WO2017118554A1 - Bordnetz - Google Patents

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WO2017118554A1
WO2017118554A1 PCT/EP2016/081105 EP2016081105W WO2017118554A1 WO 2017118554 A1 WO2017118554 A1 WO 2017118554A1 EP 2016081105 W EP2016081105 W EP 2016081105W WO 2017118554 A1 WO2017118554 A1 WO 2017118554A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrical system
vehicle electrical
vehicle
strands
battery
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/081105
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Bohne
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 WO2017118554A1 publication Critical patent/WO2017118554A1/de

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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a vehicle electrical system, in particular a vehicle electrical system, which is used in a motor vehicle.
  • the invention relates to a two-strand vehicle electrical system for the fault-tolerant supply of redundant functions.
  • Motor vehicle can be started at any time and sufficient power is ensured during operation. But even when parked, electrical consumers should still be operable for a reasonable period of time, without a subsequent start being impaired.
  • a highly automatic driving which is also referred to as highly automated driving
  • the vehicle has its own intelligence that could plan ahead and take on the driving task, at least in most driving situations. Therefore, in a highly automatic driving, the electrical supply has a high
  • the document DE 10 2009 053 691 A1 describes a vehicle electrical system as well as a method and a device for operating the vehicle electrical system.
  • the electrical system comprises a DC-DC converter and a base energy storage, which is coupled to the DC-DC converter.
  • the electrical system further comprises a first selection of at least a first electrical load, which is electrically coupled in parallel with the DC-DC converter, and a second selection of at least one electrical load, which is electrically coupled in parallel with the base energy storage.
  • the presented electrical system in particular in a motor vehicle for
  • Power supply can have.
  • This vehicle electrical system is characterized by the fact that the vehicle electrical system components provided in this system are multi-stranded, for example double-stranded.
  • On-board network components are all components of the vehicle electrical system other than the consumers. On-board network components are thus, for example, energy sources,
  • on-board networks such as that shown in FIG. 1, there are two independent channels with two coupling elements (reference numerals 20 and 36 in FIG. 1) and two batteries, in addition to a high-voltage base-board network, for example a 48 V base network (Reference numerals 30 and 40 in Fig. 1). These redundant components require additional space.
  • the strands are galvanically separated from each other and electrically independent of each other. Furthermore, the strands can be controlled via separate controls, separate hedging elements, eg.
  • Disconnector and have separate inputs and outputs. Electrically independent means that the strings go to separate inputs and outputs, that of different controls, such as. For example, microcontroller, have and have separate communication lines.
  • Dual-stranded in electrical machine, inverter, battery, voltage converter, and supplying safety-related consumers can be achieved by, for example, re-interconnecting existing structures.
  • functions are designed to be redundant and independent of each other, without the number of components in the Vehicle, as shown in the prior art in two-channel topologies. Reference is made to FIG.
  • a voltage converter provides 3 kW output power over four phases, this means that in a two-channel on-board network, two phases each have to provide 1.5 kW output power. If the outputs of the two phases are also routed to two separate outputs, two separate channels can be supplied with one component and little extra effort.
  • the nominal power remains the same in total, but is distributed over two outputs. It should be noted that at current levels of 200 A at 14 V power semiconductors are already connected in parallel to ensure current carrying capacity.
  • FIG. 1 shows a two-channel vehicle electrical system according to the prior art.
  • Figure 2 shows a simplified representation of a fault-tolerant steering drive.
  • FIG. 3 shows a backbone architecture with several voltage levels.
  • Figure 4 shows a simplified representation of an embodiment of the electrical system.
  • FIG. 5 shows a simplified representation of a further embodiment of the invention
  • Figure 6 shows a simplified representation of an embodiment of the electrical system.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of a two-channel electrical system according to the prior art, which is generally designated by the reference numeral 10.
  • This includes an electric machine 12, for example a starter, a first non-safety-relevant consumer 14, a first battery 16, which is assigned a battery management system 18, a DC-DC converter 20, which serves as a coupling element between a high-voltage side 22 and a
  • Low-voltage side 24 for example, with a voltage level of 14 V, serves a first electronic power distribution unit 26 (ePDU: electronic
  • the third safety-relevant consumer 54 and the fourth safety-relevant consumer 56 are mutually redundant.
  • the base on-board network 60 Marked by a border is the base on-board network 60 with HV components and 14 V components without safety relevance.
  • the first battery 16 and the second battery 30 are included, once with high voltage (HV), namely the first battery 16, and 14 V, namely the second battery 30th
  • a safety-relevant channel 62 with safety-relevant consumers such as, for example, brake, steering, etc.
  • a second safety-relevant channel 64 likewise supplies safety-relevant components with 14 V.
  • Fault-tolerant drives are z. B. in the electric steering known.
  • both the sensor, the signal processing and the control of the motor are applied redundantly.
  • a three-phase machine becomes a six-phase machine. Even if one component fails, the other half of the motor can continue to work, generating approximately 50% of the drive torque.
  • FIG. 2 shows an example of a safety-relevant redundant
  • a fault-tolerant steering drive which is designated by the reference numeral 80.
  • the reference numeral 80 In this all elements are inclusive
  • the illustration shows a first signal electronics 82, a second signal electronics 84, a first main controller 86, a second main controller 88, a first output stage 90, a second output stage 92, a first motor 94 and a second motor 96. Furthermore, with double arrows, a first communication 98, one second communication 100 and an internal communication line 102 illustrates. Arrows show a first port 104 to a first one
  • On-board electrical system and a second terminal 106 to a second electrical system path On-board electrical system and a second terminal 106 to a second electrical system path.
  • components of a controller 110 and a motor 112 are labeled with borders.
  • the consumer 80 shown in FIG. 2 could be a steering system or
  • Power output stages 90 and 92 and the engine 112 available in duplicate. Also, the ports 104 and 106 to the electrical system paths and the communication 98 and 100 are provided in duplicate. Thus, in case of failure of a component or a vehicle electrical system or channel in one half, the other half redundant assume the function.
  • Consumers from a first group for example. Consumers 52, 56 in Figure 1, the boxes 84, 88, 92 and 96 shown below represent a consumer from a second group. Internally, the two parts 116, 118 on the internal
  • the two parts 116, 118 are thus parts 116, 118 of a component in the electrical system, in this case parts 116, 118 of the redundant load 80.
  • so-called backbone architectures are known in which a central power distributor is laid through the vehicle. From this decentralized branches off the power supply for the individual components in the respective zones of the vehicle. This is contrary to
  • Figure 3 shows a motor vehicle 150 with such
  • the illustration shows an electrical machine 152, a
  • DC converter 154 DC converter 154, a power electronics inverter 155, a central control unit ECU 156, a high-voltage storage 158 having a first 160 and a second HV splitter 162, a charging socket 164, and a smart power distributor 166 for 12V and a smart power distributor 168 for 48V , As shown in FIG. 1, in known on-board networks two
  • DC-DC converter needed to supply a dual-channel vehicle electrical system. These require additional space and increase the weight of the
  • a fault-tolerant energy source can be made available, which can continue to supply energy even in the event of a fault. Furthermore, this energy source, which is designed, for example, as an electrical machine, even in the event of a fault to generate a moment.
  • the presented two-stranded battery provides two independent memories to allow for fault tolerance.
  • FIG. 2 A detailed representation of the presented vehicle electrical system 200 is shown in FIG.
  • This vehicle electrical system 200 comprises a two-phase flyback converter with two separate outputs for the redundant supply of the safety-relevant consumers.
  • the illustration shows an electrical machine 202, a first inverter la
  • a second inverter 1b 206 having a first leg Bla 210 with associated battery management system BMSla 212 and a second leg Blb 214 with associated battery management system BMSlb 216, a DC-DC converter 230 with a first DC / DCa 232 strand and a second leg DC / DCb 234, first consumer Ri a R2a
  • first channel 250 with a high-voltage side 252 and a low-voltage side 254 and a second channel 260 with a high-voltage side 262 and a
  • the six-phase electrical machine 202 in this case leads three phases in each case to an inverter, namely a first phase 270, a second phase 272 and a third phase 274 to the first inverter la 204 and a fourth phase 280, a fifth phase 282 and a sixth phase 284 to the second inverter 1b 206.
  • Both inverters 204, 206 are installed in a housing 288 but internally galvanically isolated.
  • the two inverters 204 may also be referred to as 206 together as a two-part inverter.
  • the first inverter la 204 can furthermore control the phases 270, 272, 274 of the electric machine 202 in such a way that an emergency operation with approximately 50% of the rated torque can continue to be represented , Hereby, the failure of the propulsion can be prevented, the vehicle thus does not lie.
  • the generator can provide approximately 50% of the rated power in case of a single fault.
  • the battery 208 contains two from each other, in particular galvanically separated
  • Battery management systems 212, 216 and separate main switches Again, for example, the failure of a battery half does not lead to total failure but can be partially compensated by the other half.
  • the low-voltage electrical system is according to the prior art by a
  • the DC-DC converter supplied, if the voltage deviates in the base electrical system of 14 V.
  • the converter 230 has two terminals for the input voltage and two more terminals for the output voltage. Additional connections for the ground are not shown, but relevant.
  • the today usual multiphase converters turn into two galvanically isolated
  • Ria / Rlb 240, 242 consumers are connected, which can take over redundant functions such as braking and steering.
  • the iBooster and in channel 2, the ESP to build up the brake pressure.
  • safety-relevant functions can be represented by the second channel.
  • the two channels are integrated in the vehicle in the form of a two-channel backbone architecture. Instead of two voltage levels then the two 14 V channels are routed through the vehicle and the consumers as shown above provides decentralized.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the electrical system 300 in which a double-stranded battery is additionally installed in the 14 V electrical system.
  • the illustration shows an electrical machine 302, a first inverter la 304, a second inverter lb 306, a battery 308 with a first strand Bla 310 with associated battery management system BMSla 312 and with a second strand Blb 314 with associated battery management system BMSlb 316, a DC-DC converter 330 with a first strand DC / DCa 332 and a second strand DC / DCb 334, first consumer Ri a R2a 340, second consumer Ri a R2a 342, a first further consumer R3a 344 and a second further consumer R3b 346.
  • the illustration shows a first channel 350 with a high-voltage side 352 and a low-voltage side 354 and a second channel 360 with a high-voltage side 362 and a
  • the six-phase electrical machine 302 in this case leads three phases in each case to an inverter, namely a first phase 370, a second phase 372 and a third phase 374 to the first inverter la 304 and a fourth phase 380, a fifth phase 382 and a sixth phase 384 to the second inverter 1b 306.
  • Both inverters 304, 306 are housed in a housing 388 installed, but internally galvanically isolated.
  • the illustration shows an additional two-stranded battery 390 with a first string B2a 392 with an associated battery management system BMS2a 394 and with a second string B2b 396 with an associated string
  • Battery management system BMS2b 398 The additional battery 390 increases the security of supply.
  • the two-speed battery is installed only on the 14 V side, eliminating the 48 V battery.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the vehicle electrical system 400, in which both channels can be coupled at the higher voltage level via the switch S1.
  • the illustration shows an electrical machine 402, a first inverter la 404, a second inverter lb 406, a battery 408 with a first strand Bla 410 with associated battery management system BMSla 412 and with a second strand Blb 414 with associated battery management system BMSlb 416, a DC-DC converter 430 with a first strand DC / DCa 432 and a second strand DC / DCb 434, first consumer Ri a R2a 440, second consumer Ri a R2a 442, a first further consumer R3a 444 and a second further consumer R3b 446.
  • the illustration shows a first channel 450 with a high-voltage side 452 and a low-voltage side 454 and a second channel 460 with a high-voltage side 462 and a
  • the six-phase electric machine 402 in this case each feeds three phases into one inverter each, namely a first phase 470, a second phase 472 and a third phase 474 to the first inverter la 404 and one fourth phase 480, a fifth phase 482 and a sixth phase 484 to the second inverter lb 406.
  • Both inverters 404, 406 are installed in a housing 488 but internally galvanically isolated.
  • the two inverters 404 may also be referred to as 406 together as a two-part inverter.
  • the illustration shows an additional two-stranded battery 490 with a first string B2a 492 with an associated battery management system BMS2a 494 and with a second string B2b 496 with an associated string
  • the additional battery 490 increases the security of supply.
  • Vehicle power supply channels provided, namely a first switch Sl 500 and a second switch D2 502.
  • the coupling via the switch Sl 500 may be necessary at:
  • both channels can be coupled via the switch S2 502 to the 14 V voltage position. This may be necessary at:

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz mit mindestens zwei Bordnetzkanälen und einer Anzahl von Bordnetzkomponenten, von denen mindestens eine Bordnetzkomponente mehrsträngig mit mindestens zwei Strängen (210) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine mehrsträngig ausgebildete Bordnetzkomponente derart angeordnet ist, dass die Stränge (210) der mindestens einen mehrsträngigen Bordnetzkomponente unterschiedlichen Bordnetzkanälen des Bordnetzes (200) zugeordnet sind.

Description

Beschreibung Titel
Bord netz
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz, insbesondere ein Bordnetz, das in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt. Die Erfindung betrifft insbesondere ein zweisträngiges Bordnetz zur fehlertoleranten Versorgung redundant vorhandener Funktionen.
Stand der Technik
Unter einem Bordnetz ist insbesondere im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, z. B. 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 sichergestellt 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. Daher besitzt bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher in Kraftfahrzeugen nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler im elektrischen Bordnetz müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.
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. Beim hochautomatischen Fahren 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 hohe
Sicherheitsrelevanz.
Die Druckschrift DE 10 2009 053 691 AI beschreibt ein Bordnetz sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes. Das Bordnetz umfasst einen Gleichspannungswandler und einen Basisenergiespeicher, der mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist. Das Bordnetz umfasst weiterhin eine erste Auswahl von zumindest einem ersten elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Gleichspannungswandler koppelbar ist, und eine zweite Auswahl von zumindest einem elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Basisenergiespeicher koppelbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Bordnetz gemäß Anspruch 1 und eine Bordnetzkomponente nach Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Das vorgestellte Bordnetz, das insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur
Anwendung kommt, weist in Ausgestaltung einen ersten Bordnetzkanal und einen zweiten Bordnetzkanal auf, die jeweils über eine eigene
Energieversorgung verfügen können. Dieses Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass die in diesem vorgesehenen Bordnetzkomponenten mehrsträngig, bspw. zweisträngig, ausgebildet sind. Bordnetzkomponenten sind alle Komponenten des Bordnetzes außer den Verbrauchern. Bordnetzkomponenten sind somit bspw. Energiequellen,
Energiespeicher, Übertrager, Verteiler, Wandler usw.
Bei bekannten Bordnetzen, wie bspw. demjenigen, das in Figur 1 dargestellt ist, gibt es neben einem Hochvolt-Basisbordnetz, bspw. einem 48 V-Basisbordnetz, zwei unabhängige Kanäle mit zwei Koppelelementen (Bezugsziffer 20 und 36 in Figur 1) und zwei Batterien (Bezugsziffern 30 und 40 in Figur 1). Diese redundant vorhandenen Komponenten benötigen zusätzlichen Bauraum.
Bei dem vorgestellten Bordnetz wird die Redundanz in die Komponenten hinein verlegt. D. h. es gibt eine Komponente, die jedoch intern zweisträngig aufgeteilt ist. Der Verbraucher, der in Figur 2 dargestellt ist, ist ein Beispiel nach dem Stand der Technik. Das Prinzip der Erfindung kann auf Generator, Wandler und Speicher adaptiert werden.
Die Bordnetzkomponenten des beschriebenen Bordnetzes werden somit intern aufgeteilt bzw. intern geschnitten. Unter mehrsträngig ist zu verstehen, dass in der Bordnetzkomponente typischerweise voneinander getrennte, insbesondere galvanisch getrennte, Stränge vorgesehen sind. Bei der vorgestellten
Bordnetzkomponente sind die Stränge galvanisch voneinander getrennt und elektrisch unabhängig voneinander. Weiterhin können die Stränge über getrennte Steuerelemente ansteuerbar sein, getrennte Absicherungselemente, bspw.
Trennschalter, und getrennte Ein- und Ausgänge haben. Elektrisch unabhängig bedeutet, dass die Stränge auf getrennte Ein- und Ausgänge gehen, dass diese von unterschiedlichen Ansteuerungen, wie. bspw. Mikrocontroller, haben und getrennte Kommunikationsleitungen haben.
Bei dem vorgestellten Bordnetz ist in Ausgestaltung eine konsequente
Zweisträngigkeit in der elektrischen Maschine, im Inverter, in der Batterie, im Spannungswandler und in der Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher gegeben. Dies kann dadurch erreicht werden, dass bspw. bereits vorhandene Strukturen neu verschaltet werden. Es werden also Funktionen redundant und voneinander unabhängige ausgelegt, ohne die Anzahl der Bauelemente im Fahrzeug zu erhöhen, wie es im Stand der Technik bei zweikanaligen Topologien dargestellt wurde. Es wird hierzu auf Figur 1 verwiesen.
Zu beachten ist, dass auch in mehrkanaligen, wie bspw. zweikanaligen,
Bordnetzen die Anzahl der Verbraucher und damit der Leistungsbedarf nahezu gleich bleibt. Die Nennleistung des Spannungswandlers oder der elektrischen Maschine muss daher kaum steigen, wenn das elektrische Bordnetz
mehrkanalig, bspw. zweikanalig, aufgebaut werden soll.
Wenn ein Spannungswandler über vier Phasen 3 kW Ausgangsleistung bereit stellt, bedeutet dies, dass in einem zweikanaligen Bord netz jeweils zwei Phasen 1,5 kW Ausgangsleistung bereitstellen müssen. Werden die Ausgänge der jeweils zwei Phasen auch auf zwei getrennte Ausgänge geführt, können mit einem Bauteil und wenig Mehraufwand zwei getrennte Kanäle versorgt werden.
Dies gilt auch für den Generator: Die Nennleistung bleibt in Summe gleich, wird aber auf zwei Ausgänge verteilt. Es ist zu berücksichtigen, dass bei Stromstärken von 200 A bei 14 V bereits heute Leistungshalbleiter parallel verschaltet werden, um die Stromtragfähigkeit zu gewährleisten.
Es ist nunmehr vorgesehen, insbesondere diese vorhanden parallelen Strukturen auf andere Weise zu strukturieren, um mit geringem Zusatzaufwand eine Mehrkanaligkeit, wie bspw. Zweikanal igkeit, und Redundanz zu erzeugen. Der Vorteil besteht in der hohen Integration von Funktionen in einem Bauteil. Dies ermöglicht die Verringerung von Kosten und eine Gewichtsreduzierung sowie Vorteile hinsichtlich des Packaging.
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 ein zweikanaliges Bordnetz nach dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt in vereinfachter Darstellung einen fehlertoleranten Lenkantrieb.
Figur 3 zeigt eine Backbone-Architektur mit mehreren Spannungslagen.
Figur 4 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Ausführung des Bordnetzes.
Figur 5 zeigt in vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführung des
Bordnetzes.
Figur 6 zeigt in vereinfachter Darstellung noch eine Ausführung des Bordnetzes. 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 mögliche Ausführungsform eines zweikanaligen Bordnetzes nach dem Stand der Technik, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese umfasst eine elektrische Maschine 12, bspw. einen Starter, einen ersten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 14, eine erste Batterie 16, der ein Batteriemanagementsystem 18 zugeordnet ist, einen Gleichspannungswandler 20, der als Koppelelement zwischen einer Hochvoltseite 22 und einer
Niedervoltseite 24, bspw. mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, eine erste electronic Power Distribution Unit 26 (ePDU: elektronische
Energieversorgungseinheit), einen zweiten nicht sicherheitsrelevanten
Verbraucher 28, eine zweite Batterie 30 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 32, eine zweite ePDU 34, einen zweiten Gleichspannungswandler 34, der als Koppelelement zwischen der Hochvoltseite 22 und einer weiteren Niedervoltseite 38, bspw. ebenfalls mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, eine dritte Batterie 40 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 42, einen ersten sicherheitsrelevanten Verbraucher 50, einen zweiten sicherheitsrelevanten Verbraucher 52, einen dritten sicherheitsrelevanten Verbraucher 54 und einen vierten sicherheitsrelevanten Verbraucher 56. Der dritte sicherheitsrelevante Verbraucher 54 und der vierte sicherheitsrelevante Verbraucher 56 sind zueinander redundant.
Mit einer Umrandung gekennzeichnet ist das Basisbordnetz 60 mit HV- Komponenten und 14 V-Komponenten ohne Sicherheitsrelevanz. In diesem Basisbordnetz 60 sind die erste Batterie 16 und die zweite Batterie 30 enthalten, einmal mit Hochvolt (HV), nämlich die erste Batterie 16, sowie mit 14 V, nämlich die zweite Batterie 30.
An das Basisbordnetz 60 angekoppelt ist ein sicherheitsrelevanter Kanal 62 mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern wie bspw. Bremse, Lenkung usw. Ein zweiter sicherheitsrelevanter Kanal 64 versorgt ebenfalls sicherheitsrelevante Komponenten mit 14 V.
Fehlertolerante Antriebe sind z. B. bei der elektrischen Lenkung bekannt. Hierbei wird, wie in Figur 2 gezeigt wird, sowohl die Sensorik, die Signalverarbeitung als auch die Ansteuerung des Motors redundant angelegt. Aus einer dreiphasigen Maschine wird so eine sechsphasige Maschine. Auch bei dem Ausfall einer beliebigen Komponente kann so die jeweils andere Motorhälfte weiterarbeiten und so ca. 50 % des Antriebsmoments erzeugen.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für einen sicherheitsrelevanten redundanten
Verbraucher, in diesem Fall ein fehlertoleranter Lenkantrieb, welcher mit der Bezugsziffer 80 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 82, eine zweite Signalelektronik 84, einen ersten Hauptcontroller 86, einen zweiten Hauptcontroller 88, eine erste Endstufe 90, eine zweite Endstufe 92, einen ersten Motor 94 und einen zweiten Motor 96. Weiterhin sind mit Doppelpfeilen eine erste Kommunikation 98, eine zweite Kommunikation 100 sowie eine interne Kommunikationsleitung 102 verdeutlicht. Pfeile zeigen einen ersten Anschluss 104 an einen ersten
Bordnetzpfad und einen zweiten Anschluss 106 an einen zweiten Bordnetzpfad. In der Darstellung sind Komponenten eines Steuergeräts 110 und eines Motors 112 mit Umrandungen gekennzeichnet.
Der in Figur 2 gezeigte Verbraucher 80 könnte ein Lenksystem oder
Bremssystem sein, d. h. der Motor 112 steuert ein sicherheitsrelevantes System. Bei diesem redundant aufgebauten Verbraucher 80 sind sowohl die
Signalelektronik 82 bzw. 84, der Hauptcontroller 86 bzw. 88, die Endstufen bzw.
Leistungsendstufen 90 bzw. 92 und der Motor 112 doppelt vorhanden. Auch die Anschlüsse 104 bzw. 106 an die Bordnetzpfade und die Kommunikation 98 bzw. 100 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.
Die oben eingezeichneten Kästen 82, 86, 90 und 94 stellen einen der
Verbraucher aus einer ersten Gruppe, bspw. Verbraucher 52, 56 in Figur 1, die unten eingezeichneten Kästen 84, 88, 92 und 96 stellen einen Verbraucher aus einer zweiten Gruppe dar. Intern sind die beiden Teile 116, 118 über die interne
Kommunikationsleitung 102 miteinander verbunden. Die beiden Teile 116, 118 sind somit Teile 116, 118 einer Komponente im Bordnetz, in diesem Fall Teile 116, 118 des redundanten Verbrauchers 80. Weiterhin sind sogenannte Backbone-Architekturen bekannt, bei denen ein zentraler Stromverteiler durch das Fahrzeug gelegt wird. Hiervon zweigt dann dezentral die Energieversorgung für die einzelnen Komponenten in den jeweiligen Zonen des Fahrzeugs ab. Dies steht im Gegensatz zu
Baumstrukturen. Figur 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 150 mit einer solchen
Architektur. Die Darstellung zeigt eine elektrische Maschine 152, einen
Gleichspannungswandler 154, ein Leistungselektronik-Umrichter 155, ein zentrales Steuergerät ECU 156, einen Hochvoltspeicher 158 mit einem ersten 160 und einem zweiten HV-Verteiler 162, eine Ladedose 164, sowie ein intelligenter Stromverteiler 166 für 12 V und ein intelligenter Stromverteiler 168 für 48 V. Wie in Figur 1 dargestellt ist, werden bei bekannten Bordnetzen zwei
Gleichspannungswandler benötigt, um ein zweikanaliges Bordnetz zu versorgen. Diese benötigen zusätzlichen Bauraum und erhöhen das Gewicht des
Fahrzeugs.
Mit dem vorgestellten Bordnetz wird nunmehr, zumindest in Ausgestaltung, eine zweikanalige, redundante Versorgung mit möglichst wenigen Bauteilen bereitgestellt. Weiterhin kann eine fehlertolerante Energiequelle zur Verfügung gestellt werden, die auch im Fehlerfall weiter Energie liefern kann. Weiterhin soll diese Energiequelle, die bspw. als elektrische Maschine ausgebildet ist, auch im Fehlerfall ein Moment erzeugen. Die vorgestellte zweisträngige Batterie stellt zwei voneinander unabhängige Speicher bereit, um auch hier eine Fehlertoleranz zu ermöglichen.
Am Beispiel einer elektrischen Maschine und eines Spannungswandlers kann das Prinzip der Erfindung erläutert werden. Dies wird in den folgenden Figuren vorgenommen: Eine detaillierte Darstellung des vorgestellten Bordnetzes 200 ist in Figur 4 gezeigt. Dieses Bordnetz 200 umfasst einen zweiphasigen Sperrwandler mit zwei getrennten Ausgängen für die redundante Versorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher. Die Darstellung zeigt eine elektrische Maschine 202, einen ersten Inverter la
204, einen zweiten Inverter lb 206, eine Batterie 208 mit einem ersten Strang Bla 210 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSla 212 und mit einem zweiten Strang Blb 214 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSlb 216, einem Gleichspannungswandler 230 mit einem ersten Strang DC/DCa 232 und einem zweiten Strang DC/DCb 234, erste Verbraucher RiaR2a
240, zweite Verbraucher RiaR2a 242, einen ersten weiteren Verbraucher R3a 244 und einen zweiten weiteren Verbraucher R3b 246. Weiterhin zeigt die Darstellung einen ersten Kanal 250 mit einer Hochvoltseite 252 und einer Niedervoltseite 254 sowie einen zweiten Kanal 260 mit einer Hochvoltseite 262 und einer
Niedervoltseite 264. Die in diesem Fall sechsphasige elektrische Maschine 202 führt jeweils drei Phasen in zu jeweils einem Inverter, und zwar eine erste Phase 270, eine zweite Phase 272 und eine dritte Phase 274 zu dem ersten Inverter la 204 und eine vierte Phase 280, eine fünfte Phase 282 und eine sechste Phase 284 zu dem zweiten Inverter lb 206. Beide Inverter 204, 206 sind in einem Gehäuse 288 verbaut, aber intern galvanisch getrennt. Man kann die beiden Inverter 204 als 206 zusammen auch als ein Inverter mit zwei Teilen bezeichnen. Fällt bspw. der zweite Inverter lb 206 aus, so kann der erste Inverter la 204 weiterhin die Phasen 270, 272, 274 der elektrischen Maschine 202 so ansteuern, dass weiterhin ein Notlauf-Betrieb mit ca. 50 % des Nenn-Moments dargestellt werden kann. Hiermit kann der Ausfall des Vortriebs verhindert werden, das Fahrzeug bleibt somit nicht liegen. Andererseits kann auch der Generator bei einem Einzelfehler ca. 50 % der Nennleistung bereitstellen.
Jeweils 50 % der Nennleistung elektrischen Maschine 202, die als Generator dient, werden zu einem Strang der Batterie 208 geführt. Durch die
Zweisträngigkeit sinkt die Strombelastung der Zellen. Weiterhin enthält die Batterie 208 zwei voneinander, insbesondere galvanisch, getrennte
Batteriemanagement-Systeme 212, 216 und getrennte Hauptschalter. Auch hier führt bspw. der Ausfall einer Batteriehälfte nicht zum Totalausfall sondern kann zum Teil durch die andere Hälfte kompensiert werden. Das Niedervolt-Bordnetz wird nach dem Stand der Technik durch einen
Gleichspannungswandler versorgt, wenn die Spannung im Basisbordnetz von 14 V abweicht. Der Wandler 230 weist zwei Anschlüsse für die Eingangsspannung und zwei weitere Anschlüssen für die Ausgangsspannung auf. Zusätzliche Anschlüsse für die Masse sind nicht dargestellt, jedoch relevant. Die heute üblichen mehrphasigen Wandler werden wiederum in zwei galvanisch getrennte
Hälften aufgebaut. Ein heute vierphasiger Wandler würde demnach zweimal zwei Phasen aufweisen. Sowohl DC/DCa 232 als auch DC/DCb 234 versorgt einen Teil der nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher R3a / R3b 244, 246, sogenannte Komfortverbraucher, um die Bordnetzlast in beiden Kanälen ungefähr gleich zu halten. Auch die Außenbeleuchtung des Fahrzeugs könnte auf beide Kanäle aufgeteilt werden, um bei Ausfall eines Kanals noch einen Teil der Beleuchtung aufrecht erhalten zu können.
Weiterhin sind mit Ria / Rlb 240, 242 Verbraucher angeschlossen, die redundante Funktionen wie Bremsen und Lenken übernehmen können. In Kanal 1 bspw. der iBooster und in Kanal2 das ESP zum Aufbau des Bremsdrucks.
So können auch bei Ausfall eines Kanals sicherheitsrelevante Funktionen durch den zweiten Kanal dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die zwei Kanäle in Form einer zweikanaligen BackBone-Architektur in das Fahrzeug integriert. Anstelle zwei Spannungslagen werden dann die beiden 14 V-Kanäle durch das Fahrzeug geführt und die Verbraucher wie oben darstellt dezentral versorgt.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bordnetzes 300, bei dem zusätzlich auch im 14 V-Bordnetz eine zweisträngige Batterie installiert ist.
Die Darstellung zeigt eine elektrische Maschine 302, einen ersten Inverter la 304, einen zweiten Inverter lb 306, eine Batterie 308 mit einem ersten Strang Bla 310 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSla 312 und mit einem zweiten Strang Blb 314 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSlb 316, einem Gleichspannungswandler 330 mit einem ersten Strang DC/DCa 332 und einem zweiten Strang DC/DCb 334, erste Verbraucher RiaR2a 340, zweite Verbraucher RiaR2a 342, einen ersten weiteren Verbraucher R3a 344 und einen zweiten weiteren Verbraucher R3b 346. Weiterhin zeigt die Darstellung einen ersten Kanal 350 mit einer Hochvoltseite 352 und einer Niedervoltseite 354 sowie einen zweiten Kanal 360 mit einer Hochvoltseite 362 und einer
Niedervoltseite 364.
Die in diesem Fall sechsphasige elektrische Maschine 302 führt jeweils drei Phasen in zu jeweils einem Inverter, und zwar eine erste Phase 370, eine zweite Phase 372 und eine dritte Phase 374 zu dem ersten Inverter la 304 und eine vierte Phase 380, eine fünfte Phase 382 und eine sechste Phase 384 zu dem zweiten Inverter lb 306. Beide Inverter 304, 306 sind in einem Gehäuse 388 verbaut, aber intern galvanisch getrennt. Man kann die beiden Inverter 304 als 306 zusammen auch als ein Inverter mit zwei Teilen bezeichnen.
Weiterhin zeigt die Darstellung eine zusätzliche zweisträngige Batterie 390 mit einem ersten Strang B2a 392 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMS2a 394 und mit einem zweiten Strang B2b 396 mit zugeordnetem
Batteriemanagementsystem BMS2b 398. Die zusätzliche Batterie 390 steigert die Versorgungssicherheit.
In einer weiteren Ausführungsform ist nur auf der 14 V-Seite die zweistängige Batterie installiert, die 48 V-Batterie entfällt.
In einer weiteren Ausführungsform entfallen der Spannungswandler und der Inverter entfallen. In diesem Fall handelt es sich um ein zweikanaliges 14 V- Bordnetz mit fehlertolerantem 14 V-Generator.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bordnetzes 400, bei dem über den Schalter Sl beide Kanäle auf der höheren Spannungslage gekoppelt werden können.
Die Darstellung zeigt eine elektrische Maschine 402, einen ersten Inverter la 404, einen zweiten Inverter lb 406, eine Batterie 408 mit einem ersten Strang Bla 410 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSla 412 und mit einem zweiten Strang Blb 414 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMSlb 416, einem Gleichspannungswandler 430 mit einem ersten Strang DC/DCa 432 und einem zweiten Strang DC/DCb 434, erste Verbraucher RiaR2a 440, zweite Verbraucher RiaR2a 442, einen ersten weiteren Verbraucher R3a 444 und einen zweiten weiteren Verbraucher R3b 446. Weiterhin zeigt die Darstellung einen ersten Kanal 450 mit einer Hochvoltseite 452 und einer Niedervoltseite 454 sowie einen zweiten Kanal 460 mit einer Hochvoltseite 462 und einer
Niedervoltseite 464.
Die in diesem Fall sechsphasige elektrische Maschine 402 führt jeweils drei Phasen in zu jeweils einem Inverter, und zwar eine erste Phase 470, eine zweite Phase 472 und eine dritte Phase 474 zu dem ersten Inverter la 404 und eine vierte Phase 480, eine fünfte Phase 482 und eine sechste Phase 484 zu dem zweiten Inverter lb 406. Beide Inverter 404, 406 sind in einem Gehäuse 488 verbaut, aber intern galvanisch getrennt. Man kann die beiden Inverter 404 als 406 zusammen auch als ein Inverter mit zwei Teilen bezeichnen.
Weiterhin zeigt die Darstellung eine zusätzliche zweisträngige Batterie 490 mit einem ersten Strang B2a 492 mit zugeordnetem Batteriemanagementsystem BMS2a 494 und mit einem zweiten Strang B2b 496 mit zugeordnetem
Batteriemanagementsystem BMS2b 498. Die zusätzliche Batterie 490 steigert die Versorgungssicherheit.
Darüber hinaus sind zwei Koppelelemente zwischen den beiden
Bordnetzkanälen vorgesehen, nämlich ein erster Schalter Sl 500 und ein zweiter Schalter D2 502.
Die Kopplung über den Schalter Sl 500 kann notwendig sein bei:
- hoher Unsymmetrie in den Verbraucher-Lasten zwischen beiden Kanälen,
- im Fehlerfall, z. B. bei Ausfall des Inverters la 404, um die Batterie Bla 410 und den Wandler DC/DCa 432 weiterhin aus Inverter lb 406 zu versorgen,
- einem Ausgleich unsymmetrischer Batterieladung bzw. bei hohen
Batterieströmen in einem Kanal.
Weiterhin können in dem Bordnetz 400 in Figur 6 über den Schalter S2 502 beide Kanäle auf der 14 V-Spannungslage gekoppelt werden. Dies kann notwendig sein bei:
- hoher Unsymmetrie in den Verbraucher-Lasten R3a / R3b 444, 446 zwischen beiden Kanälen,
- im Fehlerfall, z. B. bei Ausfall des DC/DCa 432, um die Batterie B2a 492 und die Verbraucher Ria / R2a 440 weiterhin aus DC/DCb 434 zu versorgen, - einem Ausgleich unsymmetrischer Batterieladung bzw. bei hohen Batterieströmen in einem Kanal.

Claims

Ansprüche
1. Bordnetz mit mindestens zwei Bordnetzkanälen und einer Anzahl von
Bordnetzkomponenten, von denen mindestens eine Bordnetzkomponente mehrsträngig mit mindestens zwei Strängen (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine mehrsträngig ausgebildete Bordnetzkomponente derart angeordnet ist, dass die Stränge (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) der mindestens einen mehrsträngigen Bordnetzkomponente unterschiedlichen Bordnetzkanälen des Bordnetzes (200, 300, 400) zugeordnet sind.
2. Bordnetz nach Anspruch 1, bei dem alle Bordnetzkomponenten mehrsträngig ausgebildet sind.
3. Bordnetz nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bordnetz (200, 300, 400) zwei Bordnetzkanäle umfasst und mindestens eine der Bordnetzkomponenten zweisträngig ausgebildet ist.
4. Bordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem Bordnetz (200, 300, 400) mindestens eine mehrsträngige Batterie (208, 308, 408) mit interner galvanischer Trennung und getrenntem Batteriemanagementsystem (212, 216, 312, 316, 394, 398, 412, 416, 494, 498) zur redundanten Versorgung von Verbrauchern (80, 240, 242, 244, 246, 340, 342, 344, 346, 440, 442, 444, 446) vorgesehen ist.
5. Bordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen zwei der mindestens zwei Bordnetzkanäle wenigstens ein Koppelelement vorgesehen ist.
6. Bordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in der mindestens einen mehrsträngigen Bordnetzkomponente Stränge (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) galvanisch voneinander getrennt sind.
7. Bordnetzkomponente für ein Bordnetz (200, 300, 400), insbesondere ein Bordnetz (200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die mehrere Stränge umfasst, wobei die Stränge (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) galvanisch getrennt und derart eingerichtet sind, dass diese unterschiedlichen Bordnetzkanälen des Bordnetzes zuzuordnen sind.
8. Bordnetzkomponente nach Anspruch 7, die zur redundanten Versorgung von Verbrauchern (80, 240, 242, 244, 246, 340, 342, 344, 346, 440, 442, 444, 446) eingerichtet ist und bei der die Stränge (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) elektrisch unabhängig voneinander sind, über getrennte Steuerelemente ansteuerbar sind und getrennte
Absicherungselemente und getrennte Ein- und Ausgänge haben.
9. Bordnetzkomponente nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Stränge (210, 232, 310, 332, 392, 410, 432, 492, 214, 234, 314, 334, 396, 414, 434, 496) in einem Gehäuse (288, 388, 488) aufgenommen sind.
10. Bordnetzkomponente nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die als
mehrsträngige Batterie mit interner galvanischer Trennung und getrenntem Batteriemanagementsystem (212, 216, 312, 316, 394, 398, 412, 416, 494, 498) ausgebildet ist.
11. Bordnetzkomponente nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die als
mehrsträngiger Inverter (204, 304, 404, 206, 306, 406) mit interner galvanischer Trennung ausgebildet ist.
12. Bordnetzkomponente nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die als
mehrsträngiger Gleichspannungswandler (154, 230, 330, 430) mit interner galvanischer Trennung ausgebildet ist.
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