DE102022106978B4 - Wandlervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs - Google Patents

Wandlervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Wandlervorrichtung (8) zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz (2) eines Fahrzeugs (1), umfassend- entweder zumindest einen ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und zumindest zwei zweite Anschlüsse (NV.1, NV.t), oder- zumindest zwei erste Anschlüsse (HV.1, HV.n) und zumindest einen zweiten Anschluss (NV.1, NV.t), wobei- der jeweilige erste Anschluss zum Anschließen einer jeweiligen Energieversorgungseinrichtung (5) des Fahrzeugs (1), die einer ersten Seite (3) des Bordnetzes (2) mit einem ersten Spannungsniveau zugeordnet ist, ausgebildet ist, und- der jeweilige zweite Anschluss zum Anschließen von einer jeweiligen für einen Fahrzeugbetrieb des Fahrzeugs (1) sicherheitsrelevanten Baugruppe (6a, 6b, 7a, 7b), die einer zweiten Seite (4) des Bordnetzes (2) mit einem von dem ersten Spannungsniveau verschiedenen zweiten Spannungsniveau zugeordnet ist, und- eine Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zum elektrischen Koppeln der jeweiligen ersten Anschlüsse (HV.1, HV.n) mit den jeweiligen zweiten Anschlüssen (NV.1, NV.t), welche ausgebildet ist, beim Betreiben mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung (L) in einem vorgegebenen Wandlerbetrieb elektrische Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen (HV.1 , HV.n, NV.1, NV.t) zu übertragen und dabei an das jeweilige Spannungsniveau anzupassen, wobei- alle zweiten Anschlüsse (NV.1, NV.t) über eine gemeinsame Potentialschiene (PS) mit der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) und den jeweiligen ersten Anschlüssen (HV.1, HV.n) gekoppelt sind, sodass zwischen jedem ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und jedem zweiten Anschluss (NV.1, NV.t) ein jeweiliger Übertragungspfad zum Übertragen der elektrischen Energie bereitgestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs.
  • Heutige Fahrzeuge werden zum Beispiel mit Lenk- und Bremssystemen ausgestattet, die einen Fahrer bei einem kritischen Fehler der Elektrik oder Elektronik dieser Systeme eine mechanische und/oder hydraulische Rückfallebene bieten. Eine solche Rückfallebene ist beispielsweise eine mechanische und/oder hydraulische Kopplung zwischen Lenkrad und Bremspedal mit dem entsprechenden Lenk- oder Bremsmotor. Bei einem Ausfall der Lenk- und/oder Bremselektronik, beispielweise einer Lenk- und/oder Bremsunterstützung ist die Lenk- und Bremsbarkeit des Fahrzeugs somit weiterhin gegeben. Die elektrische Energieversorgung dieser Fahrzeugsysteme erfolgt heutzutage zum Beispiel mittels einer 12-Volt-Batterie, beispielsweise kombiniert mit einem 12-Volt-Generator. Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wie zum Beispiel einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, kann die elektrische Energieversorgung zusätzlich oder alternativ mittels eines Mittelvolt- und/oder Hochvolt-Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandler) aus der Antriebsbatterie des Fahrzeugs erfolgen.
  • Getrieben durch Trends, wie zum Beispiel dem hochautomatisierten Fahren (HAF), kann es notwendig sein, neue Innenraumkonzepte für zukünftige Fahrzeuge zu erarbeiten. Zum Beispiel soll den Insassen eines Fahrzeugs beim hochautomatisierten Fahren das Einnehmen einer Schlafposition oder das Drehen der Innenraumsitze während der Fahrt ermöglicht werden. Dadurch werden neue Konzepte für Fahrzeugsysteme benötigt, die keine mechanische und/oder hydraulische Verbindung aufweisen. So können zum Beispiel das Lenkrad oder die Pedale eingefahren werden, um Platz für die Positionsveränderung der Innenraumsitze zu schaffen. Das Lenken und Bremsen kann somit nur noch durch rein elektrische oder elektronische Verbindung zwischen einem Sensor, der zum Beispiel am Lenkrad oder Bremspedal angebracht ist, und einem Aktor, wie zum Beispiel dem Lenkungsmotor oder Bremsmotor des Fahrzeugs, erfolgen. Der rein elektrische Betrieb entsprechender Fahrzeugsysteme wird allgemein als x-by-wire (für die Lenkung zum Beispiel steer-by-wire und für das Bremsen zum Beispiel break-by-wire) bezeichnet.
  • Um eine dauerhaft sichere elektrische Energieversorgung solcher x-by-wire-Systeme sicherzustellen, sind aus dem im Stand der Technik verschiedene Bordnetzkonzepte für ein Fahrzeug bekannt.
  • Zum Beispiel offenbart die CN 108 860 021 A ein drive-by-wire System für ein Fahrzeug. Dabei wird eine Lithium-Batterie als Antriebsbatterie für die elektrische Energieversorgung von verschiedenen elektrischen Komponenten des Fahrzeugs, wie zum Beispiel der Lenkung, einem Steuergerät, einer Signallampe und sonstigen Komponenten genutzt. Um für unterschiedliche Komponenten unterschiedliche Spannungslagen zu erreichen, werden mehrere DC/DC-Wandler mit unterschiedlichen Wandlungsraten, zum Beispiel 48 Volt zu 24 Volt und von 48 Volt zu 12 Volt, an die Antriebsbatterie angeschlossen.
  • Aus der DE 100 53 335 A1 ist eine steer-by-wire-Lenkanlage bekannt. Die steer-by-wire-Lenkanlage weist eine elektrische Rückfallebene auf, die Sicherheit bei Ausfällen von Komponenten bietet. Dazu werden zwei zueinander redundant aufgebaute elektronische Lenkpfade bereitgestellt. Die redundanten Lenkpfade werden von redundanten Versorgungsleitungen entweder aus der Antriebsbatterie (z.B. 48 Volt) oder einer zweiten Batterie mit 14 Volt versorgt.
  • Aus der CN 112 590 759 A ist ein Verfahren zum Koordinieren einer drive-by-wire Fahr- und Bremssteuerung für ein Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb bekannt.
  • In bekannten x-by-wire-Systemen wird für die hochverfügbare Energieversorgung somit ein zusätzlicher Energiespeicher eingesetzt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente und redundante Energieversorgung für Verbraucher in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs besonders einfach umzusetzen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine hochverfügbare Energieversorgung der Verbraucher des Bordnetzes eines Fahrzeugs alleine aus einem Hochvoltspeicher, wie beispielsweise der Fahrzeugbatterie, erfolgen kann. Somit kann in einem Anwendungsfall in dem Bordnetz Redundanz oder Ausfallsicherheit geschaffen werden, ohne, dass ein zusätzlicher Energiespeicher, wie zum Beispiel eine 12-Volt-Batterie, für ein x-by-wire-System oder allgemein das hochautomatisierte Fahren eingesetzt wird. Dadurch kann zum Beispiel die höchste Sicherheitsintegrität gemäß dem Automotive Safety Integrity Level D (kurz: ASIL D) sowie beispielsweise zugehörige Gesetzesvorlagen (zum Beispiel ECE R79 und ECE R13) nachweisbar erreicht werden.
  • Dazu schlägt die Erfindung einen hochverfügbaren DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) in Form einer Wandlervorrichtung vor. Die Wandlervorrichtung wird zur elektrischen Energiewandlung, also zum Beispiel zur Gleichspannungs- und/oder Gleichstromwandlung, für das Bordnetz des Fahrzeugs eingesetzt. Mit dem Bordnetz ist vorliegend ein Energie-Bordnetz oder ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs gemeint. Die Wandlervorrichtung kann in zwei unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein. Gemäß einer ersten Variante umfasst die Wandlervorrichtung zumindest einen ersten Anschluss oder Klemme und zumindest zwei zweite Anschlüsse oder Klemmen. Gemäß einer zweiten Variante umfasst die Wandlervorrichtung hingegen zumindest zwei entsprechende erste Anschlüsse und zumindest einen entsprechenden zweiten Anschluss. Der jeweilige oder die jeweiligen ersten Anschlüsse sind zum Anschließen einer jeweiligen Energieversorgungseinrichtung des Fahrzeugs ausgebildet. Die jeweilige Energieversorgungseinrichtung ist einer ersten Seite oder Hochvoltseite des Bordnetzes mit einem ersten Spannungsniveau zugeordnet. Jeweils zwei Energieversorgungseinrichtungen können zum Beispiel redundant zueinander ausgebildet sein. Der jeweilige oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse sind zum Anschließen einer jeweiligen Baugruppe oder eines jeweiligen Verbrauchers, die für einen Fahrzeugbetrieb des Fahrzeugs sicherheitsrelevant ist, ausgebildet. Diese Baugruppe(n) ist beziehungsweise sind einer zweiten Seite, also zum Beispiel einer Niedervoltseite des Bordnetzes, mit einem von dem ersten Spannungsniveau verschiedenen zweiten Spannungsniveau zugeordnet. Jeweils zwei Baugruppen können zum Beispiel redundant zueinander ausgebildet sein. Das heißt, jeweils zwei der zweiten Anschlüsse können einem Verbraucherpaar mit zwei sicherheitsrelevanten redundanten Verbrauchern zugeordnet sein. Ein Verbraucher des Verbraucherpaars ist an einen der zwei zweiten Anschlüsse und der andere Verbraucher ist an den anderen der zwei zweiten Anschlüsse angeschlossen. Eine vorgegebene Zuordnung zwischen den zweiten Anschlüssen und den Verbrauchern ist aber nicht erforderlich. Das heißt, es können zum Beispiel zwei oder mehrere verschiedene (nicht redundante) Baugruppen an einen jeweiligen zweiten Anschluss angeschlossen sein. Es ist beispielsweise auch eine Clusterbildung von Baugruppen denkbar. Damit ist gemeint, dass zwei oder mehrere Baugruppen ein Baugruppencluster bilden und gemeinsam an einen zweiten Anschluss angeschlossen sind. Mehrere unterschiedliche Baugruppencluster können wiederrum redundant zueinander ausgeführt sein.
  • Um elektrische Energie zwischen den zwei Seiten des Bordnetzes übertragen oder wandeln zu können, umfasst die Wandlervorrichtung eine Gleichspannungswandlereinrichtung. Die Gleichspannungswandlereinrichtung ist zum elektrischen Koppeln des oder der jeweiligen ersten Anschlüsse mit dem oder den jeweiligen zweiten Anschlüssen eingerichtet. Beim Betreiben mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung, also beispielsweise einem entsprechenden Steuergerät oder einer entsprechenden Logikeinheit, ist die Gleichspannungswandlereinrichtung dazu ausgebildet, in einem vorgegebenen Wandlerbetrieb elektrische Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen zu übertragen und dabei an das jeweilige Spannungsniveau anzupassen. Somit kann beispielsweise eine erste Spannung, die zum Beispiel an einem der ersten Anschlüsse abgreifbar ist, in eine zweite Spannung, die an einem der zweiten Anschlüsse abgreifbar ist, herabgesetzt werden und umgekehrt.
  • Für die redundante Energieversorgung der zweiten Seite des Bordnetzes sind alle zweiten Anschlüsse, insbesondere deren Pluspole, über eine gemeinsame Potentialschiene mit der Gleichspannungswandlereinrichtung und dem oder den ersten Anschlüssen gekoppelt. Die Potentialschiene ist zum Beispiel eine Stromschiene oder ein elektrischer Anschluss, an dem ein gemeinsames Potential vorgegeben wird. Das heißt, es können beispielweise ein oder mehrere (zueinander redundante) Verbraucher(paare) oder alle Verbraucher der Niedervoltseite an einer gemeinsamen Stromschiene angeschlossen sein oder werden, an der ein vorgegebenes Potential abgreifbar ist. Dadurch ist zwischen jedem der ersten Anschlüsse und jedem der zweiten Anschlüsse ein jeweiliger Übertragungspfad zum Übertragen der elektrischen Energie möglich. Mit der Mindestzuordnung von zwei zu eins zwischen ersten und zweiten Anschlüssen ergeben sich somit mindestens zwei Übertragungspfade. Somit kann von jedem ersten Anschluss zu jedem zweiten Anschluss und umgekehrt eine Energieübertragung stattfinden. Sind mehr als drei zweite Anschlüsse vorgesehen, kann die Potentialschiene PS in elektrisch getrennte Teilbereiche unterteilt oder unterteilbar sein. Das heißt, es können mehrere elektrisch getrennte Teilpotentialschienen vorgesehen sein oder bei Bedarf erzeugt werden. Dabei sind an zumindest eine der Teilpotentialschienen zwei oder mehrere der zweiten Anschlüsse beziehungsweise deren Pluspole angeschlossen. An jeder der Teilpotentialschienen kann ein unterschiedliches Potential angelegt sein. So können an den zweiten Anschlüssen verschiedenen Spannungsniveaus abgegriffen werden. Um die Unterteilbarkeit zu ermöglichen, kann die Potentialschiene eines oder mehrere Trennelemente umfassen. Ein Trennelement kann zum Beispiel ein Schalter oder Schaltelement sein, dass im Bedarfsfall durch ein Umschalten eine elektrische Verbindung oder eine elektrische Trennung zwischen den Teilpotentialschienen realisieren kann.
  • Dadurch, dass mehrere Übertragungspfade bestehen, kann im Fehlerfall, also zum Beispiel beim Defekt eines Verbrauchers, der andere beispielsweise redundante Verbraucher dennoch weiter mit elektrischer Energie versorgt werden. Analog kann beim Defekt einer Energiespeichereinrichtung, die andere Energiespeichereinrichtung zur Energieversorgung der Verbraucher genutzt werden. Ein entsprechender Fehlerfall kann allgemein zum Beispiel ein Defekt, ein Kurzschluss, eine Unter- oder Überspannung einer Komponente der Wandlervorrichtung, des Bordnetzes und/oder des Gesamtsystems „Fahrzeug“ sein. Ein solcher Fehlerfall kann sich in einem elektrischen Netz, wie dem Bordnetz, auf andere Komponenten rückwirken. Das heißt, die übrigen Komponenten werden mit einem Strom oder einer Spannung beaufschlagt, der auf den Fehler der defekten Komponente zurückzuführen ist. Das kann einen Fehler oder Defekt in der oder den übrigen Komponenten hervorrufen.
  • Mittels der hochverfügbaren Wandlervorrichtung ist somit eine redundante Energieversorgung von sicherheitsrelevanten Baugruppen des Niedervoltnetzes aus dem Hochvoltnetz realisiert. Falls zwei zweite Anschlüsse vorgesehen sind, ist insbesondere keine zusätzliche schwere und bauraumbedürftige 12-Volt-Batterie notwendig, um zum Beispiel für eine hochautomatisierte Fahrfunktion oder eine x-by-wire-Funktion eine redundante Energieversorgung in dem Bordnetz zu schaffen. Dadurch kann eine geforderte hochverfügbare, fehlertolerante sowie sicherheitsrelevante Versorgung einer 12-Volt-Seite (zweite Seite) aus einer Höherspannungsebene (erste Seite, zum Beispiel Hochvolt oder Mittelvolt) realisiert werden, die zugleich Einsparpotential von einem zusätzlichen 12-Volt-Energiespeicher bietet. Insgesamt wird eine dauerhaft sichere elektrische Energieversorgung von x-by-wire-Systemen sichergestellt. Zudem kann die höchste Sicherheitsintegrität gemäß ASIL D nachweisbar erreicht sowie zugehörige Gesetzesumfänge oder Vorgaben erfüllt werden.
  • Die Wandlervorrichtung ermöglicht eine hochverfügbare Energieübertragung zwischen zwei Bordnetzseiten mit unterschiedlichen Spannungsniveaus oder Spannungsebenen. Mit Spannungsniveau ist vorliegend insbesondere ein Spannungsbereich gemeint. Das heißt, die jeweilige Bordnetzseite weist eine vorbestimmte Nennspannung auf, also eine Spannung in einem vorbestimmten Spannungsbereich, der durch eine maximal für die jeweilige Seite zulässige Spannung begrenzt ist. Die jeweilige Nennspannung kann sich zum Beispiel durch gesetzliche Vorgaben oder DIN-Vorschriften ergeben. Die erste Seite kann zum Beispiel eine sogenannte Höherspannungsebene sein. Dabei kann die erste Seite auch als Hochvoltseite oder Mittelvoltseite bezeichnet werden. Mit „Hochvolt“ sind in der Automobiltechnik insbesondere Nennspannungen größer als 48 Volt, zum Beispiel von 100 Volt oder mehr, beispielsweise zwischen 400 und 800 Volt, gemeint. „Mittelvolt“ bezeichnet hingegen eine Nennspannung bis maximal 48 Volt. Im Gegensatz dazu kann die zweite Seite eine Niederspannungsebene des Bordnetzes sein. Die zweite Seite kann somit auch als Niedervoltseite bezeichnet werden. Hier liegt die Nennspannung zum Beispiel höchstens bei 12 Volt.
  • Die Nennspannung der ersten Seite kann mittels der Energieversorgungseinrichtung des Fahrzeugs bereitgestellt oder erzeugt werden. Die Energieversorgungseinrichtung kann zum Beispiel die Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie des Fahrzeugs sein. Der Begriff „Batterie“ wird hier in an sich bekannter Weise als Synonym für den Begriff „Akkumulator“ verwendet. Die Energieversorgungseinrichtung kann aus einem oder mehreren unabhängigen Energiespeichern, wie zum Beispiel einzelnen Batteriemodule aufgebaut sein. Um die Hochverfügbarkeit der Energieversorgung in dem Bordnetz sicherzustellen, können zum Beispiel mehrere redundante Energiespeicher vorgesehen sein, wobei jeder erste Anschluss an genau einen der Energiespeicher, also an dessen Batterieanschluss, angeschlossen ist. Alternativ können zumindest zwei ersten Anschlüsse in elektrischer Parallelschaltung an einen gemeinsamen Energiespeicher angeschlossen sein. Dieser Energiespeicher kann mehrere redundante und somit rückwirkungsfrei trennbare Teilbereiche aufweisen. Mit rückwirkungsfrei ist hier und im Folgenden allgemein gemeint, dass eine elektrische Verbindung zwischen zwei Teilbereichen oder Komponenten vollständig getrennt werden kann. Dazu können zum Beispiel Trennelemente wie zum Beispiel Schalter, Relais oder Sicherungen eingesetzt werden.
  • Mit dem Begriff „Anschluss“ oder „Klemme“ ist in der Erfindung eine Kontaktierungsmöglichkeit zur elektrischen Kontaktierung gemeint. Ein Anschluss kann zum Beispiel zwei (oder mehr) Pole oder Kontakte, also zum Beispiel einen Pluspol und einen Minuspol, umfassen. Der jeweilige erste Anschluss kann ein Hochvoltanschluss sein somit einen Hochvoltpluspol (HV+) und einen Hochvoltminuspol (HV-) umfassen. Der jeweilige zweite Anschluss kann ein Niedervoltanschluss sein und entsprechend einen Niedervoltpluspol (NV+) und einen Niedervoltminuspol (NV-) umfassen. Durch Nutzen der Potentialschiene ist zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen keine konkrete Zuordnung notwendig. Das heißt, die Anzahl der ersten Anschlüsse kann unabhängig von der Anzahl der zweiten Anschlüsse gewählt werden. Somit können je nach gewünschtem Redundanzgrad frei konfigurierbar 1 bis n Höherspannungsanschlüsse (erste Anschlüsse) mit 2 bis t Niederspannungsanschlüssen (zweite Anschlüsse) energetisch gekoppelt werden oder umgekehrt 2 bis n Höherspannungsanschlüsse (erste Anschlüsse) mit 1 bis t Niederspannungsanschlüssen (zweite Anschlüsse) energetisch gekoppelt werden.
  • Mit redundant ist gemeint, dass zwei separate Komponenten, wie zum Beispiel Verbraucher oder die vorgenannten Energiespeicher eine gleiche Funktion ausführen oder einen gleichen Zweck erfüllen. Die Funktion kann dabei zum Beispiel auf unterschiedliche Weise oder durch unterschiedliche Methoden erreicht werden. Beispielsweise eignen sich sowohl ein Lidarsystem als auch ein Radarsystem als Verbraucher in einem Niedervoltnetz für die Abstandsmessung und können in einem Bremssystem als Abstandshaltevorrichtungen redundant eingesetzt werden. Entsprechend gilt dies zum Beispiel für ein System zur GPS-Ortung und ein System zur Mobilfunkortung.
  • Ein Verbraucher kann zum Beispiel ein Lenksystem und/oder Bremssystem und/oder ein Steuergerät und/oder ein Airbagsystem und/oder ein Lichtsteuergerät und/oder ein Scheinwerfer und/oder ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein Ortungssystem und/oder elektrische Fensterheber und/oder deren Aktoren beziehungsweise Sensoren und/oder sonstige Fahrzeugsysteme oder Aktoren oder Sensoren, die als sicherheitsrelevant eingestuft werden, sein. Als sicherheitsrelevant werden solche Verbraucher eingestuft, die einen für einen Fahrer kontrollierbaren Fahrbetrieb und eine gefahrlose Funktion des Fahrzeugs ermöglichen und dazu zwingend notwendig sind. Zusätzlich können Verbraucher sicherheitsrelevant sein, wenn sie Schutzmaßnahmen für Insassen und/oder andere Verkehrsteilnehmer bilden. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher oder Baugruppen für ein Fahrzeug können zum Beispiel durch gesetzliche Normen oder sonstige Vorgaben bestimmt sein. Im Vergleich dazu werden als nicht sicherheitsrelevante zum Beispiel Komfortsysteme für die Insassen, wie etwa eine Sitzheizung, ein Radio oder ein Infotainmentsystem oder eine Klimaanlage, eingestuft.
  • Zu der Erfindung gehören Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandlereinrichtung zum Bereitstellen eines jeweiligen Übertragungspfads eine jeweilige Gleichspannungswandlerschaltung mit galvanischer Trennung, vorliegend also zumindest zwei Gleichspannungswandlerschaltungen. Jede Gleichspannungswandlerschaltung ist somit genau einem der mindestens zwei Übertragungspfade zugeordnet und/oder stellt diesen bereit. Zum Bilden der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung umfasst die Gleichspannungswandlereinrichtung für jeden ersten Anschluss eine Primärstufe und für jeden zweiten Anschluss eine Sekundärstufe. Je nach gewünschtem Übertragungsverhalten umfasst die Primärstufe zumindest eine oder mehrere Primärphasen und die Sekundärstufe zumindest eine oder mehrere Sekundärphasen. Die jeweilige(n) Primärphase(n) ist (sind) an den jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen. Die jeweilige(n) Sekundärphase(n) ist (sind) über die Potentialschiene an den oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse angeschlossen. Jeweils die Primärstufe, also deren Primärphase(n) und jeweils die Sekundärstufe, also deren Sekundärphase(n), einer Gleichspannungswandlerschaltung sind mittels einer galvanischen Trenneinheit miteinander gekoppelt. Alle galvanischen Trenneinheiten sind untereinander zudem mittels eines Koppelelements elektromagnetisch gekoppelt. Dadurch weisen die beiden Gleichspannungswandlerschaltungen beziehungsweise die Trenneinheiten beim Betreiben der Gleichspannungswandlereinrichtung in dem zuvor beschriebenen Wandlerbetrieb einen gemeinsamen magnetischen Fluss auf.
  • Der Begriff „Gleichspannungswandlerschaltung“ ist vorliegend funktionell zu verstehen. Das heißt, jede der Gleichspannungswandlerschaltungen ist ausgebildet, die gewünschte Energiewandlung oder Energieübertragung zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Anschluss und somit einen der Energieübertragungspfade zu realisieren. Dabei brauchen zwei oder mehrere Gleichspannungswandlerschaltungen jedoch nicht als separate oder getrennte Schaltungen oder Baugruppen ausgebildet sein. Vielmehr können zwei oder mehrere Gleichspannungswandlerschaltungen zum Beispiel eine gemeinsame Primärphase oder eine gemeinsame Sekundärphase nutzen. Anders ausgedrückt, kann eine Primärphase oder eine Sekundärphase mehreren Gleichspannungswandlerschaltungen zugeordnet sein.
  • Die jeweilige Gleichspannungswandlerschaltung erfüllt somit die Funktion eines DC/DC Wandlers mit galvanischer Trennung. Eine Wandlertopologie für einen entsprechenden DC/DC-Wandler ist an sich allgemein bekannt, zum Beispiel von einem sogenannten Gegentaktflusswandler. Entsprechend kann die Gleichspannungswandlerschaltung je nach Wandlertopologie zum Beispiel primär- und/oder sekundärseitig, also für die jeweilige Primärphase und/oder Sekundärphase, zum Beispiel mehrere Schaltelemente in geeigneter elektrischer Verschaltung aufweisen (aktiver Wandler). Zusätzlich oder alternativ können zum Beispiel elektrische Dioden verbaut werden. Zum Beispiel können die Schaltelemente und/oder die Dioden in einer Vollbrücken- oder Halbbrückenschaltung elektrisch aneinander angeschlossen sein. In der jeweiligen Primärphase können die Schaltelemente und/oder Dioden zum Beispiel zu einem an sich bekannten Wechselrichter verschaltet sein. In der jeweiligen Sekundärphase können die Schaltelemente und/oder Dioden zum Beispiel zu einem an sich bekannten Gleichrichter verschaltet sein.
  • Für die Energiewandlung können die Schaltelemente mittels der Steuereinrichtung in einem vorgegebenen Schaltbetrieb nach einem vorgegebenen Taktmuster betrieben werden. Das Betreiben der Schaltelemente in dem Schaltbetrieb entspricht dabei dem zuvor beschriebenen Wandlerbetrieb der Gleichspannungswandlereinrichtung. In dem Schaltbetrieb kann periodisch zwischen einem eingeschalteten und ausgeschalteten Schaltzustand umgeschaltet werden. In dem eingeschalteten Schaltzustand weist das jeweilige Schaltelement im Wesentlichen keinen elektrischen Widerstand oder nur einen vernachlässigbar geringen elektrischen Widerstand auf. Somit kann elektrischer Strom im Wesentlichen ungehindert durch das Schaltelement fließen. In dem ausgeschalteten Schaltzustand weist das jeweilige Schaltelement hingegen einen sehr hohen, also im Wesentlichen einen unendlich hohen, elektrischen Widerstand auf. Somit ist kein oder höchstens ein vernachlässigbar geringer Stromfluss über das Schaltelement möglich. Zum Schalten der Schaltelemente kann die Steuereinrichtung zum Beispiel ein entsprechendes Steuersignal bereitstellen. Ein Schaltelement zum Beispiel durch einen Halbleiterschalterrealisiert sein. Ein Halbleiterschalter kann zum Beispiel ein sogenannter MOSFET (Metalloxid Feldeffekttransistor) oder ein Thyristor oder ein Bipolartransistor sein.
  • Um die unterschiedlichen Spannungsniveaus in dem Bordnetz umzusetzen, werden die Trenneinheiten zwischen den Primärstufen (Eingangsstufen) und den Sekundärstufen (Ausgangsstufen) eingesetzt, die die galvanische Trennung zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen ermöglichen. Die jeweilige Trenneinheit kann zum Beispiel als Transformator realisiert sein. Der Aufbau und die Funktion eines Transformators sind an sich bekannt. Für die magnetische Kopplung der Primärstufen oder -phasen beziehungsweise Sekundärstufen oder -phasen untereinander können zum Beispiel alle Transformatorwicklungen der Trenneinheiten primär- und sekundärseitig über das Kopplungselement magnetisch miteinander gekoppelt. Das entsprechende Kopplungselement kann zum Beispiel ein gemeinsamer Eisenkern oder mehrere magnetisch miteinander gekoppelte Eisenkerne sein.
  • Um den gemeinsamen magnetischen Fluss zu erreichen, können die Schaltelemente der Gleichspannungswandlerschaltungen in dem Schaltbetrieb in vorgegebener Weise synchronisiert betrieben werden. Natürlich brauchen nicht alle Gleichspannungswandlerschaltungen gleichzeitig in Betrieb, also aktiviert sein. Die Anzahl der aktivierten Gleichspannungswandlerschaltungen kann abhängig von der gewünschten zu übertragenen Leistung gewählt werden. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel der Sekundärseite oder NV-Seite des Wandlervorrichtung zugeordnet oder dort verortet sein.
  • Jede der Gleichspannungswandlerschaltungen kann in Abhängigkeit der zu übertragenden Leistung oder elektrischen Energie beziehungsweise dem gewünschten Wirkungsgrad zum Beispiel eine oder mehrere Primärphasen und/oder entsprechend eine oder mehrere Sekundärphasen aufweisen. Das heißt, die Transformatorprimärseite kann beispielsweise 1 bis n Eingangsstufen (Prmärstufen) umfassen, die an die 1 bis n Versorgungsanschlüsse (erste Anschlüsse) ausgeführt sind. Jede Eingangsstufe oder Primärstufe kann wiederrum jeweils 1 bis y Primärphasen aufweisen. Entsprechend kann die Transformatorsekundärseite beispielsweise 1 bis m Ausgangsstufen (Sekundärstufen) umfassen, die an die Potentialschiene ausgeführt sind. Jede Ausgangsstufe oder Sekundärstufe kann wiederrum 1 bis z Sekundärphasen aufweisen. Die Anzahl der Primärphasen und Sekundärphasen kann dabei unabhängig voneinander, zum Beispiel anhand von der zu übertragenden Leistung und dem gewünschten Wirkungsgrad gewählt werden. Somit kann ein wirkungsgradoptimaler Betrieb in sämtlichen Stromarbeitspunkten der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung erreicht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandlereinrichtung zumindest eine Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung mit galvanischer Trennung, die jeweils einem Ruhestrom-Übertragungspfad zugeordnet ist. Die zumindest eine Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung ist mit zumindest einer Primärphase einer Primärstufe an einen jeweiligen ersten Anschluss und mit zumindest einer Sekundärphase einer Sekundärstufe mittels der Potentialschiene an die jeweiligen zweiten Anschlüsse angeschlossen. Die Primärstufe, also deren jeweilige Primärphasen, und die Sekundärstufe, also deren jeweilige Sekundärphasen sind dabei mittels einer galvanischen Trenneinheit, also zum Beispiel dem zuvor beschriebenen Transformator, miteinander gekoppelt. Im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Gleichspannungswandlerschaltungen ist die jeweilige Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung, also insbesondere deren Bauteile oder Komponenten, für eine Verlustleistung ausgelegt, deren Minimalwert vorliegt, wenn das Fahrzeug einen vorgegebenen Ruhezustand aufweist. In dem Ruhezustand weist das Bordnetz einen Leistungsbedarf in einem vorgegebenen Ruhestrombereich auf, der gegenüber einem Leistungsbedarf in einem bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs reduziert ist. Das heißt, die maximale Effizienz und/oder der maximale Wirkungsgrad der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung liegt im Ruhestrombereich oder Ruhezustand des Fahrzeugs.
  • Im Gegensatz dazu sind die Gleichspannungswandlerschaltungen für einen Minimalwert der Verlustleistung ausgelegt, der vorliegt, wenn das Fahrzeug in dem bestimmungsgemäßen Normalbetrieb betrieben wird. Somit liegt die maximale Effizienz und/oder der maximale Wirkungsgrad der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung im bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs.
  • Der Normalbetrieb kann zum Beispiel ein Fahrbetrieb oder Standbetrieb des Fahrzeugs sein. Dabei kann zumindest ein System des Fahrzeugs beziehungsweise ein Verbraucher des Bordnetzes seine nutzungsgemäße Funktion ausführen. Der Normalbetrieb der Wandlervorrichtung ist zum Beispiel der Wandlerbetrieb der Gleichspannungswandlereinrichtung. Im Gegensatz dazu ist der Ruhezustand ein Bereitschaftsbetrieb oder Ruhemodus (Standby) des Fahrzeugs. Darunter wird vorliegend der Zustand des Fahrzeugs beziehungsweise des Bordnetzes verstanden, in dem die eigentliche Nutzfunktion aller Verbraucher temporär deaktiviert ist. Die Verbraucher können aber jederzeit und ohne Vorbereitungen oder längere Wartezeiten wieder aktiviert und in den Normalbetrieb versetzt werden. So kann zum Beispiel das Fahrzeug durch Drehen des Zündschlüssels oder Bedienen eines ferngesteuerten Fahrzeugschlüssels von dem Ruhezustand (geparkt oder abgestellt) in den Normalbetrieb (Motor springt an, Radio läuft) gebracht werden. Für das Halten des Ruhezustands ist eine gegenüber dem Normalbetrieb reduzierte Leistungsaufnahme oder ein reduzierter Leistungsbedarf notwendig. Der reduzierte Leistungsbedarf ist dabei darauf zurückzuführen, dass zum Beispiel Steuergeräte der Verbraucher die mögliche Aktivierung überwachen sollen. Die Leistungsaufnahme der Verbraucher im Ruhezustand kann zum Beispiel in einem Ruhestrombereich bis etwa 1 Milliampere oder bis etwa 100 Milliampere liegen.
  • Mittels der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung kann somit ein ruhestromoptimierter, das heißt auf kleine Ströme optimierter, Übertragungspfad integriert werden. Somit kann ein wirkungsgradoptimaler Ruhestrombetrieb des Fahrzeugs erreicht werde.
  • Alternativ zu der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung kann die Ruhestromversorgung der zweiten Seite des Bordnetzes durch einen singulären Betrieb einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandlerschaltungen wirkungsgradoptimal dargestellt werden. Dazu kann zum Beispiel der Schaltbetrieb der Schaltelemente im Ruhezustand entsprechend angepasst werden. Für aufeinanderfolgende Ruhestromzyklen können zum Beispiel abwechselnd verschiedene Gleichspannungswandlerschaltungen beziehungsweise verschiedene Primär- und/oder Sekundärphasen angesteuert werden. So kann eine möglichst gleichmäßige Belastung aller internen und externen Bauelemente erreicht werden.
  • Wenn die Steuereinrichtung bzw. deren Logikeinheit in der Sekundärseite verortet ist, kann es im Fall der Erstinbetriebnahme (erstmaliges Anschließen einer Energiespeichereinrichtung an der Primärseite) notwendig sein, eine externe Energiequelle (NV-Versorgung) zum Aktivieren oder Aufstarten der Steuereinrichtung einzusetzen, um damit den Ruhestrompfad ansteuern oder aktivieren zu können. Um dies zu vermeiden, kann der Ruhestrompfad auch so ausgelegt oder designt sein, dass dieser zusätzlich über die Primärseite gesteuert wird. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass die Logik, also eine zusätzliche Steuereinrichtung, für die Ansteuerung der Primärseite des Ruhestrompfades zusätzlich aus einen der primärseitigen Anschlüsse unter Berücksichtigung der galvanischen Trennung verortet wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wandlervorrichtung zumindest eine Zwischenspeicherschaltung zum Ausgleichen von Leistungsschwankungen beim Übertragen der elektrischen Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen. Dabei ist die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung mittels eines Trennelements zum elektrischen Trennen oder Verbinden an die Potentialschiene angeschlossen. Zudem ist die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung für eine maximale Energiespeicherkapazität ausgelegt, die höchstens ausreicht, um das Bordnetz, also insbesondere die Verbraucher der Niedervoltseite, für einen vorgegebenen Zeitraum einer Leistungsschwankung mit elektrischer Energie zu versorgen, der gegenüber einem Zeitraum für einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs reduziert ist.
  • Es geht also darum, Leistungsschwankungen in der Energieübertragung zu puffern oder auszugleichen. Unter Leistungsschwankung ist vorliegend ein kurzzeitiger Einbruch oder Ausschlag in der am jeweiligen Anschluss abgreifbaren Spannung oder dem abgreifbaren Strom verstanden. Solche Leistungsschwankungen oder Lastschwankungen können zum Beispiel Auftreten bei Ab- oder Umschaltvorgängen von Baugruppen des Bordnetzes. Eine entsprechende Leistungsschwankung kann zum Beispiel auch durch einen Defekt oder Fehler, wie etwa einen Kurzschluss hervorgerufen sein. Die jeweilige Zwischenspeicherschaltung ist somit dafür ausgelegt, kurzzeitig die notwendige Energie bzw.- Leistung bereitzustellen. Durch die Zwischenspeicherschaltung(en) kann die Weiterversorgung der Niedervoltseite gemäß dem geforderten ASIL gewährleistet werden.
  • Um eine Leistungsschwankung auszugleichen kann die Energiespeicherkapazität der einzelnen Zwischenspeicherschaltung oder der Gesamtheit der Zwischenspeicherschaltungen zum Beispiel höchstens ausreichen, um die Baugruppen der Niedervoltseite bei voller Belastung maximal 20 Millisekunden bis höchstens wenige Sekunden, zum Beispiel 10 bis 20 Sekunden, mit elektrischer Energie zu versorgen. Bei der Zwischenspeicherschaltung handelt es sich somit nicht um einen zusätzlichen Energiespeicher, wie zum Beispiel eine 12-Volt-Batterie, wie er üblicherweise für die redundante Energieversorgung für hochautomatisiertes Fahren eingesetzt wird. Denn im Vergleich zu einer 12-Volt-Batterie weist die Zwischenspeicherschaltung eine sehr viel geringere Energiespeicherkapazität auf.
  • Die Wandlervorrichtung kann zum Beispiel zwei oder mehr redundante Zwischenspeicherschaltungen umfassen. Zum Beispiel kann für jeden zweiten Anschluss eine separate Zwischenspeicherschaltung vorgesehen sein. Für die Energiespeicherung kann die die Zwischenspeicherschaltung zum Beispiel einen oder mehrere Energiespeicher umfassen. Ein Energiespeicher kann zum Beispiel ein Kondensator, ein Doppelschichtkondensator, eine Batteriezelle oder ein sonstiges vorgegebenes Bauteil sein, dass sich zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie eignet. Die Zwischenspeicherschaltung kann zudem eine Vorladeschaltung umfassen, über die der jeweilige Energiespeicher an die Potentialschiene angeschlossen ist. Die Vorladeschaltung kann zum Beispiel als das Trennelement zum elektrischen Trennen oder Verbinden der Zwischenspeicherschaltung im Fehlerfall genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorladeschaltung zum Beispiel zum Entladen oder Laden des jeweiligen Energiespeichers eingesetzt werden. Dazu kann die Vorladeschaltung beispielsweise ein oder mehrere Schaltelemente umfassen, die im Schaltbetrieb betrieben werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorladeschaltung eine Strombegrenzung zum Beispiel durch elektrische Verschaltung eines Widerstands und einer Diode umfassen.
  • In den folgenden Ausführungsformen geht es nun darum, wie unter Verwendung der Wandlervorrichtung zwischen dem Ruhezustand und dem Normalbetrieb des Fahrzeugs gewechselt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Wandlervorrichtung dazu ausgelegt, zeitlich nach den übrigen Komponenten des Bordnetzes, also den Baugruppen der ersten und zweiten Seite, von einem Ruhezustand in einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden. Das heißt, es wird zuerst die Betriebsfähigkeit des übrigen Bordnetzes hergestellt, bevor die Wandlervorrichtung ihren bestimmungsgemäßen Normalbetrieb aufnimmt. Da die Energieversorgung des Bordnetzes jedoch aus der Höherspannungsebene über die Wandlervorrichtung erfolgen soll, kann hierzu die Konfiguration der Zwischenspeicherschaltung und/oder Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung angepasst werden.
  • Demensprechend ist einerseits die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung für eine maximale Energiespeicherkapazität ausgelegt, die höchstens ausreicht, um das Bordnetz für einen vorgegebenen Zeitraum eines vorgegebenen Aufweckvorgangs, bei dem das Bordnetz von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt wird, mit elektrischer Energie zu versorgen. Dieser Zeitraum ist gegenüber einem Zeitraum für einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs reduziert. Das heißt, die Energiespeicherkapazität der Energiespeicher der Zwischenspeicherschaltung ist im Vergleich zu dem Ausgleich der zuvor beschriebenen Leistungsschwankungen erhöht. Zum Beispiel kann die Energiespeicherkapazität der Zwischenspeicherschaltung in diesem Fall für wenige Sekunden, also zum Beispiel höchstens bis 10 bis 20 Sekunden, ausreichen, um die Niedervoltverbraucher mit Energie zu versorgen. Danach sollte der Aufweckvorgang der Wandlervorrichtung abgeschlossen sein, sodass die Energieversorgung mittels der Gleichspannungswandlerschaltungen erfolgen kann.
  • Zusätzlich oder alternativ ist andererseits die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung für eine Verlustleistung ausgelegt, deren Minimalwert angepasst ist, an einen Leistungsbedarf der übrigen Komponenten des Bordnetzes während des vorgegebenen Aufweckvorgangs, bei dem diese Komponenten von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt werden. Das heißt, die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung beziehungsweise deren Bauteile oder Komponenten können für einen Peakstrom (Maximalstrom) von wenigen Ampere bis zum Beispiel maximal 50 Ampere ausgelegt sein. Insgesamt kann die maximale Effizienz oder der maximale Wirkungsgrad der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung somit im Aufweckbereich, also dem Leistungsbedarf während eines Aufweckvorgangs des Fahrzeugs, liegen.
  • Insgesamt können die jeweilige Zwischenspeicherschaltung und/oder die jeweilige Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung somit überlastfähig ausgebildet sein.
  • Um den Aufwachvorgang für die Wandlervorrichtung durchzuführen, also den Wandlerbetrieb zu initiieren, kann zum Beispiel die vorgenannte Steuereinrichtung oder eine externe Steuervorrichtung genutzt werden. Um zu erkennen, dass die Wandlervorrichtung aus dem Ruhezustand in den Normalbetrieb versetzt werden soll, kann die Wandlervorrichtung zum Beispiel eine Überlasterkennungseinheit umfassen. Diese ist zum Beispiel ausgebildet, in dem Ruhezustand der Wandlervorrichtung zu überprüfen, ob das Bordnetz den im Vergleich zu dem Leistungsbedarf im Ruhezustand erhöhten Leistungsbedarf aufweist. Dazu kann die Überlasterkennungseinheit zum Beispiel einen oder mehrere Sensoren zum Messen der aktuellen Belastung oder Leistung, beispielsweise durch Messen des Stroms oder der Spannung, an den jeweiligen Anschlüssen aufweisen. Zudem kann eine Auswertelogik vorgesehen sein, um einen aktuellen Wert der aktuellen Belastung mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen. Wird dabei ein erhöhter Leistungsbedarf festgestellt, befindet sich das Bordnetz im Normalbetrieb. Abhängig von der Überprüfung kann dann eine entsprechende Aufweckroutine für die Steuereinrichtung zum Einstellen des Wandlerbetriebs gestartet werden. Die Aufweckroutine kann zum Beispiel in einem Programmcode für eine Prozessorschaltung der Steuereinrichtung implementiert sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Wandlervorrichtung dazu ausgelegt, zeitlich vor den übrigen Komponenten des Bordnetzes von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden. Das heißt, es wird zuerst die Betriebsfähigkeit der Wandlervorrichtung hergestellt, bevor die übrigen Komponenten mit elektrischer Energie versorgt und somit deren Normalbetrieb hergestellt wird.
  • Hierzu umfasst die Steuereinrichtung eine Kommunikationseinheit zum Empfangen eines Aufwecksignals einer wandlervorrichtungsexternen Steuervorrichtung des Fahrzeugs. Die Steuervorrichtung kann zum Beispiel ein zentrales Steuergerät oder ein Bordcomputer des Fahrzeugs sein. Das Aufwecksignal gibt an, dass die Wandlervorrichtung in den Normalbetrieb versetzt werden soll. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Aufwecksignal eine Aufweckroutine zum Einstellen des bestimmungsgemäßen Normalbetriebs auszuführen. Zudem ist die Steuereinrichtung ausgebildet, in Abhängigkeit von der Aufweckroutine ein Bestätigungssignal an die wandlervorrichtungsexterne Steuervorrichtung bereitzustellen, welches angibt, dass die Wandlervorrichtung den Normalbetrieb aufweist. Daraufhin kann die externe Steuervorrichtung zum Beispiel die übrigen Bordnetzkomponenten aus dem Ruhezustand wecken.
  • Somit übernimmt die wandlervorrichtungsexterne Steuervorrichtung den Wakeup (Aufwachvorgang) des Fahrzeugs.
  • Zum Bereitstellen des Aufwecksignals und/oder allgemein zur Datenübertragung im Bordnetz kann zum Beispiel ein sogenannter CAN-Bus oder ein anderes vorgegebenes Standard-Bussystem eingesetzt werden. Die Kommunikationseinheit der Steuereinrichtung kann zum Beispiel eine Schnittstelle zur drahtlosen oder drahtgebundenen Datenübertragung zum Beispiel für einen CAN-Bus oder ein Funkmodul ausgebildet sein.
  • Analog zu der vorangegangenen Ausführungsform ist die Wandlervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform dazu ausgelegt, zeitlich vor den übrigen Komponenten des Bordnetzes von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden. Hierzu umfasst die Steuereinrichtung eine Detektionseinheit zum Detektieren eines Auslöseereignisses einer wandlervorrichtungsexternen oder fahrzeugexternen Steuervorrichtung. Das Auslöseereignis gibt dabei an, dass das Fahrzeug in den Normalbetrieb versetzt werden soll. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem detektierten Auslöseereignis eine Aufweckroutine auszuführen und dabei zum Beispiel das zuvor beschriebene Aufwecksignal bereitzustellen. Gemäß der Aufweckroutine werden hierbei zuerst die übrigen Komponenten der Wandlervorrichtung und danach die Komponenten des Bordnetzes aus dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt. Insgesamt ist die Steuereinrichtung somit ausgebildet, das gesamte System „Fahrzeug“ aus dem Ruhezustand in den Normalbetrieb zu versetzen. Die Steuereinrichtung übernimmt somit den Wakeup.
  • Ein Auslöseereignis kann zum Beispiel eine Bedieneingabe eines Fahrers des Fahrzeugs sein, um dieses aufzuschließen und/oder anzulassen. Alternativ ist zum Beispiel eine zeitgesteuerte Aktivierung eines Fahrzeugsystems, wie zum Beispiel einer Standheizung, als Auslöseereignis denkbar. Die fahrzeugexterne Steuervorrichtung kann somit zum Beispiel ein funkgesteuerter Fahrzeugschlüssel und/oder ein mobiles Endgerät als Fahrzeugschlüssel sein. Die wandlervorrichtungsexterne Steuervorrichtung kann zum Beispiel ein zentraler Bordcomputer und/oder eine Startervorrichtung zum Detektieren einer manuelle Eingabe des Fahrers zum Beispiel durch Drehen des Zündschlüssels im Zündschloss sein.
  • Zum Erfassen des Auslöseereignisses kann die Detektionseinheit zum Beispiel eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle, wie zum Beispiel einen Funkempfänger umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Detektionseinheit zum Beispiel als Überlasterkennungseinheit, wie sie zuvor beschrieben wurde, ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die jeweiligen ersten Anschlüsse mittels einer ersten Schutzeinheit an die Gleichspannungswandlereinrichtung und/oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse über die Potentialschiene mittels einer zweiten Schutzeinheit an die Gleichspannungswandlereinrichtung und/oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse mittels einer dritten Schutzeinheit an die Potentialschiene angeschlossen. Dabei sind die ersten und zweiten und dritten Schutzeinheiten ausgebildet, beim Vorliegen eines vorgegebenen Fehlerfalls eine elektrische Verbindung zwischen dem zugeordneten Anschluss und der Gleichspannungswandlereinrichtung und/oder der Potentialschiene zu trennen.
  • Somit kann durch Auslösen der jeweiligen Schutzeinheit die elektrische Verbindung oder Leitung unterbrochen werden, sodass kein Stromfluss und somit keine Energieübertragung mehr möglich ist. Der Fehlerfall kann, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel eine Unterspannung oder Überspannung oder ein Kurzschluss oder ein sonstiger Bauteildefekt einer Baugruppe des Bordnetzes sein. Zum Detektieren des Fehlerfalls kann zum Beispiel eine entsprechende Sensoreinrichtung mit einem oder mehreren Sensoren wie zum Beispiel einem Stromsensor, einem Spannungssensor und/oder einem Temperatursensor vorgesehen sein. Zum Auswerten, ob ein Fehlerfall vorliegt oder nicht und Ansteuern zum Auslösen der Schutzeinheiten kann zum Beispiel die Steuereinrichtung eingesetzt werden.
  • Die jeweilige Schutzeinheit kann zum Beispiel eine oder mehrere Schutzschaltungen umfassen. Zum Beispiel kann jeder Anschluss mittels einer separaten Schutzschaltung oder es können mehrere Anschlüsse gemeinsam über eine Schutzschaltung entsprechend angeschlossen werden. Zum physikalischen Trennen kann die jeweilige Schutzschaltung zum Beispiel eine oder mehrere Schalter beispielsweise in Kombination mit Dioden umfassen. Die dritte Schutzeinheit umfasst optional eine Bypassschaltung, die zum Beispiel parallel zu der jeweiligen Schutzschaltung angeschlossen sein kann. Die Bypassschaltung ist für die Ruhestromversorgung der Verbraucher der zweiten Seite vorgesehen. Somit kann ein Stromfluss an die Verbraucher im Ruhezustand sichergestellt werden, während im fehlerbehaftetem Fahrbetrieb der Stromfluss auf ein unkritisches Niveau begrenzt ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung zumindest zwei redundant zueinander ausgebildete Logikeinheiten, die jeweils an die Potentialschiene angeschlossen sind. Die Gleichspannungswandlereinrichtung ist in dem vorgegebenen Wandlerbetrieb dazu ausgebildet, die Steuereinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Jeder der Gleichspannungswandlerschaltungen kann zum Beispiel eine separate Logikeinheit zugeordnet sein. Da die Logikeinheiten zueinander redundant ausgebildet sind, kann im Fehlerfall und bei Bedarf die aktive Logikeinheit zum Betreiben der jeweiligen Wandlerschaltung gewechselt werden. Die jeweilige Logikeinheit kann zum Beispiel als Mikrocontroller, System Basis Chip (SBC), ASIC (Application Specific Integrated Circuit - anwendungsspezifisch integrierte Schaltung), Treiber, Kommunikationseinheit, diskrete Hardwareschaltung und/oder Watchdog ausgebildet sein.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der zuvor beschriebenen Wandlervorrichtung zur elektrischen Energiewandlung für das Bordnetz des Fahrzeugs. Die Wandlervorrichtung basiert dabei auf zumindest einer der Ausführungsformen, wie sie zuvor beschrieben wurden. In einem Normalbetrieb der Wandlervorrichtung wird mittels einer Prozessorschaltung der Steuereinrichtung ein Steuersignal an die Gleichspannungswandlereinrichtung der Wandlervorrichtung bereitgestellt und dadurch die Gleichspannungswandlereinrichtung in dem vorgegebenen Wandlerbetrieb betrieben. Dadurch wird elektrische Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen übertragen und an das jeweilige Spannungsniveau angepasst.
  • Die Steuereinrichtung kann wie zuvor beschrieben eine oder mehrere Logikeinheiten mit entsprechenden Prozessorschaltungen aufweisen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest ein FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest ein DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessorschaltung einen Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessorschaltung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann zum Beispiel in einem Datenspeicher der Prozessorschaltung gespeichert sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann zum Beispiel ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit der zuvor beschriebenen Wandlervorrichtung sein. Dabei umfasst das Bordnetz die erste Seite mit dem ersten Spannungsniveau und die zweite Seite mit dem zweiten Spannungsniveau. Die erste Seite, also zum Beispiel die Hochvoltseite, umfasst die jeweilige Energiespeichereinrichtung. Die zweite Seite umfasst zumindest eine Baugruppe oder einen Verbraucher, der zum Beispiel sicherheitsrelevant ist. Die Energiespeichereinrichtung ist an die/den jeweiligen ersten Anschluss/Anschlüsse der Wandlervorrichtung angeschlossen. Die Baugruppe(n) der zweiten Seite ist/sind jeweils an den oder einen der zweiten Anschlüsse angeschlossen.
  • Die Erfindung kann auch ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Bordnetz und einer entsprechenden Wandlervorrichtung betreffen. Das Fahrzeug ist elektrisch antreibbar ausgebildet und kann zum Beispiel ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug sein. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des Bordnetzes und des Fahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des Bordnetzes und des Fahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit einer hochverfügbaren Wandlervorrichtung zur redundanten Energieübertragung zwischen zwei Seiten eines Bordnetzes mit unterschiedlichen Spannungsniveaus; und
    • 2 einen schematischen Schaltplan für eine beispielhafte Topologie der Wandlervorrichtung.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung aus einer Seitenansicht ein Fahrzeug 1 mit einem Bordnetz 2. Das Bordnetz 2 umfasst zum Beispiel elektrisch und/oder elektronisch betriebene oder betreibbare Baugruppen oder Systeme des Fahrzeugs 1, die für den Betrieb des Fahrzeugs 1 notwendig sind. Zudem umfasst das Bordnetz 2 zum Beispiel auch elektrische Leitungen oder elektrische Verbindungen, um eine Datenübertragung zwischen den einzelnen Systemen oder Baugruppen zu ermöglichen. Für die elektrische Verbindung kann zum Beispiel ein vorgegebenes BUS-System, wie zum Beispiel ein CAN-BUS-System, eingesetzt werden.
  • Das Bordnetz 2 ist in zwei unterschiedliche Bereiche, nämlich eine erste Seite 3 und eine zweite Seite 4, aufgeteilt. Die Seiten 3, 4 unterscheiden sich in ihrem jeweiligen Spannungsniveau oder Spannungsbereich. Zum Beispiel kann die erste Seite 3 eine Höherspannungslage umfassen und entsprechend ein erstes Spannungsniveau im Hochvolt- oder Mittelvoltbereich aufweisen. „Mittelvolt“ bezeichnet dabei eine Nennspannung größer als 12 Volt (Gleichspannung - DC), zum Beispiel von 48 Volt. „Hochvolt“ bezeichnet hingegen eine Nennspannung größer als 60 Volt (DC), wobei die Nennspannung in einem Hochvoltbordnetz üblicherweise größer als 100 Volt ist, also zum Beispiel in einem Bereich von 400 bis 800 Volt liegt. Die zweite Seite 4 kann eine Niederspannungslage umfassen und entsprechend ein zweites Spannungsniveau in Niedervoltbereich aufweisen. „Niedervolt“ bezeichnet eine Nennspannung, die höchstens 12 Volt (Gleichspannung) beträgt.
  • Zum Einstellen der gewünschten Nennspannung auf der ersten Seite 3 umfasst das Bordnetz 2 eine Energiespeichereinrichtung 5. Die Energiespeichereinrichtung 5 ist zum Beispiel eine Antriebsbatterie für einen nicht dargestellten elektrischen Antrieb (Elektromotor) des Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 kann somit als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Die Energiespeichereinrichtung 5 dient zur elektrischen Energieversorgung der zweiten Seite 4, also insbesondere der Baugruppen oder Verbraucher die der zweiten Seite 4 zugeordnet sind. Als Beispiele für solche Baugruppen oder Verbraucher sind vorliegend ein Lenksystem 6 und ein Bremssystem 7 des Fahrzeugs 1 dargestellt. Natürlich kann die zweite Seite 4 auch andere Baugruppen und/oder Systeme, wie zum Beispiel ein Fahrerassistenzsystem, ein Infotainmentsystem, eine Lichtsteuergerät, ein Scheinwerfer, eine Innenraumbeleuchtung und/oder sonstige vorgegebene Fahrzeugsysteme, die eine gewünschte Nutzung des Fahrzeugs 1 ermöglichen, umfassen.
  • Um elektrische Energie zwischen der ersten Seite 3 und der zweiten Seite 4 zu übertragen und somit das Spannungsniveau für die jeweilige Seite 3, 4 anzupassen, wird eine Wandlervorrichtung 8 eingesetzt. Die Wandlervorrichtung ist dabei als sogenannter Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgebildet. Auf die konkrete Topologie der Wandlervorrichtung 8 wird später mit Bezug auf 2 noch näher eingegangen.
  • Das Fahrzeug 1 soll im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Durchführen einer hochautomatisierten Fahrfunktion mit ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D) ausgebildet sein. Zudem soll ein x-by-wire-Betrieb des Fahrzeugs 1 möglich sein. x-by-wire bedeutet, dass das Fahrzeug 1 bestimmte Fahrfunktionen, wie zum Beispiel ein Fahrmanöver und/oder ein Lenkmanöver und/oder ein Bremsmanöver, auf rein elektronischer Basis ausführt. Es gibt zum Beispiel gesetzliche Bestimmungen, wie beispielsweise die Richtlinien ECE R79 und ECE R13, die vorgeben, wie derartige Betriebsfunktionen eines Fahrzeugs 1 umgesetzt werden sollen. Eine solche Vorgabe regelt zum Beispiel, dass ein dauerhafter sicherer und/oder hochverfügbarer elektrischer Betrieb von Verbrauchern, insbesondere sicherheitsrelevanten Verbrauchern, gewährleitet sein soll. Sicherheitsrelevante Verbraucher sind zum Beispiel Baugruppen oder Systeme, die für den reibungslosen, also für den Fahrer kontrollierbaren Fahrbetrieb und die reibungslose, also gefahrlose Funktion des Fahrzeugs vorgesehen sind und die Sicherheit für den Insassen und andere Verkehrsteilnehmer gewährleisten. Dazu zählen zum Beispiel das zuvor beschriebene Lenksystem 6 und das Bremssystem 7. Nichtsicherheitsrelevant sind hingegen Verbraucher, die beispielsweise dem Komfort der Insassen dienen. Dazu zählen zum Beispiel eine Sitzheizung, ein Radio und/oder eine Klimaanlage.
  • Um die Hochverfügbarkeit der Verbraucher zu realisieren, umfasst das Lenksystem 6, wie in 1 gezeigt, zwei redundant zueinander ausgebildete Lenkeinrichtungen 6a und 6b. Analog dazu umfasst das Bremssystem zwei zueinander redundant ausgebildete Bremseinrichtungen 7a und 7b. Mit redundant ist vorliegend gemeint, dass zwei oder mehr Baugruppen im Fehlerfall gegeneinander austauschbar sind. Ein Fehlerfall kann zum Beispiel ein Defekt, wie eine Überspannung oder Unterspannung oder ein Kurzschluss der jeweiligen Komponente, also der jeweiligen Einrichtung, sein. Somit erfüllen die Lenkeinrichtungen 6a und 6b beziehungsweise die Bremseinrichtungen 7a und 7b im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen, nämlich bei deren Betrieb ein Lenken beziehungsweise Bremsen des Fahrzeugs 1 zu ermöglichen.
  • Um zusätzlich eine redundante elektrische Energieversorgung der jeweils redundant zueinander ausgebildeten Verbraucher des Lenksystems 6 und des Bremssystems 7 umzusetzen, ist die Wandlervorrichtung 8 ebenfalls hochverfügbar ausgebildet. Somit kann die elektrische Energieversorgung der Verbraucher der zweiten Seite 4 allein aus der ersten Seite, also der Höherspannungsebene, erfolgen. Es braucht kein zusätzlicher Energiespeicher, wie zum Beispiel eine 12-Volt-Batterie, in das Bordnetz 2 integriert werden, um zum Beispiel die jeweils redundanten Verbraucher zum Betreiben mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • 2 zeigt beispielhaft, wie die Wandlertopologie der Wandlervorrichtung 8 für die hochverfügbare Energieversorgung oder Energieübertragung ausgebildet sein kann. Dazu ist in 2 ein schematischer Schaltplan mit beispielhaften elektronischen Bauteilen für die Wandlervorrichtung 8 dargestellt. Die Wandlervorrichtung 8 umfasst eingangsseitig, also im Bereich der ersten Seite 3, beispielhaft zwei erste Anschlüsse HV.1 bis HV.n. Die ersten Anschlüsse HV.1, HV.n bilden dabei zwei von 1 bis n Versorgungsanschlüsse, die die Höherspannungsebene umfassen kann. Jeder erste Anschluss HV.1, HV.n kann zum Beispiel zwei Anschlusskontakte oder Anschlusspole HV+.1, HV-.1, und HV+.n, HV-.n umfassen, die als Pluspol beziehungsweise Minuspol ausgebildet sind. Mittels der jeweiligen ersten Anschlüsse HV.1, HV.n kann die Wandlervorrichtung 8 elektrisch mit der Energiespeichereinrichtung 5 verbunden werden.
  • Die Energiespeichereinrichtung 5 kann für die redundante Energieversorgung zum Beispiel mehrere unabhängige Energiespeicher, also elektrisch getrennte Batteriemodule, umfassen. Jeder der ersten Anschlüsse HV.1, HV.n kann dabei an genau einen dieser Energiespeicher angeschlossen sein. Alternativ kann die Energiespeichereinrichtung 5 zum Beispiel rückwirkungsfreie Teile, also im Fehlerfall galvanisch trennbare Teilbereiche, umfassen. Jeder der ersten Anschlüsse HV.1, HV.n kann dann an einen dieser Teilbereiche angeschlossen sein.
  • Ausgangsseitig, also im Bereich der zweiten Seite 4, umfasst die Wandlervorrichtung 8 beispielhaft zwei zweite Anschlüsse NV.1, NV.t. Die zweiten Anschlüsse NV.1, NV.t bilden dabei zwei von 1 bis t Niedervoltausgänge, mittels denen die Wandlervorrichtung 8 an die jeweiligen Verbraucher der zweiten Seite 4 angeschlossen werden kann. Jeder zweite Anschluss NV.1, NV.t umfasst dazu beispielsweise zwei Anschlusskontakte oder Anschlusspole NV+.1, NV-.1, NV+.t, NV-.j, die jeweils einen Pluspol und einen Minuspol ausbilden. Die Minuspole NV-.1 bis NV-.j sind vorliegend auf eine gemeinsame Masse, also ein Potential GND geführt. Wie in der 2 dargestellt, braucht somit keine Zwangskopplung zwischen der Anzahl der NV+ und NV- Pole vorgesehen sein. Es können zum Beispiel mehr Pluspole als Minuspole vorgesehen sein, und umgekehrt. Natürlich kann die Anzahl der Pluspole aber der Anzahl der Minuspole entsprechen.
  • Jeweils zwei zweite Anschlüsse NV.1, NV.t sind im vorliegenden Beispiel einem Verbraucherpaar mit zwei sicherheitsrelevanten, redundanten Verbrauchern zugeordnet. Vorliegend sind somit zwei zweite Anschlüsse NV.1, NV.t dem Lenksystem 6 zugeordnet, wobei einer der Anschlüsse an die Lenkeinrichtung 6a und der andere der Anschlüsse an die Lenkeinrichtung 6b angeschlossen ist. Entsprechend sind zwei weitere zweite Anschlüsse (in 2 nicht dargestellt) sind dem Bremssystem 7 zugeordnet, wobei einer der Anschlüsse an die Bremseinrichtung 7a und der andere der Anschlüsse an die Bremseinrichtung 7b angeschlossen ist. Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Clusterbildung der Verbraucher denkbar. Das heißt, zwischen der Anzahl der NV+ und NV- Pole ist keine eins zu eins Zuordnung zu den Verbrauchern notwendig. So kann zum Beispiel eine beliebige vorgegebene Anzahl an verschiedene Verbrauchern, wie etwa ein Lenksystem und ein Bremssystem, ein Baugruppencluster bilden und an einen gemeinsamen NV-Anschluss angeschlossen sein.
  • Die Anzahl der 1 bis n Versorgungsanschlüsse und der 1 bis t Niedervoltausgänge können grundsätzlich frei gewählt werden. Insbesondere kann die Anzahl der Versorgungsanschlüsse unabhängig von der Anzahl der Niedervoltausgänge gewählt werden.
  • Zum elektrischen Koppeln der jeweiligen ersten Anschlüsse HV.1, HV.n mit den jeweiligen zweiten Anschlüssen NV.1, NV.t umfasst die Wandlervorrichtung 8 eine Gleichspannungswandlereinrichtung 9. Die Gleichspannungswandlereinrichtung 9 ist ausgebildet, beim Betreiben mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung L der Wandlervorrichtung 8 in einem vorgegebenen Wandlerbetrieb elektrische Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen HV.1, HV.n, NV.1, NV.t zu übertragen und dabei an das jeweilige Spannungsniveau anzupassen. Um nun die redundante Energieversorgung möglich zu machen, sind die zumindest zwei zweiten Anschlüsse NV.1, NV.t über eine gemeinsame Potentialschiene PS mit der Gleichspannungswandlereinrichtung 9 gekoppelt. Somit liegt an jedem Pluspol NV+.1 bis NV+.t dasselbe Potential an. Beim Betreiben in dem Wandlerbetrieb kann zwischen jedem ersten Anschluss HV.1, HV.n und jedem zweiten Anschluss NV.1, NV.t ein jeweiliger Übertragungspfad zum Übertragen der elektrischen Energie bereitgestellt sein. Das heißt, es kann von jedem ersten Anschluss HV.1, HV.n zu jedem zweiten Anschluss NV.1, NV.t und umgekehrt elektrische Energie übertragen werden. Insgesamt existieren somit mehrere verschiedene Übertragungspfade, sodass im Fehlerfall die redundant zueinander ausgebildeten Verbraucher beziehungsweise Einrichtungen 6a, 6b, 7a, 7b trotzdem weiterversorgt werden können.
  • Sofern mehr als drei zweite Anschüsse NV.1, NV.t vorhanden sind, kann die Potentialschiene PS, anders als in 2 dargestellt, beispielsweise in mehrere Teilpotentialschienen aufgeteilt oder unterteilt sein. Jeder Teilpotentialschiene kann dann zumindest einer der zweiten Anschlüsse NV.1, NV.t zugeordnet sein, wobei an einer der Teilpotentialschienen mindestens zwei zweite Anschlüsse NV.1, NV.t angeschlossen sind. Um die Unterteilung reversibel, also bei Bedarf einzustellen kann die Potentialschiene PS mittels einem oder mehreren Trennelementen, wie zum Beispiel einem Schaltelement, teilbar ausgebildet sein. Das heißt, die Potentialschiene PS kann im Bedarfsfall in mehrere unabhängige Teilbereiche oder Teilpotentialschienen unterteilt werden. Die jeweiligen Teilpotentialschienen sind elektrisch voneinander entkoppelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unterschiedliche Spannungsniveaus auf den NV+-Polen einstellen werden können. Zum Beispiel könnte an NV+.1 ein Potential von 15V abgreifbar sein, während an NV+.2 ein Potential von 12,5V abgreifbar ist.
  • Die Gleichspannungswandlereinrichtung 9 umfasst für die elektrische Kopplung funktionell betrachtet zwei Gleichspannungswandlerschaltungen 10a, 10b, Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dabei jedem ersten Anschluss HV.1, HV.n genau eine Gleichspannungswandlerschaltung 10a, 10b zugeordnet. Die Gleichspannungswandlerschaltungen 10a, 10b sind als galvanisch trennende DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler), wie sie in ihrer Topologie an sich bekannt sind, aufgebaut. Vorliegend sind die 1 bis n Versorgungsanschlüsse auf eine jeweilige Eingangsstufe der Gleichspannungswandlerschaltung 10a, 10b geführt. Jede der 1 bis n Eingangsstufen weist 1 bis y Primärphasen P1.1, P1.2, Pn.y auf. Die Anzahl der Primärphasen P1.1 bis Pn.y kann so gewählt sein, dass für die Wandlervorrichtung 8 ein wirkungsgradoptimaler Betrieb in sämtlichen Stromarbeitspunkten erreicht wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die erste Eingangsstufe zwei Primärphasen P1.1 und P1.2. Die beiden Primärphasen P1.1 und P1.2 der ersten Eingangsstufe sind in elektrischer Parallelschaltung an den ersten der ersten Anschlüsse HV.1 angeschlossen. Die n-te Eingangsstufe umfasst beispielhaft nur eine Primärphase Pn.y, die an den zweiten der ersten Anschlüsse HV.n angeschlossen ist.
  • Optional kann jede der Primärphasen P1.1 bis Pn.y separat oder mehrere Primärphasen P1.1 bis Pn.y gemeinsam über eine erste Schutzeinheit 14 an den jeweiligen Versorgungsanschluss angeschlossen sein. Die erste Schutzeinheit 14 umfasst zum Beispiel eines oder mehrere Schaltelemente zum Schutz gegen Unter- und/oder Überspannungen, sodass eine elektrische Verbindung im Fehlerfall getrennt werden kann. Vorliegend ist die jeweilige erste Schutzeinheit 14 durch zwei in Serie geschaltete Schaltelemente mit jeweils einer dazu in Parallelschaltung angeschlossenen Diode ausgebildet.
  • In 2 umfasst jede Primärphase P1.1 bis Pn.y eine Wechselrichterschaltung 13a und eine Filterschaltung 13b mit Spannungs- und Stromfiltern. Die jeweilige Wechselrichterschaltung 13a ist als Vollbrückenschaltung von Schaltelementen in Parallelschaltung zu einer Vollbrückenschaltung von Dioden ausgebildet. Die Stromfilterschaltung 13b umfasst zwei seriell geschaltete elektrische Kondensatoren, die in elektrischer Parallelschaltung an die jeweilige Wechselrichterschaltung 13a angeschlossen sind. Zudem ist eine elektrische Induktivität oder Spule seriell zwischen der Kondensatorschaltung und der Wechselrichterschaltung 13a angeschlossen.
  • Die jeweilige Wechselrichterschaltung 13a wird auf eine primärseitige Transformatorwicklung eines Transformators, der als galvanische Trenneinheit 11a, 11b der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung 9 dient, geführt. Der magnetische Fluss wird von einer sekundärseitigen Transformatorwicklung der Trenneinheit 11a, 11b aufgenommen. Hierdurch erreicht man die galvanische Trennung der Primär- von der Sekundärseite der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung. Die Windungszahl der Transformatorwicklung kann zwischen den Primärphasen P1.1 bis Pn.y von verschiedenen Eingangsstufen angepasst sein, um auf das gewünschte Spannungsniveau der Höherspannungsebene an den 1 bis n Versorgungsanschlüssen angepasst zu sein. Dadurch kann beim Betreiben des Transformators ein Energiefluss zwischen den 1 bis n Versorgungsanschlüssen erzeugt werden, der zum Beispiel für eine Vorladefunktion der Höherspannungsebene und/oder einem sogenannten Balancing der Energiespeichereinrichtung 5 genutzt werden kann.
  • Um die galvanische Trennung bei gleichzeitiger Energieübertragung zwischen den 1 bis n Versorgungsanschlüssen untereinander sowie zwischen der Höherspannungsebene und der Niederspannungsebene zu erreichen, werden alle Transformatorwicklungen magnetisch über ein Koppelelement 12 miteinander gekoppelt. Das Koppelelement 12 kann zum Beispiel einen oder mehrere magnetisch gekoppelte Eisenkerne oder Transformatorkerne umfassen. Beim Betreiben der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltungen 9 ergibt sich somit ein gemeinsamer magnetischer Fluss, sodass der gewünschte Übertragungspfad zwischen einem jeweiligen ersten Anschluss HV.1, HV.n und einem gewünschten zweiten Anschluss NV.1, NV.t erreicht werden kann.
  • Auf der Sekundärseite des Transformators befinden sich 1 bis m Ausgangsstufen, die jeweils wiederum 1 bis z Sekundärphasen S1.1 bis Sm.z aufweisen. Die 1 bis z Sekundärphasen S1.1 bis Sm.z sind an die Potentialschiene PS angeschlossen. In 2 umfasst die erste Ausgangsstufe zum Beispiel genau eine Sekundärphase S1.1. Die m-te Eingangsstufe umfasst hingegen zwei Sekundärphasen Sm.z-1, Sm.z. Die Sekundärphasen Sm.z-1 und Sm.z sind dabei in elektrischer Parallelschaltung an die Potentialschiene angeschlossen. Zur elektrischen Kopplung mit der jeweiligen Primärphase P1.1 bis Pn.y wird jede Sekundärphase S1.1 bis Sm.z auf eine sekundärseitige Transformatorwicklung geführt.
  • Die Anzahl der jeweiligen Primärphasen P1.1 bis Pn.y und der jeweiligen Sekundärphasen S1.1 bis Sm.z untereinander und gegeneinander kann abhängig von dem gewünschten Übertragungsverhalten und dem gewünschten Wirkungsgrad der Gleichspannungswandlereinrichtung 9 gewählt werden.
  • In 2 ist jede Sekundärphase S1.1 bis Sm.z als aktiver Gleichrichter ausgeführt und umfasst eine Gleichrichterschaltung 13c und eine zugeordnete Filterschaltung 13b zum Ermöglichen einer Spannungs- und Stromfilterung. Die jeweilige Gleichrichterschaltung 13c ist analog zu der jeweiligen Wechselrichterschaltung 13a in der Primärphase P1.1 bis Pn.y ausgebildet und umfasst in einer Vollbrückenschaltung mehrere Schaltelemente und Dioden. Die jeweilige Filterschaltung 13b umfasst drei in Parallelschaltung an die jeweilige Gleichrichterschaltung 13c angeschlossene Kondensatorschaltungen mit zwei seriell geschalteten Kondensatoren. In Serie zwischen zwei der Kondensatorschaltungen ist zudem eine elektrische Induktivität angeschlossen.
  • Optional kann jede Sekundärphase S1.1 bis Sm.z separat oder mehrere Sekundärphasen S1.1 bis Sm.z gemeinsam über eine zweite Schutzeinheit 15 an die Potentialschiene PS angeschlossen sein. Die jeweilige zweite Schutzeinheit 15 kann analog zu der ersten Schutzeinheit 14 aufgebaut sein.
  • Zusätzlich oder alternativ können auch die 1 bis t Niedervoltausgänge jeweils rückwirkungsfrei mittels einer dritten Schutzeinheit 16 an die Potentialschiene PS angeschlossen werden. Die Rückwirkungsfreiheit kann mittels der dritten Schutzeinheit 16 über einen Unterspannungsschutzschalter, dem optional ein strombegrenzender Bypasspfad parallelgeschaltet ist, erreicht werden. Bei Fehlern, wie zum Beispiel einem Kurzschluss, an einem der zweiten Anschlüsse NV1 bis NVt oder dem dahinter angeschlossenen Teilenergienetz, also dem Niedervoltnetz, kann der zugehörige Unterspannungsschutzschalter geöffnet werden. Dadurch kann kein kritischer Stromfluss von der Potentialschiene zur Fehlerstelle übertragen werden und somit keine kritische Unterspannung auf der Potentialschiene PS entstehen. Kritisch ist der Strom beispielsweise dann, wenn er zu einer Unterspannung an mindestens einem weiteren Ausgang oder Anschluss führt, welcher somit zu einem Ausfall sicherheitsrelevanter Funktionen führt.. Der strombegrenzende Bypasspfad dient hingegen der Ruhestromversorgung des jeweiligen Niedervoltausgangs 1 bis t. Die Ruhestromversorgung ist zum Beispiel dann notwendig, wenn sich das Fahrzeug beziehungsweise dessen Baugruppen oder Verbraucher in einem Ruhezustand befindet. In dem Ruhezustand weisen die Verbraucher des Bordnetzes dabei im Vergleich zu einem Normalbetrieb einen geringeren Leistungsbedarf auf. Ein solcher Ruhezustand wird auch als Standby bezeichnet. Gemäß 2 umfasst der Bypasspfad dazu einen elektrischen Widerstands in Serienschaltung zu einer Diode. Alternativ dazu kann die Ruhestromversorgung zum Beispiel mittels Schaltelementen realisiert werden. Die jeweilige dritte Schutzeinheit 16 kann entfallen, wenn die Rückwirkungsfreiheit des angeschlossenen Niedervoltnetzes im Niedervoltnetz selbst nach der notwenigen Integrität, wie zum Beispiel dem notwendigen ASIL realisiert wird. Dann kann der jeweilige Niedervoltausgang, also der jeweilige zweite Anschluss NV.1 bis NV.t direkt an die Potentialschiene PS angeschlossen werden. Auf die Ruhestromversorgung wird später noch näher eingegangen.
  • Um die elektrische Energie zu übertragen, können die Schaltelemente der Gleichspannungswandlereinrichtung 9 in einem Schaltbetrieb betrieben werden. In dem Schaltbetrieb könnend die Schaltelemente nach einem vorgegebene Taktmuster von einem eingeschalteten Schaltzustand in einen ausgeschalteten Schaltzustand und umgekehrt versetzt werden. Der Schaltbetrieb entspricht somit dem zuvor erwähnten Wandlerbetrieb der Wandlervorrichtung 8. Die Ansteuerung der Schaltelemente der Gleichspannungswandlereinrichtung 9 kann mittels der Steuereinrichtung L erfolgen. Zusätzlich können mittels der Steuereinrichtung L natürlich auch die Schaltelemente der Schutzeinheiten 14, 15 oder sonstige Schaltelemente der Wandlervorrichtung 8 angesteuert oder umgeschaltet werden.
  • Die Steuereinrichtung L zum Beispiel 1 bis k Logikeinheiten, also eine oder mehrere Logikeinheiten L1 bis Lk, umfassen. Jede Logikeinheit L1 bis Lk kann ein eigenes Steuergerät darstellen. Zum Beispiel kann eine der Logikeinheiten L1 bis Lk zum Betreiben der Gleichspannungswandlereinrichtung 9 vorgesehen sein, während eine andere der Logikeinheiten zum Betreiben der Schutzeinheiten 14, 15 ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann für jede der Gleichspannungswandlerschaltungen 10a, 10b und/oder jede der Primär -und/oder Sekundärphasen eine separate Logikeinheit vorgesehen sein. Die jeweilige Logikeinheit L1 bis Lk kann zum Beispiel als Mikrocontroller, SBC, ASIC, Treiber, Kommunikationseinheit, diskrete Hardwareschaltung, Watchdog oder ein anderes vorgegebenes Steuergerät ausgebildet sein.
  • Die 1 bis k Logikeinheiten können über strombegrenzende Spannungsversorgungspfade, die jeweils eine weitere Schutzeinheit 18 darstellen, aus der Potentialschiene PS versorgt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einem Fehler in einer der Logikeinheiten L1 bis Lk, also beim Vorliegen eines entsprechenden Fehlerfalls, kein kritischer Stromfluss von der Potentialschiene PS zur Fehlerstelle und somit keine kritische Unterspannung auf der Potentialschiene PS entstehen kann. Die jeweilige Schutzeinheit 18 kann für die Strombegrenzung eine Strombegrenzungsschaltung umfassen, die vorliegend beispielsweise aus einem Widerstand seriell zu einer Diode aufgebaut ist. In Parallelschaltung zu der Strombegrenzungsschaltung kann zusätzlich ein Schaltelement als Trennschalter vorgesehen sein. Dadurch kann für einen fehlerfreien Betrieb der Logikeinheiten L1 bis Lk eine niederohmige Spannungsversorgung sichergestellt werden. Bei Fehlen einer der Logikeinheiten L1 bis Lk, die zur kritischen Unterspannung auf der Potentialschiene PS führen kann, wird das Schaltelement geöffnet und somit auch der Spannungsversorgungspfad der jeweiligen Logikeinheit im Stromfluss begrenzt. Die Strombegrenzung kann alternativ beispielsweise nur mittels des Schaltelements realisiert sein.
  • Um Leistungseinschränkungen oder Leistungsschwankungen in der Energieübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite auszugleichen und die Weiterversorgung der 1 bis t Niedervoltausgänge, also der zweiten Anschlüsse NV.1 bis NV.t, nach der geforderten Integrität zu gewährleisten, kann die Potentialschiene PS optional über 1 bis r integrierte, abtrennbare Energiespeicher ES1 bis ESr gestützt werden. Solche Leistungsschwankungen können zum Beispiel bei Ab- oder Umschaltvorgängen im Höherspannungsnetz oder Ab- oder Umschaltvorgängen in der Wandlervorrichtung 8 selbst oder Ab- oder Umschaltvorgängen im Niederspannungsnetz auftreten. Die Energiespeicher ES1 bis ESr können zum Beispiel eine oder mehrere zur Energiespeicherung ausgelegte Bauteile, wie zum Beispiel Kondensatoren, Doppelschichtkondensatoren oder Batteriezellen umfassen. Die Energiespeicherkapazität der Energiespeicher ES1 bis ESr ist dabei ausgelegt kurzzeitig die notwendige Energie bzw Leistung bereitzustellen, also zum Beispiel für den Ausgleich der Leistungsschwankung . Insbesondere eignen sich die Energiespeicher ES1 bis ESr nicht, um die Verbraucher der Niedervoltseite über einen längeren Zeitraum von zum Beispiel mehr als 30 Sekunden mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Energiespeicher ES1 bis ESr dienen somit lediglich zur Unterstützung der Energieversorgung aus dem Hochvoltnetz und sind insbesondere keine zu dem Hochvoltnetz, also der Energiespeichereinrichtung 5, redundant ausgebildete Energieversorgungsquellen.
  • Wie in 2 gezeigt, können die Energiespeicher ES1 bis ESr in eine Zwischenspeicherschaltung der Wandlervorrichtung 8 integriert sein. Diese umfasst einer strombegrenzenden Vorladeschaltung 17 als Trennelement oder Schutzschaltung über die die Energiespeicher ES1 bis ESr an die Potentialschiene PS angeschlossen sind. Die Vorladeschaltung 17 umfasst gemäß 2 ein Schaltelement in Parallelschaltung zu einer Diode. Mittels der Vorladeschaltung 17 können die Energiespeicher bei Bedarf, als zum Beispiel für die Unterstützung der Energieversorgung, an die Potentialschiene PS elektrisch gekoppelt oder zum Beispiel im Fehlerfall davon entkoppelt werden. Zudem kann die Vorladeschaltung verwendet werden, um die Energiespeicher ES1 bis ESr auf die notwendige Betriebsspannung vorzuladen, damit diese für die Energieversorgungsunterstützung eingesetzt werden können. Alternativ kann das Vorladen zum Beispiel durch Takten eines Trennschalters als Schaltelement erfolgen.
  • Um neben einem Normalbetrieb auch einen wirkungsgradoptimalen Ruhestrombetrieb des Fahrzeugs mittels der Wandlervorrichtung 8 erreichen zu können, kann die Gleichspannungswandlereinrichtung 9 zusätzlich eine Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c aufweisen. Der Ruhestrombetrieb oder die Ruhestromversorgung ist zum Beipsiel dann notwendig, wenn sich das Fahrzeug 1 beziehungsweise die Verbraucher des Bordnetzes 2 in einem Ruhezustand befinden. Der Ruhezustand liegt zum Beispiel vor, wenn das Fahrzeug geparkt oder abgestellt ist und sich somit im Fahrzeugstillstand befindet. In dem Ruhestrombetrieb, also beim Ruhezustand des Fahrzeugs, können alle für den Fahrzeugstillstand nicht benötigten Verbraucher, insbesondere deren zugeordnete Steuergeräte abgeschaltet sein. Dazu gehören zum Beispiel auch die Logikeinheiten L1 bis Lk. Nur die notwendigen Steuergeräte, also zum Beispiel ein zentraler Bordcomputer des Fahrzeugs 1 und/oder diejenige Logikeinheit L1 bis Lk, die zum Betreiben der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c genutzt wird, bleibt im Betrieb. Dadurch kann erreicht werden, dass das Fahrzeug 1 jederzeit ohne längere Wartezeit wieder aktiviert, also in den Normalbetrieb versetzt werden kann.
  • Die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c kann einen separaten ruhestromoptimierten, das heißt auf kleine Ströme optimierten Übertragungspfad bilden. Ein solcher Ruhestrom liegt zum Beispiel im Bereich bis zu 1 Milliampere oder bis zu 100 Milliampere. Bezogen auf die Topologie kann die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c analog zu den übrigen Gleichspannungswandlerschaltungen 10a und 10b aufgebaut sein. Allerdings sind die Bauteile der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c auf geringere Leistungen ausgelegt. Das heißt, die Bauteile sind weniger belastbar und halten kleinere Stromstärken aus. Der Wirkungsgrad oder die maximale Effizienz der Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c liegt somit im Bereich des Ruhestroms für das Fahrzeug 1. Im Gegensatz dazu liegt die maximale Effizienz der übrigen Gleichspannungswandlerschaltungen 10a, 10b im Bereich des Normalbetriebs des Fahrzeugs, also dann, wenn die Verbraucher für ihre bestimmungsgemäße Nutzungsfunktion eingesetzt werden.
  • Analog zu den übrigen Gleichspannungswandlerschaltungen 10a, 10b ist die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c mit einer jeweiligen Primärphase P0 an den jeweiligen ersten Anschlüssen HV.1, HV.n angeschlossen. Eine jeweilige Sekundärphase S0 ist an die Potentialschiene PS angeschlossen. Somit kann der optionale separate ruhestromoptimierte Übertragungspfad ebenfalls in die Potentialschiene PS einspeisen.
  • Alternativ kann die Ruhestromversorgung der Fahrzeugkomponenten zum Beispiel über den singulären Betrieb einer oder mehrerer Primär- und Sekundärphasen wirkungsgradoptimal dargestellt werden. In jedem Ruhestromzyklus kann dabei eine andere Primär- und Sekundärphase verwendet werden, um eine möglichst gleichmäßige Belastung der internen und externen Bauelemente und Bauteile zu erreichen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann in jedem Ruhestromzyklus eine andere Logikeinheit L1 bis Lk für das Betrieben der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung 10a, 10b, 10c aktiv bleiben. So kann eine gleichmäßige Belastung der Logikbausteine, also der Logikeinheiten L1 bis Lk, im Ruhestrombetrieb ermöglicht werden.
  • Die in dem Ausführungsbeispiel eingesetzten Schaltelemente können durch eine beliebige Parallel- und/oder Serienschaltung von Einzelschaltern realisiert sein, um die notwendige Stromtragfähigkeit und/oder den optimalen Betriebsarbeitspunkt zum Beispiel bezüglich eines Wirkungsgrads und einer Lebensdauer und die geforderten Hardwaremetriken beziehungsweise den notwendigen ASIL zu erreichen. Die Schaltelemente können normally closed oder normally open ausgeführt sein. Je nach Funktionsgruppe können die Schaltelemente zum Beispiel als Halbleiterschalter, wie zum Beispiel MOSFETS oder Thyristoren oder andere gleichwertige Schaltelemente realisiert sein.
  • Um den Wechsel zwischen dem Ruhezustand und dem Normalbetrieb des Fahrzeugs durchzuführen, kann für die Steuereinrichtung L eine Wakeup-Logik, also eine Aufwachroutine, implementiert sein. Die Wakeup-Logik kann zum Beispiel mittels einer Prozessorschaltung der jeweiligen Logikeinheit L1 bis Lk ausgeführt werden. Dazu kann die Wakeup-Logik zum Beispiel in einem Programmcode, der in einem Datenspeicher hinterlegt ist, implementiert sein. Es können verscheiden Varianten der Wake-up Logik vorgesehen sein.
  • Gemäß der ersten Variante kann die Wakeup-Logik für das Gesamtsystem „Fahrzeug“ direkt in der Wandlervorrichtung 8 umgesetzt werden. Dabei kann die Steuereinrichtung L ein externes Triggerereignis oder Auslöseereignis erfassen. Das Triggerereignis kann zum Beispiel ein Funksignal eines funkgesteuerten Fahrzeugschlüssels oder ein elektrisches Signal durch Aktivieren einer Zündung des Fahrzeugs sein. Zum Erfassen des Triggerereignisses kann die Wandlervorrichtung 8 eine Detektionseinheit 19 umfassen. Die Detektionseinheit 19 kann zum Beispiel ein Funkmodul oder eine Messvorrichtung mit einem oder mehreren Sensoren zum Überwachen eines Leistungsbedarfs der zweiten Seite 4 umfassen. Wird das Triggerereignis mittels der Detektionseinheit 19 erfasst, kann die jeweils für den Ruhestrombetrieb aktivierte Logikeinheit L1 bis Lk die übrigen Logikeinheiten aktivieren. Dadurch kann der vollständige Betrieb der Wandlervorrichtung 8 bei voller Stromtragefähigkeit hergestellt werden. Erst nachdem die Wandlervorrichtung 8 die notwendige Leistungsfähigkeit erreicht hat, werden mittels der Steuereinrichtung L alle weiteren Fahrzeugkomponenten aus dem Ruhestrommodus aufgeweckt. Dazu kann die Steuereinrichtung L zum Beispiel ein Aufwecksignal an die zugeordneten Steuergeräte der Verbraucher beziehungsweise Komponenten des Bordnetzes 2 senden. Das Aufwecksignal kann zum Beispiel über den jeweiligen ersten oder zweiten Anschluss HV.1, HV.n, NV.1, NV.t bereitgestellt werden. Alternativ kann das Aufwecksignal über eine zusätzliche Kommunikationsleitung übertragen werden.
  • Gemäß einer zweiten Variante, kann die Wakeup-Logik in einem wandlervorrichtungsexternen Steuergerät, also beispielweise einer fahrzeuginternen Steuervorrichtung, wie zum Beispiel einem zentralen Bordcomputer des Fahrzeugs implementiert sein. Das heißt, das externe Steuergerät kann das Triggerereignis und somit den gewünschten Fahrzeug-Wakeup erkennen. Daraufhin kann das externe Steuergerät der Wandlervorrichtung 8 den Fahrzeug-Wakeup signalisieren. Das heißt, die Steuereinrichtung L beziehungsweise deren Logikeinheit L1 bis Lk können mittels eines Aufwecksignals von dem externen Steuergerät aufgeweckt und in den Normalbetrieb versetzt werden. Erst nachdem die Wandlervorrichtung 8 die notwendige Leistungsfähigkeit erreicht hat, werden mittels des externen Steuergeräts die übrigen Fahrzeugkomponenten aus ihrem Ruhezustand aufgeweckt. Um dem externen Steuergerät die vollständige Leistungsfähigkeit der Wandlervorrichtung 8 zu signalisieren, kann die Steuereinrichtung L ein entsprechendes Bestätigungssignal bereitstellen.
  • In den zuvor beschriebenen Varianten ging es somit darum, zuerst die Wandlervorrichtung auf die volle Leistungsfähigkeit zu bringen und danach die übrigen Fahrzeugkomponenten aus dem Ruhezustand zu holen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Energieversorgung mittels der Wandlervorrichtung 8 bei Bedarf durch die übrigen Verbraucher der Niedervoltseite vollständig bereitgestellt werden kann.
  • In einer dritten Variante für den Wakeup ist nun vorgesehen, dass zuerst die übrigen Komponenten des Bordnetzes 2 in den Normalbetrieb versetzt werden und erst danach die Wandlervorrichtung 8 aus dem Ruhezustand geholt wird. Dazu können der zuvor beschriebene Ruhestrompfad, also die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung 10c, und/oder die integrierten Energiespeicher ES1 bis ESr zumindest für die Zeit des Aufweckvorgangs oder des Startvorgangs Bordnetzkomponenten eine derartige Leistungsfähigkeit und gegebenenfalls eine Überlastfähigkeit aufweisen, sodass eine Versorgung der zweiten Anschlüsse NV.1 bis NV.t bis zur vollständigen Leistungsfähigkeit der Wandlervorrichtung 8 sichergestellt ist.
  • Die Wandlervorrichtung 8 kann dabei, wie zuvor beschrieben, durch ein externes Steuergerät aus dem Ruhezustand geweckt werden. Alternativ kann die Wandlervorrichtung 8 eine integrierte Ruhestromüberlasterkennung aufweisen, mit der der erhöhte Leistungsbedarf in der Niedervoltseite detektiert werden kann. Wird im Ruhezustand der Wandlervorrichtung 8 nun ein entsprechend erhöhter Leistungsbedarf detektiert, kann die Steuereinrichtung L den Betrieb der Wandlervorrichtung 8 für den Normalbetrieb aufnehmen.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein hochverfügbarer DC/DC-Wandler für ein Energiebordnetzkonzept ohne 12-Volt-Batterie umgesetzt werden kann, um zum Beispiel eine hochautomatisierte Fahrfunktion oder einen x-by-wire-Betrieb des Fahrzeugs 1 zu ermöglichen.

Claims (10)

  1. Wandlervorrichtung (8) zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz (2) eines Fahrzeugs (1), umfassend - entweder zumindest einen ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und zumindest zwei zweite Anschlüsse (NV.1, NV.t), oder - zumindest zwei erste Anschlüsse (HV.1, HV.n) und zumindest einen zweiten Anschluss (NV.1, NV.t), wobei - der jeweilige erste Anschluss zum Anschließen einer jeweiligen Energieversorgungseinrichtung (5) des Fahrzeugs (1), die einer ersten Seite (3) des Bordnetzes (2) mit einem ersten Spannungsniveau zugeordnet ist, ausgebildet ist, und - der jeweilige zweite Anschluss zum Anschließen von einer jeweiligen für einen Fahrzeugbetrieb des Fahrzeugs (1) sicherheitsrelevanten Baugruppe (6a, 6b, 7a, 7b), die einer zweiten Seite (4) des Bordnetzes (2) mit einem von dem ersten Spannungsniveau verschiedenen zweiten Spannungsniveau zugeordnet ist, und - eine Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zum elektrischen Koppeln der jeweiligen ersten Anschlüsse (HV.1, HV.n) mit den jeweiligen zweiten Anschlüssen (NV.1, NV.t), welche ausgebildet ist, beim Betreiben mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung (L) in einem vorgegebenen Wandlerbetrieb elektrische Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen (HV.1 , HV.n, NV.1, NV.t) zu übertragen und dabei an das jeweilige Spannungsniveau anzupassen, wobei - alle zweiten Anschlüsse (NV.1, NV.t) über eine gemeinsame Potentialschiene (PS) mit der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) und den jeweiligen ersten Anschlüssen (HV.1, HV.n) gekoppelt sind, sodass zwischen jedem ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und jedem zweiten Anschluss (NV.1, NV.t) ein jeweiliger Übertragungspfad zum Übertragen der elektrischen Energie bereitgestellt ist.
  2. Wandlervorrichtung (8) nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zum Bereitstellen des jeweiligen Übertragungspfads eine jeweilige Gleichspannungswandlerschaltung (10a, 10b) mit galvanischer Trennung umfasst, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zum Bilden der jeweiligen Gleichspannungswandlerschaltung (10a, 10b) für jeden ersten Anschluss (HV.1, HV.n) eine Primärstufe mit zumindest einer Primärphase (P1.1, P1.2, Pn.y), die an den jeweiligen ersten Anschluss (HV.1, HV.n) angeschlossen ist, umfasst, und für jeden zweiten Anschluss (NV.1, NV.t) eine Sekundärstufe mit zumindest einer Sekundärphase (S1.1, Sm.z-1, Sm.z), die an die Potentialschiene (PS) angeschlossen ist, umfasst, wobei die jeweilige Primärstufe und die jeweilige Sekundärstufe mittels einer jeweiligen galvanischen Trenneinheit (11 a, 11 b) miteinander gekoppelt sind, und alle galvanischen Trenneinheiten (11 a, 11b) mittels eines Koppelelements (12) elektromagnetisch gekoppelt sind, und dadurch beim Betreiben der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) in dem Wandlerbetrieb einen gemeinsamen magnetischen Fluss aufweisen.
  3. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zumindest eine Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung (10c) mit galvanischer Trennung umfasst, die jeweils einem Ruhestrom-Übertragungspfad zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung (10c) eine Primärstufe mit zumindest einer Primärphase (P0) zum Anschließen an den jeweiligen ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und eine Sekundärstufe mit zumindest einer Sekundärphase (S0) zum Anschließen mittels der Potentialschiene (PS) an den jeweiligen zweiten Anschluss (NV.1, NV.t), wobei die jeweilige Primärstufe und die jeweilige Sekundärstufe mittels einer galvanischen Trenneinheit (11 c) miteinander gekoppelt sind, und die jeweilige Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung (10c) für eine Verlustleistung ausgelegt ist, deren Minimalwert vorliegt, wenn das Fahrzeug (1) einen vorgegebenen Ruhezustand aufweist, bei welchem das Bordnetz (2) einen Leistungsbedarf in einem vorgegebenen Ruhestrombereich aufweist, der gegenüber einem Leistungsbedarf in einem bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs (1) reduziert ist.
  4. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlervorrichtung (8) zumindest eine Zwischenspeicherschaltung zum Ausgleichen von Leistungsschwankungen beim Übertragen der elektrischen Energie zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen (HV.1, HV.n, NV.1, NV.t) umfasst, wobei die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung mittels eines Trennelements (17) zum elektrischen Trennen oder Verbinden an die Potentialschiene (PS) angeschlossen ist, und die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung für eine maximale Energiespeicherkapazität ausgelegt ist, die höchstens ausreicht, um das Bordnetz (2) für einen vorgegebenen Zeitraum einer Leistungsschwankung mit elektrischer Energie zu versorgen, der gegenüber einem Zeitraum für einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs (1) reduziert ist.
  5. Wandlervorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Wandlervorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, zeitlich nach den übrigen Komponenten des Bordnetzes (2) von einem Ruhezustand in einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden, und einerseits die zumindest eine Zwischenspeicherschaltung für eine maximale Energiespeicherkapazität ausgelegt ist, die höchstens ausreicht, um das Bordnetz (2) für einen vorgegebenen Zeitraum eines vorgegebenen Aufweckvorgangs, bei dem das Bordnetz (2) von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt wird, mit elektrischer Energie zu versorgen, der gegenüber einem Zeitraum für einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb des Fahrzeugs (1) reduziert ist, und/oder andererseits die Ruhestrom-Gleichspannungswandlerschaltung (10c) für eine Verlustleistung ausgelegt ist, deren Minimalwert angepasst ist an einen Leistungsbedarf der übrigen Komponenten des Bordnetzes (2) während eines vorgegebenen Aufweckvorgangs, bei dem diese von dem Ruhezustand in den bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt werden.
  6. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wandlervorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, zeitlich vor den übrigen Komponenten des Bordnetzes (2) von einem Ruhezustand in einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden, und hierzu die Steuereinrichtung (L) eine Kommunikationseinheit zum Empfangen eines Aufwecksignals einer wandlervorrichtungsexternen Steuervorrichtung des Fahrzeugs (1) umfasst, welches angibt, dass die Wandlervorrichtung (8) in den Normalbetrieb versetzt werden soll, und die Steuereinrichtung (L) ausgebildet ist, einerseits in Abhängigkeit von dem Aufwecksignal eine Aufweckroutine zum Einstellen des bestimmungsgemäßen Normalbetriebs auszuführen, und andererseits in Abhängigkeit von der Aufweckroutine ein Bestätigungssignal an die wandlervorrichtungsexternen Steuervorrichtung bereitzustellen, welches angibt, dass die Wandlervorrichtung (8) den Normalbetrieb aufweist.
  7. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 oder 6, wobei die Wandlervorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, zeitlich vor den übrigen Komponenten des Bordnetzes (2) von einem Ruhezustand in einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb versetzt zu werden, und hierzu die Steuereinrichtung (L) eine Detektionseinheit (19) zum Detektieren eines Auslöseereignisses einer wandlervorrichtungsexternen oder fahrzeugexternen Steuervorrichtung umfasst, welches angibt, dass das Fahrzeug (1) in den Normalbetrieb versetzt werden soll, und die Steuereinrichtung (L) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem detektierten Auslöseereignis eine Aufweckroutine auszuführen und hierbei zuerst die übrigen Komponenten der Wandlervorrichtung (8) und danach die Komponenten des Bordnetzes (2) aus einem Ruhezustand in einen bestimmungsgemäßen Normalbetrieb zu versetzen.
  8. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen ersten Anschlüsse (HV.1, HV.n) mittels einer ersten Schutzeinheit (14) an die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) und/oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse (NV.1, NV.t) über die Potentialschiene (PS) mittels einer zweiten Schutzeinheit (15) an die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) und/oder die jeweiligen zweiten Anschlüsse (NV.1, NV.t) mittels einer dritten Schutzeinheit (16) an die Potentialschiene (PS) angeschlossen sind, wobei die erste und zweite und dritte Schutzeinheit (14, 15, 16) ausgebildet sind, beim Vorliegen eines vorgebenden Fehlerfalls eine elektrische Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschluss und/oder der zugeordneten Potentialschiene (PS) und/oder der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zu trennen.
  9. Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (L) zumindest zwei redundant zueinander ausgebildete Logikeinheiten (L1, Lk) aufweist, die jeweils an die Potentialschiene (PS) angeschlossen sind, und die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) in dem vorgegebenen Wandlerbetrieb ausgebildet ist, die Steuereinrichtung (L) mit elektrischer Energie zu versorgen.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung (8) zur elektrischen Energiewandlung für ein Bordnetz (2) eines Fahrzeugs, wobei die Wandlervorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, und mittels einer Prozessorschaltung einer Steuereinrichtung (L) der Wandlervorrichtung (8) in einem Normalbetrieb ein Steuersignal an die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) der Wandlervorrichtung (8) bereitgestellt wird und dadurch die Gleichspannungswandlereinrichtung (9) in einem vorgegebenen Wandlerbetrieb betrieben wird, um elektrische Energie zwischen jeweiligen ersten und zweiten Anschlüssen (HV.1, HV.n, NV.1, NV.t) zu übertragen und dabei an ein jeweiliges Spannungsniveau anzupassen, wobei alle zweiten Anschlüsse (NV.1, NV.t) der Wandlervorrichtung (8) über die gemeinsame Potentialschiene (PS) mit der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) und den jeweiligen ersten Anschlüssen (HV.1, HV.n) gekoppelt sind, sodass in dem vorgegebenen Wandlerbetrieb der Gleichspannungswandlereinrichtung (9) zwischen jedem ersten Anschluss (HV.1, HV.n) und jedem zweiten Anschluss (NV.1, NV.t) ein jeweiliger Übertragungspfad zum Übertragen der elektrischen Energie bereitgestellt wird.
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