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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und insbesondere eine Schaltungsanordnung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei welchen Halbleiterschalter mit parallel wirkenden Body-Dioden in einer sogenannten „back-to-back“ Anordnung antiseriell verschaltet sind, um einen Stromfluss in beiden möglichen Flussrichtungen unterbinden zu können.
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Zudem sind aus dem Stand der Technik Leistungshalbleiterschalter bekannt, welche eigerichtet sind, besonders hohe Leistungen zu schalten, die beispielsweise durch Hochvoltspannungsquellen wie Traktionsbatterien von Fahrzeugen bereitgestellt werden. Auf Basis solcher Leistungshalbleiterschalter ist es vorteilhaft möglich, die Hochvoltspannungsquelle im Fehlerfall, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses eines mit der Hochvoltspannungsquelle verbundenen Verbrauchers, besonders schnell von einem solchen Verbraucher zu trennen.
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US2021041502A1 offenbart eine Schalterdiagnosevorrichtung und ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Ladeschalters und eines Entladeschalters, welche mit einem Batteriepack bereitgestellt sind. Es wird eine Diagnose unterschiedlicher Fehlerzustände der Schalter ermöglicht, um eine Diagnoseeffizienz zu erhöhen.
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US2020333377A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem, einen Batteriepack mit einem solchen Batteriemanagementsystem und ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers in einer Stromerfassungsschaltung. Das System umfasst eine Stromerfassungsschaltung, welche eingerichtet ist, einen Referenzstrom zu erfassen, der durch einen positiven Strompfad des Batteriepacks, einen bidirektionalen Schalter aus einem Lade-FET und einem Entlade-FET und eine Steuereinheit fließt. Die Steuereinheit erkennt einen Fehler in der Stromerfassungsschaltung anhand von Spannungsmessungen über den FETs.
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US2008278116A1 offenbart eine Batterieschutzvorrichtung, welche eine Batterie und einen Halbleiter vor einem Überladen und einem Überentladen schützt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Schaltungsanordnung und insbesondere eine Schaltungsanordnung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs vor, wobei das Fahrzeug beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug und insbesondere ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch in unterschiedlichen Anwendungsgebieten abseits von Fahrzeugen vorteilhaft einsetzbar.
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Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Halbleiterschalter und einen zweiten Halbleiterschalter, einen elektrischen Energiespeicher (z. B. eine Batterie, welche beispielsweise eingerichtet ist, Spannungen bis zu 400 V oder bis 800V bereitzustellen, nachfolgend auch verkürzt als Energiespeicher bezeichnet), eine elektrische Komponente (insbesondere eine elektrische Last, nachfolgend auch verkürzt als Komponente bezeichnet), eine Messvorrichtung (z. B. einen Mess-ASIC, o. ä.), eine Spannungsquelle, einen Widerstand und eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet und ist beispielsweise ein Bestandteil einer bestehenden Logikeinheit (z. B. ein Bestandteil eines Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs) und/oder eine eigenständige Logikeinheit. Ferner ist es möglich, dass die Messvorrichtung in die Auswerteeinheit integriert ist.
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Der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter sind antiseriell geschaltet, indem ihre jeweiligen Source-Anschlüsse elektrisch miteinander verbunden sind. Eine solche Konfiguration wird auch als „common-source“-Konfiguration bezeichnet. Die beiden Halbleiterschalter sind in einem negativen Pfad eines aus dem Energiespeicher und der Komponente ausgebildeten Stromkreises zum elektrischen Verbinden und Trennen des Energiespeichers und der Komponente vorgesehen.
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Die antiserielle Verschaltung der beiden Halbleiterschalter ist insbesondere für eine Stromkreisunterbrechung in beide möglichen Flussrichtungen eines Stroms im Stromkreis vorgesehen, da häufig leistungslos angesteuerte Halbleiterschalter wie MOSFETs eingesetzt werden, welche aufgrund ihrer Body-Diode nur in eine Flussrichtung sperren können. Die antiseriell angeordneten Halbleiterschalter bilden somit vorteilhaft einen einzelnen topologischen bidirektionalen Schalter aus, wobei die beiden Halbleiterschalter vorzugsweise stets gleichzeitig in den gleichen Schaltzustand (offen oder geschlossen) versetzt werden, ohne jedoch hierauf eingeschränkt zu sein.
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In einem Fall, in dem die Hableiterschalter aufgrund ihrer Ausprägung einen Stromfluss wie vorstehend beschrieben jeweils nur in eine Flussrichtung unterbrechen können, ist der erste Halbleiterschalter zum Schalten eines Stroms eingerichtet, welcher in eine Laderichtung fließt, d. h., ein Strom, welcher zum Laden des elektrischen Energiespeichers von einer weiteren Energiequelle in den elektrischen Energiespeicher eingespeist wird, während der zweite Halbleiterschalter eingerichtet ist, einen Entladestrom zu unterbrechen, welcher in die entgegengesetzte Richtung zur Laderichtung fließt.
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Ein Drain-Anschluss des ersten Halbleiterschalters ist mit einem Bezugspotential verbunden, welches einem Potential eines Minuspols des Energiespeichers entspricht (z. B. ein Massepotential), während ein Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters mit der Komponente verbunden ist.
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Ein erster Anschluss der Spannungsquelle ist über den Widerstand, welcher insbesondere zur Strombegrenzung vorgesehen ist, mit den Source-Anschlüssen des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters verbunden, während ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle mit dem Bezugspotential verbunden ist. Die Spannungsquelle ist auf Basis dieser Konfiguration eingerichtet, an den Source-Anschlüssen des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters ein Referenzpotential bereitzustellen, welches negativer ist als das Bezugspotential.
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Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den ersten Halbleiterschalter zum Öffnen anzusteuern, wobei dies nicht ausschließt, dass der zweite Halbleiterschalter parallel zum ersten Halbleiterschalter ebenfalls zum Öffnen angesteuert wird. Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, mittels der Messvorrichtung während der Ansteuerung zum Öffnen eine Spannung zwischen dem Bezugspotential und den Source-Anschlüssen zu messen und auf Basis der gemessenen Spannung zu überprüfen, ob der geöffnete Schaltzustand des ersten Halbleiterschalters tatsächlich erreicht ist. Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den geöffneten Zustand des ersten Halbleiterschalters dadurch zu überprüfen, dass die gemessene Spannung eine bezüglich des Bezugspotentials negative Spannung ist. Für den Fall, dass keine negative Spannung gemessen wird, ist entsprechend von einem Defekt des Hableiterschalters (z. B. ein interner Kurzschluss des Source-Drain-Kanals, auch „stuck-close“-Fehlerzustand genannt) und/oder eines Ansteuerpfades (z. B. ein Defekt eines Gate-Treibers des ersten Halbleiterschalters) des Halbleiterschalters auszugehen. Besonders vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den geöffneten Zustand des ersten Halbleiterschalters dadurch zu überprüfen, dass die gemessene Spannung eine negative Spannung ist, welche einen vordefinierten negativen Schwellenwert in negativer Richtung überschreitet, um dadurch eine besonders zuverlässige Bestimmung des tatsächlichen Schaltzustandes ermitteln zu können.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet somit den besonderen Vorteil, dass auch derjenige Hableiterschalter einer common-source-Konfiguration von Halbleiterschaltern in einem negativen Pfad eines Stromkreises hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit überprüft werden kann, dessen Drain-Anschluss mit dem Bezugspotential des elektrischen Energiespeichers verbunden ist. Auf Basis einer solchen Diagnosemöglichkeit lässt sich u. a. eine Zuverlässigkeit und/oder Sicherheit eines die Schaltungsanordnung einsetzenden elektrischen Systems erhöhen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Im einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der erste Halbleiterschalter und der zweite Hableiterschalter der Schaltungsanordnung jeweils als Si-MOSFET, als SiC-MOSFET, als GaN-MOSFET oder als IGBT (wobei für den Fachmann in diesem Fall klar ist, dass bei einer Verwendung von IGBTs die Bezeichnungen Source und Drain mit dem Emitter und dem Kollektor der IGBTs korrespondieren) ausgebildet. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass sich der erste Halbleiterschalter und/oder der zweite Halbleiterschalter jeweils aus einer Vielzahl parallelgeschalteter Halbleiterschalter zusammensetzen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Spannungsquelle eine unabhängig von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Spannungsquelle, welche beispielsweise auf Basis eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers (z. B. ein flyback-Konverter oder ein als Vorwärtswandler ausgebildeter DC/DC Wandler) realisiert ist. Alternativ ist die Spannungsquelle vorteilhaft eine aus dem elektrischen Energiespeicher abgeleitete Spannungsquelle, welche z. B. auf Basis einer Ladungspumpe realisiert ist.
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Weiter vorteilhaft ist die elektrische Komponente eine elektrische Last, insbesondere ein Bordnetz und/oder ein Bestandteil eines Bordnetzes eines Fahrzeugs und/oder eine elektrische Energiequelle, insbesondere eine Ladevorrichtung, welche eingerichtet ist, den elektrischen Energiespeicher und/oder eine Kapazität der elektrischen Komponente zu laden. Alternativ oder zusätzlich ist ein Kondensator parallel zur elektrischen Komponente geschaltet, welcher insbesondere als Zwischenkreiskondensator dienen kann. Dieser Kondensator ist beispielsweise die vorstehend genannte Kapazität, welche beispielsweise durch das Bordnetz geladen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den zweiten Halbleiterschalter zum Öffnen anzusteuern, mittels der Messvorrichtung während der Ansteuerung zum Öffnen und während eine Spannung über dem Kondensator aufgrund einer Entladung des Kondensators (z. B. in einem sogenannten Nachlaufmodus eines Fahrzeugs) über die Last geringer ist als eine Spannung des Energiespeichers, eine Spannung zwischen dem Bezugspotential und den Source-Anschlüssen der beiden Halbleiterschalter zu messen und auf Basis der gemessenen Spannung zu überprüfen, ob der geöffnete Schaltzustand des zweiten Halbleiterschalter tatsächlich erreicht ist. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass zusätzlich zu dem ersten Halbleiterschalter auch der zweite Halbleiterschalter hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit überprüft werden kann.
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Vorzugsweise ist die Messvorrichtung zusätzlich eingerichtet, eine Spannung zwischen einem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters zu messen, wobei zwischen dem Pluspol und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters eine hochohmige Verbindung zu dem Bezugspotential vorliegt (z. B. über jeweilige Messwiderstände der Messvorrichtung). Zudem ist die Auswerteinheit eingerichtet, auf Basis der gemessenen Spannung zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters einen Schaltzustand eines zum Öffnen angesteuerten ersten Halbleiterschalters und/oder eines zum Öffnen angesteuerten zweiten Halbleiterschalters zu überprüfen und/oder zu plausibilisieren. Insbesondere durch einen Abgleich der hier beschriebenen Messung mit den vorstehend beschriebenen Messungen lässt sich eine besonders hohe Zuverlässigkeit beim Ermitteln der tatsächlichen Schaltzustände der Halbleiterschalter erzielen.
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Weiter vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den zweiten Halbleiterschalter zum Öffnen anzusteuern, eine Spannung zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters zu messen, während eine Spannung über dem Kondensator geringer ist als eine Spannung des elektrischen Energiespeichers. Zudem ist die Auswerteeinheit eingerichtet, auf Basis der zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters gemessenen Spannung einen geöffneten Schaltzustand des zweiten Halbleiterschalters zu überprüfen und/oder zu plausibilisieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich ein Schalter im positiven Pfad des Stromkreises zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und der elektrischen Komponente angeordnet. Der Schalter ist beispielsweise als elektromechanischer Schalter (Relais, Schütz, usw.) ausgebildet, ohne hierauf beschränkt zu sein. Der Schalter ist im Zusammenspiel mit den beiden Halbleiterschaltern vorteilhaft für eine allpolige Trennung des elektrischen Energiespeichers von der elektrischen Komponente einsetzbar. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den Schalter in einen geöffneten Zustand zu versetzen, indem die Auswerteeinheit elektrisch und/oder informationstechnisch mit dem Schalter verbunden ist. Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, den ersten Halbleiterschalter zum Öffnen anzusteuern, eine Spannung zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters zu messen, während eine Spannung über dem Kondensator größer als 0 V ist. Bevorzugt ist die Spannung deutlich größer als 0 V, sodass eine Messung der Spannung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Ein Zustand, in dem die Spannung über dem Kondensator größer als 0 V ist, ist beispielsweise ein Zustand, in dem sich ein Fahrzeug in einem sogenannten Vorlaufmodus befindet, in welchem ein Zwischenkreiskondensator eines Bordnetzes mittels einer zusätzlichen Energiequelle (z. B. auf Basis einer 12 V Batterie des Fahrzeugs in Verbindung mit einem DC/DC-Wandler) im Wesentlichen auf eine Spannung des elektrischen Energiespeichers aufgeladen wird, um hohe Ströme im Stromkreis beim Schließen des Schalters zu verhindern. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, auf Basis der zwischen dem Pluspol des Energiespeichers und dem Drain-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters gemessenen Spannung einen geöffneten Schaltzustand des ersten Halbleiterschalters zu überprüfen und/oder zu plausibilisieren.
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Weiter vorteilhaft ist die Messvorrichtung zudem eingerichtet, einen Stromfluss im Stromkreis zu messen (z. B. mittels eines Shunt-Widerstandes im Stromkreis) und ein Ergebnis der Messung zur Plausibilisierung jeweiliger Schaltzustände des ersten Halbleiterschalters und/oder des zweiten Halbleiterschalters zu verwenden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft möglich, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, ein Signal repräsentierend einen Fehlerzustand des ersten Halbleiterschalters und/oder des zweiten Halbleiterschalters auszugeben, falls der geöffnete Zustand des ersten Halbleiterschalter und/oder des zweiten Halbleiterschalters trotz korrespondierender Ansteuerung (d. h., einer jeweiligen Ansteuerung zum Öffnen) nicht erreicht wird. Bei einer Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug lässt sich das Signal beispielsweise dazu verwenden, das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu versetzen (z. B. durch Öffnen des zusätzlichen Schalters im positiven Pfad des Stromkreises zu einem geeigneten Zeitpunkt) und/oder eine Hinweismeldung an einen Benutzer des Fahrzeugs auszugeben, welche auf die entsprechende Fehlfunktion hinweist und/oder welche den Benutzer darüber informiert, dass das Fahrzeug in eine Service-Werkstatt zur Überprüfung befördert werden sollte.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welche hier eine Schaltungsanordnung für ein batterieelektrisch betriebenes Fahrzeug ist.
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Die Schaltungsanordnung weist einen ersten MOSFET 10 und einen zweiten MOSFET 20 auf, welche antiseriell geschaltet sind, indem ihre jeweiligen Source-Anschlüsse 12, 22 elektrisch miteinander verbunden sind. Die beiden MOSFETs 10, 20 sind hier als SiC-MOSFETs ausgebildet und in einem negativen Pfad eines aus einer Batterie 30 und einer Last 40 ausgebildeten Stromkreises zum elektrischen Verbinden und Trennen der Batterie 30 und der Last 40 vorgesehen.
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Die Schaltungsanordnung weist weiter einen als Schütz ausgebildeten Schalter 100 in einem positiven Pfad des Stromkreises auf, welcher eingerichtet ist, die Batterie 30 und die Last 40 zu verbinden und zu trennen, sodass auf Basis der beiden MOSFETs 10, 20 und auf Basis des Schalters 100 eine allpolige Trennung der Batterie 30 von der Last 40 möglich ist.
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Eine als ASIC ausgebildete Auswerteeinheit 80 ist jeweils elektrisch mit dem Schalter 100 und den beiden MOSFETs 10, 20 verbunden und auf diese Weise eingerichtet, diese Komponenten 10, 20, 100 zum Öffnen und zum Schließen anzusteuern.
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Ein Drain-Anschluss 14 des ersten Halbleiterschalters 10 ist mit einem Bezugspotential M verbunden, welches einem Potential eines Minuspols der Batterie 30 entspricht, während ein Drain-Anschluss 24 des zweiten Halbleiterschalters 20 mit der Last 40 verbunden ist.
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Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Spannungsquelle 60 auf, welche hier als Ladungspumpe ausgebildet ist, die ihre elektrische Energie aus der Batterie 30 bezieht. Ein erster Anschluss 62 der Spannungsquelle 60 ist über einen ersten Widerstand (Strombegrenzungswiderstand) 70 mit den Source-Anschlüssen 12, 22 des ersten MOSFET 10 und des zweiten MOSFET 20 verbunden. Ein zweiter Anschluss 64 der Spannungsquelle 60 ist mit dem Bezugspotential M verbunden.
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Auf Basis dieser Konfiguration ist die Spannungsquelle 60 eingerichtet, an den Source-Anschlüssen 12, 22 des ersten MOSFET 10 und des zweiten MOSFET 20 ein Referenzpotential bereitzustellen, welches negativer ist als das Bezugspotential M.
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Die Auswerteeinheit 80 ist weiter eingerichtet, den ersten MOSFET 10 und den zweiten MOSFET 20 zum Öffnen anzusteuern und mittels einer Messvorrichtung 50, welche vorteilhaft ein integraler Bestandteil des ASIC der Auswerteeinheit ist, während der Ansteuerung zum Öffnen eine Spannung zwischen dem Bezugspotential M und den Source-Anschlüssen 12, 22 zu messen. Hierfür ist die Auswerteeinheit 80 informationstechnisch mit der Messvorrichtung 50 verbunden. Ein Messeingang der Messvorrichtung 50 ist ferner über einen Spannungsteiler aus einem zweiten Widerstand 72 und einem dritten Widerstand 73, welcher eine zu messende Spannung auf eine für den Messeingang geeignete Spannung reduziert, mit den Source-Anschlüssen 12, 22 verbunden.
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Die Auswerteeinheit 80 ist ferner eingerichtet, auf Basis der gemessenen Spannung zu überprüfen, ob der geöffnete Schaltzustand des ersten MOSFET 10 tatsächlich erreicht ist. In einem Fall, in dem der Schaltzustand trotz der Ansteuerung zum Öffnen durch die Auswerteeinheit 80 nicht erreicht ist, ist die Auswerteeinheit 80 eingerichtet, ein Signal repräsentierend einen Fehlerzustand des ersten MOSFET 10 auszugeben.
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Die Schaltungsanordnung weist darüber hinaus einen zur Last 40 parallelgeschalteten Zwischenkreiskondensator 90 auf, welcher wie die Last 40 ein Teil eines Bordnetzes des Fahrzeugs ist, welches mittels der Batterie 30 versorgt wird.
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Die Schaltungsanordnung weist darüber hinaus weitere Widerstände 74, 75, 76, 77 auf, auf deren Basis die Messvorrichtung 50 eingerichtet ist, eine Spannung des Bordnetzes gegen das Bezugspotential M zu messen.
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Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Strommesswiderstand (Shunt) 110 auf, welche in dem negativen Pfad des Stromkreises angeordnet ist und welcher über einen weiteren Messeingang mit der Messvorrichtung 50 verbunden ist.
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Auf dieser Basis ist die Messvorrichtung 50 zusätzlich eingerichtet, Spannungen und Ströme innerhalb des Stromkreises zu messen, auf deren Basis die Auswerteeinheit 80 zusätzlich eingerichtet ist, zu ermitteln, ob die zum Öffnen angesteuerten MOSFETs 10, 20 sich tatsächlich im geöffneten Zielzustand befinden.
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Hierfür ist die Auswerteeinheit 80 beispielsweise eingerichtet, den ersten MOSFET 10 und den zweiten MOSFET 20 zum Öffnen anzusteuern, mittels der Messvorrichtung 50 während der Ansteuerung zum Öffnen und während eine Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 90 aufgrund einer Entladung des Zwischenkreiskondensators 90 über die Last 40 geringer ist als eine Spannung der Batterie 30, eine Spannung zwischen dem Bezugspotential M und den Source-Anschlüssen 12, 22 der beiden MOSFETs 10, 20 zu messen und auf Basis der gemessenen Spannung zu überprüfen, ob der geöffnete Schaltzustand des zweiten MOSFET 20 tatsächlich erreicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2021041502 A1 [0004]
- US 2020333377 A1 [0005]
- US 2008278116 A1 [0006]
