_c 540, versorgt wird.
Die Verbraucher V_1a 514 und V_1c 534 sind unterschiedliche Verbraucher, die die gleiche Funktion redundant sicherstellen können. Ein solcher Aufbau wird typischerweise für sicherheitskritische Funktionen verwendet, z. B. für eine Bremsung bzw. Bremskraftverstärkung.
Ohne Koppelelement, wie z. B. das Koppelelement K_ac 550, und ohne Verbraucher mit redundanten Versorgungen, wie bspw. der Verbraucher V_2ac 552, entsteht eine Topologie mit zwei Teilnetzen ohne energetische Verbindung. Die Redundanz der Funktionen kann weiterhin durch die Verbraucher V_1a 514 und V_1c 534 sichergestellt werden.
Mit dieser Topologie können die Teilnetze A 502 und C 504 vollkommen unabhängig voneinander gestaltet werden. Ein 2-Spannungsbordnetz ist ebenfalls möglich. Da jedes Teilnetz seine eigene Quelle hat, können Verbraucher nach einem Fehler langer versorgt werden.
Es sind weiterhin auch Kombinationen aus den vorstehend genannten Topologie denkbar, bspw. durch die Ergänzung der 4, 5, 6 und 7 mit zusätzlichen Koppelelementen, Quellen, Energiespeichern etc., die parallel oder in Serie zu den abgebildeten Teilnetze verbunden werden könnten. Mehrfache Teilnetze, Masseleitungen, Spannungsniveau sowie Verbraucher mit mehrfachen Versorgungen sind daher möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19855245 B4 [0008]
DE 102006010713 B4 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0031]

Claims

Verfahren zum Versorgen mindestens eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552), der in einem Bordnetz (200, 300, 400, 500) angeordnet ist, wobei das Bordnetz (200, 300, 400, 500) mehrere Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) umfasst, die galvanisch voneinander getrennt sind, wobei die Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) mit voneinander getrennten Massen (216, 230, 318, 328, 338, 418, 428, 438, 520, 540) ausgestattet sind, wobei wenigstens einer des mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbrauchers (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) aus mehreren der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei Auftreten eines Fehlers in einem der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) dieses von mindestens einem der weiteren Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) entkoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der redundante Verbraucher (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) mindestens zwei redundante Komponenten (140, 142) umfasst, die unterschiedlichen Teilnetzen (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet sind, wobei bei Ausfall eines der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) die Komponente (140, 142) betrieben wird, die einem intakten Teilnetz (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das in einem Bordnetz (200, 300, 400, 500) eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Bordnetz, das mehrere Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504), die galvanisch voneinander getrennt sind, umfasst, wobei in dem Bordnetz (200, 300, 400, 500) mindestens ein sicherheitsrelevanter Verbraucher (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) angeordnet ist, wobei die Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) mit voneinander getrennten Massen (216, 230, 318, 328, 338, 418, 428, 438, 520, 540) ausgestattet sind, wobei das Bordnetz (200, 300, 400, 500) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen des mindestens einen sicherheitsrelevanter Verbrauchers (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) aus mehreren der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zu versorgen.
Bordnetz nach Anspruch 5, bei dem mindestens zwei der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) unterschiedliche Spannungslagen haben.
Bordnetz nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zwischen mindestens zwei der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) eine galvanisch getrennte Kopplung vorgesehen ist.
Bordnetz einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der sicherheitsrelevante Verbraucher (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) mindestens zwei redundante Komponenten (140, 142) umfasst, die unterschiedlichen Teilnetzen (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet sind, wobei bei Ausfall eines der Teilnetzes (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) die Komponente (140, 142) zu betreiben ist, die einem intakten Teilnetz (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet ist.