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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben des Bordnetzes.
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Hintergrund der Erfindung sind die im Stand der Technik in Fahrzeugen, vorzugsweise PKW's bekannten Bordnetze und Verkabelungslösungen, die allerdings diverse Nachteile aufweisen.
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Bekannt ist in Kraftfahrzeugen beispielsweise die Verwendung einer Kabelanordnung, bei der über Schalterelement, die sich typischerweise im Fahrzeugpult befinden, mit den einzelnen Kabeln verbundene Aktoren geschaltet werden, wobei die Energieversorgung dabei jeweils direkt geschaltet wird.
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Spätere Entwicklungen sehen vor, dass die Energieleitungen von den Steuerleitungen getrennt geführt werden, was in der Konsequenz dazu führt, dass man zu jedem Aktor, Steuergerät oder steuerbare Energieverbraucher jeweils eine gesonderte Energieleitung verlegt oder diese gegebenenfalls alle mit einer gemeinsamen Stromverteilschiene verbunden. Darüber hinaus werden jetzt zu jedem Aktor, Steuergerät oder steuerbare Energieverbraucher noch einzelne Steuerleitungen verlegt, die mit Schaltelementen betätigt werden können. Diese starre Leitungsanordnung führt zu einer Überdimensionierung der Strompfade, da Energieleitungen während den Totzeiten bei denen die daran angeschlossenen Aktoren oder Geräte nicht aktiv sind, die Leitung ungenutzt bleibt.
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Ferner werden eine Vielzahl von entsprechenden elektrischen Schalter, wie z. B. Relais, Halbleiterschalter oder Leistungsschalter benötigt, um die Last aktiv zu schalten.
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Zum Einsparen von Steuerleitungen wurden bereits Fahreugbussysteme eingesetzt. Bei Verwendung von Multiplex- oder Bussystemen wie die Steuerinformationen nicht mehr über jeweils eine gesonderte Signalleitung übertragen, sondern in serieller Form auf einer gemeinsamen Verbindungsleitung, der sogenannten Busleitung.
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Nachteilig ist dabei, dass bei Bussystemen die Anzahl der Lastleitungen weiterhin gleich bleibt und gerade diese Leitungen im Vergleich zu Signalleitungen deutlich mehr zum Fahrzeuggewicht und den Materialkosten aufgrund der höheren Leitungs-Querschnitte beitragen.
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Ein weiteres Problem der bekannten Verkabelungslösungen ist der Umstand, dass jede elektrische Zuleitung auch abgesichert sein muss. Hierzu wurden Lösungen entwickelt, wie zum Beispiel mit entsprechend ausgeführten elektronischen Leistungsschaltern und einer gemeinsamen Energieversorgungsleitung im Bus-Betrieb die elektronische Absicherung implementiert ist. Es ist hierzu eine Energieleitung vorzusehen, die entsprechend stark dimensioniert sein muss. Ferner werden Schaltungsanordnungen benötigt, um die Bordnetztechnik schaltungstechnisch zu betreiben.
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Konventionelle Schaltungsanordnungen dienen in der Regel dazu, eine elektrische Energiequelle, beispielsweise eine elektrische Energieversorgung einer elektrischen Anlage, über die Energieleitung mit elektrischen Verbrauchern zu koppeln, sodass die Verbraucher im gekoppelten Zustand mit ausreichend elektrischer Energie für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb versorgt werden können. Hierfür sind Verbraucher an Leistungsanschlüssen der Schaltungsanordnung angeschlossen. Herkömmliche Schaltungsanordnungen sehen vor, dass jeweils nur ein Verbraucher mit der Energieversorgungsleitung gekoppelt ist, sodass jeweils nur der mit dieser Leitung gekoppelte Verbraucher aktiv ist.
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Bei einem Fahrzeugzug können die Bordnetze und/oder die Beleuchtungsanlagen grundsätzlich miteinander elektrisch gekoppelt sein, so dass die Beleuchtungsanlage Bestandteil des Bordnetzes ist. Ein aktuelles Bordnetz umfasst ferner eine oder mehrere elektrische Energieversorgungseinrichtungen, die bei Fahrzeugen üblicherweise durch einen Generator sowie einen oder mehrere Akkumulatoren gebildet werden.
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Aus der
DE 20 2010 016 339 U1 ist zum Beispiel eine Bordnetztopologie mit einer Schaltungsanordnung für ein Zugfahrzeug und ein Hänger bekannt.
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Aus der
DE 10 2012 200 979 A1 ist eine Lösung mit einer sogenannten Multischienenleitung zur Energieversorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Multischienenleitung umfasst ein erstes Leitungselement, das als Potentialleiter ausgebildet ist und an einem Ende mit einem positiven Anschluss eines Fahrzeugenergiespeichers verbindbar ist; und ein zweites sowie ein drittes Leitungselement, die als Masseleiter ausgebildet sind, wobei mindestens eines derselben mit einem negativen Anschluss des Fahrzeugenergiespeichers verbindbar ist; und wobei das erste Leitungselement zwischen dem zweiten und dem dritten Leitungselement angeordnet ist.
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Mit einem solchen zentralen Energieversorgungskonzept, welches als Backbone zu verstehen ist, führen die Multischienen von einer Fahrzeugbatterie, die bei diesem Konzept typischerweise Hinten im Fahrzeug angeordnet ist durch verschiedene Potentiallagen für Leistungs- und Massepotential.
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Ferner sind im Stand der Technik sogenannte Leistungsringe bekannt, die zwei voneinander beanstandete Energiespeicher, die über eine Ringleitung mit einem angepassten Querschnitt zur Energieübertragung verbunden sind, aufweisen an die Stromverteiler innerhalb des Ringes integriert werden, um weitere Energieverbraucher oder Energiespeicher in das Bornetzsystem einbinden zu können.
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Nachteilig ist bei diesen Lösungen der Umstand der Kabelüberdimensionierung und fehlender Nutzungsmöglichkeiten vorhandener Systemressourcen. Wird z. B eine im hinteren Fahrzeugbereich installierte Batterie zum Motorstart verwendet, so werden je nach Kabelsatz und Architektur z. B. eine oder zwei im Durchmesser entsprechend dimensionierte Leitungen von der Batterie (hinten) zum Starter im Motorraum (vorne) verlegt. Diese vergleichsweise dick ausgelegten Kabel werden aber nur kurz für den Motorstart benötigt und bleiben danach ungenutzt. Gleichzeitig verlaufen eine Vielzahl von parallel verlegten Leitungen im Kabelstrang, um weitere Verbraucher zu versorgen.
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Zusätzlich gibt es eine Redundanzanforderung, so dass die Leitungen meist ohnehin überdimensioniert sind bzw. dass zusätzliche Leitungen für die Redundanz hinzukommen.
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Diese bisher im Kraftfahrzeug verwirklichten Systeme beruhen jedoch alle auf einer starren vordefinierten Verdrahtung. Bei Anpassungsbedarf oder bei Ausstattungsvarianten einer Fahrzeug-Klasse werden im Gegensatz zur festen Standard- oder Grundausrüstung stets neue d. h. ergänzende Kabelbäume oder Kabelsätze verlegt werden müssen. Eine solche Bordnetztopologie hat den Nachteil, dass sie unflexibel ist und für fast jede Variante ein spezieller Kabelsatz benötigt wird. Alternativ gibt es auch Lösungsansätze, bei denen jeweils Änderungen im Kabelsatz bzw. bei der Verlegung von Kabeln vorgenommen werden, um die alternativen Ausstattungen oder Varianten zu realisieren.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte, flexibel anpassbare Bordnetztopologie bereit zu stellen und bei der insbesondere die Anzahl und der Querschnitt der im Bordnetz benötigten Leitungen in Bezug auf ein konkretes Anforderungsniveau reduziert werden kann und gleichzeitig eine flexible Anpassungsmöglichkeit an Änderungen oder eine Anpassung an Ausstattungsvarianten auf einfache Weise möglich ist, ohne zusätzliche Kabel oder Kabelsätze oder andere Schaltungseinrichtungen verlegen bzw. abändern zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 sowie Patentanspruch 12 gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, eine optimierte Leitungsarchitektur zusammen mit Schaltungsanordnungen vorzusehen, um die Leitungen geschickt miteinander zu koppeln, so dass mehrere von einer Fahrzeugzone in eine andere Fahrzeugzone verlaufende, insbesondere parallel verlaufende Kabel nach Funktionsbedarf zu einem Leitungsstrang zusammengeschaltet bzw. gebündelt werden können, so dass man z. B. die Leistungsfähigkeit der einzelnen Leitungen nutzen kann, um so auf Einzelleitungen mit entsprechend höherem Querschnitt verzichten zu können.
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Erfindungsgemäß ist daher ein Bordnetz für Fahrzeuge zur Signal- und Leistungsübertragung vorgesehen, mit einer Anzahl N1 an aktiven und/oder passiven Fahrzeugkomponenten F1, F2, ..., FN1 und wenigstens einer Energieversorgungseinrichtung sowie einem Leitungsnetz aus parallel, ringförmig und/oder netzartig verlegten Leitungen. Die Fahrzeugkomponenten sowie die wenigstens eine, vorzugsweise mehreren Energieversorgungseinrichtungen sind mit dem Leitungsnetz elektrisch verbunden und erfindungsgemäß ist bzw. sind Schaltungsmittel vorgesehen, die derart elektrisch an definierten Netzpunkten im Leitungsnetz eingebettet ist bzw. sind, dass parallel oder seriell getrennt voneinander verlegte Leitungen wenigstens zeitweise zur Herstellung eine bestimmten Bordnetz- oder Energieübertragungsfunktion zu einem Leitungsstrang (LS) zusammengelegt werden können, indem diese so parallel und/oder seriell zusammengeschaltet werden, dass unterschiedliche Leitungskonfigurationen aus jeweils zusammengeschalteten Leitungen und damit unterschiedliche Bordnetzkonfigurationen realisierbar sind.
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In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine oder mehrere der Leitungen abhängig von der jeweiligen Leitungs- und/oder Bordnetzkonfiguration jeweils mit einer oder mehreren der Fahrzeugkomponenten in elektrischer Verbindung zur Energie- und/oder SignalÜbertragung steht.
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Weiter bevorzugt ist es, wenn eine oder mehrere der Leitungen abhängig von der jeweiligen Leitungs- und/oder Bordnetzkonfiguration zumindest zeitweise eine Funktion als Masseleiter und/oder Rückleiter besitzen.
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Die Leitungen stellen insofern flexible Ressourcen im System dar, die bedarfs- und applikationsabhängig eingesetzt werden können. So können nicht nur angeschaltete Lasten, Verbraucher und Energiespeicher oder Energiequellen variabel miteinander kombiniert werden, sondern auch die Funktionen der Einheiten jeweils geändert werden. So kann eine Masseleitung z. B. als Signalleitung verwendet werden. Die Leitungen können erfindungsgemäß für definierte Betriebszustände gebündelt und seriell in Reihe kombiniert zusammengeschaltet werden, was auch das Überbrücken von Komponenten oder einem Stromverteiler einschließt.
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Erfindungsgemäß werden die Querschnitte der Leitungen in dem Bordnetz so gewählt, dass eine Leitungsoptimierung erfolgt, indem die Bedarfe in den Fahrzeugzonen sowie die Anzahl der Funktionen über die Auswahl geeigneter Leitungsquerschnitte und Leitungsverläufe im Fahrzeug so erfolgt, dass eine Material und Gewichtsoptimierung erzielt wird. Die Optimierung berücksichtigt dabei funktionale Anforderungen, wie die Schaltbarkeit von Lasten, die Netzimpedanzen, Anzahl der vorhandenen Energiespeicher sowie die Positionen der Verbraucher und dergleichen.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine über die unterschiedlichen Schaltzustände jeweils herstellbare Bordnetzkonfigurationen des Leitungsnetzes der verlegten Leitungen für einen definierten Bedarfszeitraum realisiert und nach Ablauf dieses Bedarfszeitraumes eine davon abweichende Bordnetzkonfigurationen des Leitungsnetzes realisiert werden kann. So können während des Fahrzeugbetriebes trotz der statischen Anordnung der Leitung, aufgrund der erfindungsgemäßen Idee jedoch eine Vielzahl von Bordnetzkonfigurationen realisiert werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass nur ein Teil der Leitungen zur Zusammenschaltung vorgesehen ist, während ein anderer Teil konventionell genutzt wird.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass eine Vielzahl derjenigen an einer bestimmten Fahrzeugkomponente angeschlossenen Leitungen derart im Bordnetz angeordnet sind, dass diese bestimmungsgemäß sowohl eine Verbindungsfunktion für die unmittelbar angeschlossene Fahrzeugkomponente als auch für eine oder mehrere weitere Fahrzeugkomponenten besitzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erzeugung einer oder mehrere Bordnetzkonfigurationen zur Aktivierung und Deaktivierung der jeweiligen Funktionen der aktiven und/oder passiven Fahrzeugkomponenten derart erfolgt, dass der jeweils für die gerade benötigte Funktion aus Leitungen gebildete Leitungsstrang einen gesamten effektiven Leitungsquerschnitt Dges aufweist, der dem Querschnitt einer Einzelleitung mit vergleichbarem Leitungswiderstand bzw. vergleichbarer Leitungsperformance entspricht.
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In einer ebenfalls weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die aktiven und/oder passiven Fahrzeugkomponenten jeweils einen definierten elektrischen Energiebedarf für den Normalbetrieb und einen elektrischen Energiebedarf im Spitzenlastbereich besitzen und der über die Schaltungsmittel dazu herstellbare effektive Leitungsquerschnitt der Leitungsstränge zwischen den Fahrzeugkomponenten und wenigstens einer Energieversorgungseinrichtung auch für deren Spitzenlastbetrieb flexibel einstellbar ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass gleichzeitig mehrere Energieversorgungseinrichtungen in einen Leitungsstrang additiv zur Versorgung einer oder mehrere Fahrzeugkomponenten eingebunden werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltmittel als schaltbare Sicherungsdosen und/oder als schaltbare Stromverteiler ausgebildet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schaltmittel zur Realisierung der Bordnetzkonfigurationen eine Smart-Bridge ist, die vorzugsweise in eine der passiven Netzkomponenten integriert ist, worauf später noch detaillierter eingegangen wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Smart Bridge selbstregulierend oder über eine Steuerung gesteuert betrieben wird bzw. betrieben werden kann.
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In einer ebenso vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug in mehrere Energiebedarfszonen (Z1, Z2, ..., Zn) eingeteilt ist und ferner eine hierarchische Struktur zwischen den Energiebedarfszonen festgelegt ist, wobei das Leitungsnetz und die Schaltungsmittel angepasst auf diese Hierarchie so ausgelegt sind, dass Leitungsstränge so zusammengelegt werden können, das Energiebedarfszonen in einer höheren Hierarchieebene priorisiert von den Energieversorgungseinrichtung mit Energie versorgt werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines wie zuvor konfigurierten Bordnetzes, wobei mittels der Schaltungsmittel parallel und/oder seriell getrennt voneinander verlegte Leitungen wenigstens zeitweise zur Herstellung einer bestimmten Bordnetz- oder Energieübertragungsfunktion zu einem Leitungsstrang zusammengelegt werden, indem diese so parallel und/oder seriell zusammengeschaltet werden, dass eine definierte Leitungskonfigurationen gebildet wird und damit die bestimmte Bordnetzkonfiguration realisiert wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind insbesondere die folgenden Vorteile verbunden:
- - Es können die heutigen wesentlichen Kerneigenschaften an Anpassbarkeit an den Bauraum, Änderungsflexibilität und endkundenspezifische Fahrzeugausprägung realisiert werden;
- - Anforderungen wie Spitzenlastfähigkeit, Redundanz oder Montagefreundlichkeit sind optimiert;
- - Die etablierten Anordnungen und Verlegewege der Leitungen sowie Hauptverteilwege können beibehalten werden, so dass im Fahrzeug keine bautechnischen Adaptionen notwendig sind;
- - Ein Vorhandensein von verschiedenen Spannungslagen kann konzeptionell und/oder dynamisch flexibel genutzt werden, um dadurch ein Redundanzpotential bereitzustellen;
- - Es ist eine Versorgungsarchitektur mittels eines Bordnetz realisierbar, welche konfektionierbar integrierte und damit nicht in Stromverteilern positionierte Schaltelemente enthält, die einen schaltbaren Stromfluss ermöglichen, um insbesondere eine Energieversorgung von grundlegen oder dynamsich eingeteilten höher priorisierten Energieabnehmenr zu Lasten von niedrig priorisierten Abnehmenr z. B. bei Lastspitzen zu ermöglichen;
- - Es ist eine Versorgungsarchitektur mit einem hohen dynamischen Potential durch mögliche kleine lokale Leistungsspeicher erzielbar, wobei die Leistungsspeicher unter anderem auch insebesondere eine zeitlich limitierte redundante Energiebereitstellung darstellen
- - Mit Vorteil lässt sich eine Bordnetzarchitektur mit zwei Hauptsträngen entlang der längsseitigen Fahrzeugachse räumlich typischerweise im Bereich der Bodenschweller realisieren, wobei die konzeptionelle Trennung im Sinne der vorliegenden Erfindung explizit ausgenutzt wird, in dem in jedem Leitungstrang ein oder mehrere Energie- und/oder Leistungsspeicher integriert sind;
- - Es ist eine Versorgungsarchitektur realisierbar, welche das Prinzip der Aufteilung in Zonen und/oder Hauptstränge mit dem Prinzip der statischen oder dynamischen Hierarchiebildung kombiniert und dadurch eine Art „intelligente Maschenstruktur“ abbildet. Mit dieser Realisierung können statisch oder dynamisch (je nach Ausprägung von richtenden/schaltenden Elemente) Lasten gemäß ihrer akutellen Kritikalität hinsichtlich Energiebedarf versorgt werden. Die Betrachtungsweise in Zonen ermöglicht dabei eine weitere Redundanzebene, die ausgenutzt werden kann;
- - Mit besonderem Vorteil können sogenannte „Smart Bridge Einheiten“ als konfektionierbare Einheiten integriert werden, welche statisch oder dynamisch Energieflüsse steuern. Grundlegend verfügt eine Smart Bridge über mindestens zwei Kontakte, vorzugsweise eine Vielzahl von Kontakten die im statischen Fall als Eingang und Ausgang vorbelegt sind und im dynamischen Fall bzgl. ihres Verhaltens z. B. alternieren können. Einen Aktivierung, Ansteuerung oder Diagnose der Richtungs- bzw. Schaltfunktionalität kann zum Bedarf von weiteren Anschlüssen führen;
- - Es können ferner komplette Modulen durch Zusammenfassung von Lasten nach zu bestimmenden Kriterien, z. B. Kritikalität, Einbauort, Fahrzeugkonfiguration definiert werden. Module können u. a. fahrzeug- und/oder ausstattungsbezogen hinzugefügt oder weggelassen werden, so dass eine gute Anpassbarkeit an Ausstattungsvarianten im Fahrzeug möglich ist. Die Module können z. B. über einen Bus Bar (Stromverteilerschiene) elektrisch in das Gesamtsystem eingebunden werden. Jeder Bus-Bar ist über eine oder mehrere Stromquellen/- speicher anschließbar (bspw. Batterie und UCAP bei Start-Stop-Funktion);
- - Mit Vorteil stellt ferner ein Bus Power Controller die elektrische/elektronische Einbindung der Module/Lasten über die Bus-Bar Verschaltung sicher. Implizit ist die Funktion elektronischer Sicherungen und Relais als Ersatz von herkömmlicher Schmelzsicherungen. Der elektrische/mechanische Status der Lasten ist u. a. hinsichtlich der Verfügbarkeit und der Leistungsaufnahme im Bus Power Controller z. B. durch Anbindung der Last an LIN/CAN oder über Messmethoden am Ausgang des Bus Power Controllers überwachbar. Der besagte Bus Power Controller entscheidet über die bereitzustellende Leistung und balanciert das Netz durch Trennung von nicht benötigten oder geringer priorisierten Lasten oder durch Hinzuschaltung weiterer Bus-Bars (und damit ggf. Stromquellen) zur stabilen Versorgung des gesamten Moduls;
- - Erfindungsgemäß wird eine Virtualisierungsschicht vorgesehen, welche insbesondere für die Errichtung des Bordnetz konzipiert ist und eine Abstraktionsschicht, die die tatsächliche pyhsikalische Realisierung abbildet, wobei Anforderungen an das Bordnetz auf die Virtualisierungsschicht zugreifen. Die virtuelle Zwischenschicht trennt die logischen Lasten eines Bordnetz von den physikalischen Realisierungen. Damit stellt die virtuelle Zwischenschicht unter anderem eine Möglichkeit für eine beherrschbare Entwicklungsaufgabe eines Virtual Backbones zur Verfügung;
- - Durch eine Dimensionierung der lokalen Puffer ist eine explizite Anpassungsfähigkeit / Skalierbarkeit zur Ausstattung des Fahrzeugs gegeben. Unter anderem können für eine Basisausstattung keine oder nur sehr kleine lokale Puffer verwendet werden, während eine gehobene Ausstattung auch Puffer für dynamische Lasten beinhaltet. Weitere Ausstattungen mit z.B. einem Fahrerassistenzsystem können dann überdimensionierte Puffer für Redundanzanforderung vorsehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem das Fahrzeug in Zonen eingeteilt wurde;
- 2 eine schematische Darstellung einer virtuellen Backbone Architektur;
- 3 eine schematische Darstellung einer Virtualisierungsschicht;
- 4 eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein beispielhaftes Bordnetz gezeigt ist;
- 5 eine schematische Übersicht eines alternativen Ausführungsbeispiels und
- 6 eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein Bordnetz in zwei unterschiedlichen Bordnetzkonfigurationen gezeigt ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche funktionale und/oder strukturelle Eigenschaften darstellen.
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In der 1 wird eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 1 in einem Fahrzeug 100 gezeigt, bei dem das Fahrzeug in Zonen Z1, Z2, Z3 und Z4 eingeteilt wurde. Die Zonen Z1, Z2, Z3 und Z4 repräsentieren dabei hierarchische Domänen nach ihrer Kritikalität. Damit ist eine Versorgungsarchitektur dargestellt, welche das Prinzip der Aufteilung in Zonen Z1, Z2, Z3 und Z4 und/oder Hauptstränge mit dem Prinzip der statischen oder dynamischen Hierarchiebildung kombiniert und dadurch eine Art „ intelligente Maschenstruktur“ abbildet. Mit dieser Realisierung können statisch oder dynamisch (je nach Ausprägung von richtenden/schaltenden Elementen 40) Lasten gemäß ihrer aktuellen Kritikalität hinsichtlich Energiebedarf versorgt werden. Ergänzend ist ein Leistungsspeicher 10' gezeigt, in dem eine Energiespeicherung stattfinden kann, die für die Energieversorgung des Bordnetzes 1 genutzt wird.
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In den 2 und 3 ist das Virtual Backbone Konzept mit der Idee der Virtualisierungsschicht dargestellt. Die in 2 gezeigte Virtual Backbone Architektur umfasst die in 1 definierten Zonen Z1, Z2, Z3, wobei diese eine erste Hierarchiestruktur (Domäne 1) bezüglich der Kritikalität ausbilden.
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In einer tieferen Ebene (Domäne 2) liegen die Zonen Z1 und Z3 und in einer noch tieferen, der in 2 untersten Ebene (Domäne 3) liegen die Zonen Z1 und Z2. Die Bildung von Hierarchieebenen dient der Energiebedarfspriorisierung. Insofern sind auch zwischen den Zonen je nach Domäne Stromrichterelemente 40 (hier Dioden 40) dargestellt, die aufzeigen, dass eine Energierichtung und damit ein Stromfluss in den Maschen zwischen den jeweiligen Zonen gerichtet ist. Aufgrund der dynamischen Erzeugung von unterschiedlichen Leitungssträngen aus den jeweiligen Leitungen 21, 22, 23 zwischen den Energiespeichern und den Verbrauchern ist es in der Regel auch notwendig den Stromfluss zu richten. In der 3 ist die Virtualisierungsschicht zur Erfüllung von Funktionen 1 bis 4 für beispielhafte Fahrzeugkomponenten (Batterie, Kabel, Speicher, UCPA) für jeweils einen linken und rechten Strang dargestellt.
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Eine Smart Bridge 30', wie in der 5 gezeigt, kann als selbstregulierendes System oder als gesteuertes System betrieben werden. Im ersten Fall werden Spannungsdifferenzen automatisch ausgeglichen unter Einhaltung der Hierarchievorgaben. Im zweiten Fall bestehen zusätzlich Eingriffsmöglichkeiten (auch partiell) über ein Energiemanagement.
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In der 4 ist eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 1 gezeigt ist. Das Bordnetz 1 dient der zur Signal- und Leistungsübertragung im Fahrzeug 100 und ist mit beispielhaften aktiven und passiven Fahrzeugkomponenten F1, F2, ..., F4 ausgebildet, welche Verbraucher und andere energieversorgte Einrichtungen sein können. Die Fahrzeugkomponenten F1, F2, ..., F4 besitzen jeweils einen definierten elektrischen Energiebedarf E1, E2,..., E4 für den Normalbetrieb und einen elektrischen Energiebedarf S1, S2,..., S4 im Spitzenlastbereich.
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Das Bordnetz 1 weist hier Energieversorgungseinrichtung 10, 10', 10"auf, die sich in einen Leitungsstrang LS additiv zur Versorgung einer oder mehrerer der Fahrzeugkomponenten zusammenschalten lassen.
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Beispielsweise sind im Bordnetz 1 die Energieversorgungseinrichtung 10, 10' im Front und Heckbereich des Fahrzeuges 100 vorgesehen, die hier 12V Akkumulatoren darstellen und für unterschiedliche Funktionen in der Virtual Backbone Struktur genutzt werden können.
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Ferner ist ein beispielhaftes Leitungsnetz 20 aus sowohl parallel, ringförmig und maschenförmig verlegten Leitungen 21, 21', 22, 22', 23, 23' gezeigt. Die dargestellten Leitungen stellen jeweils Einzelleitungen mit einem bestimmten Kabelquerschnitt dar. Die Fahrzeugkomponenten F1, F2, ..., F4 sowie die Energieversorgungseinrichtung 10, 10' sind über die Leitungen 21, 21', 22, 22', 23, 23'elektrisch miteinander verdrahtet.
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Es ist ferner in der 4 erkennbar, dass zwischen mehreren parallel verlaufenden Leitungen 21, 21', 22, 22', 23, 23' bzw. eine Masche bildenden Leitungen 21, 21', 22, 22', 23, 23' jeweils Sicherungsdosen 30, 30', 30" mit nicht näher gezeigten Schaltelementen angeordnet sind. Die Sicherungsdosen 30, 30', 30" sind elektrisch an definierten Netzpunkten im Leitungsnetz 20 eingebettet, so dass parallel oder seriell getrennt voneinander verlegte Leitungen 21, 21', 22, 22', 23, 23'zur Herstellung einer bestimmten Bordnetz- oder Energieübertragungsfunktion zu einem Leitungsstrang LS zusammengelegt werden können.
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So können z. B. die oberen drei Leitungen 21, 22, 23 mit einem Leitungsquerschnitt von Oben nach Unten betrachtet von 2,5 mm2, 4mm2 und 6mm2 zu einem Leitungsstrang LS mit einem effektiven Querschnitt von 12,5 mm2 parallel zusammengeschaltet werden, um einen Verbraucher F1 für einen Spitzenlastbetrieb mit der Batterie 10' im Heck des Fahrzeuges 100 zu verbinden.
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Hierzu werden in den zwei betreffenden Sicherungsdosen 30, 30' die Schaltelemente so geschaltet, dass die entsprechenden Leitungen 21, 22, 23 mit ihren jeweiligen Anschlüssen in Parallelschaltung gebracht werden. Zwischen der Batterie 10' im Heck und der unmittelbar daneben abgebildeten Sicherungsdosen 30' befindet sich eine Leitung 21' mit einem Querschnitt von 16 mm2, die mit dem aus den Leitungen 21, 22, 23 gebildeten parallelen Leitungsstrang LS in Serie geschaltet ist. Somit wird die Eingangsseite der Leitung 21' in der betreffenden Sicherungsdosen 30' mit dem Leitungsstrang LS in Serie geschaltet. Ebenso wird die Leitung 22' mit einem Querschnitt von z. B. 16mm2 zu dem Verbraucher F1 in der Sicherungsdosen 30 in Serie mit dem Leitungsstrang LS geschaltet, so dass insgesamt zwischen der energieversorgenden Batterie 10' und dem Verbraucher F1 eine Leitungsperformance bereitgestellt wird, die für den Verbraucher F1 benötigt wird.
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Nachdem der Verbraucher F1 wieder inaktiv wird und ein Energiebedarf nicht mehr ansteht, können die besagten Leitungen 21, 22, 23 wieder in andere Netz-Maschen einbezogen werden. Alternativ könnte der Verbraucher F1 auch in einen Normallastbetrieb wechseln, der z. B. mit einer 6mm2 Leitung realisierbar ist, so dass nur die untere Leitung 23 in den Sicherungsdosen 30, 30' für diesen Bordnetzzustand aktiv an diesen Verbraucher geschaltet werden braucht.
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In der 5 ist eine schematische Übersicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 1 gezeigt. Hier übernimmt eine Smart Bridge 30" eine Schaltungsfunktion, um diverse Leitungen 21, 22, 23 und Netz-Maschen entsprechend zusammen zu schalten. Bei der Smart Bridge wird ein auftretendes Spannungsdelta ausgeglichen. Wie in der 5 dargestellt, kann zur Realisierung von Bordnetzkonfigurationen auch eine Smart Bridge 30" auch mit Sicherungsdosen 30, 30' kombiniert werden. Ferner ist in der 5 (allerdings lediglich beispielhaft) dargestellt, dass bei Verwendung einer Smart Bridge 30" ferner Stromrichtungselemente 40 (hier Dioden) vorgesehen sind.
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Die 6 zeigt eine schematische Übersicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein Bordnetz 1 in zwei unterschiedlichen Bordnetzkonfigurationen gezeigt wird. In der oberen Ansicht der 6 ist der sogenannte Normalmodus gezeigt, welcher einen typischen Betriebsmodus darstellen soll.
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Zum Starten des Motors (eine Funktion des Bordnetzes 1) über den dargestellten Starter F3 mittels der Batterie im Heck des Fahrzeugs 100, werden die oberen drei Leitungen 21, 22, 23 in der Sicherungsdose 30` (oben rechts) parallel geschaltet und mit der von der Batterie 10' herkommenden Leitung 23 in Serienschaltung gebracht. Ebenso werden die parallel geschalteten Leitung 21, 22, 23 (Leitungsstrang LS) in der Sicherungsdose 30" zum Starter durchgeschleift. Somit stehen mehrere parallel geschaltete Strompfade zum Starter F3 zur Verfügung die als Lastpfade zur Übertragung der Spitzenlast für den Motorstart dienen (siehe untere Ansicht der 6).
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Danach kann das Bordnetz 1 wieder in eine andere Bordnetzkonfiguration wechseln, bei der z. B. eine Energieversorgungsquelle 10" (z. B. ein Solarpanel) und/oder z. B. ein Rekuperationsspeicher (REKU) in das Bordnetz 1 aktiv zur Energieversorgung eingebunden werden, wodurch die Batteriebelastung der 12 V Batterien 10, 10' reduziert werden kann.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
