DE10317362A1

DE10317362A1 - Fahrzeugbordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes

Info

Publication number: DE10317362A1
Application number: DE2003117362
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Graf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: DE10317362B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz mit einer Ringleitung (1) und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen (2, 3, 4, 5). Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Teilnetze (2, 3, 4, 5) elektrische Leistungsquellen (6, 7, 8) besitzen und dazu angerichtet sind, Leistung in die Ringleitung (1) einzuspeisen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes mit einer Ringleitung (1) und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen (2, 3, 4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz mit einer Ringleitung und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Fahrzeugbordnetzes.
Die Mobilität eines Kraftfahrzeuges wird zunehmend von der Verfügbarkeit elektrischer Leistung bestimmt. Bereits der Startvorgang kann nur mit einer geladenen Batterie erfolgen. Bei Ausfall eines Fahrzeuggenerators kann die Fahrt nur bis zur vollständigen Entladung der Batterie fortgesetzt werden. Die Abhängigkeit von der Verfügbarkeit elektrischer Leistung ist dabei weiter am Zunehmen, da bisher hydraulisch oder mechanisch betriebene Komponenten zukünftig elektrifiziert werden sollen. Dabei handelt es sich um sicherheitsrelevante Komponenten wie Bremsen oder die Lenkung, deren Ausfall schwerwiegende Folgen haben kann. Es ist daher ein allgemeines Bestreben, die elektrische Energieversorgung innerhalb eines Kraftfahrzeuges sicherer zu gestalten und somit die Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern.
Kritische Fahrzeugzustände liegen insbesondere vor, wenn es nicht möglich ist, das Kraftfahrzeug zu starten, zum Stillstand zu bringen, zu lenken, zu beleuchten oder einen Notruf abzusetzen. Unter Erstfehlern sind insbesondere Ausfälle oder Schädigungen einer Leistungsquelle oder eines Stromverteilers zu verstehen, hochohmige Verbindungen innerhalb der Ringleitung oder zwischen Ringleitung und Komponenten sowie niederohmige Verbindungen nach Masse. Dabei ist es wichtig, Fehler zu erkennen und auch bei Ausfall einer einzelnen Komponente der Energieversorgung für eine bestimmte Zeitdauer Leistungen an ausgewählte Verbraucher abgeben zu können. Die zu berück sichtigenden Komponenten sind sowohl Energieerzeuger bzw. Energiespeicher als auch Energieübertrager.
Eine einfache Möglichkeit, den Ausfall einer Leistungsquelle abzusichern, besteht in dem Bereithalten einer zweiten redundanten Leistungsquelle. Ein solches Bordnetz ist auch nach Auftreten eines Erstfehlers, d.h. einem Ausfall oder einer Schädigung einer Leistungsquelle, betriebsbereit. Nach einem Ausfall des Generators ist aber nur noch ein zeitlich eng begrenzter Betrieb möglich, da die gespeicherte Energie beispielsweise einer Batterie verhältnismäßig klein ist. Nach gegebenenfalls einer Warnung an den Fahrer kann das Fahrzeug trotzdem mit eingeschränkter Funktionalität weiter betrieben werden. Zusätzlich können Energiesparmaßnahmen aktiviert werden, beispielsweise eine Beschränkung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder ein Abschalten nicht unbedingt benötigter elektrischer Verbraucher. Darüber hinaus kann beispielsweise empfohlen werden, den Verbrennungsmotor nicht abzustellen, da zu dessen Start große Mengen elektrischer Energie benötigt werden.
Kurzschlüsse zwischen Generator und Batterie sind meist nicht abgesichert und verursachen daher in der Regel einen Totalausfall. Bei stehendem Motor wird der Generator nicht erregt, auch wenn kein Fehler vorliegt. Bei zusätzlich geschädigter Batterie ist dann kein Start oder Notruf möglich. Auch Rollen bei nicht laufendem Motor bzw. nicht laufendem Generator birgt bei x-by-wire-Systemen ein Sicherheitsrisiko. Bei einem Kurzschluss einer Leitung des übrigen Bordnetzes nach Masse wird diese durch eine hierfür vorgesehene Sicherung vom Bordnetz getrennt.
Erstfehlersicherheit kann bezüglich der Energiequelle also nur über zwei Energiespeicher realisiert werden. Die Speicher müssen dabei nicht übliche Fahrzeugbatterien sein, sondern es kann auch ein herkömmlicher Speicher zusammen mit z.B. einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.

Aus der DE 100 33 317 A1 ist es bekannt, eine sogenannte Sicherheitsbatterie zur redundanten Versorgung relevanter Verbraucher einzusetzen. Sobald ein Fehler im normalen Bordnetz detektiert wird, schaltet ein Relais selbständig auf die Versorgung relevanter Verbraucher aus der Sicherheitsbatterie um. Diese vorgeschlagene Lösung erfordert jedoch eine zusätzliche Sicherheitsbatterie, die normalerweise niemals benutzt wird.

Aus der DE 100 55 531 A1 ist es bekannt, eine 12 V-Batterie in drei Teilbatterien kleinerer Kapazität aufzuteilen. Zum Start werden diese drei Speicher in Serie geschaltet. Bei Ausfall eines Speichers können die verbleibenden Batterien die Funktion der ausgefallenen Batterie teilweise übernehmen. Allerdings bietet diese Anordnung ebenfalls keine Sicherheit bei einem Fehler im elektrischen Bordnetz.

Aus der DE 19921451 A1 ist bekannt, in einem Fahrzeug zwei Batterien für Bordteilnetze auf unterschiedlichen Spannungsniveaus vorzusehen und einzelne Komponenten mit beiden Bordteilnetzen zu verbinden. Bei Ausfall eines Teilnetzes wird auf eine komplette Versorgung aus dem funktionstüchtigen Netz umgeschaltet. Nachteilig ist allerdings, dass beide Netze bis an die relevanten Verbraucher herangeführt werden müssen, auch wenn das zweite Teilnetz nur im Fehlerfall genutzt wird.

In der DE 100 36 286 A1 ist vorgeschlagen, zur sicheren Bereitstellung einer elektrischen Bremse zwei Gruppen von Bremsen vorzusehen, die eine separate Energieversorgung besitzen. Bei Ausfall der ersten Gruppe von Bremsen wird automatisch auf die zweite Gruppe umgeschaltet. Diese Lösung ist jedoch sehr aufwendig und daher nur für wenige, besonders sicherheitsrelevante Komponenten vertretbar.

In der DE 101 22 954 A1 ist vorgeschlagen, redundante Leitungen zwischen Leistungsquellen und Verbrauchern vorzusehen.

Sobald ein Fehler in der Leitung detektiert wird, benutzt das Bordnetz eine andere Leitung. Der erforderliche Verkabelungsaufwand ist jedoch erheblich, insbesondere wenn die sichere Funktion vieler Komponenten im Fahrzeug gewährleistet werden soll.

Durch die Aufteilung des Fahrzeugbordnetzes in Teilnetze vereinfacht sich eine redundante Versorgung, da nicht die Ausfallsicherheit jedes einzelnen Verbrauchers separat betrachtet werden muss. Zudem ist die gruppenweise Zu- und Abschaltung von Verbrauchern möglich. Das Vorsehen einer Ringleitung verringert den Aufwand für die Zuführung von Energie zu den Teilnetzen. Problematisch ist jedoch, dass bei einem Fehler auf der Ringleitung das gesamte Fahrzeugbordnetz betroffen ist.

Zusammengefasst ist festzustellen, dass aus dem Stand der Technik die redundante Bereitstellung von Leistungsquellen bekannt ist, was mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand verbunden ist. Andererseits ist auch eine redundante Ausführung der Energieverteilung innerhalb des Bordnetzes bekannt, was jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeugbordnetz anzugeben, das eine erhöhte Ausfallsicherheit bietet und das trotzdem auch bezüglich der ausfallsicheren Energieverteilung kostengünstig realisierbar ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugbordnetzes der eingangs genannten Art angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Fahrzeugbordnetz der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest zwei der Teilnetze elektrische Leistungsquellen besitzen und dazu eingerichtet sind, Leistung in die Ringleitung einzuspeisen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass einerseits mehrere elektrische Leistungsquellen vorhanden sind zur redundanten Bereitstellung elektrischer Leistung. Da sich die Leistungsquellen in unterschiedlichen Teilnetzen befinden, sind sie für den ständigen Einsatz geeignet und nahe bei den relevanten Verbrauchern angeordnet. Andererseits ist bei einem Fehler in der Ringleitung diese so konfigurierbar bzw. die Teilnetze so in die Ringleitung einbindbar, dass von dem Fehler nicht alle Teilnetze betroffen sind, sondern im günstigsten Fall sämtliche Teilnetze weiter mit Energie versorgt werden können, da durch die Ausbildung als Ring immer zwei Strompfade zur Verfügung stehen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Fahrzeugbordnetzes erfolgt die Anbindung der Teilnetze an die Ringleitung über Stromverteiler, durch die das jeweilige Teilnetz mit einem oder beiden angrenzenden Abschnitten der Ringleitung verbindbar ist.

In einer günstigen Ausgestaltung ist der Stromverteiler dazu eingerichtet, die Stromversorgung einzelner Äste eines Teilnetzes zu unterbinden und dadurch z.B. den Leistungsverbrauch innerhalb des Teilnetzes zu reduzieren.

Es ist vorteilhaft Mittel vorzusehen, durch die unabhängig von den Stromverteilern eine kleine Leistung aus Teilnetzen mit einer Leistungsquelle in die Ringleitung einspeisbar ist. Somit können auch bei einem Fehler in der Ringleitung und einer zunächst erfolgten Abschaltung der Teilnetze von der Ringleitung durch die Stromverteiler solche Komponenten weiter betrieben werden, die zur Analyse des Fehlers und zur Neukonfiguration des Fahrzeugbordnetzes erforderlich sind.

Die Leistungsquellen sind in einer günstigen Ausführung so angeordnet, dass eine im Frontbereich und eine im Heckbereich eines Fahrzeugs liegt. Bei einem Unfall ist somit eine große Wahrscheinlichkeit gegeben, dass zumindest eine der Leistungsquellen noch zur Verfügung steht.

Vorteilhaft ist jedem Stromverteiler ein Fehlerdetektor zugeordnet zur Erkennung von Fehlern in angrenzenden Abschnitten der Ringleitung oder dem mit dem Stromverteiler verbundenen Teilnetz.

Günstig ist es darüber hinaus, die Fehlerdetektoren über Kommunikationsleitungen miteinander zu verbinden und eventuell eine Schnittstelle vorzusehen zur Anbindung der Fehlerdetektoren an ein Fahrzeugkommunikationsnetz.

Vorteilhaft ist auch, dass Teilnetze unterschiedlicher Nennspannung mit der Ringleitung verbunden werden können. Dazu sind Gleichstromwandler vorgesehen, die für eine Spannungsangleichung sorgen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Teilnetze so angeordnet, dass abwechselnd ein Teilnetz ohne eigene Leistungsquelle und ein Teilnetz mit eigener Leistungsquelle mit der Ringleitung verbunden ist. Dadurch ist ein Höchstmaß an Versorgungssicherheit auch der Teilnetze ohne eigene Leistungsquelle gegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes mit einer Ringleitung und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten eines Fehlers in einem Abschnitt der Ringleitung

– die Teilnetze von der Ringleitung getrennt werden,
– der Fehler unter Verwendung einer kleinen eingespeisten Leistung analysiert wird und
– in Abhängigkeit des vorliegenden Fehlers die oder einige der Teilnetze mit zumindest einem der angrenzenden Abschnitte der Ringleitung wieder verbunden werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bordnetzes,

2 eine detailliertere Darstellung eines erfindungsgemäßen Bordnetzes,

3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

4 ein Bordnetz nach dem Stand der Technik.

Bei einem Bordnetz nach dem Stand der Technik gemäß 4 ist zumindest eine erste Leistungsquelle 50 vorgesehen, die in der Regel eine herkömmliche Fahrzeugbatterie ist. Diese ist gekoppelt mit einem Generator 51, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird und die notwendige elektrische Leistung bereitstellt zur Versorgung angeschlossener Verbraucher 56, 57 und 58 sowie zum Laden der Fahrzeugbatterie 50. Über eine erste Versorgungsleitung 54 sind die Fahrzeugbatterie 50 und der Generator 51 mit einer Sicherungseinheit 55 verbunden. Die Sicherungseinheit 55 übernimmt gleichzeitig eine Verteilerfunktion, indem eine Aufteilung in mehrere Verbrauchergruppen vorgenommen wird, die über separate Sicherungen abgesichert sind.

Als Masse wird normalerweise das Fahrzeugchassis verwendet, d.h. es muss nur die Plusleitung zu den einzelnen Verbrauchern geführt werden. Es gibt jedoch auch Verbraucher, die nicht selber mit dem Chassis verbunden sind, sondern die über eine gemeinsame Masseleitung zu einem zentralen Massepunkt geführt werden. Es ist in der Darstellung von 4 exem plarisch eine Gruppe von Verbrauchern dargestellt, die über eine Plusleitung 59 und eine Minusleitung 60 mit der Sicherungseinheit 55 verbunden sind. Der Verbraucher 58 besitzt einen eigenen Masseanschluss. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit können weitere Leistungsquellen 52 und 53 vorgesehen werden, beispielsweise ist die Leistungsquelle 52 eine Zusatzbatterie und die Leistungsquelle 53 ein Brennstoffzellensystem. Bei Ausfall der Versorgungsbatterie 50 steht nun die Zusatzbatterie 52 zur Verfügung zur Übernahme der Funktion der Fahrzeugbatterie 50. Die weggefallene Funktion der Fahrzeugbatterie 50 lässt sich somit verhältnismäßig einfach ausgleichen. Bei einem Fehler auf der ersten Versorgungsleitung 54 hilft jedoch auch eine Redundanz der Leistungsquellen nicht zur Sicherstellung der Versorgung der Verbraucher 56, 57 und 58.

Bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Fahrzeugbordnetz ist dagegen eine Ringleitung 1 vorgesehen, die sowohl Leistungsquellen als auch Verbraucher miteinander verbindet. Das Fahrzeugbordnetz ist dabei in vier Teilnetze 2, 3, 4 und 5 unterteilt, die jeweils mit der Ringleitung 1 verbindbar sind. Dazu sind vier Stromverteiler 13, 14, 15 und 16 vorgesehen.

Prinzipiell gibt es zwei Kategorien von Teilnetzen. Die Teilnetze 2 und 4 besitzen eigene Leistungsquellen 7 und 8, während die Teilnetze 3 und 5 keine eigenen Leistungsquellen besitzen. Bei einer Störung beispielsweise in einem Abschnitt 9 der Ringleitung 1 zwischen den Anschlüssen der Teilnetze 2 und 3 stellt daher die Stromversorgung innerhalb des Teilnetzes 2 kein Problem dar, da das Teilnetz 2 sich selber versorgen kann. Daher kann der Stromverteiler 13 die Verbindung zwischen dem Teilnetz 2 und der Ringleitung 1 vollständig trennen, damit der Fehler in dem Abschnitt 9 nicht das Teilnetz 2 negativ beeinflusst. Anders ist der Fall bei dem Teilnetz 3. Dieses besitzt keine eigene Leistungsquelle und kann sich daher nicht selber versorgen. Der Stromverteiler 14 ist daher so eingerichtet, dass er die Verbindung zwischen dem Teilnetz 3 und zu dem Abschnitt 9 der Ringleitung 1 im Fehlerfall trennen würde, während die Verbindung zwischen dem Teilnetz 3 und dem anderen an den Stromverteiler 14 angrenzenden Abschnitt 10 der Ringleitung 1 bestehen bleiben würde. Somit ist einerseits sichergestellt, dass der Fehler im Abschnitt 9 nicht das Teilnetz 3 beeinträchtigt, andererseits aber über den anderen angrenzenden Abschnitt 10 der Ringleitung 1 eine Versorgung des Teilnetzes 3 sichergestellt ist.

Das Teilnetz 4 besitzt wiederum eine eigene Leistungsquelle 8, so dass der Stromverteiler 15 wie der Stromverteiler 13 eingerichtet ist. Das Teilnetz 5 besitzt keine eigene Leistungsquelle, daher ist der Stromverteiler 16 wie der Stromverteiler 14 eingerichtet.

Als Leistungsquellen kommen in erster Linie Batterien in Frage, die einen Restenergiegehalt von über 50 kJ aufweisen. Darüber hinaus kann auch eine Kombination aus einem Generator und einem Kurzzeitspeicher, beispielsweise einem Doppelschichtkondensator, derart eingesetzt werden, dass beide zusammen im Falle eines Erstfehlers einer anderen Komponente noch mindestens 50 kJ abgeben können. Generatoren sind Energiewandler, die chemische, thermische oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, es kommen also Brennstoffzellen, thermoelektrische Elemente oder Starter bzw. Generatoren in Frage.

Im Normalbetriebsfall speisen beide Leistungsquellen 7 und 8 Leistung in die Ringleitung 1 ein. Bei einem Fehler in einem der Abschnitte 9, 10, 11 oder 12 der Ringleitung 1 ist durch geeignete Schalthandlungen der Stromverteiler 13, 14, 15 und 16 sichergestellt, dass trotzdem alle Teilnetze 2, 3, 4 und 5 ihren normalen Betrieb fortsetzen können. Je nach Leistungsfähigkeit der Leistungsquellen 7 und 8 kann es jedoch erforderlich sein, einzelne Verbraucher innerhalb der verschiede nen Teilnetze abzuschalten, um keine Überlastung der verbleibenden Leistungsquelle zu verursachen.

In der in 1 dargestellten Konfiguration ist günstig, dass sich in der Ringleitung 1 Teilnetze mit und ohne eigene Leistungsquelle abwechseln. Somit ist sichergestellt, dass bei einem Fehler in nur einem der Leitungsabschnitte 9, 10, 11 oder 12 die Versorgung aller Teilnetze gewährleistet ist. Es können selbstverständlich auch mehrere Teilnetze ohne eigene Leistungsquelle nebeneinander vorgesehen werden, jedoch ist es dann von der Lage der Fehlerstelle abhängig, ob eine Weiterversorgung sämtlicher Teilnetze gegeben ist.

Bei dem Ausfall einer der Leistungsquellen 7 und 8 ist eine Redundanz der Leistungsquellen in gleicher Weise gegeben wie bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß 4. Da aus beiden Leistungsquellen enthaltenen Teilnetzen 2 und 4 Leistung in die Ringleitung 1 eingespeist wird, kann z.B.

auch das Teilnetz 2 von der Leistungsquelle 8 versorgt werden, wenn die Leistungsquelle 7 ausgefallen ist. Gegenüber der Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß Figur ergibt sich jedoch der Vorteil, dass im Normalbetrieb die Leistungsquellen 7 und 8 nahe der jeweiligen Verbraucher angeordnet sind, so dass nur geringe Leitungsverluste auftreten.

Trotz allem kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Stromversorgung eines der Teilnetze vollständig ausfällt. Besonders sicherheitsrelevante Komponenten können zu Vermeidung deren Ausfalls aus zwei Teilnetzen doppelt versorgt werden. Eine andere Möglichkeit wäre, diese Funktion in zwei Teilfunktionen aufzuteilen. Beispielsweise könnte eine Bremse für die Vorderräder dem Teilnetz 3 zugeordnet sein, während eine Bremse für die Hinterräder dem Teilnetz 5 zugeordnet ist.

Um kritische Fahrzeugzustände abwenden zu können, ist es erforderlich, die Leistungsquellen unabhängig vorzusehen und so auszulegen, dass sie zu jedem Zeitpunkt ausreichend Energie abgeben können, um zumindest kritische Fahrzeugzustände abzuwenden. Die Unabhängigkeit der Leistungsquellen kann dadurch unterstützt werden, dass sie räumlich möglichst weit auseinanderliegen. Die räumliche Trennung bietet den Vorteil, dass bei Unfällen die Gefahr einer Komplettzerstörung sinkt und mindestens noch eine Leistungsquelle verfügbar ist. Zur Einschätzung der Fehlersicherheit zu einem beliebigen Zeitpunkt ist vorgesehen, den Leistungsquellen eine Diagnoseeinheit zuzuordnen, die die Verfügbarkeit der Leistungsquellen analysiert und die entsprechenden Informationen zur Weiterverarbeitung bereitstellt.

In der 2 ist eine detailliertere Darstellung des Fahrzeugbordnetzes von 1 gezeigt. Daraus ist zu erkennen, dass in dem Teilnetz 2 mehrere Leistungsquellen vorgesehen sind, nämlich eine Starterbatterie 6 sowie ein Generator 7. Im generatorischen Betrieb speist nun der Generator 7 in die Ringleitung 1 ein. Je nach Bordnetzbedarf wird dann die Leistungsquellen 8 im Teilnetz 4, die durch eine Versorgungsbatterie gebildet wird, geladen oder entladen. Ohne Generator versorgt die Versorgungsbatterie 8 alleine die Ringleitung 1. Ist nun die Versorgungsbatterie 8 entladen oder defekt, wird die Versorgungsbatterie 8 vom Bordnetz getrennt und eine Startbatterie 6 mit der Ringleitung 1 verbunden. Eventuell kann die Versorgungsbatterie 8 nach einem Motorstart wieder zugeschaltet werden. Ähnlich ist das Vorgehen, wenn statt einer Batterie ein anderer Energiespeicher, beispielsweise ein Doppelschichtkondensator großer Kapazität eingesetzt wird.

Jeder Stromverteiler 13, 14, 15 und 16 verfügt über einen Fehlerdetektor 31, um Fehler erkennen zu können. Ein Kurzschluss beispielsweise zwischen zwei Stromverteilern 13 und 14 verursacht Stromspitzen nicht nur in den Stromverteilern 13 und 14, sondern auch in anderen Stromverteilern. Die Fehlerdetektoren 31 identifizieren den Überstrom und trennen die Verbindung mit der Ringleitung 1 reversibel. Dies würde zu einem Komplettausfall der Ringleitung 1 führen. Selbst eine Kommunikation beispielsweise zwischen den Fehlerdetektoren 31 ist ohne Stromversorgung nicht mehr möglich. Aus diesem Grunde müssen weitere Maßnahmen ergriffen werden, um nach dem Auftreten eines Fehlers eine Fehlerbehandlung zu ermöglichen.

Daher ist vorgesehen, dass die vorhandenen Leistungsquellen 6, 7 und 8 kleine Leistungen in die Ringleitung 1 einspeisen. Im Ausführungsbeispiel von 2 sind dazu Gleichstromwandler 30 vorgesehen. Jeder Stromverteiler mit seinen Fehlerdetektoren 31 versorgt sich aus dieser Leistung und gibt den Rest an den nächsten Stromverteiler weiter. Liegt die Spannung in einem Abschnitt 9, 10, 11 oder 12 der Ringleitung 1 im erwarteten Bereich, so kann der Stromverteiler die Verbindung zwischen dem angeschlossenen Teilnetz und dem für in Ordnung befundenen Abschnitt der Ringleitung 1 wieder geschlossen werden.

Die Stromverteiler 13 und 15 können zudem die Energiezufuhr zu einzelnen Verbrauchern der Teilnetze 2 bzw. 4 unterbrechen. Liegt ein Fehlerfall und damit eine Leistungsknappheit vor, werden alle nicht benötigten Strompfade unterbrochen. Das Teilnetz 2 weist unterschiedliche Kategorien von Verbrauchern auf. Eine Motorelektronik 21 bildet einen Verbraucher, der zum Betrieb des Motors erforderlich ist. Beim Start wird die Motorelektronik 21 daher über die Starterbatterie 6 versorgt, sofern sie zur Verfügung steht. Im normalen Fahrbetrieb kann die Motorelektronik auch über das reguläre Bordnetz, d.h. die Ringleitung 1 versorgt werden. Ein Starter 32 ist direkt mit der Starterbatterie verbindbar. Verbraucher 22, die unempfindlich gegenüber Spannungsschwankungen sind, sind direkt mit dem Generator 7 verbunden. Andere sicherheitsrelevante Verbraucher 23 sind dagegen nicht direkt mit dem Generator 7 verbunden. Übrige Verbraucher sind so in dem Teilnetz 2 angeordnet, dass sie durch den Stromverteiler 13 abgetrennt werden können, wenn Leistungsknappheit herrscht. Dazu ist ein zusätzlicher Schalter vorgesehen. Die Versorgungsbatterie 8 im Teilnetz 4 ist permanent mit allen anderen Verbrauchern verbunden und wird nach Ladung der Startbatterie 6, die nach dem Startvorgang teilweise entladen ist, mit dem Generator 7 verbunden.

Die in der 2 dargestellten Schalter können durch Relais oder Halbleiterschalter realisiert werden. Idealerweise werden die Schalter so angesteuert, dass eine Spannungsunterschreitung einen sofortigen Schaltvorgang auslöst und die Position des Schalters bei Spannungsunterschreitung nicht undefiniert wird. Alternativ kann jedoch auch die Spannung gemessen, in einem Mikroprozessor verarbeitet und gegebenenfalls der Schaltvorgang ausgelöst werden. Die Spannung kann beispielsweise durch Inversion des Signals einer Zenerdiode erzeugt werden.

Verbraucher 28 in dem Teilnetz 3 sind nur als Block dargestellt. Jedoch ließe sich auch hier eine Aufsplittung in einzelne Gruppen von Verbrauchern analog zu dem Teilnetz 2 vornehmen, wobei einzelne Gruppen von Verbrauchern bei Leistungsknappheit abgeschaltet werden können, während andere nicht abschaltbar sind. Gleiches gilt für Verbraucher 29 in dem Teilnetz 5. Besonders wichtige Verbraucher 33 sind direkt mit der Ringleitung 1 verbunden. In der 2 sind sogar zwei Verbindungen zu der Ringleitung 1, nämlich jeweils zwischen dem Abschnitt 12 und dem Abschnitt 10 der Ringleitung 1 und den Verbrauchern 33 vorgesehen.

Die Erfindung ist auch einsetzbar, wenn die einzelnen Teilnetze mit unterschiedlichen Nennspannungen arbeiten. Dazu werden zusätzliche Gleichstromwandler vorgesehen, so dass auch aus einer Leistungsquelle mit beispielsweise einer Nennspannung von 12 V eine Spannung von 42 V erzeugt werden kann oder umgekehrt.

Zu einer optimalen Steuerung des Fahrzeugbordnetzes werden die Stromverteiler 13, 14, 15 und 16 über Kommunikationsleitungen miteinander verbunden, die allerdings in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Über diese Kommunikationsleitungen sind Informationen über detektierte Fehler austauschbar und Schalthandlungen koordinierbar.

Um beim Versagen sämtlicher Leistungsquellen trotzdem einen Fahrzeugstart zu ermöglichen, kann an einen der Stromverteiler eine externe Spannungsquelle an einem Fremdstartpunkt 34 angeschlossen werden. Diese kann so ausgelegt sein, dass entweder direkt ein Start des Fahrzeugs möglich ist oder ein Laden der entladenen Energiespeicher im Fahrzeug.

Besonders vorteilhaft ist, eine Ausgabeeinheit vorzusehen, die einen erkannten Fehler anderer Steuergeräte innerhalb des Fahrzeuges übermittelt und diese selbst wiederum geeignete Reaktionen auslösen. Diese können in einer Fahrerinformation, einer Geschwindigkeitsreduktion oder einem Lastabwurf bestehen. Ebenfalls können Crashsensoren in die Kommunikation der Stromverteiler einbezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugbordnetzes mit einer Ringleitung und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen wird anhand von 3 beschrieben. Ausgegangen wird von einem Normalbetrieb in einem Schritt 40. Im Normalbetrieb wird, bezogen auf das Fahrzeugbordnetz von 2, sowohl von dem Generator 7 als auch von der Versorgungsbatterie 8 Leistung im Bedarfsfall bereitgestellt. Alle Leitungen sind in Ordnung und alle Teilnetze sind zugeschaltet. Je nach Lastverteilung innerhalb des Fahrzeugbordnetzes fließt Strom in beiden Richtungen auf der Ringleitung 1. Sobald ein Fehler in der Ringleitung 1 durch die Fehlerdetektoren 31 detektiert wird (Schritt 41), öffnen alle Schalter der Stromverteiler in der Ringleitung 1 (Schritt 42). Die beiden Stromverteiler 13 und 15, die mit Teilnetzen verbunden sind, die eine Leistungsquelle enthalten, speisen weiterhin eine kleine Leistung über die Gleichstromwandler 30 in die Ringleitung 1 ein. Dies können die Stromverteiler, die den Teilnetzen ohne Leistungsquelle zugeordnet sind, detektieren und nach einer Fehleranalyse (Schritt 43) und Bestimmung einer neuen Bordnetzkonfiguration (Schritt 44) evtl. die Verbindung zu einem oder beiden angrenzenden Abschnitten der Ringleitung 1 durch Ansteuerung der Stromverteiler im Schritt 45 wieder schließen. Somit wird ein bezogen auf den Fehler optimaler Betrieb hergestellt.

Fällt ein Verbraucher innerhalb eines der Teilnetze aus, wird die Verbindung zu dem jeweiligen Stromverteiler 13, 14, 15 oder 16 geöffnet, wozu auch konventionelle Schmelzsicherungen vorgesehen werden können.

Beim Öffnen und Schließen der Schalter innerhalb der Stromverteiler können erhebliche Ströme fließen. Hierbei besteht die Gefahr einer Zerstörung der Schalter, weswegen weitere Maßnahmen erforderlich sein können. Beispielsweise ist es sinnvoll, Schalter in einer bestimmten Reihenfolge zu öffnen oder zu schließen oder zusätzliche Sicherungen einzusetzen.

Claims

Fahrzeugbordnetz mit – einer Ringleitung (1), – mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen (2, 3, 4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Teilnetze (2, 4) elektrische Leistungsquellen (6, 7, 8) besitzen und dazu eingerichtet sind, Leistung in die Ringleitung (1) einzuspeisen.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teilnetze (3, 5) ohne eigene Leistungsquelle redundant über angrenzende Abschnitte (9, 10, 11, 12) der Ringleitung (1) versorgbar sind.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teilnetze (2, 4) mit eigener Leistungsquelle redundant aus dieser Leistungsquelle oder über angrenzende Abschnitte (9, 10, 11, 12) der Ringleitung (1) versorgbar sind.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eines Teilnetzes (2, 3, 4, 5) mit der Ringleitung (1) jeweils durch einen Stromverteiler (13, 14, 15, 16) erfolgt, durch den das Teilnetz (2, 3, 4, 5) mit einem oder beiden angrenzenden Abschnitten (9, 10, 11, 12) der Ringleitung (1) verbindbar ist.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilnetze (2, 4) in Äste untergliedert ist und der Stromverteiler (13, 15) dazu eingerichtet ist, die Stromversorgung einzelner Äste zu unterbinden.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (30) vorgesehen sind, durch die unabhängig von dem Stromverteiler (13, 15) eine kleine Leistung aus Teilnetzen (2, 4) mit einer Leistungsquelle (6, 7, 8) in die Ringleitung (1) einspeisbar sind.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Leistungsquellen (6, 7, 8) an räumlich entfernten Orten innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sind, insbesondere eine im Frontbereich und eine im Heckbereich des Fahrzeugs.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Leistungsquellen (6, 7, 8) zur Überwachung mit einer Diagnoseeinheit verbunden ist.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Stromverteiler (13, 14, 15, 16) ein Fehlerdetektor (31) zugeordnet ist zur Erkennung von Fehlern in angrenzenden Abschnitten der Ringleitung (1) oder dem mit dem Stromverteiler verbundenen Teilnetz (2, 3, 4, 5).
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverteiler eine Schalteinheit aufweist, die mit dem Fehlerdetektor (31) verbunden ist zur Unterbrechung der Verbindung zu einem Abschnitt der Ringleitung (1), in dem ein Fehler detektiert wurde.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fehlerdetektoren (31) über Kommunikationsleitungen miteinander verbunden sind.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle vorgesehen ist zur Anbindung der Fehlerdetektoren (31) an ein Fahrzeugkommunikationsnetz.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilnetz und die Ringleitung unterschiedliche Nennspannungen aufweisen und ein Gleichstromwandler vorgesehen ist zur Verbindung der Ringleitung (1) mit dem Teilnetz.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd ein Teilnetz (3, 5) ohne eigene Leistungsquelle und ein Teilnetz (2, 4) mit eigener Leistungsquelle mit der Ringleitung (1) verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes mit einer Ringleitung (1) und mindestens drei daran angeschlossenen Teilnetzen (2, 3, 4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten eines Fehlers in einem Abschnitt der Ringleitung – die Teilnetze von der Ringleitung getrennt werden – der Fehler analysiert wird unter Verwendung einer kleinen eingespeisten Leistung und in Abhängigkeit des vorliegenden Fehlers die oder einige der Teilnetze mit zumindest einem der angrenzenden Abschnitte der Ringleitung wieder verbunden werden.