DE102016224618A1 - Vehicle electrical system with high availability - Google Patents
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Abstract
Ein Fahrzeug-Bordnetz, umfasst ein erstes Teilnetz (10) einer ersten Spannungsebene, ein zweites Teilnetz (20) einer zweiten Spannungsebene und eine Anzahl an Verbrauchern (V, S, EPS). An das erste Teilnetz (10) ist zumindest ein erster Energiespeicher angeschlossen zur Einspeisung von Energie und/oder zur Entnahme von Energie. An das zweite Teilnetz (20) ist zumindest ein zweiter Energiespeicher (Batt2) angeschlossen zur Einspeisung von Energie und/oder zur Entnahme von Energie. Eine Teilanzahl der Anzahl an Verbrauchern (S, EPS) ist mit dem ersten und mit dem zweiten Teilnetz (10, 20) koppelbar und in Abhängigkeit einer Betriebssituation aus dem ersten und/oder dem zweiten Teilnetz (10, 20) mit Energie versorgbar ist. Ferner ist ein drittes Teilnetz (30) einer dritten Spannungsebene vorgesehen, die höher als die erste und die zweite Spannungsebene ist. An das dritte Teilnetz (30) ist ein dritter Energiespeicher (Batt3) angeschlossen, der zumindest einen Teilabgriff (BKP) umfasst, an dem, bezogen auf ein Bezugspotential des Fahrzeug-Bordnetzes, eine der ersten Spannungsebene entsprechende Spannung anliegt. Das erste Teilnetz (10) ist mit dem Teilabgriff (BKP) des dritten Energiespeichers (Batt3) verbunden, wodurch der erste Energiespeicher des ersten Teilnetzes (10) durch einen Speicherabschnitt (B1) des dritten Energiespeichers (Batt3) bereitgestellt ist.A vehicle electrical system comprises a first sub-network (10) of a first voltage level, a second sub-network (20) of a second voltage level and a number of consumers (V, S, EPS). At least a first energy store is connected to the first subnetwork (10) for the purpose of feeding in energy and / or for the removal of energy. At least a second energy store (Batt2) is connected to the second subnetwork (20) for the purpose of feeding in energy and / or for the removal of energy. A part number of the number of consumers (S, EPS) can be coupled to the first and the second subnetwork (10, 20) and can be supplied with energy from the first and / or the second subnetwork (10, 20) as a function of an operating situation. Furthermore, a third sub-network (30) of a third voltage level is provided, which is higher than the first and the second voltage level. Connected to the third subnetwork (30) is a third energy store (Batt3), which comprises at least one sub-tap (BKP) to which, based on a reference potential of the vehicle electrical system, a voltage corresponding to the first voltage level is present. The first sub-network (10) is connected to the sub-tap (BKP) of the third energy store (Batt3), whereby the first energy store of the first sub-network (10) is provided by a storage section (B1) of the third energy store (Batt3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Bordnetz mit hoher Verfügbarkeit während eines Fahrbetriebes eines Fahrzeugs, insbesondere bei autonomen oder teilautonomen Fahrfunktionen.The invention relates to a vehicle electrical system with high availability during a driving operation of a vehicle, in particular in autonomous or semi-autonomous driving functions.
Fahrzeuge, die ein autonomes oder teilautonomes Fahren erlauben, erfordern eine hochverfügbare elektrische Energieversorgung verschiedener sicherheitsrelevanter Komponenten und Funktionen. Insbesondere ist sicherzustellen, dass während der Fahrt ein Fehler oder Defekt im Fahrzeug-Bordnetz nicht oder nur mit minimaler Wahrscheinlichkeit zu einem Verlust von Fahrfunktionen führen kann. Beim Auftreten eines Fehlers oder Defekts in dem Fahrzeug-Bordnetz muss zumindest für eine bestimmte Zeitspanne sichergestellt werden, dass sicherheitsrelevante Komponenten oder Funktionen noch arbeiten, bis ein Fahrer des Fahrzeugs dieses sicher zum Stillstand bringen kann. Zu derartigen Komponenten gehören beispielsweise eine dynamische Stabilitätskontrolle, eine elektrische Lenkung, eine Anzeige- und Bedienkomponente, ein Fahrerassistenzsystem und dergleichen.Vehicles that permit autonomous or semi-autonomous driving require a highly available electrical energy supply of various safety-relevant components and functions. In particular, it must be ensured that, during the journey, a fault or defect in the vehicle electrical system can not or only with minimum probability lead to a loss of driving functions. When an error or defect occurs in the vehicle electrical system, it must be ensured, at least for a certain period of time, that safety-relevant components or functions are still working until a driver of the vehicle can safely bring it to a standstill. Such components include, for example, dynamic stability control, electric steering, a display and control component, a driver assistance system, and the like.
Beeinträchtigt werden kann die Verfügbarkeit des Fahrzeug-Bordnetzes durch eine Vielzahl an unterschiedlichen Fehlern. Diese werden anhand von
Das Fahrzeug-Bordnetz 1, das beispielhaft auf eine Nenn-Spannung von 12 Volt ausgelegt ist, umfasst beispielhaft einen Generator G als Energiequelle, zwei Energiespeicher Batt1, Batt2 sowie drei Verbraucher V, S, EPS. Bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ist die Energiequelle ein DC/DC-Wandler. Sämtliche der genannten Komponenten G, Batt1, Batt2, V, S, EPS sind an ein gemeinsames physisches Bordnetz, bestehend aus Kabeln und Stromverteilern, angeschlossen. In dem physischen Bordnetz ist darüber hinaus eine optionale Sicherheitsbatterieklemme SBK vorgesehen, wobei die Sicherheitsbatterieklemme SBK zwischen dem Energiespeicher Batt1 und den Komponenten G, Batt2 angeordnet ist. Die Sicherheitsbatterieklemme SBK unterteilt das physische Bordnetz in einen ersten Teilstrang, an den die Batterie Batt1 angeschlossen ist, und einen zweiten Teilstrang, an den der Generator G und der zweite Energiespeicher Batt2 angeschlossen sind. An dem ersten Teilstrang sind ferner beispielhaft zwei Stromverteiler SV, SH angeschlossen. Jeder der Stromverteiler SV, SH umfasst eine Anzahl an Klemmen KL bzw. Sicherungen, an die die Verbraucher V, S, ERS bzw. weitere Komponenten des Fahrzeug-Bordnetzes angeschlossen sind. Entgegen der zeichnerischen Darstellung könnten die Verbraucher V, S, EPS auch an jeweils eine der Klemmen KL des Stromverteilers SH angeschlossen sein.The vehicle
Die Sicherheitsbatterieklemme SBK ist üblicherweise ein einmalig betätigbares, pyrotechnisches Schaltelement. Im Normalfall sind der erste und der zweite Teilstrang über die Sicherheitsbatterieklemme SBK permanent elektrisch leitend miteinander verbunden. Lediglich im Falle eines Crashs wird aus Sicherheitsgründen, z.B. unter Nutzung eines von einem Airbag-Steuergerät ausgegebenen Signals, die Sicherheitsbatterieklemme SBK durch entsprechende Ansteuerung geöffnet, um die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Teilstrang und dem zweiten Teilstrang aufzutrennen. Ferner werden hierdurch auch die Stromverteiler SV, SH von dem zweiten Energiespeicher Batt2 und vom Generator G elektrisch getrennt.The safety battery terminal SBK is usually a one-time, pyrotechnic switching element. Normally, the first and the second sub-string via the safety battery terminal SBK permanently electrically connected to each other. Only in the event of a crash, for security reasons, e.g. using a signal output by an airbag control unit, the safety battery terminal SBK is opened by appropriate control in order to separate the electrical connection between the first sub-string and the second sub-string. Furthermore, as a result, the current distributors SV, SH are also electrically isolated from the second energy store Batt2 and from the generator G.
Die Versorgung der Verbraucher kann jedoch auch durch andere Defekte in unerwünschter Weise hervorgerufen werden. Ein Defekt des Generators G kann je nach Art des Defekts unterschiedliche Auswirkungen haben. Erzeugt der Generator G eine Spannung, die kleiner als die Batteriespannung ist, so werden die Energiespeicher Batt1, Batt2 entladen. Dies führt schließlich zum Ausfall des oder der Energiespeicher Batt1, Batt2, so dass auch die Verbraucher des Fahrzeug-Bordnetzes nicht mehr mit Energie versorgt werden können. Ist die von dem Generator G erzeugte Spannung größer als eine erste vorgegebene Schwelle, so wird oder werden die Energiespeicher Batt1, Batt2 überladen. Auch dies führt letztendlich zum Ausfall des oder der Energiespeicher Batt1, Batt2. Übersteigt die von dem Generator G erzeugte Spannung einen zweiten Schwellwert, so erkennen in den Verbrauchern eingebaute Überspannungsschaltungen das Überschreiten dieser Spannungswelle und schalten die entsprechenden Verbraucher ab.However, the supply of consumers can also be caused by other defects in an undesirable manner. A defect of the generator G may have different effects depending on the type of defect. If the generator G generates a voltage which is less than the battery voltage, then the energy stores Batt1, Batt2 are discharged. This eventually leads to the failure of or the energy storage Batt1, Batt2, so that the consumers of the vehicle electrical system can not be supplied with energy. If the voltage generated by the generator G is greater than a first predetermined threshold, the energy stores Batt1, Batt2 are or will be overloaded. This also ultimately leads to the failure of or the energy storage Batt1, Batt2. If the voltage generated by the generator G exceeds a second threshold value, overvoltage circuits built into the loads detect the exceeding of this voltage wave and switch off the corresponding consumers.
Fällt hingegen beispielsweise der erste Energiespeicher Batt1 aus, so können die an den Stromverteilern SV, SH angeschlossenen Verbraucher über den Generator G und/oder den zweiten Energiespeicher Batt2 zumindest für eine bestimmte Zeit noch mit Energie versorgt werden.Conversely, if, for example, the first energy store Batt1 fails, the consumers connected to the power distributors SV, SH can still be supplied with energy via the generator G and / or the second energy store Batt2, at least for a certain time.
Ein weiteres Problem, das zum Ausfall einzelner oder mehrerer Verbraucher führen kann sind Ausfälle oder Defekte am physischen Bordnetz, wie z.B. Kabel oder Stromverteiler. Beispielsweise kann sich durch Kontaktkorrosion oder gealterte Sicherungen das Spannungsniveau des Fahrzeug-Bordnetzes verschlechtern, bis hin zum Ausfall von Komponenten. Auch durch Leitungsbruch oder auftretende Kurzschlüsse kann die Funktionsfähigkeit einzelner oder aller Komponenten beeinträchtigt werden.Another problem that can lead to the failure of single or multiple consumers are failures or defects in the physical electrical system, such. Cable or power distributor. For example, by contact corrosion or aged fuses the voltage level of the vehicle electrical system can deteriorate, even to the failure of components. Also due to cable breakage or occurring short circuits, the functionality of individual or all components may be impaired.
Das Auftreten der beschriebenen Fehler in einem wie in
Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme schlägt die
In zukünftigen Fahrzeug-Bordnetzen sind nicht nur mehrere Teilstränge, sondern auch Teilstränge mit unterschiedlichen Spannungsebenen vorgesehen, um z.B. Verbraucher mit besonders hohem Stromverbrauch aus einem Teilstrang mit einer höheren Spannung (z.B. 48V) versorgen zu können. Die Teilstränge unterschiedlicher Spannungsebenen werden, um einen Energiefluss untereinander zu möglichen, über einen Gleichspannungswandler verbunden. Bei solchen Bordnetz-Architekturen besteht dann das Problem, dass ein weiterer Energiespeicher, z.B. eine 48V-Batterie, in dem Fahrzeug vorgesehen werden muss. Durch die dann bereits drei Energiespeicher steigen die Kosten sowie der dafür notwendige Platzbedarf auf ein unerwünschtes Maß an.In future vehicle on-board networks, not only a plurality of sub-strands, but also sub-strands with different voltage levels are provided, for example, in order to produce, e.g. To provide consumers with very high power consumption from a sub-string with a higher voltage (for example, 48V). The sub-strands of different voltage levels are connected to a flow of energy among each other, via a DC-DC converter. In such on-board network architectures there is the problem that a further energy store, e.g. a 48V battery, in which vehicle must be provided. By then already three energy storage costs rise and the space required for this to an undesirable level.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug-Bordnetz mit mehreren Spannungsebenen anzugeben, das baulich und/oder funktional verbessert und dessen Verfügbarkeit beim Auftreten eines Fehlers hoch ist.It is an object of the present invention to provide a vehicle electrical system with multiple voltage levels, which structurally and / or functionally improved and whose availability is high when an error occurs.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a vehicle electrical system according to the features of
Es wird ein Fahrzeug-Bordnetz vorgeschlagen, welches ein erstes Teilnetz einer ersten Spannungsebene, ein zweites Teilnetz einer zweiten Spannungsebene sowie eine Anzahl an Verbrauchern umfasst. An das erste Teilnetz der ersten Spannungsebene ist zumindest ein erster Energiespeicher angeschlossen zur Einspeisung von Energie und/oder zur Entnahme von Energie. An das zweite Teilnetz der zweiten Spannungsebene ist zumindest ein zweiter Energiespeicher angeschlossen zur Einspeisung von Energie und/oder zur Entnahme von Energie. Zumindest eine Teilanzahl der Anzahl an Verbrauchern ist mit dem ersten und mit dem zweiten Teilnetz koppelbar und in Abhängigkeit einer Betriebssituation aus dem ersten und/oder dem zweiten Teilnetz mit Energie versorgbar. Ein Fahrzeug-Bordnetz mit den oben beschriebenen Komponenten ist beispielsweise aus der
Das Fahrzeug-Bordnetz zeichnet sich weiter dadurch aus, dass dieses ein drittes Teilnetz einer dritten Spannungsebene umfasst. Dabei ist die dritte Spannungsebene höher als die erste und die zweite Spannungsebene des ersten und des zweiten Teilnetzes. An das dritte Teilnetz ist ein dritter Energiespeicher angeschlossen. Der dritte Energiespeicher umfasst zumindest einen Teilabgriff, an dem, bezogen auf ein Bezugspotenzial des Fahrzeug-Bordnetzes, eine der ersten Spannungsebene des ersten Teilnetzes entsprechende Spannung anliegt. Ein Knotenpunkt des ersten Teilnetzes ist mit dem Teilabgriff des dritten Energiespeichers verbunden, wodurch der erste Energiespeicher des ersten Teilnetzes durch einen Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers bereitgestellt ist.The vehicle electrical system is further characterized in that it comprises a third sub-network of a third voltage level. In this case, the third voltage level is higher than the first and the second voltage level of the first and the second subnetwork. To the third subnet a third energy storage is connected. The third energy store comprises at least one partial tap on which, based on a reference potential of the vehicle electrical system, a voltage corresponding to the first voltage level of the first subnet is present. A node of the first subnet is connected to the sub-tap of the third energy store, whereby the first energy store of the first subnet is provided by a memory section of the third energy store.
Ein derartiges Fahrzeug-Bordnetz stellt funktional ein Drei-Speicher-Bordnetz dar, wobei zumindest der dritte Energiespeicher des dritten Teilnetzes eine höhere Spannung als der erste und der zweite Energiespeicher des ersten und des zweiten Teilnetzes aufweist. Dadurch, dass der erste Energiespeicher des ersten Teilnetzes durch einen Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers bereitgestellt ist, braucht der erste Energiespeicher des ersten Teilnetzes physikalisch nicht vorgesehen zu werden. Dessen Elimination wird dadurch ermöglicht, dass bei dem dritten Energiespeicher ein Teilabgriff vorgesehen wird, an dem, bezogen auf ein Bezugspotential des Fahrzeug-Bordnetzes, eine der ersten Spannungsebene entsprechende Spannung anliegt. Wird das erste Teilnetz mit dem Teilabgriff des dritten Energiespeichers verbunden, stellt der zwischen dem Teilabgriff und dem Bezugspotential des Fahrzeugs liegende Speicherabschnitt den ersten Energiespeicher des ersten Teilnetzes dar. Im Ergebnis kann dadurch ein Fahrzeug-Bordnetz bereitgestellt werden, welches aufgrund seiner Topologie die redundante Versorgung von Verbrauchern ermöglicht. Durch den Entfall des ersten Energiespeichers des ersten Teilnetzes können Kosten, Bauraum und Gewicht eingespart werden. Obwohl das Fahrzeug-Bordnetz damit physikalisch nur zwei unterschiedliche Energiespeicher umfasst, entspricht die Topologie des Fahrzeug-Bordnetzes einem Drei-Speicher-Bordnetz.Such a vehicle electrical system is functionally a three-store electrical system, wherein at least the third energy store of the third subnetwork has a higher voltage than the first and the second energy store of the first and the second subnetwork. Because the first energy store of the first subnetwork is provided by a memory section of the third energy store, the first energy store of the first subnetwork does not need to be provided physically. Its elimination is made possible by the fact that a partial tap is provided in the third energy store to which, based on a reference potential of the vehicle electrical system, a voltage corresponding to the first voltage level is present. If the first subnet is connected to the sub-tap of the third energy store, the memory section lying between the sub-tap and the reference potential of the vehicle represents the first energy store of the first sub-network. As a result, a vehicle electrical system can be provided which, due to its topology, provides the redundant supply of consumers. The elimination of the first energy storage of the first sub-network costs, space and weight can be saved. Although the vehicle electrical system thus only includes two different energy stores physically, the topology of the vehicle electrical system corresponds to a three-store electrical system.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Fahrzeug-Bordnetz ein steuerbares Energietransferelement, das dazu ausgebildet ist, den Ladezustand von Speicherzellen in dem Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers auszugleichen, wenn diese gegenüber Speicherzellen eines Restspeicherabschnitts des dritten Energiespeichers eine Ladungsunter- oder Überdeckung aufweisen. Durch das steuerbare Energietransferelement wird es ermöglicht, Energie zwischen dem dritten Teilnetz und dem ersten bzw. dem zweiten Teilnetz auszutauschen, um eine ggf. vorhandene Ladungsunterdeckung des den ersten Energiespeicher repräsentierenden Speicherabschnitts des dritten Energiespeichers durch Ladung ausgleichen zu können. Das steuerbare Energietransferelement kann auch derart ausgestaltet und angeordnet sein, dass das Nachladen oder Entladen des Speicherabschnitts des dritten Energiespeichers aus dem dritten Teilnetz erfolgt, sofern an dieses ein Energieerzeuger angeschlossen ist. According to an expedient embodiment, the vehicle electrical system comprises a controllable energy transfer element, which is designed to compensate for the state of charge of memory cells in the memory section of the third energy store, if these have a charge underside or cover over memory cells of a residual storage section of the third energy store. The controllable energy transfer element makes it possible to exchange energy between the third subnetwork and the first or the second subnetwork, in order to be able to compensate for any charge shortage of the memory section of the third energy store that represents the first energy store by charging. The controllable energy transfer element can also be configured and arranged such that the recharging or discharging of the storage section of the third energy store takes place from the third subnet, provided that an energy generator is connected to it.
Gemäß einer ersten Variante kann das Energietransferelement das erste Teilnetz elektrisch mit dem zweiten Teilnetz miteinander verbinden. Hierdurch wird es beispielsweise ermöglicht, mit Hilfe des Energietransferelements Energie, z.B. von dem zweiten Energiespeicher in das erste Teilnetz und damit den Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers zu transferieren.According to a first variant, the energy transfer element can electrically interconnect the first subnetwork with the second subnetwork. This makes it possible, for example, with the help of the energy transfer element energy, e.g. from the second energy storage in the first subnet and thus to transfer the memory portion of the third energy storage.
In einer anderen Variante kann das Energietransferelement zwischen einem Knotenpunkt des dritten Teilnetzes und dem Teilabgriff des dritten Energiespeichers verschaltet sein. Hierdurch wird es ermöglicht, unter Umgehung des Restspeicherabschnitts des dritten Energiespeichers den, den ersten Energiespeicher repräsentierenden Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers direkt aus dem dritten Teilnetz nachzuladen.In another variant, the energy transfer element between a node of the third subnet and the sub-tap of the third energy storage can be interconnected. This makes it possible, while bypassing the residual storage section of the third energy store, to recharge the storage section of the third energy store, which represents the first energy store, directly from the third subnetwork.
Es ist zweckmäßig, wenn das Energietransferelement ein Gleichspannungswandler ist. Der Gleichspannungswandler kann mittels entsprechender Ansteuerung Energie zwischen seinem Ein- und Ausgang übertragen.It is expedient if the energy transfer element is a DC-DC converter. The DC-DC converter can transmit energy between its input and output by means of appropriate control.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Gleichspannungswandler kann das Energietransferelement ein Schaltelement umfassen, das im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes mittels eines ersten Steuersignals leitend geschaltet und beim Auftreten eines Fehlers in dem ersten oder dem zweiten Teilnetz mittels des ersten Steuersignals sperrend geschaltet ist. Diese Ausgestaltungsvariante betrifft dabei die Anordnung gemäß der ersten Variante, bei der das Energietransferelement das erste Teilnetz elektrisch mit dem zweiten Teilnetz miteinander verbindet. Das reversible steuerbare Schaltelement kann beispielsweise ein Halbleiterschaltelement, wie z.B. ein MOSFET und der gleichen, oder ein Relais sein. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes verbindet das reversibel steuerbare Schaltelement das erste und das zweite Teilnetz elektrisch miteinander. Beim Auftreten eines Fehlers, z.B. in der Verkabelung des ersten oder zweiten Teilnetzes oder einer an das erste bzw. zweite Teilnetz angeschlossenen Komponente (z.B. Energiequelle, Energiespeicher oder Verbraucher), wird die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz mittels des reversibel steuerbaren Schaltelements aufgetrennt. Die Versorgung der Teilanzahl der Verbraucher erfolgt dann über dasjenige Teilnetz, bei dem die Energieversorgung noch ungestört möglich ist.Alternatively or in addition to the DC-DC converter, the energy transfer element may comprise a switching element, which is switched in the normal operation of the electrical system by means of a first control signal and switched off when a fault occurs in the first or the second subnet by means of the first control signal. This embodiment variant relates to the arrangement according to the first variant, in which the energy transfer element electrically interconnects the first subnetwork with the second subnetwork. The reversible controllable switching element may, for example, be a semiconductor switching element, such as e.g. a MOSFET and the same, or be a relay. In normal operation of the electrical system, the reversibly controllable switching element electrically connects the first and the second sub-network with each other. When an error occurs, e.g. in the cabling of the first or second subnetwork or a component connected to the first or second subnetwork (e.g., power source, energy storage or consumer), the electrical connection between the first and second subnetworks is separated by means of the reversibly controllable switching element. The supply of the number of parts of the consumer is then via that subnetwork, in which the power supply is still possible undisturbed.
Es ist dabei ausreichend, wenn die Bereitstellung der Energieversorgung aus dem nicht fehlerbehafteten Teilnetz lediglich für eine bestimmte Zeit ermöglicht wird. In diesem Zeitraum sollte zwischen dem Auftreten des Fehlers und dem Erschöpfen der Energieversorgung das ggf. autonom oder teilautonom betriebene Fahrzeug sicher zum Stillstand gebracht werden.It is sufficient if the provision of the power supply from the non-faulty subnet is made possible only for a certain time. During this period, the possibly autonomous or semi-autonomously operated vehicle should be brought to a standstill between the occurrence of the fault and the depletion of the power supply.
Weist das Energietransferelement alternativ oder zusätzlich zu dem reversibel schaltbaren Schaltelement den bereits erwähnten Gleichspannungswandler auf, der im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes mittels eines entsprechenden Steuersignals derart angesteuert ist, dass dieser Energie von dem ersten Teilnetz zu dem zweiten Teilnetz, oder umgekehrt, überträgt, kann beispielsweise eine Versorgung der Teilanzahl an Verbrauchern aus beiden Teilnetzen ermöglicht werden. Dies ist beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Verbrauchern, wie z.B. einer elektrisch ausgebildeten Lenkung möglich, deren Elektroantrieb zwei Spulen aufweist, von denen eine aus dem ersten Teilnetz und die andere aus dem zweiten Teilnetz versorgt wird.Does the energy transfer element alternatively or in addition to the reversibly switchable switching element on the already mentioned DC-DC converter, which is controlled in the normal operation of the electrical system by means of a corresponding control signal such that this energy from the first subnet to the second subnet, or vice versa, transmits, for example a supply of the number of parts to consumers from both subnets are made possible. This is, for example, in safety-relevant consumers, such as e.g. an electrically trained steering possible whose electric drive has two coils, one of which is supplied from the first subnet and the other from the second subnet.
Ferner kann der Gleichspannungswandler beim Auftreten eines Fehlers in dem ersten oder dem zweiten Teilnetz mittels eines entsprechenden Steuersignals derart angesteuert werden, dass dieser eine Energieübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz verhindert. In diesem Fall entspricht die Funktion des Gleichspannungswandlers der Funktion des oben beschriebenen reversibel steuerbaren Schaltelements.Furthermore, when an error occurs in the first or the second subnetwork, the DC / DC converter can be controlled by means of a corresponding control signal in such a way that it prevents an energy transmission between the first and the second subnetwork. In this case, the function of the DC-DC converter corresponds to the function of the reversibly controllable switching element described above.
Umfasst das Energietransferelement sowohl das reversibel steuerbare Schaltelement als auch den Gleichspannungswandler, so sind diese parallel geschaltet. Beim Auftreten eines Fehlers müssen dann das reversibel steuerbare Schaltelement sperrend geschaltet und der Gleichspannungswandler abgeschaltet werden, um die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz aufzutrennen. Um einen Energietransfer von dem zweiten zu dem ersten Teilnetz zu ermöglichen, wird zweckmäßigerweise das steuerbare Schaltelement sperrend geschaltet und die Energie über den Gleichspannungswandler an das erste Teilnetz und damit den Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers übertragen. Das Nachladen kann auch bei leitend geschaltetem steuerbarem Schaltelement erfolgen.If the energy transfer element comprises both the reversibly controllable switching element and the DC-DC converter, these are connected in parallel. When an error occurs then the reversibly controllable switching element must be turned off and switched off the DC-DC converter in order to separate the electrical connection between the first and the second subnet. To an energy transfer of the second to enable the first subnet, the controllable switching element is suitably switched blocking and transfer the energy via the DC-DC converter to the first subnet and thus the memory portion of the third energy storage. The recharging can also be done with conductive switched controllable switching element.
Die Trennung des ersten und des zweiten Teilnetzes im sicherheitsrelevanten Fall kann bei Vorhandensein des steuerbaren Schaltelements entweder in Echtzeit und ereignisgesteuert oder bereits vor dem Eintreten des sicherheitsrelevanten Falls erfolgen. Im ersten Fall ist ein hoher Aufwand für das Schaltelement erforderlich, da durch Diagnosen und ASIL-Technologie des Schaltelements dessen zuverlässige Funktionsweise sichergestellt werden muss. Wird das steuerbare Schaltelement bereits vor Eintreten des sicherheitsrelevanten Falls sperrend geschaltet, kann dies z.B. direkt nach dem Start oder vor dem Bewegen des Fahrzeugs erfolgen. In diesem Fall kann das steuerbare Schaltelement in einer einfachen, nicht-echtzeitfähigen Ausführung realisiert werden. Das Schaltelement kann beispielsweise als Relais mit Diagnose ausgestaltet sein. In diesem Fall ist eine ausreichende Leistungsfähigkeit des zweiten Energiespeichers für den regulären Fahrbetrieb bzw. des eingangs erwähnten Gleichspannungswandlers zwischen dem dritten Teilnetz und dem zweiten Teilnetz erforderlich.The separation of the first and the second subnetwork in the security-relevant case can be done in the presence of the controllable switching element either in real time and event-driven or even before the occurrence of the security-relevant case. In the first case, a high outlay for the switching element is required because it must be ensured by diagnoses and ASIL technology of the switching element whose reliable operation. If the controllable switching element is switched to blocking already before the occurrence of the security-relevant case, this can be done e.g. directly after the start or before moving the vehicle. In this case, the controllable switching element can be realized in a simple, non-real-time execution. The switching element can be configured, for example, as a relay with diagnosis. In this case, a sufficient capacity of the second energy storage for the regular driving operation or the DC converter mentioned above between the third subnet and the second subnet is required.
Bei der Anordnung des Energietransferelements zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz, wird der Standenergie- oder Ruhestrombedarf des Fahrzeugs vorzugsweise synergetisch über den zweiten Energiespeicher und den ersten Energiespeicher, d. h. den Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers des dritten Teilnetzes versorgt. Dies reduziert die Dimensionierung des zweiten Energiespeichers. Das Nachladen des Speicherabschnitts des dritten Energiespeichers kann dann, wie beschrieben, bei geöffnetem steuerbarem Schaltelement, über den Gleichspannungswandler erfolgen.In the arrangement of the energy transfer element between the first and the second subnetwork, the idle or quiescent power requirement of the vehicle is preferably synergistically via the second energy store and the first energy store, i. H. supplies the memory section of the third energy store of the third subnet. This reduces the dimensioning of the second energy store. The recharging of the memory portion of the third energy storage can then, as described, carried out with the controllable switching element open, via the DC-DC converter.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die erste und die zweite Spannungsebene gleiche Spannungsebenen. Insbesondere weisen die erste und die zweite Spannungsebene eine Nennspannung von 12V auf. Demgegenüber ist die Nennspannung der dritten Spannungsebene höher. Beispielsweise kann die dritte Spannungsebene eine Nennspannung von 24V oder 48V oder höher aufweisen.According to a further expedient embodiment, the first and the second voltage level are the same voltage levels. In particular, the first and the second voltage level have a nominal voltage of 12V. In contrast, the rated voltage of the third voltage level is higher. For example, the third voltage level may have a rated voltage of 24V or 48V or higher.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das dritte Teilnetz und das zweite Teilnetz über einen Gleichspannungswandler gekoppelt sind. Der Gleichspannungswandler stellt einen Energiefluss zwischen dem dritten und dem zweiten Teilnetz sicher und übernimmt gleichzeitig eine Anpassung der Nennspannung des dritten Teilnetzes und an die Nennspannung des zweiten Teilnetzes.A further embodiment provides that the third subnet and the second subnet are coupled via a DC-DC converter. The DC-DC converter ensures a flow of energy between the third and the second subnetwork and at the same time adapts an adaptation of the rated voltage of the third subnetwork and to the nominal voltage of the second subnetwork.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Fahrzeug-Bordnetz ferner zumindest einen ersten Stromverteiler und zumindest einen zweiten Stromverteiler. Der zumindest eine erste Stromverteiler umfasst eine Mehrzahl an ersten Klemmen, an die jeweils eine Anzahl an Verbrauchern angeschlossen ist, wobei der zumindest eine erste Stromverteiler an das zweite Teilnetz angeschlossen ist. Der zumindest eine zweite Stromverteiler umfasst eine Mehrzahl an zweiten Klemmen, an die jeweils die Teilanzahl der Anzahl an Verbrauchern angeschlossen ist, wobei der zweite Stromverteiler an das erste Teilnetz angeschlossen ist. Die zumindest eine Teilanzahl der Anzahl an Verbrauchern ist in Abhängigkeit der Betriebssituation von dem ersten und/oder dem zweiten Stromverteiler mit Energie versorgbar. Gemäß dieser Ausgestaltung werden der erste und der zweite Stromverteiler zur redundanten Versorgung der Teilanzahl an Verbrauchern genutzt.According to a further expedient embodiment, the vehicle electrical system further comprises at least a first power distributor and at least a second power distributor. The at least one first power distributor comprises a plurality of first terminals, to each of which a number of consumers is connected, wherein the at least one first power distributor is connected to the second subnet. The at least one second power distributor comprises a plurality of second terminals, to each of which the number of parts of the number of consumers is connected, wherein the second power distributor is connected to the first subnet. The at least a part number of the number of consumers can be supplied with energy from the first and / or the second power distributor as a function of the operating situation. According to this embodiment, the first and the second power distributor are used for the redundant supply of the number of parts to consumers.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die mit dem ersten und dem zweiten Teilnetz gekoppelten Verbraucher sicherheitsrelevante Komponenten des Fahrzeugs, die für die Aufrechterhaltung oder Durchführung einer autonomen Bewegung des Fahrzeugs notwendig sind oder genutzt werden. Insbesondere fallen hierunter Komponenten, die für eine Querführung des Fahrzeugs erforderlich sind, wie z.B. eine Lenkung. Sicherheitsrelevante Komponenten können darüber hinaus auch Komponenten für eine Längsführung, wie z.B. Bremssystem, oder ein Fahrerassistenzsystem oder eine dynamische Stabilitätskontrolle oder eine oder mehrere Anzeige-Bedieneinheiten oder Gateways für Bussysteme sein.According to a further expedient embodiment, the consumers coupled to the first and the second subnetwork are safety-relevant components of the vehicle which are necessary or used for the maintenance or execution of an autonomous movement of the vehicle. In particular, this includes components which are required for a lateral guidance of the vehicle, such as e.g. a steering. Safety-related components can also be used for longitudinal guidance components, such as Brake system, or a driver assistance system or a dynamic stability control or one or more display control units or gateways for bus systems.
Bei dem zweiten Energiespeicher kann es sich um eine herkömmliche Bleibatterie handeln. Alternativ kann der zweite Energiespeicher ein Supercup oder eine Lithium-Ionen-Batterie sein, welche jeweils zur Aufnahme und Abgabe von Erzeugungsspitzen und Lastspitzen ausgebildet sind.The second energy store may be a conventional lead-acid battery. Alternatively, the second energy storage device may be a supercup or a lithium-ion battery, which are respectively designed to receive and dispense generation peaks and load peaks.
Bei dem dritten Energiespeicher kann es sich in entsprechender Weise um eine herkömmliche Bleibatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Hochvolt-Batterie handeln. Der Aufbau des dritten Energiespeichers ist derart, dass sie eine der dritten Spannungsebene entsprechende Nennspannung an ihren Ausgangsklemmen bereitstellt.The third energy store may be correspondingly a conventional lead-acid battery, a lithium-ion battery or a high-voltage battery. The structure of the third energy store is such that it provides a rated voltage corresponding to the third voltage level at its output terminals.
Das Fahrzeug-Bordnetz kann darüber hinaus eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Energietransferelements umfassen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet das Energietransferelement derart anzusteuern, um den Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers nachzuladen, wenn dieser gegenüber einem Restspeicherabschnitt des dritten Energiespeichers eine Ladungsunterdeckung aufweist. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass sämtliche Speicherzellen des dritten Energiespeichers nach Möglichkeit eine gleiche Spannung aufweisen.The vehicle electrical system may also include a control device for controlling the energy transfer element. The control device is designed to control the energy transfer element in such a way as to reload the storage section of the third energy store, if this opposite to a residual storage section of the third energy storage has a charge shortage. This is to ensure that all memory cells of the third energy storage have, if possible, a same voltage.
Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Energietransferelements dazu ausgebildet sein, beim Erhalt eines Fehlersignals, das das Erkennen eines sicherheitskritischen Fehlers signalisiert, das ansonsten leitend geschaltete Energietransferelement sperrend zu schalten und gleichzeitig die Teilanzahl der Verbraucher, die mit dem ersten und dem zweiten Teilnetz gekoppelt sind, durch Ansteuerung ausschließlich elektrisch mit dem ersten oder dem zweiten Teilnetz, das den sicherheitskritischen Fehler nicht aufweist, zu verbinden. Die Steuereinrichtung kann Bestandteil des Energietransferelements sein. Die Steuereinheit kann auch ein externes Steuergerät sein.In addition, the control device for controlling the energy transfer element may be designed to switch the otherwise switched on power transfer element blocking while receiving an error signal that signals the detection of a safety-critical error and at the same time the number of parts of the consumer coupled to the first and the second subnet are to connect by driving exclusively electrically to the first or the second subnet, which does not have the safety-critical error. The control device may be part of the energy transfer element. The control unit may also be an external control unit.
Wie eingangs beschrieben kann der sicherheitskritische Fehler ein Kurzschluss bzw. eine Über- oder Unterspannung im einen Teil des Fahrzeug-Bordnetzes sein. Um die Teilanzahl der Verbraucher ausschließlich elektrisch mit dem ersten oder dem zweiten Teilnetz, das den sicherheitskritischen Fehler nicht aufweist, zu verbinden, kann in den entsprechenden Verbrauchern eine entsprechende Schalteinrichtung vorgesehen sein, welche eine Umschaltung auf das fehlerfreie Teilnetz zur Energieversorgung vornimmt. Gleichzeitig wird in Abhängigkeit des Inhalts des Fehlersignals eine elektrische Verbindung zu dem fehlerbehafteten Teilnetz aufgelöst. Die Trennung der beiden Teilnetze kann im sicherheitsrelevanten Fall in Echtzeit bzw. ereignisgesteuert durchgeführt werden.As described above, the safety-critical fault can be a short circuit or an overvoltage or undervoltage in one part of the vehicle electrical system. In order to connect the number of parts of the consumer only electrically to the first or the second subnet, which does not have the safety-critical error, a corresponding switching device may be provided in the corresponding consumers, which performs a switch to the error-free subnet for power supply. At the same time, depending on the content of the error signal, an electrical connection to the faulty subnet is resolved. The separation of the two subnets can be performed in real-time or event-controlled in the security-relevant case.
Gemäß einer anderen Betriebsstrategie kann das Energietransferelement bereits vor Eintreten eines sicherheitskritischen Fehlers, z.B. direkt nach dem Start des Fahrzeugs, geöffnet werden, sodass eine Trennung der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz vorgenommen ist. Die Versorgung der Teilanzahl an Verbrauchern erfolgt dann aus dem zweiten Teilnetz. Eine Versorgung der Verbraucher aus dem ersten Energiespeicher, d. h. dem Speicherabschnitt des dritten Energiespeichers, erfolgt dann beim Auftreten eines Fehlerfalls. Der Energieausgleich erfolgt, wie beschrieben, über das Energietransferelement zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz, z.B. im Stand des Fahrzeugs.According to another operating strategy, the energy transfer element may already be subject to a safety-critical error, e.g. be opened directly after the start of the vehicle, so that a separation of the connection between the first and the second subnet is made. The supply of the number of consumers then takes place from the second subnet. A supply of consumers from the first energy storage, d. H. the memory portion of the third energy storage, then takes place when an error occurs. The energy balance is effected, as described, via the energy transfer element between the first and second sub-networks, e.g. in the state of the vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Zwei-Speicher-Bordnetzes bei dem keine redundante Versorgung von Verbrauchern vorgesehen ist; -
2 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Zwei-Speicher-Fahrzeug-Bordnetzes, bei dem eine redundante Versorgung ausgewählter Verbraucher ermöglicht ist; -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Drei-Speicher-Fahrzeug-Bordnetzes mit zwei Spannungsebenen, bei dem ein Energietransferelement zwischen einem ersten und einem zweiten Teilnetz gleicher Spannungsebene angeordnet ist; -
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drei-Speicher-Fahrzeug-Bordnetzes mit unterschiedlichen Spannungsebenen, bei dem ein Energietransferelement zwischen einem Knotenpunkt eines dritten Teilnetzes einer dritten Spannungsebene und einem Teilabgriff eines Energiespeichers des dritten Teilnetzes verschaltet ist; und -
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drei-Speicher-Fahrzeug-Bordnetzes, welches eine abgewandelte Verschaltung des Energietransferelements gegenüber4 illustriert.
-
1 a schematic representation of a conventional two-storage vehicle electrical system in which no redundant supply of consumers is provided; -
2 a schematic representation of a known from the prior art two-storage vehicle electrical system, in which a redundant supply of selected consumers is possible; -
3 a schematic representation of an inventively designed three-memory vehicle electrical system with two voltage levels, in which an energy transfer element between a first and a second sub-network of the same voltage level is arranged; -
4 a schematic representation of a three-memory vehicle electrical system according to the invention with different voltage levels, in which an energy transfer element between a node of a third sub-network of a third voltage level and a partial tap of an energy storage of the third sub-network is connected; and -
5 a schematic representation of a three-memory vehicle electrical system according to the invention, which faces a modified interconnection of the energy transfer element4 illustrated.
Das erste Teilnetz umfasst im elektrischen Ersatzschaltbild einen ersten Energiespeicher Batt1. Bei dem ersten Energiespeicher
An das zweite Teilnetz
Entgegen der zeichnerischen Darstellung der Anbindung des Verbrauchers
In entsprechender Weise ist ein zweiter Stromverteiler
Während manche, in
Das Entkoppelelement
Da der Energieinhalt des ersten Energiespeichers
Aus Gründen der Energieeffizienz werden daher lediglich sicherheitsrelevante Verbraucher bzw. Komponenten redundant entweder über den ersten oder den zweiten Stromverteiler mit Energie versorgt. Solche Verbraucher sind beispielsweise Komponenten, die zur Querführung des Fahrzeugs benötigt werden, wie z.B. ein Motor zur Ansteuerung einer Lenkung.For reasons of energy efficiency, therefore, only safety-relevant consumers or components are supplied redundantly either via the first or the second power distributor with energy. Such consumers are, for example, components needed for the lateral guidance of the vehicle, such as e.g. a motor for controlling a steering.
Die Ansteuerung des Entkoppelelements
Anstelle des Schaltelements S1 kann das Entkoppelelement
Alternativ können sowohl das Schaltelement als auch der parallel dazu verschaltete Gleichspannungswandler
Um einen Fehler des Gleichspannungswandlers
Die Trennung der beiden Teilnetze
Der Standenergie- oder Ruhestrombedarf des Fahrzeugs kann synergetisch über die beiden Energiespeicher
Das dritte Teilnetz
Der dritte Energiespeicher
Das erste Teilnetz
Die Betriebsstrategie zur Sicherstellung der Versorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher
Wird der Ladungsausgleich über den Gleichspannungswandler
Die
Die Variante gemäß
Das vorgeschlagene Fahrzeug-Bordnetz ermöglicht die einfache und kostengünstige Realisierung eines Drei-Speicher-Bordnetzes, welches physikalisch tatsächlich nur zwei Energiespeicher benötigt. Ein zusätzlicher redundanter Energiespeicher des ersten Teilnetzes kann durch die synergetische Nutzung eines Teilabgriffes des Energiespeichers des dritten Teilnetzes, das mit einer höheren Nennspannung betrieben wird, entfallen. Sicherheitsrelevante Funktionen können durch die intelligente Versorgung und Verschaltung sowie durch eine einfache Modifikation der üblichen 48/12-Volt Standardarchitektur gewährleistet werden. Insbesondere wird ein hochautonomes Fahren mit redundanter Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher ermöglicht.The proposed vehicle electrical system allows the simple and cost-effective implementation of a three-storage vehicle electrical system, which physically requires only two energy storage. An additional redundant energy storage of the first subnetwork can be omitted by the synergetic use of a Teilabgriffes the energy storage of the third subnetwork, which is operated with a higher nominal voltage. Safety-relevant functions can be ensured by the intelligent supply and interconnection as well as by a simple modification of the usual 48/12-volt standard architecture. In particular, highly autonomous driving with redundant supply of safety-relevant consumers is made possible.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fahrzeug-BordnetzVehicle electrical system
- 1010
- erstes Teilnetzfirst subnet
- 2020
- zweites Teilnetzsecond subnet
- 3030
- drittes Teilnetzthird subnet
- Batt1Batt1
- erster Energiespeicherfirst energy store
- Batt2BATT2
- zweiter Energiespeichersecond energy store
- Batt3Batt3
- dritter Energiespeicherthird energy storage
- B1B1
- Speicherabschnitt des dritten EnergiespeichersMemory section of the third energy storage
- B2 B2
- Restspeicherabschnitt des dritten EnergiespeichersRemaining memory portion of the third energy storage
- BKPBKP
- TeilabgriffTeilabgriff
- EEEE
- Entkoppelelementdecoupling
- ETEETE
- EnergietransferelementEnergy transfer element
- DC/DCDC / DC
-
Gleichspannungswandler des Entkoppelelements
EE zwischen erstem und zweitem TeilnetzDC-DC converter of the decoupling elementEE between the first and second subnets - DC/DC2DC / DC2
- Gleichspannungswandler zwischen zweitem und drittem TeilnetzDC-DC converter between the second and third subnetwork
- DC/DC3DC / DC3
- GleichspannungswandlerDC converter
- FF
- Sicherungfuse
- GG
- Generatorgenerator
- KLKL
- Klemmenjam
- S, EPSS, EPS
- sicherheitsrelevante Verbrauchersafety-relevant consumers
- VV
- Verbraucherconsumer
- SV, SHSV, SH
- erster Stromverteilerfirst power distributor
- SV2SV2
- zweiter Stromverteilersecond power distributor
- SGRSGR
- Energeierzeuger (Startergenerator)Energeierzeuger (starter generator)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102014221281 A1 [0014, 0039]DE 102014221281 A1 [0014, 0039]
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