DE102020117631A1 - Redundant energy supply for autonomous vehicles - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug, eine Batterie mit einer solchen Energieversorgungsvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Energieversorgungsvorrichtung oder Batterie. Ein Ausführungsbeispiel der Energieversorgungsvorrichtung (100) weist eine Energiespeicheranordnung (120), eine erste Verbindung (130) zwischen einem ersten Bordnetz (10) und einem zweiten Bordnetz (20), eine zweite Verbindung (140) zwischen der Energiespeicheranordnung (120) und dem zweiten Bordnetz (20) und eine mit der ersten Verbindung (120) und der zweiten Verbindung (140) verbundene, selbststeuernde Schalteinheit (110) auf.The present invention relates to an energy supply device for a vehicle, a battery with such an energy supply device and a vehicle with such an energy supply device or battery. An exemplary embodiment of the energy supply device (100) has an energy storage arrangement (120), a first connection (130) between a first vehicle electrical system (10) and a second vehicle electrical system (20), a second connection (140) between the energy storage arrangement (120) and the second Vehicle electrical system (20) and with the first connection (120) and the second connection (140) connected, self-controlling switching unit (110).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Energieversorgung von Fahrzeugen. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug, eine Batterie mit einer solchen Energieversorgungsvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Energieversorgungsvorrichtung oder Batterie.The present invention relates generally to the supply of energy to vehicles. In particular, the present invention relates to an energy supply device for a vehicle, a battery with such an energy supply device and a vehicle with such an energy supply device or battery.
Fahrzeuge mit einem bestimmten Grad an Automatisierung, bei welcher der Mensch nicht als Rückfallebene dient, müssen so abgesichert sein/werden, dass bei Ausfall einer Komponente im Bordnetz und/oder Verursachen eines Kurzschlusses durch eine Komponente im Bordnetz, eine aktive autonome Funktion nicht in einen unkontrollierten/unsicheren Zustand übergeht. Ohne eine derartige Absicherung würde sich eine Gefahr für die Insassen und Dritte ergeben. Eine Option der Absicherung ist, sicherheitsrelevante Komponenten auch dann mit Energie versorgen zu können, wenn eine Hauptenergieversorgung ausfälltVehicles with a certain degree of automation, in which the person does not serve as a fallback level, must be secured in such a way that if a component in the on-board network fails and / or a short circuit is caused by a component in the on-board network, an active autonomous function does not turn into a uncontrolled / unsafe state passes. Without such protection, there would be a danger for the occupants and third parties. One protection option is to be able to supply safety-relevant components with energy even if a main energy supply fails
Die
Diese Vorrichtung ist zumindest insofern nachteilig, als dass sie recht aufwändig ist und teilweise komplexe und/oder zahlreiche Komponenten, beispielsweise zahlreiche Schalter, benötigt. Ferner müssen die Entscheidungen hinsichtlich der Bildung der jeweiligen Pfade und letztendlich die Bildung der Pfade übergeordnet und/oder zentral getroffen werden, was letztendlich auch die Komplexität der Vorrichtung erhöht. This device is disadvantageous at least insofar as it is quite complex and in some cases requires complex and / or numerous components, for example numerous switches. Furthermore, the decisions regarding the formation of the respective paths and ultimately the formation of the paths must be made superordinate and / or centrally, which ultimately also increases the complexity of the device.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer einfachen und zuverlässigen Energieversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug sowie nach einer zugehörigen Batterie mit einer solchen Energieversorgungsvorrichtung und nach einem zugehörigen Fahrzeug mit einer solchen Energieversorgungsvorrichtung oder einer derartigen Batterie.There is therefore a need for a simple and reliable power supply device for a vehicle and for an associated battery with such a power supply device and for an associated vehicle with such a power supply device or such a battery.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Die Energieversorgungsvorrichtung weist eine Energiespeicheranordnung, eine erste Verbindung, eine zweite Verbindung und eine selbststeuernde Schalteinheit auf. Die erste Verbindung ist zwischen einem ersten Bordnetz und einem zweiten Bordnetz angeordnet. Das zweite Bordnetz ist über die erste Verbindung durch das erste Bordnetz mit Energie versorgbar. Die zweite Verbindung ist zwischen der Energiespeicheranordnung und dem zweiten Bordnetz angeordnet. Das zweite Bordnetz ist über die zweite Verbindung durch die Energiespeicheranordnung mit Energie versorgbar. Die selbststeuernde Schalteinheit ist mit der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung verbunden. Die selbststeuernde Schalteinheit ist ausgebildet, das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch das erste Bordnetz mit der ersten Verbindung zu verbinden oder das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch die Energiespeicheranordnung mit der zweiten Verbindung zu verbinden.According to a first aspect of the invention, an energy supply device for a vehicle is proposed. The energy supply device has an energy storage arrangement, a first connection, a second connection and a self-controlling switching unit. The first connection is arranged between a first vehicle electrical system and a second vehicle electrical system. The second vehicle electrical system can be supplied with energy via the first connection through the first vehicle electrical system. The second connection is arranged between the energy storage arrangement and the second vehicle electrical system. The second vehicle electrical system can be supplied with energy via the second connection through the energy storage arrangement. The self-regulating switching unit is connected to the first connection and the second connection. The self-controlling switching unit is designed to connect the second vehicle electrical system to the first connection for supplying energy through the first vehicle electrical system, or to connect the second vehicle electrical system to the second connection for supplying energy through the energy storage arrangement.
Unter Energie ist hierbei jede Form elektrischer Energie zu verstehen, mit denen Komponenten eines Bordnetzes betrieben werden können. Als Beispiel seien hier ein elektrischer Strom, eine elektrische Spannung oder Kombinationen daraus, wie elektrische Leistung oder elektrische Arbeit oder elektrische Energie zu verstehen.Energy here is to be understood as any form of electrical energy with which components of an on-board network can be operated. An example is an electric current, an electric voltage or combinations thereof, such as electric power or electric work or electric energy.
Das erste Bordnetz kann direkt/unmittelbar mit der selbststeuernden Schalteinheit, beispielsweise einer Eingangsseite der selbststeuernden Schalteinheit, verbunden werden/sein. Anders ausgedrückt kann das erste Bordnetz ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten direkt mit der selbststeuernden Schalteinheit verbunden werden/sein. Genauer gesagt kann das erste Bordnetz ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten mit der Eingangsseite der selbststeuernden Schalteinheit verbunden werden/sein. In diesem Sinne ist es denkbar, dass die erste Verbindung, außer dem Verbindungselement/den Verbindungselementen selbst, keine weiteren Komponenten zwischen dem ersten Bordnetz und der selbststeuernden Schalteinheit, z. B. der Eingangsseite der selbststeuernden Schalteinheit, aufweist.The first vehicle electrical system can be connected directly to the self-controlling switching unit, for example an input side of the self-controlling switching unit. In other words, the first vehicle electrical system can be connected directly to the self-controlling switching unit without the interposition of further components. More precisely, the first vehicle electrical system can be connected to the input side of the self-controlling switching unit without the interposition of further components. In this sense, it is conceivable that the first connection, apart from the connecting element (s) themselves, no further components between the first on-board network and the self-controlling switching unit, e.g. B. the input side of the self-controlling switching unit.
Die Energiespeicheranordnung kann direkt/unmittelbar mit der selbststeuernden Schalteinheit, beispielsweise der Eingangsseite der selbststeuernden Schalteinheit, verbunden sein. Anders ausgedrückt kann die Energiespeicheranordnung ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten direkt mit der selbststeuernden Schalteinheit verbunden sein. Genauer gesagt kann die Energiespeicheranordnung ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten direkt mit der Eingangsseite der selbststeuernden Schalteinheit verbunden sein. In diesem Sinne ist es denkbar, dass die zweite Verbindung, außer dem Verbindungselement/den Verbindungselementen selbst, keine weiteren Komponenten zwischen der Energiespeicheranordnung und der selbststeuernden Schalteinheit aufweist.The energy storage arrangement can be connected directly to the self-regulating switching unit, for example the input side of the self-regulating switching unit. In other words, the energy storage arrangement can be connected directly to the self-controlling switching unit without the interposition of further components. More precisely, the energy storage arrangement can be connected directly to the input side of the itself without the interposition of further components be connected to the controlling switching unit. In this sense, it is conceivable that the second connection, apart from the connecting element (s) themselves, has no further components between the energy storage arrangement and the self-controlling switching unit.
Die selbststeuernde Schalteinheit kann eingangsseitig mit der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung verbunden sein. Die selbststeuernde Schalteinheit kann demgemäß ausgebildet sein, ausgangsseitig (an der Ausgangsseite der Schalteinheit) das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch das erste Bordnetz mit der ersten Verbindung zu verbinden oder ausgangsseitig (an der Ausgangsseite der selbststeuernden Schalteinheit) das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch die Energiespeicheranordnung mit der zweiten Verbindung zu verbinden.The self-controlling switching unit can be connected on the input side to the first connection and the second connection. The self-regulating switching unit can accordingly be designed to connect the second on-board network to the first connection on the output side (on the output side of the switching unit) for supplying energy through the first on-board network, or on the output side (on the output side of the self-regulating switching unit) to connect the second on-board network to supplying energy to be connected by the energy storage arrangement to the second connection.
Durch die Ausgestaltung als selbststeuernde Schalteinheit kann auf eine separate und/oder zusätzliche und/oder übergeordnete Steuereinheit, wie einen separaten Mikrocontroller, zur Steuerung der Schalteinheit verzichtet werden kann. Eine separate und/oder zusätzliche Steuereinheit kann dennoch vorgesehen sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass, wenn ohnehin bereits eine Steuerung, wie ein Mikrocontroller, in der Energieversorgungsvorrichtung vorgesehen ist, diese nicht zusätzlich zur Steuerung der selbststeuernden Schalteinheit eingesetzt werden muss. Denn die selbststeuernde Schalteinheit ist ausgebildet, sich selbst zu steuern. Beispielsweise steuert sich die selbststeuernde Schalteinheit selbst basierend auf empfangenen oder gemessenen Werten, wie Spannungswerten. Die selbststeuernde Schalteinheit kann zur Selbststeuerung beispielsweise eine integrierte Steuerkomponente aufweisen.As a result of the configuration as a self-controlling switching unit, a separate and / or additional and / or superordinate control unit, such as a separate microcontroller, for controlling the switching unit can be dispensed with. A separate and / or additional control unit can nevertheless be provided. For example, it is conceivable that if a control, such as a microcontroller, is already provided in the energy supply device, it does not have to be used in addition to control the self-controlling switching unit. Because the self-controlling switching unit is designed to control itself. For example, the self-controlling switching unit controls itself based on received or measured values, such as voltage values. The self-controlling switching unit can, for example, have an integrated control component for self-control.
Die selbststeuernde Schalteinheit kann ausgebildet sein, eigenständig zu ermitteln, ob das zweite Bordnetz durch das erste Bordnetz oder durch die Energiespeicheranordnung mit Energie versorgt werden soll. Hierfür kann die selbststeuernde Schalteinheit beispielsweise Spannungswerte berücksichtigen und basierend auf den Spannungswerten bestimmen, ob das zweite Bordnetz durch das erste Bordnetz oder durch die Energiespeicheranordnung mit Energie versorgt werden soll. Die selbststeuernde Schalteinheit kann ausgebildet sein, beispielsweise basierend auf Spannungswerten, zu entscheiden, ob sie das zweite Bordnetz mit der ersten Verbindung zur Energieversorgung durch das erste Bordnetz oder mit der zweiten Verbindung zur Energieversorgung durch die Energiespeicheranordnung verbindet. Bei den Spannungswerten kann es sich um mit dem ersten Bordnetz und/oder der Energiespeicheranordnung und/oder mit dem zweiten Bordnetz in Zusammenhang stehende Spannungswerte, z. B. um Spannungswerte des ersten Bordnetzes und/oder der Energiespeicheranordnung und/oder des zweiten Bordnetzes und/oder um Spannungswerte von Komponenten des ersten Bordnetzes und/oder der Energiespeicheranordnung und/oder des zweiten Bordnetzes, handeln.The self-controlling switching unit can be designed to independently determine whether the second vehicle electrical system is to be supplied with energy by the first vehicle electrical system or by the energy storage arrangement. For this purpose, the self-controlling switching unit can, for example, take into account voltage values and, based on the voltage values, determine whether the second vehicle electrical system is to be supplied with energy by the first vehicle electrical system or by the energy storage arrangement. The self-controlling switching unit can be designed, for example based on voltage values, to decide whether it connects the second vehicle electrical system to the first connection to the energy supply through the first vehicle electrical system or to the second connection to the energy supply through the energy storage arrangement. The voltage values can be voltage values associated with the first vehicle electrical system and / or the energy storage arrangement and / or the second vehicle electrical system, e.g. B. voltage values of the first on-board network and / or the energy storage arrangement and / or the second on-board network and / or voltage values of components of the first on-board network and / or the energy storage arrangement and / or the second on-board network.
Die selbststeuernde Schalteinheit kann eine Leistungsoderschaltung (die auch als Veroderungsschaltung bezeichnet werden kann) aufweisen oder als Leistungsoderschaltung ausgebildet sein. Die Leistungsoderschaltung kann selbststeuernd ausgebildet sein. Beispielsweise kann die selbststeuernde Eigenschaft der Schalteinheit dadurch erreicht werden, dass die Leistungsoderschaltung selbststeuernd ist. In einer ersten Variante kann die Leistungsoderschaltung eine oder mehrere Dioden aufweisen. In einer zweiten Variante kann die Leistungsoderschaltung einen oder mehrere Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aufweisen. Die Leistungsoderschaltung kann einen oder mehrere MOSFET-Controller (MOSFET-Steuerungen) zur Steuerung der einen oder mehreren MOSFETs aufweisen. Beispielsweise kann die Leistungsoderschaltung pro Pfad einen oder mehrere MOSFETs und einen oder mehrere zugehörige MOSFET-Controller aufweisen. Als Pfad kann dabei jeweils eine Schaltverbindung in der Schalteinheit verstanden werden, die ausgangsseitig mit dem zweiten Bordnetz verbunden werden kann und eingangsseitig mit der ersten Verbindung oder zweiten Verbindung verbunden ist.The self-controlling switching unit can have a power OR circuit (which can also be referred to as an OR circuit) or be designed as a power OR circuit. The power or circuit can be designed to be self-controlling. For example, the self-regulating property of the switching unit can be achieved in that the power or circuit is self-regulating. In a first variant, the power OR circuit can have one or more diodes. In a second variant, the power OR circuit can have one or more metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs). The power OR circuit may have one or more MOSFET controllers (MOSFET controllers) for controlling the one or more MOSFETs. For example, the power OR circuit can have one or more MOSFETs and one or more associated MOSFET controllers per path. A path can be understood to be a switching connection in the switching unit that can be connected on the output side to the second vehicle electrical system and on the input side is connected to the first connection or the second connection.
Die Energieversorgungsvorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen. Die Steuereinheit kann als übergeordnete Steuereinheit der Energieversorgungsvorrichtung bezeichnet werden. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, mehrere Komponenten und Abschnitte der Energieversorgungsvorrichtung zu steuern. Jede von mindestens einer Komponente des zweiten Bordnetzes kann über einen Schalter mit der ersten und zweiten Verbindung verbindbar sein. Die Schalter können von der selbststeuernden Schalteinheit als getrennt zu betrachtende Komponenten ausgebildet sein, d.h. nicht Teil der selbststeuernden Schalteinheit sein. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Schalter zu schalten, d.h. zu schließen oder zu öffnen. Die Schalter können durch von außerhalb der Energieversorgungsvorrichtung stammenden Informationen, beispielsweise Nachrichten, geschaltet werden. Die Steuereinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, zu ermitteln, welche eine oder mehrere Komponenten zugeschaltet/angeschaltet sein sollen/müssen, um eine oder mehrere bestimmte Funktionen ausführen zu können. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, basierend auf dieser Ermittlung, die Schalter zu den einen oder mehreren Komponenten zu schließen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit ausgebildet sein, zu ermitteln, welche der übrigen Komponenten abgeschaltet werden können und dementsprechend die zugehörigen Schalter zu öffnen oder geöffnet zu lassen. Die Schalter können beispielsweise als Transistorschalter ausgebildet sein. Mit Hilfe der Schalter können im Fehlerfall, z. B. bei einem Fehler, wie einem Kurzschluss, in einer oder mehreren der Komponenten des zweiten Bordnetzes, die entsprechende(n) Komponente(n) schnell und einfach abgekoppelt werden.The energy supply device can have a control unit. The control unit can be referred to as the higher-level control unit of the energy supply device. The control unit can be designed to control a plurality of components and sections of the energy supply device. Each of at least one component of the second vehicle electrical system can be connected to the first and second connection via a switch. The switches can be designed as components to be considered separately from the self-controlling switching unit, that is to say not part of the self-controlling switching unit. The control unit can be designed to switch the switches, ie to close or open them. The switches can be switched by information originating from outside the energy supply device, for example messages. The control unit can be designed, for example, to determine which one or more components should / must be switched on / on in order to be able to carry out one or more specific functions. The control unit can be designed, based on this determination, to close the switches to the one or more components. In addition, the control unit can be designed to determine which of the other components can be switched off and accordingly to open the associated switches or leave them open. The switches can be designed as transistor switches, for example. With the help of the switch, in the event of an error, z. B. in the event of a fault, such as a short circuit, in one or more of the components of the second vehicle electrical system, the corresponding component (s) can be decoupled quickly and easily.
Die Energespeichervorrichtung kann ferner eine dritte Verbindung zwischen dem ersten Bordnetz und der Energiespeicheranordnung aufweisen. Die Energiespeicheranordnung kann über einen ersten Teilpfad der dritten Verbindung durch das erste Bordnetz mit Energie aufladbar sein. Das erste Bordnetz kann über einen zweiten, von dem ersten Teilpfad zumindest teilweise unterschiedlichen Teilpfad der dritten Verbindung durch die Energiespeicheranordnung mit Energie unterstützbar sein.The energy storage device can also have a third connection between the first vehicle electrical system and the energy storage arrangement. The energy storage arrangement can be charged with energy via a first partial path of the third connection through the first vehicle electrical system. The first vehicle electrical system can be supported with energy via a second partial path of the third connection, which is at least partially different from the first partial path, through the energy storage arrangement.
Die dritte Verbindung ist zwischen dem ersten Bordnetz und der Energiespeicheranordnung angeordnet. Über den ersten Teilpfad der dritten Verbindung ist die Energiespeicheranordnung durch das erste Bordnetz mit Energie aufladbar. In dem ersten Teilpfad der dritten Verbindung kann ein Gleichspannungswandler angeordnet sein. Der Gleichspannungswandler kann auch als DC-DC-Wandler oder DC/DC-Wandler bezeichnet werden. Als Gleichspannungswandler kann generell eine elektrische Schaltung bezeichnet werden, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Der Gleichspannungswandler in dem ersten Teilpfad kann unidirektional ausgebildet sein. Der Gleichspannungswandler kann unidirektional in Richtung der Energiespeicheranordnung ausgebildet sein. Anders ausgedrückt kann der Gleichspannungswandler ausgebildet sein, ausschließlich Strom aus Richtung des ersten Bordnetzes in Richtung der Energiespeicheranordnung durchzulassen und umzuwandeln und keinen Strom aus Richtung der Energiespeicheranordnung in Richtung des ersten Bordnetzes durchzulassen. Der Gleichspannungswandler kann ausgebildet sein, eine variable Eingangsgröße in eine konstante Ausgangsgröße umzuwandeln.The third connection is arranged between the first vehicle electrical system and the energy storage arrangement. The energy storage arrangement can be charged with energy by the first on-board network via the first partial path of the third connection. A DC / DC converter can be arranged in the first partial path of the third connection. The DC voltage converter can also be referred to as a DC-DC converter or a DC / DC converter. An electrical circuit that converts a DC voltage supplied to the input into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level can generally be referred to as a DC voltage converter. The DC voltage converter in the first partial path can be designed to be unidirectional. The DC voltage converter can be designed unidirectionally in the direction of the energy storage arrangement. In other words, the DC-DC converter can be designed to only let through and convert current from the direction of the first on-board network in the direction of the energy storage arrangement and not to let any current through from the direction of the energy storage arrangement in the direction of the first on-board network. The DC voltage converter can be designed to convert a variable input variable into a constant output variable.
Über den zweiten Teilpfad der dritten Verbindung ist das erste Bordnetz durch die Energiespeicheranordnung mit Energie unterstützbar. In dem zweiten Teilpfad kann eine Schaltvorrichtung angeordnet sein. Die Schaltvorrichtung kann geschlossen werden, wenn das erste Bordnetz mit Energie durch die Energiespeicheranordnung unterstützt werden soll. In dem geschlossenen Zustand ist die Schaltvorrichtung in einem leitenden Zustand, so dass das erste Bordnetz mit Energie durch die Energiespeicheranordnung unterstützt werden kann. Die Schaltvorrichtung kann geöffnet werden oder bleiben, wenn keine Unterstützung des ersten Bordnetzes durch Energie aus der Energiespeicheranordnung gewünscht oder notwendig ist. In dem geöffneten Zustand ist die Schaltvorrichtung in einem nichtleitenden Zustand, so dass das erste Bordnetz nicht mit Energie durch die Energiespeicheranordnung unterstützt wird. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Schaltvorrichtung basierend auf Informationen über einen Energiebedarf des ersten Bordnetzes zu schalten, wie z.B. zu öffnen oder zu schließen. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise als Transistorschalter ausgebildet sein oder einen oder mehrere Transistorschalter aufweisen. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise von der (übergeordneten) Steuereinheit gesteuert und zum Schalten instruiert werden.The first vehicle electrical system can be supported with energy by the energy storage arrangement via the second partial path of the third connection. A switching device can be arranged in the second partial path. The switching device can be closed when the first vehicle electrical system is to be supported with energy by the energy storage arrangement. In the closed state, the switching device is in a conductive state, so that the first vehicle electrical system can be supported with energy by the energy storage arrangement. The switching device can be opened or remain open if support of the first on-board network by means of energy from the energy storage arrangement is not desired or necessary. In the open state, the switching device is in a non-conductive state, so that the first vehicle electrical system is not supported with energy by the energy storage arrangement. The control unit can be designed to switch the switching device based on information about an energy requirement of the first vehicle electrical system, such as opening or closing it. The switching device can for example be designed as a transistor switch or have one or more transistor switches. The switching device can, for example, be controlled by the (higher-level) control unit and instructed to switch.
Die Energiespeicheranordnung kann ein Energiespeichersystem mit relativ hoher Energiedichte (relativ niedriger Leistungsdichte) aufweisen. Beispielsweise kann die Energiespeicheranordnung eine Batterieanordnung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Energiespeicheranordnung ein Energiespeichersystem mit relativ hoher Leistungsdichte (relativ niedriger Energiedichte) aufweisen. Beispielsweise kann die Energiespeicheranordnung eine Kondensatoranordnung aufweisen. Die Batterieanordnunng kann als ein Energiespeichersystem mit relativ hoher Energiedichte (relativ niedriger Leistungsdichte) angesehen werden. Dadurch kann mit Hilfe der Batterieanordnung eine relativ lange/langfristige Energieversorung bereitgestellt werden. Die Kondensatoranordnunng kann als ein Energiespeichersystem mit relativ hoher Leistungsdichte (relativ niedriger Energiedichte) angesehen werden. Dadurch kann mit Hilfe der Kondensatoranordnung eine relativ kurze/kurzzeitige Energieversorgung bereitgestellt werden. Durch Simulation kann ein für die jeweilige Anwendung optimales Verhältnis von Batterieanordnung und Kondensatoranordnung festgelegt werden. Die Batterieanordnung kann mehrere in Reihe geschalteter aufladbarer Batterien oder Akkumulatoren aufweisen. Die mehreren in Reihe/in Serie geschalteten aufladbaren Batterien oder Akkumulatoren können einen Strang/Batterie-Strang bilden und als solcher bezeichnet werden. Die mehreren in Reihe geschalteten Batterien können zu mehreren in Reihe geschalteter Batterien parallel geschaltet sein. Anders ausgedrückt kann die Batterieanordnung mehrere parallel geschaltete Stränge aufweisen. Jeder der Stränge kann eine oder mehrere in Reihe/Serie geschaltete aufladbare Batterien oder Akkumulatoren aufweisen.The energy storage arrangement can have an energy storage system with a relatively high energy density (relatively low power density). For example, the energy storage arrangement can have a battery arrangement. Additionally or alternatively, the energy storage arrangement can have an energy storage system with a relatively high power density (relatively low energy density). For example, the energy storage arrangement can have a capacitor arrangement. The battery arrangement can be viewed as an energy storage system with a relatively high energy density (relatively low power density). As a result, a relatively long / long-term energy supply can be provided with the aid of the battery arrangement. The capacitor arrangement can be viewed as an energy storage system with a relatively high power density (relatively low energy density). As a result, a relatively short / short-term energy supply can be provided with the aid of the capacitor arrangement. By means of simulation, an optimal ratio of battery arrangement and capacitor arrangement can be determined for the respective application. The battery arrangement can have several rechargeable batteries or accumulators connected in series. The plurality of rechargeable batteries or accumulators connected in series / in series can form a string / battery string and can be referred to as such. The multiple batteries connected in series can be connected in parallel to multiple batteries connected in series. In other words, the battery arrangement can have several strings connected in parallel. Each of the strings can have one or more rechargeable batteries or accumulators connected in series / series.
Die Kondensatoranordnung kann mehrere in Reihe geschaltete Superkondensatoren aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Kondensatoranordnung mehrere in Reihe geschaltete Superkondensatoren/Ultrakondensatoren aufweisen. Die Kondensatoranordnung kann ausgebildet sein, kurzzeitig, d. h. bis zur vollständigen Entladung der Kondensatoren, einen höheren Strom als die Batterieanordnung bereitstellen zu können. Dadurch kann das zweite Bordnetz im Fehlerfall auch mit hohen Strömen versorgt werden.The capacitor arrangement can have a plurality of supercapacitors connected in series. Additionally or alternatively, the capacitor arrangement can have a plurality of supercon units connected in series have capacitors / ultracapacitors. The capacitor arrangement can be designed to be able to provide a higher current than the battery arrangement for a short time, that is to say until the capacitors are completely discharged. This means that the second on-board network can also be supplied with high currents in the event of a fault.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Die Energieversorgungsvorrichtung weist eine Energiespeicheranordnung, eine erste Verbindung, eine zweite Verbindung, eine Schalteinheit und eine dritte Verbindung auf. Die erste Verbindung ist zwischen einem ersten Bordnetz und einem zweiten Bordnetz angeordnet. Das zweite Bordnetz ist über die erste Verbindung durch das erste Bordnetz mit Energie versorgbar. Die zweite Verbindung ist zwischen der Energiespeicheranordnung und dem zweiten Bordnetz angeordnet. Das zweite Bordnetz ist über die zweite Verbindung durch die Energiespeicheranordnung mit Energie versorgbar. Die Schalteinheit ist mit der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung verbunden. Die Schalteinheit ist ausgebildet, das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch das erste Bordnetz mit der ersten Verbindung zu verbinden oder das zweite Bordnetz zur Versorgung mit Energie durch die Energiespeicheranordnung mit der zweiten Verbindung zu verbinden. Die dritte Verbindung ist zwischen dem ersten Bordnetz und der Energiespeicheranordnung angeordnet. Die Energiespeicheranordnung ist über einen ersten Teilpfad der dritten Verbindung durch das erste Bordnetz mit Energie aufladbar. Das erste Bordnetz ist über einen zweiten, von dem ersten Teilpfad zumindest teilweise unterschiedlichen Teilpfad der dritten Verbindung durch die Energiespeicheranordnung mit Energie unterstützbar. Die Schalteinheit kann selbststeuernd sein, d.h. als selbststeuernde Schalteinheit ausgebildet sein.According to a second aspect of the invention, an energy supply device for a vehicle is proposed. The energy supply device has an energy storage arrangement, a first connection, a second connection, a switching unit and a third connection. The first connection is arranged between a first vehicle electrical system and a second vehicle electrical system. The second vehicle electrical system can be supplied with energy via the first connection through the first vehicle electrical system. The second connection is arranged between the energy storage arrangement and the second vehicle electrical system. The second vehicle electrical system can be supplied with energy via the second connection through the energy storage arrangement. The switching unit is connected to the first connection and the second connection. The switching unit is designed to connect the second vehicle electrical system to the first connection for supplying energy through the first vehicle electrical system, or to connect the second vehicle electrical system to the second connection for supplying energy through the energy storage arrangement. The third connection is arranged between the first vehicle electrical system and the energy storage arrangement. The energy storage arrangement can be charged with energy via a first partial path of the third connection through the first vehicle electrical system. The first vehicle electrical system can be supported with energy via a second partial path of the third connection, which is at least partially different from the first partial path, through the energy storage arrangement. The switching unit can be self-regulating, i.e. designed as a self-regulating switching unit.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Batterie für ein Fahrzeug (kurz Fahrzeugbatterie) bereitgestellt. Die Batterie kann die Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt oder zweiten Aspekt aufweisen wie sie hierin beschrieben wird/wurde.According to a third aspect of the invention, a battery for a vehicle (vehicle battery for short) is provided. The battery can have the energy supply device according to the first aspect or the second aspect as it is / has been described herein.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Fahrzeug weist ein erstes Bordnetz und ein zweites Bordnetz auf. Anders ausgedrückt kann das Fahrzeug eine Fahrzeugarchitektur mit einem ersten Bordnetz und einem zweiten Bordnetz aufweisen. Beispielsweise kann die Fahrzeugarchitektur aus dem ersten Bordnetz und dem zweiten Bordnetz bestehen. Das zweite Bordnetz weist mindestens eine redundante und/oder sicherheitskritische Komponente auf. According to a fourth aspect of the invention, a vehicle is proposed. The vehicle has a first on-board network and a second on-board network. In other words, the vehicle can have a vehicle architecture with a first on-board network and a second on-board network. For example, the vehicle architecture can consist of the first on-board network and the second on-board network. The second vehicle electrical system has at least one redundant and / or safety-critical component.
Das Fahrzeug weist ferner die Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß dem zweiten Aspekt auf, wie sie hierin beschrieben wird/wurde, oder die Batterie gemäß dem dritten Aspekt, wie sie hierin beschrieben wird/wurde.The vehicle furthermore has the energy supply device according to the first aspect or according to the second aspect, as it is / has been described herein, or the battery according to the third aspect, as it is / has been described herein.
Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch in entsprechender Weise in der Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt, der Batterie oder dem Fahrzeug realisiert sein/werden.Even if some of the aspects described above were described in relation to the energy supply device according to the first aspect, these aspects can also be implemented in a corresponding manner in the energy supply device according to the second aspect, the battery or the vehicle.
Die vorliegende Offenbarung soll weiter anhand von Figuren erläutert werden. Diese Figuren zeigen schematisch:
-
1 ein Gesamtsystem mit einer Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel; -
2 ein Gesamtsystem mit einer Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel; und -
3 eine beispielhafte Realisierung der Schalteinheit aus2 .
-
1 an overall system with an energy supply device according to a possible embodiment; -
2 an overall system with an energy supply device according to a possible embodiment; and -
3 an exemplary implementation of theswitching unit 2 .
Im Folgenden werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, spezifische Details dargelegt, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu liefern. Es ist einem Fachmann jedoch klar, dass die vorliegende Offenbarung in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, die von den nachfolgend dargelegten Details abweichen können. Beispielsweise werden im Folgenden spezifische Konfigurationen und Ausgestaltungen eines Systems beschrieben, die nicht als einschränkend anzusehen sind.In the following, but not limited to, specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present disclosure. However, it is clear to a person skilled in the art that the present disclosure can be used in other exemplary embodiments, which can deviate from the details set forth below. For example, specific configurations and refinements of a system are described below, which are not to be regarded as restrictive.
Allgemein kann die Energieversorgungsvorrichtung 100 eine Energieversorgung für eine oder mehrere der ersten Komponenten 12, 14, 16, 18 und/oder für das gesamte erste Bordnetz 10 und/oder für Zonen oder Abschnitte des ersten Bordnetzes 10 bereitstellen. Ferner kann die Energieversorgungsvorrichtung 100 eine Energieversorgung für eine oder mehrere der zweiten Komponenten 22, 24, 26, 28 und/oder für das gesamte zweite Bordnetz 20 und/oder für Zonen oder Abschnitte des zweiten Bordnetzes 20 bereitstellen.In general, the
Auch wenn in
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist eine erste Verbindung 130 zwischen dem ersten Bordnetz 10 und dem zweiten Bordnetz 20 auf. Das zweite Bordnetz 20 ist über die erste Verbindung 130 durch das erste Bordnetz 10 mit Energie versorgbar. Anders ausgedrückt kann das erste Bordnetz 10 das zweite Bordnetz 20 über die erste Verbindung 130 mit Energie versorgen.The
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist eine Energiespeicheranordnung 120 auf. Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine zweite Verbindung 140 zwischen der Energiespeicheranordnung 120 und dem zweiten Bordnetz 20 auf. Das zweite Bordnetz 20 ist über die zweite Verbindung 140 durch die Energiespeicheranordnung 120 mit Energie versorgbar. Anders ausgedrückt kann die Energiespeicheranordnung 120 das zweite Bordnetz 20 mit Energie versorgen.The
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine beispielsweise selbststeuernde Schalteinheit 110 auf, die im Folgenden lediglich als Schalteinheit 110 bezeichnet wird. Die Schalteinheit 110 ist mit der ersten Verbindung 130 und der zweiten Verbindung 140 verbunden. Die Schalteinheit 110 ist ausgebildet, das zweite Bordnetz 20 zur Versorgung mit Energie über die erste Verbindung 130 mit dem ersten Bordnetz 10 zu verbinden oder das zweite Bordnetz 20 zur Versorgung mit Energie über die zweite Verbindung 140 mit der Energiespeicheranordnung 110 zu verbinden. Anders ausgedrückt kann die Schalteinheit 110, beispielsweise basierend auf Spannungswerten, entscheiden, ob sie das zweite Bordnetz 20 zur Versorgung mit Energie durch das erste Bordnetz 10 mit der ersten Verbindung 130 verbindet oder ob sie das zweite Bordnetz 20 zur Versorgung mit Energie durch die Energiespeicheranordnung 120 mit der zweiten Verbindung 140 verbindet. Für das Treffen der Entscheidung kann die Schalteinheit 110 eine interne Logik/Logikeinheit aufweisen. Die Logik kann beispielsweise Spannungswerte von dem ersten Bordnetz 10 und der Energiespeicheranordnung 120 berücksichtigen und eine Verbindung zu der Entität (erstes Bordnetz 10 oder Energiespeicheranordnung 120) herstellen, unter Berücksichtigung, bei welcher Entität der höhere Spannungswert erhalten oder gemessen wurde. Anders ausgedrückt kann die Schalteinheit die Entität mit dem höheren zugehörigen Spannungswert durchschalten. Ferner kann die Schalteinheit in der Lage sein, eine Reduzierung eines Spannungswertes einer Entität zu identifizieren und eine Umschaltung/Zuschaltung einer Entität (erstes Bordnetz 10 oder Energiespeicheranordnung 120) einzuleiten. Diese Umschaltung kann beispielsweise das Abschalten des zugeschalteten ersten Bordnetzes 10 (oder Teilen/Abschnitten oder Komponenten davon) und das gleichzeitige Zuschalten der Energiespeicheranordnung 120 sein. Dementsprechend kann beispielsweise das Abschalten der zugeschalteten Energiespeicheranordnung 120 und das gleichzeitige Zuschalten des ersten Bordnetzes 10 (oder Teilen/Abschnitten oder Komponenten davon) eine Umschaltung darstellen.The
Wie in
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine dritte Verbindung 150 zwischen dem ersten Bordnetz 10 und der Energiespeicheranordnung 120 auf. Die dritte Verbindung 150 weist einen ersten Teilpfad 152 und einen zweiten Teilpfad 154 auf. Anders ausgedrückt weist die dritte Verbindung 150 an einem Abschnitt einen ersten Teilpfad 152 und einen zweiten Teilpfad 154 auf. Der erste und zweite Teilpfad 152, 154 sind zumindest teilweise/abschnittsweise unterschiedlich. Teilweise/abschnittsweise können der erste Teilpfad 152 und der zweite Teilpfad 154 übereinstimmen. Die Energiespeicheranordnung 120 ist über den ersten Teilpfad 152 der dritten Verbindung 150 durch das erste Bordnetz 10 mit Energie aufladbar. Anders ausgedrückt kann das erste Bordnetz 10 über den ersten Teilpfad 152 der dritten Verbindung 150 die Energiespeicheranordnung 120 mit Energie aufladen. Das erste Bordnetz 10 ist über den zweiten Teilpfad 154 der dritten Verbindung 150 durch die Energiespeicheranordnung 150 mit Energie unterstützbar. Anders ausgedrückt kann die Energiespeicheranordnung 120 über den zweiten Teilpfad 154 der dritten Verbindung 150 das erste Bordnetz 10 mit Energie/Energiezufuhr unterstützen. Hierfür kann in dem zweiten Teilpfad 154 eine Schaltvorrichtung 156 vorgesehen sein, die beispielsweise von einer in der Energieversorgungsvorrichtung 100 vorgesehenen Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller 180, angesteuert werden kann. Ist die Schaltvorrichtung 156 in einem geöffneten Zustand, d. h. elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten aufgehoben, kann dem ersten Bordnetz 10 keine Energie von der Energiespeicheranordnung 120 zugeführt werden. Ist die Schaltvorrichtung 156 in einem geschlossenen Zustand, d. h. elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten gegeben, kann dem ersten Bordnetz 10 Energie von der Energiespeicheranordnung 120 zugeführt werden. Die Steuereinheit kann beispielsweise Informationen darüber erhalten, dass zumindest eine der ersten Komponenten 12, 14, 16, 18 des ersten Bordnetzes 10 Energie benötigt, beispielsweise, weil das Fahrzeug oder zumindest eine der Komponenten sich in einer Aufstartphase oder in einem Anlassvorgang befinden. Während dieser Phase oder dieses Vorgangs kann die Schaltvorrichtung 156 von der Steuereinheit geschlossen werden, so dass die betroffene(n) erste(n) Komponente(n) 12, 14, 16, 18 oder das gesamte erste Bordnetz 10 mit Energie von der Energiespeicheranordnung 120 unterstützt wird/werden. Generell kann die Energieversorgung für das erste Bordnetz 10 über die Energiespeicheranordnung 120 mit Hilfe der Schaltvorrichtung 156 zugeschaltet werden, wenn eine Unterstützung des Hauptbordnetzes 10 nötig ist, wie z. B. in einem Fehlerfall oder während eines Anlassvorganges.The
Generell können hierin genannte Schalter oder Schaltvorrichtungen, wie die Schaltvorrichtung 156, durch die Steuereinheit und/oder durch von außerhalb der Energieversorgungsvorrichtung 100 stammende Informationen oder Befehle, beispielsweise Nachrichten, geschaltet werden. Zum Beispiel können auf Anweisung von außen, über Kommunikation, Schalter oder Schaltvorrichtungen Befehle ausführen oder diese evaluieren und ggf. durchführen. Als ein Beispiel sei hier eine CAN-Nachricht (CAN: Controller Area Network) genannt, welche zum Beispiel anweisen soll, einen Kanal X ab- oder anzuschalten („Kanal X ab-/anschalten“). Die Energieversorgungsvorrichtung 100, wie z. B. die Steuereinheit der Energieversorgungsvorrichtung 100, würde dann prüfen, ob der Befehl ausgeführt werden darf und würde ihn ggf. ausführen oder, beispielsweise von Schaltern oder Schaltvorrichtungen, ausführen lassen.In general, switches or switching devices mentioned herein, such as
Zusätzlich zu der Ausgestaltung aus
Wie bereits in Bezug auf
- • Autonomiestufe 0: Selbstfahrer („Driver only“), der Fahrer fährt selbst (lenkt, beschleunigt, bremst etc.)
- • Autonomiestufe 1: Fahrerassistenz. Bestimmte Assistenzsysteme helfen bei der Fahrzeugbedienung, beispielsweise der Abstandsregeltempomat (ACC).
- • Autonomiestufe 2: Teilautomatisierung. Funktionen wie automatisches einparken, Spurhalten, allgemeine Längsführung, Beschleunigen, Abbremsen werden von den Assistenzsystemen übernommen, z. B. vom Stauassistent.
- • Autonomiestufe 3: Bedingungsautomatisierung. Der Fahrer muss das System nicht dauernd überwachen. Das Fahrzeug führt selbstständig Funktionen wie das Auslösen des Blinkers, Spurwechsel und Spurhalten durch. Der Fahrer kann sich anderen Dingen zuwenden, wird aber bei Bedarf innerhalb einer Vorwarnzeit vom System aufgefordert die Führung zu übernehmen.
- • Autonomiestufe 4: Hochautomatisierung. Die Führung des Fahrzeugs wird dauerhaft vom System übernommen. Werden die Fahraufgaben vom System nicht mehr bewältigt, kann der Fahrer aufgefordert werden, die Führung zu übernehmen.
- • Autonomiestufe 5: Vollautomatisierung. Kein Fahrer erforderlich. Außer dem Festlegen des Ziels und dem Starten des Systems ist kein menschliches Eingreifen erforderlich. Das Fahrzeug kommt ohne Lenkrad und Pedale aus.
- • Autonomy level 0: self-drive ("Driver only"), the driver drives himself (steers, accelerates, brakes, etc.)
- • Autonomy level 1: driver assistance. Certain assistance systems help to operate the vehicle, such as adaptive cruise control (ACC).
- • Autonomy level 2: partial automation. Functions such as automatic parking, lane keeping, general longitudinal guidance, acceleration, braking are taken over by the assistance systems, e.g. B. from the traffic jam assistant.
- • Autonomy level 3: conditional automation. The driver does not have to constantly monitor the system. The vehicle independently performs functions such as triggering the indicator, changing lanes and keeping in lane. The driver can focus on other things, but if necessary the system prompts them to take the lead within a warning period.
- • Autonomy level 4: high automation. The system is permanently in charge of the vehicle. If the system can no longer handle the driving tasks, the driver can be asked to take the lead.
- • Autonomy level 5: full automation. No driver required. No human intervention is required other than setting the destination and starting the system. The vehicle manages without a steering wheel and pedals.
Demgemäß kann es sich bei den zweiten Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32 beispielsweise um Komponenten der Autonomiestufen 1 bis 5 handeln. Als solche zweite Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32 werden in
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist eine Energiespeicheranordnung 120 auf. Die Energiespeicheranordnung 120 weist ein Batteriemanagementsystem (BMS) 122, eine Batterieanordnung 124, als einen Energiespeicher mit hoher Energiedichte (niedriger Leistungsdichte), mit mehreren aufladbaren Batterien oder Akkumulatoren und eine Kondensatoranordnung 126, als einen Energiespeicher mit niedriger Energiedichte (hoher Leistungsdichte), auf. Dabei kann der Begriff hohe Energiedichte der Batterieanordnung 124 als eine zumindest höhere Energiedichte als die Energiedichte der Kondensatoranordnung 126 verstanden werden. Die Batterieanordnung 124 weist mehrere jeweils zu einem Strang in Reihe/Serie geschalteter Batterien auf. Die einzelnen Stränge sind wiederum zueinander parallel geschaltet. Die Batterien (die auch als Batteriezellen bezeichnet werden können) oder Akkumulatoren (die auch als Akkumulatorzellen bezeichnet werden können) der Batterieanordnung können auf Zellebene parallel geschaltet sein, d. h. die jeweiligen Zellen der Batterien oder Akkumulatoren können parallel geschaltet sein. Rein beispielhaft bilden in
Rein beispielhaft und ohne hierauf beschränkt zu sein, sei an dieser Stelle ein Beispiel für eine Batterieanordnung 124 mit drei parallel geschalteten Strängen genannt, von denen jeder drei Batterien oder Akkumulatoren aufweist. Jeder Strang kann beispielsweise 12 V bereitstellen. Die Batterieanordnung 124 kann beispielsweise 72 Wh (Wh: Wattstunde) bereitstellen. Die Wattstunde (Einheitenzeichen Wh) ist eine Maßeinheit der Arbeit bzw. Energie. Sie gehört zwar nicht zum internationalen Einheitensystem (SI), ist zum Gebrauch mit dem SI aber zugelassen. Eine Wattstunde entspricht der Energie, welche ein System mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt.Purely by way of example and without being restricted to this, an example of a
Die Kondensatoranordnung 126 kann einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, die beispielsweise in Reihe geschaltet sein können. Die einen oder mehreren Kondensatoren können als Superkondensatoren/Ultrakondensatoren ausgebildet sein. Mit Hilfe der Kondensatoranordnung 126 können hohe Ströme bereitgestellt werden. Rein beispielhaft und lediglich zur Illustration der Größenordnungen sei hier genannt, dass mit Hilfe der Batterieanordnung 124 beispielsweise pro Strang 100 A und damit im Falle von drei parallel geschalteten Strängen 300 A bereitgestellt werden können, während mit mehreren, z. B. drei, hintereinander geschalteten Superkondensatoren beispielsweise 3 kA bereitgestellt werden können.The
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist eine erste Verbindung 130 zwischen dem ersten Bordnetz 10 und dem zweiten Bordnetz 20 auf. Das zweite Bordnetz 20 ist über die erste Verbindung 130 durch das erste Bordnetz 10 mit Energie versorgbar. Da sich die erste Verbindung direkt/unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten, zu der unten näher beschriebenen Schalteinheit 110 erstreckt, kann sie auch als Brücke 130 bezeichnet werden. Die erste Verbindung 130 überbrückt sozusagen die weiteren Komponenten der Energieversorgungsvorrichtung 100 bis zu der Schalteinheit 110, genauer gesagt der Eingangsseite der Schalteinheit 110. Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine zweite Verbindung 140 zwischen der Energiespeicheranordnung 120 und dem zweiten Bordnetz 20 auf. Das zweite Bordnetz 20 ist über die zweite Verbindung 140 durch die Energiespeicheranordnung 120 mit Energie versorgbar. Auch die zweite Verbindung 140 erstreckt sich direkt/unmittelbar von der Energiespeicheranordnung 120 zu der Schalteinheit, genauer gesagt der Eingangsseite der Schalteinheit 110, ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten, wie beispielsweise Spannungswandlern.The
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine Schalteinheit 110 auf. Die Schalteinheit 110 ist mit der ersten Verbindung 130 und der zweiten Verbindung 140 verbunden. In dem Beispiel aus
In
In der beispielhaften Realisierung der Schalteinheit 110 aus
Unabhängig davon, ob die Schalteinheit 110 Dioden (wie in
Alternativ zu der Ausgestaltung als Leistungs-Oder-Schaltung kann die Schalteinheit 110 eine per Software gesteuerte Schaltung aufweisen oder als solche ausgebildet sein.As an alternative to the configuration as a power-OR circuit, the
Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist ferner eine dritte Verbindung 150 zwischen dem ersten Bordnetz 10 und der Energiespeicheranordnung 120 auf. Die dritte Verbindung 150 weist einen ersten Teilpfad 152 und einen zweiten Teilpfad 154 auf. Der erste und zweite Teilpfad 152, 154 sind zumindest teilweise/abschnittsweise unterschiedlich. Teilweise/abschnittsweise können der erste Teilpfad 152 und der zweite Teilpfad 154 übereinstimmen.The
Die Energiespeicheranordnung 120 ist über den ersten Teilpfad 152 der dritten Verbindung 150 durch das erste Bordnetz 10 mit Energie aufladbar. Hierfür weist der erste Teilpfad 152 einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 160 auf. Der Gleichspannungswandler ist ausgebildet, einen Gleichspannungs-Eingangswert eines bestimmten Eingangswert-Bereichs in einen Gleichspannungs-Ausgangswert umzuwandeln. Rein beispielhaft kann sich der Eingangswert in einem Bereich von 9 V bis 16 V, insbesondere 13 V bis 16 V, befinden. Der Ausgangswert kann rein beispielhaft 12 V betragen. Der Gleichspannungswandler 160 kann sehr einfach und kostengünstig aufgebaut sein, unter anderem, da er stets nur in eine Richtung arbeiten muss, d. h. unidirektional aus Richtung des ersten Bordnetzes 10 in Richtung der Energiespeicheranordnung 120. In die andere Richtung muss er nicht arbeiten können, d. h. es ist kein bidirektionaler Gleichspannungswandler nötig.The
Trotz des einfachen Aufbaus des unidirektionalen Gleichspannungswandlers 160 ist auch eine Energiezufuhr aus Richtung der Energiespeicheranordnung 120 in Richtung des ersten Bordnetzes 10 möglich. Diese Energiezufuhr wird über den zweiten Teilpfad 154 erreicht. Das erste Bordnetz 10 ist über den zweiten Teilpfad 154 der dritten Verbindung 150 durch die Energiespeicheranordnung 150 mit Energie unterstützbar. Hierfür ist in dem zweiten Teilpfad 154 eine Schaltvorrichtung 156 vorgesehen, die in
Weitere Details der Energieversorgungsvorrichtung/des Leistungsstabilisators 100 werden im Folgenden erläutert. Die folgenden Details können, müssen jedoch nicht in den Ausführungsbeispielen aus
Der Leistungsstabilisator 100 kann an das erste Bordnetz/Hauptbordnetz 10 angeschlossen werden und übernimmt so die Absicherung zwischen dem Hauptbordnetz 10 (auch Standard-Bordnetz genannt) und dem zweiten Bordnetz 20, an dem redundante und/oder sicherheitskritische Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32, wie Steuergeräte und Sensoren, angeschlossen sind. Die redundanten und/oder sicherheitskritischen Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32, wie Steuergeräte und Sensoren, sind jeweils an eigenen, elektronisch gesicherten Ausgängen angeschlossen, die für die autonome Fahrfunktion des Fahrzeugs beispielsweise sicherheitsbedingt notwendig sind. Sollte im Standard-Bordnetz 10 die Spannung unter einen gewissen Pegel fallen, trennt der Leistungsstabilisator 100 dieses Bordnetz 10 vom Redundanz-Bordnetz 20. Zudem stellt der Leistungsstabilisator 100 die Energieversorgung des Redundanz-Bordnetzes 20 durch die im Leistungsstabilisator 100 vorhandene Energieversorgungsanordnung 120, z. B. durch die Batterieanordnung 124 und/oder durch die Kondensatoranordnung 126 (z.B. Supercaps), bereit. Dabei entscheidet der Leistungsstabilisator 100 selbst, ob zusätzlich mit Hilfe der Schalter 170 noch einzelne Ausgänge und dadurch Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32 des zweiten Bordnetzes 20 am Ausgang abgeschaltet werden können/sollen. Sollte es in einer der Komponenten 22, 24, 26, 28, 30, 32, z. B. einem der Geräte, der Redundanzseite, d. h. des Redundanz-Bordnetzes 20, eine Fehlfunktion (wie beispielsweise einen Kurzschluss) geben, schaltet der Leistungsstabilisator 100 den entsprechenden Ausgang mit dem zugehörigen Schalter der Schalter 170 ab. In einem Fehlerfall kann der Leistungsstabilisator 100 eine Nachricht über ein Busprotokoll (z.B. CAN, CANFD, LIN, Ethernet) über das Bussystem 190 senden, um andere Steuereinheiten über das Ereignis zu informieren.The
Wie bereits oben erläutert wird in
Beispielhaft kann als Batterieanordnung 124 ein sogenannte 3-Zellen Batteriesystem verwendet werden. Bei dem 3-Zellen Batteriesystem handelt es sich um drei in Serie geschaltete Batterien, die einen Strang bilden, wobei mehrere solcher Stränge parallel geschaltet sind. Hierdurch kann die Hardware-Architektur des Leistungsstabilisators 100 stark vereinfacht werden. Denn es muss beispielsweise nur die Spannung heruntergeregelt werden; Schalter zur Trennung der Spannungsbereiche entfallen. Das BMS 122 regelt dabei das Balancing/die Ausbalancierung der Batterien/Batterieanordnung 124 und überwacht auch die Ladung und Entladung des Kondensators oder der Kondensatoren der Kondensatoranordnung 126. Des Weiteren wird eine Überbrückung, nämlich die erste Verbindung 130, verwendet, sodass im Normalbetrieb das Redundanznetzwerk/Redundanz-Bordnetz 20 direkt/unmittelbar aus dem Standard-Bordnetz 10 versorgt wird. Direkt/unmittelbar ist hierbei so zu verstehen, dass zwischen dem ersten Bordnetz 10 und der Schalteinheit 110 keine Komponenten zwischengeschaltet sind, also insbesondere keine Komponenten sich auf der Überbrückung 130 befinden. Unter anderem dadurch kann der Gleichspannungswandler 160 (DC/DC-Wandler) schwächer oder einfacher oder weniger komplex ausgelegt werden oder es kann lediglich ein (Abwärts-)Linearregler als Gleichspannungswandler 160 Verwendung finden. Derartige unidirektionale Gleichspannungswandler sind zum einen recht einfach aufgebaut. Des Weiteren ist ihr Leistungsverbrauch verglichen mit komplexeren Gleichspannungswandlern, wie z. B. bidirektionalen Gleichspannungswandlern geringer. Rein beispielhaft sei hier, ohne darauf beschränkt zu sein, ein ungefährerer Leistungsverbrauch von 100 W für den Gleichspannungswandler 160 genannt.For example, a so-called 3-cell battery system can be used as the
Ein intelligenter Schalter 156 ist in dem zweiten Teilpfad 154 angeordnet. Der intelligente Schalter 156 ist vorhanden, um das Standard-Bordnetz 10 durch die im Leistungsstabilisator 100 vorhandene Energiespeicheranordnung 120, z. B. durch die vorhandene Batterieanordnung 124 und/oder Kondensatoranordnung 126, unterstützen zu können, falls gewünscht oder nötig.An
Die Ausgänge des Leistungsstabilisators 100 sind beispielsweise durch Halbleiterschalter abgesichert, wie die Schalter 170. Es können alternativ auch Schmelzsicherungen oder Relais verwendet werden. Die letztendliche Größe des Leistungsstabilisators 100 kann so ausgelegt werden, dass er in den Bauraum einer Fahrzeug-Batterie passt. Der Leistungsstabilisator 100 kann bei Bedarf so ausgelegt werden, dass er einen Stromrückfluss einer Ausgangskomponente zulässt (z.B. bei Rekuperation durch Bremse und/oder Lenkung).The outputs of the
Der Leistungsstabilisator 100 kann als eigenständige Intelligenz agieren. Der Leistungsstabilisator 100 kann nicht nur die oben beschriebene Sicherungsfunktion im Sinne einer Sicherung der Energieversorgung, sondern auch Entscheidungen übernehmen, ob Kanäle (Verbraucher am Ausgang) degradiert werden. Der Leistungsstabilisator 100 ist eine Komponente, die gut sowohl beim Fahrzeugbau als auch im Nachhinein der Fahrzeugarchitektur hinzugefügt werden kann. Der Leistungsstabilisator 100 ermöglicht eine sichere und redundante Energieversorgung. Für die Bordnetzdiagnose hat er den Vorteil einer eigenen Intelligenz für eigene Entscheidungen, wie z. B. eine Priorisierung und/oder Degradation von Komponenten des ersten Bordnetzes 10 und/oder zweiten Bordnetzes 20. Ferner wird eine Stabilisierung der Bordnetzspannung für kritische/empfindliche Komponenten oder das ganze Bordnetz 20 ermöglicht. Die beschriebenen Funktionen und Komponenten des Leistungsstabilisators 100 müssen nicht alle in einem einzigen Gerät vorhanden sein, sondern können auf mehrere Geräte aufgeteilt sein. Anders ausgedrückt kann sich der Leistungsstabilisator 100 aus mehreren einzelnen Geräten zusammensetzen. Grundsätzlich ist es denkbar, den Leistungsstabilisator 100 auch in anderen Bereichen als für Fahrzeuge anzuwenden, d. h. in anderen Anwendungen, bei denen eine redundante und/oder unabhängige Versorgung benötigt wird. Ferner können zumindest Teile und/oder Komponenten des Leistungsstabilisators 100 redundant ausgelegt werden. Auf diese Weise kann eine Klassifizierung nach ASIL (ASIL: Automotive Safety Integrity Level) B, C oder D erreicht werden.The
Es soll nun ein spezifischer Anwendungsfall des Leistungsstabilisators 100 beschrieben werden.A specific application of the
Im Normalbetrieb des Fahrzeugs werden die Komponenten des Hauptbordnetzes 10 zuverlässig mit Energie versorgt. Für den Fehlerfall befinden sich einige sicherheitskritische Komponenten als redundante Komponenten in dem Redundanz-Bordnetz 20. Die Komponenten des Redundanz-Bordnetzes 20 sind im Normalbetrieb über eine Brücke (erste Verbindung 130) mit dem Hauptbordnetz 10 verbunden. Das heißt, im Normalbetrieb werden die Komponenten des Redundanz-Bordnetzes 20 durch über die erste Verbindung 130 mit Energie aus dem Hauptbordnetz 10 versorgt. Genauer gesagt ist das Hauptbordnetz 10 zur Energieversorgung des Redundanz-Bordnetzes 20 über die erste Verbindung mit der Schalteinheit 110 verbunden. Jede Komponente des Redundanz-Bordnetzes 20 ist über einen zugehörigen Schalter 170 mit der Schalteinheit verbunden. Im Normalbetrieb schaltet die Schalteinheit 110 die erste Verbindung 130 und damit die Energieversorgung des Hauptbordnetzes 10 zu den Schaltern 170 und über geschlossene Schalter 170 an das Redundanz-Bordnetz 20 durch.During normal operation of the vehicle, the components of the main
Ebenfalls im Normalbetrieb fließt ein Strom aus dem Hauptbordnetz 10 in den ersten Teilpfad 152 der dritten Verbindung 150 und dort direkt/unmittelbar zu dem Gleichspannungswandler 160. Der Gleichspannungswandler 160 kann die Eingangsspannung auf einen Spannungspegel wandeln, der zum Laden der Batterieanordnung 124 und zum Laden der Kondensatoranordnung 126 geeignet ist. Aus dem Gleichspannungswandler 160 fließt aufgrund der gewandelten Spannung ein zum Laden geeigneter Ladestrom direkt/unmittelbar in die Energiespeicheranordnung 120 mit Batterieanordnung 124 und Kondensatoranordnung 126.Also in normal operation, a current flows from the main
Im Fall eines Fehlers, beispielsweise eines Kurzschlusses im Hauptbordnetz 10 und eines damit verbundenen Spannungseinbruchs, schaltet die Schalteinheit 110 automatisch von der zuvor beschriebenen Energieversorgung über die erste Verbindung 130 auf eine Energieversorgung über die zweite Verbindung 140 um. Das Redundanz-Bordnetz 20 wird dadurch nicht mehr durch das Hauptbordnetz 10 sondern durch die Energiespeicheranordnung 120 mit Energie versorgt. Diese Energie kann beispielsweise durch die Batterieanordnung 124 geliefert werden. Falls hohe Ströme nötig sind, können diese durch die Kondensatoranordnung 126 kurzfristig und schnell bereitgestellt werden.In the event of a fault, for example a short circuit in the main
Als konkreter Beispielfall sei an dieser Stelle das Aussetzen der Lenkung oder Bremse genannt. Im Falle des autonomen Fahrens mit einem bestimmten SAE-Level dient der Mensch nicht immer als Rückfallebene. Beispielsweise könnte der Fahrer abgelenkt sein, sich mit anderen Dingen beschäftigen oder schlafen. Aufgrund dessen muss sichergestellt sein, dass die autonomen Funktionen auch im Fehlerfall zumindest so lange weiter funktionieren, bis keine Gefahr mehr besteht. Zum Beispiel wird die durch die Lenkkomponente 22 bereitgestellte Lenkfunktion so lange durch die Energieversorgung über die Energiespeicheranordnung 120 aufrechterhalten, bis das Fahrzeug beispielsweise ausgerollt ist und sicher stehenbleibt. Beispielsweise kann die Energieversorgung durch die Energiespeicheranordnung 120 so abgestimmt sein, dass die sicherheitsrelevante Funktion, wie die Lenkung, noch für mindestens eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten wird, wie beispielsweise 10 Sekunden, 20 Sekunden, 30 Sekunden, 1 Minute oder länger als 1 Minute.As a specific example, the suspension of the steering or the brake is mentioned at this point. In the case of autonomous driving with a certain SAE level, humans do not always serve as a fall-back level. For example, the driver might be distracted, busy doing other things, or sleeping. Because of this, it must be ensured that the autonomous functions continue to work at least until there is no longer any danger, even in the event of a fault. For example, the steering function provided by the
Falls zusätzliche Energie von dem Hauptbordnetz 10 benötigt wird, beispielsweise in einer Anlassphase oder während eines Anlassvorganges einer oder mehrerer der Komponenten des Hauptbordnetzes 10 oder des gesamten Hauptbordnetzes 10 oder des Fahrzeugs, kann der Mikrocontroller 180 den Schalter 156 schließen. Dadurch fließt ein Strom aus der Energiespeicheranordnung 120 zu dem Hauptbordnetz 10 über den zweiten Teilpfad 154 der dritten Verbindung 150. Auf diese Weise kann das Hauptbordnetz 10 mit Energie aus der Energiespeicheranordnung 120 versorgt werden, obwohl ein einfach aufgebauter, unidirektionaler Gleichspannungswandler 160 verwendet wird, über den kein Strom aus Richtung der Energiespeicheranordnung 120 in Richtung des Hauptbordnetzes 10 fließen kann.If additional energy is required from the main on-
Mit Hilfe der Energieversorgungsvorrichtung/des Leistungsstabilisators 100 wird somit eine zuverlässige und dennoch einfach aufgebaute Energieversorgung mehrerer Bordnetze 10, 20 sichergestellt.With the aid of the energy supply device / the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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