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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung insbesondere sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 1020182029871 ist bereits ein Batterieanschluss für ein Bordnetz bekannt. Dieser umfasst eine elektronisch gesteuerte Bordnetz-Koppel-Trenn-Funktionalität zur Verwirklichung einer elektronisch gesteuerten Stromverteilung, wobei der Batterieanschluss eine Anzahl von Schaltelementen umfasst, von denen jeweils zumindest einige sternpunktförmig miteinander verbunden sind.
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Aus der
DE 102018212507 A1 ist ein elektronischer Leistungsverteiler für ein Energiebordnetz mit mindestens einem ersten Anschluss für sicherheitskritische Verbraucher und mindestens einem zweiten Anschluss für einen Zweig, in dem mindestens ein Verbraucher angeordnet ist, bekannt. Er umfasst weiter eine elektronische Sicherung, die in einem geschlossenen Zustand einen Stromfluss zu dem mindestens einen zweiten Anschluss ermöglicht und in einem geöffneten Zustand diesen Stromfluss unterbricht, wobei ein Bypass zu der elektronischen Sicherung vorgesehen ist, der in einem Betriebszustand, in dem die elektronische Sicherung geöffnet ist, den Stromfluss zu dem mindestens einen zweiten Anschluss ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die zuverlässig hohe Ströme sicher führt und abschalten kann, insbesondere bei Bordnetzen mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie beispielsweise in Verbindung mit automatisierten Fahrfunktionen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Dadurch, dass zumindest zwei parallel zueinander verschaltete Hauptpfade sowie ein Zusatzpfad vorgesehen sind, wobei jeder Hauptpfad zumindest ein Schaltmittel und ein Erfassungsmittel umfasst, kann zum einen eine redundante Stromführungsmöglichkeit für sicherheitsrelevante Verbraucher ermöglicht werden. Gerade bei einem speziellen symmetrischen Aufbau können Spitzenströme vermieden werden, ohne in diesen Fällen zu früh eine Abschaltung auszulösen. Durch das Vorsehen von Erfassungsmitteln in jedem Pfad kann mit hoher Zuverlässigkeit die Funktionsfähigkeit überprüft und selbst bei Ausfall eines Pfades über den redundanten Pfad sichergestellt werden. Damit lassen sich hohe Sicherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) erreichen, wie dies beispielsweise für automatisierte Fahrfunktionen erforderlich ist. Außerdem lässt sich eine Hochstromfähigkeit erreichen, wie sie für das gezielte Durchschmelzen von Sicherungen zum Erhalt der Verfügbarkeit des Fahrzeugs von Vorteil ist. Durch das Vorsehen des Zusatzpfads können Strombegrenzungs- und Klemmfunktionen realisiert werden, über die ein Abschalten von hohen Strömen selbst bei induktiver Last möglich wird.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Hauptpfade jeweils zumindest zwei parallelverschaltete Teilpfade umfassen mit jeweils zumindest einem Schaltmittel und/oder mit jeweils zumindest einem Erfassungsmittel. Dadurch lässt sich eine redundante aber auch symmetrische Auslegung des hochstromfähigen Trennschalters weiter verbessern.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Zusatzpfad zumindest einen Widerstand aufweist. Dieser dient bevorzugt zur Strombegrenzung und/oder zur Aufnahme von Energie beim Schaltvorgang der Schaltmittel in den Hauptpfaden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass über den Zusatzpfad eine Kopplung im Parkbetrieb des Fahrzeugs und/oder eine Vorladung eines Zwischenkreiskondensators erfolgen kann.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest parallel zu dem Schaltmittel zumindest ein Kondensator und zumindest ein Widerstand parallel verschaltet ist als Kommutierungshilfe für das jeweilige Schaltmittel. Über diese RC-Glieder können kurzzeitige Leistungsspitzen gespeichert werden, wodurch eine schnelle Kommutierung unterstützt wird.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Teilpfad parallel verschaltet zu dem Zusatzpfad vorgesehen, wobei der Teilpfad zumindest eine Spannungsbegrenzung, insbesondere eine Diode, besonders bevorzugt eine TVS-Diode umfasst. Dadurch wird bei den Schaltvorgängen der Schaltmittel des Hauptpfads im Falle beispielsweise von Mosfets ein Betrieb im Avalanche-Modus verhindert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schaltmittel aus zwei antiseriell (invers zueinander betrieben) angeordneten Schaltelementen gebildet ist. Dadurch wird beim Einsatz von Mosfets eine bidirektionale Trennfähigkeit erreicht. Zusätzlich kann der Mittelpunkt der antiseriellen Verschaltung zu Diagnosezwecken ausgelenkt werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schaltmittel und die Erfassungsmittel in den jeweiligen Hauptpfaden und/oder Teilpfaden mit identischen Kenngrößen verwendet sind. Dadurch kommt es zu einer symmetrischen bzw. gleichmäßigen Stromverteilung in den Hauptpfaden. Insbesondere bei einer Verschachtelung der Teilpfade können unliebsame Stromspitzen, die unter Umständen eine Auslösung des Schaltelements zur Folge hätten, reduziert werden. Weiterhin erleichtert sich die Fehlererkennung durch gezielte Auswertung von eventuell vorliegenden Asymmetrien.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Auswertung der Ströme in den jeweiligen Hauptpfaden und/oder Teilpfad(en) erfolgt und bei unterschiedlichen Strömen in den Hauptpfaden und/oder Teilpfad(en) auf einen Fehlerfall erkannt wird. Dies deutet auf das Nichtfunktionieren der Erfassungsmittel und/oder der Ansteuerschaltung(en) für die Schaltmittel und/oder auf Defekte in den Schaltmitteln selbst hin.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Erfassungsmittel zumindest einen Wert vor Veränderung eines Schwellwerts und/oder vor Abschalten eines anderen Hauptpfads und oder eines anderen Teilpfads erfasst und dass das Erfassungsmittel zumindest einen Wert nach Veränderung des Schwellwerts und/oder nach Abschalten eines anderen Hauptpfads und/oder eines anderen Teilpfads erfasst. Durch gezieltes Erfassen vor und nach Abschaltung von gewissen Pfaden können Plausibilitätstests der ermittelten Stromwerte vorgenommen werden, was zur Fehlerauswertung herangezogen wird. Dadurch erhöht sich die Sicherheit für die Fehlerdetektion.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass in den einzelnen Hauptpfaden Erfasssungsmittel und/oder ein Schwellwertvergleich und/oder eine Ansteuerung des jeweiligen Schaltmittels jeweils unabhängig voneinander sind. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung im Fehlerfall ausgeschlossen.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt ein Bordnetz, bei dem das Schaltmittel implementiert ist,
- 2 zeigt den genaueren Aufbau des Schaltmittels,
- 3 die unterschiedlichen Aktivierungsschritte bei der fehlerfreien Inbetriebnahme bzw. beim Trennen der Teilbordnetze sowie
- 4 ein Flussdiagramm für das Freibrennen der Sicherung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Die 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Bordnetz 10, welches einen Energiespeicher 12, insbesondere eine Batterie 12 mit zugehörigem Sensor 14, vorzugsweise ein Batteriesensor, sowie mehrere insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, die durch einen elektrischen Leistungsverteiler 18 abgesichert bzw. angesteuert werden, umfasst. Bei den Verbrauchern 16 handelt es sich um Spezialverbraucher mit hohen Anforderungen bzw. einem hohen Schutzbedarf, allgemein als als sicherheitsrelevante Verbraucher 16 bezeichnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Lenkung und/oder ein Bremssystem als solche Komponenten, die unbedingt versorgt werden müssen, um im Fehlerfall das Lenken und/oder Bremsen des Fahrzeugs sicherzustellen. Hierzu werden gesondert entsprechende Kenngrößen des jeweiligen Verbrauchers 16 erfasst und bei Abweichung von tolerablen Werten der jeweilige Schalter 15 geöffnet zum Schutze des jeweiligen Verbrauchers 16.
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An einem Anschluss (Klemme KL30_1) des Leistungsverteilers 18 ist ebenfalls der Energiespeicher 12 angeschlossen. Der Sensor 14 ist in der Lage, eine elektrische Kenngröße wie beispielsweise eine Spannung Ub am Energiespeicher 12 und/oder einen Strom Ib durch den Energiespeicher 12 und/oder eine Temperatur Tb des Energiespeichers 12 zu erfassen. Der Sensor 14 kann aus den ermittelten elektrischen Kenngrößen Ub, Ib, Tb beispielsweise den Ladezustand SOC des Energiespeichers 12 oder weitere Kenngrößen des Energiespeichers 12 ermitteln. An dem weiteren Anschluss (KL 30_1) des Leistungsverteilers 18, an dem auch der Energiespeicher 12 angeschlossen ist, ist optional auch ein weiterer Versorgungszweig für zumindest einen weiteren Verbraucher 25 vorgesehen. Der Verbraucher 25 wird über eine Schmelzsicherung 23 abgesichert. Es können noch weitere Verbraucher 25 vorgesehen sein, die ebenfalls über Schmelzsicherungen 23 abgesichert werden können. Bei diesen Verbrauchen 25 handelt es sich um solche, die auch bei Auftrennen bzw. Öffnen des Schaltmittels 19 im Leistungsverteiler 18 noch von dem Energiespeicher 12 mit Energie versorgt werden sollen, also vorzugsweise um solche sicherheitskritische Verbraucher 25 bzw. Verbraucher 25, die kritisch sind hinsichtlich der Erzeugung von Störungen im Bezug auf die Versorgungssicherheit. Somit ist an dem Anschluss KL 30_1 ein (optionaler) sicherheitsrelevanter bzw. sicherheitskritischer Bordnetzpfad angeschlossen.
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Der Leistungsverteiler 18 ist in der Lage, entsprechende Kenngrößen wie Spannung Uv, Strom Iv der Verbraucher 16 zu ermitteln. Der Leistungsverteiler 18 ist darüber hinaus ebenfalls in der Lage, entsprechende Kenngrößen des Energiespeichers 12 wie Spannung Ub und/oder Strom Ib und/oder Temperatur Tb zu ermitteln. Hierzu enthält der Leistungsverteiler 18 die entsprechende Sensorik. Ebenfalls besitzt der Leistungsverteiler 18 entsprechende Verarbeitungsmittel wie beispielsweise einen Mikrocontroller 13, erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Der Mikrocontroller 13 ist darüber hinaus in der Lage, entsprechende Schalter 15 bzw. Schaltmittel 34, 36, 44, 46, 54 des Schaltmittels 19 (hochstromfähiger Trennschalter) anzusteuern. Alternativ könnte die Auswertung auch in einem anderen Steuergerät erfolgen.
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Weiterhin ist der Leistungsverteiler 18 in der Lage, abhängig vom Zustand des Energiespeichers 12 Signale, auf deren Basis der Übergang in einen sicheren Zustand eingeleitet wird, zu liefern. Dann leitet beispielsweise ein übergeordnetes Steuergerät beispielsweise einen sicheren Halt des Fahrzeugs (Anfahren des nächsten Parkplatzes, sofortiger Halt am Seitenstreifen etc.) ein und verlässt den autonomen Fahrbetrieb.
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Ebenfalls besitzt der Leistungsverteiler 18 entsprechende Verarbeitungsmittel wie beispielsweise den Mikrocontroller 13, um erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Außerdem kann der Leistungsverteiler 18 einen anwenderspezifischen Schaltkreis (ASIC) umfassen, über den eine Sicherungsfunktion in Verbindung mit den entsprechend angesteuerten Schaltern 15 für die an den Ausgängen angeschlossenen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 realisiert wird. Bei bestimmten kritischen Zuständen (beispielsweise Überschreiten einer bestimmten Temperatur, Verlustleistung, Überstrom, Überspannung, Unterspannung etc.) wird der Schalter 15 und/oder Schaltmittel 19 geöffnet, um so beispielsweise einen Überlastfall zu unterbinden. Der Leistungsverteiler 18 kann mit einem Anschluss für ein Kommunikationssystem, insbesondere ein Bussystem wie ein CAN-Bus und/oder LIN-Bus, versehen sein. Außerdem kann ein Anschluss für zumindest ein weiteres Anschlussssignal, beispielsweise das sogenannte Klemme 31-Signal (Zündung ein), vorgesehen sein. Wie ersichtlich ist an einem Anschluss des Leistungsverteilers 18 der zugehörige Energiespeicher 12 angeschlossen. Dies muss jedoch nicht als unmittelbarer Anschluss vorgesehen sein, sondern könnte gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Komponenten wie konventioneller Sicherungskästen oder Ähnliches erfolgen.
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Außerdem ist das Schaltmittel 19 vorgesehen, das zwischen dem Anschluss (KL30_0) des Leistungsverteilers 18 und dem weiteren Anschluss (KL30_1) für den Energiespeicher 12 liegt. Gegebenenfalls könnten über das Schaltmittel 19 die an den Ausgängen des Leistungsverteilers 18 angeschlossenen Verbraucher 16 von einer anderen Energiequelle, beispielsweise von einem anderen Bordnetzzweig über einen Gleichspannungswandler 22 versorgt werden, wenn der am anderen Anschluss KL30_1 angeschlossene Energiespeicher 12 ausfällt. Über das Schaltmittel 19 kann eine entsprechende Trenn- bzw. Koppelfunktion insbesondere der beiden Bordnetz-Zweige (Teilbordnetz für nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17 an Anschluss KL 30_0; weiteres Teilbordnetz für sicherheitsrelevante Verbraucher 16, 25) realisiert werden. Dies dient insbesondere als Sicherungsfunktion, um die Auswirkungen von kritischen Zuständen wie Über- oder Unterspannungen und/oder Überströmen und/oder thermische Überlastung zu unterbinden. Im Fehlerfall können die beiden Teilbordnetze durch das Schaltmittel 19 voneinander getrennt werden. Damit werden die sicherheitsrelevanten Verbraucher 16,25 des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes getrennt von den nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern 17 des anderen Teilbordnetzes.
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Die durch den Leistungsverteiler 18 versorgten sicherheitsrelevanten Verbraucher 16, 25 könnten beispielsweise sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen wie beispielsweise Bremsen, Lenken etc. umfassen, insbesondere Verbraucher 16 mit hohen Anforderungen hinsichtlich Schutzbedarf. Generell handelt es sich bei sicherheitsrelevanten Verbrauchern 16, 25 besonders schützenswerte Verbraucher, die beispielsweise zur Aufrechterhaltung gewisser Notfunktionen notwendig sind. Neben den geschilderten Funktionen wie Lenken und Bremsen kann es sich auch um solche Funktionen handeln, die beispielsweise nach einem Unfall wenn möglich noch funktionstüchtig sein sollten wie beispielsweise Rückhaltesysteme, Schließsysteme zum Öffnen und Schließen der Fahrzeugtüren, Notrufsysteme beispielsweise zum Absetzen eines elektronischen Notrufs, Schiebedachfunktionen, Beleuchtung, Scheibenwischer oder Ähnliches.
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Das Basisbordnetz 10 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 20 niedrigeres Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 10 und dem Hochvolt-Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 22 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 20 umfasst beispielhaft einen Energiespeicher 24, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine Last 26, beispielsweise ein Komfortverbraucher wie eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 28. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau U2 verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau U1 des Basisbordnetzes 10. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 20 ganz entfallen.
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Zwischen dem Anschluss (KL30_0) des Leistungsverteilers 18 und dem Gleichspannungswandler 22 ist ein weiterer Zweig bzw. ein weiteres Teilbordnetz zur Versorgung weiterer Verbraucher 17 angeordnet. Die jeweiligen Verbraucher 17 werden über entsprechende Schmelzsicherungen 23 abgesichert wie beispielhaft dargestellt. Bei diesen Verbrauchen 17 handelt es sich typischerweise um Komfortverbraucher bzw. nicht sicherheitsrelevante Verbraucher. Komfortverbraucher 17 und Schmelzsicherungen 23 können je nach Anwendungen in Haupt-und Untergruppen aufgeteilt und damit gruppiert sein. Es handelt sich um solche Verbraucher 17, welche sich nicht durch hohe Sicherheitsrelevanz (wie die Verbraucher 25) bzw. durch hohe Anforderungen hinsichtlich eines Schutzbedarfs (wie die Verbraucher 16) auszeichnen. Rückwirkungen dieser Verbraucher 17 auf sicherheitsrelevante Verbraucher 25 bzw. 16 können durch Isolation des Fehlers über Öffnen des Schaltmittels 19 verhindert werden. Das Schaltmittel 19 ist also zwischen den Verbrauchern 17 und den sicherheitsrelevanten Verbrauchern 25 und/oder den Verbrauchern 16 mit hohem Schutzbedarf angeordnet.
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Mit dem Hochvoltbordnetz 20 können über einen weiteren Gleichspannungswandler 22' zumindest einer oder weitere insbesondere sicherheitsrelevante Kanäle bzw. Bordnetzzweige 10' verbunden sein. Die sicherheitsrelevanten Kanäle könnten jeweils einen weiteren elektronischen Leistungsverteiler 18' aufweisen. Optional kann der weitere Leistungsverteiler 18' auch direkt, ohne weiteren Gleichspannungswandler 22' an den gleichen Anschluss KL30_0 wie der Leistungsverteiler 18 angeschlossen werden. Der weitere elektronische Leistungsverteiler 18' könnte der Absicherung, Ansteuerung sowie der sicheren und zuverlässigen Abschaltung sicherheitsrelevanter Verbraucher 16' bzw. der elektronischen Energienetzverteilung dienen. Diese Verbraucher 16' könnten funktionsredundant zu solchen Verbraucher 16, die durch einen anderen sicherheitsrelevanten Zweig des Bordnetzes 10 versorgt werden, ausgebildet sein. Außerdem kann der weitere elektronische Leistungsverteiler 18' in der Lage sein, die fließenden Verbraucherströme bzw. anliegenden Spannungen zu erfassen. Diese kurz beschriebene, optionale Ausführung, könnte für eine hochverfügbare Auslegung beispielsweise für das autonome Fahren zur Sicherheitserhöhung vorgesehen sein. In dem weiteren Bordnetzzweig könnte auch ein weiterer Energiespeicher 12' mit einem weiteren Sensor 14' vorgesehen sein.
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Das hochstromfähige Schaltmittel 19 bzw. der hochstromfähige Trennschalter ist im Leistungsverteiler 18 zwischen dem Anschluss (KL30_1) und dem Anschluss (KL30_0) bzw. einem Anschluss für den Verbraucher 16 des Leistungsverteilers 18 angeordnet. Das Schaltmittel 19 ist in der Lage, im Überstromfall und/oder bei einer Unterspannung oder ähnlichen kritischen Bordnetzzuständen zu öffnen. Das Schaltmittel 19 umfasst zumindest zwei parallel verschaltete Hauptpfade 30,40, wobei in jedem Hauptpfad Schaltmittel 34,44 vorgesehen sind. Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34,44 jeweils duch zumindest zwei antiseriell (in Reihe zueinander und zwar gegengerichtet, bspw. „back-to-back“ oder mit gemeinsamen Source-Anschluss) verschaltete Schaltelemente 34.1,34.2; 44.1,44.2 gebildet, vorzugsweise unter Verwendung von Leistungshalbleitern, besonders bevorzugt FET's bzw. MOSFET's. Anstelle von MOSFETs können bspw. auch Relais, Bipolartransistoren oder IGBTs mit Paralleldioden usw. verwendet werden. Die jeweiligen Hauptpfade 30,40 mit zugehörigen Schaltmitteln 34,44 sind besonders bevorzugt symmetrisch aufgebaut, sodass bei einem ordnungsgemäßen Betrieb dieselben Ströme durch die beiden Hauptpfade 30, 40 fließen.
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Parallel zu den Hauptpfaden 30,40 ist ein Zusatzpfad 50 verschaltet. Der Zusatzpfad weist ebenfalls ein Schaltmittel 54 auf sowie einen Reihenwiderstand 58 als Strombegrenzung bzw. „Bremswiderstand“. Das Schaltmittel 54 besteht aus zumindest zwei antiseriell verschaltete Schaltelementen 54.1,54.2. Der Zusatzpfad 50 besitzt die Fähigkeit, unter hohen Strömen (beispielsweise größer 900 A) auch unter induktiver Last 57 den Stromfluss zu trennen. Weiterhin ist auch im Zusatzpfad 50 ein Erfassungsmittel vorgesehen, um eine Strommessung durchzuführen. So wird beispielsweise der Widerstand (RDSon) zwischen Drain und Source bei einem Mosfet im durchgeschalteten Zustand überwacht.
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Optional kann ein weiterer Teilpfad 52 parallel zu dem Zusatzpfad 50 verschaltet sein. In dem weiteren Teilpfad 52 befindet sich zumindest eine Spannungsbegrenzung 55, beispielsweise eine bestimmte Diode wie vorzugsweise eine TVS-Diode.
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Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher 12, 24 eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Aufbau des Schaltmittels 19 genauer gezeigt. So umfasst der Hauptfpfad 30 zwei Teilpfade 31,32, die parallel zueinander verschaltet sind. In dem einen Teilpfad 31 sind die beiden antiseriell verschalteten Schaltelemente 34.1,34.2 sowie ein Erfassungsmittel 38 für einen durch den Teilpfad 31 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 38 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet. Angedeutet ist eine entsprechende Stromerfassungsschaltung zur Erfassung des durch das Erfassungsmittel 38 fließenden Stroms. In dem weiteren Teilpfad 32 sind die beiden antiseriell verschalteten weiteren Schaltelemente 36.1,36.2 sowie ein weiteres Erfassungsmittel 39 für einen durch den weiteren Teilpfad 32 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 39 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet und in Reihe mit den Schaltelementen 36.1 und 36.2 verschaltet. Statt eines Widerstands ist es auch möglich, andere Erfassungsmittel wie Magnetfeldsensoren zu verwenden oder beispielsweise den Spannungsabfall an einem oder mehreren Schaltelementen auszuwerten.
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So umfasst auch der weitere Hauptpfad 40 zwei Teilpfade 41,42, die parallel zueinander verschaltet sind. In dem einen Teilpfad 41 sind die beiden antiseriell verschalteten Schaltelemente 44.1,44.2 sowie ein Erfassungsmittel 48 für einen durch den Teilpfad 41 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 48 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet. In dem weiteren Teilpfad 42 (des weiteren Hauptpfads 40) sind die beiden antiseriell verschalteten weiteren Schaltelemente 46.1,46.2 sowie ein weiteres Erfassungsmittel 49 für einen durch den weiteren Teilpfad 42 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 49 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet. Angedeutet ist eine entsprechende Stromerfassungsschaltung zur Erfassung des durch das Erfassungsmittel 48 fließenden Stroms.
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Die Erfassungsmittel 38,39, 48,49 könnten entweder jeweils die durch die zugehörigen Teilpfade 31,32, 41,42 fließenden Ströme beispielsweise an den Mikrocontroller 13 weiterleiten. Oder aber es könnte über Mittelwertbildung von jeweils zwei Erfassungsmitteln 38,39; 48,49 des jeweiligen Hauptpfads 30,40 der Stromfluss in den Teilpfaden 31,32; 41,42 ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34,36; 44,46 sowie die zugehörigen Erfassungsmittel 38,39; 48,49 symmetrisch ausgelegt, also mit denselben Widerstandswerten bzw. Kenngrößen etc. ausgebildet. Damit soll sich im fehlerfreien Betrieb jeweils in den verschiedenen Teilpfaden 31,32; 41,42 jeweils ein identischer Stromfluss einstellen. Bei Abweichungen der Symmetrie deutet dies auf einen zu evaluierenden Fehlerfall hin.
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Weiterhin sind die jeweiligen Teilpfade 31,32; 41,42 idealerweise jeweils verschachtelt zueinander angeordnet. Im Schaltungslayout können die entsprechenden Teilzweige 31,41; 32,42 so angeordnet sein, dass beispielsweise zwei Teilpfade 31, 32; 41,42 eines Hauptpfads 30; 40 einen Teilpfad 41; 32 des jeweiligen weiteren Hauptpfads 40; 30 umschließen bzw. dass die jeweiligen Teilpfade 31, 41, 32,42 abwechselnd bezüglich des Hauptpfads 30,40 angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist der Zusatzpfad 50 und/oder der Teilpfad 52 in der Mitte angeordnet und werden jeweils von zwei Teilpfaden 31,41; 32,42 unterschiedlicher Hauptpfade 30,40 umgeben.
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Zusätzlich zu der optimierten Platzierung auf dem Schaltungsträger können die Hochstromschaltvorgänge durch Schaltentlastungnetze unterstützt werden. Die Schaltentlastungnetze werden ebenfalls verschachtelt nah zu den Schaltmitteln 34,44 und 36,46 angeordnet. Aufgebaut sind die Schaltentlastungnetze aus den Kondensatoren 69,67 und dem Widerstand 71. Sowie 63,61 und dem Widerstand 65. Über die Widerstände wird hierbei nicht nur die Oszillationsneigung bedämpft, sondern durch einen möglichst hohen Widerstandswert Schaltenergie aufgenommen, als auch durch den hohen resistiven Spannungsabfall der Kommutierungsvorgang beschleunigt. Durch die Platzierung der Schaltentlastung zwischen den Teilpfaden kann jede Schaltentlastung sowohl Abschaltenegie aus dem Hauptpfad 30, als auch aus dem Hauptpfad 40 aufnehmen. Die im der 2 skizzierte Ausführung stellt den Sonderfall dar, dass ein gemeinsamer Widerstand 71 für zwei Kondensatoren 69,67 (bzw 65 für die Kondensatoren 61 und 63) vorgehalten wird.
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Zu dem Zusatzzweig 50, in dem das Schaltmittel 54 (wiederum antiseriell angeordnete Schaltelemente 54.1, 54.2) und seriell verschaltet der Reihenwiderstand 58 angeordnet sind, ist ein optionaler Teilpfad 52 vorgesehen. Der optionale Teilpfad 52 ist parallel zu dem Zusatzzweig 50 verschaltet. In dem optionalen Zusatzzweig 52 sind seriell verschaltet ein Schaltmittel 56 (bestehend aus zwei antiseriell verschalteten Schaltelementen 56.1,56.2) sowie zumindest eine Spannungsbegrenzung 55, vorzugsweise zwei Spannungsbegrenzungen 55 (insbesondere eine Diode, besonders bevorzugt eine TVS-Diode zur Verhinderung einer Avalanche-Ansteuerung der Schaltelemente in den Hauptpfaden 30,40) und optional ein Erfassungsmittel 59, insbesondere ein Widerstand zur Erfassung des Stroms und zur Stromlimitierung durch den Teilpfad 52, vorgesehen. Zwischen dem gemeinsamen Potenzial von Zusatzpfad 50 und optionalem Teilpfad 52 und dem Anschluss (Klemme KL 30_0) des Leistungsverteilers 18 eine Induktivität 57 als Beispiel für eine Leitungsinduktivität eingezeichnet.
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Die beschriebene Vorrichtung betrifft ein Hochstrom-Trennschalterkonzept (Schaltmittel 19) für KFZ-Niederspannungs-Bordnetze <100V. Im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung von sicherheitsrelevanten Fahrzeugkomponenten gewinnt die Verfügbarkeit des Bordnetzes 10 weiter an Bedeutung. In diesem Rahmen werden Schalter eingeführt, um die Energieflüsse und Funktionsverfügbarkeit im Bordnetz 10 zu steuern und zu sichern. Durch die ISO26262 werden an die funktionale Sicherheit dieser Komponenten und des gesamten Energiebordnetzes weitreichende Anforderungen gestellt.
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Zur vollständigen Trennung des Stromflusses zwischen dem Anschluss KL 30_1 bzw. dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz und dem Anschluss KL 30_0 bzw. dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz kommen in dem Beispiel sechs antiserielle Mosfetpfade (Teilpfade 31,32, 41,42, 50,52) zum Einsatz. Vier (Teilpfade 31, 32, 41,42) sind in Normalbetrieb geschlossen und stellen eine niederohmige (<2mΩ) Verbindung zwischen Anschluss KL30_1 bzw. sicherheitsrelevantem Teilbordnetz und Anschluss KL30_0 bzw. nicht sicherheitsrelevantem Teilbordnetz dar. Ein weiterer Strompfad, der Zusatzpfad, 50 ist mit dem zusätzlichen Reihenwiderstand 58 ausgestattet. Über diesen lässt sich der Stromfluss im Parkbetrieb (Ruhebetrieb des Fahrzeugs) führen und (durch den Widerstand 58) limitieren. Durch diese Limitierung findet im Parkbetrieb ein natürlicher Schutz vor einem unkontrolliertem Stromanstieg statt. Dadurch kann im Parkbetrieb auf eine aufwändige Schutzbeschaltung und Diagnose verzichtet werden. Zusätzlich dient der Reihenwiderstand 58 als „Bremswiderstand“. Für den Fall, dass ein sehr hoher Stromfluss bei hoher Leitungsinduktivität 57 durch den Schalter 19 abgeschaltet werden muss, ist eine gestufte Abschaltung über den stromlimitierten Zusatzpfad 50 möglich.
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Der optionale, weitere Teilpfad 52 des Zusatzpfads 50 kann mit einer Spannungsbegrenzung (beispielsweise durch TVS-Dioden) 55 ausgestattet werden, um einen Betrieb der Schaltmittel 34,44, 36,46 (insbesondere Mosfets) im Avalanche-Modus zu verhindern.
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Die Pfade sind in zwei Hauptpfade 30,40 aufgeteilt, Hauptpfad 30 mit den Teilpfaden 31,32 (die parallel verschaltet sind), der Hauptpfad 40 mit den Teilpfaden 41,42. Beide Hauptpfade 30,40 verfügen über eine eigene unabhängige Strommessung bzw. Stromerfassung (Erfassungsmittel 38,39; 48,49), welche den Stromfluss in jedem Hauptpfad 30,40 erfassen. Der erfasste Strom wird mit einem vorgebbaren Schwellwert G verglichen. Überschreitet der erfasste Strom einen zulässigen Schwellwert G (beispielsweise 250 A in einem Teilpfad 31, 32, 41, 42), so wird auf einen Fehlerfall geschlossen und es werden entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet wie beispielsweise das Öffnen der Schaltmittel 34,36, 44,46. Die Hauptpfade 30, 40 besitzen bevorzugt jeweils unabhängig voneinander arbeitende Schwellwertvergleiche und/oder Ansteuerungen für das jeweilige Schaltmittel 34, 36, 44, 46.
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Durch einen symmetrischen Aufbau und den Einsatz von niederohmigen (beispielsweise kleiner 2 mΩ) Schaltmitteln 34,44 kommt es im Normalbetrieb zu einer recht gleichmäßigen Aufteilung des Gesamtstromes I auf die beiden Hauptpfade 30,40. Eine zunehmende Asymmetrie der beiden Strommessignale in den beiden Hauptpfaden 30,40 ist ein Indikator für einen Fehler entweder in der Strommessung bzw. den Erfassungsmittel 38,39, 48,49, der Ansteuerung (nicht eigens gezeigt) der Schaltmittel 34,36, 44,46 (beispielsweise bei MOSFET's Abfallen der Gate-Source-Spannung), oder den Schaltermitteln 34, 44 selbst (z.B. Die-Attach bei MOSFET's etc.).
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Zur Eingrenzung eines Fehlers können die Hauptpfade 30,40 individuell abgeschaltet werden, um den gesamten Stromfluss in Folge durch einen einzelnen Hauptpfad 30,40 zu leiten. Dadurch ist eine Plausibilisierung der beiden Strommessignale zueinander, bzw. zu ihrer Summe möglich. Eine gezielte Abschaltung eines der Hauptpfade 30,40 könnte beispielsweise durch kurzzeitige Absenkung des Schwellwerts, der zu einer Abschaltung führt, unterhalb eines Werts des aktuellen fließenden Stroms in diesem Hauptpfad 30,40 realisiert werden. Weicht der erhöhte Stromwert (Zunahme des Stromwerts nach Abschaltung in dem Hauptpfad 30 gegenüber dem Stromwert in dem Hauptpfad 30 vor Abschaltung) in dem einen Hauptpfad 30 nach der Abschaltung des anderen Hauptpfads 40 signifikant von dem Stromwert ab, der vor der Abschaltung der andere Hauptpfad 40 ermittelt hat, wird auf einen Fehler des Erfassungsmittels 48, 49 geschlossen. Entsprechend kann auch eine Überprüfung des Erfassungsmittels 38,39 und 48, 49 durch Abschalten des Hauptpfads 30 mit entsprechender Erfassung des Stroms vor und nach Abschaltung im weiteren Hauptpfad 40 erfolgen.
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Durch die Strommessung (durch Erfassungsmittel 38, 39; 48,49) in zwei unabhängigen Hauptpfaden 30,40 und ihre Diagnose ist es möglich, beide Hauptpfade 30,40 redundant zueinander zu betreiben. In diesem Fall bekommt jeder Hauptpfad 30,40 eine eigene Überstromabschaltung (Abschalten, sobald ein kritischer Schwellwert bzw. Zustand erreicht wird) und einen eigenen Gatetreiber inkl. der Versorgung.
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Diese Überstromabschaltung kann ggf. auch im Betrieb getestet werden, um latente Fehler in der Überstromabschaltung, der Ansteuerung oder den Schaltmitteln 34,44 zu erkennen. Hierzu kann die Überstromabschaltung eines Hauptpfads 30,40 durch Reduzierung des Schwellwertes (beispielsweise von 250 A auf 75 A bzw. abhängig davon, welcher Strom gerade fließt) ausgelöst werden. Die Schaltmittel 34,44 müssen in Folge geöffnet werden und der gemeinsame Stromfluss aus beiden Hauptpfaden 30,40 in den verbleibenden geschlossenen Hauptpfad 30 oder 40 wechseln.
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Die beschriebene Betriebsführung zum Testen, stellt sicher, dass
- ◯ Die Strommessung bzw. Erfassungsmittel 38,39, 48,49 funktioniert,
- ◯ Der Stromwert korrekt mit einem Schwellwert verglichen wird.
- ◯ Das Überschreiten des Schwellwerts eine Abschaltung (Öffnen Schaltmittel 34,36, 44,46) triggert.
- ◯ Die Abschaltung auch wirklich die Schaltmittel 34,36, 44,46 öffnet.
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Zusätzlich ist es möglich, das Mittenpotential zwischen den antiseriell verschalteten Schaltelementen 34.1, 34.2; 44.1, 44.2 z.B. in den negativen Bereich zu ziehen um zu prüfen, ob beide Schaltelemente 34.1; 34.2; 44.1,44.2 eine definierte Spannung sperren können.
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Durch die umfangreiche Diagnose ist es möglich, hohe Sicherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) auf die Trennfähigkeit des Schaltmittels 19 zu garantieren.
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Durch die ebenfalls redundante Ansteuerung beider Hauptpfade 30,40 ist es zudem möglich, hohe Sicherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) für die Leitfähigkeit mindestens eines Hauptpfads 30,40 zu garantieren. Im Fehlerfall ist es möglich, mit nur einem einzigen Hauptpfad 30,40 einen reduzierten Betrieb aufrecht zuerhalten. Hierfür sind die Hauptpfade 30,40 im Idealfall ineinander verschachtelt, um die Bildung von lokalen Leistungspitzen zu verhindern.
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Parallel zu dem niederohmigen Hauptpfad 30, 40 wird der Zusatzpfad 50 vorgehalten, welcher mit dem Reihenwiderstand 58 ausgeführt ist. Über den Reihenwiderstand 58 (z.B. 40mΩ) kann die maximale Stromhöhe, welche z.B. in einem 12V Bordnetz durch den Widerstand 58 fließen kann, auf unkritische Werte limitiert werden. Über diesen Zusatzpfad 50 kann dadurch auch eine „hochohmige“ Verbindung zwischen Anschluss KL30_1 und Anschluss KL30_0 insbesondere im Parkbetrieb (Ruhebetrieb des Fahrzeugs, Fahrzeug ist abgestellt) erzielt werden. Die Erfassung des Stromflusses über den Zusatzpfad 50 insbesondere im Parkbetrieb kann als Aufwachsignal für das Steuergerät genutzt werden. Beim Aufwachen kann die Ursache des Stromanstieges bewertet werden und im Falle eines Fehlerstromes eine vollständige Trennung beider Netze (beispielsweise Trennung Teilbordnetz mit Energiespeicher 12 von den weiteren Teilbordnetzen 10 bzw. 10') durchgeführt werden. Im Falle eines berechtigten Aufwachens aus dem Parkbetrieb werden Anschluss KL30_1 bzw. sicherheitsrelevante Teilbordnetz und Anschluss KL30_0 bzw. nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz niederohmig verbunden und es wird in den Aktivbetrieb gewechselt.
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Zum initialen Vorladen von kapazitiven Bordnetzzweigen kann über den Zusatzpfad 50 eine resistive Vorladefunktionalität realisiert werden.
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Um im Kurzschlussfall den Anschluss KL30_1 bzw. das sicherheitsrelevante Teilbordnetz (mit dem sicherheitsrelevanten Verbrauchern 16,25) und den Anschluss KL30_0 bzw. das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz (mit den nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern 17) unter hoher Stromlast trennen zu können, muss die induktive Last durch den Trennvorgang geklemmt werden. Als robuster Ansatz, das Stromniveau bei der Trennung eines Kurzschlusses auf unkritische Werte zu reduzieren, wird der Zusatzpfad 50 mit dem Reihenwiderstand 58 zudem zum Abschnüren des Stromes verwendet. Hierzu wird bei einer Überstromabschaltung zuerst nur der niederohmige Hauptschalter 34, 36, 44, 46 geöffnet. Die Energie, welche in der Leitungsinduktivät 57 eingespeichert ist, wird in Folge über das RL-Glied aus Leitung 57 und Reihenwiderstand 58 auf ein unkritisches Niveau reduziert. Erst danach wird auch der Zusatzpfad 50 (der Pfad mit dem Reihenwiderstand 58) geöffnet, um den Stromfluss final zu unterbrechen.
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Um das Umkommutieren des Stromes vom Hauptpfad 30,40 auf den hochohmigen Zusatzpfad 50 zu unterstützen, können zusätzliche RC-Glieder (snubber) den Kommutierungsvorgang unterstützen. Diese RC-Glieder werden gebildet durch Kondensatoren 61,63, 67,69 und zugehörigen Widerständen 65,71.
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Da die Klemmfunktion des Zusatzpfads 50 mit dem Reihenwiderstand 58 für das Einhalten der funktionalen Sicherheitsziele nötig ist, muss dessen Verfügbarkeit über eine Diagnose sichergestellt werden. Als Möglichkeit bietet sich an, den anteiligen Stromfluss im laufenden Betrieb durch den Zusatzpfad 50 zu überwachen. Eine andere Möglichkeit ist, die Leitfähigkeit des Zusatzpfads 50 über einen Teststrom zu prüfen, welcher zwischen den antiseriellen Schaltelementen 54.1, 54.2 des Zusatzpfades 50 eingeprägt wird.
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Das beschriebene automotive Hauptschalterkonzept bzw. Schaltmittel 19 für sicherheitskritische Hochstromanwendungen eignet sich wie nachfolgend beschrieben auch besonders für die gezielte Auslösung von Schmelzsicherungen 23 unter Beibehaltung bestimmter Sicherheitsanforderungen. Unter geeigneten Bordnetz-Randbedingungen können beinahe alle Sicherungen 23 direkt im Fahrbetrieb ausgelöst werden. Der Leistungsverteiler 18 stellt sicher, dass die Spannungsgrenzen nicht verletzt werden, um die Verfügbarkeit von sicherheitsrelevanten Verbrauchern zu garantieren. Allerdings erfolgt kein Freibrennen der Schmelzsicherungen 23 während der Fahrt beispielsweise bei nachfolgenden Szenarien. So könnte beispielsweise ein Hochstromverbraucher wie ein Kühlerlüfter durch einen direkten Kurzschluss das aktuelle Stromlimit (beispielsweise 900 A) überschreiten. Der Lüfter ist so niederohmig angebunden, dass der Kurzschlussstrom bei hoher Bordnetzspannung (während der Fahrt bei laufendem Generator/aktivem Gleichspannungswandler 22) die 900-1000 A überschreitet. In diesem Fall wird das Schaltmittel 19, der Hochstromschalter, zum Eigenschutz geöffnet. Ein weiteres kritisches Szenario könnte darin bestehen, dass beispielsweise ein niederohmiger Kurzschluss direkt am Hauptverteiler zu so hohen Strömen führt, dass durch den Spannungsabfall bestimmte Spannungsgrenzen verletzt werden. Dieser Kurzschluss wäre zwar so hochohmig, dass die 900 A-Schwelle nicht überschritten wird, jedoch so niederohmig, dass das Schaltmittel 19 bzw. der Trennschalter einen sicherheitskritischen Spannungseinbruch detektiert. Kritische sicherheitsrelevante Verbraucher 16 wie Lenkung und Bremse könnten bei dieser Unterspannung nicht mehr sicher versorgt werden. Um die Versorgung der sicherheitskritischen Verbraucher 16 wie Bremse und Lenkung sicherzustellen, wird das Schaltmittel 19 geöffnet. Das Fahrzeug rollt mit voller Lenk/Bremsunterstützung aus (die Motorsteuerung als Teil der an Anschluss KL 30_0 angeschlossenen Verbraucher 17 kann aufgrund des Kurzschlusses in diesem Bordnetzzweig nicht mehr versorgt werden kann). Alle Sicherungen 23 bieten das Potenzial, im Stillstand des Fahrzeugs bei Klemmenwechsel ausgelöst zu werden. Damit können Liegenbleiber vermieden werden, da das Fahrzeug nach der Funktion „Sicherung freibrennen“ in Stillstand wieder gestartet werden kann. Im Fall des beschriebenen Kühlerlüfters führt eine geringere Batteriespannung im Stand zu einem reduzierten Kurzschlussstrom. Im Fall des beschriebenen Hauptverteilerkurzschlusses können die Spannungsgrenzen deaktiviert werden, da das Fahrzeug steht. Dies wird erreicht durch die Befähigung des Leistungsverteilers 18, beispielsweise Sicherungen 23 mit Strömen größer 400 A kontrolliert auszulösen.
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In 3 ist die Erst-Inbetriebnahme des Fahrzeugs bzw. das Trennen der Teilbordnetze bei einem kritischen Zustand beschrieben. Gestrichelt angedeutet ist der durch den Verbraucher 17 fließende Betriebsstrom in 3A. Zunächst wird ein Stromfluss 60 nur durch den Zusatzpfad 50 eingeleitet. Hierzu sind die Schaltmittel 34,36, 44,46 der Hauptpfade 30,40 geöffnet. Über die Aktivierung des Zusatzpfads 50 erfolgt eine Vorladung der Zwischenkreiskapazität 11. Gerade bei der Erstinbetriebnahme des Fahrzeugs würde ein Laden der leeren Zwischenkreiskapazitäten 11 eventuell zu zu hohen Strömen in den Hauptfaden 30,40 führen. Dem wird entgegengewirkt wie beschrieben durch das Laden der Zwischenkreiskapazität 11 über den Zusatzpfad 50. Zu dem Zeitpunkt der Aktivierung des Zusatzpfads 50 steigt der Strom kurzzeitig etwas an, um anschließend wieder leicht abzunehmen. Die Spannung am Zusatzpfad 50 sinkt bei der Aktivierung sprungförmig ab, um im Verlaufe des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 11 zunächst stärker anzusteigen und im weiteren Verlauf wieder langsam abzunehmen.
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Wurde die Zwischenkreiskapazität 11 vorgeladen (beispielsweise nach 5 ms) erfolgt die Aktivierung des Schaltmittels 19, sodass zumindest einer der beiden Hauptpfade 30,40 den Strom 60 führt, 3B. Es können auch beide Hauptpfade 30,40 den Strom 60 führen. Das Bordnetz befindet sich nun im regulären Betriebszustand und beide Teilbordnetze (KL30_0 und KL30_1) sind niederohmig verbunden). Der Zusatzpfad 50 kann hierbei geschlossen bleiben oder geöffnet werden.
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In der 3C ist das Auftreten eines Kurzschlusses vor dem Verbraucher 17 gegen Masse als beispielhafter Fehler dargestellt. Der Bordnetzzweig KL30_0 wird dadurch niederohmig gegenüber Masse und es kommt zu einem schnellen Stromanstieg durch das Schaltmittel 19. Durch den Stromanstieg kommt es zu einem Absinken der Bordnetzbetriebsspannung beider (niederohmig) gekoppelten Bordnetzzweige KL30_0 und KL30_1. Die Spannung auf der sicherheitskritischen Bordnetzseite KL30_1 wird durch den Leistungsverteiler 18 permanent überwacht, um eine fehlerfreie Energieversorgung der sicherheitskritischen Lasten 16, 25 zu garantieren. Falls der Spannungseinbruch zu stark ist, um den fehlerfreien Betrieb zu garantieren, werden beide Bordnetze (Teilbordnetz an Anschluss KL 30 _ 0 und Teilbordnetz an Anschluss KL 30 _ 1) gemäss des Ablaufs in 3D und 3E getrennt. Neben der Auswertung des Spannungspegels wird auch eine Auswertung der Zeitdauer vorgenommen, da starke Spannungseinbrüche für kurze Zeitdauern unkritisch sind und erst ab einer gewissen Zeitdauer sicherheitskritisch werden. Zusätzlich zu dem Spannungseinbruch kann zusätzlich durch Auswertung der Stromrichtung überprüft werden, ob Strom aus dem sicherheitkrischen Bordnetz KL30_1 in das Basisbordnetz KL30_0 abfliesst. Nur wenn diese Stromrichtung auftritt (also keine Unterstützung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 16,25 bzw. des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes durch das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz) erfolgt das Öffnen des Schaltmittels 19. Wenn der Stromwert den Schwellwert zur Abschaltung (z.B. 500A pro Pfad 30, 40) überschreitet, wird eine Trennung beider Bordnetze gemäss 3D und 3E ausgeführt, um einen Betrieb des Schaltmittels 19 ausserhalb der relevanten Spezifikation zu verhindern.
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In 3D wird der Trennvorgang beider Teilbordnetze (KL 30 _ 0 und KL 30 _ 1) durch Öffnen der Schaltmittel 34,36, 44,46 gestartet. Der Strom 60 fließt nun über den Zusatzpfad 50. Der Zusatzpfad 50 ist geschlossen. Über den Zusatzpfad 50 erfolgt die Strombegrenzung unter Verwendung des Widerstands 58. Über die entsprechenden RC-Glieder (vergleiche 2 (Kondensatoren 61,63, 67,69, Widerstände 65,71) können die kurzzeitig hohen Ströme bei der Kommutierung gepuffert werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Strom über den Zusatzpfad 50 nur für einen begrenzten Zeitraum fließt, insbesondere um Überlastzustände zu vermeiden. Beispielsweise könnte ein fixer Zeitraum vorgesehen werden (beispielsweise im ms-Bereich, beispielsweise für 1 ms), für den der Zusatzpfad 50 geschlossen ist. Hierzu könnte beispielsweise mit Öffnen der Hauptpfade 30, 40 ein Timer gestartet werden, bei dessen Ablauf der Zusatzpfad 50 wieder geöffnet wird. Alternative Ausgestaltungen wären möglich. Beispielsweise könnte der Zusatzpfad 50 abhängig von bestimmten Kenngrößen beispielsweise bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts für Strom oder Temperatur oder ähnliches abgeschaltet werden.
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In 3E ist gezeigt, wie der Zusatzpfad 50 geöffnet wird. Allerdings ist der Teilpfad 52 noch weiterhin geschlossen bzw. aktiv. Hierzu sind beispielsweise die Begrenzungsmittel 55,56 (beispielsweise Dioden, besonders bevorzugt TVS-Dioden) vorgesehen, um die Schaltenergie aufzunehmen bzw. um die Schaltmittel 34,36, 44,46, insbesondere MOSFET's, vor dem Avalanche-Betrieb zu schützen, 3E. Dies könnte neben dem Teilpfad 52 (als Bestandteil der Schaltung für das Schaltmittel 19) auch über beispielsweise eine externe Beschaltung in Verbindung mit den Hauptpfaden 30,40 vorgenommen werden.
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Bei der beschriebenen Vorgehensweise zum Freibrennen der Sicherung 23 wird die sich einstellende Stromhöhe durch die Impedanz des Kurzschlusses limitiert. Die Schaltmittel 34,36, 44,46 in den Hauptpfaden 30,40 müssen in der Lage sein, die Peak-Verluste zu speichern bzw. einen besseren thermischen Widerstand aufzuweisen als die Sicherung 23. Die Energie zum Aufschmelzen der Sicherung 23 wird über den Kaltstart-Pfad von dem Energiespeicher 12 bereitgestellt. Gegebenenfalls kann der Gleichspannungswandler 22 unterstützen.
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Weiterhin kann das Schaltmittel 19 so ausgelegt sein, dass im Rahmen eines verfügbarkeitsoptimierten Designs das Freibrennen der Sicherungen 23 am Anschluss KL 30_0 mit lediglich einem einzigen Hauptpfad 30,40 möglich ist (Versorgungsredundanz).
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Die in 3 beschriebene gestufte Abschaltung verhindert Oszillationen und führt Schaltverluste beispielsweise über robuste Metallwiderstände 58.
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Kurzschlüsse mit einer zu geringen Impedanz können nicht ausgelöst werden. Es wird sichergestellt, dass das Freibrennen einer Sicherung 23 zum Schutz vor thermischen Ereignissen immer abgebrochen werden kann. Der Stromfluss bleibt dafür immer innerhalb der Designgrenzen. Darüber hinaus ist das Schaltmittel 19 so ausgelegt, dass es den Kurzschlussstrom solange tragen kann, bis die Sicherung 23 durchgebrannt ist oder eine Unterspannung auftritt.
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Beispielhaft wird in 4 hierzu ein Flussdiagramm erläutert. In Schritt 101 tritt ein Kurzschluss des Verbrauchers 17 auf, der an dem Anschluss KL 30_0 des Leistungsverteilers 18 bzw. im Teilbordnetz für nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17 angeschlossen ist.
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In der Verzweigung 102 wird unterschieden, ob der Strom durch das Schaltmittel 19 einen Schwellwert (beispielsweise 900... 1000 A) übersteigt oder ob eine Unterspannung der Spannung am Anschluss KL 30_1 des Leistungsverteiler 18 auftritt (beispielsweise U_30_1 < 9,6V) bzw. für eine bestimmte Zeitspanne auftritt. Sollte keine der Bedingungen erfüllt sein, schließt sich Schritt 103 an, ansonsten Schritt 104.
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In Schritt 103 wird die Sicherung 23 am Anschluss KL 30_0 des Leistungsverteilers 18 im laufenden Fahrbetrieb freigebrannt. Dies erfolgt durch eine geeignete Aktivierung des Schaltmittels 19.
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Sollte in Abfrage 102 ein sicherheitskritischer Betriebsfall detektiert worden sein, wird in Schritt 104 zunächst das Schaltmittel 19 geöffnet. Damit wird zum einen das Schaltmittel 19 geschützt. Zum anderen wird sichergestellt, dass der Kurzschluss des Verbrauchers 17 nicht weiterhin zu einer Unterspannung für die sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 führt.
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Nachdem ein Fehlerfall detektiert wurde (in Schritt 102), wird in Schritt 105 ein sicherer Halt des Fahrzeugs eingeleitet. Sobald das Fahrzeug sich im Stillstand befindet, schließt sich Schritt 106 an.
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In Schritt 106 wird das Unterspannungskriterium (wie in Schritt 102 beispielhaft beschrieben) deaktiviert.
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In Schritt 107 wird der Vorladepfad bzw. Zusatzpfad 50 und der Klemmungspfad bzw. Teilpfad 52 zugeschaltetet. Ebenso wird das Schaltmittel 19 zugeschaltet. Durch diesen Schritt fliesst ein erster Strom in den Kurzschluss und reduziert das Spannungsniveau im sicherheitsrelevanten Bordnetzzweig KL30_1. Zum sicheren Freibrennen der Sicherung 23 werden zusätzlich die Strompfade 30 und 40 beide (mindestens jedoch einer) geschlossen. Durch die nunmehr niederohmige Verbindung kommt es zu einem schnellen Freibrennen der Sicherung 23. Die Überstromschwelle zum Schutz des Schaltmittels 19 bleibt in dieser Zeit aktiv, um den Freibrennvorgang jederzeit ohne Überschreitung der Auslegungsgrenzen abbrechen zu können. Thermische Überwachungen innerhalb des el. Leistungsverteilers 18 bleiben zum Schutz der Komponente ebenfalls aktiv.
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Nach erfolgtem Freibrennen der Sicherung 23 wird das Unterspannungskriterium wieder reaktiviert, Schritt 108.
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Die Weiterfahrt wird freigegeben, Schritt 109.
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Das Schaltmittel 19 eignet sich insbesondere zur Absicherung insbesondere sicherheitsrelevanter Verbraucher 16, 25 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Verbindung mit einem Leistungsverteiler 18, der über einen Mikrocontroller 13 gezielten Auswertung bestimmter Kenngrößen verfügt. Dieser Mikrocontroller 13 kann nun gleichfalls durch die entsprechende Auswertung der Kenngrößen der Erfassungsmittel 38,39, 48,49 und entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel 34,36, 44,46 verwendet werden. Die Verwendung ist jedoch darauf nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1020182029871 [0002]
- DE 102018212507 A1 [0003]
