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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers eines Fahrzeugs aus zwei separaten Versorg ungsei nheiten.
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Ein Fahrzeug weist mehrere elektrische Verbraucher auf, die unterschiedliche Funktionen in dem Fahrzeug bereitstellen. Die elektrischen Verbraucher können zumindest teilweise unterschiedliche Sicherheitsanforderungen, insbesondere auch an die jeweilige Energieversorgung, aufweisen. Beispielsweise kann ein Fahrzeug eine bestimmte (typischerweise relativ geringe) Anzahl von sicherheitsrelevanten Verbrauchern aufweisen, die meist ein bestimmtes ASIL (Automotive Safety Integrity Level) Niveau aufweisen müssen. Des Weiteren kann das Fahrzeug eine (typischerweise relative große) Anzahl von nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern aufweisen, die z.B. nur gemäß QM (Qualitätsmanagement) zertifiziert und/oder entwickelt sein müssen.
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Sicherheitsrelevante Verbraucher sind z.B. Systeme für hoch- und/oder vollautomatisiertes Fahren (HAF bzw. VAF) und/oder x-by-wire (Break-by-Wire oder Steer-by Wire) Systeme, die ausschließlich über elektrische Signale gesteuert werden und die keinen mechanischen oder hydraulischen Durchgriff auf die zu stellende Größe aufweisen. Derartige Funktionen müssen ggf. mit einer Verfügbarkeit gemäß ASIL D (ISO 26262) zur Verfügung gestellt werden.
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Die Verfügbarkeitsanforderung an die jeweilige Funktion überträgt sich typischerweise automatisch auf die Schnittstellen der jeweiligen Funktion, so dass u.a. für die Energieversorgung der jeweiligen Systeme die gleiche Verfügbarkeitsanforderung zu stellen ist. Da einzelne Versorgungseinheiten bzw. Energiequellen, wie Batterien, Generatoren oder DC/DC-Wandler, diese Verfügbarkeitsanforderung typischerweise nicht einzeln erfüllen können, werden die Versorgungseinheiten für einen sicherheitsrelevanten elektrischen Verbraucher meist redundant und, in Bezug auf eine gemeinsame Fehlerursache, unabhängig voneinander ausgeführt.
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Ein fehlertolerantes System kann durch die parallele Ausführung von zwei parallel verlaufenden Wirkketten bzw. Teilsystemen, jeweils bestehend aus einem Steuergerät, aus Sensorik und aus Aktuatorik, implementiert werden. In Bezug auf die Energieversorgung kann jedem der beiden redundanten Teilsysteme eine unabhängige Stromversorgung zugeordnet sein. Ein derartiges System kann als elektrischer Gesamtverbraucher betrachtet werden. Die parallelen Teilsysteme können als Verbraucher oder als Teilverbraucher des Gesamtverbrauchers betrachtet werden.
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Die beiden Wirkketten bzw. Teilsysteme können derart implementiert werden, dass eine symmetrische Redundanz bewirkt wird. Beispielsweise kann eine Lenkung für hochautomatisiertes Fahren (HAF) zwei Teilsysteme umfassen, wobei jedes Teilsystem die Hälfte der Lenkleistung zu der insgesamt verfügbaren Lenkleistung beiträgt. Andererseits können beide Wirkketten bzw. Teilsysteme derart implementiert werden, dass eine asymmetrische und/oder kalte Redundanz bereitgestellt wird. Beispielsweise können bei einer Bremse für HAF im Normalbetrieb ein Vollsystem (als erster Verbraucher oder als erster Teilverbraucher) zum Einsatz kommen, und im Falle eines Ausfalls ein (während des Normalbetriebs im Standby befindliches) zusätzliches Hilfssystem (als zweiter Verbraucher oder als zweiter Teilverbraucher) die Bremsfunktion übernehmen. Das Hilfssystem ist dabei typischerweise weniger leistungsfähig ausgelegt als das Vollsystem.
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Die Verfügbarkeit eines Teilsystems eines fehlertoleranten Systems hängt unter anderem auch direkt von der Ausfallwahrscheinlichkeit der zugehörigen Versorgungseinheit ab. Dies ist insbesondere bei einem System mit asymmetrischer Redundanz wichtig, da durch den Ausfall des performanteren Teilsystems (d.h. des ersten Teilverbrauchers) eine signifikante Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Systems einhergeht.
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Um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu reduzieren, kann somit die Energieversorgung des performanten Teilsystems (d.h. des ersten Teilverbrauchers) selbst redundant ausgeführt werden.
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Für ein fehlertolerantes System mit einer Ein-Fehler Toleranz unter Aufrechterhaltung der Arbitrierfähigkeit (d.h. mit einer 2oo3, zwei „out-of“ 3, Architektur mit 3-facher Redundanz) müssten dann zumindest drei unabhängige Versorgungseinheiten verwendet werden.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine effiziente Energieversorgung in Hinblick auf die Verfügbarkeit für einen fehlertoleranten Gesamtverbraucher (bevorzugt bei Vorliegen einer asymmetrischen Redundanz) in einem Fahrzeug bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch jeden einzelnen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Energieversorgungs-Vorrichtung für einen elektrischen Gesamtverbraucher und/oder für einen ersten elektrischen Verbraucher beschrieben. Der Gesamtverbraucher und/oder der erste Verbraucher sind jeweils eingerichtet, eine bestimmte Funktion, insbesondere für den Fahrbetrieb eines (Kraft-) Fahrzeugs, bereitzustellen. Beispielhafte Funktionen sind das Lenken des Fahrzeugs und/oder das Abbremsen des Fahrzeugs. Beispielsweise können der Gesamtverbraucher und/oder der erste Verbraucher Teil eines X-by-Wire Systems sein. Der Gesamtverbraucher und/oder der erste Verbraucher können gemäß einem bestimmten ASIL-Niveau zertifiziert und/oder ausgelegt sein.
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Der Gesamtverbraucher kann den ersten Verbraucher (in diesem Dokument auch als der erste Teilverbraucher bezeichnet) und bevorzugt zumindest einen redundanten zweiten Verbraucher (in diesem Dokument auch als der zweite Teilverbraucher bezeichnet) umfassen. Dabei kann der Gesamtverbraucher eine asymmetrische Redundanz aufweisen. Insbesondere können die Leistungsfähigkeit und/oder die (elektrische) Leistungsaufnahme des ersten Teilverbrauchers höher sein als die Leistungsfähigkeit und/oder die (elektrische) Leistungsaufnahme des zweiten Teilverbrauchers (z.B. um den Faktor 1.5 oder mehr, oder 2 oder mehr).
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Die Vorrichtung umfasst eine erste Versorgungseinheit bzw. Energiequelle (z.B. einen (ggf. elektrochemischen) Energiespeicher, einen Generator und/oder einen Gleichspannungswandler), die über ein erstes Schaltelement (der Vorrichtung) mit dem ersten Verbraucher koppelbar ist.
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Die erste Versorgungseinheit kann Teil eines ersten Teilnetzes eines elektrischen Versorgungsnetzes eines Fahrzeugs sein. Das erste Schaltelement kann zumindest einen Halbleiter-basierten Schalter, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, und/oder ein Relais umfassen.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine zweite Versorgungseinheit bzw. Energiequelle (z.B. einen (ggf. elektrochemischen) Energiespeicher, einen Generator und/oder einen Gleichspannungswandler), die über ein zweites Schaltelement (der Vorrichtung) und über ein oder mehrere elektrische Begrenzungselemente (der Vorrichtung) mit dem ersten Verbraucher koppelbar ist. Die zweite Versorgungseinheit kann Teil eines zweiten Teilnetzes des elektrischen Versorgungsnetzes (z.B. des elektrischen Bordnetzes) eines Fahrzeugs sein. Der zweite Verbraucher des Gesamtverbrauchers kann mit der zweiten elektrischen Versorgungseinheit gekoppelt sein und/oder aus der zweiten elektrischen Versorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgt werden. Das zweite Schaltelement kann zumindest einen Halbleiter-basierten Schalter, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, und/oder ein Relais umfassen.
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Die ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselemente (z.B. ein oder mehrere passive elektrische Elemente) können einen ohmschen Widerstand umfassen, der eingerichtet ist, den Strom von der zweiten Versorgungseinheit zur ersten Versorgungseinheit zu begrenzen. Der Widerstand kann ausreichend hoch sein, um eine wesentliche Begrenzung des Stroms zu bewirken. Andererseits kann der Widerstand ausreichend gering sein, um zu gewährleisten, dass der Anteil der von der zweiten Versorgungseinheit bereitgestellten zweiten Versorgungsspannung, der bei geschlossenem zweiten Schaltelement an den ersten Verbraucher abfällt, einen zuverlässigen Minimalbetrieb des ersten Teilverbrauchers ermöglicht.
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Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselemente eine elektrische Filterschaltung umfassen, die eingerichtet ist, zumindest teilweise eine Übertragung von leitungsgebundenen Störungen von der ersten Versorgungseinheit zu der zweiten Versorgungseinheit und/oder umgekehrt zu dämpfen.
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Durch die ein oder mehreren Begrenzungselemente kann somit eine Begrenzung der gegenseitigen Beeinflussung der ersten und der zweiten Versorgungseinheit bewirkt werden (insbesondere dann, wenn sich eingekoppelte Störungen von einer zur anderen Versorgungseinheit ausbreiten können und damit als „common cause initiator“ für einen gleichzeitigen Ausfall aller Verbraucher oder Teilverbraucher eines Gesamtverbrauchers im Sinne der ISO26262 gelten können).
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein drittes Schaltelement, das eingerichtet ist, die ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselemente zu überbrücken. Das dritte Schaltelement kann zumindest einen Halbleiter-basierten Schalter, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, und/oder ein Relais umfassen.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine (Hardware- und/oder Software-basierte) Steuereinheit. Dabei kann die Steuereinheit in vorteilhafter Weise Teil des ersten Teilverbrauchers, insbesondere Teil eines Steuergeräts des ersten Teilverbrauchers, sein. So können insbesondere Anforderungen in Bezug auf die funktionale Sicherheit in effizienter Weise erfüllt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass in einem Normalbetrieb das erste Schaltelement geschlossen ist. Des Weiteren kann bewirkt werden, dass das zweite und dritte Schaltelement geöffnet sind. In dem Normalbetrieb kann somit eine Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers (ggf. allein) anhand der ersten Versorgungseinheit (und ggf. nicht anhand der zweiten Versorgungseinheit) erfolgen.
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Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, zu detektieren, dass die erste Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit einen Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Die Vorrichtung kann zumindest eine Messeinheit (z.B. einen Spannungsmesser) umfassen, die eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf die erste Versorgungsspannung zu erfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, auf Basis der Sensordaten zu detektieren, dass die erste Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit den Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
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Der Spannungs-Schwellenwert kann derart sein, dass oberhalb des Spannungs-Schwellenwerts zumindest eine Logikschaltung des ersten Teilverbrauchers korrekt funktioniert, wenn die erste Versorgungsspannung über dem Spannungs-Schwellenwert liegt. Andererseits kann die Logikschaltung des ersten Teilverbrauchers ggf. beeinträchtigt sein, wenn die erste Versorgungsspannung den Spannungs-Schwellenwert unterschreitet. Die erste und/oder die zweite Versorgungsspannung können z.B. einen Nennwert von 12 V aufweisen. Für einen korrekten Betrieb der Logikschaltung des ersten Teilverbrauchers kann ggf. eine (erste und/oder zweite) Versorgungsspannung von 6 V erforderlich sein. Der Spannungs-Schwellenwert kann in diesem Beispiel z.B. zwischen 7 V und 9 V liegen.
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Der erste Verbraucher kann eingerichtet sein, vor Erreichen des Spannungs-Schwellenwerts eine Leistungsdegradation durchzuführen. Insbesondere kann ggf. nach-und-nach mit sinkender erster Versorgungsspannung die elektrische Leistungsaufnahme (und als Folge daraus die Leistungsfähigkeit) des ersten Teilverbrauchers reduziert werden. Eine leistungsabhänge Leistungsdegradation des ersten Teilverbrauchers kann dazu beitragen, dass die erste Versorgungsspannung (vor Erreichen des Spannungs-Schwellenwertes) stabilisiert wird.
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Die Steuereinheit der Vorrichtung kann eingerichtet sein, in Reaktion darauf, dass erkannt wird, dass die erste Versorgungsspannung den Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschritten hat, zu bewirken, dass zunächst das zweite Schaltelement geschlossen wird. Als Folge daraus kann der erste Verbraucher sowohl (direkt) mit der ersten Versorgungseinheit als auch (indirekt über die ein oder mehreren Begrenzungselemente) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt sein. So kann ein unterbrechungsfreier Übergang der Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers von der ersten Versorgungseinheit auf die zweite Versorgungseinheit bewirkt werden.
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Des Weiteren kann anschließend bewirkt werden, dass das erste Schaltelement geöffnet wird. Als Folge daraus kann der erste Verbraucher (indirekt über die ein oder mehreren Begrenzungselemente) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt sein (und nicht mehr mit der ersten Versorgungseinheit gekoppelt sein).
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Ferner kann anschließend bewirkt werden, dass das dritte Schaltelement geschlossen wird, so dass der erste Verbraucher (direkt) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt ist. Durch das Schließen des dritten Schaltelements kann insbesondere bewirkt werden, dass die ein oder mehreren Begrenzungselemente überbrückt werden, so dass eine vollständige Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers aus der zweiten elektrischen Versorgung ermöglicht wird.
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Insgesamt wird durch die in diesem Dokument beschriebene Energieversorgungs-Vorrichtung eine Energieversorgung für einen in Bezug auf die Energieversorgung fehlertoleranten (Gesamt-)Verbraucher in einem Fahrzeug ermöglicht. Dabei kann eine fehlertolerante Funktion ohne Doppelung der Anzahl von Teilverbrauchern bewirkt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob die zweite Versorgungsspannung an der zweiten Versorgungseinheit über dem Spannungs-Schwellenwert und/oder über einem zweiten Spannungs-Schwellenwert liegt oder nicht (wobei der zweite Spannungs-Schwellenwert gleich oder größer als der Spannungs-Schwellenwert sein kann). Es kann dann (ggf. nur dann) bewirkt werden, dass der erste Verbraucher (durch Schließen des zweiten Schaltelements) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt wird, wenn bestimmt wurde, dass die zweite Versorgungsspannung über dem (ggf. zweiten) Spannungs-Schwellenwert liegt. Ein Umschalten auf die zweite Versorgungseinheit kann somit ggf. nur dann erfolgen, wenn festgestellt wird, dass die zweite Versorgungseinheit eine zuverlässige Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers ermöglicht. Somit kann die Zuverlässigkeit der Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers weiter erhöht werden.
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Wie bereits oben dargelegt, können die erste Versorgungseinheit Teil eines ersten Teilnetzes und die zweite Versorgungseinheit Teil eines zweiten Teilnetzes eines Gesamt-Energieversorgungsnetzes sein. Dabei können das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz über ein Koppel-Schaltelement (z.B. über einen Halbleiter-basierten Schalter) miteinander koppelbar sein (um einen Energieaustausch zwischen den beiden Teilnetzen zu ermöglichen).
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob das Koppel-Schaltelement (das das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz miteinander verbindet oder voneinander trennt) geöffnet ist. Es kann dann (ggf. nur dann) bewirkt werden, dass der erste Verbraucher (durch Schließen des zweiten Schaltelements) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt wird, wenn bestimmt wurde, dass das Koppel-Schaltelement geöffnet ist. So können in zuverlässiger Weise fehlerhafte und/oder nicht-zielführende Umschaltungen der Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers auf die zweite Versorgungseinheit vermieden werden (z.B. wenn das Koppel-Schaltelement weiterhin geschlossen ist), wodurch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung des ersten Teilverbrauchers weiter erhöht wird.
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Das zweite Schaltelement kann einen ersten Knotenpunkt (z.B. einen ersten Port, etwa die Source eines Transistors) aufweisen, der (direkt) mit der zweiten Versorgungseinheit gekoppelt ist und einen zweiten Knotenpunkt (z.B. einen zweiten Port, etwa den Drain eines Transistors) aufweisen, der (direkt) mit den ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselementen gekoppelt ist. Des Weiteren kann der erste Verbraucher (direkt) mit einem als Versorgungspunkt bezeichneten Punkt gekoppelt sein.
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Das dritte Schaltelement kann ausgebildet sein, den zweiten Knotenpunkt des zweiten Schaltelements (direkt) mit dem Versorgungspunkt zu koppeln (um die ein oder mehreren Begrenzungselemente zu überbrücken). Alternativ kann das dritte Schaltelement ausgebildet sein, den ersten Knotenpunkt des zweiten Schaltelements (direkt) mit dem Versorgungspunkt zu koppeln (um die Reihenschaltung aus den ein oder mehreren Begrenzungselementen und dem zweiten Schaltelement zu überbrücken). Durch die letztgenannte Variante kann eine Energieversorgung aus der zweiten Versorgungseinheit ohne Strombegrenzung bewirkt werden.
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Der Gesamtverbraucher kann einen (weiteren) redundanten dritten Verbraucher (in diesem Dokument auch als der dritte Teilverbraucher bezeichnet) umfassen, der mit der ersten Versorgungseinheit und ggf. über die Umschaltmimik (z.B. das zweite und/oder dritte Schaltelement) an die zweite Energieversorgung gekoppelt ist. So kann z.B. ein 2oo3 fehlertoleranter Gesamtverbraucher mit nur zwei Energieversorgungen bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrisches Versorgungsnetz für ein Fahrzeug beschrieben, das den Gesamtverbraucher und die in diesem Dokument beschriebene Energieversorgungs-Vorrichtung umfasst. Das Versorgungsnetz kann ein Niedervolt-Versorgungsnetz sein, mit einer Nennspannung von 60 V oder weniger, insbesondere mit einer Nennspannung von 48 V oder von 12 V.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Energieversorgungs-Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Versorgungsnetz umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Energieversorgung eines elektrischen Gesamtverbrauchers beschrieben, der zur Bereitstellung einer Funktion einen ersten Teilverbraucher (d.h. einen ersten Verbraucher) umfasst. Alternativ kann das Verfahren zur Energieversorgung eines ersten Teilverbrauchers (d.h. eines ersten Verbrauchers) ausgelegt sein. Das Verfahren umfasst das Bewirken, dass in einem Normalbetrieb ein erstes Schaltelement geschlossen ist, so dass der erste Teilverbraucher über das geschlossene erste Schaltelement mit einer ersten (elektrischen) Versorgungseinheit gekoppelt ist. Außerdem umfasst das Verfahren das Detektieren, dass eine erste Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit einen Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Das Verfahren umfasst ferner, in Reaktion darauf, das Bewirken, dass ein zweites Schaltelement geschlossen wird, so dass der erste Teilverbraucher über ein oder mehrere elektrische Begrenzungselemente (z.B. über ein oder mehrere passive elektrische Elemente) und über das geschlossene zweite Schaltelement mit einer zweiten (elektrischen) Versorgungseinheit gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das anschließende Bewirken, dass das erste Schaltelement geöffnet wird, um den ersten Teilverbraucher von der ersten Versorgungseinheit zu entkoppeln, sowie das anschließende Bewirken, dass ein drittes Schaltelement geschlossen wird, um die ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselemente zu überbrücken.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Versorgungsnetz eines Fahrzeugs;
- 2a und 2b jeweils eine beispielhafte Vorrichtung zur Energieversorgung von Teilverbrauchern eines sicherheitsrelevanten elektrischen Gesamtverbrauchers eines Fahrzeugs; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Versorgung eines Teilverbrauchers eines sicherheitsrelevanten elektrischen Gesamtverbrauchers mit elektrischer Energie.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Energieversorgung der Teilverbraucher eines sicherheitsrelevanten Gesamtverbrauchers in einem Fahrzeug. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein elektrisches Versorgungsnetz 100 mit zwei Teilnetzen 110, 120. In dem ersten Teilnetz 110 sind ein oder mehrere erste elektrische Verbraucher 111 angeordnet. Die ein oder mehreren ersten elektrischen Verbraucher 111 können gemäß einem bestimmten ASIL-Niveau zertifiziert und/oder ausgelegt sein und/oder können ein bestimmtes ASIL-Niveau an die Verfügbarkeit der Energieversorgung stellen. Die ein oder mehreren ersten elektrischen Verbraucher 111 können jeweils ein oder mehrere Messeinheiten 116 aufweisen, die eingerichtet sind, den Strom und/oder die Spannung an dem jeweiligen Verbraucher 111 zu messen. Auf Basis der Strom- und/oder Spannungsmessung kann (z.B. mittels einer Steuereinheit 103) eine direkte Überwachung von möglichen Fehlern des jeweiligen elektrischen Verbrauchers 111 und/oder der zugehörigen elektrischen Leitungen und/oder Kontakte erfolgen. Die ein oder mehreren elektrischen Verbraucher 111 können zur Energieversorgung (galvanisch) an eine erste Versorgungsleitung 112 und an eine Referenz 113 (z.B. an Masse) angeschlossen sein.
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Das zweite Teilnetz 120 umfasst ein oder mehrere zweite Verbraucher 121, die über eine zweite Versorgungsleitung 122 und einen Anschluss an die Referenz 123 (z.B. Masse) mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Referenzen 113, 123 der beiden Teilnetze 110, 120 können direkt miteinander galvanisch gekoppelt sein. Die ein oder mehreren zweiten Verbrauer 121 des zweiten Teilnetzes 120 können gemäß einem bestimmten ASIL-Niveau zertifiziert und/oder ausgelegt sein und/oder können ein bestimmtes ASIL-Niveau an die Verfügbarkeit der Energieversorgung stellen. Die ein oder mehreren zweiten elektrischen Verbraucher 121 können jeweils ein oder mehrere Messeinheiten 116 aufweisen, die eingerichtet sind, den Strom und/oder die Spannung an dem jeweiligen Verbraucher 111 zu messen.
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Die beiden Teilnetze 110, 120 können über ein Koppel-Schaltelement 102 miteinander gekoppelt sein. Das Schaltelement 102 kann bei Bedarf (z.B. bei einem Fehlerfall in einem der beiden Teilnetze 110, 120) geöffnet werden, um das zweite Teilnetz 120 und das erste Teilnetz 110 voneinander zu entkoppeln. Durch die Abtrennung des zweiten Teilnetzes 120 von dem ersten Teilnetz 110 kann bewirkt werden, dass das erste Teilnetz 110 nicht durch einen Fehler im zweiten Teilnetz 120 beeinträchtigt wird (und umgekehrt). Das Koppel-Schaltelement 102, das z.B. ein Halbleiter-basiertes Schaltelement umfasst, kann gemäß einem bestimmten ASIL-Niveau zertifiziert bzw. ausgelegt sein.
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Das erste Teilnetz 110 kann eine erste Versorgungseinheit 114 (z.B. eine Batterie und/oder einen Gleichspanungswandler) aufweisen. In entsprechender Weise kann das zweite Teilnetz 120 eine zweite Versorgungseinheit 124 (z.B. eine Batterie und/oder einen Gleichspanungswandler) aufweisen.
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Wie eingangs dargelegt, kann eine elektrische Komponente (d.h. ein elektrischer Gesamtverbraucher) zur Bereitstellung einer (typischerweise sicherheitsrelevanten) Funktion in mehrere Teilverbraucher aufgeteilt werden. Dabei können die Teilverbraucher bei Verwendung einer asymmetrischen Redundanz unterschiedliche Leistungsfähigkeiten aufweisen. Insbesondere kann ein elektrischer Gesamtverbraucher einen ersten Teilverbraucher mit einer relativ hohen Leistungsfähigkeit (insbesondere in Bezug auf ein oder mehrere Fähigkeiten des Teilverbrauchers) auf die und einen zweiten Teilverbraucher mit einer relativ niedrigen Leistungsfähigkeit aufweisen. Zum Erhalt der höheren funktionalen Leistungsfähigkeit kann der erste Teilverbraucher an zwei separate Versorgungseinheiten 114, 124 bzw. Teilnetze 110, 120 angeschlossen werden.
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2a und 2b zeigen jeweils eine Vorrichtung 200 zur Energieversorgung der Teilverbraucher 211, 221, 212 eines (fehlertoleranten) Gesamtverbrauchers eines Fahrzeugs. Der Gesamtverbraucher kann sich aus zwei oder drei Teilverbrauchern 211, 221, 212 zusammensetzen, die parallel zueinander betrieben werden. Beispielsweise kann der Gesamtverbraucher einen ersten Teilverbraucher 211 aufweisen, der zur Energieversorgung über das Schaltelement 201 an das erste Teilnetz 110 angeschlossen ist und über die elektrischen Elemente 206, 205 und das Schaltelement 202 bzw. über das Schaltelement 203 mit dem zweiten Teilnetz 120 verbindbar ist. Des Weiteren kann der Gesamtverbraucher einen zweiten Teilverbraucher 221 aufweisen, der zur Energieversorgung an das zweite Teilnetz 120 angeschlossen ist. Ferner kann der Gesamtverbraucher ggf. einen weiteren Teilverbraucher 212 umfassen, der ebenfalls an das erste Teilnetz 110 und/oder an die erste Versorgungseinheit 114 angeschlossen sein kann. Der erste Teilverbraucher 211 kann ggf. eine höhere Leistungsfähigkeit aufweisen als der zweite und/oder der weitere Teilverbraucher 221, 212. Insbesondere kann der erste Teilverbraucher 211 derart ausgelegt sein, dass durch den ersten Teilverbraucher 211 die Gesamtfunktion des Gesamtverbrauchers bereitgestellt werden kann, während durch den zweiten und/oder den weiteren Teilverbraucher 221, 212 ggf. jeweils nur eine Grundfunktion bzw. eine Not-Funktion bereitgestellt wird.
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Der erste Teilverbraucher 211 kann über ein erstes Schaltelement 201 mit der ersten Versorgungseinheit 114 gekoppelt sein. Des Weiteren kann der erste Teilverbraucher 211 über ein oder mehrere elektrische Filter- und/oder Begrenzungselemente 205, 206 und über ein zweite Schaltelement 202 mit der zweiten Versorgungseinheit 124 koppelbar sein. Ferner kann ein drittes Schaltelement 203 bereitgestellt werden, um die ein oder mehrere Filter- und/oder Begrenzungselemente 205, 206 zu überbrücken, und um den ersten Teilverbraucher 211 direkt (an den ein oder mehreren Filter- und/oder Begrenzungselementen 205, 206 vorbei) mit der zweiten Versorgungseinheit 124 und/oder mit dem zweiten Teilnetz 120 koppeln zu können.
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Im Normalbetrieb können das erste Schaltelement 201 geschlossen und das zweite und dritte Schaltelement 202, 203 geöffnet sein, so dass der erste Teilverbraucher 211 (ggf. allein) aus der ersten Versorgungseinheit 114 (und nicht aus der zweiten Versorgungseinheit 124) mit elektrischer Energie versorgt wird. Wenn ein Fehler im ersten Teilnetz 110 und/oder an der ersten Versorgungseinheit 114 detektiert wird (z.B. auf Basis der Sensordaten einer Messeinheit 116) kann zunächst das zweite Schaltelement 202 geschlossen werden, um den ersten Teilverbraucher 211 zusätzlich über die ein oder mehreren Filter- und/oder Begrenzungselemente 205, 206 mit elektrischer Energie aus der zweiten Versorgungseinheit 124 zu versorgen. Im weiteren Verlauf kann dann das erste Schaltelement 201 geöffnet werden (um die fehlerhafte erste Versorgungseinheit 114 und/oder das fehlerhafte erste Teilnetz 110 zu entkoppeln), und es kann daraufhin das dritte Schaltelement 203 geschlossen werden (um die ein oder mehreren Filter- und/oder Begrenzungselemente 205, 206 für eine effiziente Energieversorgung aus der zweiten Versorgungseinheit 124 zu überbrücken). So kann in effizienter Weise eine redundante Energieversorgung für einen Teilverbraucher 211 eines Gesamtverbrauchers bereitgestellt werden.
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Es wird somit eine Energieversorgungs-Vorrichtung 200 für einen ersten Teilverbraucher 211 beschrieben, bei der die Energiebereitstellung über zwei unabhängige Versorgungseinheiten 114, 124 erfolgt. Der erste Teilverbraucher 211 kann bei einem asymmetrischen 1oo2 System das leistungsfähigere Teilsystem der beiden Teilsysteme sein. Dieses Teilsystem wird an beide Teilnetze 110, 120 angeschlossen, so dass das leistungsfähigere Teilsystem bei einem Ausfall einer der beiden Versorgungseinheiten 114, 124 weiterhin verfügbar ist. Bei einem 2oo3 System kann ein Teilsystem an beide Energieversorgungen 114, 124 angeschlossen werden, und die anderen beiden Teilsysteme können jeweils an die erste Versorgungseinheit 114 oder an die zweite Versorgungseinheit 124 angeschlossen werden. Als Folge daraus bleibt im Fall eines Ausfalls einer Energieversorgung immer ein 2oo2-System übrig.
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Aus Gesichtspunkten eines systemweiten Energiemanagements in einem Fahrzeug heraus, sollte stets eine definierte Zuordnung von Komponenten bzw. Verbrauchern 212, 211, 221 und Versorgungseinheiten 114, 124 bestehen. Insbesondere sollte ein Toggeln oder Wechseln eines Teilverbrauchers 211 zwischen zwei unterschiedlichen Versorgungseinheiten 114, 124 vermieden werden. Ferner sollte ein unterbrechungsfreies Umschalten von einer Versorgungseinheit 114 auf eine andere Versorgungseinheit 124 ermöglicht werden, um so einen Reset eines Teilverbrauchers 211 durch kurzzeitige Unterspannung zu vermeiden. Außerdem sollte auch vorübergehend keine niederohmige Verkopplung der Teilnetze 110, 120 bzw. der unterschiedlichen Versorgungseinheiten 114, 124 erfolgen, um Leistungsspitzen in den Schaltelementen 201, 202 und/oder transiente Belastungen der Versorgungseinheiten 114, 124 zu vermeiden.
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Ein Umschalten von der primären Versorgungseinheit 114 auf die sekundäre Versorgungseinheit 124, das die o.g. Anforderungen erfüllt, wird durch die Schaltung 200 in den 2a und 2b sichergestellt. Dabei kann ein Widerstand R 205 verwendet werden, der einen Querstrom Iq zwischen den Teilnetzen 110, 120 auf einen zulässigen Wert begrenzt. Der Widerstand 205 kann derart ausgelegt sein, dass zumindest die Energieversorgung für den Logikanteil des an der Summenversorgung angeschlossenen Steuergeräts des ersten Teilverbrauchers 211 über die zweite Versorgungseinheit 124, bei geschlossenem zweiten Schaltelement 202 und bei geöffneten Schaltelementen 201, 203, sichergestellt ist. Des Weiteren kann eine Impedanz X 206 als eine Filterschaltung bereitgestellt werden. Eine Filterschaltung kann verwendet werden, um die Übertragung von leitungsgebundenen Störungen von einem Teilnetz 110 auf das andere Teilnetz 120 zu reduzieren und/oder zu unterbinden.
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Die Energieversorgungs-Vorrichtung 200 kann wie folgt betrieben werden. In einem Ausgangszustand ist das erste Schaltelement 201 geschlossen, und die Energieversorgung des Teilverbrauchers 211 erfolgt über die erste Versorgungseinheit 114.
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Ein Fehler in dem ersten Teilnetz 110 kann zu einer Reduktion der ersten Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit 114 führen. Der Teilverbraucher 211 an der Summenversorgung kann eine spannungsabhängige Leistungsdegradation durchführen, sobald die erste Versorgungsspannung unterhalb eines ersten Spannungs-Schwellenwerts fällt. Mit anderen Worten, die Leistungs- und/oder Stromaufnahme des Teilverbrauchers 211 kann (spannungsabhängig) reduziert werden.
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Wenn die erste Versorgungsspannung trotz der Degradation weiter sinkt, und unter einen zweiten Spannungs-Schwellenwert sinkt, so kann ein Umschalten auf das zweite Teilnetz 120 erfolgen. Der zweite Spannungs-Schwellenwert kann derart sein, dass aufgrund der Leistungsdegradation nur noch der Logikteil inklusive der Kommunikation des Teilverbrauchers 211 aktiv sind und der Leistungsteil des Teilverbrauchers 211 keine oder annähernd keine Funktion mehr aufweist.
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Zum Umschalten kann zunächst das zweite Schaltelement 202 geschlossen werden, um weiterhin eine stabile Funktion der Logikschaltung des Teilverbrauchers 211 über die zweite Versorgungseinheit 124 zu gewährleisten. Dabei wird das zweite Schaltelement 202 typischerweise nur dann geschlossen, wenn die zweite Versorgungsspannung an der zweiten Versorgungseinheit 202 größer als die erste Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit 201 ist und/oder wenn sich die zweite Versorgungsspannung in einem zulässigen Betriebsspannungsbereich für den Teilverbraucher 211 befindet.
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In einem weiteren Schritt wird das erste Schaltelement 201 geöffnet, um den Teilverbraucher 211 und das zweite Teilnetz 120 bzw. die zweite Versorgungseinheit 124 von der ersten Versorgungseinheit 114 zu entkoppeln. Schließlich kann das dritte Schaltelement 203 geschlossen werden. Als Folge daraus liegt die volle zweite Versorgungsspannung der zweiten Versorgungseinheit 124 an dem Teilverbraucher 211 an, und die Leistungsdegradation des Leistungsteils des Teilverbrauchers 211 kann wieder zurückgenommen werden. Die gesteuerte Umschaltung ist dann abgeschlossen.
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Wie in 2a dargestellt, kann das dritte Schaltelement 203 eingerichtet sein, die ein oder mehreren Begrenzungselemente 205, 206 aber nicht das zweite Schaltelement 202 zu überbrücken. Alternativ kann das dritte Schaltelement 203 eingerichtet sein, wie in 2b dargestellt, die ein oder mehreren Begrenzungselemente 205, 206 und das zweite Schaltelement 202 zu überbrücken. Durch die zweite Variante kann die Versorgungssicherheit aus Sicht von zufälligen Hardwarefehlern eines einzelnen Schaltelements 202, 203 weiter erhöht werden. Des Weiteren kann die Klemmenspannung an dem Teilverbraucher 211 durch Entfall eines Schalterinnenwiderstands erhöht werden. Die Schaltelemente 202 und 203 können somit parallel oder in Serie geschaltet sein.
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Die Parallelschaltung (gemäß 2b) ist aus Sicht einer niederimpedanten Versorgung vorteilhaft. Die Serienschaltung (gemäß 2a) kann aus Gründen der funktionalen Sicherheit vorteilhaft sein, wenn ein fehlerhaftes Verbinden der Versorgungsleitungen 122 und 112 sicher zu vermeiden ist.
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Die Steuerung der zeitlichen Abfolge der Stellungen der Schaltelemente 201, 202, 203 kann in Hardware in einem separaten Gerät 103 implementiert sein und/oder durch eine Logikschaltung, implementiert in dem Steuergerät 223 des Teilverbrauchers 211, erfolgen.
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Ggf. können (wie in Zusammenhang mit 1 dargelegt) die beiden Versorgungseinheiten 114, 124 nicht unabhängig voneinander sein, da die Versorgungseinheiten 114, 124 über das Energienetz 100 des Fahrzeugs mittels eines Koppel-Schaltelements 102 miteinander verbunden sind, wobei das Koppel-Schaltelement 102 von einem übergeordneten Energiemanagementsystem gesteuert werden kann. In diesem Fall können Spannungen an den beiden Versorgungseinheiten 114, 124 zu jedem Umschaltzeitpunkt ausgewertet werden, um ein fehlerhaftes Zu- und Abschalten einer Versorgungseinheit 114, 124 zu vermeiden. Bei einem geschlossenen Koppel-Schaltelement 102 brechen die beiden Versorgungsspannungen bei Vorliegen eines Versorgungsnetzfehlers zeitgleich ein. Erst nachdem das Versorgungsnetz 100 das Koppel-Schaltelement 102 geöffnet hat, kann das fehlerfreie Teilnetz anhand der Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Versorgungsspannung und/oder durch die Auswertung der Absolutwerte der an den Klemmen eines oder mehrerer Teilverbraucher 211, 212, 221 anliegenden Versorgungsspannung zuverlässig identifiziert werden. Es kann dann entschieden werden, ob ein Umschalten von der ersten Versorgungseinheit 114 auf die zweite Versorgungseinheit 124 erforderlich ist oder nicht. Dies kann z.B. in einer zentralen Steuereinheit 103 oder unabhängig davon in einem Steuergerät 223 (z.B. innerhalb des Verbrauchers 211) erfolgen. Insbesondere kann überprüft werden, ob die mindestens erforderliche Spannungsschwelle der aktuellen Versorgungspfades des ersten Teilverbrauchers 211 unterschritten wird.
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Wenn dies der Fall ist, kann auf die zweite Versorgungseinheit (in diesem Dokument auch als Energiequelle bezeichnet) 124 umgeschaltet werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Energieversorgung eines elektrischen Gesamtverbrauchers, der zur Bereitstellung einer Funktion (z.B. einer Brems- oder Lenkfunktion) einen ersten Teilverbraucher 211 und zumindest einen redundanten zweiten Teilverbraucher 221 umfasst. Dabei kann der Gesamtverbraucher eine asymmetrische Redundanz aufweisen, wobei der erste Teilverbraucher 211 ggf. eine höhere Leistungsfähigkeit in Bezug auf die zu erbringende Funktion aufweisen kann als der zweite Teilverbraucher 221. Das Verfahren 300 kann software- und/oder hardwarebasiert ausgeführt werden.
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Das Verfahren 300 umfasst das Bewirken 301, dass in einem Normalbetrieb ein erstes Schaltelement 201 geschlossen ist, so dass der erste Teilverbraucher 211 über das geschlossene erste Schaltelement 201 mit einer ersten Versorgungseinheit 114 gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das Detektieren 302, dass eine erste Versorgungsspannung an der ersten Versorgungseinheit 114 einen Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Der Spannungs-Schwellenwert kann dabei derart sein, dass unterhalb des Spannungs-Schwellenwertes die Funktion des ersten Teilverbrauchers 211 nicht mehr (oder zumindest nur noch teilweise) erbracht werden kann.
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Das Verfahren 300 umfasst ferner, in Reaktion auf das Detektieren 302, das Bewirken 303, dass ein zweites Schaltelement 202 geschlossen wird, so dass der erste Teilverbraucher 211 über ein oder mehrere elektrische Begrenzungselemente (z.B. ein oder mehrere passive elektrische Elemente) 205, 206 und über das geschlossene zweite Schaltelement 202 mit einer zweiten Versorgungseinheit 124 gekoppelt ist. Dabei kann der zweite Teilverbraucher 221 ggf. standardmäßig mit der zweiten Versorgungseinheit 124 gekoppelt sein. Der erste Teilverbraucher 211 kann somit vorübergehend sowohl mit der ersten Versorgungseinheit 114 (über das geschlossene erste Schaltelement 201) als auch mit der zweiten Versorgungseinheit 124 (über das geschlossene zweite Schaltelement 202) gekoppelt sein. Durch die ein oder mehreren Begrenzungselemente 205, 206 kann eine Begrenzung der Auswirkungen der zweiten Versorgungseinheit 124 auf die ersten Versorgungseinheit 114 (oder umgekehrt) bewirkt werden. So kann (ohne Unterbrechung) eine zuverlässige Energieversorgung bewirkt werden.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das anschließende Bewirken 304, dass das erste Schaltelement 201 geöffnet wird, um den ersten Teilverbraucher 211 von der ersten Versorgungseinheit 114 zu trennen. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das anschließende Bewirken 305, dass ein drittes Schaltelement 203 geschlossen wird, um die ein oder mehreren elektrischen Begrenzungselemente 205, 206 zu überbrücken. Als Folge daraus wird der erste Teilverbraucher 211 niederimpedant direkt aus der zweiten Versorgungseinheit 124 mit elektrischer Energie versorgt. Insgesamt kann durch das Verfahren 300 in effizienter Weise eine zuverlässige und redundante Energieversorgung für einen Teilverbraucher 211 eines elektrischen Gesamtverbrauchers bereitgestellt werden (z.B. für ein 1oo2 oder für ein 2oo3 Redundanzkonzept).
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
