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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern zumindest eines Hochvoltaktuators aufweisend einen Hochvoltanschluss zur Versorgung einer ersten Seite der Vorrichtung mit einer Hochvoltspannung, wobei die Hochvoltspannung ein Hochvoltspannungspotential ausbildet und einem galvanisch getrennten Niedervoltanschluss zur Versorgung einer zweiten Seite der Vorrichtung mit einer Niedervoltspannung, wobei die Niedervoltspannung ein Niedervoltspannungspotential ausbildet, und einen Hochvoltaktuatorenanschluss, zum Übermitteln eines Signals zum Betreiben eines oder mehrerer Hochvoltaktuatoren, wobei der Hochvoltaktuatorenanschluss der ersten Seite mit dem Hochvoltspannungspotential zugeordnet ist.
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Um Hochleistungsverbraucher im Automotive-Bereich elektrifizieren zu können, ist das herkömmliche 12V Versorgungsnetz, nachfolgend auch Bordnetz 12 V genannt, bei Fahrzeugen teilweise an seine Grenzen gestoßen. Um den Bordnetzstrom mit der steigenden Anzahl an elektrischen Leistungsverbrauchern zu reduzieren, wird eine neue höhere Bordnetzspannung ergänzend in das Fahrzeug implementiert.
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Die
DE 10 2013 221 577 A1 offenbart eine elektronische Vorrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung eine Hochvoltspannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Hochvoltspannungsversorgung zum Bereitstellen einer Hochvoltspannung, eine zweite Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Niedervoltspannungsversorgung zum Bereitstellen einer Niedervoltspannung, ein mit der Niedervoltspannung betreibbares Leistungselement und eine Steuerschaltung zum Steuern des Leistungselements umfasst, wobei die Vorrichtung ferner aufweist: ein Trennelement mit einem ersten Eingang, der mit einem ersten Potenzialanschluss der Hochvoltspannungsschnittstelle verbunden ist und mit einem ersten Ausgang zum Bereitstellen einer von der Hochvoltspannung galvanisch entkoppelten Hochvoltspannung; ein erstes Koppelungselement, das zwischen den ersten Ausgang des Trennelements und einen Hochvoltspannungseingang der Steuerschaltung geschaltet und ausgebildet ist, um einen Stromfluss in Richtung der Steuerschaltung zu ermöglichen und einen Stromfluss in Richtung des ersten Ausgangs des Trennelements zu sperren; und ein zweites Koppelungselement, das zwischen einem ersten Potenzialanschluss der Niedervoltspannungsschnittstelle und dem Hochvoltspannungseingang der Steuerschaltung geschaltet und ausgebildet ist, um einen Stromfluss in Richtung der Steuerschaltung zu ermöglichen und einen Stromfluss in Richtung des ersten Potenzialanschluss der Niedervoltspannungsschnittstelle zu sperren.
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DE 101 48 348 A1 zeigt eine Vorrichtung mit jeweils dreifach redundant vorgesehenen Aktuatoren und Sensoren.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern zumindest eines Hochvoltaktuators und ein verbessertes Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Steuern zumindest eines Hochvoltaktuators aufweisend einen Hochvoltanschluss zur Versorgung einer ersten Seite der Vorrichtung mit einer Hochvoltspannung, wobei die Hochvoltspannung ein Hochvoltspannungspotential ausbildet und einem galvanisch getrennten Niedervoltanschluss zur Versorgung einer zweiten Seite der Vorrichtung mit einer Niedervoltspannung, wobei die Niedervoltspannung ein Niedervoltspannungspotential ausbildet, und einen Hochvoltaktuatorenanschluss, zum Übermitteln eines Signals zum Betreiben eines oder mehrerer Hochvoltaktuatoren, wobei der Hochvoltaktuatorenanschluss der ersten Seite mit dem Hochvoltspannungspotential zugeordnet ist,
wobei
ein Steuerungsmodul zur Steuerung des mindestens einen Hochvoltaktuators über den Hochvoltaktuatorenanschluss vorgesehen ist, wobei das Steuerungsmodul der zweiten Seite mit dem Niedervoltspannungspotential zugeordnet ist und wobei ein Kopplungsglied vorgesehen ist, welches dem Steuerungsmodul vorgeschaltet ist und wobei das Kopplungsglied mit dem Niedervoltanschluss direkt verschaltet ist als auch an den Hochvoltanschluss gekoppelt ist, zur redundanten Spannungsversorgung des Steuerungsmoduls mit der Niedervoltspannung, und wobei eine Sensoreinrichtung mit Sensoren vorgesehen ist, welche mit dem Steuerungsmodul über eine Niedervoltspannungsanbindung kommunikationstechnisch verbunden ist und welche an das Kopplungsglied zur redundanten Spannungsversorgung gebunden ist, wodurch in einem Störfall der ersten Seite mit dem Hochvoltspannungspotential oder der zweiten Seite mit dem Niedervoltspannungspotential eine Versorgung des Steuerungsmoduls als auch der Sensoreinrichtung mit den Sensoren gewährleistet ist.
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Die erste Seite wird auch als Hochvoltseite; die zweite Seite als Niedervoltseite oder 12V-Seite bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit als HV(Hochvolt) Leistungsverteiler (Gleichspannung) fungieren und andere Fahrzeugverbraucher versorgen.
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Eine Leistungsverteilung innerhalb der Vorrichtung kann entweder passiv über einer festen vorrichtungsinternen Verkabelung oder vorzugsweise über elektronische Sicherung (eFuse) erfolgen.
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Die Vorrichtung beinhaltet ein Steuerungsmodul, hier einen Mikrocontroller, der dazu ausgelegt ist, sowohl eine Leistungsverteilung als auch alle Hochleistungsaktuatoren, wie beispielsweise eine Motorregelung, anzusteuern in dem beispielsweise die Hochvoltaktuatorensignale für die Hochvoltaktuatorenansteuerung erfasst und plausibilisiert werden. Ferner kann dieser mit anderen Fahrzeugsystemen kommunizieren.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sind die beiden Bordnetze (erste und zweite Seite) innerhalb der Vorrichtung nicht verbunden, so dass Massenschleifen vermieden werden und Spannungsfestigkeit als auch der vorgeschriebene Isolationswiderstand, zwischen der Niedervolt- und der Hochvoltseite im Fahrzeug eingehalten werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und dem Einsatz des Steuerungsmoduls, hier des Mikrocontrollers, auf der Niedervoltseite und dem damit verbundenen Niedervolt-Massenbezug ist eine direkte Verbindung des Steuerungsmoduls, hier des Mikrocontrollers, mit den Sensoren, wie beispielsweise Drehzahl-/Rotorlagesensor mit NiedervoltMassenbezug über eine Niedervoltanbindung möglich. Dadurch wird eine kostengünstige Anbindung des Steuerungsmoduls an die Sensoren möglich.
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Ferner kann eine direkte Verbindung des Steuerungsmoduls, hier des Mikrocontrollers, mit einem Niedervolt-Kommunikationsanschluss, beispielsweise einem BUS-Transceiver gewährleistet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine beispielsweise Hochvolt (HV) Zone-ECU durch einen Hochvoltanschluss angeschlossen werden und mehrere Hochvoltaktuatoren angesteuert werden. Diese können sich vorzugsweise nah an der Vorrichtung im Fahrzeug befinden und innerhalb einer Fahrzeugzone mit abgeschirmten Leitungen angeschlossen werden.
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Alternativ kann ein Hochvoltaktuatorengehäuse mechanisch direkt an der Vorrichtung beispielsweise an einem Vorrichtungsgehäuse angeschraubt werden und die Aktuatorenleitungen innerhalb des angeschraubten Gehäuseverbundes angeschlossen werden. Dabei sind die Gehäuseteile des Hochvoltaktuatorengehäuses und die des Vorrichtungsgehäuses als EMV Schirmung flächig angebunden.
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Durch die Erfindung wird das Steuerungsmodul aus beiden Spannungskreisen (Niedervolt und Hochvolt) redundant versorgt. Dadurch bleibt das Steuerungsmodul bei Verlust einer von den beiden Spannungsquellen weiterhin aktiv und kann die Vorrichtungsfunktionen zur Hochvoltaktuatorenansteuerung unterbrechungsfrei weiterführen. Somit können beispielsweise die Hochvoltaktuatoren aktiv, beispielsweise mit Spannungs-/Stromsignalen, oder passiv, beispielsweise spannungslos, in den sicheren Zustand überführt werden und ein Einnehmen eines sicheren Zustandes über Diagnosesignale sichergestellt werden. Das Steuerungsmodul bleibt jederzeit diagnosefähig und kann beispielsweise über einen Kommunikationsanschluss mit anderen Steuergeräten kommunizieren.
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In weiterer Ausbildung beträgt die Hochvoltspannung mindestens 400 V, insbesondere 400V oder 600V. Diese wird für gewöhnlich für die Versorgung von einem Hochvoltaktuator, beispielsweise zur Ansteuerung einer Leistungselektronik für eDrive, HV-Klimakompressor, Dämpfung eines aktiven Fahrwerks etc. benötigt.
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In einer weiteren Ausbildung ist die Sensoreinrichtung mit den Sensoren als Niedervoltspannungsanbindung direkt über einen Niedervoltanschluss oder über einen Niedervoltspannungskabelbaum mit dem Steuerungsmodul, hier dem Mikrocontroller, verbunden. Eine Anbindung der Sensoren über geschirmte Leitungen ist nicht notwendig, was zu erheblicher Kostenreduzierung führt. Insbesondere kann ein Niedervoltspannungskabelbaum angebunden sein, zur Verbindung mit mehreren Sensoren.
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In weiterer Ausbildung ist eine galvanische Trenneinrichtung vorgesehen, welche dem Steuerungsmodul nachgeschaltet ist, wobei die galvanische Trenneinrichtung ausgebildet ist, das Hochvoltspannungspotential galvanisch von dem Niedervoltspannungspotential zu trennen. Eine galvanische Trenneinrichtung stellt zuverlässig unter Einhaltung der Hochvolt-Anforderungen die bidirektionale Signalübertragung zwischen der Niedervoltseite und Hochvoltseite der Vorrichtung sicher.
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In weiterer Ausbildung ist eine Leistungsendstufeneinrichtung, welche der ersten Seite mit dem ersten Hochvoltspannungspotential der Vorrichtung zugeordnet ist, vorgesehen, wobei die Leistungsendstufeneinrichtung über die galvanische Trenneinrichtung mit dem Steuerungsmodul gekoppelt ist, wobei ein Fail-Safe-Schalter vorgesehen ist, welcher zwischen Leistungsendstufeneinrichtung und galvanischen Trenneinrichtung geschaltet ist, so dass der Fail-Safe-Schalter der ersten Seite mit dem Hochvoltspannungspotential der Vorrichtung zugeordnet ist, und wobei die Leistungsendstufeneinrichtung zur Steuerung von ein oder mehreren Hochvoltaktuatoren durch eine Hochvoltanbindung an die Hochvoltaktuatoren ausgebildet ist.
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Insbesondere ist die Leistungsendstufeneinrichtung dem Leistungsverteiler nachgeschaltet.
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Die Leistungsendstufeneinrichtung steuert somit die ein oder mehreren, insbesondere 400V Hochvoltaktuatoren an und ist ferner dazu ausgebildet, alle Eingangssignale für die Hochvoltaktuatorenansteuerung, wie HV-Spannung, Phasenspannung, Phasenstrom, Ist-PWM-Signal am Hochvoltaktuator, Statussignale des Fail-Safe-Schalters, welcher hier als Endstufentreiber ausgebildet ist, zu erzeugen.
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Über die Leistungsendstufeneinrichtung, welche mit dem Fail-Safe-Schalter verbunden ist, können somit Signale der Hochvoltaktuatorenansteuerung über die galvanische Trenneinrichtung in beide Richtungen geleitet werden. Ferner ist damit der Fail-Safe-Schalter zum gegenseitigen Datenaustausch mit dem Steuerungsmodul verbunden.
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Dabei kann der Fail-Safe-Schalter eine Diagnoseeinrichtung aufweisen, welche eine Störung des Steuerungsmoduls und/oder bei der Vorrichtung selber erkennt. Beispielsweise kann die Diagnoseeinrichtung zum Durchführen einer Spannungsmessung in den Abschnitten der Leitungen der Vorrichtung und zusätzlich oder alternativ zum Durchführen einer Strommessung oder zum Erkennen eines Fehlers im Steuerungsmodul ausgebildet sein. Durch beispielsweise eine solche Messung kann die Diagnoseeinrichtung einen fehlerfreien oder fehlerhaften Zustand der Leitungen diagnostizieren.
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Dabei kann in weiterer Ausbildung der Fail-Safe-Schalter dazu ausgebildet sein, bei einer Störung des Steuerungsmoduls und/oder bei der Vorrichtung Fail-Safe-Maßnahmen zu ergreifen.
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Dabei kann beispielsweise eine Maßnahme sein, die Leistungsendstufeneinrichtung von dem ein oder mehreren Hochvoltaktuatoren zu entkoppeln. Diese Maßnahme kann typischerweise durch einen Kurzschluss der Hochvoltaktuator-Phasen oder mit Öffnen aller Schaltelemente, welche in den Hochvoltaktuator(en) vorhanden sind oder beispielsweise dem Öffnen der Schaltungen, welche in den Leitungen zwischen der Endstufeneinrichtung und den ein oder mehreren Hochvoltaktuatoren angeordnet sind, bewerkstelligt werden. Ferner kann eine weitere Maßnahme sein, einen Hochvoltaktuator, beispielsweise einen Motor, kontrolliert abzubremsen.
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Durch eine weitere Logik in dem Fail-Safe-Schalter kann als Maßnahme die generatorische Rückspeisung, d.h. eine Überspannung des Hochvoltaktuators in die Vorrichtung, hier in die 400V Seite, vermieden werden, die insbesondere im Servicefall und ausgestecktem 400V Bordnetzstecker zu einer gefährlich hohen induzierten Spannung führen kann. Insbesondere kann als eine Fail-Safe Maßnahme eine Trennung des zumindest einen Hochvoltaktuators von der Leistungsendstufeneinrichtung im möglichst unbestromten Zustand des Hochvoltaktuators vorgenommen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerungsmodul dazu ausgebildet sein, Fail-Safe Maßnahmen in Bezug auf die Diagnose der Diagnoseeinrichtung zu generieren als auch Fail-Safe-Maßnahmen bei einer durch das Steuerungsmodul selber erkannten Störung zu generieren. Dabei können einige der oben genannten Maßnahmen von dem Fail-Safe-Schalter andere von dem Steuerungsmodul generiert werden oder alle Maßnahmen beispielsweise unter Einbezug der Daten, welche von der Sensoreinrichtung mit den Sensoren kommen, von dem Steuerungsmodul generiert werden.
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In weiterer Ausbildung ist dem Hochvoltanschluss eine Filtereinrichtung und dieser anschließend eine Zwischenkreiseinrichtung in Serie nachgeschaltet. Dabei kann die Filtereinrichtung ein EMV Filter sein.
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Die an die Vorrichtung angeschlossene Hochvoltspannung wird beispielsweise somit zunächst über den EMV-Filter geleitet. Durch den EMV-Filter wird die negative elektromagnetische Beeinflussung von anderen Fahrzeugsystemen vermieden und es können (ab)geschirmte 400V Leitungen vermieden werden.
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Dabei kann die Zwischenkreiseinrichtung als Zwischenkreis ausgebildet sein. Ein solcher Zwischenkreis sorgt für die Zwischenspeicherung von Energie. Der Zwischenkreis dient damit insbesondere als Energiespeicher, um beispielsweise einer Leistungsendstufeneinrichtung eingangsseitig fortlaufend ausreichend elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
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In einer weiteren Ausbildung ist der Zwischenkreiseinrichtung ein Leistungsverteiler nachgeschaltet, welcher der ersten Seite der Vorrichtung mit dem Hochvoltspannungspotential zugeordnet ist. Über einen solchen Leistungsverteiler können mehrere Verbraucher versorgt und sowohl Kabel als auch die Vorrichtung gegen Überstrom abgesichert werden. Der Leistungsverteiler kann in weiterer Ausbildung entweder passiv über einer festen vorrichtungsinternen Verkabelung, oder vorzugsweise aus elektronischen Schaltern realisiert werden, die durch eine konfigurierbare Schmelzintegral-Kennlinie das Abschalt- und Wiedereinschaltverhalten der Verbraucherkreise bestimmen. Der Leistungsverteiler ist vorzugsweise als elektronische Sicherung (eFuse: elektronische High-End Sicherung) ausgelegt.
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Ferner ist in einer weiteren Ausbildung ein Überspannungsschutz vorgesehen, zum Anschluss mehrerer Verbraucher, wobei der Überspannungsschutz dem Leistungsverteiler nachgeschaltet ist. Somit ist der Überspannungsschutz zwischen den Verbrauchern und dem Leistungsverteiler angeordnet. Dadurch werden sowohl positive als auch negative Spannungsspitzen vermieden, die typischerweise beim Ausschalten von induktiven Verbrauchern erzeugt werden.
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Ferner ist der Leistungsverteiler zur Erzeugung von Überwachungssignalen ausgebildet, und wobei der Leistungsverteiler über die galvanische Trenneinrichtung kommunikationstechnisch mit dem Steuerungsmodul verbunden ist, so dass eine Übermittlung der Überwachungssignale zur Diagnose an das Steuerungsmodul bewerkstelligbar ist. Anhand dieser kann das Steuerungsmodul, hier der Mikrocontroller, Ansteuerungssignale hinsichtlich der Verbraucher als auch ggf. hinsichtlich einer Leistungsendstufeneinrichtung generieren.
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Ferner ist in weiterer Ausbildung ein erster Spannungswandler vorgesehen, welcher der ersten Seite mit dem Hochvoltspannungspotential zugeordnet ist und welcher dazu ausgebildet ist, die am Hochvoltanschluss anliegende Hochvoltspannung in die Niedervoltspannung zu wandeln und dem Kopplungsglied zur Verfügung zu stellen, als redundante Versorgung des Steuerungsmoduls über das Kopplungsglied.
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Dadurch wird das Kopplungsglied und damit das nachgeschaltete Steuerungsmodul durch den Niedervoltanschluss mit Niedervoltspannung versorgt als auch redundant durch die am Hochvoltanschluss anliegende, in die Niedervoltspannung gewandelte Hochvoltspannung, so dass eine Versorgung des Steuerungsmoduls mit einer redundanten Niedervoltspannung gewährleistet ist.
Der erste Spannungswandler kann als erster Schaltregler ausgebildet sein, welcher aus der Hochvoltspannung, d.h. hier dem 400V Bordnetz, eine Niedervoltspannung, d.h. hier die 12V Spannung erzeugt, um das Kopplungsglied und damit das nachgeschaltete Steuerungsmodul mit einer redundanten Spannung zu versorgen.
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Damit wird das Steuerungsmodul, hier der Mikrocontroller aus beiden Spannungskreisen, nämlich Niedervolt, hier insbesondere 12V und Hochvolt redundant versorgt. So kann beispielsweise bei Verlust einer der Spannungsquellen (Niedervolt oder Hochvolt) das Steuerungsmodul weiterhin aktiv bleiben und kann somit die Vorrichtungsfunktionen zur Hochvoltaktuatorenansteuerung weiterhin unterbrechungsfrei ausführen. Dadurch kann das Steuerungsmodul die Hochvoltaktuatoren aktiv, beispielsweise mit Spannungs-/Stromsignalen oder passiv, beispielsweise spannungslos, in den sicheren Zustand überführen und das Einnehmen eines sicheren Zustands über Diagnosesignale sicherstellen. Durch die redundante Spannungsversorgung bleibt das Steuerungsmodul diagnosefähig und kann beispielsweise über einen Kommunikationsanschluss mit anderen Steuergeräten kommunizieren.
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Ferner ist in weiterer Ausbildung dem Kopplungsglied ein zweiter Spannungswandler nachgeschaltet, welcher zur Erzeugung aller vorrichtungsinternen oder externen Spannungen ausgebildet ist. Insbesondere ist der zweite Spannungswandler dazu ausgebildet, alle internen und externen Versorgungsspannungen der Vorrichtung als auch der angeschlossenen Sensoreinrichtung mit den Sensoren herzustellen. Dazu ist der zweite Spannungswandler vorzugsweise mit der Sensoreinrichtung mit den Sensoren verschaltet.
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In einer weiteren Ausbildung ist ein Kommunikationsanschluss zum Anschließen des Steuerungsmoduls zur Datenübertragung beispielsweise zur Datenübertragung an eine weitere Kommunikationsleitung im Fahrzeug, vorgesehen, und wobei der Kommunikationsanschluss an der zweiten Seite mit den Niedervoltspannungspotential angeschlossen ist. Insbesondere kann der Kommunikationsanschluss als ein Bus-Transceiver ausgebildet sein.
Dabei weist der Kommunikationsanschluss wie auch das Steuerungsmodul einen Niedervolt-Massenbezug auf.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einer wie oben beschriebenen Vorrichtung. Dabei weist das Fahrzeug insbesondere Elektroniken auf, die einen Hochvoltaktuator ansteuern und als Wegbau- oder Anbauvariante mechanisch zum Hochvoltaktuator angeordnet sind.
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Diese Elektroniken sind für beispielsweise die Leistungsansteuerung von einem Hochvoltaktuator ausgelegt, wie beispielsweise eine Leistungselektronik für eDrive, HV-Klimakompressor, etc.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Dabei zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- 2: ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 20 gemäß der Erfindung. Diese ist insbesondere als ECU (Steuerungsgerät) für eine Fahrzeugkomponente 21 (2) ausgelegt. Insbesondere wird die Vorrichtung 20 zum Steuern von Hochvoltaktuatoren 7 eingesetzt. Dazu weist die Vorrichtung 20 einen Hochvoltaktuatorenanschluss 25 auf.
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Ein Hochvoltsystem, oder Hochvolt (kurz HV), ist ein Begriff aus der Fahrzeugtechnik für Systeme, die beispielsweise mit Gleichspannungen über 60 V bis 1,5 kV betrieben werden. Insbesondere kann hier eine 400V-Hochvoltspannung gemeint sein oder eine 800V-Hochvoltspannung. Bei Elektroautos sind für den elektrischen Antriebsstrang beispielsweise 400-Volt-Systeme vorherrschend, während 800-V-Hochvoltspannungen insbesondere bei sportlichen Fahrzeugen zum Einsatz kommt. Solche Hochvoltaktuatoren 7 kommen beispielsweise bei einem aktiven Fahrwerk zum Betreiben der aktiven Dämpfer oder des elektrischen Antriebsstrangs oder eines Klimakompressors zum Einsatz.
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Insbesondere kann die Steuerung anhand von Sensorsignalen, welche von einer Sensoreinrichtung mit Sensoren 8 erzeugt werden, vorgenommen werden. Hierzu weist die Vorrichtung 20 einen Niedervolt-Sensorenanschluss 26 mit einer Niedervoltverbindung für die Sensoreinrichtung mit den Sensoren 8 auf.
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Die Vorrichtung 20 weist einen Hochvoltanschluss 23 zur Versorgung der Vorrichtung 20 mit einer Hochvoltspannung und einen Niedervoltanschluss 24 zur Versorgung der Vorrichtung 20 mit einer Niedervoltspannung auf. Dadurch werden eine erste Seite 27 mit einem Hochvoltspannungspotential und eine zweite Seite 28 mit einem Niedervoltspannungspotential ausgebildet.
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Der Hochvoltanschluss 23 kann durch zwei Pole HV+, HV- realisiert werden, wobei ein erster Hochvoltbatteriepol (HV+) und ein zweiter Hochvoltbatteriepol HV-, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, elektrisch mit der ersten Seite 27 zum Ausbilden des Hochvoltspannungspotentials verbunden ist.
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Der Niedervoltanschluss 24 kann durch zwei Kontakte realisiert werden, die entsprechend der gebräuchlichen Klemmenbezeichnung den Klemmen KL30 sowie KL31 entsprechen. Dabei stellt in dieser Figur die Klemme 31 den Massenanschluss/Massenbezug dar. Somit ist der Niedervoltanschluss 24 geeignet, um die Vorrichtung 20 an ein 12V-Bordnetz eines Fahrzeugs 22 anzuschließen. Somit handelt es sich bei der zweiten Seite 28 um ein Niedervoltspannungspotential mit 12V. Der Niedervoltanschluss 24 ist der zweiten Seite 28 zur Ausbildung des Niedervoltspannungspotentials zugeordnet und vorgesehen, um die Vorrichtung 20 mit einer Niedervoltspannung zu versorgen.
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Die beiden Spannungsanschlüsse 23,24 sind galvanisch voneinander getrennt.
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Durch die beiden Versorgungsspannungsanschlüsse 23,24 weist die Vorrichtung 20 eine erste Seite 27 mit einem Hochvoltspannungspotential und einer Hochvoltspannung, hier 400 V, auf und eine zweite Seite 28 mit einem Niedervoltspannungspotential und einer Niedervoltspannung, hier 12V auf. Bei den Versorgungsspannungen handelt es sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel um Gleichspannungen.
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Die Vorrichtung 20 kann dabei von einem Gehäuse umschlossen sein. In diesem Fall sind die beiden Versorgungsspannungsanschlüsse 23,24, der Hochvoltaktuatorenanschluss 25 und der einen Niedervolt-Sensorenanschluss 26 als Schnittstellen ausgebildet.
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Die Vorrichtung 20 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Hochvoltspannung, hier 400V, die Signale zum Betreiben der Hochvoltaktuatoren 7 zu erzeugen und an den Hochvoltaktuatorenanschluss 25 auszugeben. Die Hochvoltaktuatoren 7 sind im Fahrzeug 22 vorzugsweise nah an der ersten Seite 27 mit dem Hochvoltspannungspotential angeordnet und innerhalb einer Fahrzeugzone mit abgeschirmten Leitungen angeschlossen. Alternativ kann ein Hochvoltaktuatorengehäuse, welches die Hochvoltaktuatoren 7 aufnimmt, mechanisch direkt an der Vorrichtung 20 bzw. an dem Vorrichtungsgehäuse angeschraubt sein. Dabei ist das entsprechende Gehäuseteil flächig als EMV Schirmung an das Hochvoltaktuatorengehäuse angebunden und die Aktuatorenleitungen können innerhalb des angeschraubten Gehäuseverbundes angeschlossen werden.
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Ferner weist die Vorrichtung 20 eingangsseitig, d.h. auf der ersten Seite 27 mit dem Hochvoltspannungspotential eine Filtereinrichtung auf, welche nach dem Hochvoltanschluss 23 geschaltet ist. Die Filtereinrichtung ist vorzugsweise als ein EMV-Filter 1 ausgeführt. Dadurch wird die an der Vorrichtung 20 angeschlossene 400V Spannung über den EMV Filter 1 geleitet. Dieser schirmt die negative EMV-Beeinflussung von anderen Fahrzeugsystemen ab. Dadurch können, falls die Filter-Charakteristik so ausgelegt ist, geschirmte HV-DC Leitungen vermieden werden, wodurch Kosten eingespart werden.
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Anschließend wird eine Zwischenkreiseinrichtung dem EMV-Filter 1 in Serie nachgeschaltet. Die Zwischenkreiseinrichtung ist auf der ersten Seite 27 mit dem Hochvoltspannungspotential zum Empfang einer Hochvoltspannung, hier 400V, angeordnet. Dabei ist die Zwischenkreiseinrichtung als ein Zwischenkreis 2, insbesondere ein 400 V Zwischenkreis, ausgeführt. Der Zwischenkreis 2 sorgt für die Zwischenspeicherung von Energie, die typischerweise für die PWM (Pulsweitenmodulation)-getaktete Hochvoltaktuatorenansteuerung die Schaltenergie bereitstellt.
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Dies bedeutet, dass der 400V Zwischenkreis 2 für die Zwischenspeicherung von Energie sorgt, wobei die Schaltenergie beispielsweise bei PWM-getakteter Hochvoltaktuatorenansteuerung typischerweise lokal bereitgestellt wird.
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Anschließend wird dem Zwischenkreis 2 ein Leistungsverteiler 3 in Serie nachgeschaltet. Der Leistungsverteiler 3 ist auf der ersten Seite 27 mit dem Hochvoltspannungspotential zum Empfang der Hochvoltspannung, hier 400V, angeordnet.
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Der Leistungsverteiler 3 ist über einen nachgeschalteten Überspannungsschutz 4 zur Versorgungen mehrerer Verbraucher 5, beispielsweise mehrere Hochvolt- Steuergeräte verschaltet. Dabei sind sowohl das/die Anschlusskabel der Verbraucher 5, als auch der Verbraucher 5 selbst gegen Überstrom/Überspannung abgesichert.
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Durch den zwischen Leistungsverteiler 3 und Verbraucher 5 geschalteten Überspannungsschutz 4 werden sowohl positive als auch negative Spannungsspitzen vermieden, die typischerweise beim Ausschalten von induktiven Verbrauchern erzeugt werden.
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Der Leistungsverteiler 3 kann vorzugsweise aus elektronischen Schaltern realisiert werden, die durch eine konfigurierbare Schmelzintegral-Kennlinie das Abschalt- und Wiedereinschaltverhalten von angeschlossenen Verbrauchern 5 bewerkstelligt. Der Leistungsverteiler 3 ist somit vorzugsweise als elektronische Sicherung (eFuse: elektronische High-End Sicherung) ausgelegt.
Alternativ kann der Leistungsverteiler 3 passiv über eine feste vorrichtungsinterne Verkabelung ausgebildet sein.
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Über den Leistungsverteiler 3 können so mehrere 400V Steuergeräte versorgt und sowohl Kabel als auch die Vorrichtung 20 gegen Überstrom abgesichert werden. Der Leistungsverteiler 3 erzeugt auch alle elektrischen Signale, die zwecks Diagnose an den Mikrocontroller 14 (µC) bereitgestellt werden. Dies wird später noch beschrieben.
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Ferner ist dem Leistungsverteiler 3 eine Leistungsendstufeneinrichtung als Leistungsendstufe 6 in Serie nachgeschaltet. Die Leistungsendstufe 6 ist auf der ersten Seite 27 mit dem Hochvoltspannungspotential zum Empfang der Hochvoltspannung, hier 400V, angeordnet.
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Ausgangsseitig ist die Leistungsendstufe 6 mit dem Hochvoltaktuatorenanschluss 25 zur Steuerung der ein oder mehreren Hochvoltaktuatoren 7 verbunden. Der Hochvoltaktuator 7 ist beispielsweise hier über drei elektrische Leitungen mit der Leistungsendstufe 6 verbunden.
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Zwischen Hochvoltaktuator 7 und Leistungsendstufe 6 können mehrere Schalter (nicht gezeigt) angeordnet, und ausgebildet sein, um die jeweilige Leitung in einer entsprechenden Schaltstellung zu schließen und zu öffnen.
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Die Leistungsendstufe 6 weist beispielsweise in dieser Figur sechs Transistorschaltungen auf, von denen jede einen Transistor, beispielsweise ein Schütz oder Relais, mit einer dazu parallel geschalteten Diode aufweist. Durch eine geeignete Ansteuerung der Transistorschaltungen werden die Hochvoltaktuatoren 7 mit einer geeigneten Betriebsspannung versorgt. Dazu sind die Hochvoltaktuatoren 7 mit abgeschirmten Leitungen an die Leistungsendstufe 6 gekoppelt. Alternativ kann ein Hochvoltaktuatorengehäuse, welches die Hochvoltaktuatoren 7 aufnimmt, mechanisch direkt an der Vorrichtung 20 bzw. an dem Gehäuse angeschraubt sein.
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Die Leistungsendstufe 6 steuert somit die Hochvoltaktuatoren 7 an und erzeugt alle Signale für den Hochvoltaktuatorenanschluss 25 zur Übertragung an die Hochvoltaktuatoren 7.
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Zur Ansteuerung benötigt die Leistungsendstufe 6 die Steuersignale von dem im Mikrocontroller 14 (µC) allokierten Regelschleifen wie PWM-Signal der einzelnen Schaltelemente und kann dadurch alle Eingangssignale für die Aktuator-Steuerfunktion wie Hochvoltspannung, Aktuator-Phasenspannung, -Phasenstrom, Ist-PWM Signal am Aktuator, Statussignale eines später beschriebenen Fail-Safe-Schalters 13 (Leistungsendstufentreibers) erzeugen.
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Zusätzlich ist dem Zwischenkreis 2 ein erster Spannungswandler nachgeschaltet, welcher dem Hochvoltspannungspotential zugeordnet ist und welcher dazu ausgebildet ist, die am Hochvoltanschluss 23 anliegende erste 400V Spannung in die Niedervoltspannung, hier 12V, zu wandeln. Der Spannungswandler ist vorzugsweise als erster Schaltregler 9 ausgebildet. Alternativ kann dieser auch als Durchflusswandler ausgebildet sein.
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Eingangsseitig erhält der erste Schaltregler 9 die Hochvoltspannung nämlich 400V, welche ausgangsseitig in die Niedervoltspannung 12 V gewandelt wird. Der erste Schaltregler 9 erzeugt eine 12V Zwischenspannung aus der Hochvoltspannung, um beispielsweise den Mikrocontroller 14 oder andere internen Hardware-Module zu versorgen. Im ersten Schaltregler 9 ist zudem eine galvanische Trennung zur Vermeidung von Massenschleifen und zur Sicherstellung der Hochvolt.-Anforderungen integriert, so dass das Hochvoltspannungspotential galvanisch von dem Niedervoltspannungspotential getrennt ist.
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Weiter ist dem ersten Schaltregler 9 ein Kopplungsglied 10 nachgeschaltet, welches unterbrechungsfrei die durch den ersten Schaltregler 9 umgewandelte Hochvoltspannung, hier 400V, in die Niedervoltspannung, hier 12V, und die von dem Niedervoltanschluss 24 durch die angeschlossene Klemme 30 realisierte Niedervoltspannung, hier 12V, koppelt. Dabei ist das Kopplungsglied 10 dem Niedervoltspannungspotential der Vorrichtung 20 zugeordnet; d.h. auf der zweiten Seite 28 der Vorrichtung 20 mit dem Niedervoltspannungspotential.
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Das Kopplungsglied 10 ist ausgebildet, um die 12V-Betriebsspannung entweder unter Verwendung der an dem Hochvoltanschluss 23 anliegenden ersten 400V-Spannung oder unter Verwendung der an dem Niedervoltanschluss 24 anliegenden zweiten 12V-Spannung bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine Versorgung der Vorrichtung 20, insbesondere des Mikrocontrollers 14 mit der 12V Betriebsspannung auch dann gewährleistet werden, wenn eine der beiden Versorgungsspannungen ausfällt. Dies ist günstig, wenn gegebenenfalls eine gesteuerte Überführung des Hochvoltaktuators 7 in einen sicheren Zustand erforderlich ist.
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Das Kopplungsglied 10 versorgt die Schaltelemente der Vorrichtung 20 daher redundant mit der Niedervoltspannung, hier 12V.
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Das Kopplungsglied 10 ist mit einem Steuerungsmodul, welcher hier als Mikrocontroller 14 (µC) ausgebildet ist und einem zweiten Spannungswandler, hier einem zweiten Schaltregler 11 verbunden, oder der Mikrocontroller 14 (µC) ist mit dem zweiten Schaltregler 11 verschaltet. Dabei ist der Mikrocontroller 14 als auch der zweite Schaltregler 11 dem Niedervoltspannungspotential der Vorrichtung 20 zugeordnet; d.h. auf der zweiten Seite 28 der Vorrichtung 20 mit dem Niedervoltspannungspotential angeordnet.
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Der zweite Schaltregler 11 ist somit dem Kopplungsglied 10 nachgeschaltet. Der Schaltregler 11 stellt alle typischen vorrichtungsinternen und externen Versorgungsspannungen bereit.
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Zudem ist der Schaltregler 11 auch mit dem Niedervolt-Sensorenanschluss 26 verbunden.
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Durch den zweiten Schaltregler 11 können beispielsweise 5V,1.2V, 3.3V, 1V etc. bereitgestellt werden, mit denen die Sensoren 8 über den Niedervolt-Sensorenanschluss 26 versorgt werden.
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Das Kopplungsglied 10 kann somit unterbrechungsfrei die Spannungen aus dem 400V- und 12V Bordnetz als 12V-Spannungen koppeln und somit eine redundante Versorgung der Vorrichtung 20 sicherstellen. Dadurch kann selbst bei einem kompletten Verlust einer der beiden externen Spannungsversorgungen oder einer internen Störung die Vorrichtung 20 diagnosefähig bleiben, den sicheren Zustand kontrolliert einleiten und bei Bedarf geeignete Fail-Safe-Maßnahmen durch den Mikrocontroller 14 (µC) ausführen.
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Der Mikrocontroller 14 beinhaltet alle Funktionen, die zur Hochvoltaktuatorenansteuerung, 400V und 12V Bordnetzüberwachung, FuSi (Funktionale Sicherheit), 400V Leistungsverteilung, Hochvoltaktuator-/Sensorauswertung und Kommunikation etc. mit anderen Fahrzeugsystemen benötigt werden.
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Durch Einsatz des Mikrocontrollers 14 (µC) auf der zweiten Seite 28 mit dem Niedervoltspannungspotential hat der Mikrocontroller 14 (µC) einen direkten Massenbezug KL31. Ferner kann der Mikrocontroller 14 (µC) mit den Sensoren 8 direkt über einen Niedervoltanschluss oder über einen Niedervoltspannungskabelbaum verbunden sein zum Empfang von Signalen/Daten.
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Dabei erzeugen beispielsweise die Sensoren 8 wie ein Sensor für Drehzahl-, Drehmomentsensor die Eingangsgrößen für die im Mikrocontroller 14 allokierten Aktuator-Steuerfunktionen und können mit dem Mikrocontroller 14 aufgrund des gleichen KL31 Massenbezuges direkt beispielsweise über einen 12V Stecker angebunden werden.
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Dadurch ist eine einfachere kostengünstigere Anbindung möglich, als wenn Hochvoltkabel notwendig sind.
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Ferner ist ein BUS-Transceiver 15 vorhanden, welcher 12V seitig, d.h. an der zweiten Seite 28 mit dem Niedervoltspannungspotential an ein Kommunikationsnetzwerk angeschlossen wird. Typischerweise ist der BUS-Transceiver 15 als CAN, CAN-FD, Ethernet, etc. ausgebildet. Dieser ist aufgrund des gleichen Massenbezuges direkt zur Datenübermittlung mit dem Mikrocontroller 14 verbunden.
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Dem Mikrocontroller 14 (µC) ist eine galvanische Trenneinrichtung 12 nachgeschaltet. Dabei ist die galvanische Trenneinrichtung 12 dazu ausgebildet, um das Hochvoltspannungspotential galvanisch von dem Niedervoltspannungspotential zu trennen. Die galvanische Trenneinrichtung 12 stellt zuverlässig unter Einhaltung der Hochvoltanforderungen die bidirektionale Signalübertragung zwischen der zweiten Seite 28 (12 V, Niedervoltspannungspotential) und erster Seite 27 (Hochvolt) der Vorrichtung 20 sicher.
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Der Mikrocontroller 14 (µC) ist dazu ausgebildet, über die galvanische Trenneinrichtung 12 DC/Diagnose Signale von dem Leistungsverteiler 3 zu empfangen und beispielsweise diese auszuwerten und zu plausibilisieren/korrigieren und Ansteuerungssignale an den Leistungsverteiler 3 über die Trenneinrichtung 12 zurückzuübermitteln, welche zur Ansteuerung der Verbraucher 5 herangezogen werden können.
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Ferner ist der galvanischen Trenneinrichtung 12 ein Fail-Save Schalter 13 mit einer Fails-Safe Logik nachgeschaltet, welcher auf der ersten Seite 27 mit Hochvoltspannungspotential angeordnet ist.
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Der Fail-Safe-Schalter 13 und der Mikrocontroller 14 sind über die galvanische Trenneinrichtung 12 zum bidirektionalen Datenaustausch oder unidirektionaler Datenübertragung von Mikrocontroller 14 zu dem Fail-Safe-Schalter 13 verbunden. Somit können Störsignale, welche beispielsweise von dem Hochvoltaktuator 7 / Hochvoltaktuatorenanschluss 25 kommen, über den Fail-Safe-Schalter 13 diagnostiziert und die Diagnose an den Mikrocontroller 14 gesendet werden oder diese werden direkt an den Mikrocontroller 14 über die galvanische Trenneinrichtung 12 zur Auswertung gesendet, d.h. die Signale zur Steuerung des Hochvoltaktuators 7 werden zwischen einer Leistungsendstufe 6 und dem Mikrocontroller 14 über die galvanische Trenneinrichtung 12 in beide Richtungen geleitet.
Der Mikrocontroller 14 kann somit beispielsweise anhand von den Signalen der Sensoren 8 und dem Fail-Safe-Schalter 13 Fail-Safe-Maßnahmen erzeugen.
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Der Fail Safe-Schalter 13 stellt sicher, dass beim Ausfall der Vorrichtung 20 oder des Mikrocontrollers 14 die Hochvoltaktuatoren 7 bei Bedarf in den sicheren Zustand überführt werden. Dies kann typischerweise „aktiv“ mit Kurzschluss der Aktuator-Phasen, oder „passiv“ mit dem Öffnen aller Schalterelemente erfolgen. Durch eine weitere Logik kann eine generatorische Rückspeisung von den Hochvoltaktuatoren 7 in die Vorrichtung 20 durch Kurzschluss der Aktuatorenphasen vermieden werden. Die Rückspeisung kann insbesondere beim Servicefall und getrennter Hochvoltseite der Vorrichtung 20 zu gefährlich hoher induzierter Spannung führen.
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Ferner ist der Fail-Safe-Schalter 13 zum Datenaustausch mit der Leistungsendstufe 6 verbunden.
Über den Fail-Safe-Schalter 13 und die galvanische Trenneinrichtung 12 ist die Leistungsendstufe 6 bidirektional mit dem Mikrocontroller 14 verbunden. Alternativ kann der Mikrocontroller 14 direkt zum Empfang von Signalen mit der Leistungsendstufe 6 über die galvanische Trenneinrichtung 12 verbunden und der Fail-safe-Schalter 13 lediglich zum Übertrag von Signalen ausgebildet sein.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 wird ein Kopplungskonzept für 12V und 400V Baugruppen in einer 400V Zone ECU (Steuergerät) bereitgestellt. Ferner wird eine fahrzeugdomainenübergreifende bzw. unabhängige Hochvoltaktuatorenansteuerung von 12V / 400V Fahrzeughochvoltaktuatoren aus dem 400V Bordnetz bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß kann somit die Vorrichtung 20, insbesondere als ECU, auch als Leistungsverteiler fungieren und vom Leistungsverteiler 3 die 400V auch anderen Fahrzeugverbrauchern über den Überspannungsschutz 4 zur Verfügung stellen, wobei der Leistungsverteiler 3 vorzugsweise als elektronische Sicherung (eFuse) ausgelegt ist.
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Durch die erfindungsgemäße redundante Spannungsversorgung bleibt der Mikrocontroller 14 bei Verlust einer Spannungsquelle weiterhin aktiv und kann die Funktionen der Vorrichtung 20, insbesondere die Hochvoltaktuatorenansteuerung, weiterhin unterbrechungsfrei ausführen.
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Somit kann der Mikrocontroller 14 die Hochvoltaktuatoren 7 aktiv mit Spannungs-/Stromsignalen oder passiv (spannungslos) in den sicheren Zustand überführen und ein Einnehmen eines sicheren Zustands über Diagnosesignale sicherstellen. Ferner bleibt der Mikrocontroller µC 14 diagnosefähig und kann über den Kommunikationsanschluss (BUS-Transceiver 15) mit anderen Steuergeräten kommunizieren.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 können mehrere Hochvoltaktuatoren 7 mit einer solchen Vorrichtung 20 angesteuert werden, die entweder über Kabel (Wegbau), oder direkt (Anbau) über eine mechanische Verbindung an der Vorrichtung 20 angeschlossen sind.
Die Hochvoltaktuatoren 7 können sich vorzugsweise nah an der Vorrichtung 20 im Fahrzeug befinden und mit abgeschirmten Leitungen angeschlossen werden. Alternativ kann ein Hochvoltaktuatorengehäuse mechanisch direkt an dem Gehäuse der Vorrichtung 20 angeschraubt werden.
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Auch kann der Mikrocontroller 14 direkt über einen Niedervoltspannunganschluss (beispielsweise Niedervoltspannungskabel) oder über einen über einen Niedervoltspannungskabelbaum mit den Sensoren 8 verbunden sein, was Kosten einspart.
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2 zeigt ein Fahrzeug 22 mit einer Fahrzeugkomponente 21, hier beispielsweise eine aktive Dämpfung, HV-Klimakompressor.
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Die Fahrzeugkomponente 21 weist zumindest einen Hochvoltaktuator 7 auf und eine Sensoreinrichtung mit Sensoren 8. Dabei wird der Hochvoltaktuator 7 über eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 gesteuert. Eine solche Vorrichtung 20 kann als eine Elektronik, die einen 400V Hochvoltaktuator ansteuert und als Wegbau- oder Anbauvariante mechanisch beim Hochvoltaktuator 7 angeordnet ist, eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- EMV-Filter
- 2
- Zwischenkreis
- 3
- Leistungsverteiler
- 4
- Überspannungsschutz
- 5
- Verbraucher
- 6
- Leistungsendstufe
- 7
- Hochvoltaktuator
- 8
- Sensoren
- 9
- erster Schaltregler
- 10
- Kopplungsglied
- 11
- zweiter Schaltregler
- 12
- galvanische Trenneinrichtung
- 13
- Fail-Safe-Schalter
- 14
- Mikrocontroller
- 15
- BUS-Transceiver
- 20
- Vorrichtung
- 21
- Fahrzeugkomponente
- 22
- Fahrzeug
- 23
- Hochvoltanschluss
- 24
- Niedervoltanschluss
- 25
- Hochvoltaktuatorenanschluss
- 26
- Niedervolt-Sensorenanschluss
- 27
- erste Seite
- 28
- zweite Seite
