DE102021200578A1 - Kraftfahrzeugbordnetz - Google Patents

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Thomas Geiger
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz (1), umfassend mindestens eine Spannungsquelle (4) und elektrische Verbraucher (5) sowie mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6), wobei zwischen der Spannungsquelle (4) und dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) eine Diode (10) in Flussrichtung gepolt angeordnet ist, wobei parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) ein elektrischer Speicher (7) mit einem DC/DC-Wandler (8) angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit (14) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass der elektrische Speicher (7) in Abhängigkeit eines Spannungssignals zum mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) zugeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz.
  • Ein typisches Kraftfahrzeugbordnetz umfasst mindestens eine Spannungsquelle und elektrische Verbraucher. Die Spannungsquelle ist beispielsweise eine Bordnetzbatterie, die noch immer häufig als Blei-Säure-Batterie ausgebildet ist. Daneben sind noch ein Generator oder ein Startermotor typische Bestandteile eines Kraftfahrzeuges mit Brennkraftmaschine. Es sind auch Kraftfahrzeugbordnetze ohne Generator und Startermotor bekannt, wie z.B. in Elektrofahrzeugen. Dabei existieren auch sicherheitsrelevante Verbraucher wie beispielsweise Steuergeräte für eine Lenkung oder Bremse des Kraftfahrzeuges.
  • Aus der EP 2 649 298 B1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz bekannt, umfassend einen Starter und einen ersten Energiespeicher, die in einem ersten Bereich des Kraftfahrzeugbordnetzes angeordnet sind, und einen Generator und einen zweiten Energiespeicher, die in einem zweiten Bereich des Kraftfahrzeugbordnetzes angeordnet sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des Kraftfahrzeugbordnetzes ein Schaltelement angeordnet ist, das mindestens zwei Schaltzustände aufweist. In einem ersten Schaltzustand ist ein Stromfluss nur in Richtung vom ersten Bereich zum zweiten Bereich möglich. In einem zweiten Schaltzustand sind der erste und zweite Bereich miteinander durchverbunden. Weiter ist der zweite Energiespeicher über einen DC/DC-Wandler mit dem Generator verbunden, wobei über ein zweites Schaltelement der Starter direkt mit dem zweiten Energiespeicher verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Kraftfahrzeugbordnetz zu schaffen, bei dem die Ausfallsicherheit mindestens eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers verbessert ist.
  • Die Lösung des Problems ergibt sich durch ein Kraftfahrzeugbordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das Kraftfahrzeugbordnetz mindestens eine Spannungsquelle und elektrische Verbraucher sowie mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher, wobei zwischen der Spannungsquelle und dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher eine Diode in Flussrichtung gepolt angeordnet ist, wobei parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher ein elektrischer Speicher mit einem DC/DC-Wandler angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass der elektrische Speicher in Abhängigkeit eines Spannungssignals zum mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher zugeschaltet wird. Hierdurch wird erreicht, dass der elektrische Speicher nur im Bedarfsfall zugeschaltet wird. Dies vermeidet Umladungsverluste mit der Spannungsquelle und bewirkt eine verringerte Alterung, da die Ladezyklen für den Speicher reduziert werden. Schließlich erhöht dies auch die Verfügbarkeit des Speichers, da dieser eben nur im Bedarfsfall zugeschaltet wird. Über den DC/DC-Wandler kann dabei der Speicher stets maximal aufgeladen werden. Durch den DC/DC-Wandler kann dabei stets ein sicheres Laden sichergestellt werden und die Verwendung anderer Technologien und Spannungslagen für den Speicher im Vergleich zur Spannungsquelle wird erleichtert. Die Diode verhindert dabei Rückwirkungen eines defekten Bordnetzes auf den zugeschalteten Speicher.
  • In einer Ausführungsform ist parallel zu dem DC/DC-Wandler ein Schaltelement angeordnet. Der Vorteil ist, dass dann der Versorgungsstrom für den sicherheitsrelevanten Verbraucher nicht über den DC/DC-Wandler fließen muss. Dadurch kann der DC/DC-Wandler unidirektional ausgebildet sein und leistungstechnisch geringer ausgelegt werden, da über diesen nur der Ladestrom fließt, um den Speicher stets vollgeladen zu halten. Der DC/DC-Wandler kann in Phasen, wo der Energiespeicher vollgeladen ist, ausgeschaltet werden. Ebenso kann der DC/DC-Wandler ausgeschaltet werden, wenn das Schaltelement geschlossen ist, um aus dem Speicher den sicherheitsrelevanten Verbraucher zu versorgen.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als bidirektionaler Wandler ausgebildet, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, den DC/DC-Wandler zu schalten. Die Steuereinheit kann dabei einerseits den DC/DC-Wandler ein- und ausschalten und die Wandlerrichtung einstellen. Bei dieser Ausführungsform wird das Schaltelement eingespart. Dabei muss der DC/DC-Wandler leistungstechnisch derart ausgebildet sein, dass dieser den Versorgungsstrom für den sicherheitsrelevanten Verbrauch liefern kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu der Diode ein zweites Schaltelement angeordnet. Im Normalbetrieb ist das Schaltelement geschlossen, so dass Spannungsverluste über der Diode vermieden werden. Sinkt hingegen die Spannung im Kraftfahrzeugbordnetz wird das Schaltelement geöffnet. Das Schaltelement und die Diode können als separate diskrete Elemente ausgebildet sein oder aber durch ein MOSFET mit dessen intrinsischer Diode gebildet werden, wie es auch in der EP 2 649 298 B1 beschrieben ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet, die beiden Schaltelement zu schalten. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, wo jedem Schaltelement eine eigene Steuereinheit zugeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Nennspannung des elektrischen Speichers größer als die Nennspannung der Spannungsquelle. Der Vorteil ist dann, dass die notwendigen Ströme zur Versorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher reduziert werden können. Grundsätzlich kann der Energiespeicher eine Batterie oder ein Kondensator (z. B. ein Supercap) sein. Vorzugsweise ist der Energiespeicher eine Batterie, die aus mehreren Batteriezellen, vorzugsweise Li-lonen-Batteriezellen, besteht. Ist dann die Spannungsquelle eine Blei-Säure-Batterie, so kann die unterschiedliche Nennspannung durch den DC/DC-Wandler ausgeglichen werden, was zuvor schon allgemein erläutert wurde.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zur Spannungsquelle eine Spannungsmesseinrichtung angeordnet und/oder eine Spannungsmesseinrichtung parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine sicherheitsrelevante Verbraucher ein Steuergerät einer Lenkung und/oder einer Bremse.
  • Alternativ oder zusätzlich ist der mindestens eine sicherheitsrelevante Verbraucher eine Leistungselektronik einer Lenkung und/oder einer Bremse.
  • Der elektrische Speicher ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass dieser mindestens die elektronische Versorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher für mindestens eine Minute aufrechterhalten kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eine bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugbordnetzes in einer ersten Ausführungsform und
    • 2 schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugbordnetzes in einer zweiten Ausführungsform.
  • In der 1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz 1 dargestellt, das einen Generator 2, einen Motor 3, eine Spannungsquelle 4 in Form einer Bordnetzbatterie sowie elektrische Verbraucher 5 umfasst. Weiter umfasst das Kraftfahrzeugbordnetz 1 mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 6, zu dem parallel ein elektrischer Speicher 7 mit einem DC/DC-Wandler 8 und parallel geschaltetem Schaltelement 9 angeordnet ist. Weiter ist zwischen der Spannungsquelle 4 und dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 eine Diode 10 mit parallel geschaltetem Schaltelement 11 geschaltet. Parallel zur Spannungsquelle 4 ist eine Spannungsmesseinrichtung 12 geschaltet, die eine Spannung U1 misst. Parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 ist eine weitere Spannungsmesseinrichtung 13 angeordnet, die eine Spannung U2 misst. Schließlich weist das Kraftfahrzeugbordnetz 1 eine Steuereinheit 14 auf, die Schaltelemente 9 und 11 sowie den DC/DC-Wandler 8 schaltet. Speicher 7, DC/DC-Wandler 8, Schaltelement 9 und Steuereinheit 14 können dabei in einem Modul zusammen integriert sein. Zusätzlich können auch noch die Diode 10 und das Schaltelement 11 in das Modul integriert werden.
  • Nachfolgend soll nun die Funktionsweise des Kraftfahrzeugbordnetzes 1 näher erläutert werden. Im Normalzustand mit laufendem Generator 2 ist das Schaltelement 11 geschlossen und das Schaltelement 9 offen. Der Generator 2 und die Spannungsquelle 4 versorgen den mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 mit elektrischer Energie. Gleichzeitig wird der Speicher 7 über den DC/DC-Wandler 8 geladen. Der Ladezustand des Speichers 7 kann dabei über eine weitere nicht dargestellt Spannungsmesseinrichtung ermittelt werden, wobei der DC/DC-Wandler 8 ausgeschaltet werden kann, wenn der Speicher 7 vollgeladen ist. Sinkt nun beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Kraftfahrzeugbordnetz 1 die Spannung U1 unter einen Schwellwert, so wird das Schaltelement 11 geöffnet. Des Weiteren erfasst die Spannungsmesseinrichtung 13 ein Absinken der Spannung U2 unter einen Schwellwert und schließt das Schaltelement 9. Dabei ist deutlich, dass jeweils nur eine Spannungsmesseinrichtung 12, 13 notwendig ist, wobei dann das Schalten beider Schaltelemente 9, 11 in Abhängigkeit der Spannung U1 oder U2 alleine erfolgt. Über das geschlossene Schaltelement 9 versorgt dann der Speicher 7 den sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 mit elektrischer Energie, wobei durch die Diode 10 verhindert wird, dass das übrige Kraftfahrzeugbordnetz 1 den Speicher 7 belastet. In dieser Phase kann der DC/DC-Wandler 8 ausgeschaltet werden. Somit ist die Funktionsfähigkeit der sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 für eine bestimmte Zeit sichergestellt. Erhöht sich dann die Spannung U1 im Kraftfahrzeugbordnetz 1 wieder, kann das Schaltelement 11 wieder geschlossen werden und das Schaltelement 9 geöffnet werden. Ansonsten muss das Kraftfahrzeug während der Versorgung aus dem Speicher 7 in einen anderen (z. B. abgestellten) Zustand überführt werden. Weiter kann der Kraftfahrzeugführer über die Zuschaltung des Speichers 7 informiert werden, so dass sich dieser auf die Situation einstellen kann und beispielsweise das Kraftfahrzeug abstellt.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei der einzige Unterschied ist, dass das Schaltelement 9 entfallen ist, wobei der DC/DC-Wandler als bidirektionaler DC/DC-Wandler 8 ausgebildet ist. Sei nun angenommen, dass die Nennspannung des Speichers 7 größer als die der Spannungsquelle 4 ist, so wird der DC/DC-Wandler 8 im Normalbetrieb als Hochsetzsteller betrieben. Wenn dann die sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 durch den Speicher 7 versorgt werden sollen, so wird der DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller betrieben. Wenn der Speicher 7 vollgeladen ist und der Generator 2 und die Spannungsquelle 4 den sicherheitsrelevanten Verbraucher 6 versorgen, kann der DC/DC-Wandler 8 ausgeschaltet werden. Dieser kann aber auch permanent eingeschaltet bleiben, um schneller auf ein Absinken der Bordnetzspannung zu reagieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeugbordnetz
    2
    Generator
    3
    Motor
    4
    Spannungsquelle
    5
    elektrische Verbraucher
    6
    sicherheitsrelevanter Verbraucher
    7
    elektrischer Speicher
    8
    DC/DC-Wandler
    9
    Schaltelement
    10
    Diode
    11
    Schaltelement
    12
    Spannungsmesseinrichtung
    13
    Spannungsmesseinrichtung
    14
    Steuereinheit
    U1
    Spannung
    U2
    Spannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2649298 B1 [0003, 0009]

Claims (10)

  1. Kraftfahrzeugbordnetz (1), umfassend mindestens eine Spannungsquelle (4) und elektrische Verbraucher (5) sowie mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6), wobei zwischen der Spannungsquelle (4) und dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) eine Diode (10) in Flussrichtung gepolt angeordnet ist, wobei parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) ein elektrischer Speicher (7) mit einem DC/DC-Wandler (8) angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit (14) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass der elektrische Speicher (7) in Abhängigkeit eines Spannungssignals zum mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) zugeschaltet wird.
  2. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem DC/DC-Wandler (8) ein Schaltelement (9) angeordnet ist.
  3. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (8) als bidirektionaler Wandler ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, den DC/DC-Wandler (8) zu schalten.
  4. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Diode (10) ein weiteres Schaltelement (11) angeordnet ist.
  5. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, die beiden Schaltelemente (9, 11) zu schalten.
  6. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennspannung des elektrischen Speichers (7) größer als die Nennspannung der Spannungsquelle (4) ist.
  7. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher (7) als Batterie ausgebildet ist.
  8. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsmesseinrichtung (12) parallel zur Spannungsquelle (4) angeordnet ist und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (13) parallel zu dem mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (6) angeordnet ist.
  9. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine sicherheitsrelevante Verbraucher (6) ein Steuergerät einer Lenkung und/oder einer Bremse ist.
  10. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine sicherheitsrelevante Verbraucher (6) eine Leistungselektronik einer Lenkung und/oder einer Bremse ist.
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