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Die Erfindung betrifft ein Mehrspannungs-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, das einen Gleichspannungswandler umfasst, über den ein erstes Teilnetz einer ersten Spannungsebene mit höherer von Masse verschiedener Gleichspannung und zumindest einer Energiebereitstellungseinheit mit einem zweiten Teilnetz mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung und zumindest einen Energiespeicher verbunden ist.
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Mehrspannungs-Bordnetze mit Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandlern) sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt. Der Gleichspannungswandler dient dazu, Teilnetze des Bordnetzes gleicher oder unterschiedlicher Spannung energetisch zu verbinden. Solche Mehrspannungs-Bordnetze werden im Stand der Technik u.a. zur Erhöhung der Spitzenleistungsfähigkeit, z.B. bei der Elektrifizierung von Nebenaggregaten oder bei Hybrid-Antrieben, verwendet.
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In einem Mehrspannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs erfolgt die primäre Energieerzeugung in dem Teilnetz mit höherer von Masse verschiedener Gleichspannung. Die Versorgung des Teilnetzes mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung wird durch den Gleichspannungswandler realisiert, der die hohe Spannung des ersten Teilnetzes in die niedrigere Gleichspannung des zweiten Teilnetzes wandelt. Ein Energiespeicher dient dazu, die Spannung in dem zweiten Teilnetz zu stützen. Derzeit werden hierzu überwiegend Blei (Pb)-Akkumulatoren verwendet. Teilweise kommen auch Lithium-Akkumulatoren (insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren) in Betracht.
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Aus Kostengründen ist man bestrebt, die in einem Kraftfahrzeug verbauten Komponenten so kostengünstig wie möglich zu realisieren. Dies gilt insbesondere für den vergleichsweise teuren Gleichspannungswandler, der aus Kostengründen für manche Anwendungsfälle nicht mit einer hinreichenden Integrität gegenüber sog. Spannungsdurchgriffen von dem ersten Teilnetz mit höherer von Masse verschiedener Gleichspannung auf das zweite Teilnetz mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung gesichert ist. Werden in dem zweiten Teilnetz mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung Komponenten, die auf dem Betrieb mit der niedrigen Gleichspannung ausgelegt sind, mit Spannungspulsen aus dem ersten Teilnetz mit höherer Gleichspannung beaufschlagt, so kann ihr Versagen nicht sicher vorhergesagt werden. Ein Versagen, insbesondere von Steuergeräten im Fail-Safe-Mode, ist daher nicht mit der notwendigen Integrität sichergestellt.
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Diese Problematik tritt insbesondere dann auf, wenn anstelle von Blei-Akkumulatoren Lithium-Akkumulatoren verwendet werden. Während Blei-Akkumulatoren in der Lage sind, eine Überspannung für eine gewisse Zeit zu absorbieren und dadurch die Spannung im zweiten Teilnetz in einem zulässigen Betriebsspannungsbereich halten können, müssen Lithium-Akkumulatoren vor Über- und Unterspannung geschützt werden. Die Verwendung von Lithium-Akkumulatoren hat dadurch zur Folge, dass ein Spannungsdurchgriff von dem ersten Teilnetz mit höherer Gleichspannung in das zweite Teilnetz mit niedrigerer Gleichspannung technisch auf andere Weise gehandhabt werden muss.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Mehrspannungs-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug anzugeben, das baulich und/oder funktionell derart verbessert ist, dass ein Spannungsdurchgriff von einem Teilnetz mit höherer Gleichspannung auf ein Teilnetz mit niedrigerer Gleichspannung ohne unvorhersehbare Folgen für die in dem Teilnetz mit niedrigerer Gleichspannung angeschlossenen Komponenten ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mehrspannungs-Bordnetz gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird ein Mehrspannungs-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das einen Gleichspannungswandler umfasst, über den ein erstes Teilnetz einer ersten Spannungsebene mit höherer von Masse verschiedener Gleichspannung (nachfolgend: erstes Teilnetz mit höherer Spannung) und zumindest einer Energiebereitstellungseinheit mit einem zweiten Teilnetz mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung (nachfolgend: zweites Teilnetz mit niederer Spannung) und zumindest einem Energiespeicher verbunden ist.
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Das Mehrspannungs-Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass das Mehrspannungs-Bordnetz oder der Energiespeicher selbst ein steuerbares Schaltelement und eine Recheneinheit zur Überwachung des Energiespeichers und zur Steuerung des steuerbaren Schaltelements umfasst. Die Recheneinheit ist dazu ausgebildet, beim Auftreten eines vorbestimmten Kriteriums ein Steuersignal für das steuerbare Schaltelement zu erzeugen, um den Energiespeicher von dem zweiten Teilnetz zu trennen. Das von der Recheneinheit erzeugte Steuersignal wird zusätzlich einer Schalteinheit des ersten Teilnetzes zugeführt, um die Energiebereitstellungseinheit beim Auftreten eines vorbestimmten Kriteriums von dem ersten Teilnetz zu trennen. Die Energiebereitstellungseinheit kann aus einer Batterie oder einen Energiewandler oder einem Energiewandler in Verbindung mit einer Batterie bestehen.
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Das steuerbare Schaltelement und die Recheneinheit sind insbesondere interne Komponenten des Energiespeichers, wie diese beispielsweise bei Lithium-Akkumulatoren von Haus aus vorgesehen sind. Mittels der Recheneinheit kann das steuerbare Schaltelement, das im Normalbetrieb leitend geschaltet ist und damit eine elektrische Verbindung des Energiespeichers zu dem zweiten Teilnetz sicherstellt, beim Vorliegen des vorbestimmten Kriteriums den Energiespeicher von dem zweiten Teilnetz trennen, indem durch die Recheneinheit das steuerbare Schaltelement sperrend geschaltet wird. Durch diese Eigenschaft des Energiespeichers ist der Energiespeicher des zweiten Teilnetzes selbst vor Beschädigungen geschützt. Um auch mit dem zweiten Teilnetz verbundene, andere elektronische Komponenten vor Schäden im Falle des eingangs beschriebenen Spannungsdurchgriffs von dem ersten Teilnetz hoher Spannung zu verhindern, wird das von der Recheneinheit erzeugte Steuersignal zusätzlich einer Schalteinheit des ersten Teilnetzes zugeführt. Dadurch wird die Energiebereitstellungseinheit beim Vorliegen des vorbestimmten Kriteriums von dem ersten Teilnetz getrennt, so dass über den Gleichspannungswandler keine Energie mehr in das zweite Teilnetz niederer Spannung übertragen wird. Dadurch können die elektronischen Komponenten des zweiten Teilnetzes vor schädlichen Überspannungen geschützt werden.
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Insbesondere ist es durch diese Ausgestaltung nicht erforderlich den Gleichspannungswandler mit hoher Integrität auf den möglichen Fehlerfall eines Spannungsdurchgriffs auszulegen, so dass hier weiterhin ein vergleichsweise kostengünstiger Gleichspannungswandler zum Einsatz kommen kann.
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Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass vorhandene Signale und Komponenten verwendet werden können, um das zweite Teilnetz niederer Spannung zu schützen. Die Abschaltung des Energiespeichers des zweiten Teilnetzes und die Maßnahmen im Gleichspannungswandler können entsprechend der Norm ISO 26262 dekomponiert werden, so dass die umzusetzende Sicherheitsanforderung und damit die Kosten im Gleichspannungswandler reduziert werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, die Klemmenspannung des Energiespeichers zu überwachen und das Steuersignal zu erzeugen, wenn die Klemmenspannung einen vorgegebenen Schwellwert, der über der Nennspannung des Energiespeichers liegt, übersteigt. Das Übersteigen des ersten Schwellwerts stellt das vorbestimmte Kriterium dar, das zur Erzeugung des Steuersignals zum Sperrendschalten des steuerbaren Schaltelements des Energiespeichers des zweiten Teilnetzes mit niederer Spannung und der Schalteinheit im ersten Teilnetz mit höherer Spannung führt.
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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, das Steuersignal über zwei unterschiedliche Ausgangsanschlüsse auszugeben, wobei das Steuersignal für die Schalteinheit des ersten Teilnetzes zeitlich vor dem Steuersignal für das steuerbare Schaltelement des zweiten Teilnetzes ausgegeben wird. Hierdurch ist es möglich, die Schalteinheit in dem den Spannungsdurchgriff auslösenden, ersten Teilnetz zeitlich getrennt von dem Schaltelement anzusteuern, das die Abtrennung des Energiespeichers von dem zweiten Teilnetz realisiert, wodurch die Spannung im zweiten Teilnetz unter Umständen noch stabilisiert werden kann.
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Stabilisiert werden kann die Spannung in dem zweiten Teilnetz dann, wenn das Schalten der Schalteinheit in dem ersten Teilnetz den Fehler (d.h. die Überspannung) sofort beseitigt und das steuerbare Schaltelement in dem zweiten Teilnetz nicht zusätzlich geöffnet werden braucht. Dadurch bleibt die Energieversorgung der Komponenten in dem zweiten Teilnetz erhalten. Dieses Verhalten kann gezielt, z.B. durch eine Hardwarelösung, mit zwei Schaltschwellen erzeugt werden. Das Verhalten kann auch durch erneutes und dadurch zeitlich verzögertes Überprüfen des Auslösekriteriums mittels Software erzielt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Schalteinheit in einer Sammelleitung des ersten Teilnetzes zwischen einem Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers und einem Knotenpunkt, wobei zwischen dem Knotenpunkt und der Masse die Energiebereitstellungseinheit verschaltet ist, angeordnet ist. Auf diese Weise ist es, unabhängig vom Aufbau der Energiebereitstellungseinheit, möglich, mit lediglich einer einzigen Schalteinheit die Energie erzeugenden Komponenten von dem Gleichspannungswandler abzutrennen.
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Es ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Schalteinheit zumindest ein reversibles steuerbares Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement (wie z.B. einen MOS-FET) oder ein Relais oder Schütz, umfasst. Alternativ kann die Schalteinheit ein irreversibles steuerbares Schaltelement umfassen. Insbesondere kann hierzu die in vielen Fahrzeugen von Haus aus vorhandene Sprengklemme aktiviert werden, welche mit Hilfe einer Sprengladung eine Auftrennung der Sammelleitung am Eingang des Gleichspannungswandlers realisiert.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Energiebereitstellungseinheit als Komponente einen Generator und/oder einen weiteren Gleichspannungswandler umfasst. Zudem kann die Energiebereitstellungseinheit als Komponente einen weiteren Energiespeicher umfassen. Mit anderen Worten kann die Energiebereitstellungseinheit aus einer Mehrzahl an unterschiedlichen Komponenten, die entweder zur Energieerzeugung und/oder zur Energiespeicherung ausgebildet sind, bestehen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Schalteinheit für jede Komponente ein seriell mit dieser verschaltetes steuerbares Schaltelement umfasst oder, wenn eine Hardware-interne Schaltvorrichtung vorhanden ist, die Hardware-interne Schaltvorrichtung als Teil der Schalteinheit angesehen wird. Wenn der weitere Energiespeicher, wie der Energiespeicher des zweiten Teilnetzes, über ein steuerbares Schaltelement und eine Recheneinheit zur Überwachung des Energiespeichers und zur Steuerung des steuerbaren Schaltelements umfasst, so kann dieses interne steuerbare Schaltelement des weiteren Energiespeichers oder des Generators durch das von der Recheneinheit des Energiespeichers des zweiten Teilnetzes mit niederer Spannung erzeugte Steuersignal angesteuert werden. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn der weitere Energiespeicher des ersten Teilnetzes niederer Spannung ein Lithium-Akkumulator ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Ersatzschaltbildes eines ersten Ausgestaltungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mehrspannungs-Bordnetzes; und
- 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Ersatzschaltbildes eines zweiten Ausgestaltungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mehrspannungs-Bordnetzes.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrspannungs-Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug. Das Mehrspannungs-Bordnetz umfasst einen Gleichspannungswandler 30. Mit dem Gleichspannungswandler 30 sind ein erstes Teilnetz 10 einer ersten Spannungsebene mit höherer von Masse verschiedener Gleichspannung und ein zweites Teilnetz 20 mit niedrigerer von Masse verschiedener Gleichspannung verbunden. Bei dem ersten Teilnetz 10 kann es sich beispielsweise um ein 48 V-Teilnetz handein. Bei dem zweiten Teilnetz 20 kann es sich beispielsweise um ein 12 V-Teilnetz handein.
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Das erste Teilnetz 10 umfasst eine Energiebereitstellungseinheit 11, welche über eine Schalteinheit 12 mit einem Eingangsanschluss 31 des Gleichspannungswandlers 30 verbunden ist.
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Das zweite Teilnetz 20 umfasst einen Energiespeicher 21, z.B. einen Lithium-Akkumulator. Der Energiespeicher 21 umfasst ein steuerbares Schaltelement 22 und eine Recheneinheit 23 zur Überwachung des Energiespeichers, z.B. hinsichtlich Temperatur, Spannung und dergleichen, wobei die Recheneinheit auch zur Steuerung des steuerbaren Schaltelements 22 dient. Das steuerbare Schaltelement 22 und die Recheneinheit 23 sind insbesondere interne Komponenten des Energiespeichers 21, da diese im Falle eines Lithium-Akkumulators für einen funktionssicheren Betrieb benötigt werden. Neben dem Energiespeicher 21 umfasst das zweite Teilnetz 20 mit niederer Spannung zumindest einen Verbraucher 24. Bei dem Verbraucher 24 kann es sich um ein Steuergerät oder einen beliebigen anderen Verbraucher handeln.
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Die Recheneinheit 23 des Energiespeichers 21 ist dazu ausgebildet, beim Auftreten eines vorbestimmten Kriteriums ein Steuersignal Sig für das steuerbare Schaltelement zu erzeugen, um den Energiespeicher von dem zweiten Teilnetz 20 zu trennen. Mit anderen Worten ist das steuerbare Schaltelement 22 in einem Normalbetrieb leitend geschaltet und wird beim Vorliegen des vorbestimmten Kriteriums sperrend geschaltet. Das vorbestimmte Kriterium ist beispielsweise dann erfüllt, wenn die zwischen den Klemmen des Energiespeichers 21 anliegende Spannung einen ersten vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Das Überschreiten des ersten Schwellwerts würde zu einer Schädigung des Energiespeichers führen. Die Recheneinheit 23 dient somit dazu, den Energiespeicher 21 vor Beschädigungen zu schützen.
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Das vorbestimmte Kriterium kann neben dem Spannungsschwellwert auch andere Kriterien, wie z.B. eine zu hohe und/oder eine zu tiefe Temperatur und dergleichen umfassen.
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Da im Falle einer Überspannung im zweiten Teilnetz 20 nicht nur der Energiespeicher 21 vor Beschädigungen geschützt werden soll, sondern auch der Verbraucher 24, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das von der Recheneinheit 23 des Energiespeichers 21 erzeugte Steuersignal Sig zusätzlich der Schalteinheit 12 des ersten Teilnetzes 10 zugeführt wird. Dadurch kann die Energiebereitstellungseinheit 11 beim Auftreten, z.B. der Überspannung, von dem ersten Teilnetz 10 getrennt werden, wodurch die Überspannung auch nicht über den Gleichspannungswandler 30 auf das zweite Teilnetz 20 übergehen kann.
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In der in 1 gezeigten Ausgestaltungsvariante wird das von der Recheneinheit 23 erzeugte Signal Sig gleichzeitig an das interne steuerbare Schaltelement 22 und die Schalteinheit 12 des ersten Teilnetzes10 ausgegeben. Dadurch kann die Gefahr der Beschädigung des Verbrauchers 24 aufgrund einer Überspannung im zweiten Teilnetz 20 vermieden werden. Die Schalteinheit 12 kann ein reversibles steuerbares Schaltelement, z.B. ein Halbleiterschaltelement, ein Relais oder ein Schütz, sein. Bei der Schalteinheit 12 kann es sich auch um ein irreversibles steuerbares Schaltelement, wie z.B. um eine in vielen Fahrzeugen vorhandene Sprengklemme handeln.
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Das in 2 gezeigte Ausgestaltungsbeispiel unterscheidet sich von dem aus 1 dadurch, dass die Energiebereitstellungseinheit 11 als Komponenten einen Generator 13 zur Energiewandlung und einen weiteren Energiespeicher 14 zur Energiespeicherung umfasst. Anstelle des Generators 13 oder zusätzlich zu diesem könnte ein weiterer Gleichspannungswandler zur Energieerzeugung vorgesehen sein.
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Der weitere Energiespeicher 14 kann als Lithium-Akkumulator ausgebildet sein und daher, wie der Energiespeicher 21, über ein internes steuerbares Schaltelement 18 und eine Recheneinheit 19 zur Überwachung des Energiespeichers 14 und zur Steuerung des steuerbaren Schaltelements 18 verfügen. Der Generator 13 ist über ein steuerbares Schaltelement 17 an einen Knotenpunkt 16 einer Sammelleitung 15 des ersten Teilnetzes 10 gekoppelt. Wenn der Generator über eine interne Abschaltfunktion verfügt, so könnte stattdessen auch diese durch die Recheneinheit 23 angesteuert werden. Der weitere Energiespeicher 14 ist zwischen dem Knotenpunkt 16 und Masse verschaltet. Das steuerbare Schaltelement 17 und das steuerbare Schaltelement 18 bilden in dieser Variante die Schalteinheit 12. Zwischen dem Knotenpunkt 16 und dem Eingang 31 liegt hier lediglich optional ein steuerbares Schaltelement 12S, z.B. die bereits erwähnte Sprengklemme.
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Ein weiterer Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus 1 besteht darin, dass die Recheneinheit 23 des Energiespeichers 21 über zwei getrennte Ausgänge zur Ausgabe des Steuersignals Sig verfügt. Hierdurch ist es möglich, das steuerbare Schaltelement 22 des Energiespeichers 21 und die Schalteinheit 12 des ersten Teilnetzes 10 zu unterschiedlichen Zeitpunkten auszugeben. Insbesondere wird das Steuersignal zur Ansteuerung der Schalteinheit 12 des ersten Teilnetzes 10 zeitlich vor der Ansteuerung des internen steuerbaren Schaltelements 22 ausgegeben.
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Wie der 2 ohne Weiteres zu entnehmen ist, werden durch die Recheneinheit 23 nunmehr sowohl das interne steuerbare Schaltelement 18 des Weiteren Energiespeichers 14 als auch das steuerbare Schaltelement 17, das in Serie zu dem Generator 13 verschaltet ist, angesteuert, um die elektrische Verbindung zu dem Eingangsanschluss 31 des Gleichspannungswandlers 30 aufzutrennen.
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Bei beiden beschriebenen Ausgestaltungsvarianten können vorhandene Signale und vorhandene Komponenten verwendet werden, um das zweite Teilnetz vor Überspannungen zu schützen. Die Abschaltung des Energiespeichers im zweiten Teilnetz sowie der Energiebereitstellungseinheit (umfassend einen Generator und/oder Gleichspannungswandler sowie einen weiteren Energiespeicher) sowie Maßnahmen im Gleichspannungswandler 30 können entsprechend der ISO 26262 dekomponiert werden, so dass umzusetzende Sicherheitsanforderungen und Kosten im Gleichspannungswandler klein gehalten werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Teilnetz
- 11
- Energiebereitstellungseinheit
- 12
- Schalteinheit
- 12S
- Sprengklemme
- 13
- Generator
- 14
- weiterer Energiespeicher (z.B. 48V-Akkumulator)
- 15
- Sammelleitung des ersten Teilnetzes
- 16
- Knotenpunkt
- 17
- steuerbares Schaltelement
- 18
- steuerbares Schaltelement
- 19
- Recheneinheit
- 20
- zweites Teilnetz
- 21
- Energiespeicher (z.B. 12V-Akkumulator)
- 22
- steuerbares Schaltelement
- 23
- Recheneinheit
- 24
- Verbraucher
- 25
- Sammelleitung des zweiten Teilnetzes
- 30
- Gleichspannungswandler
- 31
- Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers
