DE102021212336A1

DE102021212336A1 - Vorrichtung zur sicheren Energieversorgung eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021212336A1
Application number: DE102021212336.8A
Authority: DE
Inventors: Dongdao Zhang; Indra Kurniawan; Eberhard Schoch; Richard Schoettle; Jian Tian; Thomas Lang; Tobias Christian Traub; Felix Hoos; Marco Beckmann; Manuel Eder; Nikolai Jakuba; Zhiyi Xu; Ali Gueney; Emre Simsek; Alexander Fuchs; Fan Liao
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Energieversorgung eines Verbrauchers (30, 34, 36) eines Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest einen Trennschalter (26), der zwischen einem Teilbordnetz für zumindest einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (30, 34, 36) und einem weiteren Teilbordnetz für zumindest einen nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher (19, 21) angeordnet ist, umfassend zumindest eine Steuereinrichtung (22), um einen für das Teilbordnetz kritischen Zustand, insbesondere einen Überstrom und/oder einer Unter- oder Überspannung am Teilbordnetz für den sicherheitsrelevanten Verbraucher (16, 25) zu erkennen und den Trennschalter (26) bei Erkennung des kritischen Zustands (16,25) zu öffnen, wobei eine Schalteinheit (16) vorgesehen ist, die zumindest ein Schaltmittel (18,20) zur Ansteuerung des nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchers (19,21) umfasst, wobei eine weitere Schalteinheit (24) vorgesehen ist, die den Trennschalter (26) und zumindest ein weiteres Schaltmittel (28,32) zur Ansteuerung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers (30,34, 36) umfasst, wobei ein Energiewandler (14) vorgesehen ist, der eine Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) wandelt, wobei die Ausgangsspannung (Ua) dem Trennschalter (26) und der Schalteinheit (16,24) zugeführt ist, wobei der Energiewandler (14) eingerichtet ist, eine Schutzfunktion für die Schalteinheit (16, 24) bereitzustellen und/oder dass die Schalteinheit (16,24) eingerichtet ist, eine Schutzfunktion für den Energiewandler (14) bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Die DE 102018204622 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Kraftfahrzeugs mit automatisierter Fahrfunktion, mit zumindest einer Betriebsweise zur Überführung des Kraftfahrzeugs in einen sicheren Zustand, wobei zumindest ein Energiespeicher zumindest einen für die Betriebsweise benötigten Verbraucher über einen sicherheitsrelevanten Kanal versorgt, wobei der Betriebsweise zumindest ein Lastverlauf des Verbrauchers zugeordnet ist, der in dieser Betriebsweise üblicherweise auftritt, wobei in Abhängigkeit von dem Lastverlauf des Verbrauchers zumindest eine Kenngröße des Verbrauchers prädiziert wird und in Abhängigkeit von der prädizierten Kenngröße des Verbrauchers die zugehörige Betriebsweise freigegeben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Vorrichtung anzugeben, die sich gleichwohl durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Offenbarung der Erfindung
Dadurch, dass zumindest ein für den Energiewandler genutztes Schaltmittel zur Ansteuerung eines nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchers vorgesehen ist, kann die Anzahl der notwendigen Komponenten reduziert werden. Weiterhin kann auf einen ansonsten für einen Kaltstart notwendigen Bypasspfad verzichtet werden. Auch Strombegrenzungswiderstand oder Ähnliches können entfallen, da die Begrenzungsfunktionalität durch den Energiewandler übernommen wird. Zudem kann der Trennschalter einen ansonsten am Ausgang des Wandlers vorzusehenden Schalter ersetzen, so dass sich die Vorrichtung weiter vereinfacht. Weiterhin können die Bauelemente des Wandlers und des Trennschalters durch einen gemeinsamen Kühlkörper erforderlichenfalls gekühlt werden. Außerdem können die Komponenten beider Funktionalitäten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Dadurch lässt sich das Layout insbesondere zwischen Energiewandler und Schalter aufgrund der kurzen Distanzen optimieren. So lassen sich auch durch das Ausschalten induzierte Überspannungen reduzieren.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Figurenliste
Es zeigt

die Figur die Komponenten der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Gemäß der Figur umfasst eine Vorrichtung, nämlich ein Gleichspannungswandler 10, eine Steuereinrichtung 12 wie beispielsweise einen Controller. Die Steuereinrichtung 12 tauscht Signale mit einem Energiewandler 14 bzw. Übertragungsblock aus. Der Energiewandler 14 wandelt eine Eingangsspannung Ue eine Ausgangsspannung Ua. Die Steuereinrichtung 12 tauscht Signale mit einer Schalteinheit 16 aus. Die Schalteinheit 16 umfasst mehrere Schaltmittel 18,20, beispielhaft ein erstes Schaltmittel 18 zur Ansteuerung eines ersten nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchers 19 sowie ein weiteres Schaltmittel 20 zur Ansteuerung eines weiteren nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchers 21. Die Schalteinheit 16 dient im Wesentlichen der Ansteuerung von Verbrauchern 19,21, die als Grundlasten unter gewisser Bedingungen vom Ausgang des Energiewandlers 14 getrennt werden können und die sich durch keine beziehungsweise geringe Sicherheitsrelevanz auszeichnen.
Eine weitere Steuereinrichtung 22, insbesondere ein Controller, tauscht Signale aus mit einer weiteren Schalteinheit 24. Die weitere Schalteinheit 24 umfasst mehrere Schaltmittel 28,32, beispielhaft ein erstes Schaltmittel 28 zur Ansteuerung eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers 30 und ein weiteres Schaltmittel 32 zur Ansteuerung eines weiteren sicherheitsrelevanten Verbrauchers 34. Die Schaltmittel 28,32 mit jeweils hierzu seriell verschaltetem sicherheitsrelevanten Verbraucher 30,34 sind jeweils parallel zueinander gegen Masse verschaltet. Ein weiterer Verbraucher 36 sowie ein Energiespeicher 38 sind ebenfalls hierzu parallel gegen Masse verschaltet. Das von dem Energiewandler 14 bereitgestellte Versorgungspotenzial bzw. die Ausgangsspannung Ua gelangt über einen Trennschalter 26, beispielhaft ausgeführt durch zwei seriell verschaltete Schaltelemente, insbesondere zwei Back-to-Back Schaltelemente wie MOSFETs, an das gemeinsame Potenzial der Schaltmittel 28,32 sowie des Verbrauchers 36 und des Energiespeichers 38. Im Fehlerfall trennt der Trennschalter 26 die weitere Schalteinheit 24 von dem Energiewandler 14, so dass die weitere Schalteinheit 24 nur noch durch den Energiespeicher 38 versorgt wird. Damit können die sicherheitsrelevanten Verbraucher 30,34 bzw. der weitere Verbraucher 36 zuverlässig mit Energie versorgt werden, auch wenn in dem anderen Bordnetzzweig (gemäß der Figur links von dem Eingang der weiteren Schalteinheit 24) ein Fehler (beispielsweise unzulässige Spannungsänderungen etc. oder Überströme) auftritt und der Dank des dann zu öffnenden Trennschalters 26 nicht auf den sicherheitsrelevanten Bordnetzzweig mit den sicherheitsrelevanten Verbrauchern 30,34,36 übergreift. Tritt bei den sicherheitsrelevanten Verbraucher 30,34 ein Fehler auf, so wird der sicherheitsrelevante Verbraucher 30,34 von dem zugehörigen Schaltmittel 28,32 von der Energieversorgung bzw. dem Energiespeicher 38 getrennt.
Es sind zwei Steuereinrichtungen 12,22 bzw. Controller vorgesehen. Die Steuereinrichtung 12 wird für den Energiewandler 14 und die erste Schalteinheit 16 verwendet. Über die Steuereinrichtung 12 könnte beispielsweise ein Einschaltstrom reduziert werden, der beispielsweise bei Spannungsdifferenzen zwischen dem Energiespeicher 38 und dem Ausgang des Energiewandlers 14 auftreten könnte. Damit ist der Energiewandler 14 dazu eingerichtet, eine Schutzfunktion für die weitere Schalteinheit 24 mit den daran angeschlossenen sicherheitsrelevanten Verbrauchern zu übernehmen. Der geeignete Einschaltstrom bzw. eine Begrenzung des Einschaltstroms kann aufgrund einer hohen Abtastzeit und der Stromregelung über den Energiewandler 14 einfach realisiert werden. So wird beispielsweise die Ausgangsspannung Ua des Gleichspannungswandlers bzw. Energiewandlers 14 reduziert über eine Stromregelung, wenn der Maximalstrom durch den Trennschalter 26 erreicht wird. Damit sind beispielsweise keine zusätzlichen Schalter in Serie mit einigen Leistungswiderständen parallel zu dem Trennschalter 26 zur Begrenzung des Einschaltstroms vorzusehen. Die funktionale und gegebenenfalls auch räumliche Integration der beiden Komponenten Energiewandler 14 und Schalteinheit 16,24 trägt darüber hinaus auch dazu bei, Gehäuse und Kühlkörper der Vorrichtung weiter zu reduzieren. Durch die Integration von Energiewandler 14 und Trennschalter 26 in einer Vorrichtung kann ein optimiertes Layout beispielsweise aufgrund kurzer Leitungsdistanzen zwischen den Komponenten mit dadurch reduzierten Überspannungen bei Schaltvorgängen erreicht werden.
Die weitere Steuereinrichtung 22 dient der Ansteuerung der weiteren Schalteinheit 24, um die Sicherheit des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes zu gewährleisten bzw. zu verbessern. Insbesondere könnte die weitere Steuereinrichtung 22 zur Fehlerauswertung und Ansteuerung der Schaltmittel 28,32 bzw. des Trennschalters 26 wie oben bereits beschrieben herangezogen werden. Der Energiewandler 14 bzw. der Übertragungsblock können einige typische nicht isolierte Schalt-DC-DC-Konverter-Topologien sein wie beispielsweise Buck-Konverter, Buck-Boost etc. oder andere DCDC-Konverter mit Transformator wie Flyback, Vollbrück-Phasenschieber usw. Ebenso könnte die weitere Schalteinheit 24, insbesondere der Trennschalter 26, für die funktionale Sicherheit des Energiewandlers 14 eingesetzt werden. So könnte beispielsweise bei einem Kurzschlussfehler des Energiewandlers 14 der Trennschalter 26 geöffnet werden zum Ausschalten des Energiewandlers 14 zu dessen Schutz. Wenn der Spannungsabfall am sicherheitsrelevanten Verbraucher 30,34 unter einem bestimmten Grenzwert liegt und ein zu hoher Strom vom Energiespeicher 38 zum Trennschalter 26 fließt, wird der Trennschalter 26 geöffnet. Damit liegt der Kurzschluss am Ausgang des Energiewandlers 14 an. Einige Grundlasten bzw. nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 19, 21 sind mit der Schalteinheit 16 verbunden. Die Schaltmittel 18, 20 der Schalteinheit 16 haben die Funktion einer elektronischen Sicherung. Falls der Strom an irgend einem Verbraucher 19, 21 über einen bestimmten Grenzwert steigt und/oder für eine bestimmte Zeitspanne über den bestimmten Grenzwert steigt, wird das zugehörige Schaltmittel 18, 20, das mit diesem Verbraucher 19, 21 verbunden ist, geöffnet.
Bei den sicherheitsrelevanten Verbrauchern 30,34 handelt es sich um Spezialverbraucher mit hohen Anforderungen bzw. einem hohen Schutzbedarf, allgemein als sicherheitsrelevante Verbraucher 30,34 bezeichnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine elektris.che 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 30, 34 erfasst und bei Abweichung von tolerablen Werten das jeweilige Schaltmittel 28, 32 geöffnet zum Schutze des jeweiligen Verbrauchers 28,32. Das Bordnetz besteht aus einem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz und einem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz kann von dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz durch den Trennschalter 26 getrennt werden, insbesondere im Fehlerfall bzw. kritischen Zustand des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz ist beispielsweise ein nach ASIL qualifiziertes (beispielsweise nach DIN ISO26262) Teilbordnetz, welches zumindest einen der sicherheitsrelevanten Verbraucher 30,34 umfasst und ggf. mit einem eigenen Energiespeicher 38 zur Spannungsstützung ausgestattet ist. Das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz umfasst zumindest einen nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 19,21, 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, beispielsweise bei einer redundanten Ausführung der sicherheitsrelevanten Verbraucher, angeordnet sein kann. Bei dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz handelt es sich um ein nicht ASIL qualifiziertes Bordnetz.
Die beschriebene Vorrichtung findet bevorzugt Verwendung für sicherheitsrelevante Anwendungen im Kraftfahrzeug, ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
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

DE 102018204622 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur sicheren Energieversorgung eines Verbrauchers (30, 34, 36) eines Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest einen Trennschalter (26), der zwischen einem Teilbordnetz für zumindest einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (30, 34, 36) und einem weiteren Teilbordnetz für zumindest einen nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher (19, 21) angeordnet ist, umfassend zumindest eine Steuereinrichtung (22), um einen für das Teilbordnetz kritischen Zustand, insbesondere einen Überstrom und/oder einer Unter- oder Überspannung am Teilbordnetz für den sicherheitsrelevanten Verbraucher (16, 25) zu erkennen und den Trennschalter (26) bei Erkennung des kritischen Zustands (16,25) zu öffnen, wobei eine Schalteinheit (16) vorgesehen ist, die zumindest ein Schaltmittel (18,20) zur Ansteuerung des nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchers (19,21) umfasst, wobei eine weitere Schalteinheit (24) vorgesehen ist, die den Trennschalter (26) und zumindest ein weiteres Schaltmittel (28,32) zur Ansteuerung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers (30,34, 36) umfasst, wobei ein Energiewandler (14) vorgesehen ist, der eine Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) wandelt, wobei die Ausgangsspannung (Ua) dem Trennschalter (26) und der Schalteinheit (16,24) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (14) eingerichtet ist, eine Schutzfunktion für die Schalteinheit (16, 24) bereitzustellen und/oder dass die Schalteinheit (16,24) eingerichtet ist, eine Schutzfunktion für den Energiewandler (14) bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzfunktion einen Schutz vor Überstrom und/oder Überspannung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (14) zur Begrenzung eines Ausgangsstroms, insbesondere durch Vorsehen einer Stromregelung, eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (16,24) zur Realisierung der Schutzfunktion zumindest ein Schaltmittel (18,20; 26) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (26) dazu eingerichtet ist, im Falle eines Kurzschlussfehlers des Energiewandlers (14) angesteuert zu werden, insbesondere zu öffnen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuereinrichtung (12) zur Ansteuerung des Energiewandlers (14) und des Schaltmittels (18) vorgesehen ist und/oder dass zumindest eine weitere Steuereinrichtung (22) zur Ansteuerung des Trennschalters (26) und/oder des Schaltmittels (28,32) zur Ansteuerung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers (30,34) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (14) zumindest einen Kondensator und/oder zumindest ein Schaltmittel und/oder zumindest eine Spule umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (14) und/oder die Schalteinheit (16) und/oder die weitere Schalteinheit (24) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Komponente des Energiewandlers (14) und zumindest für eine Komponente der oder der weiteren Schalteinheit (24) Schalteinheit (16,24) ein gemeinsamer Kühlkörper vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (12) so ausgebildet ist, um den Energiewandler (14) im Sinne einer Strombegrenzung eines Ausgangsstroms des Energiewandlers (14) anzusteuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (18,20) als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET, ausgebildet ist und/oder wobei bei einem als MOSFET ausgebildeten Schaltmittel (18,20) ein Source-Anschluss mit dem Verbraucher (19,21) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schalteinheit (24) zumindest einen Anschluss für einen Energiespeicher (38) und/oder für den Energiewandler (14) umfasst.