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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Hochspannungsnetz sowie ein Niedrigspannungsnetz, wobei die Betriebsspannung des Niedrigspannungsnetzes niedriger als die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes ist, und zwei das Niedrigspannungsnetz mit dem Hochspannungsnetz verbindende Gleichspannungswandler, wobei jeder der Gleichspannungswandler eine Reglereinheit zum Regeln auf die Betriebsspannung des Niedrigspannungsnetzes aufweist und die Gleichspannungswandler räumlich getrennt in dem Kraftfahrzeug angeordnet sind. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs.
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Viele moderne Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrokraftfahrzeuge und Hybridkraftfahrzeuge, nutzen wenigstens zwei Bordnetze, insbesondere ein Hochspannungsnetz und ein Niedrigspannungsnetz. Die Spannung des Niedrigspannungsnetzes liegt dabei üblicherweise bei einer herkömmlich für Bordnetze bekannten niedrigeren Spannung, beispielsweise bei 12 V oder auch 48 V. Hochspannungsnetze, an die üblicherweise bei elektrisch antriebbaren Kraftfahrzeugen eine entsprechende elektrische Maschine angeschlossen ist, nutzen deutlich höhere Werte für die Betriebsspannungen, beispielsweise über 200 V, insbesondere im Bereich von 350 bis 860 V. An Hochspannungsnetze ist üblicherweise eine Hochspannungsbatterie, aus der das Hochspannungsnetz gespeist werden kann, angeschlossen.
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Um Energie aus dem Hochspannungsnetz auch im Niedrigspannungsnetz verfügbar zu machen, wurde vorgeschlagen, einen Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Niedrigspannungsnetz vorzusehen. Auf diese Weise ist es beispielsweise denkbar, auf eine eigene Batterie im Niedrigspannungsnetz sogar zu verzichten. Der Gleichspannungsregler regelt dabei bevorzugt so, dass die Betriebsspannung des Niedrigspannungsnetzes, beispielsweise 12 V, erhalten bleibt. Das bedeutet, bei hohen Lastanforderungen kann mehr Energie aus dem Hochspannungsnetz zugeführt werden, während bei niedrigen Lastanforderungen der Verbraucher des Niedrigspannungsnetzes weniger elektrische Leistung aus dem Hochspannungsnetz bereitgestellt wird bzw. ein Leistungstransfer auch gänzlich entfallen kann. Denkbar ist es grundsätzlich auch, zumindest kurzzeitig ein Leistungsdefizit in dem Hochspannungsnetz aus dem Niedrigspannungsnetz auszugleichen.
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Insbesondere im Hinblick auf zur vollständig automatischen Fahrzeugführung ausgebildete Fahrzeugfunktionen, die durch entsprechende Fahrzeugsysteme bereitgestellt werden können, also sogenanntes „autonomes Fahren“, steigen die Sicherheits- und Redundanzanforderungen in Kraftfahrzeugen deutlich an. Beispielsweise existiert mit ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ein Standard, an dem sich Sicherheitsanforderungen für Komponenten in Kraftfahrzeugen orientieren können. Beispielsweise sind durch den ASIL-Standard verschiedene Sicherheitsklassen definiert, wobei Komponenten, um zu diesen Sicherheitsklassen zu gehören, bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Bezüglich eines Gleichspannungswandlers, insbesondere im Kontext des autonomen Fahrens, wird hierzu üblicherweise gefordert, dass dieser erhöhte Sicherheitsanforderungen bezüglich der Verfügbarkeit (Ausfallsicherheit) erfüllt. Nichtsdestotrotz wurde zur weiteren Erhöhung der Sicherheit inzwischen auch eine redundante Ausgestaltung vorgeschlagen, in der zwei Gleichspannungswandler, die das Hochspannungsnetz und das Niedrigspannungsnetz verbinden, vorliegen. Dabei kann einer der Gleichspannungswandler höhere Sicherheitsanforderungen erfüllen als der andere, so dass beispielsweise ein ASIL-Wandler und ein QM-Wandler als Gleichspannungswandler vorgesehen werden können.
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Der Sicherheit hinsichtlich dieser Redundanz ist es auch zuträglich, die beiden Gleichspannungswandler an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs anzuordnen, so dass beispielsweise bei unfallbedingter Beschädigung eines Gleichspannungswandlers nicht zwangsläufig auch der andere Gleichspannungswandler beschädigt wird. Anders ausgedrückt kann gesagt werden, dass beide Gleichspannungswandler in das gleiche Niedrigspannungsnetz hineinarbeiten, aber in der Regel an verschiedenen geometrischen Punkten.
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An das Niedrigspannungsnetz sind ferner verschiedenste Verbraucher angeschlossen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu- oder abschalten. Bei Verwendung von zwei Gleichspannungswandlern kann dies zu Schwingungen bei der Ausregelung dieser Gleichspannungswandler führen, da beide versuchen, das Bordnetz von verschiedenen Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs aus zu regeln, insbesondere also von verschiedenen Knotenpunkten aus. Erfolgen die Ausregelversuche zu schnell, können sich die beiden Gleichspannungswandler aufschaukeln, wird jedoch zu langsam geregelt, besteht die Gefahr, dass die Spannung im Niedrigspannungsnetz zu weit abfällt und sicherheitsrelevante, primäre Komponenten, beispielsweise Lenkung und/oder Bremse, nicht mehr ausreichend mit elektrischer Leistung versorgt werden können. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn ein kritischer Fahrzustand auftritt, der meist eine plötzliche hohe Lastanforderung im Niedrigspannungsnetz zur Folge hat.
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EP 3 751 715 A1 betrifft ein Steuersystem für ein Batteriesystem. Dabei weist ein N-Phasen-Gleichspannungswandler N Einzelphasen-Gleichspannungswandler auf. Unterschiedliche Mikrocontroller steuern unterschiedliche Anteile der N Einzelphasen-Gleichspannungswandler. Die Mikrocontroller sind über eine Datenverbindung verbunden. Hierbei können die Mikrocontroller mittels der Datenverbindung zur gemeinsamen Steuerung der N Einzelphasen-Gleichspannungswandler synchronisiert werden, wobei in einem weiteren Betriebsmodus auch eine autonome Steuerung der beiden Anteile unabhängig voneinander erfolgen kann.
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JP 2013/090519 A offenbart ein Leistungsquellensystem, welches eine Mehrzahl von parallelen Gleichspannungswandlern aufweist, wobei Unterschiede beim Anschalten der entsprechenden Schaltelemente der Gleichspannungswandler aufgrund Übertragungsverzögerungen eines Synchronisationspulses bei der digitalen Steuerung vermieden werden sollen. Hierbei gibt ein Mastercontroller den Synchronisationspuls an erstes und zweite Slave-Controller aus, wobei der Mastercontroller die Ausgabe aufgrund einer Verzögerungszeit beschleunigen kann.
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CN 105059129 A betrifft eine hybride Leistungsquelle in einem elektrischen Fahrzeug. Das entsprechende Fahrzeugenergieversorgungssystem umfasst eine Mehrzahl von Gleichspannungswandlern. Ein Energiemanagementmodul kommuniziert mit den Gleichspannungswandlern und Überwachungseinrichtungen. Die Gleichspannungswandler sind derart synchronisiert, dass sie bei Ansteuerung mittels des Energiemanagementmoduls gleichzeitig schalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum Erreichen höherer Bordnetzstabilität in einem Niedrigspannungsnetz, insbesondere bei hochdynamischen Lastereignissen, anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hardwareregler der Gleichspannungswandler über eine wenigstens eine Kommunikationsleitung aufweisende Kommunikationsverbindung verbunden sind, wobei wenigstens einer der Hardwareregler zum Aussenden von seinen Regelbetrieb beschreibenden Regelinformationen über die Kommunikationsverbindung an den anderen Hardwareregler und der die Regelinformationen empfangende Hardwareregler zu deren Berücksichtigung bei seinem Regelbetrieb ausgebildet sind.
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Dabei stellt die vorliegende Erfindung gezielt auf die zeitlich hochdynamisch reagierenden, in den Gleichspannungswandlern vorgesehenen Hardwareregler ab, die beispielsweise als Mikrocontroller, FPGA und/oder ASIC ausgebildet sein können und mit möglichst geringen Latenzen auf hochdynamische Änderungen der Lastanforderungen reagieren können. In diesem Zusammenhang kann konkret vorgesehen sein, dass die Hardwareregler zur Durchführung einer Vorsteuerung im Rahmen einer Steuerungshierarchie ausgebildet sind, wobei die Gleichspannungswandler über ein Bussystem mit einem Energiemanagementsteuergerät verbunden sind, welches zur Vorgabe einer Regelstrategie auf einer übergeordneten Zeitskala in Abhängigkeit von über das Bussystem von den Gleichspannungswandlern erhaltenen Daten ausgebildet ist. Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung ist es also, bereits auf dem hochdynamischen Vorsteuerungsniveau eine insbesondere drahtgebundene Kommunikationsverbindung zwischen den entsprechenden Hardwarereglern vorzusehen, um bei beispielsweise plötzlich auftretenden Lastanforderungen bzw. Lastschwankungen in möglichst schneller Zeit eine insbesondere gegenseitige Abstimmung der Regelstrategie der Hardwareregler derart zu erreichen, dass Schwingungen/Aufschaukelvorgänge möglichst weitgehend vermieden werden. Mit anderen Worten ist es das Regelziel, einen aufeinander abgestimmten Regelbetrieb insbesondere bei hochdynamischen Ereignissen, beispielsweise auf einer Zeitskala von ca. 1 µs bis 10 ms, und/oder ein möglichst schnelles, gleichmäßiges Erreichen der Betriebsspannung im Niedrigspannungsnetz, insbesondere ohne Schwingungen/Aufschaukelvorgänge, zu erreichen.
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Denn im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass selbst dann, wenn die Regelstrategien der beiden Gleichspannungswandler, beispielsweise mittels eines Energiemanagementsteuergeräts, bereits aufeinander abgestimmt sind, durch die hohe Dynamik, mit der insbesondere in kritischen Fahrsituationen Lastanforderungen entstehen können, auch bereits ungewollte Effekte/Fehlerfälle aufgrund des zunächst unabhängigen (Vorsteuerungs-) Betriebs mittels der Hardwareregler auftreten können. Beispielsweise ist es im Stand der Technik bekannt, die Gleichspannungswandler über ein Bussystem oder dergleichen untereinander und/oder mit dem Energiemanagementsteuergerät zu verbinden, wobei dann jedoch durch die Kommunikation bestimmte Latenzzeiten von bis zu 20 ms, in manchen Fällen sogar mehr, auftreten können. Diese können eine adäquate Reaktion nicht immer sicherstellen.
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Daher schlägt die vorliegende Erfindung eine zusätzliche, äußerst schnelle, diskrete und hoch verfügbare Kommunikationsverbindung zwischen den beiden insbesondere zur Vorsteuerung vorgesehenen Hardwarereglern selbst vor, so dass diese auch auf dieser Zeitskala nicht getrennt auf das Niedrigspannungsnetz regeln, sondern miteinander kommunizieren können. Auf diese Weise wird eine erhöhte Bordnetzstabilität für das Niedrigspannungsnetz und somit eine erhöhte Verfügbarkeit, insbesondere bei autonomen Kraftfahrzeugen, bereitgestellt.
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Mit besonderem Vorteil können dabei die Hardwareregler und die Kommunikationsverbindung derart ausgestaltet sein, dass die Zeitdauer, bis zu der Regelinformationen des einen Hardwarereglers bei dem anderen Hardwareregler vorliegen, kürzer als 100 µs, insbesondere kürzer als 50 µs, ist. Dies ist eine deutlich schnellere Kommunikation, als sie beispielsweise über ein Bussystem erreicht werden könnte.
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Zweckmäßigerweise kann die Kommunikationsverbindung dabei bidirektional sein, insbesondere durch Verwendung von wenigstens zwei Kommunikationsleitungen. Dabei kann jede der wenigstens zwei Kommunikationsleitungen einer Übertragungsrichtung zugeordnet werden, um eine möglichst ungestörte Übertragung zu erreichen. Auf diese Weise ist es mit besonderem Vorteil möglich, dass die Hardwareregler sich gegenseitig Regelinformationen senden und diese jeweils beim Regelbetrieb berücksichtigen.
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Der wenigstens eine aussendende Hardwareregler kann zum analogen oder pulsweitenmodulierten Übertragen der Regelinformationen ausgebildet sein. Insbesondere kann hierbei ein proprietäres Kommunikationsprotokoll eingesetzt werden. Eine pulsweitenmodulierte Übertragung ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Hardwareregler digital arbeiten, da dann auf eine Digital-Analog-Wandlung verzichtet werden kann, die zusätzliche Latenzzeit brächte. Arbeiten jedoch die Hardwareregler zumindest teilweise ohnehin analog, kann auch eine analoge Übertragung der Regelinformationen zweckmäßig sein.
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Mit besonderem Vorteil kann jedoch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine aussendende Hardwareregler zur Übertragung eines zur Ansteuerung von Komponenten des jeweiligen Gleichspannungswandlers, insbesondere von Halbleiterschaltern, verwendeten Regelsignals als Regelinformation auch an den anderen Hardwareregler ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der Regeloutput des anderen Hardwarereglers als die Regelung unmittelbar beschreibende Regelinformation und für den anderen, empfangenden Hardwareregler unmittelbar verständlicher Input ohne einen Zeitverlust durch zusätzlich notwendige Signalverarbeitung bereitgestellt. Mit anderen Worten ist es so nicht nur möglich, äußerst schnell die Regelinformationen über die Kommunikationsverbindung zu kommunizieren, sondern zusätzlich ist auch eine Verarbeitbarkeit in wenigen Verarbeitungsschritten seitens des empfangenden Hardwarereglers möglich, da im übertragenen Sinne die Regelinformation schon in den richtigen „Sprache“ vorliegt. Der zumindest eine empfangende Hardwareregler ist mithin entsprechend ausgestaltet, den zusätzlichen Regelinput zu benutzen und entsprechend zu berücksichtigen, beispielsweise indem die eigene Regelreaktion schwächer ausfällt oder gegebenenfalls die andere Regelreaktion wenigstens teilweise kompensiert wird. Eine entsprechende Anpassung der Architekturen der Hardwareregler, beispielsweise der Ausgestaltung eines Mikrochips, kann je nach konkreter gewünschter Regelung leicht umgesetzt werden.
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Insbesondere sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass bei derartiger, äußerst schneller Übertragung der Regelinformationen gegebenenfalls sogar eine Art „Vorwarnung“ des anderen Gleichspannungswandlers möglich ist, wenn eine steile Flanke in der Lastanforderung zuerst bei einem der Gleichspannungswandler bemerkt wird, nachdem die Gleichspannungswandler ja bevorzugt an unterschiedlichen Positionen/orten an das Niedrigspannungsnetz angeschlossen sind. Mithin ist es in solchen Situationen denkbar, dass durch den Hardwareregler des anderen Gleichspannungswandlers eine antizipierende Regelung hinsichtlich eines hochdynamischen Vorgangs erfolgt.
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Sollen nicht (ausschließlich) Regelsignale als Regelinformationen übertragen werden, kann zweckmäßigerweise zur Übertragung der (gegebenenfalls weiteren) Regelinformationen auch ein proprietäres Übertragungsprotokoll genutzt werden.
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Auch ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar, aber weniger bevorzugt, wenn die Hardwareregler eine Master-Slave-Architektur bilden, wobei insbesondere der Hardwareregler eines höhere Sicherheitsanforderungen erfüllenden Gleichspannungswandlers der Gleichspannungswandler als Master ausgebildet ist. Grundsätzlich ist sogar ein externer Master denkbar, aber aufgrund der Einführung weiterer Latenzen weniger bevorzugt. Bei einer Master-Slave-Architektur wird also die schnelle, hoch verfügbare Kommunikation über eine diskrete, insbesondere zusätzlich zu einem Bus vorgesehene Kommunikationsverbindung genutzt, um auf der schnelleren Zeitskala, insbesondere bei der Vorsteuerung, eine gemeinsame Vorsteuerregelstrategie entsprechend umzusetzen, so dass es als Regelinformationen insbesondere denkbar ist, Anweisungen an den Slave-Hardwareregler zu übermitteln.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung kann die diskrete, schnelle und hochverfügbare Kommunikationsverbindung auch weitergehend genutzt werden. So kann vorgesehen sein, dass bei Erkennen einer Fehlfunktion eines der Gleichspannungswandler mittels des Hardwarereglers des anderen Gleichspannungswandlers und/oder einer zusätzlich an die Kommunikationsverbindung angeschlossenen Sicherheitseinrichtung der erkennende Hardwareregler und/oder die Sicherheitseinrichtung zum Senden eines Deaktivierungssignals an den die Fehlfunktion aufweisenden Gleichspannungswandler über die Kommunikationsverbindung ausgebildet ist. Werden also unplausible Regelinformationen und/oder anderweitige, einen Fehlerfall anzeigende Regelinformationen/zusätzliche Fehlerfallsignale von einem der Hardwareregler eines der Gleichspannungswandlers festgestellt, ist es möglich, diesen zu deaktivieren. Zusätzlich kann beispielsweise in einen Notbetrieb des Niedrigspannungsnetzes umgeschaltet werden, insbesondere, wenn der verbliebene Gleichspannungswandler nicht ausgestaltet ist, die maximal denkbare Leistung in dem Niedrigspannungsnetz aus dem Hochspannungsnetz bereitzustellen. Anders gesagt kann die Kommunikationsverbindung im Fehlerfall genutzt werden, um einen der Gleichspannungswandler wegzuschalten, falls dieser einen Defekt aufweist und/oder in einem ungültigen Bereich regelt.
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Auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass einer der Gleichspannungswandler höhere Sicherheitsanforderungen erfüllt als der andere Gleichspannungswandler. Beispielsweise kann einer der Gleichspannungswandler Sicherheitsanforderungen gemäß einer ASIL-Klasse erfüllen, während der andere nur übliche Qualitätsmanagement-Sicherheitsanforderungen erfüllt. Zusätzlich oder alternativ kann einer der Gleichspannungswandler, insbesondere der die höheren Sicherheitsanforderungen erfüllende Gleichspannungswandler, an oder benachbart Batterieschützen einer das Hochspannungsnetz speisenden Hochspannungsbatterie angeschlossen sein. Insbesondere ist es hierbei denkbar, den die höheren Sicherheitsanforderungen erfüllenden Gleichspannungswandler hinter den Batterieschützen der Hochspannungsbatterie anzukoppeln, so dass auch bei einem Abtrennen der Hochspannungsbatterie von dem Hochspannungsnetz die Hochspannungsbatterie mittels des Gleichspannungswandlers noch in der Lage ist, das Niedrigspannungsnetz zu speisen und zumindest einen Teil der Funktionen des Kraftfahrzeugs aufrechtzuerhalten, selbst wenn das Hochspannungsnetz, gegebenenfalls temporär, deaktiviert werden muss.
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Wie bereits erwähnt, können die Gleichspannungswandler zweckmäßigerweise an unterschiedlichen Orten innerhalb des Kraftfahrzeugs verbaut sein. Durch diese räumliche Trennung der Gleichspannungswandler kann eine weitere Verbesserung der funktionalen Sicherheit gegeben sein, nachdem bei beispielsweise nur einen Bereich des einen Gleichspannungswandlers betreffenden Schäden am Kraftfahrzeug, beispielsweise durch eine Kollision, der andere Gleichspannungswandler weiterhin verfügbar sein kann. Insbesondere kann einer der Gleichspannungswandler in einem Heckbereich des Kraftfahrzeugs und einer der Gleichspannungswandler in einem Frontbereich des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in einem Motorraum, angeordnet sein.
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Dabei müssen nicht zwangsläufig beide Gleichspannungswandler ausgebildet sein, die maximal in dem Niedrigspannungsnetz benötigte Leistung bereitzustellen. Vorzugsweise kann jeder der Gleichspannungswandler ausgebildet sein, allein eine zum Betrieb von sicherheitskritischen Verbrauchern im Niedrigspannungsnetz ausreichende Leistung und/oder eine Hälfte einer maximalen Spitzenleistung, die in dem Niederspannungsnetz benötigt werden kann, bereitzustellen. Dabei hat es sich in der Praxis gezeigt, dass die Hälfte der maximal denkbaren Lastanforderung in dem Niedrigspannungsnetz zumindest im Wesentlichen ausreichend ist, um alle sicherheitskritischen Verbraucher, beispielsweise bei einem Ausfall eines der Gleichspannungswandler, weiterbetreiben zu können. Komfortfunktionen können dann beispielsweise deaktiviert werden, beispielsweise ein Multimediasystem, eine Sitzheitung oder dergleichen. Eine Bereitstellung der Hälfte der Spitzenleistung durch beide Gleichspannungswandler ist dabei bevorzugt, da dann beide Gleichspannungswandler gemeinsam in jedem Fall ausgebildet sind, die maximale Spitzenleistung bereitzustellen.
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Die Kommunikationsverbindung kann als die wenigstens eine Kommunikationsleitung eine übliche, metallische Leitung, beispielsweise eine Kupferleitung, umfassen. Denkbar ist es jedoch auch, eine diesbezüglich gegebenenfalls schnellere Glasfaserleitung als die wenigstens eine Kommunikationsleitung einzusetzen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Latenz durch Verwendung optischer Wandler geringer ausfällt als der Zeitverlust bei Verwendung einer üblichen, metallischen Kommunikationsleitung. Mehrere Leitungen können als ein Kabel vorgesehen werden.
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Neben dem Kraftfahrzeug betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs der erfindungsgemäßen Art, wobei wenigstens einer der Hardwareregler seinen Regelbetrieb beschreibende Regelinformationen über die Kommunikationsverbindung an den anderen Hardwareregler sendet und der die Regelinformationen empfangende Hardwareregler diese bei seinem Regelbetrieb berücksichtigt. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs gelten für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend fort, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
- 2 eine Kommunikationsstruktur im Rahmen einer Vorsteuerung von zwei parallelen Gleichspannungswandlern.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 ist als ein Elektrokraftfahrzeug ausgebildet und weist eine elektrische Maschine 2 zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 auf, welche über einen Umrichter 3 an ein Hochspannungsnetz 4, dessen Betriebsspannung beispielsweise im Bereich von 350 V bis 860 V liegen kann, angeschlossen ist. Das Hochspannungsnetz 4 wird aus einer Hochspannungsbatterie 5 gespeist, die an dieses über Batterieschütze 6 angebunden ist. Die Hochspannungsbatterie 5 kann mittels der elektrischen Maschine 2, aber auch mittels einer hier nicht näher gezeigten kraftfahrzeugseitigen Ladeeinrichtung, die Teil weiterer Hochspannungsverbraucher 7 sein kann, geladen werden. Andere denkbare, hier nicht genauer gezeigte Hochspannungsverbraucher 7 umfassen Klimakompressoren, eine elektrische Heizung und dergleichen.
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Das Kraftfahrzeug 1 ist auch als autonomes Fahrzeug ausgebildet und weist daher ein zur vollständig automatischen Führung des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildetes Fahrzeugsystem 8 auf, welches insbesondere ein entsprechendes Steuergerät 9 zur Umsetzung einer entsprechenden Fahrzeugführungsfunktion umfasst. Das Steuergerät 9 ist an ein Niedrigspannungsnetz 10 angebunden, welches vorliegend bei einer Betriebsspannung von 12 V betrieben wird. An das Niedrigspannungsnetz 10 sind weitere Verbraucher angebunden, wobei nur ein Energiemanagementsteuergerät 11 explizit gezeigt ist, während sonstige Niedrigspannungsverbraucher 12, 13 in sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Verbraucher 12 und nicht bzw. weniger sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Verbraucher 13, die beispielsweise Komfortfunktionen dienen, aufgeteilt werden können. Sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante, insbesondere für den Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 notwendige, Verbraucher 12 umfassen beispielsweise ein Bremssystem und ein Lenksystem des Kraftfahrzeugs 1, während die Verbraucher 13 beispielsweise ein Multimediasystem, eine Sitzheizung und dergleichen umfassen können.
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Im vorliegenden Fall wird für das Niedrigspannungsnetz 10 keine Batterie gezeigt, welche jedoch vorhanden sein kann, aber nicht muss. Denn das Niedrigspannungsnetz 10 ist über zwei Gleichspannungswandler 14, 15 mit dem Hochspannungsnetz 4 verbunden, so dass aus diesem Leistung zur Erfüllung von Lastanforderungen im Niedrigspannungsnetz 10 bereitgestellt werden kann. Hierbei kann jeder der Gleichspannungswandler 14, 15 die Hälfte einer maximal denkbaren Spitzenleistung in dem Niedrigspannungsnetz 10 bereitstellen, nachdem sich gezeigt hat, dass diese Hälfte auch ausreichend ist, eine maximal denkbare Lastanforderung der sicherheitskritischen bzw. sicherheitsrelevanten Verbraucher 12 (umfassend auch die Steuergeräte 8, 11) zu befriedigen.
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Der Gleichspannungswandler 15 erfüllt höhere Sicherheitsanforderungen als der Gleichspannungswandler 14, beispielsweise einer bestimmten ASIL-Klasse zugeordnete Sicherheitsanforderungen. Bei dem aus Gründen der Redundanz und damit erhöhten funktionalen Sicherheit vorzusehenden Gleichspannungswandler 14 kann es sich um einen für das übliche Qualitätsmanagement vorgegebene Sicherheitsanforderungen erfüllenden Gleichspannungswandler 14 handeln, beispielsweise einen QM-Wandler. Der Gleichspannungswandler 15 ist dabei sogar hinter den Batterieschützen 6 an das Hochspannungsnetz 4 angekoppelt, kann also auch bei Trennung der Hochspannungsbatterie 5 von dem Hochspannungsnetz 4 noch Leistung bereitstellen.
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Die Gleichspannungswandler 14, 15 sind an unterschiedlichen Positionen im Kraftfahrzeug 1 angeordnet, wie auch in der 1 schematisch angedeutet ist. Beispielsweise kann einer der Gleichspannungswandler 14, 15 im Frontbereich, beispielsweise in einem Motorraum, des Kraftfahrzeugs 1 verbaut sein, während der andere Gleichspannungswandler 15, 14 im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise im Unterboden unter einem Kofferraum, verbaut sein kann.
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Die Gleichspannungswandler 14, 15 sind mittels eines Bussystems 16, an das auch andere Kommunikationsteilnehmer angeschlossen sind, beispielsweise mittels eines FlexRay-Busses und/oder eines CAN-Busses, mit dem Energiemanagementsteuergerät 11 verbunden, welches die generelle Regelstrategie beim Regeln auf die Betriebsspannung des Niedrigspannungsnetzes 10 für die Gleichspannungswandler 14, 15 auf einer langsameren Zeitskala vorgibt. Damit jedoch auch auf plötzlich auftretende bzw. wegfallende, hochdynamische Änderungen in der Lastanforderung im Niedrigspannungsnetz 10 reagiert werden kann, ist eine Vorsteuerung auf einer zweiten, schnellen Zeitskala in jedem der Gleichspannungswandler 14, 15 mittels eines entsprechenden, in 2 gezeigten Hardwarereglers 17, 18 vorgesehen. Die Hardwareregler 17, 18 steuern über entsprechende Regelsignale, wie gezeigt, Komponenten 19, 20 des jeweiligen Gleichspannungswandlers 14, 15 an, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter. Die Ansteuerung kann beispielsweise über ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal oder ein analoges Regelsignal erfolgen.
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Um Schwingungen, insbesondere Aufschaukelvorgänge, aufgrund der unabhängigen, schnellen Regelung mittels der Hardwareregler 17, 18 zu vermeiden und einen aufeinander abgestimmten Betrieb zu ermöglichen, sind die Hardwareregler 17, 18 über eine auch in 1 dargestellte schnelle, diskrete und hoch verfügbare Kommunikationsverbindung 21 verbunden, die zusätzlich zu dem Bussystem 16 vorgesehen ist und schnellere Übertragungszeiten ermöglicht. Wie 2 zu entnehmen ist, verbindet die Kommunikationsverbindung 21 als bidirektionale Kommunikationsverbindung direkt und unmittelbar die Hardwareregler 17 und 18, vorliegend mittels zweier Kommunikationsleitungen 22, von denen beispielsweise jede einer Kommunikationsrichtung zugeordnet sein kann. In der hier beschriebenen, vorliegenden Ausgestaltung werden die Regelsignale der Hardwareregler 17, 18 nicht nur zur Ansteuerung der Komponenten 19, 20 verwendet, sondern auch als Regelinformationen über die Kommunikationsverbindung 21 dem jeweils anderen Hardwareregler 17, 18 als zusätzlicher Eingang bereitgestellt, beispielsweise als analoge Signale oder als pulsweitenmodulierte Signale. Das bedeutet, gegenüber dem Stand der Technik weisen die Hardwareregler 17, 18 einen weiteren Ausgang und einen weiteren Eingang auf, wobei die über den weiteren Eingang entgegengenommenen Regelinformationen der Kommunikationsverbindung bei dem Regelbetrieb des jeweiligen empfangenden Hardwarereglers 17, 18 zusätzlich berücksichtigt werden. Je nach gewünschten Regeleigenschaften ist also die Auslegung der Hardwareregler 17, 18 gezielt so erfolgt, dass der weitere Input, nämlich die Regelinformationen des anderen Hardwarereglers, unmittelbar mitverarbeitet und somit berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann eine verbesserte Abstimmung auch auf äußerst kurzen Zeitskalen, hier im Rahmen der Vorsteuerung, erfolgen. Beispielsweise kann die Übertragungszeit über die Kommunikationsleitungen 22 kürzer als 100 µs sein.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Kommunikationsverbindung 21 auch weitergehend genutzt werden kann, beispielsweise um im Fehlerfall bzw. bei nicht plausiblem Betrieb einen der Gleichspannungswandler 14, 15 auf möglichst schnelle Weise zu deaktivieren. Während es grundsätzlich denkbar ist, hierzu auch eine Sicherheitseinrichtung an die Kommunikationsverbindung 21 anzubinden, kann auch vorgesehen sein, dass die Plausibilität empfangener Regelinformationen innerhalb der, allgemein bevorzugt als Mikrochips ausgebildeten, Hardwareregler 17, 18 zu überprüfen und ein spezielles Deaktivierungssignal über die Kommunikationsverbindung 21 an den anderen Hardwareregler 17, 18 zurückzuschicken, was zur Deaktivierung führt.
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Während die hier dargestellte, Regelsignale als Regelinformationen nutzende Ausgestaltung eine auf die Übertragungsgeschwindigkeit und unmittelbare Verarbeitbarkeit bezogen besonders vorteilhafte Ausgestaltung darstellt, sind auch andere Möglichkeiten grundsätzlich denkbar, beispielsweise die Nutzung einer Master-Slave-Architektur mit einem insbesondere proprietären Kommunikationsprotokoll über die Kommunikationsverbindung 21.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3751715 A1 [0007]
- JP 2013090519 A [0008]
- CN 105059129 A [0009]
