DE102019105504A1

DE102019105504A1 - Energienetz für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Energienetzes für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019105504A1
Application number: DE102019105504.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Schneider; Jörg Spießhofer; Tihomir Tomanic
Original assignee: Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10
Also published as: US20220185209A1; CN113613957A; WO2020178233A1; EP3934941A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochverfügbares Energienetz (E) für ein Kraftfahrzeug mit manueller oder hochautomatisierter Fahrfunktion. Dazu umfasst das Energienetz (E) ein erstes Teilenergienetz (T1), die an ein Versorgungspotential (KL30.B) angeschlossen ist, ein zweites Teilenergienetz (T2), und ein Koppelelement (K, Kx), welches das zweite Teilenergienetz (T2) über das erste Teilenergienetz (T1) mit dem Versorgungspotential (KL30.B) koppelt. Das Koppelelement (K, Kx) weist dabei eine reversible Trennfunktion auf, sodass das Koppelelement (K, Kx) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert des ersten Teilenergienetzes (T1) das erste Teilenergienetz (T1) von dem zweiten Teilenergienetz (T2) reversibel zu entkoppeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energienetz für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein erstes Teilenergienetz, das an ein Versorgungspotential angeschlossen ist, ein zweites Teilenergienetz, und ein Koppelelement, welches das zweite Teilenergienetz über das erste Teilenergienetz mit dem Versorgungspotential koppelt. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energienetzes.
Als Energienetz oder auch Energie-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs wird in der Fahrzeugtechnik eine Energieversorgung und eine Verschaltung einzelner Teilenergienetze, also beispielsweise einzelner Komponenten, genannt. Allgemein kann das Energienetz in ein abstraktes Energienetz, auch Energieverteilungsnetz genannt, und ein physikalisches Bordnetz eingeteilt werden. Das abstrakte Energienetz beschreibt dabei eine Energieverteilung, Energieversorgung und Energiewandlung für oder durch die Komponenten des Energienetzes. Hingegen sind durch das physikalische Bordnetz die realen Komponenten, wie beispielsweise ein Leitungsstrang, Stecker, Kabel und die einzelnen Bauteile, beschreiben.
Um Auswirkungen eines Kurzschlusses auf ein Energieverteilungsnetz zu vermeiden, ist aus der DE 10 2017 201 488 A1 ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in dem elektrischen Energieverteilungsnetz, bei dem elektrische Energie von wenigstens einer elektrischen Energiequelle an wenigstens einen Verbraucher bereitgestellt wird, bekannt. Dabei wird in dieser Druckschrift hauptsächlich ein mathematisches Verfahren zum Detektieren des Kurzschlusses beschrieben.
Weiterhin ist aus der DE 10 2012 022 083 A1 eine Schutzschaltung für ein elektrisches Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei wird auf ein Auslösesignal eines Steuergeräts hin ein auslösbares Abschaltelement angesteuert, um eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Schutzschaltung zu unterbrechen. Dabei kann die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss durch das Abschaltelement nicht wieder durch ein Steuersignal des Steuergeräts bereitgestellt werden. Insbesondere im Falle eines Unfalls, der beispielsweise mittels eines Airbag-Steuergeräts festgestellt werden kann, kann so beispielweise eine Starterbatterie des Kraftfahrzeugs von dem elektrischen Versorgungsnetz getrennt werden. Dadurch kann eine Gefährdung von Passagieren und Ladung des Kraftfahrzeugs unterbunden werden.
Schließlich ist aus der DE 10 2014 214 501 A1 noch ein Verfahren zur Steuerung eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt. Ein Mehrspannungsbordnetz ist dabei ein Bordnetz, welches mehrere Teilnetze mit unterschiedlichen Netzspannungen umfasst. Um nun Auswirkungen eines Kurzschlusses in einem der Teilnetze auf ein anderes der Teilnetze zu reduzieren, ist in dieser Druckschrift eine Steuereinheit vorgesehen, die einen Kurzschluss zwischen diesen Teilnetzen detektieren und daraufhin eine betroffene Komponente des jeweiligen Teilnetzes zu deaktivieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, eine Verfügbarkeit eines Energienetzes zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Durch die Erfindung ist ein Energienetz für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Energienetz umfasst ein erstes Teilenergienetz, das an ein Versorgungspotential angeschlossen ist, ein zweites Teilenergienetz und ein Koppelelement, welches das zweite Teilenergienetz über das erste Teilenergienetz mit dem Versorgungspotential koppelt. Dabei weist das Koppelelement eine reversible Trennfunktion auf. Somit ist das Koppelelement ausgebildet, in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert des ersten Teilenergienetzes, das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz reversibel zu entkoppeln.
Anders ausgedrückt, ist das beschriebene Energienetz des Kraftfahrzeugs derart ausgebildet, dass das erste Teilenergienetz und das zweite Teilenergienetz sozusagen physikalisch voneinander getrennte Abschnitte des Energienetzes darstellen. Die physikalische und somit elektrisch leitfähige Verbindung der beiden Teilenergienetze erfolgt nur über das Koppelelement. Das Koppelelement weist dabei die genannte reversible Trennfunktion auf. Somit kann die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Teilenergienetz und dem zweiten Teilenergienetz reversibel und insbesondere auch zerstörungsfrei getrennt, jedoch bei Bedarf auch wieder hergestellt werden.
Das Trennen oder Verbinden, also das Koppeln oder Entkoppeln des ersten und zweiten Teilenergienetzes, die auch als Verbrauchereinheiten bezeichnet werden können, erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert. Bevorzugt kann das Trennen oder Verbinden auch in Abhängigkeit von mehr als nur einem physikalischen Wert, also von mehreren physikalischen Werten erfolgen. Insbesondere werden die beiden Teilenergienetze nur dann entkoppelt, wenn der oder die physikalischen Werte eine Funktionsstörung des ersten Teilenergienetzes darstellen. Eine Funktionsstörung kann beispielsweise eine Überlastung zum Beispiel durch einen Kurzschluss und/oder erhöhte Summenströme des ersten Teilenergienetzes sein. Somit ist das Koppelelement sozusagen dazu ausgebildet, den oder die physikalischen Werte zu erfassen und auszuwerten und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Auswertens das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz elektrisch zu trennen oder zu verbinden.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Verbraucherrückwirkungen, also Fehler in einem Teilenergienetz, insbesondere einer Komponente eines Teilenergienetzes, nicht nur das betroffene Teilenergienetz, sondern das gesamte Energienetz negativ beeinflussen und im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des gesamten Energienetzes führen können. Durch das reversible Koppelelement können nun die Teilenergienetze im Fehlerfall entkoppelt werden. Anders ausgedrückt, können durch den Einsatz des Koppelelements mit reversibler Trennfunktion im Hauptversorgungspfad diese Verbraucherrückwirkungen nun eliminiert werden. Das Koppelelement trennt im Fall einer Verbraucherrückwirkung, die mit Hilfe des wenigstens einen physikalischen Werts festgestellt werden kann, die Teilenergienetze voneinander. Somit kann sich die Verbraucherrückwirkung also nicht auf das gesamte Energienetz, also insbesondere auf das zweite Teilenergienetz auswirken.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die reversible Trennfunktion des Koppelelements eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilenergienetz nach Beheben der Funktionsstörung in dem ersten Teilenergienetz, obwohl die Teilenergienetze zuvor physikalisch voneinander getrennt waren, wieder hergestellt werden kann. Insbesondere wenn es sich bei der Funktionsstörung um einen Fehler in einer Software zur Ansteuerung des ersten Teilenergienetzes handelt, kann dieser häufig während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs durch Neustart des Teilenergienetzes beziehungsweise einer Komponente des Teilenergienetzes behoben werden. Die Funktionsstörung wäre somit behoben, was das Koppelelement durch Erfassen des physikalischen Werts feststellen könnte, und das erste Teilenergienetz könnte mit dem zweiten Teilenergienetz wieder gekoppelt werden. Wären die beiden Teilenergienetze in diesem Fall hingegen irreversibel getrennt beziehungsweise entkoppelt worden, hätte zum Austausch einer Verbindungsleitung zwischen den Teilenergienetzen beziehungsweise des Koppelelements eine Werkstatt aufgesucht werden müssen. Bevorzugt kann in einer Ausgestaltung des Energienetzes durch die reversible Trennfunktion somit sozusagen ein komponenten-individueller Hardwarereset (Komponenten-Rücksetzung) möglich, wenn sich die Komponente, und somit gegebenenfalls das gesamte Teilenergienetz, beispielsweise aufgrund eines Softwarefehlers „aufgehängt“ hat. Insgesamt kann dadurch die Verfügbarkeit des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
Weiterhin können durch den Einsatz des Koppelelements mit reversibler Trennfunktion, anstelle von beispielsweise Schmelzsicherungen mit irreversibler Trennfunktion, Kosten und Gewicht des physikalischen Energienetzes reduziert werden.
Das genannte Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Das Kraftfahrzeug kann dabei insbesondere als elektrisches Kraftfahrzeug, Hybridfahrzeug oder Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor ausgebildet sein.
Das erste und zweite Teilenergienetz können insbesondere jeweils als einzelne elektrische Komponenten beziehungsweise Verbraucher des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Alternativ können sowohl das erste als auch das zweite Teilenergienetz auch eine Vielzahl von einzelnen Komponenten beziehungsweise Verbrauchern umfassen. Das erste Teilenergienetz kann beispielsweise als Infotainmentsystem und/oder Radio- beziehungsweise Soundanlagenansteuerung und/oder Navigationssystem und/oder Innenlichtansteuerung und/oder Kofferraumlichtansteuerung ausgebildet sein. Hingegen kann das zweite Teilenergienetz beispielsweise als Bremsregelungssystem und/oder Lenksystem und/oder eine Lichtansteuerung und/oder eine Wischeransteuerung ausgebildet sein. Im Allgemeinen kann es sich bei den Komponenten der Teilenergienetze auch um Steuergeräte für verschiedene Systeme des Kraftfahrzeugs handeln. Neben den Komponenten können die beiden Teilenergienetze oder Teilenergienetze beispielweise auch wenigstens eine Energiequelle und/oder einen Energiespeicher beziehungsweise Anschlüsse zum Koppel mit einer Energiequelle oder einem Energiespeicher umfassen. Weiterhin können die beiden Teilenergienetze noch eine Verkabelung und/oder Anschlüsse zu weiteren Teilenergienetzen beziehungsweise Verbrauchereinheiten des Kraftfahrzeugs umfassen.
Über das genannte Versorgungspotential kann beispielsweise eine 12-Volt Versorgungsspannung an das erste beziehungsweise zweite Teilenergienetz bereitgestellt werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann das Koppelelement auch ausgebildet sein, in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert des Energienetzes, insbesondere eines Versorgungspfades des Energienetzes, das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz reversibel zu entkoppeln.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der physikalische Wert des ersten Teilenergienetzes einen elektrischen Wert und/oder einen Temperaturwert darstellt.
Ein elektrischer Wert kann dabei beispielsweise als Strom- beziehungsweise Spannungswert ausgebildet sein. Beispielsweise kann der physikalische Wert einen Kurzschluss als Funktionsstörung des ersten Teilenergienetzes, insbesondere einer Komponente des ersten Teilenergienetzes darstellen. Somit können die beiden Teilenergienetze insbesondere dann voneinander reversibel entkoppelt werden, wenn durch das Koppelelement ein erhöhter Stromfluss von dem ersten Teilenergienetz zu dem zweiten Teilenergienetz erfasst wird. Hingegen kann durch den Temperaturwert beispielsweise ein Überhitzen des ersten Teilenergienetzes als Funktionsstörung angezeigt werden. Eine Funktionsstörung kann dabei nicht nur eine mechanische Zerstörung eines Bauteils des ersten Teilenergienetzes sein, sondern auch beispielsweise durch einen Hardwarefehler und/oder einen Softwarefehler in der Steuerung des ersten Teilenergienetzes hervorgerufen werden.
Somit kann das erste Teilenergienetz als Komponenten beispielsweise wenigstens einen elektrischen Verbraucher und wenigstens eine Energiequelle umfassen. Hingegen kann das zweite Teilenergienetz als Komponenten zum Beispiel lediglich elektrische Verbraucher umfassen. Nun könnte ein physikalischer Wert in Form eines Stromflusses von dem ersten Teilenergienetz zu dem zweiten Teilenergienetz von dem Koppelelement überwacht werden. Würde ein Stromwert in dem Stromfluss einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreiten, könnte das Koppelelement die beiden Teilnetze entkoppeln. So könnte verhindert werden, dass die Energiequelle des ersten Teilnetzes im Verbundenen Zustand der Teilnetze von den Komponenten des zweiten Teilnetzes entladen wird, sodass insbesondere nicht mehr ausreichend Energie zum Betrieben der übrigen Komponenten des ersten Teilnetzes zur Verfügung steht.
Alternativ könnte das erste Teilenergienetz als Mehrspannungsnetz ausgebildet sein. Das erste Teilenergienetz somit selbst Teilenergienetze jeweils mit eigenen Komponenten aufweisen, wobei die Teilenergienetze insbesondere unterschiedliche Versorgungspotentiale aufweisen. Dadurch könnte das Koppelelement auch in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert eines der Teilnetze des ersten Teilenergienetzes das reversible Entkoppeln des erste und zweiten Teilnetzes ausführen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das erste Teilenergienetz wenigstens eine nicht-sicherheitsrelevante Komponente zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs umfasst. Hingegen umfasst das zweite Teilenergienetz wenigstens eine sicherheitsrelevante Komponente zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs.
Anders ausgedrückt, kann das zweite Teilenergienetz also ein Teilenergienetz, das für ein sicheres Betreiben des Kraftfahrzeugs im Straßenverkehr erforderlich ist, darstellen. Bei der sicherheitsrelevanten Funktion des zweiten Teilenergienetzes kann es sich beispielsweise um eine Fahrfunktion, eine Lenkfunktion, insbesondere eine Lenkunterstützungsfunktion und/oder eine Bremsfunktion, insbesondere eine Bremsunterstützungsfunktion und/oder eine Lichtfunktion und/oder eine Wischerfunktion des Kraftfahrzeugs handeln. Hingegen kann das erste Teilenergienetz dementsprechend irrelevant für das sichere Betreiben des Kraftfahrzeugs sein und dient somit vielmehr einem Komfort eines Insassen des Kraftfahrzeugs. Bei der nicht-sicherheitsrelevanten Funktion des ersten Teilenergienetzes kann es sich beispielsweise um eine Navigationsfunktion und/oder Funktion einer Radiobeziehungsweise Soundanlage und/oder eine Infotainmentfunktion und/oder eine Beleuchtungsfunktion im Innenraum des Kraftfahrzeugs oder eines Kofferraums handeln.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass vermieden wird, dass eine Funktionsstörung einer nicht-sicherheitsrelevanten Komponente sich durch die zuvor beschriebene Verbraucherrückwirkung auf die Funktion einer sicherheitsrelevanten Komponente auswirkt. Besonders bevorzugt kann also die Energieversorgung von sicherheitsrelevanten Komponente, insbesondere nach der ISO26262 gewährleistet werden, wobei gleichzeitig die Fahrzeugverfügbarkeit erhalten werden kann.
Anders ausgedrückt, kann durch das Koppelelement mit reversibler Trennfunktion ein Schutz und eine Isolation der sicherheitsrelevanten Komponenten von den nicht-sicherheitsrelevanten Komponenten realisiert werden. Insgesamt kann so ein schlagartiger, unangekündigter Ausfall sicherheitsrelevanter elektrischer Systeme, wie zum Beispiel einer Lenkunterstützung und/oder einer Bremsunterstützung verhindert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das erste Teilenergienetz wenigstens eine sicherheitsrelevante Komponente zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs umfasst und das zweite Teilenergienetz wenigstens eine nicht-sicherheitsrelevante Komponente zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs umfasst.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Koppelelement als DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) oder als schaltbarer Potentialverteiler ausgebildet ist.
Der DC/DC-Wandler ist dabei insbesondere ebenfalls als schaltbarer DC/DC-Wandler ausgebildet.
Als schaltbar ist dabei zu verstehen, dass der DC/DC-Wandler beziehungsweise der Potentialverteiler angesteuert werden kann, um die reversible Trennfunktion bereitzustellen. Dazu kann sowohl der DC/DC-Wandler als auch der Potentialverteiler beispielsweise ein Schaltelement, wie etwa einen Halbleiterschalter oder ein Relais umfassen, welches in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert, also beispielsweise einem Strom oder einer Spannung die Verbindung zwischen dem ersten Teilenergienetz und dem zweiten Teilenergienetz trennt. Besonders bevorzugt können der schaltbare DC/DC-Wandler beziehungsweise der schaltbare Potentialverteiler auch als intelligenter DC/DC-Wandler beziehungsweise intelligenter Potentialverteiler bezeichnet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Koppelelement zum Bereitstellen der Trennfunktion wenigstens ein steuerbares Schaltelement, eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des physikalischen Werts, und eine Steuereinrichtung zum Generieren eines Steuersignal in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert zum Steuern des Schaltelements umfasst.
Das heißt das Koppelelement kann sozusagen als Auswerteeinrichtung genutzt werden, um eine Diagnose des Energienetzes, also des physikalischen Energie-Bordnetzes vorzunehmen. Es kann also beispielsweise der Strom beziehungsweise die Spannung ermittelt werden, beziehungsweise die Temperatur gemessen werden, und somit auch der Energie- beziehungsweise Leistungsverbrauch eines jeweiligen Teilenergienetzes des Energienetzes.
Die genannte Erfassungseinrichtung kann dabei beispielsweise als Stromsensor, Spannungssensor und/oder Temperatursensor ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung kann insbesondere als Controller, wie beispielsweise ein Mikrocontroller ausgebildet sein. Das Schaltelement kann bevorzugt als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Halbleiterschalter dabei in einem Schaltbetrieb betrieben werden, das heißt in einem eingeschalteten Schaltzustand ist der Halbleiterschalter elektrisch leitfähig und in einem ausgeschalteten Schaltzustand ist der Halbleiterschalter nicht elektrisch leitfähig. Zum Bereitstellen der reversiblen Trennfunktion kann der Halbleiterschalter dabei mit Hilfe der Steuereinrichtung insbesondere mit dem Steuersignal der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert angesteuert werden, und damit entweder in den eingeschalteten oder in den ausgeschalteten Schaltzustand versetzt werden. Der Halbleiterschalter kann dabei beispielsweise als Feldeffekttransistor, Bipolartransistor, Thyristor oder dergleichen ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Koppelelement ausgebildet ist, das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz nur dann in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert zu entkoppeln, wenn der physikalische Wert einen vorgegebenen Grenzwert entweder überschreitet oder unterschreitet. Analog kann vorgesehen sein, dass falls mehrere physikalische Werte erfasst werden, das Koppelelement ausgebildet sein kann, das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz nur dann in Abhängigkeit von den physikalischen Werten zu entkoppeln, wenn die physikalischen Werte einen jeweils zugehörigen, vorgegebenen Grenzwert entweder überschreiten oder unterschreiten.
Wird also von dem Koppelelement beispielsweise ein Spannungsabfall aufgrund eines Kurzschlusses in dem ersten Teilenergienetz und einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert festgestellt, kann das Koppelelement das erste und das zweite Teilenergienetz voneinander trennen. Analog gilt dies natürlich auch bei Feststellung einer Überspannung in dem Energienetz. Der Grenzwert kann dabei also insbesondere ein Stromgrenzwert, ein Spannungsgrenzwert und/oder ein Temperaturgrenzwert sein.
Beispielsweise ist für einen Normalbetrieb des zweiten Teilenergienetzes in der Regel im Durchschnitt eine Versorgungsspannung, also eine Spannung von mindestens 9,8 Volt bereitzustellen. Fällt die Spannung des zweiten Teilenergienetzes für beispielsweise mehr als eine Sekunde unter 9,8 Volt, kann die Funktionsfähigkeit des zweiten Teilenergienetzes gestört werden. Somit könnte das Koppelelement in diesem Fall die beiden Teilenergienetze voneinander trennen. Würde die Spannung von 9,8 Volt weiter auf weniger als 8,2 Volt fallen und dieser Zustand für beispielsweise mehr als 200 Millisekunden beibehalten werden, könnte dies ebenfalls eine Funktionsstörung des zweiten Teilenergienetzes nach sich ziehen. Analog gilt dies auch für den Fall, dass die Versorgungsspannung für mehr als 500 Mikrosekunden auf unter 6 Volt fällt. Somit kann das Koppelelement beispielsweise nicht nur in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Grenzwert sondern insbesondere auch in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Zeitwert die reversible Trennfunktion bereitstellen. Analog kann dies beispielsweise auch für den Strom oder die Temperatur des Energienetzes erfolgen. Je nach Dimensionierung des Energienetzes kann bei Feststellen eines Stromwerts von mehr als 300 Ampere oder beispielsweise mehr als 1000 Ampere das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz getrennt werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Energienetz ein Niedervoltnetz und ein Hochvoltnetz umfasst, welche über ein Wandlerelement miteinander gekoppelt sind. Dabei ist das Hochvoltnetz ausgebildet, das Niedervoltnetz mit Energie zu versorgen. Das Niedervoltnetz umfasst dabei neben dem ersten und dem zweiten Teilenergienetz auch das Koppelelement.
Anders ausgedrückt ist das Energienetz quasi als Mehrspannungsenergienetz ausgebildet, wobei die reversible Trennfunktion nur für das Niedervoltnetz realisiert ist. Das Niedervoltnetz und das Hochvoltnetz stellen also je ein unabhängiges Teilnetz des Energienetzes dar.
Diese Energienetzarchitektur wird insbesondere für moderne Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb genutzt. In der Anmeldung bezieht sich die Bezeichnung „Hochvoltnetz“ sowohl auf sogenannte Hochvolt-Energienetze mit einem Potential beziehungsweise einer Nennspannung von etwa 60 Volt bis etwa 1000 Volt, als auch auf sogenannte Mittelvolt-Energienetze mit einem Potential beziehungsweise einer Nennspannung von etwa 20 Volt bis etwa 60 Volt, in der Regel von etwa 48 Volt. Im Gegensatz bezieht sich die Bezeichnung „Niedervoltnetz“ auf ein sogenanntes Niedervolt-Energienetz mit einem Potential beziehungsweise einer Nennspannung von etwa kleiner gleich 30 Volt, in der Regel mit einer Nennspannung von etwa 12 Volt. In dem Hochvoltnetz ist dabei insbesondere eine Hochvoltbatterie und beispielsweise ein Elektromotor für den Elektroantrieb angeordnet. Somit versorgt sozusagen die Hochvoltbatterie des Hochvoltnetzes das erste und zweite Teilenergienetz des Niedervoltnetzes.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Hochvoltnetz über das Wandlerelement an das Versorgungspotential angeschlossen ist.
Bevorzugt ist das Wandlerelement als ein DC/DC-Wandler ausgebildet, der ein höheres Potential des Hochvoltnetzes in ein niedrigeres Potential, also die Versorgungsspannung für die Teilenergienetze des Niedervoltnetzes umwandeln kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass dem zweiten Teilenergienetz zur Energieversorgung eine Batterie zugeordnet ist. In einem Normalbetrieb des Energienetzes wird dann das erste Teilenergienetz und das zweite Teilenergienetz von dem Hochvoltnetz mit Energie versorgt. Für den Fall, dass jedoch das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz reversibel entkoppelt ist, wird das zweite Teilenergienetz dann von der Batterie mit Energie versorgt.
Anders ausgedrückt, wird die Batterie des zweiten Teilenergienetzes im Normalbetrieb des Energienetzes sozusagen von dem Hochvoltnetz, also insbesondere der Hochvoltbatterie des Hochvoltnetzes geladen. Als Normalbetrieb ist dabei derjenige Betrieb des Energienetzes zu verstehen, für den Fall, dass keine Funktionsstörung vorliegt. Wird hingegen eine Funktionsstörung des ersten Teilenergienetzes festgestellt und dementsprechend das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz getrennt, kann nun die Funktion des zweiten Teilenergienetzes gewährleistet werden, indem die Batterie des zweiten Teilenergienetzes das zweite Teilenergienetz mit Energie versorgt. Das zweite Teilenergienetz kann sich somit zumindest temporär selbst mit Energie versorgen.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere wenn es sich bei dem zweiten Teilenergienetz um sicherheitsrelevanten Komponenten des Energienetzes handelt, das Kraftfahrzeug weiterhin sicher zu einem geeigneten Abstellort gelenkt werden kann, ohne dass beispielweise eine Lenk- oder Bremsunterstützung ausfällt.
Optional kann auch dem ersten Teilenergienetz eine eigene Batterie zugeordnet sein, sodass selbst bei einem Ausfall des Hochvoltnetzes das gesamte Niedervoltnetz dennoch betrieben werden kann.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass somit das Koppelelement besonders bevorzugt auch für eine Batteriediagnose, also zum Beispiel einer Diagnose der Batterie des ersten Teilenergienetzes eingesetzt werden kann. Über das Koppelelement kann nämlich somit ein Strom beziehungsweise eine Spannung, die von der Batterie bereitgestellt wird, erfasst und ausgewertet werden. Über den Wert des Stroms beziehungsweise der Spannung kann anschließend auf eine Ladekapazität der Batterie und dadurch auf einen Alterungszustand der Batterie rückgeschlossen werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Energienetz, wie es zuvor beschrieben wurde.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zu Betreiben eines Energienetzes für ein Kraftfahrzeug. Das Energienetz umfasst dabei ein erstes Teilenergienetz, das an ein Versorgungspotential angeschlossen ist, ein zweites Teilenergienetz und ein Koppelelement, welches das zweite Teilenergienetz über das erste Teilenergienetz mit dem Versorgungspotential koppelt. In einem Schritt a) erfolgt dabei zunächst ein Erfassen eines physikalischen Werts des ersten Teilenergienetzes. Anschließend erfolgt in einem Schritt b) in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert: ein Generieren eines Steuersignals für das Koppelelement. Schließlich erfolgt in einem Schritt c) in Abhängigkeit von dem Steuersignal ein reversibles Entkoppeln des ersten Teilenergienetzes von dem zweiten Teilenergienetz.
Das Erfassen des physikalischen Werts kann dabei insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung erfolgen. Weiterhin kann das Energienetz, also insbesondere das Koppelelement auch eine Steuereinrichtung umfassen, die in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert das Steuersignal generiert, wobei durch das Steuersignal insbesondere ein Schaltelement des Koppelelements angesteuert werden kann. Durch Ansteuern dieses Schaltelements kann dann das reversible Entkoppeln der beiden Teilenergienetze erfolgen. Alternativ kann der physikalischen Wert selbst auch das Steuersignal darstellen. Somit kann das Koppelement direkt mit dem physikalischen Wert zum Verbinden oder Trennen der Teilenergienetze angesteuert werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energienetzes beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 ein schematisches Prinzipschaltbild eines Energienetzes für ein Kraftfahrzeug mit manueller Fahrfunktion, mit einer ersten vorzugsweisen Ausgestaltung eines Koppelelements mit reversibler Trennfunktion;
2 das schematisches Prinzipschaltbild eines Energienetzes für das Kraftfahrzeug mit manueller Fahrfunktion, wie in 1 dargestellt, mit einer zweiten vorzugsweisen Ausgestaltung eines Koppelelements mit reversibler Trennfunktion;
3 ein schematisches Prinzipschaltbild eines Energienetzes für ein Kraftfahrzeug mit hochautomatisierter Fahrfunktion und einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Koppelelements mit reversibler Trennfunktion; und
4 ein schematisches Flussdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zum Betreiben eines Energienetzes, welches ein Koppelelement mit reversibler Trennfunktion aufweist.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energienetzes. Das Energienetz E, auch Energie-Bordnetz genannt, ist insbesondere als Energienetz E eines Kraftfahrzeugs mit manueller Fahrfunktion ausgebildet. Das Energienetz E ist dabei in zwei Spannungsnetze, nämlich ein Hochvoltnetz HV und ein Niedervoltnetz NV aufgeteilt, wobei die beiden Spannungsnetze über ein Wandlerelement W, nämlich einen DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) miteinander gekoppelt sind. Das Wandlerelement kann somit ein höheres Potential des Hochvoltnetzes HV von etwa 48 Volt in ein niedrigeres Potential des Niedervoltnetz NV von etwa 12 Volt umwandeln, oder umgekehrt. Wie eingangs beschrieben, bezieht sich die Bezeichnung „Hochvolt“ in der Anmeldung sowohl auf eine Hochvolt-Nennspannung von etwa 60 Volt bis 1000 Volt, in der Regel von etwa 400 Volt bis 900 Volt, als auch auf eine Mittelvolt-Nennspannung von etwa 20 Volt bis etwa 60 Volt, in der Regel von etwa 48 Volt. Die Bezeichnung „Niedervolt“ bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung hingegen eine Niedervolt-Nennspannung von etwa kleiner gleich 30 Volt, in der Regel auf eine Nennspannung von etwa 12 Volt. In den Figuren ist das Hochvoltnetz HV insbesondere als Mittelvolt-Energienetz mit einem Potential von etwa 48 Volt beschrieben.
Beide Spannungsnetze weisen dabei eine Vielzahl von einzelnen Komponenten, im Folgenden auch Verbraucher genannt, auf. Das Hochvoltnetz HV umfasst als Komponenten neben einer Hochvoltbatterie B_HV, einen Hochvoltverbraucher R_HV und eine elektrische Maschine EM. Die Komponenten des Hochvoltnetzes HV sind dabei mit einem Anschluss an ein Pluspotential HV+ und mit ihrem jeweiligen zweiten Anschluss an ein Massepotential GND angeschlossen. Zwischen dem Massepotential GND und dem Pluspotential HV+ des Hochvoltnetzes HV liegt dann bevorzugt eine Spannung, also das zuvor genannte Potential von etwa 48 Volt an. In einem anderen als den gezeigten Ausführungsbeispielen könnte das Hochvoltnetz HV auch ein Potential von etwa 400 Volt bis 900 Volt aufweisen. In diesem Fall würde das Potential dann zwischen dem Pluspotential HV+ und einem in den Fig. nicht gezeigten Minuspotential HV- anliegen.
Im Gegensatz dazu sind die Komponenten des Niedervoltnetzes NV in Teilenergienetze, nämlich ein erstes Teilenergienetz T1 und ein zweites Teilenergienetz T2 unterteilt. Das erste Teilenergienetz T1 umfasst in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dabei eine Vielzahl an Komponenten, wie beispielsweise ein Kühlerlüfterelement KLE, ein Infotainmentsystem INF, ein Navigationssystem NAV sowie eine Radioansteuerung RAD Zusätzlich oder alternativ könnte das erste Teilenergienetz T1 eine Soundanlagenansteuerung und/oder eine Innenlichtansteuerung für das Kraftfahrzeug und/oder einen Kofferraum umfassen. Weiterhin kann das erste Teilenergienetz T1 in der 1 als Komponente optional auch eine Batterie B1 umfassen. Entsprechend sind die Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 als nicht-sicherheitsrelevante Komponenten zum Bereitstellen einer Funktion des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnte das erste Teilenergienetz T1 auch lediglich eine einzelne Komponente umfassen. Somit würde die eine Komponente dann sozusagen das erste Teilenergienetz T1 darstellen.
Um mit elektrischer Energie versorgt zu werden, ist die Batterie B1 des ersten Teilenergienetzes T1 mit einem Anschluss an ein Versorgungspotential KL30.B angeschlossen. Mit einem zweiten Anschluss ist die Batterie B1 ebenfalls an das Massepotential GND angeschlossen. Die übrigen Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 sind ebenfalls mit einem jeweils ersten Anschluss an das Versorgungspotential KL30.B angeschlossen. Dazu sind die einzelnen ersten Anschlüsse der übrigen Komponenten in einem Knoten zusammengeschaltet und bilden somit einen gemeinsamen Anschluss, mit dem die übrigen Komponenten an das Versorgungspotential KL30.B angeschlossen sind. Mit ihren jeweiligen zweiten Anschlüssen sind die übrigen Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 ebenfalls an das Massepotential GND angeschlossen.
Analog zu dem ersten Teilenergienetz T1 weist auch das zweite Teilenergienetz T2 eine Vielzahl von elektrischen Komponenten, wie beispielsweise ein Bremsregelungssystem BRS, ein Lenksystem EPS, eine Wischersteuerung Wl, eine Lichtsteuerung LI und eine Batterie B2 auf. Entsprechend sind die Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 als sicherheitsrelevante Komponenten zum Bereitstellen einer Funktion des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Jeder der Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 ist dabei über einen separaten ersten Anschluss an ein zweites Versorgungspotential KL30.A angeschlossen. Mit einem jeweils zweiten Anschluss sind die einzelnen Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 an das Massepotential GND angeschlossen.
Sowohl zwischen dem Versorgungspotential KL30.B und dem Massepotential GND, als auch zwischen dem Versorgungspotential KL30.A und dem Massepotential GND liegt dabei eine Versorgungsspannung für das erste und zweite Teilenergienetz T1 und T2, nämlich das zuvor genannte Niedervoltpotential von etwa 12 Volt an. Die Versorgungspotentiale KL30.B und KL30.A stellt vorzugsweise eine Versorgung der Teilenergienetze mit Dauerplus dar, was in der Fahrzeugtechnik häufig als „Klemme dreißig“ bezeichnet wird.
Neben dem ersten und zweiten Teilenergienetz T1 und T2 weist das Niedervoltnetz NV auch ein Koppelelement K auf. Das Koppelelement koppelt dabei das erste Teilenergienetz T1 mit dem zweiten Teilenergienetz T2. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Koppelelement K dazu über einen ersten Anschluss mit dem Versorgungspotential KL30.B und über einen zweiten Anschluss mit dem zweiten Versorgungspotential KL30.A verbunden. Das Koppelelement K hat dabei die Funktion, beispielsweise im Fall einer Funktionsstörung des ersten Teilenergienetzes T1, also insbesondere einer der Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1, das erste Teilenergienetz T1 von dem zweiten Teilenergienetz T2 zu entkoppeln. Somit können das erste Teilenergienetz T1 und das zweite Teilenergienetz T2 im Fall einer Funktionsstörung reversibel und zerstörungsfrei physikalisch voneinander getrennt werden.
Alternativ zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel könnte das erste Teilenergienetz T1 neben den zuvor beschriebenen Komponenten auch das Wandlerelement W und die Komponenten des Hochvoltnetzes HV umfassen. Somit könnte das Koppelelement K auch in Abhängigkeit von wenigstens einem physikalischen Wert des Wandlerelements W und/oder einer der Komponenten der Hochvoltnetzes HV das zweite Teilenergienetz V2 von dem ersten Teilenergienetz T2 entkoppeln.
Dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann folgende Situation beispielhaft zugrunde liegen. In einem Normalbetrieb des Energienetzes E kann zunächst die Hochvoltbatterie B_HV des Hochvoltnetzes HV ausgebildet sein, neben den Hochvoltverbrauchern R_HV und der elektrischen Maschine EM über das Wandlerelement W auch die Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 und des zweiten Teilenergienetzes T2 des Niedervoltnetzes NV zu versorgen. Dabei werden besonders bevorzugt auch die Batterie B1 und die Batterie B2 des ersten und zweiten Teilenergienetzes T1 und T2 mit Hilfe der Hochvoltbatterie B_HV aufgeladen. Im Normalbetrieb sind dazu die Versorgungspotentiale KL30.B und KL30.A des ersten und zweiten Teilenergienetzes T1 und T2 zunächst über das Koppelelement K elektrisch leitend miteinander verbunden.
Nun könnte eine der Komponenten, wie beispielsweise das Infotainmentsystem INF des ersten Teilenergienetzes T1, eine Funktionsstörung zum Beispiel in Form eines Kurzschlusses aufweisen. Durch den Kurzschluss könnte die Spannung des Niedervoltnetzes NV einbrechen. Der Kurzschluss in dem Infotainmentsystem INF könnte somit eine so genannte Verbraucherrückwirkung für alle anderen Komponenten des Niedervoltnetzes bewirken. Durch diese Verbraucherrückwirkung, nämlich den Spannungseinbruch, oder auch Spannungsabfall, würde somit nicht mehr ausreichend Spannung zum Betreiben der übrigen Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 und der Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 bereitstehen. Somit wären sowohl die Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 als auch die Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 nicht mehr funktionsfähig. Insgesamt würde also das gesamte Niedervoltnetz NV des Energienetzes E ausfallen.
Würde sich das Kraftfahrzeug, dem das Energienetz E zugeordnet ist, dabei beispielsweise in einem Fahrbetrieb befinden, könnte das Kraftfahrzeug durch Ausfall der sicherheitsrelevanten Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 nicht mehr gesteuert werden. Somit würde beispielsweise eine Lenkunterstützung und/oder eine Bremsunterstützung schlagartigen ausfallen, sodass das Kraftfahrzeug nur noch mit erheblichem Aufwand gebremst beziehungsweise gelenkt werden könnte. Weiterhin könnte bei einem derartigen Ausfall der Funktion von sicherheitsrelevanten Komponenten, wie beispielsweise des Lenksystems EPS oder des Bremsregelungssystems BRS das Kraftfahrzeug auch sofort automatisch angehalten werden. Das Kraftfahrzeug würde liegenbleiben. Insbesondere im Straßenverkehr würde dadurch eine Unfallgefahr erhöht werden.
Um nun einen derartigen Ausfall der der Brems- beziehungsweise Lenkunterstützung oder ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs zu verhindern, ist das Koppelelement K des Energienetzes E zum Entkoppeln der nicht sicherheitsrelevanten Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 und der sicherheitsrelevanten Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 ausgebildet. Dabei weist das Koppelelement die reversible Trennfunktion zum reversiblen und zerstörungsfreien Trennen der Teilenergienetze T1 und T2 auf. Um die reversible Trennfunktion zu realisieren, kann das Koppelelement K beispielsweise einen Halbleiterschalter umfassen, der in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert des ersten Teilenergienetzes T1 in einem eingeschalten Schaltzustand elektrisch leitfähig ist oder in einem ausgeschalteten Schaltzustand elektrisch nicht leitfähig ist, oder umgekehrt. Der physikalische Wert stellt dabei einen Strom, und/oder eine Spannung und/oder eine Temperatur des ersten Teilenergienetzes T1 dar. Dabei wird der Halbleiterschalter insbesondere dann in den nicht leitfähigen Schaltzustand versetzt, wenn der physikalische Wert außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegt. Anders ausgedrückt, wird sozusagen das erste Teilenergienetz T1 von dem zweiten Teilenergienetz T2 elektrisch getrennt, wenn der physikalische Wert einen vorgegebenen Grenzwert entweder überschreitet oder unterschreitet.
Im Fall des zuvor genannten Kurzschlusses im Infotainmentsystem INF würde sich also der zuvor beschriebene Spannungseinbruch in dem ersten Teilenergienetz T1 ergeben. Dieser Spannungseinbruch könnte beispielsweise von dem Koppelelement K erfasst werden und der Halbleiterschalter des Koppelelements K könnte seinen Schaltzustand dahingehend ändern, dass das erste Teilenergienetz von dem zweiten Teilenergienetz elektrisch getrennt wird. Alternativ könnte im Fall des Kurzschlusses durch das Koppelelement K auch ein erhöhter Stromfluss von dem zweiten Teilenergienetz T2 zu dem ersten Teilenergienetz T1 erfasst werden. Auch in diesem Fall könnte der Halbleiterschalter die Verbindung zwischen dem ersten Teilenergienetz T1 und dem zweiten Teilenergienetz T2 trennen.
Würde hingegen beispielsweise eine Funktionsstörung im Infotainmentsystem INF aufgrund eines Softwarefehlers in der Ansteuerung des Infotainmentsystems INF hervorgerufen werden, könnte das Infotainmentsystem INF, also insbesondere die Infotainmentsystemansteuerung, beispielsweise überhitzen. Die Überhitzung des Infotainmentsystems INF könnte ebenfalls von dem Koppelelement K erfasst werden. Um nun beispielsweise eine auf Überhitzung folgende mechanische Zerstörung des Infotainmentsystems INF zu vermeiden, und einer daraus resultierenden Verbraucherrückwirkung auf die sicherheitsrelevanten Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 entgegenzuwirken, könnte auch in diesem Fall das Koppelelement K das erste Teilenergienetz T1 und das zweite Teilenergienetz T2 bereits frühzeitig elektrisch voneinander trennen. Anschließend könnte beispielsweise zum Beheben der Funktionsstörung des Infotainmentsystems INF ein Neustart der Infotainmentsystemansteuerung ausgeführt werden. Dadurch könnte der Softwarefehler in der Ansteuerung des Infotainmentsystems INF behoben werden und das Infotainmentsystem INF wäre nach dem Neustart wieder funktionsfähig. Die Temperatur des Infotainmentsystems INF würde sinken und der physikalische Wert des ersten Teilenergienetzes würde wieder in dem vorgegebenen Wertebereich liegen. Dementsprechend könnte das erste Teilenergienetz durch das Koppelelement K wieder mit dem zweiten Teilenergienetz T2 gekoppelt werden. Somit könnte die Verfügbarkeit des Kraftfahrzeugs mit dem in 1 beschriebenen Energienetz verbessert werden.
Solange die beiden Teilenergienetze T1, T2 während der Funktionsstörung voneinander getrennt sind, können mit Hilfe der Batterie B2 die Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 zumindest temporär mit Energie versorgt werden. Analog gilt dies auch für die Batterie B1 des ersten Teilenergienetzes für den Fall, dass beispielsweise das Hochvoltnetz HV ausfällt.
2 zeigt ebenfalls das schematische Prinzipschaltbild des Energienetzes E wie es in 1 dargestellt ist. In 2 ist jedoch eine alternative Ausgestaltung des Koppelelements K dargestellt. In dem 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann nicht nur das gesamte Teilenergienetz T1 von dem gesamten Teilenergienetz T2, also das Versorgungspotential KL30.B von dem zweiten Versorgungspotential KL30.A durch das Koppelelement K getrennt werden. Stattdessen kann mit Ausnahme der Batterien B2 jede der Komponenten separat von dem Versorgungspotential KL30.A getrennt werden. Dazu weist das Koppelelement K eine Vielzahl an Schaltelementen S1 bis S5 auf. Das Schaltelement S1 ist zwischen das Versorgungspotential KL30.A und das Versorgungspotential KL30.B geschaltet, wobei an das Versorgungspotential KL30.B der gemeinsame Anschluss der nicht sicherheitsrelevanten Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 angeschlossen ist. In 2 ist die optionale Batterie B2 ebenfalls an den gemeinsamen Anschluss der nicht sicherheitsrelevanten Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 angeschlossen. Die Schaltelemente S2, S3, S4 und S5 sind analog dazu zwischen dem jeweiligen ersten Anschluss des Bremsregelungssystems BRS, des Lenksystems EPS, der Wischersteuerung WI und der Lichtsteuerung LI und dem Versorgungspotential KL30.A angeordnet. Durch Ansteuern der Schaltelemente S1 bis S5 kann somit jeder der genannten Komponenten separat mit dem Versorgungspotential KL30.A verbunden oder von diesem getrennt werden.
Weiterhin umfasst das Koppelelement in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Erfassungseinrichtung D mittels der insbesondere der physikalische Wert, oder auch einzelne physikalische Werte, jedes einzelnen der Komponenten des ersten und zweiten Teilenergienetzes T1, T2 erfasst werden kann. Der erfasste physikalische Wert kann dann von der Erfassungseinrichtung D an eine Steuereinrichtung C übermittelt werden. Die Steuereinrichtung C ist besonders bevorzugt ausgebildet, den physikalischen Wert auszuwerten und sozusagen zu prüfen, ob der physikalische Wert in dem vorgegebenen Wertebereich liegt. Liegt der physikalische Wert einer der Komponenten, beispielsweise der nicht sicherheitsrelevanten Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, kann die Steuereinrichtung C ein jeweiliges Steuersignal S generieren um das zu der Komponente gehörige Schaltelement S1 bis S5 anzusteuern. Durch das Ansteuern des Schaltelements kann schließlich die funktionsgestörte Komponente von dem Versorgungspotential KL30.A getrennt werden.
3 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild eines Energienetzes E für ein Kraftfahrzeug mit einer hochautomatisierten Fahrfunktion. Das Hochvoltnetz HV, das erste Teilenergienetz T1 und das zweite Teilenergienetz T2 sind dabei analog zu dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Energienetzes E aufgebaut. Anstelle der Wischersteuerung WI weist das zweite Teilenergienetz T2 jedoch als Komponente ein Radarsystem RA auf.
Zusätzlich zu dem zweiten Teilenergienetz T2 mit den sicherheitsrelevanten Komponenten weist das Energienetz E in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Ermöglichen der hochautomatisierten Fahrfunktion des Kraftfahrzeugs jedoch zusätzlich noch ein drittes Teilenergienetz T3 auf. Das dritte Teilenergienetz T3 umfasst dabei elektrische Komponenten, die dieselbe Funktion ausführen, wie die elektrischen Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2. Das dritte Teilenergienetz T3 ist somit redundant zu dem zweiten Teilenergienetz T2 ausgebildet.
Entsprechend umfasst das dritte Teilenergienetz T3 ein zweites Radarsystem RA2, ein zweites Bremsregelungssystem BRS2, ein zweites Lenksystem EPS2 und eine zweite Lichtsteuerung L12. Weiterhin umfasst das dritte Teilenergienetz T3 auch eine Batterie B3. Die Batterie B3 ermöglicht dabei analog zur Batterie B2 zumindest ein temporäres Versorgen der übrigen Komponenten des dritten Teilenergienetzes T3, für den Fall, dass das dritte Teilenergienetz T3 von dem ersten Teilenergienetz T1 entkoppelt ist. Alle Komponenten des dritten Teilenergienetz T3 sind dabei analog zu dem Komponenten des zweiten Teilenergienetzes T2 mit jeweils einem ersten Anschluss an ein drittes Versorgungspotential KL30.C angeschlossen und mit einem jeweiligen zweiten Anschluss an das Massepotential GND. Zwischen dem zweiten Versorgungspotential KL30.C und dem Massepotential GND liegt in diesem Fall ebenfalls in etwa ein Potential von 12 Volt. Analog zu dem zweiten Teilenergienetz T2 ist auch das dritte Teilenergienetz T3 über ein zweites Koppelelement Kx an das Versorgungspotential KL30.B angeschlossen.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich jedoch die Koppelelemente K und KX in ihrer Ausgestaltung. Das Koppelelement K zwischen dem ersten Teilenergienetz T1 und dem zweiten Teilenergienetz T2 ist analog zu dem Koppelelement in 1 und 2 beispielsweise als intelligenter Potentialverteiler ausgebildet. Im Gegensatz dazu, ist das Koppelelement KX zwischen dem ersten Teilenergienetz T1 und dem dritten Teilenergienetz T3 als steuerbarer DC/DC-Wandler ausgebildet. Somit sind auch die Koppelelemente redundant zueinander ausgebildet.
Alternativ zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel könnten die Koppelelemente K und KX auch gleich ausgebildet sein. Jedoch ist es häufig so, dass in einem Energienetz E zum Ermöglichen einer hochautomatisierten Fahrfunktion unterschiedliche Batterietechnologien für die Batterien B2 und B3 des zweiten Teilenergienetzes T2 und des dritten Teilenergienetzes T3 genutzt werden. Um nun also unterschiedliche Spannungslevel in Abhängigkeit von der verwendeten Batterietechnologie in dem zweiten Teilenergienetz T2 und dem dritten Teilenergienetz T3 einstellen zu können, ist es üblich, in diesem Fall auch unterschiedliche Koppelelemente K und KX zum Realisieren der reversiblen Trennfunktion auszuführen.
Für den Fall, dass also in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Funktionsstörung in einer der nicht sicherheitsrelevanten Komponenten des ersten Teilenergienetzes T1 auftritt, können nun ebenfalls das zweite und dritte Teilenergienetz T2 und T3 zum Vermeiden der Verbraucherrückwirkung separat von dem ersten Teilenergienetz T1 entkoppelt werden.
4 zeigt nun ein schematisches Flussidagramm von einzelnen Verfahrensschritten zum Betreiben einer beispielhaften Ausführungsform eines Energienetzes, wie es beispielsweise in einer der 1 bis 3 dargestellt ist.
Das Verfahren wird dabei mit einem Startschritt ST gestartet. Anschließend erfolgt in einem ersten Schritt 1 ein Erfassen des physikalischen Werts des ersten Teilenergienetzes T1. In einem nächsten Schritt 2 kann dann der erfasste physikalische Wert ausgewertet werden. Daraufhin erfolgt in einem Schritt 3 ein Prüfen, ob der physikalische Wert innerhalb oder außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegt. Liegt der physikalische Wert innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, kann als nächstes erneut der Schritt 1 des Erfassens eines neuen physikalischen Werts des ersten Teilenergienetzes T1 ausgeführt werden. Liegt der physikalische Wert hingegen außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, wird in einem Schritt 4 ein Steuersignal für das Koppelelement K, insbesondere für ein Schaltelement S1 bis S5 des Koppelelements K generiert. Anschließend kann das Koppelelement K beziehungsweise das jeweils zugehörige Schaltelement S1 bis S5 mit dem Steuersignal S angesteuert werden um ein reversibles Entkoppeln des ersten Teilenergienetzes T1 von dem zweiten Teilenergienetz T2 beziehungsweise von dem dritten Teilenergienetz T3 zu ermöglichen. Das Verfahren wird anschließend in einem Schritt T beendet.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein hochverfügbares Energienetz, insbesondere eine Energienetzarchitektur, sowohl für manuelles Fahren und auch für hochautomatisiertes Fahren bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017201488 A1 [0003]
DE 102012022083 A1 [0004]
DE 102014214501 A1 [0005]

Claims

Energienetz (E) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: - ein erstes Teilenergienetz (T1), das an ein Versorgungspotential (KL.30.B) angeschlossen ist, - ein zweites Teilenergienetz (T2), und - ein Koppelelement (K, Kx), welches das zweite Teilenergienetz (T2) über das erste Teilenergienetz (T1) mit dem Versorgungspotential (KL.30.B) koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass - das Koppelelement (K, Kx) eine reversible Trennfunktion aufweist, sodass das Koppelelement (K, Kx) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem physikalischen Wert des ersten Teilenergienetzes (T1) das erste Teilenergienetz (T1) von dem zweiten Teilenergienetz (T2) reversibel zu entkoppeln.
Energienetz (E) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Wert des ersten Teilenergienetzes (T1) einen elektrischen Wert und/oder einen Temperaturwert darstellt.
Energienetz (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Teilenergienetz (T1), wenigstens eine nicht-sicherheitsrelevante Komponente (KLE, INF, NAV, RAD) zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs umfasst, und - das zweite Teilenergienetz (T2) wenigstens eine sicherheitsrelevante Komponente (BRS, BRS2, EPS, EPS2, Wi, Li, Li2, Ra, Ra2) zum Bereitstellen einer Funktion eines Kraftfahrzeugs umfasst.
Energienetz (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (K, Kx) als DC/DC-Wandler oder als schaltbarer Potentialverteiler ausgebildet ist.
Energienetz (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (K, Kx) zum Bereitstellen der Trennfunktion wenigstens ein steuerbares Schaltelement (S1-S5), eine Erfassungseinrichtung (D) zum Erfassen des physikalischen Werts, und eine Steuereinrichtung (C) zum Generieren eines Steuersignal in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert zum Steuern des Schaltelements (S1-S5) umfasst.
Energienetz (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (K, Kx) ausgebildet ist, das erste Teilenergienetz (T1) von dem zweiten Teilenergienetz (T2) nur dann in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert zu entkoppeln, wenn der physikalische Wert einen vorgegebenen Grenzwert entweder überschreitet oder unterschreitet.
Energienetz (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Energienetz (E) ein Niedervoltnetz (NV) und ein Hochvoltnetz (HV) umfasst, welche über ein Wandlerelement (W) miteinander gekoppelt sind, wobei - das Hochvoltnetz (HV) ausgebildet ist, das Niedervoltnetz (NV) mit Energie zu versorgen, und - das erste Teilenergienetz (T1), das zweite Teilenergienetz (T2) und das Koppelelement (K, Kx) Teil des Niedervoltnetzes (NV) sind.
Energienetz (E) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltnetz (HV) über das Wandlerelement (W) an das Versorgungspotential (KL.30.B) angeschlossen ist.
Energienetz (E) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass - dem zweiten Teilenergienetz (T2) zur Energieversorgung eine Batterie (B2) zugeordnet ist, wobei - in einem Normalbetrieb des Energienetzes (E) das erste Teilenergienetz (T1) und das zweite Teilenergienetz (T2) von dem Hochvoltnetz (HV) mit Energie versorgt werden, und - nur für den Fall, dass das erste Teilenergienetz (T1) von dem zweiten Teilenergienetz (T2) reversibel entkoppelt ist, das zweite Teilenergienetz (T2) von der zweiten Batterie (B2) mit Energie versorgt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Energienetzes (E) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Energienetz (E) umfasst: - ein erstes Teilenergienetz (T1), das an ein Versorgungspotential (KL.30.B) angeschlossen ist, - ein zweites Teilenergienetz (T2), und - ein Koppelelement (K, Kx), welches das zweite Teilenergienetz (T2) über das erste Teilenergienetz (T1) mit dem Versorgungspotential (KL.30.B) koppelt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Erfassen (1) eines physikalischen Werts des ersten Teilenergienetzes (T1), b) in Abhängigkeit von dem physikalischen Wert: Generieren (4) eines Steuersignals (S) für das Koppelelement (K, Kx), und c) in Abhängigkeit von dem Steuersignal (S): reversibles Entkoppeln (5) des ersten Teilenergienetzes (T1) von dem zweiten Teilenergienetz (T2).