DE60224371T2

DE60224371T2 - Lastleitzentrale für elektrische verbraucher

Info

Publication number: DE60224371T2
Application number: DE2002624371
Authority: DE
Inventors: Mircea Mississauge MARES
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: IL157315A0; KR20030076668A; JP2004521802A; US20020108065A1; EP1373045A1; DE60224371D1; WO2002068253A1; EP1373045B1; US7020790B2; ATE382526T1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Kraftverteilungs- und Fahrzeugsleistungsmanagementsysteme für Fahrzeuge mit mehreren separat gesteuerten elektrischen Lasten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Leistungscontroller sind für die Verteilung elektrischer Leistung in Flugzeugen und anderen Fahrzeugen verwendet worden. Außerdem sind modulare Ansätze zum Liefern von Fahrzeugleistung verwendet worden, um sowohl die Wartung als auch die Bedienbarkeit unter Fehlerbedingungen zu erleichtern.
Fahrzeuge der neuen Generation weisen signifikant andere elektrische Leistungsanforderungen auf. Beispielsweise gab es bei Systemen in der Luft- und Raumfahrt einen fundamentalen Paradigmenwechsel von überwiegend mechanischer oder elektromechanischer Steuerung zu überwiegend elektronischer und computerbasierter Steuerung mit keiner oder minimaler Sicherung. Bei diesem Wechsel in Richtung Fly-by-wire-Systemen hat in Europa Airbus Pionierarbeit geleistet, und er umfaßt nun sicherheitskritische Systeme.
Dieser Technologiewechsel wirft fundamentale technische und kommerzielle Herausforderungen auf, die fortgeschrittene Leistungsverteilungscontroller wie etwa ein Electric Load Management Center (ELMC-Managementzentrum für elektrische Lasten) erfordern. Fortschritte bei der Schalttechnologie (Halbleiter) und Computersteuerung bieten nun das Potential für vollständig automatisierte elektrische Leistungssysteme (EPS – Electric Power Systems). Eine Kombination aus Halbleiterleistungscontrollern (SSPC – Solid State Power Controllers), Fernleistungscontrollern, intelligenten Schaltschützen und automatischen Systemprozessoren hat sich zu ELMC entwickelt.
Während die computergesteuerte Systemtechnologie fortschreitet, fallen immer mehr Systemfunktionen einschließlich Leistungssteuerung unter einen computergesteuerten Oberbefehl. Eine fortgeschrittenere Technologie bei der Leistungssteuerung und beim Leistungsschutz bahnt sich ihren Weg in Leistungssysteme im Luft- und Raumfahrtbereich, um mechanische Leistungsschalter und Relais zu ersetzen.
Bei modernen Fahrzeugen, sind Fahrsysteme und Sensoren durch Feldbusse und Controllerbereichsnetze miteinander verbunden, wie in EP 1055547 beschrieben.
Aus dem an Darty et al. erteilten US-Patent Nr. 5,752,047 ist ein modularer Halbleiterleistungscontroller mit Mikrocontrollern bekannt. Der modulare Halbleiterleistungscontroller enthält preiswerte langsame Mikrocomputer, die in die Lastkarten eingebettet sind, um eine Reihe von mit entsprechenden elektrischen Lastschaltungen assoziierten Halbleiterleistungsschaltern zu steuern. Ein Hauptcontrollermikrocomputer auf der Controllerkarte kommuniziert bilateral mit jedem der in die Lastkarten eingebetteten Mikrocomputer über einen seriellen Datenweg, der entlang der Rückwandplatine verläuft und den Controllermikrocomputer mit jeder der Lastkarten zusammenschaltet. Jede der Lastkarten enthält mit der entsprechenden Tochterkarte assoziierte Halbleiterleistungsschalter, die auf von dem Controllermikrocomputer erteilte Befehle hin aktiviert werden.
Das Design von Darty et al. verwendet jedoch diskrete Komponenten, um eine begrenzte Steuerung der Leistungsschalter bereitzustellen. Deshalb ist dieser modulare Halbleiterleistungscontroller mit Mikrocomputern auf eine grundlegende Ein/Aus-Steuerung der Leistungsschalter begrenzt und gestattet keine lokale Steuerfunktionalität und flexible Konfiguration der SSPCs.
Es ist deshalb erwünscht, einen ELMC zu haben, der integrierte fortgeschrittene Leistungsschaltercontroller aufweist, die mit den lokalen Mikrocontrollern gekopppelt sind und eine zusätzliche Steuerung und Konfiguration jedes individuellen Leistungsschalters gestatten.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Mängel bei bisherigen Systemen überwunden durch Bereitstellung eines Zentrums zur elektrischen Kraftverteilung, das gekennzeichnet ist durch: ein Gateway-Modul mit Logik zum Koppeln an einen Fahrzeugmanagementcomputer (VMC – Vehicle Management Computer) über einen doppelt redundanten Standarddatenbus. Das Gateway-Modul umfaßt redundante Mikrocontroller, die betätigbar mit dem VMC verbunden sind, um die Zufuhr von elektrischem Strom selektiv zu mehreren separaten elektrischen Lasten zu steuern. Das Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung weist auch zwei interne serielle Datenbusse auf. Die beiden internen seriellen Datenbusse sind von zwei verschiedenen Arten, und die redundanten Mikrocontroller sind jeweils betätigbar mit den zwei internen seriellen Datenbussen verbunden. Mehrere Lastmanagementmodule (LMMs – Load Management Modules) sind ebenfalls vorgesehen. Jedes Lastmanagementmodul ist betätigbar mit den internen seriellen Datenbussen verbunden, um Steuerbefehle von dem Gateway-Modul zu empfangen. Jedes Lastmanagementmodul umfaßt einen lokalen Mikrocontroller; mehrere Leistungsschalteinrichtungen und mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs – Applications Specific Integrated Circuits) entsprechend den mehreren Leistungsschalteinrichtungen zum Koppeln der Leistungsschalteinrichtungen an den lokalen Mikrocontroller.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird sich aus der im folgenden vorgelegten ausführlichen Beschreibung ergeben. Es versteht sich jedoch, daß die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Ausführungsformen zwar die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich als Darstellung vorgelegt sind. Der Fachmann versteht, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der Erfindung liegen und sich aus der detaillierten Beschreibung, die folgt, ergeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1, die 1a und 1b umfaßt, eine modulare Architektur gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm der ELMC-Kommunikation mit dem Fahrzeug gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3A, die 3Aa und 3Ab umfaßt, ein Blockdiagramm eines Lastmanagementmoduls gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3B, die 3Ba, 3Bb und 3Bc umfaßt, ein Blockdiagramm einer Logik in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
4 die Kapselung des ELMC gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung offenbart. Der Fachmann versteht, daß alternative Ausführungsformen erdacht werden können, ohne von dem Gedanken oder dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Das Electrical Load Management Center (ELMC) ist für die Verteilung elektrischen Stroms zum Fahrzeug verantwortlich. Es kann auch eine Steuerlogik für einige Fahrzeugsysteme bereitstellen. Somit ersetzt das ELMC eine komplexe Relaislogik und Leiterplatten, die Teil der traditionellen Teilsystemsteuerung sind. Außerdem kann das ELMC Statusinformationen an ein Display des elektrischen Stromsystems liefern, um ein Bild der Konfiguration des elektrischen Stromsystems in Echtzeit zu liefern.
Durch Reduzieren der Systemkomplexität und Erhöhen der Systemfunktionalität bietet das ELMC dem Endverbraucher ein geringeres Systemgewicht, eine höhere Zuverlässigkeit, eine höhere Systemverfügbarkeit, eine bessere Wartbarkeit und niedrigere Besitzkosten.
Wie oben erwähnt weisen moderne Fahrzeuge signifikant verschiedene Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Leistung auf. Zu diesen Anforderungen zählen eine Fernsteuerung/-Kopplung mit Fahrzeugmanagementcomputern, erhöhte Zuverlässigkeit, Fehlertoleranz (um zum Beispiel für mit Powered-by-Drähte oder Fly-by-Drähte-Implementierungen und -Merkmale einzuspringen), erhöhte Nachfrage nach elektrischer Leistung und reduzierten direkten Wartungskosten (DMC – Direct Maintenance Cost).
Das ELMC integriert Steuer-, Schutz-, eingebaute Selbsttest-(BIT – Built-in-Test)-Funktionen für verbesserte Verfügbarkeit und Wartbarkeit. Das ELMC kann mit einem Managementcomputer auf höherer Ebene zur Befehlssteuerung und Statusberichterstattung kommunizieren. Die Leistungs- und Steuerhardware sind hinsichtlich Kompatibilität in gegenwärtige Fahrzeugsysteme (z. B. Flugzeugsysteme) sorgfältig ausgelegt, so daß es die Leistungsfluß- und Statusdaten liefert und dabei Größe, Gewicht und Effizienzeinschränkungen optimiert.
Außerdem besitzt das ELMC gemäß den vorliegenden Erfindungen verschiedene Fehlerdetektions- und -isolationsfunktionen. Das ELMC besitzt die Fähigkeit, die Gesundheit des Systems (z. B. elektrische Leistung) zu testen, zu überwachen und darüber zu berichten und ausgefallene Halbleiterschalteinrichtungen (SSSDs) in spezifischen LMMs individuell zu identifizieren, um die Wartungsarbeiten am ganzen Fahrzeug auf ein Minimum zu reduzieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das ELMC, das als eine Schnellwechseleinheit (LRU – Line Replaceable Unit) konfiguriert und bei der Verteilung von elektrischem Strom für Luft-, Wasser-, Land- und Raumfahrzeuge verwendet wird. In diesem Kontext beinhaltet der Ausdruck „Verteilung" unter anderem das Schalten von Leistung von verschiedenen Leistungsbussen innerhalb des ELMC, den Schutz der Verdrahtung hinter den Leistungsschalteinrichtungen, den Status der Leistungsschalteinrichtungen zurückzuberichten und die Bereitstellung von Lastmanagementfunktionen wie etwa den Lastabwurf, das Sequenzieren von Lastschalten und dergleichen.
Das oben erwähnte ELMC ist der Flexibilität halber auf einem modularen Architekturkonzept aufgebaut. Das ELMC enthält LMMs und andere Leiterplatten zum Bereitstellen konditionierter Stromversorgung, analoger und digitaler Signalkonditionierung und Koppeln mit dem Wirtsfahrzeug durch ein Gateway-Modul und einen assoziierten Controller.
Ein LMM ist eine Leiterkartenbaugruppe, die mehrere Halbleiterschalteinrichtungen/Leistungsschalteinrichtungen enthält. Das LMM wird zum Verwenden von AC- oder DC-Leistung, zum Schützen der Verdrahtung vor Überstrombedingungen und Verteilen der Leistung zu Nutzgeräten verwendet. Das LMM kann hybride Halbleiterleistungscontroller oder die Kombination aus Relais und Leistungsschaltern ersetzen. Die SSSD und LMM sind selbst von modularem Design, so daß jede/jedes auf viele Anwendungen angwendet werden kann. Ein ebenfalls auf dem LMM angeordneter Mikrocontroller koppelt die SSSDs mit dem Gateway-Modul. Jede SSSD enthält eine anwendungspezifische integrierte Schaltung (ASIC – Application Specific Integrated Circuit) in gemischter Technologie, die Schalttreiber, Überwachungs- und Überstromschutzfunktionen und dergleichen steuert. Jede auf dem LMM installierte Leistungsschalteinrichtung (PSD – Power Switching Device) stellt das Netzleistungsschalten bereit und wird von einem ASIC gesteuert.
Ein Ausführungsbeispiel einer modularen Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Ein Gateway-Modul 100 mit Logik 112 zum Koppeln an einen Fahrzeugmanagementcomputer (VMC) 50 über einen doppelt redundanten Standarddatenbus 1. Der Ausdruck „Logik", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine beliebige Kombination aus Hardware, Software und/oder Kombinationen aus Hardware und Software zum Implementieren der assoziierten Funktion, wie der Fachmann versteht. Das Gateway-Modul 100 umfaßt redundante Mikrocontroller 114, 116, die betätigbar mit dem VMC 50 verbunden sind, um die Zufuhr von elektrischem Strom zu mehreren separaten elektrischen Lasten 120 zu steuern. Die Kommunikation mit dem VMC 50 wird durch eine beliebige geeignete serielle Kommunikation implementiert wie etwa ARINC 429, ARINC 629, MIL-STD-1 553, Avionics Full Duplex Switch Ethernet (AFDSE) und dergleichen. Bei dem modularen Design der vorliegenden Erfindung wird nur das Gateway-Modul 100 modifiziert, um ein neues Kommunikationsprotokoll zu berücksichtigen.
Innerhalb des ELMC werden zwei Arten von seriellen Datenbussen 2, 3 für die Intra-ELMC-Kommunikation verwendet. Die redundanten Mikrocontroller 114, 116 sind jeweils betätigbar mit den zwei internen seriellen Steuerbussen 2, 3 verbunden. Bei diesem Beispiel handelt es sich bei den beiden internen seriellen Datenbussen um Synchronous Serial Peripheral Interface (SPI) und Asynchronous Serial Communications Interface (SCI), die aus Gründen der Unterschiedlichkeit gewählt wurden. Die SPI ist ein synchroner Drei-Ader-Transferbus mit Hochgeschwindigkeitskommunikation und Vollduplex. Die SCI ist ein serieller asynchroner Kommunikationsbus vom UART-Typ mit Vollduplex und Einzeladerbetriebsmodus. Da die ELMC-Mutterplatine die kritische gemeinsame Verbindung zwischen Gateway-Modul und LMMs ist, liefern die beiden Kommunikationsbusse doppelte Redundanz und reduzieren die Eintrittsrate eines Gleichtaktausfalls. Unterschiedliche Steuer- und Kommunikationstechniken werden in kritischen Systemen verwendet, um Gleichtaktausfälle zu reduzieren. Beispielsweise beeinflußt ein nichtdetektierter Softwarefehler (z. B. Virus, Bug und dergleichen) ein System, wird aber nicht auf dem anderen dupliziert sein oder es beeinflussen.
Externe diskrete und analoge Eingangssignale 4 können zur Teilsystemsteuerung dem Gateway-Modul 100 und den LMMs 300 zugeführt werden. Mehrere LMMs 300 mit einem lokalen Mikrocontroller 310 sind gezeigt. Jedes Lastmanagementmodul 300 ist betätigbar mit den internen seriellen Datenbussen 2, 3 zum Empfangen von Steuerbefehlen über das Gateway-Modul 100 verbunden.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Blockdiagramm des Gateway-Moduls gezeigt. Kritische Komponenten sind dupliziert, um eine Fehlertoleranz zu erzielen, wie etwa der Mikrocontroller mit einem doppelt-redundanten Kanal. Das Gateway-Modul 100 enthält einen preiswerten Mikrocontroller 114, 116 pro Kanal gekoppelt an die vom Datenbus abgesetzten Endgeräteschnittstellen 214 bzw. 216. Diese kommunzieren mit den Mikrocontrollern 114, 116 über einen internen Steuerbus 230. Eine redundante Steuerlogik 240 liefert eine Überwachungssteuerung und entscheidet, welche der Kanäle (beide sind simultan aktiv) zu einer jeweiligen Zeit gesteuert werden. Der Fachmann versteht, daß das Gateway-Modul 100 derart zusammengeschaltet ist, daß einer der Mikrocontroller 114, 116 mit dem VMC 50 über den redundanten Datenbus 1 und die LMMs 300 unter Verwendung einer der internen seriellen Datenbusse 2, 3 kommunizieren kann. Somit verhindert ein Ausfall einer beliebigen dieser Komponenten nicht den Betrieb des ELMC.
Ein Blockdiagramm eines Lastmanagementmoduls 300 ist in 3A gezeigt. Jedes Lastmanagementmodul enthält einen lokalen Mikrocontroller 310, mehrere Leistungsschalteinrichtungen 320 und mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) 330 entsprechend den mehreren Leistungsschalteinrichtungen zum Koppeln der Leistungsschalteinrichtung 320 an den lokalen Mikrocontroller 310.
Die LMMs sind auf eine Weise gekapselt, die im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen die Kosten und die Wärmeableitung auf ein Minimum reduziert. Auf der LMM-Ebene basiert die lokale Überwachung auf einer Kanalverfolgung. Bei diesem System besteht ein Vorteil darin, daß das Systemverhalten ohne Unterbrechung beobachtet werden kann. Der Fachmann versteht, daß dieser Ansatz zusätzliche Software erfordert, die Anwendungsaufgaben während der Laufzeit beobachtet und Aufgabenzustände, diskrete Werte und dergleichen verfolgt.
Um einen höheren Integrationsgrad zu erzielen, sind diese Merkmale und assoziierten Schaltungen in einen Mischtechnologie-ASIC 330 integriert, wie in 3B gezeigt. Der ASIC 330 enthält und kapselt Lastschaltungs- und Schutzfunkionen. Diese Funktionen werden durch eine verwandte „Logik" aktiviert, was sich wie oben erwähnt auf eine beliebige Kombination aus Hardware, Software und/oder Kombinationen aus Hardware und Software zum Implementieren der assoziierten Funktion bezieht, wie der Fachmann versteht. Es deckt sowohl AC- als auch DC-Modi und Anwendungen mit verschiedenen Nennströmen ab. Die Modusauswahl erfolgt durch Verbinden eines Modusauswahlpins 331 mit einem entsprechenden Logikpegel. Beispielsweise ist der Standardmodus (nicht angeschlossen) AC.
Die Hochfahrrücksetzlogik 332 führt während einer Hochfahrsequenz einen internen Rücksetz- und Kalibrierungszyklus aus, um die Genauigkeit über Temperatur- und Alterungsbereiche heraufzusetzen. Zu Beispielen für zusätzliche Funktionen/Schaltungen des ASIC 330 zählen: Gatetreiber 333 zum Bereitstellen einer Tastung an einer der PSD als Reaktion auf ein Befehlssignal; Bereitstellen einer I²t-Charakteristik 334; schnelles Abschalten (d. h. Sofortauslösefunktion) 335; Bereitstellen eines Echtzeitstatus der Leistungsschalteinrichtung und Maßschneidern von Leistungsschaltfunktionen, um die Wechselrate des Stroms während des Schaltens zu steuern oder zu begrenzen (z. B. weiches Ein/Ausschalten für DC und Nullspannungsdurchgangseinschalten/Nullspannungsdurchgangsausschalten für AC).
Jeder ASIC 330 enthält auch einen analogen Signalverarbeitungsblock 338, der eine Laststromerfassungsspannung an den Nebenschlußwiderstand 322 zum Erzeugen eines wahren RMS-Stromwerts über eine RMS-Wertberechnungslogik 337 konditioniert. Der Fachmann versteht, daß es keine triviale Angelegenheit ist, einen wahren RMS-Strom zu erhalten, insbesondere in geschalteten Leistungssystemen, wo der DC-Strom kein reiner DC-Strom ist und der AC-Strom nicht rein sinusförmig ist und nur eine Frequenz enthält. Der wahre RMS-Strom ist jedoch kritisch zum Berechnen von RMS-Erwärmungs- und I²t-Werten bezüglich thermischer Grenzen geschützter Komponenten und geschützter Verdrahtung. Beispielsweise enthält jeder ASIC einen analogen Prozessor 334, der anhand des I²t-Werts variable Auslösezeiten (d. h. Entfernung von Leistung von den nachgeschalteten Einrichtungen) unter verschiedenen Anwendungskonfigurationen (z. B. Überstrom für eine berechnete Zeitperiode auf der Basis der I²t-Formel) steuert.
Wie oben beschrieben enthält jeder ASIC eine Nulldurchgangsstromverarbeitung/-detektion 339 und eine Nulldurchgangsspannungsverarbeitung/-detektion 341. Die Nulldurchgangsspannungsdetektion erfolgt an einem zentralisierten Ort (z. B. Stromversorgungsmodul). Sie stellt eine quadratische Wellenform in Phase mit der AC-Nutzspannung dar (somit folgt sie der Periode und Phase der AC-Netzspannung – konstante oder variable Frequenz). Die Nulldurchgangsstromverarbeitung/-detektion 339 und Nulldurchgangsspannungsverarbeitung/-detektion 341 werden zum Steuern einer Ein/Aus-Aktivierungs- und bzw. Dekaktivierungszeitsteuerung der entsprechenden Leistungsschalteinrichtung verwendet beim Betrieb in einem AC-Modus. Der Fachmann versteht, daß eine Weichstartfunktion beim Arbeiten in einem DC-Modus verwendet wird. Der Weichstart kann eine einfache Rampenfunktion, eine log-Funktion, eine S-Funktion und dergleichen sein, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Im Gegensatz zu Designs nach dem Stand der Technik gestattet das Design des ELMC weiterhin das Koordinieren von individuellen ASICs 330, wodurch ein gekoppelter Betrieb gestattet wird. Wie in 3A dargestellt, besitzt das LMM 310 mehrere (z. B. acht wie gezeigt) Leistungsschalteinrichtungen 320 und entsprechende ASICs 330. Beispielsweise können drei ASICs 330 in einem AC-Modus gekoppelt betrieben werden, um eine Dreiphasen-Stromquelle zu steuern. Systeme nach dem Stand der Technik wie etwa das zuvor erwähnte US-Patent Nr. 5,752,047 besitzen keine praktische Möglichkeit, um Mehrphasenlasten auf koordinierte Weise zu steuern.
Der lokale Mikrocontroller 310 ist unter Einsatz von Optokopplern 340 von dem Treiber auf der Hochspannungsseite und den Stromleitungen der ASIC 330 getrennt. Redundante Stromversorgungen 342, 344 bestromen die individuellen ASIC-Kanäle und halten die Isolation aufrecht. Die redundanten Stromversorgungen 342, 344 sind isolierte leistungsarme DC-DC-Wandler, die die ASIC 330 mit Strom beliefern. DC-DC-Wandler sind in der Technik wohlbekannt und werden hierin nicht weiter beschrieben.
Die PSDs 320 können hermetische Komponenten und Kapselung für extreme Umweltbedingungen verwenden oder können Kunststoffbausteine für kommerzielle Anwendungen verwenden. Die PSDs 320 verwendet Leistungs-MOSFET-Technologie, um den Leistungsverlust von den Leistungsschalteinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren und sowohl AC- als auch DC-Kapazität bereitzustellen. Jede PSD enthält mindestens eine nichtgezeigte Transistor/Schalteinrichtung, einen Erfassungswiderstand (Nebenwiderstand) 322 und einen Temperatursensor 324. Jede ASIC 330 enthält eine Wärmeabschaltung 336, wie in 3B gezeigt, die die entsprechende Leistungsschalteinrichtung öffnet, wenn das Substrat der Leistungsschalteinrichtung eine vorbestimmte Referenztemperatur übersteigt, wie vom Temperatursensor 324 detektiert. Die vorbestimmte Referenztemperatur kann unter Verwendung eines externen nichtgezeigen Einstellwiderstands eingestellt werden. Da der Betrieb des ELMC stark von der Integrität der PSDs 320 abhängt, sollte die Übergangstemperatur jedes PSD 320 in ihrem sicheren Arbeitsbereich gehalten werden. Dazu erfolgte eine sorfältige Auswahl der Siliziummenge und Optimierung des Wärmewegs für die Leistungshalbleiter. Das Design des LMM 310 sorgt für adäquate Kühlung und integriert ein Wärmeabschaltschutzmerkmal für die PSDs 320 über die assoziierten ASIC 330, wie oben beschrieben.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Drahtverbindungen in den individuellen MOSFET-Transistoren so ausgelegt, daß sie als eine schmelzbare Verbindung in Reihe mit dem Transistor wirken. Eine der inherenten Schwächen bei MOSFET-Transistoren ist ein Kurzschluß, der zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode entsteht, wenn die Einrichtung ausfällt. Bei einer Leistungsschalt- und Schutzeinrichtung kann dieser Ausfallmodus für die geschützten Einrichtungen (z. B. Last, Verdrahtung usw.) katastrophal sein. Deshalb kann die Drahtverbindungen so auszulegen, daß sie als schmelzbare Verbindungen wirken, die Schäden an den geschützten Einrichtungen mildern. Wenn ähnliche Designregeln angewendet werden, wie sie beim Auslegen einer Schmelzsicherung verwendet werden (z. B. I²t berechnet in dem sicheren Arbeitsbereich der geschützten Verdrahtung), können die MOSFET-Drahtverbindungen so ausgelegt werden, daß sie eine verzögerte Fuse für den nominellen Nennstrom der SSSD liefern (z. B. eine Schmelzsicherung von fünfzehn Ampere für eine Einrichtung mit einer Nennleistung von zehn Ampere). Der Fachmann versteht, daß die spezifischen Designkriterien von einer Reihe von Faktoren wie Drahtbondmaterial, erwartete Umgebungs- und Arbeitstemperaturen und dergleichen abhängen. Da MOSFETs bei parallelem Betrieb gute sich den Strom teilende Einrichtungen sind, wird das Parallelschalten der schmelzbaren Verbindungen auch für die Designüberlegungen gelten.
Die ELMC-Kapselung kann wie in 4 implementiert werden. In diesem besonderen Fall enthält das ELMC eine Relais-LMM-Karte 405, fünf AC-SSSD LMMs 406 bis 410, eine Stromversorgungskarte 411, eine Electronic Load Contactor Unit-(ELCU)-Karte 412, fünf DC-SSSD-LMMs 413 bis 417 und eine Gateway-Karte 418. Die Relaiskarte ist auf ähnliche Weise wie das SSSD-LMM aufgebaut. Sie enthält mehrere zweipolige Wechselschalter (PDT – Pole Double Throw) für einphasige AC- oder DC-Anwendungen, vierpolige Wechselschalter für Dreiphasen-AC-Anwendungen und assoziierte Relaistreiber, die von dem lokalen Mikrocontroller gesteuert werden. Eine assoziierte Überwachungsschaltungsanordnung ist wie erforderlich vorgesehen. Eine ELCU-Karte ist vorgesehen, um mehrere elektromechanische Schaltschütze außerhalb der ELMC zu steuern. Die ELCU-Karte ist ähnlich zu dem SSSD-LMM aufgebaut. Die SSSD wird als Schaltschützspulentreiber verwendet. Der ASIC überwacht den durch Pole des Schaltschutzes geführten Strom und assoziierte Überwachung auf ähnliche Weise wie oben beschrieben. Die kreisförmigen Verbinder 421 auf der Vorderseite des Chassis sind die elektrischen Schnittstellen mit dem Wirtsfahrzeug. Die interne Kommunikation, Signalkonditionierung und interne Stromversorgungen zu den LMMs werden über eine Mutterplatinenkarte 419 an der unteren Hälfte des Chassis gehandhabt. Alle Stromleitungen und Verteilungsleitungen sind auf der anderen Hälfte des Bodens unter Verwendung einer Rückverdrahtungsplatine 420 verdrahtet.
Wie bereits erörtert enthält jedes LMM einen eingebetteten Mikrocontroller, um eine Reihe der SSSDs zu steuern und zu überwachen. Das LMM kann als ein eigenständiges Modul arbeiten, das mit anderen Teilsystemprozessoren über einen seriellen Datenbus kommuniziert oder mit der Gateway-Modulkarte über den seriellen Datenbus kommunizieren kann, der sich entlang der Mutterplatine 419 erstreckt. Der Fachmann versteht, daß die individuelle LMM-Systemarchitektur ausgelegt ist, die Fähigkeit zu berücksichtigen, lokale Entscheidungen auf der Basis einer begrenzten Anzahl verfügbarer Eingaben zu treffen.
Das Obengesagte veranschaulicht lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es versteht sich, daß der Fachmann in der Lage sein wird, sich verschiedene Anordnungen auszudenken, die, wenngleich nicht hierin explizit beschrieben oder gezeigt, den Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verkörpern. Beispielsweise kann jede beschriebene Komponente als eine vollständige Einheit (z. B. LRU) oder als ein Modul (z. B. ein Schnellwechselmodul LRM) verwendet werden. Außerdem kann der ASIC kombiniert mit der PSD und assoziierter Elektronik in ein Hybridgehäuse gekapselt werden, um eine einzelne Halbleiterleistungscontrollerfunktion bereitzustellen. Der Schutzbereich der Erfindung wird deshalb nicht durch die vorausgegangene Beschreibung beschränkt, sondern wird lediglich durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung, gekennzeichnet durch: ein Gateway-Modul (100) mit Logik (112) zum Koppeln an einen Fahrzeugmanagementcomputer (50) über einen doppelt redundanten Standarddatenbus (1), wobei das Gateway-Modul (100) redundante Mikrocontroller (114, 116) umfaßt, die betätigbar mit dem Fahrzeugmanagementcomputer (50) verbunden sind, um die Zufuhr von elektrischem Strom selektiv zu mehreren separaten elektrischen Lasten (120) zu steuern; zwei interne serielle Datenbusse (2, 3), wobei die beiden internen seriellen Datenbusse (2, 3) von zwei verschiedenen Arten sind und die redundanten Mikrocontroller (114, 116) jeweils betätigbar mit den zwei internen seriellen Datenbussen (2, 3) verbunden sind; und mehrere Lastmanagementmodule (300), wobei jedes Lastmanagementmodul (300) betätigbar mit den internen seriellen Datenbussen (2, 3) verbunden ist, um Steuerbefehle von dem Gateway-Modul (100) zu empfangen, wobei jedes Lastmanagementmodul (300) folgendes umfaßt: einen lokalen Mikrocontroller (310); mehrere Leistungsschalteinrichtungen (320); und mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) (330) entsprechend den mehreren Leistungsschalteinrichtungen (320) zum Koppeln der Leistungsschalteinrichtungen (320) an den lokalen Mikrocontroller (310).
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jeder ASIC (330) sowohl für AC- als auch DC-Lasten bei mehreren Nennströmen konfiguriert werden kann.
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jeder ASIC (330) einen analogen Signalverarbeitungsblock (338) enthält, der eine Laststromerfassungsspannung an dem Erfassungswiderstand (322) konditioniert, um einen wahren RMS-Stromwert zu erzeugen, wobei der wahre RMS-Stromwert zum Berechnen eines I²t-Werts verwendet wird, und wobei jeder ASIC (330) einen analogen Prozessor (334) enthält, der anhand des I²t-Werts variable Auslösezeiten unter verschiedenen Anwendungskonfigurationen steuert.
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jeder ASIC (330) eine Thermoabschaltschaltung (336) enthält, die die entsprechende Leistungsschalteinrichtung (320) öffnet, wenn ein Substrat der Leistungsschalteinrichtung (320) eine vorbestimmte Referenztemperatur übersteigt.
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jeder ASIC (330) eine Logik zur Nulldurchgangsstromdetektion (339) und Nulldurchgangsspannungsdetektion (341) enthält und wobei die Nulldurchgangsstromdetektion und die Nulldurchgangsspannungsdetektion (341) beim Betrieb in einem AC-Modus zum Steuern einer Aus/Ein-Aktivierungszeitsteuerung der entsprechenden Leistungsschalteinrichtung (320) verwendet werden.
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jeder ASIC (330) eine Logik zum Durchführen mindestens einer internen Rücksetzund Kalibrierungssequenz während eines Einschaltinitiierungszyklus (332), einer Stromdetektion und -konditionierung (338), einer Absolutstromwertdetektion, einer Wahre-RMS-Konvertierung (337), einem I²t-Präzisionsmultipli zieren und -integrieren (334), einer Schnelle-Abschaltsignalverarbeitung (335), einer Laststatusanzeige, einer ausfallsicheren AC-Abschaltung, einer Wärmeabschaltungssignalverarbeitung (336), einer Nulldurchgangsstromdetektion (339), einer opto-isolierten Eingangs/Ausgangssignalkonditionierung (340) und einer Nulldurchgangsspannungssignalkonditionierung (341) aufweist.
Zentrum zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der mehreren ASICs (310) koordiniert sind, um einen gekoppelten Betrieb zu gestatten.
System zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei die beiden seriellen Datenbusse (2, 3) Synchronous Serial Peripheral Interface (SPI) beziehungsweise Asynchronous Serial Communications Interface (SCI) sind.
System zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jede Leistungsschalteinrichtung (320) eine schmelzbare Verbindung umfaßt, um einen offenen Kreis im Fall eines Kurzschlußausfalls der Leistungsschalteinrichtung (320) zu bewirken, und die schmelzbare Verbindung eine MOSFET-Drahtverbindung ist.
System zur elektrischen Kraftverteilung nach Anspruch 1, wobei jede Leistungsschalteinrichtung (320) folgendes umfaßt: einen Wärmesensor (324); einen Erfassungswiderstand (322) und mehrere MOSFETs, wobei jeder MOSFET eine schmelzbare Verbindung enthält, um einen offenen Kreis im Fall eines Kurzschlußausfalls der Leistungsschalteinrichtung (320) zu bewirken, wobei die schmelzbare Verbindung eine MOSFET-Drahtverbindung ist.