EP3243256A1 - Verfahren zum versorgen mindestens eines verbrauchers in einem bordnetz und bordnetz - Google Patents

Verfahren zum versorgen mindestens eines verbrauchers in einem bordnetz und bordnetz

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Publication number
EP3243256A1
EP3243256A1 EP15794895.1A EP15794895A EP3243256A1 EP 3243256 A1 EP3243256 A1 EP 3243256A1 EP 15794895 A EP15794895 A EP 15794895A EP 3243256 A1 EP3243256 A1 EP 3243256A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical system
subnetworks
consumer
consumers
subnet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15794895.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anthony CHEVRET
Christian Bohne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3243256A1 publication Critical patent/EP3243256A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T17/00—Component parts, details, or accessories of power brake systems not covered by groups B60T8/00, B60T13/00 or B60T15/00, or presenting other characteristic features
    • B60T17/18—Safety devices; Monitoring
    • B60T17/22—Devices for monitoring or checking brake systems; Signal devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J4/00—Circuit arrangements for mains or distribution networks not specified as ac or dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2270/00—Further aspects of brake control systems not otherwise provided for
    • B60T2270/40—Failsafe aspects of brake control systems
    • B60T2270/402—Back-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60T2270/40—Failsafe aspects of brake control systems
    • B60T2270/414—Power supply failure
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/46—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying at least one redundant load in a vehicle electrical system, in particular a vehicle electrical system in a motor vehicle, and such a vehicle electrical system.
  • highly automated driving should be permitted to a limited extent. A sensory, regulatory, mechanical and energetic fallback by the driver in this case is limited.
  • a highly automatic driving which is also referred to as highly automated driving, an intermediate step between an assisted driving in which the driver is assisted by assistance systems, and an autonomous driving in which the vehicle drives automatically and without the driver's intervention to understand.
  • the vehicle has its own intelligence that could plan ahead and take over the driving task, at least in most driving situations. Therefore, in a highly automatic driving the electrical supply has not previously known in the motor vehicle safety relevance.
  • On-board network topologies for increased reliability based on a 14 V on-board network are known, in which scalable and modular on-board network topologies for supplying safety-relevant electrical consumers are realized.
  • these consumers are divided into consumer groups with different security relevance, in principle, a two-channel electrical supply for redundant, security-relevant consumers and a fault-tolerant supply for simply existing security-relevant consumers are provided.
  • a vehicle electrical system for a vehicle with at least one safety-relevant consumer is known.
  • a simply existing security-relevant consumer is supplied redundantly from two subnetworks, a primary network and a secondary network.
  • the proposed method allows one or more voltage levels, such as, for example, 12 V or 48 V.
  • one or more voltage levels such as, for example, 12 V or 48 V.
  • multiple, galvanically isolated masses for the individual subnetworks are provided, even if they are the same
  • security-relevant subnetworks are executed independently of each other. Furthermore, electrical faults in a subnetwork do not affect another safety-related subnetwork. This can, for example, vehicles with
  • Figure 1 shows an embodiment of a vehicle electrical system according to the prior art.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the electrical system according to the prior art.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a consumer that is internally redundant and requires a redundant electrical supply.
  • Figure 4 shows an embodiment of an arrangement for supplying a
  • FIG. 5 shows an embodiment of an arrangement for supplying several consumers with separate ground lines, namely the supply of several consumers from three subnetworks and connection to three galvanically isolated grounding lines.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an arrangement for supplying a plurality of consumers with separate ground lines, specifically the supply of several consumers from three subnetworks and connection to two galvanically isolated ground lines.
  • Figure 7 shows an embodiment of an arrangement for supplying a
  • FIG. 1 shows a first expansion stage for the reliable supply of electrical consumers.
  • the illustration shows a vehicle electrical system 10 with a base vehicle network 12, a first subnetwork 14 and a second subnetwork 16.
  • the base vehicle network 12 includes a starter S 20, a generator G 22, a battery B B 24 and a consumer group R 3 26 with not
  • a first switch S F i 30, a second switch S F 2 32, a third switch S F 3 34, a consumer R 2 36, a battery B ia 38 and a consumer R ia 40 are provided in the first subnetwork 14.
  • a consumer Ri b 44 is provided in the second subnet 16.
  • Redundant consumers who are two-fold and can take over the same function, for example, two different brake actuators. These redundant consumers are designated R ia 40 and R ib 44. They are supplied via the two separate on-board network channels, either via the battery B B 24 of the base on-board network, the generator G 22 of the base network 12 or the battery B ia 38 of the first subnet 14. Alternatively, the consumers Ri a 40 and R ib 44 also in a component or a housing are summarized. This structure can be seen in FIG. 2. Furthermore, there are consumers who are simply present, but reliable, ie fault-tolerant, must be supplied with electrical energy. In Figure 1, such a consumer is marked with R 2 36. These consumers can also either from the base 12 or from the
  • Battery B ia 38 of the first subnetwork 14 are supplied. Switching between the on-board network channels takes place with the aid of the two switches S F 2 32 and S F3 34.
  • the switches S F i 30 and S F 3 34 are closed and the switch S F2 32 is open.
  • the consumers R ia 40, R ib 44, R 2 36 and R 3 26 are supplied via the base board network 12 and the battery B ia 38 is charged.
  • the switches S Fi 30 and S F3 34 are opened and S F2 32 is closed and the redundant or fault-tolerant consumers R ia 40 and R 2 36 from the battery B ia 38 supplied.
  • Figure 2 shows an embodiment of a fault-tolerant 48 V / 14 V electrical system, which is designated overall by the reference numeral 50.
  • the illustration shows a base on-board network 52, an onboard power supply channel a 54 and an onboard power supply channel b 56.
  • a DC-DC converter 66 in the base-board network 52 By a DC-DC converter 66 in the base-board network 52, a first 14 V subnet 57 and a second 48 V subnet 59 are given.
  • the base electrical system 52 includes an electric machine 60, a battery Bi 62, a consumer Ri 64, a DC-DC converter 66, a battery B 2 68 and a consumer R 2 70.
  • the electrical system duct a 54 comprises a coupling member K 3a 80, a battery B 3a 82 and a consumer R 3a 84.
  • the electrical system channel b 56 has a coupling element K 3b 90, a battery B 3b 92 and a consumer R 3b 94 on.
  • the coupling links K 3a 80 and K 3 90 provide the compound of
  • the two vehicle electrical system channels a 54 and b 56 for safety-relevant, redundant consumers are each coupled both to the 14 V subnet 57 and to the 48 V subnet 59. This is one in the sense of safety technology diversified energy supply of these channels ensured. In the event of failure of a subnetwork, ie the 48 V or 14 V subnetwork, at least one vehicle electrical system channel, a or b, will continue to be supplied with energy by the still functioning subnetwork.
  • the power electronic coupling elements K 3a 80 and K 3b 90 can be realized for example as a DC-DC converter or switch.
  • Occurs for example, a fault in a subnet, z. B. an overvoltage, the associated electrical system duct a 54 or b 56 by means of the coupling element K 3a 80 and K 3b 90 separated from the respective subnet.
  • the method described herein and the illustrated on-board network are therefore designed to make the ground lines of the safety-relevant subnets accordingly independent.
  • FIG. 3 An example of a safety-related redundant load can be seen in simplified form in FIG. 3, which is designated by the reference numeral 100.
  • all elements including energy supply and communication are doubled. This means that if one channel fails, the other channel alone can ensure safe operation.
  • the illustration shows a first signal electronics 102, a second
  • Signal electronics 104 a first main controller 106, a second
  • Main controller 108 a first output stage 110, a second output stage 112, a first motor 114 and a second motor 116. Furthermore, with double arrows a first communication 118, a second communication 120 and an internal communication 122 illustrates. Arrows show a first connection 124 to a first vehicle electrical system path and a second connection 126 to a second vehicle electrical system path. In the illustration, components of a controller 130 and a motor 132 are labeled with borders.
  • the consumer 100 shown in FIG. 3 is, for example, as a steering system or
  • both the signal electronics 102 and 104, the main controller 106 and 108, the power amplifiers or power output stages 110 and 112 and the motor 132 are duplicated. Also, the terminals 124 and 126 to the electrical system paths and the communication 118 and 120 are provided in duplicate. Thus, if one fails
  • Component or a vehicle electrical system or channel in one half of the other half redundant take over the function.
  • the consumer 100 internally consists of two components or parts, a part 140 shown here above and a part 142 shown below, each of which can ensure at least one fallback of the function (first motor 114 and second motor 116).
  • Each part 140 or 142 contains the logic
  • Each part 140 or 142 has its own supply (vehicle electrical system 1 and vehicle electrical system 2). Both supplies can have different voltage levels and are internally galvanically isolated. Each part is connected to a network (first
  • Communication 118 and second communication 120 The internal communication 122 between the two parts 140 and 142 is galvanically isolated. It should be noted that existing fuses are not shown.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the on-board network, which is designated overall by the reference numeral 200, with two safety-relevant subnetworks, namely subnetwork A 202 and subnetwork C 204.
  • the illustration shows a power source Qi 202, for example a generator in a vehicle with an internal combustion engine, which supplies both subnetworks 202, 204.
  • the left subnet A 202 further comprises an electrical memory S a 208 and consumers V ia 210 and V x 212.
  • the elements of the subnet A 202 are connected via a positive line A 214 and ground M a 216 shown above.
  • the subnetwork C 204 includes an electrical memory S c 220 and
  • Via 210 and V ic 222 are different consumers that can redundantly ensure the same function. This is typically used for safety-critical functions, e.g. B. braking during automatic driving or
  • V 2ac 240 which has two
  • Each galvanically isolated part within the consumer V 2ac 240 allows the redundancy of the same function. It is typically used for critical functions, e.g. B. for a steering or steering assistance.
  • Both subnetworks 202 and 204 are coupled via the coupling element K ac 226.
  • the coupling element K ac 226 is a galvanic isolated coupling element, for. B. a DC-DC converter.
  • the electrical stores S a 208 and S c 220 are two separate ones
  • Energy storage such as a battery or a DLC memory.
  • Voltage level of the two energy storage can be different, z. B. 48 V and 14 V, or the same.
  • the electrical storage S a 208 and S c 220 may alternatively be used as high-voltage storage, z. B. with 310 V or 400 V, be formed.
  • the two subnetworks A 202 and C 204 can be designed completely independently of each other. This will be explained by the following examples.
  • the power source Qi 206 causes a short circuit between the positive line A 214 and the ground M a 216.
  • the voltage in the subnet A 202 collapses and the function of the consumers V ia 210 and V x 212 fails. Since the consumer V ia 210 has assumed a safety-relevant function, such as, for example, the construction of the brake pressure, this must be performed by the redundant component, the consumer V ic 222. In this case, the coupling element K ac 226 is switched inactive.
  • the sub-network C 204 which is still intact, can thus continue to operate independently of the fault in the subnetwork A 202, and the electrical memory S c 220 can supply the consumers V ic 222 and V z 224 at least for a limited time.
  • the consumer V 2ac 240 can be operated in the fallback mode, since it is still supplied with electrical energy via the positive lead C 228. It is important that the safety-relevant function, such. As the structure of the brake pressure, despite the short circuit in the power source Qi 206 can be performed safely.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the electrical system, which is designated overall by the reference numeral 300.
  • This vehicle electrical system 300 comprises a subnetwork A 302, a subnetwork B 304 and a subnetwork C 306.
  • the subnet B 304 includes an electrical memory S b 310 and consumer Vib 312 and V Y 314.
  • the elements of the subnet B 304 are over a
  • the subnet A 302 includes an electrical memory S b 320 and consumers V ia 322 and V x 324. The elements of the subnet A 302 are connected via a positive line A 326 and ground M a 328.
  • the subnet C 306 includes an electrical memory S c 330 and consumers V ic 332 and V z 334. The elements of the subnet C 306 are connected via a positive line C 336 and ground M c 338.
  • the illustration also shows a coupling element K ac 350, a coupling element K from 352 and
  • V2ac 354, V3bc 356 and V4ab 358 as well as a power source Ql 360.
  • the consumer V ib 312 is a redundant to the consumer V ia 322 and / or the consumer V ic 332 to ensure a function, such as a braking or Bremskraftverstärkung.
  • the consumer V 3 c 356 and V 4a 358 is like V 2ac 354 a consumer, with two different
  • the subnetwork B 304 is coupled to the subnetwork A 302 via the coupling element K a 352.
  • the coupling element K a 352 is just like the coupling element K ac 350 a galvanic isolated coupling element, for example.
  • the electrical memory S 310 is, analogous to S a and S c in Figure 4, a
  • Energy storage As a battery or a DLC memory.
  • Voltage level of this energy storage may continue to be different, for. B. 48 V and 14 V. Since all subnets are galvanically isolated from each other, Alternatively, one or more memory as a high-voltage memory, for. B. with 310 V or 400 V, be formed.
  • the subnets A 302, B 304 and C 306 can be designed completely independently of each other.
  • a 3- voltage electrical system is possible, for. HV / 48V / 14V, 48V / 14V / 14V or 48V / 48V / 14V.
  • V 3bc 356, V 4ab 358 and V 2ae 354 can have different or identical voltage levels or
  • the subnet B can operate in case of failure on and consumers ib V 312, V 314 Y, V 4a 358 continue to supply 3bc and 356 V, at least temporarily limited.
  • FIG. 6 shows a further alternative embodiment of the on-board network 400.
  • This on-board network 400 comprises a subnetwork A 402, a subnetwork B 404 and a subnetwork C 406.
  • the subnet B 404 comprises an electrical memory S 410 and loads Vi 412 and V Y 414.
  • the elements of the subnet B 404 are over one
  • Subnetwork A 402 includes an electrical memory S 420 and consumers V ia 422 and V x 424. The elements of subnetwork A 402 are connected via positive line A 426 and ground M a 428.
  • the subnet C 406 includes an electrical memory S c 430 and consumers V ic 432 and V z 434. The elements of the subnet C 406 are connected via a positive line C 436 and ground M c 438.
  • the illustration also shows a coupling element Kac 450, a coupling element 452 and consumers V2ac 454, V3bc 456 and V4ab 458 and a power source Qi 460.
  • the coupling element K a 452 is in this case a coupling element, which is not galvanically isolated.
  • This is, for example, as a DC-DC converter, z. B. as a buck / boost converter, as a simple switch the supply line or as Double switch formed by ground and supply line or as a combination of the above options.
  • the body can be used for both masses.
  • the mass M b 418 may be connected to the mass M a 428 by separate leads.
  • subnetwork C 406 can be designed completely independently of subnetworks A 402 and B 404. Thus, this represents a compromise between the topologies of Figures 4 and 5.
  • a 3-voltage electrical system in the full system is possible, for. HV / 48V / 14V (HV: high voltage, typically ⁇ 300V or ⁇ 400V for subnet C only), 48V / 14V / 14V or 48V / 48V / 14V.
  • HV high voltage, typically ⁇ 300V or ⁇ 400V for subnet C only
  • 48V / 14V / 14V or 48V / 48V / 14V 48V / 48V / 14V.
  • the coupling element K from 452 detects the error sufficiently early and decouples the two subnets A 402 and B 404 so fast that the error does not propagate into subnet B 404.
  • the sub-network B 404 the consumer can at least temporarily further limits V c ib provide 412 V Y 414, V 3 456 and V 4a 458th
  • the coupling element K a 452 does not recognize or not sufficiently fast the error or the coupling element K a 452 does not decouple the two subnets A 402 and B 404 sufficiently fast, or the coupling element K a 452 can not subnets A 402 and B 404 decouple because z. B. no switch on the
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the proposed vehicle electrical system, which is denoted overall by the reference numeral 500.
  • the illustration shows a subnet A 502 and a subnet C 504.
  • the subnet A 502 includes a power source Qi 510, an electrical memory S a 512, and loads V ia 514 and V x 516. Further, a positive line A 518 and ground M a 520 are provided.
  • the subnet B 504 includes a power source Q 2 530, an electrical memory S c 532, and consumers Vic 534 and V z 536. Further, a plus line C 538 and ground M c 540 are provided. Furthermore, the illustration shows a coupling element K ac 550 and a consumer V 2ac 552nd
  • the power sources Qi 510 and Q 2 530 each independently supply a subnetwork, the power source Q 2 530 serving the subnetwork C 504 and the power source Qi 510 supplying the subnetwork A 502.
  • the power sources Qi 510 and Q 2 530 may each be used as a generator, e.g. B. in a vehicle with an internal combustion engine, an electric motor or actuators for recuperation, z. As roll stabilization with energy recovery, or as a HV-12 V converter, z. B. in an electric vehicle, be formed.
  • the coupling element K ac 550 is, as in the above-explained
  • a galvanic isolated coupling element for. B. a DC-DC converter.
  • the coupling element K ac 550 allows the energy transfer between the subnetworks A 502 and C 504. It is also conceivable another, similar topology in which this coupling is omitted, since each subnet has its own energy storage.
  • the consumer V 2ac 552 is, as stated above, a consumer with two different supplies, namely the
  • Plus line A 518 and positive line C 538 is supplied via the two corresponding ground, namely M a 520 and M c 540.
  • V ia 514 and V ic 5134 are different consumers, which can ensure the same function redundantly.
  • Such a structure will typically used for safety-critical functions, eg. B. for braking or brake booster.
  • the subnetworks A 502 and C 504 can be designed completely independently of each other.
  • a 2-voltage electrical system is also possible. Since each subnet has its own source, you can

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers (100) in einem Bordnetz und ein solches Bordnetz vorgestellt. Dabei ist vorgesehen, den Verbraucher (100) aus mehreren Teilnetzen des Bordnetzes zu versorgen.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM VERSORGEN MINDESTENS EINES VERBRAUCHERS IN EINEM
BORDNETZ UND BORDNETZ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen mindestens eines redundanten Verbrauchers in einem Bordnetz, insbesondere einem Bordnetz in einem Kraftfahrzeug, und ein solches Bordnetz.
Stand der Technik
Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von
Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem
hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden. Unter einem hochautomatischen Fahren, das auch als hochautomatisiertes Fahren bezeichnet wird, ist ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, zu verstehen. Bei diesem verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher im Kraftfahrzeug nicht gekannte Sicherheitsrelevanz.
Das heutige konventionelle 14 V-Bordnetz mit nur einem Generator und nur einer Batterie kann die erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit der elektrischen Versorgung nicht mehr in ausreichendem Maße erfüllen. Als Beispiel wird hier das Segeln mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor erwähnt. Während der Segelphase steht der Generator als Energieerzeuger nicht mehr zur Verfügung. Der Ausfall der Batterie in der Segelphase führt daher zum Ausfall der gesamten elektrischen Versorgung im Kraftfahrzeug. Aus diesem Grund werden aktuell 14 V-Bordnetze mit zwei Batterien, sogenannte 2-Batterienbordnetze, bei
Automobilherstellern und Zulieferern für Segeln diskutiert.
Es sind Bordnetztopologien für erhöhte Zuverlässigkeit auf Basis eines 14 V- Bordnetzes bekannt, bei denen skalierbare und modulare Bordnetz-Topologien zur Versorgung von sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern realisiert werden. Bei diesen werden die Verbraucher in Verbrauchergruppen mit unterschiedlicher Sicherheitsrelevanz eingeteilt, wobei grundsätzlich eine zweikanalige elektrische Versorgung für redundante, sicherheitsrelevante Verbraucher und eine fehlertolerante Versorgung für einfach vorhandene sicherheitsrelevante Verbraucher vorgesehen sind.
Neben der Weiterentwicklung des 14 V- Bordnetzes wird von
Automobilherstellern die Einführung des 48 V/14 V-Bordnetzes geplant. Dieses 48 V/14 V-Bordnetz dient neben der Versorgung von Hochleistungsverbrauchern als Einstiegs-Hybridisierung. In der Druckschrift DE 198 55 245 B4 ist eine redundante Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz beschrieben. Dabei werden vorhandene Verbraucher redundant aus zwei Teilbordnetzen mit unterschiedlicher Spannung versorgt, wozu eine Versorgung aus zwei getrennten Spannungszweigen vorgesehen ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 010 713 B4 ist ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit zumindest einem sicherheitsrelevanten Verbraucher bekannt. Hierbei wird ein einfach vorhandener sicherheitsrelevanter Verbraucher redundant aus zwei Teilnetzen, einem Primärnetz und einem Sekundärnetz, versorgt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und ein Bordnetz gemäß Anspruch 5 vorgestellt.
Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine oder mehrere Spannungslagen, wie bspw. 12 V oder 48 V. Dabei sind mehrfache, galvanisch getrennte Massen für die einzelnen Teilnetze vorgesehen, auch wenn diese die gleiche
Spannungslage haben oder auch wenn die Spannungslagen verschieden sind. Weiterhin kann eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen den Teilnetzen vorgesehen sein.
Das vorgestellte Verfahren und das beschriebene Bordnetz haben, zumindest in einigen der Ausführungsformen, eine Reihe von Vorteilen. So können
sicherheitsrelevante Teilnetze unabhängig voneinander ausgeführt werden. Weiterhin beeinflussen elektrische Fehler in einem Teilnetz nicht ein anderes sicherheitsrelevantes Teilnetz. Damit können bspw. Fahrzeuge mit
automatischen Fahrfunktionen auch im Fall eines Bordnetzfehlers den sicheren Zustand erreichen, indem die elektrische Versorgung für die notwendigen Komponenten aufrechterhalten wird, die hierfür benötigt werden. Weiterhin können mit dem vorgestellten Bordnetz Verbraucher, die mehrere Spannungsebenen, z. B. 14 V und 48 V benötigen und intern galvanisch getrennt sind, versorgt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführung eines Bordnetzes nach dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bordnetzes nach dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbraucher, der intern redundant aufgebaut ist und eine redundante elektrische Versorgung benötigt.
Figur 4 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung eines
Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung eines Verbrauchers aus zwei Teilnetzen und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen.
Figur 5 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung mehrerer Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung mehrerer Verbraucher aus drei Teilnetzen und Anschluss an drei galvanisch getrennte Masseleitungen.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführung einer Anordnung zur Versorgung mehrerer Verbraucher mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung mehrerer Verbraucher aus drei Teilnetzen und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen. Figur 7 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zur Versorgung eines
Verbrauchers mit getrennten Masseleitungen, und zwar die Versorgung eines Verbrauchers aus zwei Teilnetzen mit je einer Quelle und Anschluss an zwei galvanisch getrennte Masseleitungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figur 1 zeigt eine erste Ausbaustufe zur zuverlässigen Versorgung von elektrischen Verbrauchern. Die Darstellung zeigt ein Bordnetz 10 mit einem Basisbordnetz 12, einem ersten Teilnetz 14 und einem zweiten Teilnetz 16. Das Basisbordnetz 12 umfasst einen Starter S 20, einen Generator G 22, eine Batterie BB 24 sowie eine Verbrauchergruppe R3 26 mit nicht
sicherheitsrelevanten Verbrauchern.
In dem ersten Teilnetz 14 sind ein erster Schalter SFi 30, ein zweiter Schalter SF2 32, ein dritter Schalter SF3 34, ein Verbraucher R2 36, eine Batterie Bia 38 und ein Verbraucher Ria 40 vorgesehen. In dem zweiten Teilnetz 16 ist ein Verbraucher Rib 44 vorgesehen.
In dem Bordnetz 10 sind verschiedene Arten von sicherheitsrelevanten
Verbrauchern vorgesehen. Diese sind in zwei Kategorien unterteilt:
1. Redundante Verbraucher, die zweifach vorhanden sind und die gleiche Funktion übernehmen können, bspw. zwei verschiedene Bremsaktuatoren. Diese redundanten Verbraucher sind mit Ria 40 und Rib 44 bezeichnet. Sie werden über die beiden getrennten Bordnetzkanäle versorgt, entweder über die Batterie BB 24 des Basisbordnetzes, den Generator G 22 des Basisbordnetzes 12 oder die Batterie Bia 38 des ersten Teilnetzes 14. Alternativ können die Verbraucher Ria 40 und Rib 44 auch in einem Bauteil bzw. einem Gehäuse zusammengefasst werden. Dieser Aufbau ist in Figur 3 zu sehen. 2. Weiterhin gibt es Verbraucher, die nur einfach vorhanden sind, aber zuverlässig, d. h. fehlertolerant, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. In Figur 1 ist ein solcher Verbraucher mit R2 36 gekennzeichnet. Diese Verbraucher können ebenfalls entweder aus dem Basisbordnetz 12 oder aus der
Batterie Bia 38 des ersten Teilnetzes 14 versorgt werden. Die Umschaltung zwischen den Bordnetzkanälen erfolgt mit Hilfe der beiden Schalter SF2 32 und SF3 34.
Im normalen Betrieb sind die Schalter SFi 30 und SF3 34 geschlossen und der Schalter SF2 32 ist geöffnet. Die Verbraucher Ria 40, Rib 44, R2 36 und R3 26 werden über das Basisbordnetz 12 versorgt und die Batterie Bia 38 wird geladen. Im Fehlerfall, bspw. wenn die Spannung im Basisbordnetz 12 zusammenbricht, werden die Schalter SFi 30 und SF3 34 geöffnet und SF2 32 geschlossen und die redundanten bzw. fehlertolerant zu versorgenden Verbrauchern Ria 40 und R2 36 aus der Batterie Bia 38 versorgt.
Figur 2 zeigt eine Ausführung eines fehlertoleranten 48 V/14 V-Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Basisbordnetz 52, einen Bordnetzkanal a 54 und einen Bordnetzkanal b 56.
Durch einen Gleichspannungswandler 66 im Basisbordnetz 52 sind ein erstes 14 V-Teilnetz 57 und ein zweites 48 V-Teilnetz 59 gegeben.
Das Basisbordnetz 52 umfasst eine elektrische Maschine 60, eine Batterie Bi 62, einen Verbraucher Ri 64, einen Gleichspannungswandler 66, eine Batterie B2 68 und einen Verbraucher R2 70. Der Bordnetzkanal a 54 umfasst ein Koppelglied K3a 80, eine Batterie B3a 82 und einen Verbraucher R3a 84. Der Bordnetzkanal b 56 weist ein Koppelglied K3b 90, eine Batterie B3b 92 und einen Verbraucher R3b 94 auf. Die Koppelglieder K3a 80 und K3 90 stellen die Verbindung der
Bordnetzkanäle a und b zu den Teilnetzen 57 und 59 mit den Spannungen 48 V bzw. 14 V dar.
Die zwei Bordnetzkanäle a 54 und b 56 für sicherheitsrelevante, redundante Verbraucher werden jeweils sowohl an das 14 V-Teilnetz 57 als auch an das 48 V-Teilnetz 59 angekoppelt. Dadurch ist eine im Sinne der Sicherheitstechnik diversitäre Energieversorgung dieser Kanäle sichergestellt. Beim Ausfall eines Teilnetzes, d. h. des 48 V- oder des 14 V-Teilnetzes, wird zumindest noch ein Bordnetzkanal, a oder b, durch das noch funktionsfähige Teilnetz weiter mit Energie versorgt. Die leistungselektronischen Koppelglieder K3a 80 und K3b 90 können beispielsweise als Gleichspannungswandler oder Schalter realisiert werden.
Tritt bspw. eine Störung in einem Teilnetz auf, z. B. eine Überspannung, so wird der zugeordnete Bordnetzkanal a 54 oder b 56 mittels des Koppelglieds K3a 80 bzw. K3b 90 vom jeweiligen Teilnetz getrennt.
Bislang liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Bordnetzen darauf, die Versorgungsleitung redundant auszulegen, um zwei unabhängige Versorgungen zu realisieren. Hintergrund ist die Anforderung der ISO 26262 nach ausreichend unabhängigen Architekturelementen.
Zu beachten ist jedoch, dass ein Stromkreis nur geschlossen ist, wenn die Ladungsträger wieder zur Stromquelle zurückfließen können. Daher muss neben der Plusleitung auch die Masseleitung ausreichend unabhängig sein. Dies wurde bislang nicht berücksichtigt.
Das hierin beschriebene Verfahren und das erläuterte Bordnetz sind daher darauf ausgerichtet, auch die Masseleitungen der sicherheitsrelevanten Teilnetze entsprechend unabhängig zu gestalten.
Hier stellt sich jedoch das Problem, dass bei den heutigen Fahrzeugen, bei denen die Karosserie überwiegend aus Metall besteht, diese grundsätzlich als Masseleiter genutzt wird. Dies bedeutet, dass alle elektrischen Verbraucher lediglich mit der Plusleitung an das elektrische Bordnetz angeschlossen werden müssen. Die Masseleitung zurück zum Generator oder zur Batterie wird eingespart, indem lediglich eine kurze Masseleitung zur nächstgelegenen Karosseriestelle gelegt wird.
Die ist prinzipiell auch bei 2-Spannungsbordnetzen möglich. Bei diesen ist eine gemeinsame Masse definiert, die über räumlich getrennte Massebolzenanschlüsse verbunden ist. In dieser gemeinsamen Masse zwischen den Teilnetzen können sich Fehler von einem Teilnetz in ein anderes
fortpflanzen. Außerdem können sich Sicherungen von Komponenten in
Fehlerfällen zu spät oder gar nicht auslösen oder Kurzschlüsse direkt zwischen Versorgung und Masse auftreten. Lediglich bei Hochvoltbordnetzen im Fahrzeug existieren bereits 2- Leiterbordnetz, d. h. das Hochvoltbordnetz ist galvanisch vom Niederbordnetz getrennt, da im Hochvoltbordnetz Spannungen > 60 DC bzw. Wechselspannungen > Ueff >30 Volt auftreten. Die vorgestellte Erfindung zeigt nunmehr, wie auch die Masseleitung der einzelnen Teilnetze, die Niederspannungsnetze sind, hinreichend unabhängig realisiert werden kann, um Fehler wie Masseversatz oder Kurzschlüsse nach Masse nicht von einem sicherheitsrelevanten Teilnetz auf das andere übertragen zu lassen. Hierzu wird ein Ansatz für ein Bordnetz mit einer oder mehr als einer Spannungslage, z. B. 12 V + 48 V, vorgestellt.
Es werden mehrfach vorhandene, galvanisch getrennte Massen für die einzelnen Teilnetze eingeführt, auch wenn diese die gleiche Spannungslage haben oder die Spannungslagen verschieden sind. Weiterhin kann eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen den Teilnetzen vorgesehen sein.
Mit dem vorgestellten Bordnetz können Verbraucher, die mehrere
Spannungsebenen, z. B. 14 V und 48 V benötigen und intern galvanisch getrennt sind, versorgt werden.
Ein Beispiel für einen sicherheitsrelevanten redundanten Verbraucher ist vereinfacht in Figur 3 zu sehen, welcher mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Bei diesem sind alle Elemente inklusive Energieversorgung und Kommunikation gedoppelt. Dies bedeutet, dass bei Ausfall eines Kanals der andere Kanal alleine den sicheren Betrieb gewährleisten kann.
Die Darstellung zeigt eine erste Signalelektronik 102, eine zweite
Signalelektronik 104, einen ersten Hauptcontroller 106, einen zweiten
Hauptcontroller 108, eine erste Endstufe 110, eine zweite Endstufe 112, einen ersten Motor 114 und einen zweiten Motor 116. Weiterhin sind mit Doppelpfeilen eine erste Kommunikation 118, eine zweite Kommunikation 120 sowie eine interne Kommunikation 122 verdeutlicht. Pfeile zeigen einen ersten Anschluss 124 an einen ersten Bordnetzpfad und einen zweiten Anschluss 126 an einen zweiten Bordnetzpfad. In der Darstellung sind Komponenten eines Steuergeräts 130 und eines Motors 132 mit Umrandungen gekennzeichnet.
Der in Figur 3 gezeigte Verbraucher 100 ist bspw. als Lenksystem oder
Bremssystem ausgebildet, d. h. der Motor 132 steuert ein sicherheitsrelevantes System. Bei diesem redundant aufgebauten Verbraucher 100 sind sowohl die Signalelektronik 102 bzw. 104, der Hauptcontroller 106 bzw. 108, die Endstufen bzw. Leistungsendstufen 110 bzw. 112 und der Motor 132 doppelt vorhanden. Auch die Anschlüsse 124 bzw. 126 an die Bordnetzpfade und die Kommunikation 118 bzw. 120 sind zweifach vorgesehen. Somit kann bei Ausfall einer
Komponente oder eines Bordnetzpfads bzw. Kanals in der einen Hälfte die jeweils andere Hälfte redundant die Funktion übernehmen.
Der Verbraucher 100 besteht intern aus zwei Komponenten bzw. Teilen, einem hier oben dargestellten Teil 140 und einem unten dargestellten Teil 142, die jeder mindestens eine Rückfallebene der Funktion sicherstellen können (erster Motor 114 und zweiter Motor 116). Jeder Teil 140 oder 142 enthält die Logik
(Signalelektronik 102 bzw. 104, Hauptcontroller 106 bzw. 108), die Leistung (Endstufe 110 bzw. 112) und einen Aktuator (Motor 114 bzw. 116). Jedes Teil 140 oder 142 hat eine eigene Versorgung (Bordnetz 1 und Bordnetz 2). Beide Versorgungen können verschiedene Spannungsniveaus haben und sind intern galvanisch getrennt. Jeder Teil ist auf einem Netzwerk verbunden (erste
Kommunikation 118 und zweite Kommunikation 120). Die interne Kommunikation 122 zwischen den beiden Teilen 140 und 142 ist galvanisch getrennt. Es ist darauf hinzuweisen, dass vorhandene Schmelzsicherungen nicht dargestellt sind.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist, mit zwei sicherheitsrelevanten Teilnetzen, nämlich Teilnetz A 202 und Teilnetz C 204. Die Darstellung zeigt eine Energiequelle Qi 202, bspw. einen Generator bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, welche beide Teilnetze 202, 204 versorgt. Das linke Teilnetz A 202 umfasst weiterhin einen elektrischen Speicher Sa 208 und Verbraucher Via 210 und Vx 212. Die Elemente des Teilnetzes A 202 sind über eine oben dargestellte Plusleitung A 214 und Masse Ma 216 verbunden.
Das Teilnetz C 204 umfasst einen elektrischen Speicher Sc 220 und
Verbrauchern Vic 222 und Vz 224. Die Verbraucher werden aus einem
Koppelelement Kac 226 über eine Plusleitung C 228 versorgt und sind über eine gemeinsame Masse Mc 230 verbunden.
Via 210 und Vic 222 sind unterschiedliche Verbraucher, die die gleiche Funktion redundant sicherstellen können. Dies wird typischerweise für sicherheitskritische Funktionen verwendet, z. B. Bremsung beim automatischen Fahren bzw.
Bremskraftverstärkung.
Es ist weiterhin ein Verbraucher V2ac 240 vorgesehen, der über zwei
unterschiedlichen Versorgungen, nämlich Plusleitung A 214 und Plusleitung C 228 und die zwei entsprechenden Masse Ma 216 und Mc 230 versorgt wird. Beide
Versorgungen sind innerhalb des Verbrauchers V2ac 240 galvanisch getrennt, wie dies in Figur 3 verdeutlicht ist. Jeder galvanische getrennte Teil innerhalb des Verbrauchers V2ac 240 erlaubt die Redundanz der gleichen Funktion. Es wird typischerweise für kritische Funktionen verwendet, z. B. für eine Lenkung bzw. Lenkungsunterstützung.
Beide Teilnetze 202 und 204 sind über das Koppelelement Kac 226 gekoppelt. Das Koppelelement Kac 226 ist ein galvanisches getrenntes Koppelelement, z. B. ein Gleichspannungswandler.
Die elektrischen Speicher Sa 208 und Sc 220 sind zwei getrennte
Energiespeicher, wie bspw. eine Batterie oder ein DLC-Speicher. Das
Spannungsniveau der beiden Energiespeicher kann unterschiedlich, z. B. 48 V und 14 V, oder gleich sein. Die elektrischen Speicher Sa 208 und Sc 220 können alternativ als Hochvoltspeicher, z. B. mit 310 V oder 400 V, ausgebildet sein. Mit der Topologie des dargestellten Bordnetzes 200 können die beiden Teilnetze A 202 und C 204 vollständig unabhängig voneinander gestaltet werden. Dies wird anhand nachfolgender Beispiele erläutert.
Beispiel 1:
Die Energiequelle Qi 206 verursacht einen Kurzschluss zwischen der Plusleitung A 214 und der Masse Ma 216. In diesem Fall bricht die Spannung im Teilnetz A 202 zusammen und die Funktion der Verbraucher Via 210 und Vx 212 fällt aus. Da der Verbraucher Via 210 eine sicherheitsrelevante Funktion, wie bspw. den Aufbau des Bremsdrucks, übernommen hat, muss diese von der redundanten Komponente, dem Verbraucher Vic 222, ausgeführt werden. In diesem Fall wird das Koppelelement Kac 226 inaktiv geschaltet. Das Teilnetz C 204, das noch intakt ist, kann damit unabhängig vom Fehler in dem Teilnetz A 202 weiter arbeiten und der elektrische Speicher Sc 220 kann die Verbraucher Vic 222 und Vz 224 zumindest zeitbegrenzt versorgen.
Der Verbraucher V2ac 240 kann in der Rückfallebene betrieben werden, da er immer noch über die Plusleitung C 228 mit elektrischer Energie versorgt wird. Von Bedeutung ist, dass die sicherheitsrelevante Funktion, wie z. B. der Aufbau des Bremsdrucks, trotz des Kurzschlusses in der Energiequelle Qi 206 sicher ausgeführt werden kann.
Beispiel 2:
Es kommt zu einem elektrischen Fehler in dem Verbraucher Vz 224, was zu einem Masseversatz der Masse Mc 230 führt. Dies wird von dem Koppelelement Kac 226 erkannt und dieses wird inaktiv geschaltet. Dadurch hat der Fehler keinen Einfluss auf das Teilnetz A 202. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher Via 210 und V2ac 240 können weiterhin zuverlässig versorgt werden.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Dieses Bordnetz 300 umfasst ein Teilnetz A 302, ein Teilnetz B 304 und ein Teilnetz C 306. Das Teilnetz B 304 umfasst einen elektrischen Speicher Sb 310 und Verbraucher Vib 312 und VY 314. Die Elemente des Teilnetzes B 304 sind über eine
Plusleitung B 316 und Masse Mb 318 verbunden. Das Teilnetz A 302 umfasst einen elektrischen Speicher Sb 320 und Verbraucher Via 322 und Vx 324. Die Elemente des Teilnetzes A 302 sind über eine Plusleitung A 326 und Masse Ma 328 verbunden. Das Teilnetz C 306 umfasst einen elektrischen Speicher Sc 330 und Verbraucher Vic 332 und Vz 334. Die Elemente des Teilnetzes C 306 sind über eine Plusleitung C 336 und Masse Mc 338 verbunden. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Koppelelement Kac 350, ein Koppelelement Kab 352 und
Verbraucher V2ac 354, V3bc 356 und V4ab 358 sowie eine Energiequelle Ql 360.
Der Verbraucher Vib 312 ist eine Redundanz zu dem Verbraucher Via 322 und/oder dem Verbraucher Vic 332, um eine Funktion zu sicherstellen, wie bspw. eine Bremsung bzw. Bremskraftverstärkung. Der Verbraucher V3 c 356 bzw. V4a 358 ist wie V2ac 354 ein Verbraucher, der mit zwei unterschiedlichen
Versorgungen, nämlich die Plusleitungen B 316 und C 336 bzw. die
Plusleitungen A 326 und B 316, und die beiden entsprechenden Massen, nämlich Mb 318 und Mc 338 bzw. Ma 328 und Mb 318 versorgt wird. Beide Versorgungen sind innerhalb des Verbrauchers galvanisch getrennt. Es wird hierzu auf Figur 3 verwiesen. Jeder galvanisch getrennte Teil innerhalb des Verbrauchers gewährleistet die Redundanz der gleichen Funktion. Dies wird typischerweise für kritische Funktionen eingesetzt.
Das Teilnetz B 304 ist mit dem Teilnetz A 302 über das Koppelelement Ka 352 gekoppelt. Das Koppelelement Ka 352 ist genauso wie das Koppelelement Kac 350 ein galvanisches getrenntes Koppelelement, bspw. ein
Gleichspannungswandler.
Der elektrische Speicher S 310 ist, analog zu Sa und Sc in Figur 4, ein
Energiespeicher, z. B. eine Batterie oder ein DLC-Speicher. Das
Spannungsniveau dieser Energiespeicher kann weiterhin unterschiedlich sein, z. B. 48 V und 14 V. Da alle Teilnetze voneinander galvanisch getrennt sind, können alternativ einer oder mehrere Speicher als Hochvoltspeicher, z. B. mit 310 V oder 400 V, ausgebildet sein.
Mit der gezeigten Topologie können die Teilnetze A 302, B 304 und C 306 vollkommen unabhängig voneinander gestaltet werden. Alternativ ist ein 3- Spannungsbordnetz möglich, z. B. HV/48 V/14 V, 48 V/14 V/14 V oder 48 V/48 V/14 V.
Unabhängig davon können Verbraucher mit zwei Versorgungen, d. h. V3bc 356, V4ab 358 und V2ae 354 verschiedene oder gleiche Spannungslagen bzw.
Spannungsniveaus als Versorgungen verwenden.
Die Funktionsweise ist entsprechend den Beispielen 1 und 2 der Figur 4.
Zusätzlich zu dem vorstehend gemachten Ausführungen kann das Teilnetz B im Fehlerfall weiter funktionieren und die Verbraucher Vib 312, VY 314, V3bc 356 und V4a 358 weiterhin zumindest zeitbegrenzt versorgen.
In Figur 6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Bordnetzes 400. Dieses Bordnetz 400 umfasst ein Teilnetz A 402, ein Teilnetz B 404 und ein Teilnetz C 406.
Das Teilnetz B 404 umfasst einen elektrischen Speicher S 410 und Verbraucher Vi 412 und VY 414. Die Elemente des Teilnetzes B 404 sind über eine
Plusleitung B 416 und Masse Mb 418 verbunden. Das Teilnetz A 402 umfasst einen elektrischen Speicher S 420 und Verbraucher Via 422 und Vx 424. Die Elemente des Teilnetzes A 402 sind über eine Plusleitung A 426 und Masse Ma 428 verbunden. Das Teilnetz C 406 umfasst einen elektrischen Speicher Sc 430 und Verbraucher Vic 432 und Vz 434. Die Elemente des Teilnetzes C 406 sind über eine Plusleitung C 436 und Masse Mc 438 verbunden. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Koppelelement Kac 450, ein Koppelelement 452 und Verbraucher V2ac 454, V3bc 456 und V4ab 458 sowie eine Energiequelle Qi 460.
Das Koppelelement Ka 452 ist in diesem Fall ein Koppelelement, das nicht galvanisch getrennt ist. Dieses ist bspw. als Gleichspannungswandler, z. B. als Buck/Boost- Wandler, als einfacher Schalter der Versorgungsleitung oder als Doppelschalter von Masse- und Versorgungsleitung oder als eine Kombination aus den genannten Möglichkeiten ausgebildet.
Falls die beiden Massen Ma 428 und Mb 418 immer gekoppelt sind, d. h. es befindet sich kein Schalter in der Masseleitung, kann die Karosserie für beide Massen verwendet werden. Alternativ kann die Masse Mb 418 durch separate Leitungen mit der Masse Ma 428 verbunden werden.
Zu beachten ist, dass mit dieser Topologie das Teilnetz C 406 vollständig unabhängig von den Teilnetzen A 402 und B 404 gestaltet werden kann. Damit stellt dies einen Kompromiss zwischen den Topologien der Figuren 4 und 5 dar. Zudem ist ein 3-Spannungsbordnetz im Vollsystem möglich, z. B. HV/48 V/14 V (HV: Hochvolt, typischerweise ~ 300V oder ~ 400V nur für Teilnetz C), 48 V/14 V/14 V oder 48 V/48 V/14 V. Jedoch kann es nach einem Fehler kann es sein, dass nur ein Teilnetz zur Verfügung steht.
Beim dem zuvor erörterten Beispiel 1, bei dem der Generator einen Kurzschluss zwischen der Plusleitung A und der Masse Ma verursacht, sind zwei alternative Szenarien möglich:
1. Das Koppelelement Kab 452 erkennt ausreichend früh den Fehler und entkoppelt die beiden Teilnetze A 402 und B 404 so schnell, dass sich der Fehler nicht in das Teilnetz B 404 ausgebreitet. In diesem Fall kann das Teilnetz B 404 zumindest zeitbegrenzt weiterhin die Verbraucher Vib 412, VY 414, V3 c 456 und V4a 458 versorgen.
2. Das Koppelelement Ka 452 erkennt nicht oder nicht ausreichend schnell den Fehler bzw. das Koppelelement Ka 452 entkoppelt nicht ausreichend schnell die beiden Teilnetze A 402 und B 404, oder das Koppelement Ka 452 kann nicht die Teilnetze A 402 und B 404 entkoppeln, da z. B. kein Schalter auf der
Masseleitung ist. In diesem Fall bleibt nur das Teilnetz C 406 zur Verfügung und es können nur die Verbraucher Vic 432, Vz 434 V2ac 454 und V3bc 456
weiterversorgt werden. Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Bordnetzes, die insgesamt mit der Bezugsziffer 500 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Teilnetz A 502 und ein Teilnetz C 504.
Das Teilnetz A 502 umfasst eine Energiequelle Qi 510, einen elektrischen Speicher Sa 512 und Verbraucher Via 514 und Vx 516. Weiterhin sind eine Plusleitung A 518 und Masse Ma 520 vorgesehen. Das Teilnetz B 504 umfasst eine Energiequelle Q2 530, einen elektrischen Speicher Sc 532 und Verbraucher Vic 534 und Vz 536. Weiterhin sind eine Plusleitung C 538 und Masse Mc 540 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung ein Koppelelement Kac 550 und einen Verbraucher V2ac 552
Die Energiequellen Qi 510 und Q2 530 versorgen jeweils unabhängig ein Teilnetz, wobei die Energiequelle Q2 530 das Teilnetz C 504 versorgt und die Energiequelle Qi 510 das Teilnetz A 502 versorgt.
Die Energiequellen Qi 510 und Q2 530 können jeweils als ein Generator, z. B. bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, eine E-Maschine bzw. Aktuatoren zur Rekuperation, z. B. Wankstabilisierung mit Energierückgewinnung, oder als ein HV-12 V-Wandler, z. B. bei einem E-Fahrzeug, ausgebildet sein.
Das Koppelelement Kac 550 ist, wie bei den voranstehend erläuterten
Ausführungsformen, ein galvanisches getrenntes Koppelelement, z. B. ein Gleichspannungswandler. In diesem Fall ermöglicht das Koppelement Kac 550 den Energietransfer zwischen den Teilnetzen A 502 und C 504. Es ist außerdem eine weitere, ähnliche Topologie denkbar, bei der diese Kopplung entfällt, da jedes Teilnetz über einen eigenen Energiespeicher verfügt.
Der Verbraucher V2ac 552 ist, wie vorstehend bereits dargelegt wurde, ein Verbraucher, der mit zwei unterschiedlichen Versorgungen, nämlich die
Plusleitung A 518 und die Plusleitung C 538, und über die zwei entsprechenden Masse, nämlich Ma 520 und Mc 540, versorgt wird.
Die Verbraucher Via 514 und Vic 5134 sind unterschiedliche Verbraucher, die die gleiche Funktion redundant sicherstellen können. Ein solcher Aufbau wird typischerweise für sicherheitskritische Funktionen verwendet, z. B. für eine Bremsung bzw. Bremskraftverstärkung.
Ohne Koppelelement, wie z. B. das Koppelelement Kac 550, und ohne
Verbraucher mit redundanten Versorgungen, wie bspw. der Verbraucher V2ac 552, entsteht eine Topologie mit zwei Teilnetzen ohne energetische Verbindung. Die Redundanz der Funktionen kann weiterhin durch die Verbraucher Via 514 und Vic 534 sichergestellt werden.
Mit dieser Topologie können die Teilnetze A 502 und C 504 vollkommen unabhängig voneinander gestaltet werden. Ein 2-Spannungsbordnetz ist ebenfalls möglich. Da jedes Teilnetz seine eigene Quelle hat, können
Verbraucher nach einem Fehler langer versorgt werden.
Es sind weiterhin auch Kombinationen aus den vorstehend genannten Topologie denkbar, bspw. durch die Ergänzung der Figuren 4, 5, 6 und 7 mit zusätzlichen Koppelelementen, Quellen, Energiespeichern etc., die parallel oder in Serie zu den abgebildeten Teilnetze verbunden werden könnten. Mehrfache Teilnetze, Masseleitungen, Spannungsniveau sowie Verbraucher mit mehrfachen
Versorgungen sind daher möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Versorgen mindestens eines sicherheitsrelevanten
Verbrauchers (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552), der in einem Bordnetz (200, 300, 400, 500) angeordnet ist, wobei das Bordnetz (200, 300,
400, 500) mehrere Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) umfasst, die galvanisch voneinander getrennt sind, wobei die Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) mit voneinander getrennten Massen (216, 230, 318, 328, 338, 418, 428, 438, 520, 540) ausgestattet sind, wobei wenigstens einer des mindestens einen sicherheitsrelevanten Verbrauchers
(100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) aus mehreren der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) versorgt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei Auftreten eines Fehlers in einem der
Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) dieses von mindestens einem der weiteren Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) entkoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der redundante Verbraucher (100,
210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) mindestens zwei redundante Komponenten (140, 142) umfasst, die unterschiedlichen Teilnetzen (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet sind, wobei bei Ausfall eines der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) die Komponente
(140, 142) betrieben wird, die einem intakten Teilnetz (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das in einem Bordnetz (200, 300, 400, 500) eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
5. Bordnetz, das mehrere Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504), die galvanisch voneinander getrennt sind, umfasst, wobei in dem Bordnetz (200, 300, 400, 500) mindestens ein sicherheitsrelevanter Verbraucher (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) angeordnet ist, wobei die Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) mit voneinander getrennten Massen (216, 230, 318, 328, 338, 418, 428, 438, 520, 540) ausgestattet sind, wobei das Bordnetz (200, 300, 400, 500) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen des mindestens einen sicherheitsrelevanter Verbrauchers (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) aus mehreren der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zu versorgen.
6. Bordnetz nach Anspruch 5, bei dem mindestens zwei der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) unterschiedliche Spannungslagen haben.
7. Bordnetz nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zwischen mindestens zwei der Teilnetze (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) eine galvanisch getrennte Kopplung vorgesehen ist.
8. Bordnetz einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der sicherheitsrelevante Verbraucher (100, 210, 212, 222, 224, 240, 312, 314, 322, 324, 332, 334, 412, 414, 422, 424, 432, 434, 454, 456, 458, 514, 516, 534, 536, 552) mindestens zwei redundante Komponenten (140, 142) umfasst, die unterschiedlichen Teilnetzen (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet sind, wobei bei Ausfall eines der Teilnetzes (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) die Komponente (140, 142) zu betreiben ist, die einem intakten
Teilnetz (202, 204, 302, 304, 306, 402, 404, 406, 502, 504) zugeordnet ist.
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