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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Leistungsverteilers eines Kraftfahrzeugs, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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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 den Leistungsverteiler überwacht bei geringer Ruhestromaufnahme. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Dadurch, dass neben dem Auswertemittel zumindest eine Überwachung vorgesehen ist zu einer von dem Auswertemittel unabhängigen Überwachung eines über den Zusatzpfad fließenden Stroms und zur Ansteuerung zumindest des Schaltmittels des Zusatzpfads, kann diese allein insbesondere im Schlafmodus bzw. in der Aufwachphase aktiv sein. Durch eine geeignete Wahl der Überwachung kann diese hinsichtlich der Ruhestromminimierung optimiert werden. Das Auswertemittel wie beispielsweise ein Mikrocontroller kann insbesondere im Schlafmodus abgeschaltet bleiben. Durch die Überwachung können stromdurchflossene Bauteile beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses vor Zerstörung geschützt werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst die Überwachung zumindest einen ein Aufweck-Komparator, der die Überwachung aktiviert, wenn der über den Zusatzpfad fließende Strom einen Schwellwert erreicht. In einem normalen Schlafmodus-Szenario mit unkritischen Lastsprüngen gibt es keine Stromaufnahme dieser Überwachung. Erst ab einem einstellbaren Schwellwert wird die Überwachung mit zugehöriger Messschaltung aktiv und öffnet gegebenenfalls im Überlastfall den Zusatzpfad. Dadurch wird die Ruhestromaufnahme minimiert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Überwachung zumindest zwei zeitliche Bereiche unterscheidet, in denen unterschiedliche Schwellwerte für den Strom vorgesehen sind. Damit können unterschiedliche Anforderungen, insbesondere für einen statischen Belastungsfall und einen dynamischen Belastungsfall, abgebildet werden, wodurch die Bauteile des Zusatzpfads gut geschützt werden können.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst die Überwachung zumindest einen dynamischen Überstrom-Komparator, wobei der zugehörige Schwellwert in Abhängigkeit von einer Zeitdauer gewählt ist, während der der Strom fließt. Dadurch lässt die Überwachung kurze pulsförmige Stromprofile zu, welche sich innerhalb der Leistungsfähigkeit des Zusatzpfad bewegen. Damit können kurzzeitig Ströme im Zusatzpfad zugelassen werden, die zwar die statische Leistungsfähigkeit der verwendeten Bauteile übersteigen, jedoch nicht die dynamische Leistungsfähigkeit. Insbesondere ist hierzu der dynamische Überstrom-Komparator besonders zweckmäßig so ausgebildet, einen höheren Strom für eine kürzere Dauer beziehungsweise einen geringeren Strom für eine längere Dauer zuzulassen. Besonders bevorzugt ist in dem dynamischen Überstrom-Komparator ein exponentieller Zusammenhang zwischen dem zugelassenen Strom und der zugehörigen Dauer des Stroms abgebildet. Diese Funktion kann besonders bevorzugt über einen Filter, insbesondere unter Verwendung eines Kondensators bzw. eines RC-Glieds realisiert werden. Die so relativ einfach erzeugte Funktion passt sehr gut zu einer typischen dynamsichen Leistungsgrenze der Bauteile im Zusatzpfad.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst die Überwachung zumindest einen statischen Überstrom-Komparator, der ein Abschaltsignal zum Öffnen des Schaltmittels des Zusatzpfads generiert, wenn der Strom einen weiteren Schwellwert erreicht. Damit lässt sich ein statischer maximaler Strom definieren, welchen die Bauteile des Zusatzpfad tragen können, wie auch die statische Last, die damit versorgt werden kann.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Schaltmittel des Hauptpfads in einem Schlafmodus oder einer Aufwachphase geöffnet, während das Schaltmittel des Zusatzpfads in einem Schlafmodus oder der Aufwachphase geschlossen ist und/oder das Auswertemittel in dem Schlafmodus oder der Aufwachphase nicht aktiv ist. Damit lässt sich zum einen eine hohe Sicherheit des Leistungsverteilers selbst bei abgeschaltetem Auswertemittel und/oder im Schlafmodus erreichen, da im Fehlerfall des Auswertemittels die Überwachung als Rückfalllösung verwendet werden kann. Dies ist insbesondere zur Erreichung bestimmter ASIL-Stufen vorteilhaft. In einer bevorzugten Weiterbildung ist hierzu bei einem Fehler im Hauptpfad und/oder einem Fehler des Leistungsverteilers und/oder einem Fehler des Auswertemittels ist die Überwachung aktivierbar.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst die Überwachung zumindest ein Zeitglied, welches so ausgebildet ist, dass bis zu einer Zeitspanne, insbesondere ab Aktivierung, der dynamische Überstrom-Komparator aktiv ist und dass nach Erreichen der Zeitspanne, insbesondere ab Aktivierung, der statische Überstrom-Komparator zusätzlich aktiv ist. Damit lässt sich für unterschiedliche Einsatzbereiche eine zuverlässige Schutzwirkung der Bauteile des Zusatzpfads erreichen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der dynamische Überstrom-Komparator zumindest einen Differenzverstärker und/oder zumindest einen Filter mit zumindest einem Kondensator bzw. einem RC-Glied und/oder zumindest einen Schwellwert-Komparator umfasst. Damit lassen sich die Schaltungsblöcke mit diskreten und im Kraftfahrzeugbereich relativ günstigen Bauteilen aufbauen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst die Überwachung zumindest eine Spannungsversorgung, die erst bei Erreichen eines Schwellwerts durch den durch den Zusatzpfad fließenden Strom aktivierbar ist. Damit wird die Versorgung nur im Bedarfsfall aktiviert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung weist der Zusatzpfad zumindest einen Widerstand auf, insbesondere zur Strombegrenzung und/oder als Messwiderstand für die Erfassung des Stroms. Der Zusatzpfad kann gezielt zum Vorladen eines Teilbordnetzes dienen, wenn beispielsweise eine Batterie an das sicherheitsrelevante Teilbordnetz angeschlossen wird. Ein eventueller kapazitiver Anteil des Teilbordnetzes sorgt für einen hohen Ladestrom über den Zusatzpfad, welcher dank der Überwachung ebenfalls vor Überlast geschützt ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Auswertung als Hardware-Schaltung, insbesondere ohne Controller, ausgebildet. Damit lassen sich zuverlässig schnelle Schaltzeiten, die softwareseitig nur schwierig zu realisieren wären, erreichen bei geringem Ruhestromverbrauch.
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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 beispielhaft ein Ausführungsbeispiel des Leistungsverteilers, der zwei Teilbordnetze miteinander verbindet,
- 2 zeigt ein Blockdiagramm der einzelnen Komponenten einer Überstrom-Überwachungsschaltung,
- 3 eine Abschalt-Charakteristik eines dynamischen Überstrom-Komparators,
- 4 eine Schaltungsanordnung zur Strommessung,
- 5 eine Schaltungsanordnung eines Aufweck-Komparators,
- 6 eine Schaltungsanordnung eines statischen Überstrom-Komparators,
- 7 eine Schaltungsanordnung eines dynamischen Überstrom-Komparators,
- 8 eine Schaltungsanordnung eines Zeitgliedes,
- 9 eine Schaltungsanordnung einer Unterdrückungsschaltung des Ausgangssignals des statischen Überstrom-Komparators sowie
- 10 eine Schaltungsanordnung einer Spannungsversorgung.
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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 13, 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 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. Das Bordnetz 13 besteht aus einem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11 und einem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 kann von dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 durch den Leistungsverteiler 18 getrennt werden, insbesondere im Fehlerfall bzw. kritischen Zustand des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 ist beispielsweise ein nach ASIL qualifiziertes (beispielsweise nach DIN ISO26262) Teilbordnetz 11, welches zumindest einen der sicherheitsrelevanten Verbraucher 15,16 umfasst und gegebenenfalls mit einem eigenen Energiespeicher 12 zur Spannungsstützung ausgestattet sein kann. Das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz 10 umfasst zumindest einen nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17, beispielsweise kann es sich um sog. QM-Verbraucher handeln. Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch zumindest ein weiterer sicherheitsrelevanter Verbraucher im nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10, beispielsweise bei einer redundanten Ausführung der sicherheitsrelevanten Verbraucher, angeordnet sein kann. Bei dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 handelt es sich um ein nicht ASIL qualifiziertes Bordnetz.
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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 bzw. Teilbordnetz 11 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 Auswertemittel 21 wie beispielsweise einen Mikrocontroller, erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Das Auswertemittel 21 dient zur Ermittlung kritischer Zustände insbesondere des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 11 wie beispielsweise Erkennung eines Überstroms und/oder einer Unter-oder Überspannung am Teilbordnetz 11 für den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16, 25. Hierzu werden entsprechende Kenngrößen erfasst und mit geeigneten Schwellwerten verglichen. Als Auswertemittel 21 kommt beispielsweise ein Mikrocontroller zum Einsatz. Der Mikrocontroller bzw. das Auswertemittel 21 ist darüber hinaus in der Lage, entsprechende Schalter 15 bzw. das Schaltmittel 34 eines hochstromfähigen Trennschalters 34 im Hauptpfad 30 bzw. ein Schaltmittel 54 in einem Zusatzpfad 50 anzusteuern. Zu dem Hauptpfad 30 ist der Zusatzpfad 50 parallel verschaltetet. Der Zusatzpfad 50 umfasst das Schaltmittel 54 und ein hierzu in Reihe angeordneten Widerstand 58, insbesondere Strombegrenzungswiderstand 58. im Normalbetrieb sind beide Pfade 30, 50 parallel aktiv, also deren Schaltmittel 34, 54 sind geschlossen. Darüber hinaus dient der Zusatzpfad 50 zum Vorladen des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10, wenn beispielsweise erstmalig ein Energiespeicher an das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 angeschlossen wird. Der kapazitive Anteil des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10 sorgt für einen hohen Ladestrom über den Zusatzpfad 50, der in diesem Szenario ebenfalls vor Überlast geschützt sein muss.
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Über das Schaltmittel 34 kann eine entsprechende Trenn- bzw. Koppelfunktion insbesondere der beiden Bordnetz-Zweige (Teilbordnetz 10 für nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17 an Anschluss KL 30_0; weiteres Teilbordnetz 11 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 10, 11 durch den Leistungsverteiler 18 voneinander getrennt werden durch Öffnen der Schaltmittel 34, 54.
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Das Bordnetz 13 weist ein gegenüber einem optional vorgesehenen Hochvolt-Bordnetz 20 niedrigeres Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Bordnetz 13 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 13. 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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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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Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34, 54 jeweils duch zumindest zwei antiseriell (in Reihe zueinander und zwar gegengerichtet, bspw. „back-to-back“ oder mit gemeinsamen Source-Anschluss) verschaltete Schaltelemente 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.
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Der Zusatzpfad 50 wird auch als Cold-boot-Pfad bzw. Kalt-Start-Pfad bezeichnet. Der Zusatzpfad ist im gesamten Lebenszyklus eines Steuergeräts, in dem der Leistungsverteiler 18 implementiert ist, aktiv. Im Schlafmodus und/oder in der Aufwachphase verbindet der Zusatzpfad 50 allein das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz 10 mit dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11. Der Hauptpfad 30 ist also im Schlafmodus und/oder in der Aufwachphase geöffnet. Zu diesen Zeitpunkten gibt es keine Mikrocontroller-unterstützte Überwachung des Stroms I. Das Auswertemittel 21 bzw. zugehörige Mikrocontroller ist in dem Schlafmodus nicht aktiv. In der Aufwachphase fährt der Mikrocontroller hoch. Damit wird auch der Energieeintrag in den Zusatzpfad 50 nicht durch das Auswertemittel 21 überwacht. Für eine Überwachung des Zusatzpfads 50 in der Schlaf-und/oder Aufwachphase ist eine Überwachung 34 bzw. eine Überstrom-Überwachungsschaltung gemäß 2 vorgesehen. Die Überwachung 34 wird bevorzugt rein in Hardware implementiert. Die Überwachung 34 dient als ruhestromloser Überlastschutz für den Zusatzpfad 50 bzw. Cold-boot-Pfad. Die stromdurchflossenen Bauteile des Zusatzpfads 50 werden somit beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses vor Zerstörung geschützt. Niedrige Ruhestromwerte sind wichtige Anforderungen an ein dauerhaft versorgtes Steuergerät wie beispielsweise die Leistungsverteilung 18. In einem normalen Schlafmodus-Szenario mit unkritischen Lastströmen gibt es keine Stromaufnahme der Überwachungsschaltung 34. Erst ab einem einstellbaren (Strom-) Schwellwert I1 wird die Messschaltung bzw. eine Strommessung 56 aktiv und öffnet gegebenenfalls den Zusatzpfad 50 bzw. das in dem Zusatzpfad 50 angeordnete Schaltmittel 54. Es ist eine strom-/zeitabhängige Abschalt-Charakteristik implementiert, welche sich an die Leistungsfähigkeit des Schaltmittels 54 (beispielsweise Mosfets) und der Strommessung 56 (Shuntwiderstände) im Zusatzpfad 50 anpassen lässt. Weiterhin kann die Überwachung 34 als Rückfalllösung bei einem Ausfall des Auswertemittels 21 bzw. des Hauptcontrollers verwendet werden, umso gewisse ASIL-Stufen zu erreichen.
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Hierbei wird die Überwachung 34 des Zusatzpfads 50 in zumindest zwei zeitliche Bereiche (t<t1; t>t1) aufgeteilt. Die beiden zeitlichen Bereiche werden über ein einfaches Zeitglied 44 verknüpft.
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In einem ersten Zeitbereich, beispielsweise t1 < 700 ms, lässt die Überwachungsschaltung 34 kurze pulsförmige Stromprofile zu, welche sich innerhalb der Leistungsfähigkeit des Zusatzpfads 50 bewegen. Dafür ist die in 3 gezeigte I-t-Funktion hinterlegt und in Hardware implementiert. Es sind somit Ströme über den Zusatzpfad 50 möglich, welche die statische Leistungsfähigkeit der in dem Zusatzpfad 50 verwendeten Bauteile kurzzeitig übersteigen, jedoch nicht die dynamische Leistungsfähigkeit. Das in der Überwachungsschaltung 34 verwendete Filter 74 erzeugt eine I-t-Funktion, welche sehr gut zu der I-t-Leistungsgrenze der Bauteile im Zusatzpfad 50 passt.
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In einem zweiten Zeitbereich, beispielsweise t1 > 700 ms bewegt man sich eher im thermisch statischen Bereich der Bauelemente des Zusatzpfads 50. Somit werden nur Ströme zugelassen, welche die statische Leistungsfähigkeit nicht überschreiten.
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Die Überwachung 34 benötigt keinen Ruhestrombedarf im normalen Überwachungsbetrieb, also wenn die Ströme in den Zusatzpfad 50 im unkritischen Bereich liegen. Erst ab einer konfigurierbaren Stromschwelle I1 wird die Überwachung 34 (zum Zeitpunkt t0) aktiviert und benötigt einen geringen Versorgungsstrom. Damit können bestimmte Ruhestromanforderungen erfüllt werden.
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Im Falle eines Fehlers oder Defekts des Auswertemittels 21 bzw. Hauptcontrollers kann die Überwachungsschaltung 34 als Rückfalllösung eingesetzt werden und funktioniert völlig autark. Alle Schaltungsblöcke wie Komparatoren 36, 38, 40, Zeitglieder 44, Spannungsversorgung 42 können mit diskreten Bauteilen aufgebaut werden und sind damit kostengünstig insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich einsetzbar.
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2 zeigt die einzelnen Komponenten der Überwachung 34, insbesondere der Hardware-Überstrom-Überwachungsschaltung. Wie beschrieben umfasst der Zusatzpfad 50, der ebenfalls das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz 10 mit dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11 verbindet, den Widerstand 58, insbesondere Strombegrenzungswiderstand, sowie das Schaltmittel 54. Es ist eine Strommessung 56 vorgesehen, welche unter Verwendung des Widerstands 58 den durch den Zusatzpfad 50 fließenden Strom I erfasst. Die entsprechende Strommessung 56 ist Bestandteil der Überwachungsschaltung 34. Der erfasste Strom I bzw. ein Maß für den erfassten Strom I dient als Eingangsgröße für einen Aufweck-Komparator 36, für einen dynamischen Überstrom-Komparator 38 sowie für einen statischen Überstrom-Komparator 40.
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Erreicht der erfasste Strom I eine Aufweck-Schwelle bzw. Schwellwert I1 des Aufweck-Komparators 36, sendet dieser ein Aktivierungssignal 37 zum Zeitpunkt t0 bzw. t = 0 an das Zeitglied 44, an den dynamischen Überstrom-Komparator 38 und an eine Spannungsversorgung 42. Der statische Überstrom-Komparator 40 ist immer aktiv, jedoch wird sein Ausgangssignal (Abschaltsignal) erst ab t > t1 durch das Zeitglied 44 weitergeleitet. Damit wird das Zeitglied 44 bei t0 bzw. t = 0 gestartet. Auch der Schaltungsblock des dynamischen Überstrom-Komparators 38 startet seinen Messverstärker. Bei einem Strom I unterhalb der Aufweck-Schwelle bzw. Schwellwert I1 (I < I1) benötigt die komplette Überwachungsschaltung 34 keinen Ruhestrom, da die eben erwähnten Komponenten nicht aktiv sind.
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Das Zeitglied 44 arbeitet wie folgt. In einem ersten Zeitintervall von t = 0 bis t = t1 hat der dynamische Überstrom-Komparator 38 (abhängig vom gemessenen Strom I) die Möglichkeit, den Strompfad bzw. das Schaltmittel 54 des Zusatzpfads 50 zu öffnen. Für Zeiten von t > t1 wird der statische Überstrom-Komparator 40 mit einem festen Schwellwert I2 hinzugeschaltet. Der statische Überstrom-Komparator 40 besitzt eine geringere Überstromgrenze I2, sodass der statische Komparator 40 für t > t1 in der Regel früher auslöst. Der dynamische Komparator 38 bleibt jedoch weiterhin aktiv.
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Der dynamische Überstrom-Komparator 38 erzeugt den Grenzwert Id für pulsförmige Lasten (beispielsweise in der Größenordnung t < 700 ms). Diese pulsförmigen Ströme, welche die Bauteile des Zusatzpfads 50 tragen können, wie auch die pulsförmigen Lasten, die damit versorgt werden können, werden entsprechend definiert. Der dynamische Überstrom-Komparator 38 erzeugt in Abhängigkeit des Stromwerts I und der Zeit(dauer) t des anliegenden Stromes I ein Abschaltsignal 46. Die zugehörige I-t-Funktion für das Abschaltsignal 46 ist in 3 zu sehen. Auf der Ordinate ist die Zeit t, insbesondere die Abschaltzeit in ms aufgetragen, auf der Abszisse der zugehörige Strompuls I in A (mit der Dauer t). Der Bereich links unterhalb der Linie führt nicht zu einer Abschaltung. Diese Lastströme bzw. Strompulse I einer gewissen Dauer t sind also für die Bauteile des Zusatzpfads 50 tragbar. Ein Lastprofil, welches sich im Bereich rechts oberhalb der Linie gemäß 3 befindet, führt zur Trennung des Stromflusses, es wird also ein Abschaltsignal 46 generiert, welches zum Öffnen des Schaltmittels 54 führt. Die Lage und Form der Abschaltung der Kennlinie gemäß 3 lässt sich über Parameter anpassen. Grundsätzlich bleibt jedoch die Form der I-t-Funktion in Form einer abklingenden Exponenzialfunktion, die sich asymptotisch einem Wert annähert, erhalten. Generell gilt, je kürzer ein Strom fließt, desto höher ist die zugelassene Stromstärke I.
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Der statische Überstrom-Komparator 40 definiert einen statischen maximalen Strom I2, welchen die Bauteile des Zusatzpfads 50 tragen können, wie auch die statische Last, die damit versorgt werden kann. Der statische Komparator 40 hat somit ebenso wie der Aufweck-Komparator 36 einen fixen Schwellwert I2, welcher beim Erreichen durch das Messsignal zu dem Abschaltsignal 46 führt. Der Schwellwert I2 des statischen Komparators 40 ist größer als der Schwellwert I1 des Aufweck-Komparators 36.
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Welches Signal der beiden Komparatoren 38, 40 letztendlich zum Abschalten des Zusatzpfads 50 führt, hängt von der Routing-Position durch das Zeitglied 44, wie über das umzulegende Schaltmittel im Zeitglied 44 symbolisiert, ab.
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Die Spannungsversorgung 42 ist für einen Strom kleiner als der Schwellwert I < I1 deaktiviert, um keinen Ruhestrom zu erzeugen. Für I > I1 wird die Spannungsversorgung 42 durch den Aufweck-Komparator 36 aktiviert, sodass das Zeitglied 44 wie auch der dynamische Überstrom-Komparator 38 mit einer definierten Versorgungsspannung und einem Spannungsschwellwert versorgt werden.
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Die Schaltung für die Strommessung 56 ist in 4 näher gezeigt. Zur Ermittlung des Stromes I über den Zusatzpfad 50 wird der Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand 58 ermittelt. Der Strombegrenzungswiderstand 58, also der Mess-Shunt, besteht aus einer Widerstandskette 60. Die Widerstandskette 60 umfasst zahlreiche (im Ausführungsbeispiel beispielsweise 9) in Reihe verschaltete Widerstände. An den verschiedenen Widerständen der Widerstandskette 60 sind beispielhaft vier Spannungsabgriffe 62, 63, 64, 65 vorgesehen. Über die beiden äußeren Spannungsabgriffe 62, 65 kann somit der komplette Spannungsabfall am Widerstand 58 ermittelt werden. Über diese beiden äußeren Spannungsabgriffe 62, 65 sind der Aufweck-Komparator 36 sowie der statische Überstrom-Komparator 40 verbunden, um über die komplette Widerstandskette 60 die Spannung zu messen. Der dynamische Überstrom-Komparator 38 jedoch hat für beide Stromrichtungen jeweils den Messanschluss für das höhere Potenzial am Rand der Widerstandskette 60 und den Messanschluss für das niedrigere Potenzial im mittleren Bereich der Widerstandskette 60, nämlich die Spannungsabgriffe 63, 64. Die beiden mittleren Spannungsabgriffe 63, 64 sind an dem mittleren Messwiderstand (im Ausführungsbeispiel der fünfte) vorgesehen. Dadurch wird die Funktionalität der nachfolgenden Mess- und Filterschaltung auch bei einem Kurzschluss (also 0 V) an einem der beiden Teilbordnetze 10, 11 gewährleistet. Dem Messanschluss am niedrigeren Potenzial bleibt somit die nötige Restspannung. Die Überwachung 34 ist bidirektionale implementiert, sodass beide Stromrichtungen durch den Zusatzpfad 50 überwacht werden.
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In 5 ist der Schaltungsaufbau des Aufweck-Komparators 36 gezeigt. Diese Schaltung ist als bidirektionaler Spannungskomparator realisiert. Beide Stromrichtungen durch den Zusatzpfad 50 sind somit erkennbar. Der Spannungsabfall über den Strombegrenzungswiderstand 58 wird an eine Basis-Emitter-Strecke 66 zumindest eines Transistors angelegt in Form der Spannungsabgriffe 62, 65. Wird der Schwellwert der Basis-Emitter-Strecke erreicht und diese wird leitend, dann erzeugt die Schaltung ein Aktivierungssignal 37 wie bereits in Verbindung mit 2 beschrieben. Bei der beispielhaft in 4 gezeigten Schaltung als eine mögliche Realisierung des Aufweck-Komparators 36 wird der eine Spannungsabgriff 62 über einen Widerstand mit einem Emitter eines ersten Transistors und einer Basis eines weiteren Transistors elektrisch leitend verbunden. Der weitere Spannungsabgriff 65 wird über einen Widerstand mit einem Emitter des weiteren Transistors und einer Basis des ersten Transistors elektrisch leitend verbunden. Die Kollektor-Anschlüsse der beiden Transistoren werden elektrisch leitend miteinander kontaktiert und über einen Widerstand geführt wird das Aktivierungssignal 37 erzeugt.
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In 6 ist der Schaltungsaufbau des statischen Überstrom-Komparators 40 gezeigt. Der statische Überstrom-Komparator 40 gleicht prinzipiell dem bidirektionalen Aufweck-Komparator 36. Da die statische Abschaltschwelle I2 höher liegt als die Aufweck-Schwelle 11, wird der Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand 58 mit einem Spannungsteiler (gemäß der gewünschten Schwelle I2) geteilt und dann an eine Basis-Emitter-Strecke zumindest eines weiteren Transistors gelegt. Bei Überschreiten der Schwelle I2 generiert der statische Überstrom-Komparator 40 das Abschaltsignal 46 bzw. Fehlersignal für den Zusatzpfad 50. Bei der beispielhaft in 5 gezeigten Schaltung als eine mögliche Realisierung des Überstrom-Komparators 40 wird der eine Spannungsabgriff 62 über einen Widerstand mit einem Emitter eines ersten Transistors und einer Basis eines weiteren Transistors elektrisch leitend verbunden. Der weitere Spannungsabgriff 65 wird über einen Widerstand mit einem Emitter des weiteren Transistors und einer Basis des ersten Transistors elektrisch leitend verbunden. Die Kollektor-Anschlüsse der beiden Transistoren werden elektrisch leitend miteinander kontaktiert und über einen Widerstand geführt wird das Fehlersignal 68 des Zusatzpfads 50 erzeugt.
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In 7 ist der Schaltungsaufbau des dynamischen Überstrom-Komparators 38 gezeigt. Er umfasst mehrere Teilfunktionen, nämlich einen Differenzverstärker 70, einen Schwellwert-Komparator 72 sowie ein Filter 74 für die in 3 gezeigte I-t-Charakteristik. Der insbesondere bidirektionale Differenzverstärker 70, welcher seinen Eingangswert aus dem Spannungsabfall über Teile des Strombegrenzungswiderstands 58 gewinnt, erzeugt einen zum Eingangswert proportionalen Ausgangsstrom. Dieser Ausgangsstrom lädt die Kondensatoren 75 des Filters 74, so dass sich eine Ladespannung ergibt, welche im Komparator 72 mit einem Schwellwert verglichen wird. Die beiden RC-Glieder erster Ordnung des Filters 74 erzeugen in Zusammenarbeit mit dem Schwellwert-Komparator 72 die gewünschte I-t-Funktion. Die beiden RC-Glieder 78 des Filters 74 sind so ausgelegt, dass einerseits sehr hohe Ströme über den Zusatzpfad 50 sehr schnell abgeschaltet werden und mittlere Ströme (im Bereich von beispielsweise zweimal der Abschaltschwelle I2 des statischen Überstrom-Komparators 40) vergleichsweise lange fließen können, vergleiche insbesondere 3. Diese Charakteristik passt gut zur maximalen Leistungsfähigkeit von Mosfets (Schaltmittel 54) und Shunt-Widerständen (Strombegrenzungswiderstand 58), welches die zu schützenden Komponenten im Zusatzpfad 50 sind. Das Ausgangssignal des Schwellwert-Komparators 72 bildet das Fehlersignal 68 für den Zusatzpfad 50. Das Fehlersignal 68 bzw. Abschaltsignal wird generiert, wenn der Schwellwert des dynamischen Überstrom-Komparators 38 erreicht ist.
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In 8 ist der Schaltungsaufbau des Zeitglieds 44 gezeigt. Das Zeitglied 44 beinhaltet einen definierbaren Timer 79. Wenn durch den Aufweck-Komparator 36 eine Aktivierung über das Aktivierungssignal 37 erfolgt, dann startet der Ladevorgang eines Kondensators 80. Über das Aktivierungssignal 37 wird die Spannungsversorgung 92 gestartet. Dies führt dann dazu, dass das RC-Glied 80 im Zeitglied 44 geladen wird. Wenn die Ladespannung des RC-Glieds 80 einen Schwellwert erreicht, erfolgt die Aktivierung des statischen Überstrom-Komparators 40. Erreicht die Ladespannung des Kondensators 80 eine Schwellenspannung, wird eine Signaländerung am Ausgang des Zeitglieds bzw. Timers 79 erzeugt. Dadurch wird das Ausgangssignal des statischen Überstrom-Komparators 40 nicht mehr unterdrückt (entsprechendes Unterdrückungssignal 84) und durchgeschleust. Dieser Schaltungsblock ist besonders von Bedeutung für die Aufwachphase aus dem Schlafmodus sowie auch im Falle eines Fehlers des Auswertemittels 21 bzw. Controllers (Fehlersignal 82 des Steuergeräts bzw. Leistungsverteilers 18) des Steuergeräts bzw. Leistungsverteilers 18. Es gibt daher die Möglichkeit, dieses Zeitglied 44 zu unterbrechen. Dies geschieht, wenn das Auswertemittel 21 bzw. der Controller voll funktionsfähig hochgefahren und nicht im Fehlerzustand ist. Dann übernimmt das Auswertemittel 21 bzw. der Controller den Schutz des kompletten Leistungsverteilers 18, also auch den des Zusatzpfads 50. Falls die Aufwachphase nicht erfolgreich (oder das Auswertemittel 21 bzw. der Controller einen Fehler aufweist, Fehlersignal 82) und zusätzlich eine Last (I > 11, was eine potentielle Überstromgefahr darstellt) über den Zusatzpfad 50 fließt, ist der beschriebene Überstromschutz aktiv.
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In 9 ist die Schaltungsanordnung für eine Unterdrückungsschaltung 76 des Ausgangssignals des statischen Überstrom-Komparators 40 gezeigt. Als Eingangsgrößen werden das Fehlersignal 68 des Zusatzpfads 50 sowie das Unterdrückungssignal 84 wie vom Zeitglied 44 erzeugt zugeführt. Wenn ein entsprechendes Unterdrückungssignal 84 vorliegt, wird das Fehlersignal 68 wie vom statischen Überstrom-Komparator 40 nicht mehr weitergeleitet wie in 2 über das Schaltmittel im Zeitglied 44 angedeutet.
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In 10 ist die Schaltungsanordnung für die Spannungsversorgung 42 gezeigt. Für die Funktion des dynamischen Überstrom-Komparators 38 wie auch für das Zeitglied 44 ist eine Versorgungsspannung 92 und ein definierter Spannungsschwellwert 86 nötig. Um jedoch keinen Ruhestrom zu verursachen, werden diese Spannungen erst ab der Stromschwelle I1 durch den Aufweck-Komparator 36 über das Aktivierungssignal 37aktiviert. Mittels einer Zenerdiode 88 und einem Spannungsteiler 90 werden die beiden Spannungswerte erzeugt. Ist diese Spannungsversorgung 42 aktiviert, wird damit das Zeitglied 44 wie auch der dynamische Überstrom-Komparator durch das Aktivierungssignal 37 aktiviert.
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Der Leistungsverteiler 18 mit zugehöriger Überwachungsschaltung 34 ist beispielsweise in einem 12 V-Bordnetz 13 in einem Kraftfahrzeug direkt an der Schnittstelle zwischen dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 und dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11, insbesondere ASIL-qualifizierten Teilbordnetz 11 angeordnet. Es umfasst zumindest das Trenn-und Verbindungsmodul, welches aus dem Hauptpfad 30 und dem parallelverschalteten Zusatzpfad 50 besteht. Die Überwachung 34 ist bidirektional implementiert, so dass beide Stromrichtungen durch den Zusatzpfad 50 überwacht 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 102018212507 A1 [0002]
