DE102021113589A1 - ELECTRONIC POWER DISTRIBUTOR - Google Patents
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Abstract
Die Offenbarung betrifft einen elektronischen Stromverteiler zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen, mit einem ersten elektronischen Schalter mit einem ersten schaltbaren Strompfad, der zwischen einen Stromversorgungsanschluss und einen ersten Lastkanal der Mehrzahl von Lastkanälen geschaltet ist und ausgebildet ist, den ersten Lastkanal vor Überstrom abzusichern; einem elektrischen Bypass-Pfad, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad des ersten elektronischen Schalters zwischen den Stromversorgungsanschluss und den ersten Lastkanal geschaltet ist, wobei der elektrische Bypass-Pfad einen elektromechanischen Leistungsschalter aufweist, der ausgebildet ist, bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals, eine durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads in den elektrischen Bypass-Pfad kommutierte Kurzschlussleistung über einen Lichtbogen in dem elektromechanischen Leistungsschalter abzubauen. The disclosure relates to an electronic current distributor for supplying power to a plurality of load channels, having a first electronic switch with a first switchable current path, which is connected between a power supply connection and a first load channel of the plurality of load channels and is designed to protect the first load channel from overcurrent; an electrical bypass path that is connected in parallel to the first switchable current path of the first electronic switch between the power supply connection and the first load channel, wherein the electrical bypass path has an electromechanical power switch that is configured, in the event of a short circuit of the first load channel, a by switching off the first switchable current path in the electrical bypass path, to reduce short-circuit power commutated via an arc in the electromechanical circuit breaker.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Offenbarung betrifft einen elektronischen Stromverteiler zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen und ein Verfahren zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen. Insbesondere betrifft die Offenbarung die Ruhestromversorgung und den Schutz von MOSFETs über Bimetall Leistungsschalter (Circuit Breaker).The disclosure relates to an electronic power distributor for powering a plurality of load channels and a method for powering a plurality of load channels. In particular, the disclosure relates to the quiescent current supply and the protection of MOSFETs via bimetallic circuit breakers.
Stand der TechnikState of the art
Für zukünftige Stromverteiler soll die Kombination aus Relais und Schmelzsicherungen ersetzt werden durch MOSFET-Schalter für eine elektronische Klemmenschaltung und elektronische Absicherung der Lastkanäle. Dabei ergeben sich die folgenden Probleme: 1) Klemme 30 Kanäle (d.h. Kanäle, die an die Batteriespannung angeschlossen sind) müssen auch im Ruhezustand mit Batteriespannung versorgt werden. Ein kontinuierliches Durchschalten der MOSFETs bei gleichzeitig aktivem Kurzschlussschutz trägt allerdings zum Ruhestromverbrauch des elektronischen Stromverteilers bei. 2) Im Fall der Kurzschlussabschaltung im aktiven Modus können die MOSFETs durch induktive Überspannung geschädigt werden, soweit, dass sie unter Umständen nicht mehr trennen können. Für die Überspannungsfestigkeit wird daher typischerweise eine Schutzbeschaltung vorgesehen. Es gibt aber Fälle, in denen die wirksame Induktivität beim Kurzschluss nicht wirklich bekannt ist und eine Auslegung der Schutzbeschaltung daher problematisch ist. Bei hohen Kurzschlussströmen kann zudem die kritische Spannung für MOSFETs doch überschritten werden. 3) Im Ruhezustand des Fahrzeuges können einige Ruhe-aktive Lasten so viel Strom ziehen, dass sich die Batterie zu schnell entlädt. Eine kanalspezifische Messung zur Fehlererkennung ist daher wünschenswert. Diese ist aber bisher sehr aufwendig, da für jeden Kanal Ströme im einstelligen mA Bereich aufgelöst werden müssen. For future power distributors, the combination of relays and fuses is to be replaced by MOSFET switches for electronic terminal switching and electronic protection of the load channels. This results in the following problems: 1) Terminal 30 channels (i.e. channels that are connected to battery voltage) must also be supplied with battery voltage in the idle state. However, continuous switching of the MOSFETs with active short-circuit protection at the same time contributes to the quiescent current consumption of the electronic current distributor. 2) In the case of short-circuit shutdown in active mode, the MOSFETs can be damaged by inductive overvoltage to the extent that they may no longer be able to separate. A protective circuit is therefore typically provided for overvoltage protection. However, there are cases in which the effective inductance in the event of a short circuit is not really known and the design of the protective circuit is therefore problematic. In the case of high short-circuit currents, the critical voltage for MOSFETs can also be exceeded. 3) When the vehicle is at rest, some rest-active loads may draw so much current that the battery will drain too quickly. A channel-specific measurement for error detection is therefore desirable. So far, however, this has been very complex, since currents in the single-digit mA range have to be resolved for each channel.
4) Bei „over the Air“ (OTA) Software-Upgrades ist ein dediziertes Zurücksetzen von Lasten nach erfolgtem Upgrade wünschenswert. Bisher können nur ganze Klemme 30-F Gruppen über ein Klemmenrelais abgeschaltet werden.4) For over the air (OTA) software upgrades, a dedicated post-upgrade load reset is desirable. So far, only entire terminal 30-F groups can be switched off via a terminal relay.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für einen elektronischen Stromverteiler, insbesondere für das Bordnetz von Fahrzeugen, zu schaffen, welches die oben beschriebenen Probleme überwindet.It is an object of the invention to create a concept for an electronic power distributor, in particular for the vehicle electrical system, which overcomes the problems described above.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Stromverteiler für eine elektronische Klemmenschaltung und eine elektronische Absicherung der Lastkanäle zu entwerfen, der den Sicherheitsanforderungen an die Funktionale Sicherheit (FUSI) im Bordnetz von Fahrzeugen genügt.In particular, it is an object of the invention to design an electronic power distributor for an electronic terminal circuit and electronic protection of the load channels, which satisfies the safety requirements for functional safety (FUSI) in vehicle electrical systems.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.This object is solved by the objects with the features according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the description and the drawings.
Die Offenbarung basiert auf der Idee, parallel zu den MOSFET Kanälen einen Bypass bestehend aus Dioden zur Einkopplung zusammen mit einem Bimetall-Leistungsschalter (Circuit Breaker) zu beschalten. Der Bypass erfüllt dabei die folgenden zwei Aufgaben: 1) abgesicherte Ruhestromversorgung (Verbindung zur Batterieklemme). 2) Tritt im aktiven Modus ein Kurzschluss auf, so unterbricht der MOSFET mit seiner Schnellabschaltung. Der Strom kommutiert dann zum Bypass, so dass keine Überspannung für den MOSFET entsteht. Im Bypass unterbricht dann der (elektromechanische) Circuit Breaker (d.h. Leistungsschalter). Zwischen seinen Kontakten entsteht dabei ein Lichtbogen. Der Lichtbogen baut die induktive Energie im Kreis ab und begrenzt die Überspannung auf die Lichtbogenspannung. Diese ist bei einem 1mm Kontakt-Luftspalt typischerweise kleiner als 30V. Die induktive Energie wird also im Circuit Breaker umgesetzt und nicht im MOSFET. Nur im Moment des Abreißens des Lichtbogens kann ein kurzer Überspannungsimpuls entstehen. Dieser kann dann über Avalanche im MOSFET umgesetzt werden oder über eine kleine Transil-Diode.The disclosure is based on the idea of wiring a bypass consisting of diodes for coupling together with a bimetal power switch (circuit breaker) in parallel with the MOSFET channels. The bypass fulfills the following two tasks: 1) secured quiescent current supply (connection to the battery terminal). 2) If a short circuit occurs in the active mode, the MOSFET breaks with its fast turn-off. The current then commutates to the bypass so that no overvoltage is generated for the MOSFET. The (electromechanical) circuit breaker then interrupts the bypass. An arc is created between its contacts. The arc dissipates the inductive energy in the circuit and limits the overvoltage to the arc voltage. This is typically less than 30V with a 1mm contact air gap. The inductive energy is therefore converted in the circuit breaker and not in the MOSFET. A short overvoltage impulse can only occur at the moment when the arc breaks. This can then be implemented via avalanche in the MOSFET or via a small Transil diode.
Als technischer Vorteil dieses Konzepts ergibt sich unter anderem, dass ein solcher Lichtbogen im Circuit Breaker vergleichsweise hohe induktive Energien umsetzen kann. Ein weiterer Vorteil ist die Realisierung einer redundanten Überspannungsabsicherung der MOSFETs über den Circuit Breaker und die Transil-Diode für FUSI Kanäle mit Diversität. Ferner kann eine Spannungsversorgung der Klemme 30 im Sleep Modus, d.h. Ruhestrommodus erzielt werden ohne eigenen Ruhestrombeitrag.One of the technical advantages of this concept is that such an arc can convert comparatively high inductive energies in the circuit breaker. Another advantage is the realization of a redundant overvoltage protection of the MOSFETs via the circuit breaker and the Transil diode for FUSI channels with diversity. Furthermore, a voltage supply of terminal 30 in sleep mode, i.e. quiescent current mode, can be achieved without its own quiescent current contribution.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch einen elektronischen Stromverteiler zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen, mit: einem ersten elektronischen Schalter mit einem ersten schaltbaren Strompfad, der zwischen einen Stromversorgungsanschluss und einen ersten Lastkanal der Mehrzahl von Lastkanälen geschaltet ist und ausgebildet ist, den ersten Lastkanal vor Überstrom abzusichern; einem elektrischen Bypass-Pfad, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad des ersten elektronischen Schalters zwischen den Stromversorgungsanschluss und den ersten Lastkanal geschaltet ist, wobei der elektrische Bypass-Pfad einen elektromechanischen Leistungsschalter aufweist, der ausgebildet ist, bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals, eine durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads in den elektrischen Bypass-Pfad kommutierte Kurzschlussleistung über einen Lichtbogen in dem elektromechanischen Leistungsschalter abzubauen.According to a first aspect, the object described above is achieved by an electronic current distributor for supplying power to a plurality of load channels, having: a first electronic switch with a first switchable current path, which is connected and configured between a power supply connection and a first load channel of the plurality of load channels to secure the first load channel against overcurrent; an electrical bypass path parallel to the first switchable current path of the first electronic switch is connected between the power supply connection and the first load channel, wherein the electrical bypass path has an electromechanical circuit breaker that is designed, in the event of a short circuit in the first load channel, to switch off the first switchable current path into the reduce electrical bypass path commutated short-circuit power via an arc in the electromechanical circuit breaker.
Ein solcher elektronischer Stromverteiler bietet den technischen Vorteil, dass er über den Lichtbogen im Circuit Breaker vergleichsweise hohe induktive Energien umsetzen kann. Der elektronische Stromverteiler kann eine redundante Überspannungsabsicherung der MOSFETs über den Circuit Breaker und kanalspezifische Transil-Dioden für FUSI Kanäle mit Diversität gewährleisten. Ferner kann über den Bypass-Pfad eine Spannungsversorgung der Klemme 30 im Sleep Modus ohne eigenen Ruhestrombeitrag erzielt werden.Such an electronic current distributor offers the technical advantage that it can convert comparatively high inductive energies via the arc in the circuit breaker. The electronic power distributor can ensure redundant overvoltage protection of the MOSFETs via the circuit breaker and channel-specific transil diodes for FUSI channels with diversity. In addition, the bypass path can be used to supply voltage to terminal 30 in sleep mode without making a contribution to the quiescent current.
Der elektronische Stromverteiler genügt damit den Sicherheitsanforderungen an die Funktionale Sicherheit (FUSI) im Bordnetz von Fahrzeugen.The electronic power distributor thus satisfies the safety requirements for functional safety (FUSI) in vehicle electrical systems.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers weist der elektromechanische Leistungsschalter ein Bimetall-Relais auf, das ausgebildet ist, eine thermische Erwärmung aufgrund der Kurzschlussleistung in eine mechanische Bewegung zum Öffnen eines Kontaktes des Bimetall-Relais umzusetzen.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electromechanical circuit breaker has a bimetallic relay that is designed to convert thermal heating due to the short-circuit power into a mechanical movement to open a contact of the bimetallic relay.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass das Bimetall-Relais über die mechanische Bewegung zum Öffnen des Kontaktes des Bimetall-Relais und den sich daran anschließenden Lichtbogen über die Kontakte des Relais effizient den Kurzschlussstrom in thermische Energie umwandeln und abführen kann.This achieves the technical advantage that the bimetallic relay can efficiently convert the short-circuit current into thermal energy and dissipate it via the mechanical movement to open the contact of the bimetallic relay and the subsequent arcing via the contacts of the relay.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers ist der elektromechanische Leistungsschalter ausgebildet, eine bei dem Kurzschluss des ersten Lastkanals auftretende Überspannung auf eine Spannung des Lichtbogens zu begrenzen.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electromechanical circuit breaker is designed to limit an overvoltage that occurs when the first load channel shorts to a voltage of the arc.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Überspannung auf einen definierten Wert begrenzt werden kann und es somit zu keiner Zerstörung des elektronischen Stromverteilers kommen kann.This achieves the technical advantage that the overvoltage can be limited to a defined value and the electronic power distributor cannot be destroyed.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers umfasst der elektronische Stromverteiler eine erste Transil-Diode, die parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad des ersten elektronischen Schalters und parallel zu dem elektrischen Bypass-Pfad in Sperrrichtung zwischen den Stromversorgungsanschluss und den ersten Lastkanal geschaltet ist.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electronic power distributor comprises a first transil diode connected in parallel with the first switchable current path of the first electronic switch and in parallel with the reverse-bias electrical bypass path between the power supply terminal and the first load channel.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über diese erste Transil-Diode ein redundanter Abbau des Kurzschlussstroms ermöglicht wird. Zuerst wird der Kurzschlussstrom über den Leistungsschalter geführt. Falls dies nicht mehr möglich sein sollte, kann der Kurzschlussstrom auch über die erste Transil-Diode geführt werden.This achieves the technical advantage that redundant dissipation of the short-circuit current is made possible via this first Transil diode. First, the short-circuit current is routed through the circuit breaker. If this is no longer possible, the short-circuit current can also be routed via the first Transil diode.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers ist die erste Transil-Diode ausgebildet, einen mit Abreißen des Lichtbogens in dem elektromechanischen Leistungsschalter entstehenden Überspannungsimpuls abzubauen.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the first Transil diode is designed to reduce an overvoltage pulse that occurs when the arc breaks off in the electromechanical circuit breaker.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über die Transil-Diode nur ein kleiner Teil der Kurzschlussenergie abgebaut werden braucht, während der größte Teil dieser Energie im Lichtbogen des elektromechanischen Leistungsschalters abgebaut wird.This achieves the technical advantage that only a small portion of the short-circuit energy needs to be dissipated via the Transil diode, while the majority of this energy is dissipated in the arc of the electromechanical circuit breaker.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers ist die erste Transil-Diode ausgebildet, bei dem Kurzschluss des ersten Lastkanals einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen bis eine Streuinduktivität des Bypass-Pfades überwunden ist und die Kurzschlussleistung über den Lichtbogen in dem elektromechanischen Leistungsschalter abgebaut wird.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the first transil diode is designed to absorb part of the short-circuit power in the short-circuit of the first load channel until a leakage inductance of the bypass path is overcome and the short-circuit power is reduced via the arc in the electromechanical circuit breaker.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über die Transil-Diode der sich aufbauende Teil der Kurzschlussenergie abgebaut werden kann, bevor der elektromechanische Leistungsschalter reagieren kann. Somit führt dies nicht zu einer Schädigung des elektronischen Schalters bzw. des MOSFET Transistors im Anfangsstadium eines Kurzschlusses.This achieves the technical advantage that the part of the short-circuit energy that builds up can be dissipated via the Transil diode before the electromechanical circuit breaker can react. This does not lead to damage to the electronic switch or the MOSFET transistor in the early stages of a short circuit.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers ist die erste Transil-Diode ausgebildet, bei einer Schädigung des elektromechanischen Leistungsschalters zumindest einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen und abzubauen.According to an exemplary embodiment of the electronic current distributor, the first Transil diode is designed to absorb and dissipate at least part of the short-circuit power in the event of damage to the electromechanical circuit breaker.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass der elektronische Stromverteiler den Anforderungen der Funktionalen Sicherheit (FUSI) genügt, da sowohl der Leistungsschalter als auch die erste Transil-Diode in redundanter Weise zur Verfügung stehen, um die Kurzschlussenergie abzubauen.This achieves the technical advantage that the electronic power distributor meets the requirements of functional safety (FUSI), since both the circuit breaker and the first Transil diode are available in a redundant manner in order to reduce the short-circuit energy.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers umfasst der elektronische Stromverteiler einen Diagnose-Kondensator, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad des ersten elektronischen Schalters geschaltet ist, und ausgebildet ist, eine beim Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads an dem ersten schaltbaren Strompfad anliegende Spannung für eine Diagnose durch einen Mikrocontroller zu erfassen.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electronic power distributor comprises a diagnostic capacitor which is connected in parallel to the first switchable current path of the first electronic switch and is designed to detect a voltage present on the first switchable current path when the first switchable current path is switched off for a Detect diagnosis by a microcontroller.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über den Diagnose-Kondensator die an den entsprechenden Strompfaden anliegenden Spannungen erfasst werden können. Mit dieser Information kann festgestellt werden, ob die Strompfade bereits geschädigt sind, so dass rechtzeitig ein Austausch veranlasst werden kann.This achieves the technical advantage that the voltages present on the corresponding current paths can be detected via the diagnostic capacitor. This information can be used to determine whether the current paths are already damaged, so that an exchange can be initiated in good time.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers umfasst der elektronische Stromverteiler einen zweiten elektronischen Schalter mit einem zweiten schaltbaren Strompfad, der zwischen einen zweiten Lastkanal der Mehrzahl von Lastkanälen und den Stromversorgungsanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, den zweiten Lastkanal vor Überstrom abzusichern, wobei der elektrische Bypass-Pfad ferner parallel zu dem zweiten schaltbaren Strompfad des zweiten elektronischen Schalters zwischen den Stromversorgungsanschluss und den zweiten Lastkanal geschaltet ist.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electronic power distributor comprises a second electronic switch with a second switchable current path, which is connected between a second load channel of the plurality of load channels and the power supply connection and is designed to protect the second load channel against overcurrent, the electrical bypass -Path is also connected in parallel to the second switchable current path of the second electronic switch between the power supply terminal and the second load channel.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass ein Kurzschluss über verschiedenen Lastkanälen über den Leistungsschalter effizient abgebaut werden kann.This achieves the technical advantage that a short circuit across different load channels can be eliminated efficiently via the circuit breaker.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers weist der elektrische Bypass-Pfad eine Verzweigung auf, die den elektrischen Bypass-Pfad von einem Hauptpfad zu dem Stromversorgungsanschluss in einen ersten Unterpfad zu dem ersten Lastkanal und einen zweiten Unterpfad zu dem zweiten Lastkanal verzweigen lässt, wobei der elektromechanische Leistungsschalter in dem Hauptpfad des elektrischen Bypass-Pfades angeordnet ist.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electrical bypass path has a branch that allows the electrical bypass path to branch from a main path to the power supply connection into a first sub-path to the first load channel and a second sub-path to the second load channel, wherein the electromechanical circuit breaker is arranged in the main path of the electrical bypass path.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass nur ein Leistungsschalter für eine Mehrzahl an Lastkanälen vorgesehen werden braucht, was den elektronischen Stromverteiler sehr kosteneffizient macht.This achieves the technical advantage that only one circuit breaker needs to be provided for a plurality of load channels, which makes the electronic current distributor very cost-efficient.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers umfasst der elektronische Stromverteiler eine erste Diode, die in dem ersten Unterpfad des elektrischen Bypass-Pfades angeordnet ist und in Vorwärts-Richtung von dem Stromversorgungsanschluss zu dem ersten Lastkanal geschaltet ist, wobei die erste Diode ausgebildet ist, den ersten Lastkanal von dem zweiten Lastkanal zu entkoppeln, um bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals den ersten Lastkanal unabhängig von dem zweiten Lastkanal abzuschalten.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electronic power distributor comprises a first diode, which is arranged in the first sub-path of the electrical bypass path and is connected in the forward direction from the power supply connection to the first load channel, the first diode being formed in the to decouple the first load channel from the second load channel in order to switch off the first load channel independently of the second load channel in the event of a short circuit in the first load channel.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die verschiedenen Lastkanäle bezüglich eines Kurzschlusses entkoppelt sind, so dass ein Kurzschluss in einem Kanal sich nicht auf einen anderen Kanal auswirkt.This achieves the technical advantage that the various load channels are decoupled with regard to a short circuit, so that a short circuit in one channel does not affect another channel.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers ist der erste elektronische Schalter als ein erster MOSFET Transistor ausgebildet; und der zweite elektronische Schalter ist als ein zweiter MOSFET Transistor ausgebildet.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the first electronic switch is designed as a first MOSFET transistor; and the second electronic switch is in the form of a second MOSFET transistor.
Damit lässt sich der technische Vorteil erzielen, dass der elektronische Stromverteiler sich kosten- und aufwandsgünstig implementieren lässt unter Nutzung von Standardbauteilen wie MOSFET Transistoren, die mit geringen Kanalwiderständen verfügbar sind.The technical advantage that can be achieved in this way is that the electronic current distributor can be implemented inexpensively and with little effort using standard components such as MOSFET transistors, which are available with low channel resistances.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers weist der elektrische Bypass-Pfad einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter in Reihe geschalteten p-Typ MOSFET Transistor auf, der ausgebildet ist, den elektrischen Bypass-Pfad bei einer Ruhestromverletzung abzuschalten.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electrical bypass path has a p-type MOSFET transistor connected in series with the electromechanical power switch, which is designed to switch off the electrical bypass path in the event of a quiescent current violation.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass sich der Bypass-Pfad bei Ruhestromverletzung effizient abschalten lässt, so dass es zu keiner ungewollten Entladung der Batterie kommt.This achieves the technical advantage that the bypass path can be switched off efficiently if the quiescent current is violated, so that the battery does not discharge unintentionally.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers weist der elektrische Bypass-Pfad einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter und dem p-Typ MOSFET Transistor in Reihe geschalteten Messwiderstand auf, der ausgebildet ist, über einen Stromfluss durch den Messwiderstand eine Ruhestromverletzung anzuzeigen.According to an exemplary embodiment of the electronic current distributor, the electrical bypass path has a measuring resistor connected in series with the electromechanical power switch and the p-type MOSFET transistor, which is designed to indicate a quiescent current violation via a current flow through the measuring resistor.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über den Messwiderstand sich effizient eine Ruhestromverletzung bestimmen lässt, indem ein Spannungsabfall an dem Messwiderstand bestimmt wird. Abhängig von dem Spannungsabfall fließt ein entsprechend hoher Strom durch den Bypass-Pfad.This achieves the technical advantage that a quiescent current violation can be efficiently determined via the measuring resistor by determining a voltage drop across the measuring resistor. Depending on the voltage drop, a correspondingly high current flows through the bypass path.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des elektronischen Stromverteilers umfasst der elektronische Stromverteiler einen Komparator, dessen Eingänge parallel zu dem Messwiderstand geschaltet sind, und der ausgebildet ist, einen Stromfluss durch den Messwiderstand bei Ruhestromverletzung über eine Zustandsänderung am Ausgang des Komparators einem Steuerschaltkreis zur Diagnose anzuzeigen.According to an exemplary embodiment of the electronic power distributor, the electronic power distributor comprises a comparator, whose inputs are connected in parallel to the measuring resistor, and which is designed to indicate a current flow through the measuring resistor in the event of a quiescent current violation via a state change at the output of the comparator to a control circuit for diagnosis.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass sich über den Komparator effizient bestimmen lässt, ob eine Ruhestromverletzung vorliegt.This achieves the technical advantage that the comparator can be used to efficiently determine whether there is a quiescent current violation.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen über einen elektronischen Stromverteiler, wobei der elektronische Stromverteiler folgendes aufweist: einen ersten elektronischen Schalter mit einem ersten schaltbaren Strompfad, der zwischen einen Stromversorgungsanschluss und einen ersten Lastkanal der Mehrzahl von Lastkanälen geschaltet ist; einen elektrischen Bypass-Pfad, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad des ersten elektronischen Schalters zwischen den Stromversorgungsanschluss und den ersten Lastkanal geschaltet ist, wobei der elektrische Bypass-Pfad einen elektromechanischen Leistungsschalter aufweist, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Absichern des ersten Lastkanals vor einem Kurzschluss durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads des ersten elektronischen Schalters; und bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals, Abbauen einer durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads in den elektrischen Bypass-Pfad kommutierten Kurzschlussleistung des ersten Lastkanals über einen Lichtbogen in dem elektromechanischen Leistungsschalter.According to a second aspect, the object described above is achieved by a method for supplying power to a plurality of load channels via an electronic power distributor, the electronic power distributor having the following: a first electronic switch with a first switchable current path, which is connected between a power supply connection and a first load channel plurality of load channels is switched; an electrical bypass path connected in parallel to the first switchable current path of the first electronic switch between the power supply connection and the first load channel, the electrical bypass path having an electromechanical power switch, the method comprising: securing the first load channel from a Short circuit due to the first switchable current path of the first electronic switch being switched off; and in the event of a short circuit in the first load channel, dissipation of a short circuit power of the first load channel, commutated by switching off the first switchable current path into the electrical bypass path, via an arc in the electromechanical circuit breaker.
Ein solches Verfahren bietet den technischen Vorteil, dass über den Lichtbogen im Circuit Breaker vergleichsweise hohe induktive Energien umgesetzt werden können, um die Kurzschlussenergie abzuführen. Das Verfahren erlaubt eine redundante Auslegung gemäß den FUSI-Kriterien. Insbesondere kann über den elektronischen Stromverteiler eine redundante Überspannungsabsicherung der MOSFETs über den Circuit Breaker und kanalspezifische Transil-Dioden für FUSI Kanäle mit Diversität gewährleistet werden. Ferner erlaubt ein solches Verfahren über den Bypass-Pfad eine Spannungsversorgung der Klemme 30 im Sleep Modus ohne eigenen Ruhestrombeitrag.Such a method offers the technical advantage that comparatively high inductive energies can be converted via the arc in the circuit breaker in order to dissipate the short-circuit energy. The procedure allows a redundant design according to the FUSI criteria. In particular, the electronic power distributor can ensure redundant overvoltage protection for the MOSFETs via the circuit breaker and channel-specific Transil diodes for FUSI channels with diversity. Furthermore, such a method allows a voltage supply of the terminal 30 in the sleep mode via the bypass path without its own quiescent current contribution.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt auf einer Steuerung, insbesondere einem elektronischen Sicherungsschaltkreis bzw. einem EFASic.According to a third aspect, the object is achieved by a computer program with a program code for executing the method according to the second aspect on a controller, in particular an electronic security circuit or an EFASic.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass das Computerprogramm einfach auf einer Steuerung, wie z.B. auf dem elektronischen Sicherungsschaltkreis bzw. EFASic ausgeführt werden kann.This achieves the technical advantage that the computer program can easily be run on a controller, such as the electronic safety circuit or EFASic.
Figurenlistecharacter list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Stromverteilers 100 gemäß der Offenbarung; -
2 eine schematische Darstellung eines elektronischen Stromverteilers 200 gemäß der Offenbarung; -
3 eine schematische Darstellung eines elektronischen Stromverteilers 300 gemäß der Offenbarung; -
4 eine Darstellung desStromverlaufs 401 und desSpannungsverlaufs 402 einer beispielhaften Ansteuerung des elektronischen Stromverteilers 300 aus3 ; und -
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens 500 zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen gemäß der Offenbarung.
-
1 a schematic representation of anelectronic power distributor 100 according to the disclosure; -
2 a schematic representation of anelectronic power distributor 200 according to the disclosure; -
3 a schematic representation of anelectronic power distributor 300 according to the disclosure; -
4 shows a representation of thecurrent profile 401 and thevoltage profile 402 of an exemplary activation of the electroniccurrent distributor 3003 ; and -
5 FIG. 5 is a schematic representation of amethod 500 for powering a plurality of load channels according to the disclosure.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense. Furthermore, it is understood that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another, unless specifically stated otherwise.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.The aspects and embodiments are described with reference to the drawings, wherein like reference numbers generally refer to like elements. In the following description, numerous specific details are set forth for purposes of explanation in order to provide a thorough understanding of one or more aspects of the invention. However, it may be apparent to a person skilled in the art that one or more aspects or embodiments are disclosed with a lesser degree of specific detail can be executed. In other instances, well-known structures and elements are shown in schematic form in order to facilitate describing one or more aspects or embodiments. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention.
In dieser Offenbarung werden Kriterien und Anforderungen zur Funktionalen Sicherheit (FUSI) in Fahrzeugen beschrieben. Funktionale Sicherheit bezeichnet den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion des sicherheitsbezogenen Systems und anderer risikomindernder Maßnahmen abhängt. Die Funktionale Sicherheit wird im Automobil-Bereich üblicherweise in Form von ASIL („Automotive Safety Integrity Level“) Klassen beschrieben. Die ASIL-Klassifikation setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen, diese sind 1) „Severity - S“ entsprechend der Schwere des Fehlers, der Gefährdung des Nutzers oder der Umgebung; 2) „Exposure - E“ entsprechend der Eintrittswahrscheinlichkeit, d.h. Häufigkeit und/oder Dauer des Betriebszustands; 3) „Controllability - C“ entsprechend der Beherrschbarkeit des Fehlers. Aus diesen Faktoren ergeben sich vier verschiedene ASIL-Level: ASIL A: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10-6 / Stunde; ASIL B: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10-7 / Stunde; ASIL C: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10-7 / Stunde; ASIL D: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10-8/ Stunde.In this disclosure, criteria and requirements for functional safety (FUSI) in vehicles are described. Functional safety describes that part of the safety of a system that depends on the correct functioning of the safety-related system and other risk-reducing measures. In the automotive sector, functional safety is usually described in the form of ASIL (“Automotive Safety Integrity Level”) classes. The ASIL classification is composed of various factors, these are 1) "Severity - S" according to the severity of the fault, the hazard to the user or the environment; 2) "Exposure - E" according to the probability of occurrence, ie frequency and/or duration of the operating condition; 3) "Controllability - C" according to the controllability of the error. Four different ASIL levels result from these factors: ASIL A: recommended failure probability of less than 10 -6 / hour; ASIL B: recommended probability of failure less than 10 -7 / hour; ASIL C: required probability of failure less than 10 -7 / hour; ASIL D: required probability of failure less than 10 -8 / hour.
In dieser Offenbarung werden Stromverteiler beschrieben. Ein Stromverteiler, ist ein Gerät oder eine Anordnung, z.B. auf einer Leiterplatte, in dem Sicherungs- und Schaltelemente zur Verteilung von elektrischer Energie, vornehmlich im Bereich des Niederspannungsnetzes untergebracht sind. Er befindet sich in praktisch jedem Fahrzeug. Von Stromverteilern führen elektrische Leitungen entweder direkt zu den Verbrauchsstellen, zum Beispiel zu den Sensoren, dem Lüfter oder der Innenraumbeleuchtung im KFZ oder zum nächsten untergeordneten Stromverteiler.Power distributors are described in this disclosure. A power distributor is a device or an arrangement, e.g. on a printed circuit board, in which fuse and switching elements for the distribution of electrical energy, primarily in the area of the low-voltage network, are housed. It is in almost every vehicle. Electrical lines run from power distributors either directly to the points of consumption, for example to the sensors, the fan or the interior lighting in the vehicle, or to the next subordinate power distributor.
In dieser Offenbarung werden elektronische Schalter beschrieben. Ein elektronischer Schalter, auch Analogschalter oder Halbleiterschalter genannt, ist Bestandteil einer elektronischen Schaltung, die die Funktion eines elektromechanischen Schalters realisiert. Dabei können als Schaltelemente Feldeffekttransistoren (FET), z.B. Metall-Oxid-Halbleiter FETs, und Bipolartransistoren sowie Dioden zum Einsatz kommen. Im weiteren Sinn können auch Thyristoren und Halbleiterrelais als elektronische Schalter verwendet werden.Electronic switches are described in this disclosure. An electronic switch, also known as an analog switch or semiconductor switch, is part of an electronic circuit that implements the function of an electromechanical switch. Field effect transistors (FETs), e.g. metal-oxide-semiconductor FETs, and bipolar transistors and diodes can be used as switching elements. In a broader sense, thyristors and semiconductor relays can also be used as electronic switches.
In dieser Offenbarung werden Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren beschrieben. Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist eine zu den Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate gehörende Bauform eines Transistors, der sich durch einen Schichtstapel aus einer metallischen Gate-Elektrode, einem Halbleiter und dem dazwischen befindlichem oxidischen Dielektrikum bestimmt. Dies stellt eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur dar. Die Steuerung des Stromflusses im Halbleiterbereich zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen Drain und Source erfolgt über eine Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. Steuerpotential (Gate-Potential) an einem dritten Anschluss, dem sogenannten Gate. Dieses ist durch ein Dielektrikum vom Halbleiter (und damit von Drain und Source) elektrisch isoliert.In this disclosure, metal-oxide-semiconductor field effect transistors are described. A metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is one of the field effect transistors with an insulated gate and is a type of transistor that is defined by a stack of layers made up of a metal gate electrode, a semiconductor and the oxidic dielectric in between. This represents a metal-insulator-semiconductor structure. The current flow in the semiconductor area between the two electrical connections drain and source is controlled via a control voltage (gate-source voltage) or control potential (gate potential) at a third connection, the so-called gate. This is electrically insulated from the semiconductor (and thus from the drain and source) by a dielectric.
In dieser Offenbarung werden elektromechanische Leistungsschalter, insbesondere Bi-Metall Leistungsschalter beschrieben. Ein elektromechanischer Leitungsschalter gemäß dieser Offenbarung ist eine Überstromschutzeinrichtung in der Elektroinstallation bzw. im Bordnetz eines Fahrzeugs. Elektromechanische Leitungsschutzschalter werden in Niederspannungsnetzen eingesetzt, um Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge eines zu hohen Stroms zu schützen. Beim Bi-Metall Leistungsschalter erfolgt die Auslösung bei Überlast, wie im Folgenden beschrieben. Wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschalter fließenden Stromes längere Zeit erheblich überschritten wird, erfolgt die Abschaltung. Die Zeit bis zur Auslösung hängt von der Stärke des Überstroms ab; bei hohem Überstrom ist sie kürzer als bei geringer Überschreitung des Nennstromes. Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden Strom verbiegt und den Abschaltmechanismus auslöst (thermische Auslösung).Electromechanical circuit breakers, in particular bi-metal circuit breakers, are described in this disclosure. An electromechanical circuit breaker according to this disclosure is an overcurrent protection device in the electrical installation or in the vehicle electrical system. Electromechanical miniature circuit breakers are used in low-voltage networks to protect lines from damage caused by heating due to excessive current. In the case of bi-metal circuit breakers, tripping occurs in the event of an overload, as described below. If the specified nominal value of the current flowing through the circuit breaker is significantly exceeded for a longer period of time, the circuit breaker is switched off. The time to trip depends on the magnitude of the overcurrent; in the case of a high overcurrent, it is shorter than when the rated current is only slightly exceeded. A bimetal is used for triggering, which bends when heated by the current flowing through it and triggers the switch-off mechanism (thermal triggering).
In dieser Offenbarung werden Transil-Dioden beschrieben. Suppressor-Dioden, auch „Transient Voltage Suppressor“ (TVS) oder Transil-Dioden genannt, sind Dioden zum Schutz elektronischer Schaltungen vor kurzzeitigen Spannungsimpulsen. In an die Schaltung angeschlossenen Leitungen können solche Spannungspulse durch Schaltvorgänge im Netz oder nahe Blitzschläge auftreten. Die dabei kurzzeitig erreichte Spannung kann ausreichen, um Halbleiterbauelemente in der Schaltung zu zerstören. Transil-Dioden werden leitend, wenn eine bauelementspezifische Spannungsschwelle überschritten wird. Der Strom des Impulses wird durch Parallelschaltung an dem zu schützenden Bauteil vorbeigeführt. Dadurch kann sich keine zerstörerische Spannung oberhalb der Durchbruchspannung der Transil-Diode aufbauen. Dabei verhält sich diese Diode im normalen Betriebsfall, abgesehen von einem geringen Leckstrom und einer zusätzlichen Kapazität, welche insbesondere bei hochfrequenten Anwendungen störend wirkt, neutral.Transil diodes are described in this disclosure. Suppressor diodes, also known as "Transient Voltage Suppressors" (TVS) or Transil diodes, are diodes used to protect electronic circuits from brief voltage pulses. Such voltage pulses can occur in lines connected to the circuit as a result of switching processes in the network or near lightning strikes. The voltage that is briefly reached can be sufficient to destroy semiconductor components in the circuit. Transil diodes become conductive when a component-specific voltage threshold is exceeded. The current of the pulse is routed past the component to be protected by parallel switching. As a result, no destructive voltage can build up above the breakdown voltage of the Transil diode. In normal operation, this diode behaves, apart from a low leakage current and an additional capacitance, which is particularly disruptive in high-frequency applications, neutral.
Der elektronische Stromverteiler 100 umfasst einen ersten elektronischen Schalter 110 mit einem ersten schaltbaren Strompfad 111, der zwischen einen Stromversorgungsanschluss 150 und einen ersten Lastkanal 101 der Mehrzahl von Lastkanälen 101, 102 geschaltet ist und ausgebildet ist, den ersten Lastkanal 101 vor Überstrom abzusichern.The
Der elektronische Stromverteiler 100 umfasst einen elektrischen Bypass-Pfad 140, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad 111 des ersten elektronischen Schalters 110 zwischen den Stromversorgungsanschluss 150 und den ersten Lastkanal 101 geschaltet ist. Der elektrische Bypass-Pfad 140 weist einen elektromechanischen Leistungsschalter 143 auf, der ausgebildet ist, bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals 101, eine durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads 111 in den elektrischen Bypass-Pfad 140 kommutierte Kurzschlussleistung über einen Lichtbogen 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 abzubauen.The
Der Stromversorgungsanschluss 150 kann beispielsweise einen Netzspannungsanschluss eines Fahrzeugs umfassen, beispielsweise eine Batterieklemme mit 12V.The
In dem Ausführungsbeispiel der
Der elektromechanische Leistungsschalter 143 kann ferner ausgebildet sein, bei einem Kurzschluss des zweiten Lastkanals 102, eine durch ein Abschalten des zweiten schaltbaren Strompfads 121 in den elektrischen Bypass-Pfad 140 kommutierte Kurzschlussleistung über einen Lichtbogen 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 abzubauen.The
Der elektromechanische Leistungsschalter 143 kann ein Bimetall-Relais aufweisen, das ausgebildet ist, eine thermische Erwärmung aufgrund der Kurzschlussleistung in eine mechanische Bewegung zum Öffnen eines Kontaktes des Bimetall-Relais umzusetzen.The
Der elektromechanische Leistungsschalter 143 kann ausgebildet sein, eine bei dem Kurzschluss des ersten Lastkanals 101 auftretende Überspannung auf eine Spannung des Lichtbogens 144 zu begrenzen.The
Der elektronische Stromverteiler 100 kann eine erste Transil-Diode 112 umfassen, die parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad 111 des ersten elektronischen Schalters 110 und parallel zu dem elektrischen Bypass-Pfad 140 in Sperrrichtung zwischen den Stromversorgungsanschluss 150 und den ersten Lastkanal 101 geschaltet ist.The electronic
Die erste Transil-Diode 112 kann ausgebildet sein, einen mit Abreißen des Lichtbogens 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 entstehenden Überspannungsimpuls abzubauen.The
Die erste Transil-Diode 112 kann ausgebildet sein, bei dem Kurzschluss des ersten Lastkanals 101 einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen bis eine Streuinduktivität 113 des elektrischen Bypass-Pfades 140 überwunden ist und die Kurzschlussleistung über den Lichtbogen 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 abgebaut wird.The
Die erste Transil-Diode 112 kann ausgebildet sein, bei einer Schädigung des elektromechanischen Leistungsschalters 143 zumindest einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen und abzubauen.The
Der elektronische Stromverteiler 100 kann eine zweite Transil-Diode 122 umfassen, die parallel zu dem zweiten schaltbaren Strompfad 121 des zweiten elektronischen Schalters 120 und parallel zu dem elektrischen Bypass-Pfad 140 in Sperrrichtung zwischen den Stromversorgungsanschluss 150 und den zweiten Lastkanal 102 geschaltet ist.The
Die zweite Transil-Diode 122 kann ausgebildet sein, einen mit Abreißen des Lichtbogens 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 entstehenden Überspannungsimpuls abzubauen.The
Die zweite Transil-Diode 112 kann ausgebildet sein, bei dem Kurzschluss des zweiten Lastkanals 102 einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen bis eine Streuinduktivität 123 des elektrischen Bypass-Pfades 140 überwunden ist und die Kurzschlussleistung über den Lichtbogen 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 abgebaut wird.The
Die zweite Transil-Diode 122 kann ausgebildet sein, bei einer Schädigung des elektromechanischen Leistungsschalters 143 zumindest einen Teil der Kurzschlussleistung aufzunehmen und abzubauen.The
Wie oben beschrieben, kann der elektronische Stromverteiler 100 einen zweiten elektronischen Schalter 120 umfassen mit einem zweiten schaltbaren Strompfad 121, der zwischen einen zweiten Lastkanal 102 der Mehrzahl von Lastkanälen 101, 102 und den Stromversorgungsanschluss 150 geschaltet ist und ausgebildet ist, den zweiten Lastkanal 102 vor Überstrom abzusichern. Der elektrische Bypass-Pfad 140 ist ferner parallel zu dem zweiten schaltbaren Strompfad 121 des zweiten elektronischen Schalters 120 zwischen den Stromversorgungsanschluss 150 und den zweiten Lastkanal 102 geschaltet.As described above, the electronic
Der elektronische Stromverteiler 100 umfasst in der Darstellung der
Der elektrische Bypass-Pfad 140 kann eine Verzweigung aufweisen, die den elektrischen Bypass-Pfad 140 von einem Hauptpfad 140 zu dem Stromversorgungsanschluss 150 in einen ersten Unterpfad 141 zu dem ersten Lastkanal 101 und einen zweiten Unterpfad 142 zu dem zweiten Lastkanal 102 verzweigen lässt. Der elektromechanische Leistungsschalter 143 kann in dem Hauptpfad 140 des elektrischen Bypass-Pfades angeordnet sein, wie in
Der elektronische Stromverteiler 100 kann ferner eine erste Diode 145 umfassen, die in dem ersten Unterpfad 141 des elektrischen Bypass-Pfades 140 angeordnet sein kann und in Vorwärts-Richtung von dem Stromversorgungsanschluss 150 zu dem ersten Lastkanal 101 geschaltet ist. Die erste Diode 145 kann ausgebildet sein, den ersten Lastkanal 101 von dem zweiten Lastkanal 102 zu entkoppeln, um bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals 101 den ersten Lastkanal 101 unabhängig von dem zweiten Lastkanal 102 abzuschalten.The
Der elektronische Stromverteiler 100 kann ferner eine zweite Diode 146 umfassen, die in dem zweiten Unterpfad 142 des elektrischen Bypass-Pfades 140 angeordnet sein kann und in Vorwärts-Richtung von dem Stromversorgungsanschluss 150 zu dem zweiten Lastkanal 102 geschaltet ist. Die zweite Diode 146 kann ausgebildet sein, den zweiten Lastkanal 102 von dem ersten Lastkanal 101 zu entkoppeln, um bei einem Kurzschluss des zweiten Lastkanals 102 den zweiten Lastkanal 102 unabhängig von dem ersten Lastkanal 101 abzuschalten.The
Der erste elektronische Schalter 110 kann als ein erster MOSFET Transistor M1 ausgebildet sein, wie in
Der elektronische Stromverteiler 100 kann ferner einen Diagnose-Kondensator 214 aufweisen, wie zu
Der elektrische Bypass-Pfad 140 kann ferner einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 in Reihe geschalteten p-Typ MOSFET Transistor 341 aufweisen, wie in
Der elektrische Bypass-Pfad 140 kann einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 und dem p-Typ MOSFET Transistor 341 in Reihe geschalteten Messwiderstand 342 aufweisen, wie in
Der elektronische Stromverteiler 100 kann einen Komparator 343 aufweisen, wie in
Im Folgenden wird die Funktionsweise des elektronischen Stromverteilers 100 gemäß
Die MOSFETs M1 und M2 sind die elektronischen Schalter des elektronischen Stromverteilers 100. Über diese kann das „SW-Defined Fusing“, d.h. das software-definierte Sichern der Kanäle vorgenommen werden, was im aktiven Modus erfolgt. Die Dioden D1, 145 und D2, 146 sind zur Entkopplung der beiden Kanäle vorhanden, so dass unabhängig abgeschaltet werden kann.The MOSFETs M1 and M2 are the electronic switches of the electronic
In einer konventionellen Anordnung existieren der Circuit Breaker 143 und die Dioden D1, D2 145, 146 nicht. Bei einer Kurzschlussabschaltung durch die MOSFETs M1 oder M2 kommutiert der Kurzschlussstrom auf die Transil-Dioden TD1, 112 bzw. TD2, 122. Der Spannungsabfall über die Transil-Dioden 112, 122 hängt einerseits vom Schwellwert der Transil-Dioden, z.B. 33V ab, andererseits vom Spannungsabfall über den Kanalwiderstand der Transil-Dioden. Dieser kann aufgrund des Kurzschlussstromes so hoch sein, dass die Spannung über den Transil-Dioden und damit über den MOSFETs über dem kritischen Wert von beispielsweise 40V liegt, d.h. der Überspannungsfestigkeit der MOSFETs. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je höher die Induktivität in der abzuschaltenden Kurzschluss-Schleife ist.In a conventional arrangement, the
Mit dem Bypass 140 über den Circuit Breaker 143 gemäß der erfinderischen Lösung ergibt sich diese potentielle Überspannungssituation nicht: Tritt im aktiven Fall ein Kurzschluss z.B. bei L1, d.h. im ersten Lastkanal 101, auf, so trennt der MOSFET M1. Der Strom kommutiert dann zum Bypass 140 bestehend aus D1, 145 und dem Circuit Breaker 143. Dafür muss im ersten Moment nur die Streuinduktivität des Bypass Kreises 140 überwunden werden. Die wirksame Energie, die in einer (kleinen) Transil-Diode TD1, 112 umgesetzt werden muss, ist sehr klein und ist durch die Größe der Streuinduktivität (näherungsweise im pH-Bereich) vorgegeben. Im Bypass 140 unterbricht dann mit dem sich aufbauenden Strom der (elektromechanische) Circuit Breaker 143. Zwischen seinen Kontakten entsteht dabei ein Lichtbogen 144. Der Lichtbogen 144 baut die induktive Energie im Kreis (Eingangs- und Ausgangsinduktivität) ab und begrenzt die Überspannung auf die Lichtbogenspannung. Diese ist bei einem 1mm Kontakt-Luftspalt typischerweise kleiner als 30V. Die induktive Energie wird also im Circuit Breaker 143 umgesetzt und nicht in der Transil-Diode 112. Nur im Moment des Abreißens des Lichtbogens 144 kann ein kurzer Überspannungsimpuls entstehen. Dieser kann aber in einer kleinen oder auch keiner Transil-Diode 112 abgebaut werden, da er bei einem Strom nahe 0A auftritt, und damit der Spannungsabfall über dem Kanal der Transil-Diode 112 nicht wirksam wird.With the
Das Prinzip des Circuit Breakers 143 oder thermischen Sicherungsautomaten beruht auf der Umsetzung der thermischen Erwärmung durch Überstrom in eine mechanische Bewegung, die zum Öffnen eines Kontaktes führt. Hierfür werden z.B. Bimetall Streifen oder sogenannte „-Knackscheiben“ verwendet. Da die Messgröße die Temperatur ist, hängt die Reaktionsgeschwindigkeit des thermischen Sicherungsautomaten von der Außentemperatur ab. Dass der thermische Sicherungsautomat bei höheren Temperaturen schneller auslöst, passt aber insofern, als dann auch die thermische Reserve der Leitung bei höheren Temperaturen entsprechend geringer ist.The principle of the
Auf die Schutzfunktion für den Transistor hat dies aber keinen Einfluss, da mit dem Abschalten des MOSFETs der Strom sehr schnell (d.h. im µs-Bereich) auf den Sicherungsautomaten 143 kommutiert. Dessen Reaktionszeiten liegen im ms Bereich.However, this has no effect on the protective function for the transistor, since the current commutes very quickly (i.e. in the µs range) to the
Im Folgenden werden Aspekte zur Funktionalen Sicherheit (FUSI) beschrieben, welche mit dem hier vorgestellten elektronischen Stromverteiler 100 eingehalten werden können.Aspects relating to functional safety (FUSI) are described below, which can be complied with using the electronic
Für viele Anwendungen ist das technische Sicherheitsziel, dass bei Überströmen oder Unterspannungen abgeschaltet werden können muss.For many applications, the technical safety goal is that it must be possible to switch off in the event of overcurrents or undervoltages.
Hat ein MOSFET eine Überspannungsschädigung erfahren, so kann er unter Umständen nicht mehr den Stromkreis zuverlässig unterbrechen. Daher ist ein Sicherheitskonzept für die Schutzbeschaltung notwendig. In der hier vorgestellten Lösung kann über drei Mechanismen die induktive Energie abgebaut werden: 1. Im Lichtbogen des Circuit Breakers 143; 2. In der Transil-Diode 112; 3. Durch Avalanche Durchbruch im MOSFET M1, dies aber nur wenige Male, da der Avalanche Durchbruch den MOSFET vorschädigt.If a MOSFET has suffered overvoltage damage, it may no longer be able to reliably interrupt the circuit. A safety concept for the protective circuit is therefore necessary. In the solution presented here, the inductive energy can be dissipated via three mechanisms: 1. In the arc of the
Positiv für die FUSI ist, dass hier unterschiedliche Mechanismen (d.h. Diversität) vorgehalten werden. Für die FUSI sollte allerdings eine Diagnoseabdeckung ergänzt werden, damit latente Fehler entdeckt werden können.What is positive for the FUSI is that different mechanisms (ie diversity) are available here. For the FUSI, however, a diagnosis should be coverage can be supplemented so that latent errors can be discovered.
Eine solche Diagnoseschaltung ist in
Diese umfasst einen Diagnose-Kondensator C1 214, der parallel zu dem ersten schaltbaren Strompfad 111 des ersten elektronischen Schalters 110 geschaltet ist, und ausgebildet ist, eine beim Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads 111 an dem ersten schaltbaren Strompfad 111 anliegende Spannung für eine Diagnose durch einen Mikrocontroller 260 zu erfassen.This includes a
Eine Parallelschaltung einer Diode 215 und eines Widerstands 216 ist in dem Beispiel der
Die Funktionsweise der Diagnoseschaltung wird im Folgenden beschrieben.The functionality of the diagnostic circuit is described below.
Für eine Diagnoseabdeckung ist hier ein „Sample and Hold“ Kondensator C1, 214 vorgehalten. Dieser hält die maximale Drain-Source Spannung des MOSFETs M1, die beim Abschalten auftritt, so dass diese über einen Mikrocontroller (µC) 260 ausgelesen werden kann. Der µC 260 kann also nach jedem Abschaltvorgang messen, ob die Schutzbeschaltung aus erster Transil-Diode 112 und Circuit Breaker 143 versagt hat, und so der MOSFET M1 in den Avalanche getrieben wurde.A “sample and hold” capacitor C1, 214 is reserved here for diagnostic coverage. This holds the maximum drain-source voltage of the MOSFET M1, which occurs when it is switched off, so that it can be read out via a microcontroller (μC) 260. After each switch-off process,
Für kapazitive Lasten ist auch eine Diagnose in der Initialisierungsphase des Fahrzeugs möglich. Hierfür kann die Schwelle für die Schnellabschaltung der MOSFETs M1, M2 auf einen so niedrigen Wert eingestellt werden, dass sie durch den Inrush-Strom in die kapazitive Last auslöst. Nach dem Abschalten des MOSFETs M1 aufgrund des Inrush Stromes wird dann die Spannung über C1, 214 gemessen. Ist diese über einem Schwellwert von z.B. 38V, so ist die Schutzbeschaltung nicht wirksam und es liegt ein Fehler vor.For capacitive loads, a diagnosis is also possible in the initialization phase of the vehicle. For this purpose, the threshold for the rapid shutdown of the MOSFETs M1, M2 can be set to such a low value that it is triggered by the inrush current in the capacitive load. After the MOSFET M1 has been switched off due to the inrush current, the voltage across C1, 214 is then measured. If this is above a threshold value of e.g. 38V, the protective circuit is not effective and there is an error.
Der elektrische Bypass-Pfad 140 umfasst einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 in Reihe geschalteten p-Typ MOSFET Transistor 341, der ausgebildet ist, den elektrischen Bypass-Pfad 140 bei einer Ruhestromverletzung abzuschalten.The
Der elektrische Bypass-Pfad 140 kann einen zu dem elektromechanischen Leistungsschalter 143 und dem p-Typ MOSFET Transistor 341 in Reihe geschalteten Messwiderstand 342 aufweisen, der ausgebildet ist, über einen Stromfluss durch den Messwiderstand 342 eine Ruhestromverletzung anzuzeigen.The
Der elektronische Stromverteiler 300 kann einen Komparator 343 aufweisen, dessen Eingänge parallel zu dem Messwiderstand 342 geschaltet sind, und der ausgebildet ist, einen Stromfluss durch den Messwiderstand 342 bei Ruhestromverletzung über eine Zustandsänderung am Ausgang des Komparators 343 einem Steuerschaltkreis 360, z.B. einem elektronischen Sicherungsschaltkreis, auch als eFASic bezeichnet, zur Diagnose anzuzeigen. Dieser eFASic 360 kann beispielsweise ein Frontend eines Mikrocontrollers sein, beispielsweise des µC 260 wie in
Im Folgenden wird die Funktionsweise des elektronischen Stromverteilers 300 gemäß
In der Ausführungsform der
Nachfolgend ist die kanalspezifische Erkennung von Ruhestromverletzung und deren kanalspezifische Trennung von der Batteriespannung erklärt.The channel-specific detection of quiescent current violations and their channel-specific disconnection from the battery voltage is explained below.
Ist das Fahrzeug im Ruhemodus, so ist das EFASic 360 abgeschaltet, daher ohne Ruhestrombeitrag. Die MOSFETs M1 bis M3 trennen (sind hochohmig). Der Bypass 140 ist ruhestrom-frei durchgeschaltet und versorgt L1 bis L3 (die drei Lastkanäle 101, 102, 103) mit Spannung. Dafür ist das Gate des P-Typ MOSFETs 341 im Bypass auf Masse gezogen. Der Bimetallschalter (bzw. elektromechanische Leistungsschalter) 143 übernimmt die Kurzschluss-Absicherung. Liegt nun eine Ruhestrom-Verletzung vor, weil z.B. L2 bzw. der zweite Lastkanal 102 einen µP enthält, der nicht einschläft und wegen Speicherüberlaufs einen zu hohen Strom 320 zieht (z.B. über 100mA) so führt dieser zu einer steigenden Flanke des Komparators 343. Mit dieser steigenden Flanke wird der µC 260, der das EFASic 360 ansteuert, aufgeweckt. Der µC 260 aktiviert nun das EFASic 360. Wird nun M1 durchgeschaltet, so ändert sich an dem Stromfluss (1), 340 über den Bypass 140 nichts. Genauso, wenn M3 durchgeschaltet wird. Wird hingegen M2 durchgeschaltet, so geht der Strom durch den Bypass 140 auf null und der Komparator 343 zeigt eine fallende Flanke.If the vehicle is in sleep mode, the EFASic 360 is switched off, so there is no quiescent current contribution. Disconnect the MOSFETs M1 to M3 (are high-impedance). The
Hiermit kann die Software im µC 260 feststellen, dass die Ruhestromverletzung von L2 ausgeht. Nachfolgend, wenn alle Kanäle M1 bis M3 durchgeschaltet sind, wird der Bypass 140 über den P-Typ MOSFET 341 mit Ansteuerung durch den µC 260 getrennt. Nachfolgend wird M2 über den EFASic 360 geöffnet (hochohmig). Dadurch wird M2 spannungsfrei und somit kann kanalspezifisch ein Rücksetzen der ruhestromverletzenden Last erfolgen.With this, the software in the
Diese Funktion ist insbesondere nach einem „Over The Air“ (OTA) Upgrade nützlich, weil dediziert das Steuergerät, das einen Upgrade erfahren hat, zurückgesetzt werden kann.This feature is particularly useful after an Over The Air (OTA) upgrade because it allows dedicated resetting of the upgraded controller.
Es sind die zeitlichen Verläufe des Stroms 340 im Bypass-Pfad 140 und der Gate-Spannung an den drei MOSFETs M1, M2, M3 bei Vorliegen einer Ruhestrom-Verletzung, dargestellt, wie oben zu
Liegt eine solche Ruhestrom-Verletzung vor, weil z.B. L2 bzw. der zweite Lastkanal 102 einen µP enthält, der nicht einschläft und wegen Speicherüberlaufs einen zu hohen Strom 320 zieht (z.B. über 100mA) so führt dieser zu einer steigenden Flanke des Komparators 343. Mit dieser steigenden Flanke wird der µC 260, der das EFASic 360 ansteuert, aufgeweckt. Der µC 260 aktiviert nun das EFASic 360. Wird nun M1 durchgeschaltet, wie im Spannungsverlauf 402 ersichtlich, so ändert sich an dem Stromfluss (1), 340 über den Bypass 140 nichts, wie auch im Stromverlauf 401 ersichtlich. Wird M3 durchgeschaltet, wie im Spannungsverlauf 402 ersichtlich, so ändert sich an dem Stromfluss (1), 340 über den Bypass 140 ebenfalls nichts, wie auch im Stromverlauf 401 ersichtlich. Wird hingegen M2 durchgeschaltet, wie im Spannungsverlauf 402 ersichtlich, so geht der Strom durch den Bypass 140 auf null, wie im Stromverlauf 401 ersichtlich, und der Komparator 343 zeigt eine fallende Flanke.If such a quiescent current violation occurs because, for example, L2 or the
Das Verfahren 500 dient zur Stromversorgung einer Mehrzahl von Lastkanälen 101, 102 über einen elektronischen Stromverteiler 100, wie beispielsweise oben zu den
Der elektronische Stromverteiler 100 weist folgendes auf: einen ersten elektronischen Schalter 110 mit einem ersten schaltbaren Strompfad 111, der zwischen einen Stromversorgungsanschluss 150 und einen ersten Lastkanal 101 der Mehrzahl von Lastkanälen geschaltet ist, wie oben zu den
Das Verfahren 300 umfasst die folgenden Schritte: Absichern 501 des ersten Lastkanals 101 vor einem Kurzschluss durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads 101 des ersten elektronischen Schalters 110; und bei einem Kurzschluss des ersten Lastkanals 101, Abbauen 502 einer durch ein Abschalten des ersten schaltbaren Strompfads 111 in den elektrischen Bypass-Pfad 140 kommutierten Kurzschlussleistung des ersten Lastkanals 101 über einen Lichtbogen 144 in dem elektromechanischen Leistungsschalter 143.The
Ferner kann ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens 400 in einer Steuerung, z.B. auf einem elektronischen Sicherungsschaltkreis bzw. eFASic 360 wie oben in
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- elektronischer Stromverteilerelectronic power distributor
- 101101
- erster Lastkanalfirst load channel
- 102102
- zweiter Lastkanalsecond load channel
- 150150
- Stromversorgungsanschluss bzw. -klemmePower connector or terminal
- 110110
- erster elektronischer Schalter, erster MOSFETfirst electronic switch, first MOSFET
- 111111
- erster schaltbarer Strompfad des ersten elektronischen Schaltersfirst switchable current path of the first electronic switch
- 112112
- erste Transil-Diodefirst transil diode
- 113113
- erste Streuinduktivität des ersten Lastkanalsfirst leakage inductance of the first load channel
- 120120
- zweiter elektronischer Schalter, zweiter MOSFETsecond electronic switch, second MOSFET
- 121121
- zweiter schaltbarer Strompfad des zweiten elektronischen Schalterssecond switchable current path of the second electronic switch
- 122122
- zweite Transil-Diodesecond transil diode
- 123123
- zweite Streuinduktivität des zweiten Lastkanalssecond leakage inductance of the second load channel
- 145145
- erste Diodefirst diode
- 146146
- zweite Diodesecond diode
- 147147
- dritte Diode third diode
- 143143
- elektromechanischer Leistungsschalter bzw. Circuit Breakerelectromechanical power switch or circuit breaker
- 144144
- Lichtbogen im elektromechanischen LeistungsschalterArcing in the electromechanical circuit breaker
- 140140
- Bypass-Pfad bzw. Hauptpfad im Bypass-PfadBypass path or main path in the bypass path
- 141141
- erster Unterpfad im Bypass-Pfadfirst subpath in the bypass path
- 142142
- zweiter Unterpfad im Bypass-Pfad second subpath in bypass path
- 200200
- elektronischer Stromverteilerelectronic power distributor
- 214214
- Diagnose-Kondensatordiagnostic capacitor
- 215215
- Diode zum Diagnose-KondensatorDiode to diagnostic capacitor
- 216216
- Widerstand zum Diagnose-KondensatorResistance to diagnostic capacitor
- 260260
- Mikrocontroller mit Analog-Digital Wandler (ADC) Microcontroller with analog-to-digital converter (ADC)
- 300300
- elektronischer Stromverteilerelectronic power distributor
- 360360
- elektronischer Sicherungsschaltkreis bzw. eFASicelectronic security circuit or eFASic
- 341341
- p-Typ MOSFET Transistorp-type MOSFET transistor
- 342342
- Messwiderstandmeasuring resistor
- 343343
- Komparatorcomparator
- 401401
-
Stromverlauf einer Ansteuerung des elektronischen Stromverteilers 300Current course of a control of the electronic
current distributor 300 - 402402
-
Spannungsverlauf der Ansteuerung des elektronischen Stromverteilers 300
Voltage curve of the control of the electronic
current distributor 300 - 500500
- Verfahren zur Stromversorgung einer Mehrzahl von LastkanälenMethod for powering a plurality of load channels
- 501501
- 1. Verfahrensschritt1. Process step
- 502502
- 2. Verfahrensschritt2. Process step
Claims (11)
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2021
- 2021-05-26 DE DE102021113589.3A patent/DE102021113589A1/en active Pending
-
2022
- 2022-05-25 CN CN202210578296.XA patent/CN115412079A/en active Pending
Patent Citations (5)
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CN115412079A (en) | 2022-11-29 |
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