DE102020107695A1

DE102020107695A1 - Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes

Info

Publication number: DE102020107695A1
Application number: DE102020107695.9A
Authority: DE
Inventors: Nils Draese; Matthias Zabka; Georg Schill; Werner Schiemann; Sebastian Kaspar; Daniel Rabl
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Audi AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Audi AG
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-23
Also published as: CN113492779A; US20210291765A1

Abstract

Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs, wobei in dem Bordnetz mindestens ein Verbraucher (30) vorgesehen ist, wobei im Rahmen der Konfiguration des Bordnetzes (10) wenigstens einem von dem mindestens einen Verbraucher (30) ein elektrisches Modul zugeordnet wird, das wiederum aus einer Modulgruppe ausgewählt wird, wobei bei der Auswahl des elektrischen Moduls ein erstes Verbraucherkriterium, das sich auf eine Versorgungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers (30) bezieht, und ein zweites Verbraucherkriterium, das sich auf einen Rückwirkungsgrad des wenigstens einen Verbrauchers (30) bezieht, berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes und ein solches Bordnetz.
Stand der Technik
Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Man unterscheidet dabei zwischen dem Energiebordnetz und dem Kommunikationsbordnetz, wobei hierin vor allen Dingen auf das Energiebordnetz eingegangen wird, das dafür zuständig ist, die Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen.
In modernen Kraftfahrzeugen werden die Energieflüsse innerhalb des Energiebordnetzes häufig über ein Energiemanagement geregelt. Zur Steuerung des Bordnetzes ist üblicherweise ein Mikrocontroller vorgesehen, der neben Steuerungsfunktionen auch Überwachungsfunktionen ausführt.
In einem Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
Die im Bordnetz vorgesehen Verbraucher können direkt an dieses angeschlossen sein oder über Komponenten, die nachfolgend auch als elektrische Module bezeichnet werden, an dieses gekoppelt sein.
Im Energiebordnetz werden derzeit neue Komponenten eingeführt, die die Integrität der Energieversorgung mit einer definierten Qualität und Verfügbarkeit, d. h. mit ASIL-Zielen (ASIL: Automotive Safety Integrity Level: Automotive Sicherheitslevel), erfordern. Hinsichtlich der Qualität muss sichergestellt werden, dass die Versorgungsspannung in einem definierten Zielbereich garantiert wird. Negative Rückwirkungen durch Fehler und Fehlfunktionen müssen isoliert werden.
Hinsichtlich der Verfügbarkeit führt dies dazu, dass sicherheitskritische Komponenten nur noch mit einer äußerst geringen Wahrscheinlichkeit von einer stabilen elektrischen Energieversorgung getrennt werden dürfen. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass Störungen im Energiebordnetz mit einer sehr hohen Sicherheit vermieden bzw. Störer isoliert werden, um negative Rückwirkungen auf die Quelle und in Folge auf die sicherheitskritischen Verbraucher zu begrenzen.
Es sind einzelne Lösungen bekannt, die bestimmte Nutzungsfälle und Bedarfe adressieren. Insbesondere die Verknüpfung konkurrierender Sicherheitsziele zwischen dem Ziel, einen Energiebordnetzverbraucher zu versorgen und gleichzeitig Störungen des Verbrauchers vom Energiebordnetz zu isolieren, sind derzeit nicht auf dem Markt. Daneben sind komplexe Ansätze, bei denen bspw. Gleichspannungswandler verwendet werden, bekannt.
In vielen Fällen werden lediglich Schmelzsicherungen verwendet, die dazu dienen, den Leitungssatz vor Überhitzung zu schützen, indem der fehlerhafte Strompfad nach Überschreiten des Schmelzintegrals der Sicherung abgetrennt wird. Für den Einsatz in hochverfügbaren Bordnetzen sind Schmelzsicherungen aber nur sehr eingeschränkt einsetzbar: Zum einen können Spontanausfälle auftreten, die die Verfügbarkeit einer Energieversorgung von angeschlossenen Verbrauchern unterbrechen. Zum anderen benötigen Schmelzsicherungen zum Trennen ein relativ hohes Schmelzintegral, wodurch hohe Kurzschlussströme im Millisekundenbereich auftreten. Durch diese hohen Kurzschlussströme kann es zu kritischen Spannungseinbrüchen im Bordnetz kommen, die die Versorgung anderer kritischer Verbraucher unterbrechen.
Zudem ist das Auslöseverhalten von Schmelzsicherungen gerade bei mäßiger Überlast nicht deterministisch. Eine gängige automotive Sicherung kann bei 1,5-fachem Nennstrom z. B. schon nach 90 Sekunden auslösen oder erst nach einer Stunde.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bordnetz gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs vorgestellt, wobei in dem Bordnetz mindestens ein Verbraucher vorgesehen ist. Im Rahmen der Konfiguration des Bordnetzes wird wenigstens einem von dem mindestens einen Verbraucher ein elektrisches Modul zugeordnet, das wiederum aus einer Modulgruppe ausgewählt wird, wobei bei der Auswahl des elektrischen Moduls ein erstes Verbraucherkriterium, das sich auf eine Versorgungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers bezieht, und ein zweites Verbraucherkriterium, das sich auf einen Rückwirkungsgrad des wenigstens einen Verbrauchers bezieht, berücksichtigt werden.
In Ausgestaltung werden allen Verbrauchern, die in dem Bordnetz vorzusehen sind, ein passendes elektrisches Bzw. elektronisches Modul zugeordnet. Es können aber auch nur einigen ausgewählten Verbrauchern geeignete elektrische Module zugeordnet werden. Diese Zuordnung sieht zunächst die Auswahl des oder der geeigeneten Module und anschließend die Berücksichtigung dieses bzw. dieser Module im Schaltungsentwurf des Bordnetzes vor.
Die elektrischen Module in der Modulgruppe sind typischerweise nach einem ersten Modulkriterium, das sich auf eine Versorgungssicherheit bezieht, und nach einem zweiten Modulkriterium, das sich auf eine Trennbarkeit bezieht, kategorisiert. Bei der Auswahl des elektrischen Moduls für den wenigstens einen Verbraucher werden dann das erste Verbraucherkriterium und das zweite Verbraucherkriterium mit den ersten Modulkriterien und den zweiten Modulkriterien der elektrischen Module in der Modulgruppe verglichen. Es wird somit ausgehend von dem ersten und zweiten Verbraucherkriterium das elektrische Modul ausgewählt, dessen beide Modulkriterien den beiden Verbraucherkriterien angepasst sind. Dies bedeutet bspw., dass einem Verbraucher, der hohe Anforderungen hinsichtlich der Versorgung und nur einen geringen Rückwirkungsgrad hat, ein elektrisches Modul zugeordnet wird, das eine hohe Versorgungssicherheit bietet, jedoch nur eine geringe Trennbarkeit hat. Bei der Auswahl können neben den genannten Kriterien natürlich auch weitere Kriterien, wie bspw. Kosten und Verfügbarkeit, berücksichtigt werden.
Das vorgestellte Verfahren sieht somit eine insbesondere auch automatisiert durchzuführende Konfiguration eines Bordnetzes bzw. Energiebordnetzes vor, in deren Rahmen mindestens ein elektrisches bzw. elektronisches Modul aus einer Modulgruppe ausgewählt wird, das wiederum einem Verbraucher zugeordnet wird. Bei der Auswahl wird dabei die Art des Verbrauchers berücksichtigt, wobei bei dieser Berücksichtigung Kriterien herangezogen werden. Dabei wird das Verbraucherkriterium der Versorgungsanforderung dem Modulkriterium der Versorgungssicherheit und das Verbraucherkriterium des Rückwirkungsgrades dem Modulkriterium der Trennbarkeit gegenübergestellt.
Unter der Konfiguration des Bordnetzes wird somit hierin die Auswahl geeigneter elektrischer Module verstanden, die dazu dienen, Verbraucher an das Bordnetz anzuschließen bzw. mit diesem zu koppeln. Die genannten Verbraucher sind dann Teil des Bordnetzes. Bei der Auswahl kann auf eine Bibliothek an Verbrauchern, die hierin als Modulgruppe bezeichnet wird, zugegriffen werden. In dieser Modulgruppe sind mögliche elektrische Module angelegt, wobei diese nach den Kriterien Versorgungssicherheit und Trennbarkeit eingeteilt bzw. kategorisiert sein können. Dies bedeutet, dass jedem elektrischen Modul in der Modulgruppe eine erste Kenngröße bzw. ein erster Wert für die Versorgungssicherheit und eine zweite Kenngröße bzw. ein zweiter Wert für die Trennbarkeit zugeordnet ist. Diese beiden Kenngrößen bzw. Werte, die nur in Ausgestaltung einen Zahlenwert umfassen, geben Auskunft über das elektrische Modul hinsichtlich der beiden genannten Kriterien. Somit ist die Güte des elektrischen Moduls hinsichtlich der Versorgungssicherheit und die Güte hinsichtlich der Trennbarkeit kenntlich gemacht.
Entsprechend werden die Verbraucher, die mit dem Bordnetz zu koppeln sind, eingestuft. Das Verbraucherkriterium der Versorgungsanforderung gibt Auskunft darüber, von welcher Bedeutung ein sicherer Betrieb des Verbrauchers für das Fahrzeugs bzw. für den Fahrer des Fahrzeugs ist. So erfordern sicherheitsrelevante Verbraucher, wie z. B. Lenkung und Bremse, regelmäßig ein höheres Maß an Versorgungssicherheit als nicht sicherheitsrelevante Verbraucher, wie bspw. Komfortverbraucher, wie z. B. Klimaanlage. Das Verbraucherkriterium des Rückwirkungsgrades gibt Auskunft über mögliche Auswirkungen eines defekten Verbrauchers auf das restliche Bordnetz. Damit wird definiert, von welcher Bedeutung es ist, ob der defekte Verbraucher, insbesondere auch in welchem Zeitraum, vom restlichen Bordnetz getrennt werden kann.
Es werden somit Modulkonzepte bereitgestellt, die in Kraftfahrzeug-Energiebordnetzen zur Energieverteilung zu den Verbrauchern eingesetzt werden können. Dabei werden sowohl die Anforderungen an die Verfügbarkeit einer Energieversorgung für Verbraucherkanäle adressiert als auch die Anforderungen an die sichere Abtrennbarkeit von Verbraucherkanälen, wenn diese durch Kurzschlüsse die Integrität der eingangsseitigen Energieversorgung gefährden.
Das vorgestellte Bordnetz ist für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet, mit mindestens einem Verbraucher, wobei wenigstens einem von dem mindestens einen Verbraucher ein elektronisches Modul zugeordnet ist, das nach dem zuvor beschriebenen Verfahren ausgewählt ist.
Das elektrische Modul kann aus einer Modulgruppe ausgewählt sein, die ein erstes elektrisches Modul, das einen Schalter und eine Sicherung, die parallel zueinander geschaltet sind, ein zweites elektrisches Modul, das eine Sicherung mit einfacher Plausibilisierung, ein drittes elektrisches Modul, das eine Sicherung mit redundanter Strommessung und/oder ein viertes elektrisches Modul, das zwei parallel geschaltete Schalter aufweist, umfasst.
Als Schalter können bspw. elektronische Schalter, wie bspw. Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren wie MOSFETs eingesetzt werden. Als Sicherungen können Schmelzsicherungen und andere geeignete Sicherungen eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 zeigt eine erste Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Nachstehend sind einige mögliche Ausführungsformen aufgezeigt. Zu beachten ist, dass für unterschiedliche Anforderungsbereiche verschiedene Realisierungsmodule abgeleitet werden, die sich jeweils über die Anforderung auf die garantierte Fähigkeit zur Isolation von Verbraucherrückwirkungen, den Rückwirkungsgrad bzw. die Rückwirkungsfreiheit, und die garantierte Fähigkeit auf die Bereitstellung einer unterbrechungsfreien Anbindung an die Energieversorgung, die Versorgungssicherheit, gliedern.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Bei dieser Aussführungsform erfolgt ein Trennen mit ASIL C und ein Versorgen mit QM. Die Darstellung zeigt in dem Bordnetz 10 einen ersten Bordnetzkanal 12 und einen zweiten Bordnetzkanal 14, die über eine Firewall 16 miteinander verbunden sind.
In dem ersten Bordnetzkanal 12 ist eine Batterie 20 zur Energieversorgung vorgesehen. In der Darstellung sind zudem ein Innenwiderstand R_i 22 der Batterie 20 und ein Leitungswiderstand R_cu 24 der Leitung 26 eingetragen. Dieser Bordnetzkanal 12, der an Klemme 30_1 28 angeschlossen ist, dient somit zur Energieversorgung und ein sicherer Betrieb dieses ersten Bordnetzkanals 12 sollte gewährleistet sein.
In dem zweiten Bordnetzkanal 14 sind QM-Verbraucher 30, d. h. Komfortverbraucher, wie bspw. Lüfter, vorgesehen, die nicht sicherheitsrelevant sind. Diese haben somit bezüglich der Versorgungsanforderungen niedrige Anforderungen. Allerdings können diese im Fehlerfall eine negative Auswirkung auf das gesamte Bordnetz 10 haben, dies bedeutet ein geringes Maß an Rückwirkungsfreiheit bzw. einen hohen Rückwirkungsgrad, so dass gewährleistet sein sollte, dass diese sicher vom Bordnetz 10 getrennt werden können. Der zweite Bordnetzkanal, der an Klemme 30_0 32 angeschlossen ist, bzw. dessen Verbraucher haben somit keine hohe Einstufung hinsichtlich der Versorg u ngsanforderu ng.
In der Firewall 16 sind ein erster Schalter 40, in diesem Fall ein MOSFET, und ein zweiter Schalter 42, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. Weiterhin ist eine Kontrolleinheit 50 vorgesehen, in der eine Strommessung, eine Überstrom-Abschaltung, Treiber für die MOSFETs, eine MOSFET-Diagnose, ggf. eine Recheneinheit und ihre Versorgung und Überwachung bereitgestellt sind. Diese Kontrolleinheit kann eine Kombination aus diskreter Logik und Recheneinheit sein und ggf. auch einen oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise enthalten, um Funktionalitäten zu bündeln. Weiterhin sind ein erster Sensor 60 für eine Spannungsmessung, ein zweiter Sensor 62 für eine Temperaturmessung, ein dritter Sensor 64 für eine Spannungsmessung und ein vierter Sensor 66 für eine Strommessung vorgesehen.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird deutlich: Werden zwei parallele Strompfade verwendet, kann jeder von diesen einzeln gesteuert werden. Während der Laufzeit wird der Hardwareschutzschwellwert für jeden Pfad bzw. Bordnetzkanal periodisch reduziert, um die Diagnose auszulösen. Sobald der Hardwareschwellwert bei dem korrekten Level ausgelöst wurde, wird der Spannungsabfall des kompletten Strompfads aufgrund eines anwachsenden Widerstands des gesamten Schalters sich ändern. Mit diesem Konzept wird die gesamte sicherheitsrelevante Schleife einschließlich Strommessung, Komparator, Ausschaltlogik, Gatetreiber und MOSFET-Kanal getestet. Ziel ist es, die ASIL-Metriken mit der hohen Diagnoseabdeckung der MOSFETs und der Ansteuer/Diagnoseschaltung bzw. des ASICs zu erfüllen.
Die vorstehend beschriebene Möglichkeit zum Trennen zweier Bordnetzkanäle 12, 14 kann in Verbindung mit den nachstehend erläuterten elektrischen Modulen oder gesondert, d. h. unabhängig von der Kopplung der Verbraucher mit den elektrischen Modulen, betrachtet werden.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Bei dieser Aussführungsform erfolgt ein Trennen mit QM und ein Versorgen mit ASIL C. Die Darstellung zeigt in dem Bordnetz 100 eine Batterie 102 als Energiversorgung, einen Innenwiderstand R_i 104 der Batterie 102 und einen Leitungswiderstand R_cu 106 der Leitung 108. Dieser Versorgungszweig ist mit Klemme 30_1 110 verbunden.
An Klemme 30_1 110 ist ein erstes elektrisches Modul 120 angeschlossen, in dem ein Schalter 122, in diesem Fall ein MOSFET, und eine Sicherung 124, insbesondere Schmelzsicherung, parallel zueinander geschaltet sind. Weiterhin sind eine Einheit 130, eine erster Sensor 132 für eine Temperaturmessung, ein zweiter Sensor 134 für eine Strommessung, ein dritter Sensor 136 für eine Temperaturmessung und ein vierter Sensor 138 für eine Spannungsmessung vorgesehen. In einer zusätzlichen Ausführungsform kann der Stromsensor 134 auch aus Redundanzgründen doppelt ausgeführt werden, z. B. in Form einer ersten Messung über den Spannungsabfall an der Parallelschaltung aus Sicherung und MOSFET sowie in einem zweiten Fall über eine zusätzliche, unabhängige Messmethode, wie bspw. einem in Serie geschalteten Shuntwiderstand oder einem Hallelement.
Durch die Messung der Ausgangsspannung ist es möglich, Fehlerbilder wie ein fehlerhaftes Öffnen oder Drift von Sicherung und MOSFET zu erkennen. Über die Kombination aus Temperatursensor und Stromsensor ist es möglich, zum einen den Temperaturgang von Sicherung/MOSFET für die Strommessung zu berechnen. Zum anderen kann aus der Kombination von erhöhten Temperatur-Sensorwerten und unplausiblen Messwerten des bzw. der Stromsensor/Stromsensoren auf eine Drift der Widerstände von MOSFET oder Sicherung geschlossen werden.
Durch das bereits beschriebene kurzzeitige Öffnen des Halbleiterschalters kann zudem bewusst eine Änderung des Widerstandswerts aus der Parallelschaltung von Sicherung und MOSFET herbeigeführt werden. Als Diagnosemaßnahme kann überprüft werden, ob sich diese Änderung in einer Änderung des bzw. der Sensorwert/Sensorwerte, insbesondere des Spannungsabfalls über der Parallelschaltung von MOSFET und Sicherung, zeigt.
An einem Anschluss 140 kann ein Verbraucher, der dem ersten elektronischen Modul 120 zugeordnet wird, angeschlossen werden.
Die gezeigte Ausführung sieht somit eine sichere Versorgung von Lasten mit hohen Strömen vor, die gleichzeitig eine negative Rückwirkung auf das Bordnetz von sich aus verhindern, wodurch der Einsatz einer Schmelzsicherung ermöglicht wird.
Bei dieser Ausführung werden ein MOSFET und eine Schmelzsicherung parallel angeordnet. Im Normalbetrieb ist der MOSFET üblicherweise im leitenden Zustand und zwei parallele bzw. redundante Pfade tragen die Strom last zusammen. Durch ein kurzes, d. h. kürzer als die Fehlertoleranzzeit, Öffnen des MOSFETs zu Diagnosezwecken kann der Sicherungswiderstand überwacht werden. Dies wird durchgeführt, um latente Fehler in der Sicherung, nämlich offen oder drift, und in dem MOSFET, d. h. dass dieser nicht öffnen kann, zu überprüfen.
Falls die Sicherung 124 einen nicht korrekten erhöhten Widerstand zeigt, ist der MOSFET-Pfad gestaltet, um den gesamten Strom zu tragen.
Im Falle eines Fehlers des MOSFETs oder ASICs ist die Sicherung 124 gestaltet, den gesamten Strom zu führen, um den Verbraucher bzw. die Last zu versorgen. Das Risiko systematischer Fehler innerhalb des MOSFETs oder dessen Treiber, um den MOSFET leitend zu halten, kann durch die parallele Sicherung 124 verhindert werden, wobei in dem parallelen Sicherungspfad systematische Fehler durch ein geeignetes Design ausgeschlossen werden können.
Aufgrund der Stromaufteilung zwischen MOSFET und Sicherung 124 können alterungsrelevante Ströme von der Sicherung und dem MOSFET ferngehalten werden. Es ist daher möglich, alterungsrelevante Fehler von beiden, dem MOSFET und der Sicherung, abzuhalten.
Wenn dieser Pfad für höhere Ströme verwendet wird, kann die Sicherung 124 die schnelle Trennung von der Last nicht sicherstellen und daher muss die Last sicherstellen, dass ein negativer Einfluss vermieden wird, d. h. die Last muss ein hohes Maß an Rückwirkungsfreiheit aufweisen.
Aufgrund der verringerten Alterung der Sicherung und des MOSFETs ist es möglich, Sicherungen mit geringer Toleranz ohne eine Diffusionszone zu verwenden, die üblicherweise verwendet wird, um das Schmelzintegral l²t zu erhöhen. Das Design ohne die Diffusionszone macht das Auslöseverhalten der Sicherungen vorhersagbarer. Zudem wird die Sicherung unempfindlicher gegenüber thermischem Stress.
Im Falle von Kurzschlüssen bei dem Kanalausgang ist es möglich, den parallelen MOSFET-Kanal für eine Verzögerungszeit geschlossen zu halten, die durch den Mikrocontroller gesteuert wird. Dies erzeugt dann dasselbe Verhalten wie eine Trägesicherung, aber ohne den Nachteil der äußerst erhöhten Toleranz.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt ein Trennen mit QM und ein Versorgen mit ASIL A. Die Darstellung zeigt in dem Bordnetz 200 eine Batterie 202 als Energiversorgung, einen Innenwiderstand R_i 204 der Batterie 202 und einen Leitungswiderstand R_cu 206 der Leitung 208. Dieser Versorgungszweig ist mit Klemme 30_1 210 verbunden.
An der Klemme 30_1 210 ist ein zweites elektrisches Modul 220 angeschlossen, das einen Differenzverstärker 222, eine Schmelzsicherung 224 und einen Mikrocontroller 226 aufweist. Weiterhin sind ein erster Sensor 230 für eine Temperaturmessung, ein zweiter Sensor 232 für eine Strommessung und ein dritter Sensor 234 für eine Spannungsmessung vorgesehen.
Über den Temperatursensor 230 ist es möglich, einen Temperaturanstieg an der Sicherung 224 zu messen, um damit eine Temperaturkompensation des Sicherungswiderstandes zu rechnen. Deweiteren ist es möglich, eine zu starke Temperaturerhöhung in Folge eines Fehlers (Drift) der Sicherung 224 zu erkennen. Über die Kenntnis des temperaturkompensierten Innenwiderstandes der Sicherung und des Spannungsabfalls an der Sicherung 224 über den Differenzverstärker 222 ist es möglich, zum einen den Stromfluss durch die Sicherung 224 zu berechnen und zum anderen die alterungsrelevante Belastung der Sicherung 224 zu erfassen und ggf. in ein Alterungsmodell zu geben.
An einem Anschluss 240 kann ein Verbraucher angeschlossen werden, der dann über das zweite elektrische Modul 220 mit dem Bordnetz 200 verbunden ist. Die gezeigte Ausführung sieht eine Sicherheitsversorgung durch die Sicherung 224 vor. Diese Konfiguration verhindert eine negative Rückkopplung von Lasten und umfasst eine Sicherung mit einfacher Plausibilisierung.
Über die diagnostizierte Sicherung 224 kann bspw. eine Versorgungssicherheit nach ASIL A erreicht werden. Wenn dies ausreichend ist, kann dies durch Rainflow-Zählung der Strompulse und durch Bereitstellen von Stressanalysen und Alterungsvorhersage durchgeführt werden. Der Energiebordnetzversorgungskanal und die Verdrahtung zu der Last erzeugen einen Spannungsteiler zwischen Quelle und Kurzschlussschaltkreis.
Die Energiebordnetzkonfiguration muss sicherstellen, dass ein Kurzschluss bei der Last die sichere Versorgung anderer Lasten nicht beeinträchtigt.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Bei dieser Aussführungsform erfolgt ein Trennen mit QM und ein Versorgen mit ASIL A(C) oder B(D). Die Darstellung zeigt in dem Bordnetz 300 eine Batterie 302 als Energiversorgung, einen Innenwiderstand R_i 304 der Batterie 302 und einen Leitungswiderstand R_cu 306 der Leitung 308. Dieser Versorgungszweig ist mit Klemme 30_1 310 verbunden.
An der Klemme 30_1 310 ist ein drittes elektrisches Modul 320 angeschlossen, das einen ersten Differenzverstärker 322, eine Schmelzsicherung 324, einen zweiten Differenzverstärker 326 mit zugeordnetem Messwiderstand 328 sowie einen Mikrocontroller 330 aufweist. Weiterhin sind ein erster Sensor 332 für eine Temperaturmessung, ein zweiter Sensor 334 für eine Strommessung, ein dritter Sensor 336 für eine Spannungsmessung und ein vierter Sensor 338 für eine Temperaturmessung vorgesehen.
Schwerwiegende Fehler lassen sich auch in dieser Ausführungsform über die Messung der Ausgangsspannung mit dem dritten Sensor 336 erkennen. Für eine detaillierte Bewertung des Funktionszustands der Sicherung 324 kann der erwartete Innenwiderstand der Sicherung 324 in Abhängigkeit der Temperatur, die mit dem vierten Sensor 338 gemessen wird, bestimmt werden.
Über die Kenntnis des Spannungsabfalls an der Sicherung 324, über den Differenzverstärker 322, und des temperaturkompensierten Widerstands lässt sich eine Strominformation gewinnen. Diese Strominformation lässt sich mit der Strominformation aus dem zweiten Differenzverstärker 326 über den Messwiderstand 328 vergleichen, um eine gegenseitige Plausibilisierung beider Strominformationen zu ermöglichen sowie um eine kritische Widerstandsdrift der Sicherung 324 zu erkennen.
An einem Anschluss 340 kann ein Verbraucher angeschlossen werden, der dann über das zweite elektrische Modul 320 mit dem Bordnetz 300 verbunden ist.
Diese Ausführung sieht eine Sicherungsversorgung durch die Sicherung 324 vor. Die Energiebordnetzkonfiguration verhindert eine negative Rückkopplung von Lasten.
Die Sicherung 324 muss eine Verfügbarkeit sicherstellen, um ein ASIL A(C) im Falle eines manuellen Fahrbetriebs oder bspw. ASIL B(D) bei einem automatisierten Fahrbetrieb durch eine verbesserte Diagnose sicherzustellen. Daher ist es vorteilhaft, den Sicherungswiderstand und dessen Verhalten durch eine zusätzliche Messwiderstandsmessung des Stroms zu überwachen.
Der Energiebordnetzversorgungskanal und die Verdrahtung zu der Last erzeugen einen Spannungsteiler zwischen Quelle und Kurzschlussschaltkreis.
Die Energiebordnetzkonfiguration muss sicherstellen, dass ein Kurzschluss auf der Last die sichere Versorgung anderer Lasten nicht beeinträchtigt.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des beschriebenen Bordnetzes, die insgesamt mit Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Bei dieser Aussführungsform erfolgt ein Trennen mit ASIL B(D) und ein Versorgen mit ASIL B(D). Die Darstellung zeigt in dem Bordnetz 400 eine Batterie 402 als Energiversorgung, einen Innenwiderstand R_i 404 der Batterie 402 und einen Leitungswiderstand R_cu 406 der Leitung 408. Dieser Versorgungszweig ist mit Klemme 30_1 410 verbunden.
An der Klemme 30_1 410 ist ein viertes elektrisches Modul 420 angeschlossen. In diesem vierten elektrischen Modul 420 sind ein erster Schalter 422, in diesem Fall ein MOSFET, ein zweiter Schalter 424, in diesem Fall ein MOSFET, eine erste Ansteuerung und Diagnose 426 und eine zweite Ansteuerung und Diagnose 428 vorgesehen. Weiterhin sind ein erster Sensor 430 für eine Temperaturmessung, ein zweiter Sensor 432 für eine Strommessung, ein dritter Sensor 434 für eine Spannungsmessung und ein vierter Sensor 436 für eine Temperaturmessung bereitgestellt.
Analog zu den vorherigen Ausführungen kann die Spannungsmessung zur Erkennung schwerer Fehler verwendet werden. Da in dieser Ausführung ein Ausgang 440 vollständig über Halbleiter abschaltbar ist, kann durch ein Öffnen beider Schalter 422 und 424, während das Fahrzeug im sicheren Zustand ist, die Trennfähigkeit beider Schalter überprüft werden. Die Strommessung mit dem zweiten Sensor 432 erfolgt in diesem Konzept über die Bestimmung des Spannungsabfalls über beide Schalter 422 und 424. Durch den Verbau einer zusätzlichen, widerstandsbasierten Strommessung in Serie kann die Güte der Messung weiter verbessert werden. Jedem Schalter 422, 424 ist ein Temperatursensor zugeordnet, über den sich zum einen eine Temperaturkompensation des Schaltwiderstandes berechnen lässt und zum anderen sich aus der Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung auf Fehler bei der thermischen Anbindung der MOSFETs schließen lässt.
Zum Schutz vor einer Halbleiterschädigung bei Kurzschlüssen ist in den Modulen 426 und 428 eine autonome, schnell reagierende Überlastschaltung integriert. Diese vergleichen jeweils den aktuell fließenden Stromfluss aus der im Modul verbauten Sensorik 432 mit einem veränderlichen Grenzwert. Eine Diagnose dieser Schutzeinrichtung vor latenten Fehlern ist durch eine Vertrimmung der Abschaltgrenze auf Werte unterhalb des aktuell anliegenden Stroms möglich. Als Reaktion sollte die autonome Überlastschaltung die Überlast erkennen und als Reaktion den jeweiligen Schalter 422 bzw. 424 abschalten. Dies kann durch Rückmessen des Spannungsabfalls über die Schalter 422 bzw. 424 überprüft werden. Diese Diagnose kann im Nachlauf oder auch im laufenden Betrieb erfolgen, unter der Bedingung, dass immer einer der beiden unabhängigen Strompfade geschlossen bleibt.
An dem Ausgang 440 kann ein Verbraucher angeschlossen werden, der dann über das zweite elektrische Modul 420 mit dem Bordnetz 400 verbunden ist.
Die Ausführung zeigt somit eine sichere Versorgung lediglich durch MOSFETs. Dabei garantieren zwei parallele MOSFET-Kanäle die Verfügbarkeit der Spannungsversorgung mit ASIL B (D), die auf zwei A (D) für jeden Kanal aufgeteilt sein kann. Weiterhin ist ein schnelles Trennen ermöglicht.

Claims

Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes (10, 100, 200, 300, 400) eines Kraftfahrzeugs, wobei in dem Bordnetz (10, 100, 200, 300, 400) mindestens ein Verbraucher (30) vorgesehen ist, wobei im Rahmen der Konfiguration des Bordnetzes (10, 100, 200, 300, 400) wenigstens einem von dem mindestens einen Verbraucher (30) ein elektrisches Modul (120, 220, 320, 420) zugeordnet wird, das wiederum aus einer Modulgruppe ausgewählt wird, wobei bei der Auswahl des elektrischen Moduls (120, 220, 320, 420) ein erstes Verbraucherkriterium, das sich auf eine Versorgungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers (30) bezieht, und ein zweites Verbraucherkriterium, das sich auf einen Rückwirkungsgrad des wenigstens einen Verbrauchers (30) bezieht, berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrischen Module (120, 220, 320, 420) in der Modulgruppe nach einem ersten Modulkriterium, das sich auf eine Versorgungssicherheit bezieht, und nach einem zweiten Modulkriterium, das sich auf eine Trennbarkeit bezieht, kategorisiert sind, wobei bei der Auswahl des elektrischen Moduls (120, 220, 320, 420) für den wenigstens einen Verbraucher (30) das erste Verbraucherkriterium und das zweite Verbraucherkriterium mit den ersten Modulkriterien und den zweiten Modulkriterien der elektrischen Module (120, 220, 320, 420) in der Modulgruppe verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Modulgruppe ein erstes elektrisches Modul (120) umfasst, das einen Schalter (40, 42, 122, 422, 424) und eine Sicherung (124, 224, 324), die parallel zueinander geschaltet sind, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Modulgruppe ein zweites elektrisches Modul (220) umfasst, das eine Sicherung (124, 224, 324) mit einfacher Plausibilisierung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Modulgruppe ein drittes elektrisches Modul (320), das eine Sicherung (124, 224, 324) mit redundanter Strommessung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem als Sicherung (124, 224, 324) eine Sicherung verwendet wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Schmelzsicherung, eine Leiterbahnsicherung und eine verengte Stromschiene umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Modulgruppe ein viertes elektrisches Modul (420) umfasst, das zwei parallel geschaltete Schalter (40, 42, 122, 422, 424) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zusätzlich eine Firewall (16) vorgesehen wird, um Bordnetzkanäle (12, 14) miteinander zu verbinden.
Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Verbraucher (30), der über ein elektrisches Modul (120, 220, 320, 420) an das Bodnetz (10, 100, 200, 300, 400) angeschlossen ist, wobei das elektrische Modul (120, 220, 320, 420) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgewählt ist.
Bordnetz nach Anspruch 9, bei der das elektronische Modul (120, 220, 320, 420) aus einer Modulgruppe ausgewählt ist, die ein erstes elektrisches Modul (120), das einen Schalter (40, 42, 122, 422, 424) und eine Sicherung (124, 224, 324), die parallel zueinander geschaltet sind, ein zweites elektrisches Modul (220), das eine Sicherung (124, 224, 324) mit einfacher Plausibilisiserung, ein drittes elektrisches Modul (320), das eine Sicherung (124, 224, 324) mit redundanter Strommessung und/oder ein viertes elektrisches Modul (420), das zwei parallel geschaltete Schalter (40, 42, 122, 422, 424) aufweist, umfasst.
Bordnetz nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Bordnetz (10, 100, 200, 300, 400) mindestens zwei Bordnetzkanäle (12, 14) aufweist, die über eine Firewall (16) miteinander verbunden sind.