WO2022002496A1 - Device for safeguarding in particular safety-related loads in a motor vehicle - Google Patents

Device for safeguarding in particular safety-related loads in a motor vehicle Download PDF

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WO2022002496A1
WO2022002496A1 PCT/EP2021/064237 EP2021064237W WO2022002496A1 WO 2022002496 A1 WO2022002496 A1 WO 2022002496A1 EP 2021064237 W EP2021064237 W EP 2021064237W WO 2022002496 A1 WO2022002496 A1 WO 2022002496A1
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path
safety
switching means
main
paths
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PCT/EP2021/064237
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Michael Muerken
Nils Draese
Frederik TEKOTTE
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J1/08Three-wire systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/084Three-wire systems; Systems having more than three wires for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources
    • H02J1/086Three-wire systems; Systems having more than three wires for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources for providing alternative feeding paths between load or loads and source or sources when the main path fails
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60RVEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02J1/00Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
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    • H02J2310/00The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/46The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device for securing, in particular, safety-relevant consumers in a motor vehicle according to the preamble of the independent claims.
  • a battery connection for an on-board network is already known from DE 1020182029871. This includes an electronically controlled on-board network coupling / disconnection functionality to implement electronically controlled power distribution, the battery connection comprising a number of switching elements, at least some of which are connected to one another in a star point.
  • an electronic power distributor for an on-board power supply system with at least one first connection for safety-critical consumers and at least one second connection for a branch in which at least one consumer is arranged is known. It further comprises an electronic fuse which enables a current flow to the at least one second connection in a closed state and interrupts this current flow in an open state, a bypass to the electronic fuse being provided, which in an operating state in which the electronic cal Fuse is open, which allows current to flow to the at least one second connection.
  • the invention is based on the object of specifying a device that reliably conducts high currents and can switch off, in particular with on-board networks with high safety requirements, for example in connection with automated driving functions. This problem is solved by the features of the independent claim.
  • each main path comprising at least one switching means and one detection means
  • a redundant power supply option for safety-relevant consumers can be made possible on the one hand.
  • peak currents can be avoided without triggering a shutdown too early in these cases.
  • detection means in each path the functionality can be checked with a high degree of reliability and ensured even if a path fails via the redundant path.
  • high safety requirements for example ASIL C
  • a high current capability can be achieved, which is advantageous for the targeted melting of fuses in order to maintain the availability of the vehicle.
  • current limiting and clamping functions can be implemented via which high currents can be switched off even with inductive loads.
  • the main paths each include at least two parallel-connected partial paths, each with at least one switching means and / or each with at least one detection means.
  • the additional path has at least one resistance. This is preferably used to limit the current and / or to absorb energy during the switching process of the switching means in the main paths. In an expedient development, it is provided that a coupling in the parking mode of the vehicle and / or a pre-charging of an intermediate circuit capacitor can take place via the additional path.
  • At least one capacitor and at least one resistor are connected in parallel at least in parallel to the switching means as a commutation aid for the respective switching means. Short-term power peaks can be stored via these RC elements, which supports rapid commutation.
  • At least one partial path is provided connected in parallel to the additional path, the partial path including at least one voltage limiter, in particular a diode, particularly preferably a TVS diode.
  • a voltage limiter in particular a diode, particularly preferably a TVS diode.
  • the switching means is formed from two switching elements arranged in antiserial order (operated inversely to one another).
  • bidirectional separability is achieved when using Mosfets.
  • the center point of the anti-serial interconnection can be deflected for diagnostic purposes.
  • the switching means and the detection means are used in the respective main paths and / or partial paths with identical parameters. This results in a symmetrical or even current distribution in the main paths. In particular, when the partial paths are interleaved, undesirable current peaks, which might result in the switching element being triggered, can be reduced. Furthermore, the error detection is facilitated by the targeted evaluation of any asymmetries that may be present.
  • the currents in the respective main paths and / or partial path (s) are evaluated and, in the case of different currents in the main paths and / or partial path (s), on one Error case is recognized. This indicates the malfunctioning of the detection means and / or the control circuit (s) for the switching means and / or defects in the switching means themselves.
  • the detection means detects at least one value before changing a threshold value and / or before switching off another main path and / or another partial path and that the recording means detects at least one value after changing the threshold value and / or after switching off another main path and / or another partial path.
  • detection means and / or a threshold value comparison and / or activation of the respective switching means are in each case independent of one another in the individual main paths. This prevents mutual interference in the event of a fault.
  • FIG. 1 shows an on-board network in which the switching means is implemented
  • FIG. 2 shows the more detailed structure of the switching means
  • FIG. 3 shows the different activation steps during error-free commissioning or when separating the sub-electrical systems as well
  • FIG. 4 shows a flow chart for the fuse being blown.
  • Figure 1 shows a possible topology of an energy supply system, consisting of an on-board network 10, which includes an energy store 12, in particular a battery 12 with an associated sensor 14, preferably a battery sensor, and several particularly safety-relevant consumers 16, which are protected by an electrical power distributor 18 or controlled, includes.
  • the consumers 16 are special consumers with high requirements or a high need for protection, generally referred to as safety-relevant consumers 16.
  • This is, for example, an electric steering and / or a braking system as such components that must be supplied in order to ensure the steering and / or braking of the vehicle in the event of a fault.
  • corresponding parameters of the respective consumer 16 are recorded separately and, in the event of a deviation from tolerable values, the respective switch 15 is opened to protect the respective consumer 16.
  • the energy store 12 is also connected to a connection (terminal KL30_1) of the power distributor 18.
  • the sensor 14 is able to detect an electrical characteristic such as a voltage Ub at the energy store 12 and / or a current Ib through the energy store 12 and / or a temperature Tb of the energy store 12.
  • the sensor 14 can, for example, determine the state of charge SOC of the energy store 12 or other parameters of the energy store 12 from the electrical parameters Ub, Ib, Tb determined.
  • a further supply branch for at least one further consumer 25 is optionally provided.
  • the consumer 25 is protected by a fuse 23. Further consumers 25 can also be provided, which ments 23 can also be secured via fusible links.
  • loads 25 are those that are still supplied with energy from the energy store 12 even when the switching means 19 in the power distributor 18 is disconnected or opened should be, so preferably to those safety-critical consumers 25 or consumers 25, which are critical with regard to the generation of disturbances in relation to the security of supply.
  • An (optional) safety-relevant or safety-critical vehicle electrical system path is thus connected to the connection KL 30 _1.
  • the power distributor 18 is able to determine corresponding parameters such as voltage Uv, current Iv of the consumer 16.
  • the power distributor 18 is also able to determine corresponding parameters of the energy store 12 such as voltage Ub and / or current Ib and / or temperature Tb.
  • the power distributor 18 contains the appropriate sensors.
  • the power distributor 18 also has corresponding processing means such as a microcontroller 13 for storing or evaluating recorded variables.
  • the microcontroller 13 is also able to control corresponding switches 15 or switching means 34, 36, 44, 46, 54 of the switching means 19 (high-current-capable isolating switch). Alternatively, the evaluation could also take place in another control unit.
  • the power distributor 18 is able, depending on the state of the energy store 12, to deliver signals on the basis of which the transition to a safe state is initiated. Then, for example, a higher-level control device initiates a safe stop of the vehicle (approaching the next parking space, immediate stop at the hard shoulder, etc.) and leaves the autonomous ferry service.
  • the power distributor 18 also has corresponding processing means, such as the microcontroller 13 for example, in order to store or evaluate recorded variables.
  • the power distributor 18 can include a user-specific circuit (ASIC) via which a safety function in connection with the appropriately controlled switches 15 is implemented for the particularly safety-relevant consumers 16 connected to the outputs. In certain critical states (for example exceeding a certain temperature, power loss, overcurrent, overvoltage, undervoltage, etc.) the switch 15 and / or switching means 19 is opened in order to prevent an overload, for example.
  • the power distributor 18 can be provided with a connection for a communication system, in particular a bus system such as a CAN bus and / or LIN bus.
  • connection for at least one further connection signal for example the so-called terminal 31 signal (ignition on), can be provided.
  • the associated energy store 12 is connected to one connection of the power distributor 18.
  • this does not have to be provided as a direct connection, but could optionally take place with the interposition of further components such as conventional fuse boxes or the like.
  • the switching means 19 is provided, which is located between the connection (KL30_0) of the power distributor 18 and the further connection (KL3CM) for the energy store 12.
  • the loads 16 connected to the outputs of the power distributor 18 could be supplied by another energy source, for example from another on-board network branch via a DC voltage converter 22 via the switching means 19 if the energy store 12 connected to the other terminal KL3CM fails.
  • a corresponding separation or coupling function, in particular of the two on-board network branches (sub-on-board network for non-safety-relevant consumers 17 at connection KL 30_0; further sub-on-board network for safety-relevant consumers 16, 25) can be implemented via switching means 19.
  • This serves in particular as a safety function in order to prevent the effects of critical states such as overvoltage or undervoltage and / or overcurrents and / or thermal overload.
  • the two sub-electrical systems can be separated from one another by the switching means 19.
  • the safety-relevant consumers 16, 25 of the safety-relevant sub-board network are thus separated from the non-safety-relevant consumers 17 of the other sub-board network.
  • the safety-relevant consumers 16, 25 supplied by the power distributor 18 could, for example, include safety-relevant vehicle functions such as braking, steering, etc., in particular consumers 16 with high requirements in terms of protection requirements.
  • safety-relevant consumers 16, 25 are consumers that are particularly worthy of protection and that are necessary, for example, to maintain certain emergency functions.
  • these can also be functions that, for example, occur after an accident should still be functional if possible, such as restraint systems, locking systems for opening and closing vehicle doors, emergency call systems, for example for making an electronic emergency call, sliding roof functions, lighting, windshield wipers or the like.
  • the basic on-board network 10 has a lower voltage level U1 than a high-voltage on-board network 20, for example it can be a 14 V on-board network.
  • a DC voltage converter 22 is arranged between the basic on-board power supply 10 and the high-voltage on-board power supply 20.
  • the high-voltage on-board network 20 includes, for example, an energy store 24, for example a high-voltage battery, possibly with an integrated battery management system, shown as an example a load 26, for example a convenience consumer such as an air conditioning system supplied with an increased voltage level, etc., and an electric machine 28
  • a voltage level U2 is understood which is higher than the voltage level U1 of the basic on-board network 10.
  • it could be a 48-volt on-board network.
  • electric vehicles in particular could have even higher voltage levels.
  • the high-voltage on-board network 20 could be omitted entirely.
  • connection (KL30_0) of the power distributor 18 and the DC voltage converter 22 there is a further branch or a further sub-board network for supplying further consumers 17.
  • the respective consumers 17 are protected by corresponding fuses 23, as shown by way of example.
  • These consumers 17 are typically comfort consumers or consumers that are not safety-relevant.
  • Comfort consumers 17 and fuses 23 can, depending on the application, be divided into main and sub-groups and thus grouped.
  • the switching means 19 is thus arranged between the consumers 17 and the safety-relevant consumers 25 and / or the consumers 16 with a high protection requirement.
  • At least one or further, in particular, safety-relevant channels or on-board network branches 10 ' can be connected to the high-voltage on-board network 20 via a further DC voltage converter 22'.
  • the safety-relevant channels could each have a further electronic power distributor 18 '.
  • the further power distributor 18 ′ can also be connected directly to the same connection KL30_0 as the power distributor 18 without a further DC voltage converter 22 ′.
  • the further electronic power distributor 18 'could be used for protection, control and the safe and reliable shutdown of safety-relevant consumers 16' or the electronic power network distribution.
  • These consumers 16 'could be designed to be functionally redundant in relation to those consumers 16 that are supplied by another safety-relevant branch of the on-board network 10.
  • the further electronic power distributor 18 ' can be able to detect the flowing consumer currents or applied voltages. This briefly described ne, optional version, could be provided for a high-availability design, for example, for autonomous driving to increase safety.
  • a further energy store 12 'with a further sensor 14' could also be provided in the further on-board network branch.
  • the high-current-capable switching means 19 or the high-current-capable isolating switch is arranged in the power distributor 18 between the connection (KL30_1) and the connection (KL30_0) or a connection for the consumer 16 of the power distributor 18.
  • the switching means 19 is able to open in the event of an overcurrent and / or in the event of an undervoltage or similar critical vehicle electrical system states.
  • the switching means 19 comprises at least two main paths 30, 40 connected in parallel, switching means 34, 44 being provided in each main path.
  • the switching means 34, 44 are particularly preferably each connected by at least two switching elements 34.1, 34.2; 44.1,44.2 formed, preferably using power semiconductors, particularly preferably FET's or MOSFET's. Instead of MOSFETs also relays, bipolar transistors or IGBTs, for example. Parallel with diodes, etc. used to who.
  • the respective main paths 30, 40 with associated switching means 34, 44 are particularly preferably constructed symmetrically, so that the same currents flow through the two main paths 30, 40 during proper operation.
  • An additional path 50 is connected in parallel to the main paths 30, 40.
  • the additional path also has a switching means 54 and a series resistor 58 as a current limiter or “braking resistor”.
  • the switching means 54 consists of at least two switching elements 54.1,54.2 connected in reverse series.
  • the additional path 50 has the ability to separate the current flow under high currents (for example greater than 900 A) even under an inductive load 57.
  • a detection means is also provided in the additional path 50 in order to carry out a current measurement. For example, the resistance (RDSon) between the drain and source of a mosfet is monitored when it is switched on.
  • a further partial path 52 can be connected in parallel to the additional path 50.
  • at least one voltage limiter 55 for example a specific diode such as preferably a TVS diode.
  • a battery or accumulator is described as a possible energy store 12, 24 as an example.
  • other energy storage devices suitable for this task for example on an inductive or capacitive basis, fuel cells, capacitors or the like, can be used to the same extent.
  • the main path 30 thus comprises two partial paths 31, 32 which are connected in parallel to one another.
  • the two switching elements 34.1, 34.2 connected in reverse series and a detection means 38 for a current flowing through the partial path 31 are arranged in one partial path 31.
  • the detection means 38 is designed, for example, as a resistor.
  • a corresponding current detection circuit for detecting the current flowing through the detection means 38 is indicated.
  • the two antiserially ver switched further switching elements 36.1,36.2 and a further Er chargedsmit tel 39 for a current flowing through the further partial path 32 are arranged.
  • the detection means 39 is designed, for example, as a resistor and connected in series with the switching elements 36.1 and 36.2. Instead of a resistor, it is also possible to use other detection means such as magnetic field sensors. evaluate the or, for example, the voltage drop at one or more switching elements.
  • the further main path 40 thus also comprises two partial paths 41, 42 which are connected in parallel to one another.
  • the two switching elements 44.1, 44.2 connected in reverse series and a detection means 48 for a current flowing through the partial path 41 are arranged in one partial path 41.
  • the detection means 48 is designed, for example, as a resistor.
  • the further sub-path 42 (of the wider main path 40), the two antiserially interconnected further switching elements 46.1, 46.2 and a further detection means 49 for a current flowing through the white direct sub-path 42 are arranged.
  • the detection means 49 is designed as a Wderstand for example.
  • a corresponding current detection circuit for detecting the current flowing through the detection means 48 is indicated.
  • the detection means 38, 39, 48, 49 could either forward the currents flowing through the associated sub-paths 31, 32, 41, 42 to the microcontroller 13, for example. Or else it could be by averaging two acquisition means 38, 39; 48,49 of the respective main path 30.40 the current flow in the partial paths 31,32; 41.42 can be determined.
  • the switching means 34, 36; 44, 46 and the associated acquisition means 38, 39; 48, 49 designed symmetrically, that is, with the same resistance values or parameters, etc. designed. This is intended to result in error-free operation in each of the various partial paths 31, 32; 41, 42 each set an identical current flow. If there are deviations in symmetry, this indicates an error case to be evaluated.
  • the respective partial paths 31, 32; 41, 42 ideally each arranged nested to one another.
  • the corre sponding sub-branches 31,41; 32, 42 can be arranged such that, for example, two partial paths 31, 32; 41, 42 of a main path 30; 40 a partial path 41; 32 of the respective further main path 40; 30 or that the respective partial paths 31, 41, 32, 42 are arranged alternately with respect to the main path 30, 40.
  • the additional path 50 and / or the partial path 52 in the middle is particularly preferred arranged and are each of two partial paths 31, 41; 32,42 different main paths 30,40.
  • the high-current switching processes can be supported by switching relief networks.
  • the switching relief networks are also nested close to the Heidelberg means 34,44 and 36,46.
  • the switching relief networks are built up from the capacitors 69,67 and the resistor 71. As well as 63,61 and the resistor 65.
  • the resistors not only dampen the tendency to oscillation, but also absorb switching energy through the highest possible resistance value, as well as through the high resistive voltage drop accelerates the commutation process.
  • each switching relief can accommodate both shutdown energy from the main path 30 and from the main path 40.
  • the embodiment outlined in FIG. 2 represents the special case in which a common resistor 71 is kept for two capacitors 69, 67 (or 65 for capacitors 61 and 63).
  • An optional partial path 52 is provided for the additional branch 50, in which the switching means 54 (again, switching elements 54.1, 54.2 arranged antiserially) and the series resistor 58 connected in series are arranged.
  • the optional partial path 52 is connected in parallel to the additional branch 50.
  • a switching means 56 (consisting of two back-to-back connected switching elements 56.1, 56.2) and at least one voltage limiter 55, preferably two voltage limiter 55 (in particular a diode, particularly preferably a TVS diode to prevent an avalanche) are connected in series Control of the switching elements in the main paths 30, 40) and optionally a detection means 59, in particular a resistor for detecting the current and for limiting the current through the partial path 52, is provided.
  • An inductance 57 is shown as an example of a line inductance between the common potential of additional path 50 and optional partial path 52 and the connection (terminal KL 30_0) of power distributor 18.
  • the device described relates to a high-current disconnector concept (switching means 19) for low-voltage vehicle electrical systems ⁇ 100V.
  • switching means 19 switching means 19 for low-voltage vehicle electrical systems ⁇ 100V.
  • connection KL 30_1 or the safety-relevant sub-board network and the connection KL 30_0 or the non-safety-relevant sub-board network
  • six serial MOSFET paths (sub-paths 31, 32, 41, 42, 50, 52) are used in the example .
  • Four (partial paths 31, 32, 41, 42) are closed in normal operation and represent a low-resistance ( ⁇ 2mQ) connection between connection KL30_1 or the safety-relevant sub-board network and connection KL30_0 or non-safety-related sub-board network
  • Additional path 50 is equipped with the additional series resistor 58.
  • the current flow in parking mode (idle mode of the vehicle) can be guided via this and limited (by the resistor 58).
  • the series resistor 58 serves as a “braking resistor”. In the event that a very high current flow with a high line inductance 57 has to be switched off by the switch 19, a stepped switch-off via the current-limited additional path 50 is possible.
  • the optional, further partial path 52 of the additional path 50 can be equipped with a voltage limiter (for example by TVS diodes) 55 in order to prevent the switching means 34, 44, 36, 46 (in particular Mosfets) from operating in avalanche mode.
  • a voltage limiter for example by TVS diodes
  • the paths are divided into two main paths 30, 40, main path 30 with partial paths 31, 32 (which are connected in parallel), main path 40 with partial paths 41, 42.
  • Both main paths 30.40 have their own independent electricity measurement or current recording (recording means 38,39; 48,49), which record the current flow in each main path 30,40.
  • the recorded current is compared with a predefinable threshold value G. If the recorded current exceeds a permissible threshold value G (for example 250 A in a partial path 31, 32,
  • the main paths 30, 40 preferably each have independent threshold comparisons and / or controls for the respective switching means 34, 36, 44, 46.
  • the main paths 30, 40 can be switched off individually in order to direct the entire flow of current through a single main path 30, 40 in a row. This enables a plausibility check of the two current measurement signals to one another or to their sum.
  • a targeted shutdown of one of the main paths 30, 40 could be implemented, for example, by briefly lowering the threshold value, which leads to a shutdown, below a value of the current flowing in this main path 30, 40.
  • the detection means 38, 39 and 48, 49 can also be checked by switching off the main path 30 with corresponding detection of the current before and after switching off in the further main path 40.
  • the detection means 38, 39; 48, 49 By measuring the current (by detection means 38, 39; 48, 49) in two independent main paths 30, 40 and diagnosing it, it is possible to operate both main paths 30, 40 redundantly to one another.
  • each main path 30, 40 has its own overcurrent shutdown (shutdown as soon as a critical threshold value or state is reached) and its own gate driver including the supply.
  • This overcurrent shutdown can, if necessary, also be tested during operation in order to detect latent errors in the overcurrent shutdown, the control or the switching means 34, 44.
  • the overcurrent shutdown of a main path 30, 40 can be triggered by reducing the threshold value (for example from 250 A to 75 A or depending on which current is currently flowing).
  • the switching means 34, 44 must be opened in sequence and the common current flow from the two main paths 30, 40 change to the remaining closed main path 30 or 40.
  • the described operational management for testing ensures that o the current measurement or detection means 38,39, 48,49 works, o the current value is correctly compared with a threshold value o if the threshold value is exceeded, a shutdown (opening switch means 34,36, 44 , 46) triggers. o The shutdown actually opens the switching means 34, 36, 44, 46.
  • both main paths 30, 40 also makes it possible to meet high safety requirements (for example ASIL C) for the To guarantee conductivity of at least one main path 30.40.
  • high safety requirements for example ASIL C
  • the main paths 30, 40 are ideally nested in one another in order to prevent the formation of local power peaks.
  • the additional path 50 which is implemented with the series resistor 58, is held parallel to the low-resistance main path 30, 40. Via the series resistor 58 (e.g. 40mQ), the maximum current level, which can flow through the resistor 58 in a 12V vehicle electrical system, for example, can be limited to uncritical values.
  • a “high-resistance” connection between connection KL30_1 and connection KL30_0 can thereby also be achieved via this additional path 50, in particular in parking operation (idle operation of the vehicle, vehicle is parked).
  • the detection of the current flow via the additional path 50, in particular in parking operation can be used as a wake-up signal for the control device.
  • connection KL30_1 or the safety-relevant sub-board network and connection KL30_0 or non-safety-relevant sub-board network are connected and there is a change to active operation.
  • a resistive pre-charging functionality can be implemented via the additional path 50.
  • the inductive Load are clamped by the disconnection process.
  • the additional path 50 with the series resistor 58 is also used to cut off the current. For this purpose, only the low-resistance main switch 34, 36, 44, 46 ge opens at an over current shutdown.
  • additional RC elements can support the commutation process.
  • These RC elements are formed by capacitors 61, 63, 67, 69 and associated resistors 65, 71.
  • the clamping function of the additional path 50 with the series resistor 58 is necessary for compliance with the functional safety goals, its availability must be ensured via a diagnosis.
  • One possibility is to monitor the partial current flow through the additional path 50 during operation.
  • Another possibility is to check the conductivity of the additional path 50 via a test current which is impressed between the antiserial switching elements 54.1, 54.2 of the additional path 50.
  • the automotive main switch concept or switching means 19 described for safety-critical high-current applications is, as described below, also particularly suitable for the targeted triggering of fuses 23 while maintaining certain safety requirements. Under suitable on-board network boundary conditions, almost all fuses 23 can be triggered directly during ferry operation.
  • the power distributor 18 ensures that the voltage limits are not violated in order to guarantee the availability of safety-relevant consumers. However, the fuses 23 do not burn free while driving, for example in the following scenarios. For example, a high-current consumer such as a radiator fan could exceed the current current limit (e.g. 900 A) through a direct short circuit.
  • the fan is connected with such low resistance that the short-circuit current exceeds 900-1000 A when the vehicle electrical system voltage is high (while driving with the generator / active DC voltage converter 22 running).
  • the switching means 19, the high-current switch is opened for self-protection.
  • Another critical scenario could be that, for example, a low-resistance short circuit directly on the main distributor leads to currents that are so high that the voltage drop causes certain voltage limits get hurt. This short circuit would be so high-resistance that the 900 A threshold is not exceeded, but so low-resistance that the switching means 19 or the isolating switch detects a safety-critical voltage drop.
  • Critical safety-relevant consumers 16 such as steering and brakes could no longer be safely supplied with this undervoltage.
  • the switching means 19 is opened.
  • the vehicle coasts with full steering / braking assistance (the engine control as part of the consumer 17 connected to terminal KL 30_0 can no longer be supplied due to the short circuit in this branch of the vehicle electrical system).
  • All fuses 23 offer the potential to be triggered when the vehicle is at a standstill when the terminals are changed. This avoids breakdowns, as the vehicle can be restarted from a standstill after the "blow out fuse" function.
  • a lower battery voltage when stationary leads to a reduced short-circuit current.
  • the voltage limits can be deactivated because the vehicle is stationary. This is achieved through the ability of the power distributor 18 to trigger, for example, fuses 23 with currents greater than 400 A in a controlled manner.
  • FIG. 3A the initial start-up of the vehicle or the disconnection of the sub-wiring systems in a critical condition is described.
  • the operating current flowing through the consumer 17 is indicated by dashed lines in FIG. 3A.
  • a current flow 60 is initiated only through the additional path 50.
  • the switching means 34, 36, 44, 46 of the main paths 30, 40 are open.
  • the intermediate circuit capacitance 11 is precharged.
  • charging the empty intermediate circuit capacities 11 would possibly lead to excessively high currents in the main thread 30, 40. This is counteracted, as described, by charging the intermediate circuit capacitance 11 via the additional path 50.
  • the additional path 50 At the point in time when the additional path 50 is activated, the current briefly increases slightly, only to then decrease slightly. The voltage on the additional path 50 drops suddenly when activated, in order to initially rise more sharply in the course of charging the intermediate circuit capacitor 11 and then slowly decrease again in the further course. If the intermediate circuit capacitance 11 has been precharged (for example after 5 ms), the switching means 19 is activated so that at least one of the two main paths 30, 40 carries the current 60, FIG. 3B. Both main paths 30, 40 can also carry the current 60. The on-board network is now in the regular operating state and both sub-on-board networks (KL30_0 and KL30_1) are connected with low resistance). The additional path 50 can remain closed or be opened.
  • FIG. 3C the occurrence of a short circuit in front of the consumer 17 to ground is shown as an exemplary fault.
  • the on-board network branch KL30_0 becomes low-resistance to ground and there is a rapid current increase through the switching means 19.
  • the current increase leads to a decrease in the on-board network operating voltage of both (low-resistance) coupled on-board network branches KL30_0 and KL30_1.
  • the voltage on the safety-critical electrical system side KL30_1 is permanently monitored by the power distributor 18 in order to guarantee an error-free energy supply for the safety-critical loads 16, 25.
  • both on-board networks (sub-on-board network at connection KL 30_ 0 and sub-on-board network at connection KL 30_ 1) are separated according to the sequence in FIGS. 3D and 3E.
  • an evaluation of the duration is also carried out, since strong voltage drops are not critical for short periods of time and only become safety-critical after a certain period of time.
  • evaluating the direction of the current can also be used to check whether current is flowing from the safety-critical on-board network KL30_1 into the basic on-board network KL30_0. Only when this current direction occurs (i.e.
  • a fixed period of time could be provided (for example in the ms range, for example for 1 ms) for which the additional path 50 is closed.
  • a timer could be started, when the timer expires, the additional path 50 is opened again.
  • the additional path 50 could be switched off as a function of certain parameters, for example when a certain limit value for current or temperature or the like is exceeded.
  • FIG. 3E shows how the additional path 50 is opened.
  • the partial path 52 is still closed or active.
  • the limiting means 55,56 for example, diodes, particularly preferably TVS diodes
  • the partial path 52 could also be done, for example, via an external circuit in connection with the main paths 30, 40.
  • the current level that occurs is limited by the impedance of the short circuit.
  • the switching means 34, 36, 44, 46 in the main paths 30, 40 must be able to store the peak losses or have a better thermal resistance than the fuse 23.
  • the energy for melting the fuse 23 is obtained via the cold start Path provided by the energy store 12. If necessary, the DC-DC converter 22 can support.
  • the switching means 19 can be designed in such a way that, within the scope of an availability-optimized design, it is possible to burn the fuses 23 at the connection KL 30_0 with just a single main path 30, 40 (supply redundancy).
  • the stepped shutdown described in FIG. 3 prevents oscillations and leads to switching losses, for example via robust metal resistors 58.
  • Short circuits with too low an impedance cannot be triggered. It is ensured that the burning of a fuse 23 to protect against thermal events can always be canceled. The current flow always remains within the design limits.
  • the switching means 19 is designed so that it can carry the short-circuit current until the fuse 23 has blown or an undervoltage occurs.
  • step 101 a short circuit occurs in the consumer 17, which is connected to the connection KL 30_0 of the power distributor 18 or in the sub-on-board network for consumers 17 that are not safety-relevant.
  • step 102 a distinction is made as to whether the current through the switching means 19 exceeds a threshold value (for example 900 ... 1000 A) or whether an undervoltage occurs in the voltage at connection KL 30_ 1 of the power distributor 18 (for example U_30_1 ⁇ 9.6V ) or occurs for a certain period of time. If none of the conditions are met, step 103 follows, followed by step 104.
  • a threshold value for example 900 ... 1000 A
  • step 103 fuse 23 at connection KL 30_0 of power distributor 18 is burned free while the ferry is in operation. This takes place by a suitable activation of the switching means 19.
  • switching means 19 is first opened in step 104. In this way, on the one hand, the switching means 19 is protected. On the other hand, it ensures that the short The end of the consumer 17 does not continue to lead to an undervoltage for the safety-relevant consumer 16.
  • step 106 After a fault has been detected (in step 102), a safe stop of the vehicle is initiated in step 105. As soon as the vehicle is at a standstill, step 106 follows.
  • step 106 the undervoltage criterion (as described by way of example in step 102) is deactivated.
  • step 107 the precharge path or additional path 50 and the clamping path or partial path 52 are switched on.
  • the switching means 19 is also switched on.
  • a first current flows into the short circuit and reduces the voltage level in the safety-relevant on-board network branch KL30_1.
  • the current paths 30 and 40 both (but at least one) are also closed.
  • the now low-resistance connection causes the fuse 23 to burn out quickly.
  • the overcurrent threshold for protecting the switching means 19 remains active during this time in order to be able to interrupt the burn-out process at any time without exceeding the design limits. Thermal monitoring within the egg. Power distributor 18 also remain active to protect the component.
  • the undervoltage criterion is reactivated, step 108.
  • step 109 Continuation of travel is enabled.
  • the switching means 19 is particularly suitable for safeguarding, in particular, safety-relevant consumers 16, 25 in a motor vehicle, in particular in connection with a power distributor 18 which has a microcontroller 13 to evaluate specific parameters in a targeted manner.
  • This microcontroller 13 can now also be used through the corresponding evaluation of the parameters of the detection means 38, 39, 48, 49 and corresponding control of the switching means 34, 36, 44, 46. However, its use is not restricted to this.

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Abstract

The invention relates to a device for safeguarding in particular safety-related loads in a motor vehicle, comprising at least two parallel-connected main paths (30, 40) which are situated between an onboard electrical sub-network for at least one safety-related load (16, 25), in particular of a motor vehicle, and a further onboard electrical sub-network for at least one load (17) which is not safety-related. The onboard electrical sub-network for the safety-related load (16, 25) is supplied by an energy store (12), and each of the main paths (30, 40) comprises at least one switching means (34, 36; 44, 46), each of the main paths (30, 40) comprising at least one detection means (38, 39; 48, 49) for detecting a current flowing through the main path (30, 40) in question. At least one additional path (50) is provided, which is connected in parallel to the main paths (30, 40), and the additional path (50) has at least one switching means (54), the switching means (34, 36; 44, 46) of the main paths (30, 40) being designed to open when a critical state is recognised, in particular an overcurrent and/or an overvoltage or undervoltage on the onboard electrical sub-network for the safety-related load (16, 25).

Description

Beschreibung description
Titel title
Vorrichtung zur Absicherung insbesondere sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug Device for securing, in particular, safety-relevant consumers in a motor vehicle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung insbesondere sicherheits relevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängi gen Anspruchs. The invention relates to a device for securing, in particular, safety-relevant consumers in a motor vehicle according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Aus der DE 1020182029871 ist bereits ein Batterieanschluss für ein Bordnetz bekannt. Dieser umfasst eine elektronisch gesteuerte Bordnetz- Koppel-Trenn- Funktionalität zur Verwirklichung einer elektronisch gesteuerten Stromverteilung, wobei der Batterieanschluss eine Anzahl von Schaltelementen umfasst, von de nen jeweils zumindest einige sternpunktförmig miteinander verbunden sind. A battery connection for an on-board network is already known from DE 1020182029871. This includes an electronically controlled on-board network coupling / disconnection functionality to implement electronically controlled power distribution, the battery connection comprising a number of switching elements, at least some of which are connected to one another in a star point.
Aus der DE 102018212507 Al ist ein elektronischer Leistungsverteiler für ein Energiebordnetz mit mindestens einem ersten Anschluss für sicherheitskritische Verbraucher und mindestens einem zweiten Anschluss für einen Zweig, in dem mindestens ein Verbraucher angeordnet ist, bekannt. Er umfasst weiter eine elektronische Sicherung, die in einem geschlossenen Zustand einen Stromfluss zu dem mindestens einen zweiten Anschluss ermöglicht und in einem geöffneten Zustand diesen Stromfluss unterbricht, wobei ein Bypass zu der elektronischen Sicherung vorgesehen ist, der in einem Betriebszustand, in dem die elektroni sche Sicherung geöffnet ist, den Stromfluss zu dem mindestens einen zweiten Anschluss ermöglicht. From DE 102018212507 A1 an electronic power distributor for an on-board power supply system with at least one first connection for safety-critical consumers and at least one second connection for a branch in which at least one consumer is arranged is known. It further comprises an electronic fuse which enables a current flow to the at least one second connection in a closed state and interrupts this current flow in an open state, a bypass to the electronic fuse being provided, which in an operating state in which the electronic cal Fuse is open, which allows current to flow to the at least one second connection.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die zu verlässig hohe Ströme sicher führt und abschalten kann, insbesondere bei Bord- netzen mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie beispielsweise in Verbindung mit automatisierten Fahrfunktionen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merk male des unabhängigen Anspruchs. The invention is based on the object of specifying a device that reliably conducts high currents and can switch off, in particular with on-board networks with high safety requirements, for example in connection with automated driving functions. This problem is solved by the features of the independent claim.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Dadurch, dass zumindest zwei parallel zueinander verschaltete Hauptpfade so wie ein Zusatzpfad vorgesehen sind, wobei jeder Hauptpfad zumindest ein Schaltmittel und ein Erfassungsmittel umfasst, kann zum einen eine redundante Stromführungsmöglichkeit für sicherheitsrelevante Verbraucher ermöglicht wer den. Gerade bei einem speziellen symmetrischen Aufbau können Spitzenströme vermieden werden, ohne in diesen Fällen zu früh eine Abschaltung auszulösen. Durch das Vorsehen von Erfassungsmitteln in jedem Pfad kann mit hoher Zuver lässigkeit die Funktionsfähigkeit überprüft und selbst bei Ausfall eines Pfades über den redundanten Pfad sichergestellt werden. Damit lassen sich hohe Si cherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) erreichen, wie dies beispiels weise für automatisierte Fahrfunktionen erforderlich ist. Außerdem lässt sich eine Hochstromfähigkeit erreichen, wie sie für das gezielte Durchschmelzen von Si cherungen zum Erhalt der Verfügbarkeit des Fahrzeugs von Vorteil ist. Durch das Vorsehen des Zusatzpfads können Strombegrenzungs- und Klemmfunktionen realisiert werden, über die ein Abschalten von hohen Strömen selbst bei indukti ver Last möglich wird. Because at least two main paths connected in parallel to one another and an additional path are provided, each main path comprising at least one switching means and one detection means, a redundant power supply option for safety-relevant consumers can be made possible on the one hand. Especially with a special symmetrical structure, peak currents can be avoided without triggering a shutdown too early in these cases. By providing detection means in each path, the functionality can be checked with a high degree of reliability and ensured even if a path fails via the redundant path. This enables high safety requirements (for example ASIL C) to be achieved, as is required, for example, for automated driving functions. In addition, a high current capability can be achieved, which is advantageous for the targeted melting of fuses in order to maintain the availability of the vehicle. By providing the additional path, current limiting and clamping functions can be implemented via which high currents can be switched off even with inductive loads.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Hauptpfade je weils zumindest zwei parallelverschaltete Teilpfade umfassen mit jeweils zumin dest einem Schaltmittel und/oder mit jeweils zumindest einem Erfassungsmittel. Dadurch lässt sich eine redundante aber auch symmetrische Auslegung des hochstromfähigen Trennschalters weiter verbessern. In an expedient development it is provided that the main paths each include at least two parallel-connected partial paths, each with at least one switching means and / or each with at least one detection means. As a result, a redundant but also symmetrical design of the high-current-capable disconnector can be further improved.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Zusatzpfad zu mindest einen Widerstand aufweist. Dieser dient bevorzugt zur Strombegrenzung und/oder zur Aufnahme von Energie beim Schaltvorgang der Schaltmittel in den Hauptpfaden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass über den Zusatzpfad eine Kopplung im Parkbetrieb des Fahrzeugs und/oder eine Vorladung eines Zwischenkreiskondensators erfolgen kann. In an expedient development it is provided that the additional path has at least one resistance. This is preferably used to limit the current and / or to absorb energy during the switching process of the switching means in the main paths. In an expedient development, it is provided that a coupling in the parking mode of the vehicle and / or a pre-charging of an intermediate circuit capacitor can take place via the additional path.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest parallel zu dem Schaltmittel zumindest ein Kondensator und zumindest ein Widerstand pa rallel verschaltet ist als Kommutierungshilfe für das jeweilige Schaltmittel. Über diese RC-Glieder können kurzzeitige Leistungsspitzen gespeichert werden, wodurch eine schnelle Kommutierung unterstützt wird. In an expedient development it is provided that at least one capacitor and at least one resistor are connected in parallel at least in parallel to the switching means as a commutation aid for the respective switching means. Short-term power peaks can be stored via these RC elements, which supports rapid commutation.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Teilpfad parallel ver schaltet zu dem Zusatzpfad vorgesehen, wobei der Teilpfad zumindest eine Spannungsbegrenzung, insbesondere eine Diode, besonders bevorzugt eine TVS-Diode umfasst. Dadurch wird bei den Schaltvorgängen der Schaltmittel des Hauptpfads im Falle beispielsweise von Mosfets ein Betrieb im Avalanche-Modus verhindert. In an expedient development, at least one partial path is provided connected in parallel to the additional path, the partial path including at least one voltage limiter, in particular a diode, particularly preferably a TVS diode. This prevents operation in the avalanche mode during the switching operations of the switching means of the main path in the case of mosfets, for example.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schaltmittel aus zwei antiseriell (invers zueinander betrieben) angeordneten Schaltelementen ge bildet ist. Dadurch wird beim Einsatz von Mosfets eine bidirektionale Trennfähig keit erreicht. Zusätzlich kann der Mittelpunkt der antiseriellen Verschaltung zu Diagnosezwecken ausgelenkt werden. In an expedient development it is provided that the switching means is formed from two switching elements arranged in antiserial order (operated inversely to one another). As a result, bidirectional separability is achieved when using Mosfets. In addition, the center point of the anti-serial interconnection can be deflected for diagnostic purposes.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schaltmittel und die Erfassungsmittel in den jeweiligen Hauptpfaden und/oder Teilpfaden mit iden tischen Kenngrößen verwendet sind. Dadurch kommt es zu einer symmetrischen bzw. gleichmäßigen Stromverteilung in den Hauptpfaden. Insbesondere bei einer Verschachtelung der Teilpfade können unliebsame Stromspitzen, die unter Um ständen eine Auslösung des Schaltelements zur Folge hätten, reduziert werden. Weiterhin erleichtert sich die Fehlererkennung durch gezielte Auswertung von eventuell vorliegenden Asymmetrien. In an expedient development, it is provided that the switching means and the detection means are used in the respective main paths and / or partial paths with identical parameters. This results in a symmetrical or even current distribution in the main paths. In particular, when the partial paths are interleaved, undesirable current peaks, which might result in the switching element being triggered, can be reduced. Furthermore, the error detection is facilitated by the targeted evaluation of any asymmetries that may be present.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Auswertung der Ströme in den jeweiligen Hauptpfaden und/oder Teilpfad(en) erfolgt und bei un terschiedlichen Strömen in den Hauptpfaden und/oder Teilpfad(en) auf einen Fehlerfall erkannt wird. Dies deutet auf das Nichtfunktionieren der Erfassungsmit tel und/oder der Ansteuerschaltung(en) für die Schaltmittel und/oder auf Defekte in den Schaltmitteln selbst hin. In an expedient development, it is provided that the currents in the respective main paths and / or partial path (s) are evaluated and, in the case of different currents in the main paths and / or partial path (s), on one Error case is recognized. This indicates the malfunctioning of the detection means and / or the control circuit (s) for the switching means and / or defects in the switching means themselves.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Erfassungs mittel zumindest einen Wert vor Veränderung eines Schwellwerts und/oder vor Ab schalten eines anderen Hauptpfads und oder eines anderen Teilpfads erfasst und dass das Erfassungs mittel zumindest einen Wert nach Veränderung des Schwellwerts und/oder nach Abschalten eines anderen Hauptpfads und/oder ei nes anderen Teilpfads erfasst. Durch gezieltes Erfassen vor und nach Abschal tung von gewissen Pfaden können Plausibilitätstests der ermittelten Stromwerte vorgenommen werden, was zur Fehlerauswertung herangezogen wird. Dadurch erhöht sich die Sicherheit für die Fehlerdetektion. In an expedient development, it is provided that the detection means detects at least one value before changing a threshold value and / or before switching off another main path and / or another partial path and that the recording means detects at least one value after changing the threshold value and / or after switching off another main path and / or another partial path. By specifically recording before and after switching off certain paths, plausibility tests of the determined current values can be carried out, which is used for error evaluation. This increases the security for fault detection.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass in den einzelnen Hauptpfaden Erfasssungsmittel und/oder ein Schwellwertvergleich und/oder eine Ansteuerung des jeweiligen Schaltmittels jeweils unabhängig voneinander sind. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung im Fehlerfall ausgeschlossen. In an expedient development, it is provided that detection means and / or a threshold value comparison and / or activation of the respective switching means are in each case independent of one another in the individual main paths. This prevents mutual interference in the event of a fault.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung. Further useful developments result from further dependent claims and from the description.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Die Figur 1 zeigt ein Bordnetz, bei dem das Schaltmittel implementiert ist, Figure 1 shows an on-board network in which the switching means is implemented,
Figur 2 zeigt den genaueren Aufbau des Schaltmittels, Figure 2 shows the more detailed structure of the switching means,
Figur 3 die unterschiedlichen Aktivierungsschritte bei der fehlerfreien In betriebnahme bzw. beim Trennen der Teilbordnetze sowie FIG. 3 shows the different activation steps during error-free commissioning or when separating the sub-electrical systems as well
Figur 4 ein Flussdiagramm für das Freibrennen der Sicherung. FIG. 4 shows a flow chart for the fuse being blown.
Ausführungsform der Erfindung Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich be schrieben. Embodiment of the invention The invention is illustrated schematically using an exemplary embodiment and will be described in detail below with reference to the drawing.
Die Figur 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Bordnetz 10, welches einen Energiespeicher 12, insbe sondere eine Batterie 12 mit zugehörigem Sensor 14, vorzugsweise ein Batterie sensor, sowie mehrere insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, die durch einen elektrischen Leistungsverteiler 18 abgesichert bzw. angesteuert werden, umfasst. Bei den Verbrauchern 16 handelt es sich um Spezialverbrau cher mit hohen Anforderungen bzw. einem hohen Schutzbedarf, allgemein als als sicherheitsrelevante Verbraucher 16 bezeichnet. Hierbei handelt es sich bei spielsweise um eine elektrische Lenkung und/oder ein Bremssystem als solche Komponenten, die unbedingt versorgt werden müssen, um im Fehlerfall das Len ken und/oder Bremsen des Fahrzeugs sicherzustellen. Hierzu werden gesondert entsprechende Kenngrößen des jeweiligen Verbrauchers 16 erfasst und bei Ab weichung von tolerablen Werten der jeweilige Schalter 15 geöffnet zum Schutze des jeweiligen Verbrauchers 16. Figure 1 shows a possible topology of an energy supply system, consisting of an on-board network 10, which includes an energy store 12, in particular a battery 12 with an associated sensor 14, preferably a battery sensor, and several particularly safety-relevant consumers 16, which are protected by an electrical power distributor 18 or controlled, includes. The consumers 16 are special consumers with high requirements or a high need for protection, generally referred to as safety-relevant consumers 16. This is, for example, an electric steering and / or a braking system as such components that must be supplied in order to ensure the steering and / or braking of the vehicle in the event of a fault. For this purpose, corresponding parameters of the respective consumer 16 are recorded separately and, in the event of a deviation from tolerable values, the respective switch 15 is opened to protect the respective consumer 16.
An einem Anschluss (Klemme KL30_1) des Leistungsverteilers 18 ist ebenfalls der Energiespeicher 12 angeschlossen. Der Sensor 14 ist in der Lage, eine elekt rische Kenngröße wie beispielsweise eine Spannung Ub am Energiespeicher 12 und/oder einen Strom Ib durch den Energiespeicher 12 und/oder eine Tempera tur Tb des Energiespeichers 12 zu erfassen. Der Sensor 14 kann aus den ermit telten elektrischen Kenngrößen Ub, Ib, Tb beispielsweise den Ladezustand SOC des Energiespeichers 12 oder weitere Kenngrößen des Energiespeichers 12 er mitteln. An dem weiteren Anschluss (KL 30_1) des Leistungsverteilers 18, an dem auch der Energiespeicher 12 angeschlossen ist, ist optional auch ein weite rer Versorgungszweig für zumindest einen weiteren Verbraucher 25 vorgesehen. Der Verbraucher 25 wird über eine Schmelzsicherung 23 abgesichert. Es können noch weitere Verbraucher 25 vorgesehen sein, die ebenfalls über Schmelzsiche rungen 23 abgesichert werden können. Bei diesen Verbrauchen 25 handelt es sich um solche, die auch bei Auftrennen bzw. Öffnen des Schaltmittels 19 im Leistungsverteiler 18 noch von dem Energiespeicher 12 mit Energie versorgt werden sollen, also vorzugsweise um solche sicherheitskritische Verbraucher 25 bzw. Verbraucher 25, die kritisch sind hinsichtlich der Erzeugung von Störungen im Bezug auf die Versorgungssicherheit. Somit ist an dem Anschluss KL 30 _1 ein (optionaler) sicherheitsrelevanter bzw. sicherheitskritischer Bordnetzpfad an geschlossen. The energy store 12 is also connected to a connection (terminal KL30_1) of the power distributor 18. The sensor 14 is able to detect an electrical characteristic such as a voltage Ub at the energy store 12 and / or a current Ib through the energy store 12 and / or a temperature Tb of the energy store 12. The sensor 14 can, for example, determine the state of charge SOC of the energy store 12 or other parameters of the energy store 12 from the electrical parameters Ub, Ib, Tb determined. At the further connection (KL 30_1) of the power distributor 18, to which the energy store 12 is also connected, a further supply branch for at least one further consumer 25 is optionally provided. The consumer 25 is protected by a fuse 23. Further consumers 25 can also be provided, which ments 23 can also be secured via fusible links. These loads 25 are those that are still supplied with energy from the energy store 12 even when the switching means 19 in the power distributor 18 is disconnected or opened should be, so preferably to those safety-critical consumers 25 or consumers 25, which are critical with regard to the generation of disturbances in relation to the security of supply. An (optional) safety-relevant or safety-critical vehicle electrical system path is thus connected to the connection KL 30 _1.
Der Leistungsverteiler 18 ist in der Lage, entsprechende Kenngrößen wie Span nung Uv, Strom Iv der Verbraucher 16 zu ermitteln. Der Leistungsverteiler 18 ist darüber hinaus ebenfalls in der Lage, entsprechende Kenngrößen des Energie speichers 12 wie Spannung Ub und/oder Strom Ib und/oder Temperatur Tb zu ermitteln. Hierzu enthält der Leistungsverteiler 18 die entsprechende Sensorik. Ebenfalls besitzt der Leistungsverteiler 18 entsprechende Verarbeitungsmittel wie beispielsweise einen Mikrocontroller 13, erfasste Größen zu speichern bzw. aus zuwerten. Der Mikrocontroller 13 ist darüber hinaus in der Lage, entsprechende Schalter 15 bzw. Schaltmittel 34, 36, 44, 46, 54 des Schaltmittels 19 (hochstrom fähiger Trennschalter) anzusteuern. Alternativ könnte die Auswertung auch in ei nem anderen Steuergerät erfolgen. The power distributor 18 is able to determine corresponding parameters such as voltage Uv, current Iv of the consumer 16. The power distributor 18 is also able to determine corresponding parameters of the energy store 12 such as voltage Ub and / or current Ib and / or temperature Tb. For this purpose, the power distributor 18 contains the appropriate sensors. The power distributor 18 also has corresponding processing means such as a microcontroller 13 for storing or evaluating recorded variables. The microcontroller 13 is also able to control corresponding switches 15 or switching means 34, 36, 44, 46, 54 of the switching means 19 (high-current-capable isolating switch). Alternatively, the evaluation could also take place in another control unit.
Weiterhin ist der Leistungsverteiler 18 in der Lage, abhängig vom Zustand des Energiespeichers 12 Signale, auf deren Basis der Übergang in einen sicheren Zustand eingeleitet wird, zu liefern. Dann leitet beispielsweise ein übergeordne tes Steuergerät beispielsweise einen sicheren Halt des Fahrzeugs (Anfahren des nächsten Parkplatzes, sofortiger Halt am Seitenstreifen etc.) ein und verlässt den autonomen Fährbetrieb. Furthermore, the power distributor 18 is able, depending on the state of the energy store 12, to deliver signals on the basis of which the transition to a safe state is initiated. Then, for example, a higher-level control device initiates a safe stop of the vehicle (approaching the next parking space, immediate stop at the hard shoulder, etc.) and leaves the autonomous ferry service.
Ebenfalls besitzt der Leistungsverteiler 18 entsprechende Verarbeitungsmittel wie beispielsweise den Mikrocontroller 13, um erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Außerdem kann der Leistungsverteiler 18 einen anwenderspezifi schen Schaltkreis (ASIC) umfassen, über den eine Sicherungsfunktion in Verbin dung mit den entsprechend angesteuerten Schaltern 15 für die an den Ausgän gen angeschlossenen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 reali siertwird. Bei bestimmten kritischen Zuständen (beispielsweise Überschreiten einer bestimmten Temperatur, Verlustleistung, Überstrom, Überspannung, Unter spannung etc.) wird der Schalter 15 und/oder Schaltmittel 19 geöffnet, um so beispielsweise einen Überlastfall zu unterbinden. Der Leistungsverteiler 18 kann mit einem Anschluss für ein Kommunikationssystem, insbesondere ein Bussys tem wie ein CAN-Bus und/oder LIN-Bus, versehen sein. Außerdem kann ein An schluss für zumindest ein weiteres Anschlussssignal, beispielsweise das soge nannte Klemme 31 -Signal (Zündung ein), vorgesehen sein. Wie ersichtlich ist an einem Anschluss des Leistungsverteilers 18 der zugehörige Energiespeicher 12 angeschlossen. Dies muss jedoch nicht als unmittelbarer Anschluss vorgesehen sein, sondern könnte gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Kompo nenten wie konventioneller Sicherungskästen oder Ähnliches erfolgen. The power distributor 18 also has corresponding processing means, such as the microcontroller 13 for example, in order to store or evaluate recorded variables. In addition, the power distributor 18 can include a user-specific circuit (ASIC) via which a safety function in connection with the appropriately controlled switches 15 is implemented for the particularly safety-relevant consumers 16 connected to the outputs. In certain critical states (for example exceeding a certain temperature, power loss, overcurrent, overvoltage, undervoltage, etc.) the switch 15 and / or switching means 19 is opened in order to prevent an overload, for example. The power distributor 18 can be provided with a connection for a communication system, in particular a bus system such as a CAN bus and / or LIN bus. In addition, a connection for at least one further connection signal, for example the so-called terminal 31 signal (ignition on), can be provided. As can be seen, the associated energy store 12 is connected to one connection of the power distributor 18. However, this does not have to be provided as a direct connection, but could optionally take place with the interposition of further components such as conventional fuse boxes or the like.
Außerdem ist das Schaltmittel 19 vorgesehen, das zwischen dem Anschluss (KL30_0) des Leistungsverteilers 18 und dem weiteren Anschluss (KL3CM) für den Energiespeicher 12 liegt. Gegebenenfalls könnten über das Schaltmittel 19 die an den Ausgängen des Leistungsverteilers 18 angeschlossenen Verbraucher 16 von einer anderen Energiequelle, beispielsweise von einem anderen Bord netzzweig über einen Gleichspannungswandler 22 versorgt werden, wenn der am anderen Anschluss KL3CM angeschlossene Energiespeicher 12 ausfällt. Über das Schaltmittel 19 kann eine entsprechende Trenn- bzw. Koppelfunktion insbesondere der beiden Bordnetz-Zweige (Teilbordnetz für nicht sicherheitsrele vante Verbraucher 17 an Anschluss KL 30_0; weiteres Teilbordnetz für sicher heitsrelevante Verbraucher 16, 25) realisiert werden. Dies dient insbesondere als Sicherungsfunktion, um die Auswirkungen von kritischen Zuständen wie Über oder Unterspannungen und/oder Überströmen und/oder thermische Überlastung zu unterbinden. Im Fehlerfall können die beiden Teilbordnetze durch das Schalt mittel 19 voneinander getrennt werden. Damit werden die sicherheitsrelevanten Verbraucher 16,25 des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes getrennt von den nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern 17 des anderen Teilbordnetzes. In addition, the switching means 19 is provided, which is located between the connection (KL30_0) of the power distributor 18 and the further connection (KL3CM) for the energy store 12. If necessary, the loads 16 connected to the outputs of the power distributor 18 could be supplied by another energy source, for example from another on-board network branch via a DC voltage converter 22 via the switching means 19 if the energy store 12 connected to the other terminal KL3CM fails. A corresponding separation or coupling function, in particular of the two on-board network branches (sub-on-board network for non-safety-relevant consumers 17 at connection KL 30_0; further sub-on-board network for safety-relevant consumers 16, 25) can be implemented via switching means 19. This serves in particular as a safety function in order to prevent the effects of critical states such as overvoltage or undervoltage and / or overcurrents and / or thermal overload. In the event of a fault, the two sub-electrical systems can be separated from one another by the switching means 19. The safety-relevant consumers 16, 25 of the safety-relevant sub-board network are thus separated from the non-safety-relevant consumers 17 of the other sub-board network.
Die durch den Leistungsverteiler 18 versorgten sicherheitsrelevanten Verbrau cher 16, 25 könnten beispielsweise sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen wie beispielsweise Bremsen, Lenken etc. umfassen, insbesondere Verbraucher 16 mit hohen Anforderungen hinsichtlich Schutzbedarf. Generell handelt es sich bei sicherheitsrelevanten Verbrauchern 16, 25 besonders schützenswerte Verbrau cher, die beispielsweise zur Aufrechterhaltung gewisser Notfunktionen notwendig sind. Neben den geschilderten Funktionen wie Lenken und Bremsen kann es sich auch um solche Funktionen handeln, die beispielsweise nach einem Unfall wenn möglich noch funktionstüchtig sein sollten wie beispielsweise Rückhalte systeme, Schließsysteme zum Öffnen und Schließen der Fahrzeugtüren, Not rufsysteme beispielsweise zum Absetzen eines elektronischen Notrufs, Schiebe dachfunktionen, Beleuchtung, Scheibenwischer oder Ähnliches. The safety-relevant consumers 16, 25 supplied by the power distributor 18 could, for example, include safety-relevant vehicle functions such as braking, steering, etc., in particular consumers 16 with high requirements in terms of protection requirements. In general, safety-relevant consumers 16, 25 are consumers that are particularly worthy of protection and that are necessary, for example, to maintain certain emergency functions. In addition to the functions described, such as steering and braking, these can also be functions that, for example, occur after an accident should still be functional if possible, such as restraint systems, locking systems for opening and closing vehicle doors, emergency call systems, for example for making an electronic emergency call, sliding roof functions, lighting, windshield wipers or the like.
Das Basisbordnetz 10 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 20 niedrige res Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 10 und dem Hochvolt-Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 22 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 20 umfasst bei spielhaft einen Energiespeicher 24, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, even tuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine Last 26, beispielsweise ein Komfortverbraucher wie eine mit erhöhtem Spannungsni veau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 28. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau U2 verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau U1 des Basisbordnetzes 10. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 20 ganz entfallen. The basic on-board network 10 has a lower voltage level U1 than a high-voltage on-board network 20, for example it can be a 14 V on-board network. A DC voltage converter 22 is arranged between the basic on-board power supply 10 and the high-voltage on-board power supply 20. The high-voltage on-board network 20 includes, for example, an energy store 24, for example a high-voltage battery, possibly with an integrated battery management system, shown as an example a load 26, for example a convenience consumer such as an air conditioning system supplied with an increased voltage level, etc., and an electric machine 28 In this context, a voltage level U2 is understood which is higher than the voltage level U1 of the basic on-board network 10. For example, it could be a 48-volt on-board network. Alternatively, electric vehicles in particular could have even higher voltage levels. Alternatively, the high-voltage on-board network 20 could be omitted entirely.
Zwischen dem Anschluss (KL30_0) des Leistungsverteilers 18 und dem Gleich spannungswandler 22 ist ein weiterer Zweig bzw. ein weiteres Teilbordnetz zur Versorgung weiterer Verbraucher 17 angeordnet. Die jeweiligen Verbraucher 17 werden über entsprechende Schmelzsicherungen 23 abgesichert wie beispielhaft dargestellt. Bei diesen Verbrauchen 17 handelt es sich typischerweise um Kom fortverbraucher bzw. nicht sicherheitsrelevante Verbraucher. Komfortverbraucher 17 und Schmelzsicherungen 23 können je nach Anwendungen in Haupt-und Un tergruppen aufgeteilt und damit gruppiert sein. Es handelt sich um solche Ver braucher 17, welche sich nicht durch hohe Sicherheitsrelevanz (wie die Verbrau cher 25) bzw. durch hohe Anforderungen hinsichtlich eines Schutzbedarfs (wie die Verbraucher 16) auszeichnen. Rückwirkungen dieser Verbraucher 17 auf si cherheitsrelevante Verbraucher 25 bzw. 16 können durch Isolation des Fehlers über Öffnen des Schaltmittels 19 verhindert werden. Das Schaltmittel 19 ist also zwischen den Verbrauchern 17 und den sicherheitsrelevanten Verbrauchern 25 und/oder den Verbrauchern 16 mit hohem Schutzbedarf angeordnet. Mit dem Hochvoltbordnetz 20 können über einen weiteren Gleichspannungs wandler 22‘ zumindest einer oder weitere insbesondere sicherheitsrelevante Ka näle bzw. Bordnetzzweige 10‘ verbunden sein. Die sicherheitsrelevanten Kanäle könnten jeweils einen weiteren elektronischen Leistungsverteiler 18‘ aufweisen. Optional kann der weitere Leistungsverteiler 18‘ auch direkt, ohne weiteren Gleichspannungswandler 22‘an den gleichen Anschluss KL30_0 wie der Leis tungsverteiler 18 angeschlossen werden. Der weitere elektronische Leistungsver teiler 18‘ könnte der Absicherung, Ansteuerung sowie der sicheren und zuverläs sigen Abschaltung sicherheitsrelevanter Verbraucher 16‘ bzw. der elektronischen Energienetzverteilung dienen. Diese Verbraucher 16‘ könnten funktionsredundant zu solchen Verbraucher 16, die durch einen anderen sicherheitsrelevanten Zweig des Bordnetzes 10 versorgt werden, ausgebildet sein. Außerdem kann der weite re elektronische Leistungsverteiler 18‘ in der Lage sein, die fließenden Verbrau cherströme bzw. anliegenden Spannungen zu erfassen. Diese kurz beschriebe ne, optionale Ausführung, könnte für eine hochverfügbare Auslegung beispiels weise für das autonome Fahren zur Sicherheitserhöhung vorgesehen sein. In dem weiteren Bordnetzzweig könnte auch ein weiterer Energiespeicher 12‘ mit einem weiteren Sensor 14‘ vorgesehen sein. Between the connection (KL30_0) of the power distributor 18 and the DC voltage converter 22 there is a further branch or a further sub-board network for supplying further consumers 17. The respective consumers 17 are protected by corresponding fuses 23, as shown by way of example. These consumers 17 are typically comfort consumers or consumers that are not safety-relevant. Comfort consumers 17 and fuses 23 can, depending on the application, be divided into main and sub-groups and thus grouped. These are consumers 17 that are not characterized by high security relevance (such as consumers 25) or by high requirements with regard to a need for protection (such as consumers 16). Effects of these consumers 17 on safety-relevant consumers 25 and 16 can be prevented by isolating the fault by opening the switching means 19. The switching means 19 is thus arranged between the consumers 17 and the safety-relevant consumers 25 and / or the consumers 16 with a high protection requirement. At least one or further, in particular, safety-relevant channels or on-board network branches 10 'can be connected to the high-voltage on-board network 20 via a further DC voltage converter 22'. The safety-relevant channels could each have a further electronic power distributor 18 '. Optionally, the further power distributor 18 ′ can also be connected directly to the same connection KL30_0 as the power distributor 18 without a further DC voltage converter 22 ′. The further electronic power distributor 18 'could be used for protection, control and the safe and reliable shutdown of safety-relevant consumers 16' or the electronic power network distribution. These consumers 16 'could be designed to be functionally redundant in relation to those consumers 16 that are supplied by another safety-relevant branch of the on-board network 10. In addition, the further electronic power distributor 18 'can be able to detect the flowing consumer currents or applied voltages. This briefly described ne, optional version, could be provided for a high-availability design, for example, for autonomous driving to increase safety. A further energy store 12 'with a further sensor 14' could also be provided in the further on-board network branch.
Das hochstromfähige Schaltmittel 19 bzw. der hochstromfähige Trennschalter ist im Leistungsverteiler 18 zwischen dem Anschluss (KL30_1) und dem Anschluss (KL30_0) bzw. einem Anschluss für den Verbraucher 16 des Leistungsverteilers 18 angeordnet. Das Schaltmittel 19 ist in der Lage, im Überstromfall und/oder bei einer Unterspannung oder ähnlichen kritischen Bordnetzzuständen zu öffnen.The high-current-capable switching means 19 or the high-current-capable isolating switch is arranged in the power distributor 18 between the connection (KL30_1) and the connection (KL30_0) or a connection for the consumer 16 of the power distributor 18. The switching means 19 is able to open in the event of an overcurrent and / or in the event of an undervoltage or similar critical vehicle electrical system states.
Das Schaltmittel 19 umfasst zumindest zwei parallel verschaltete Hauptpfade 30,40, wobei in jedem Hauptpfad Schaltmittel 34,44 vorgesehen sind. Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34,44 jeweils duch zumindest zwei antiseriell (in Reihe zueinander und zwar gegengerichtet, bspw. „back-to-back“ oder mit ge meinsamen Source-Anschluss) verschaltete Schaltelemente 34.1,34.2; 44.1,44.2 gebildet, vorzugsweise unter Verwendung von Leistungshalbleitern, besonders bevorzugt FET's bzw. MOSFET's. Anstelle von MOSFETs können bspw. auch Relais, Bipolartransistoren oder IGBTs mit Paralleldioden usw. verwendet wer den. Die jeweiligen Hauptpfade 30,40 mit zugehörigen Schaltmitteln 34,44 sind besonders bevorzugt symmetrisch aufgebaut, sodass bei einem ordnungsgemä ßen Betrieb dieselben Ströme durch die beiden Hauptpfade 30, 40 fließen. Parallel zu den Hauptpfaden 30,40 ist ein Zusatzpfad 50 verschaltet. Der Zusatz pfad weist ebenfalls ein Schaltmittel 54 auf sowie einen Reihenwiderstand 58 als Strombegrenzung bzw. „Bremswiderstand“. Das Schaltmittel 54 besteht aus zu mindest zwei antiseriell verschaltete Schaltelementen 54.1,54.2. Der Zusatzpfad 50 besitzt die Fähigkeit, unter hohen Strömen (beispielsweise größer 900 A) auch unter induktiver Last 57 den Stromfluss zu trennen. Weiterhin ist auch im Zusatzpfad 50 ein Erfassungsmittel vorgesehen, um eine Strommessung durch zuführen. So wird beispielsweise der Widerstand (RDSon) zwischen Drain und Source bei einem Mosfet im durchgeschalteten Zustand überwacht. The switching means 19 comprises at least two main paths 30, 40 connected in parallel, switching means 34, 44 being provided in each main path. The switching means 34, 44 are particularly preferably each connected by at least two switching elements 34.1, 34.2; 44.1,44.2 formed, preferably using power semiconductors, particularly preferably FET's or MOSFET's. Instead of MOSFETs also relays, bipolar transistors or IGBTs, for example. Parallel with diodes, etc. used to who. The respective main paths 30, 40 with associated switching means 34, 44 are particularly preferably constructed symmetrically, so that the same currents flow through the two main paths 30, 40 during proper operation. An additional path 50 is connected in parallel to the main paths 30, 40. The additional path also has a switching means 54 and a series resistor 58 as a current limiter or “braking resistor”. The switching means 54 consists of at least two switching elements 54.1,54.2 connected in reverse series. The additional path 50 has the ability to separate the current flow under high currents (for example greater than 900 A) even under an inductive load 57. Furthermore, a detection means is also provided in the additional path 50 in order to carry out a current measurement. For example, the resistance (RDSon) between the drain and source of a mosfet is monitored when it is switched on.
Optional kann ein weiterer Teilpfad 52 parallel zu dem Zusatzpfad 50 verschaltet sein. In dem weiteren Teilpfad 52 befindet sich zumindest eine Spannungsbe grenzung 55, beispielsweise eine bestimmte Diode wie vorzugsweise eine TVS- Diode. Optionally, a further partial path 52 can be connected in parallel to the additional path 50. In the further partial path 52 there is at least one voltage limiter 55, for example a specific diode such as preferably a TVS diode.
Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher 12, 24 eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleich ermaßen Verwendung finden. In the exemplary embodiment, a battery or accumulator is described as a possible energy store 12, 24 as an example. Alternatively, however, other energy storage devices suitable for this task, for example on an inductive or capacitive basis, fuel cells, capacitors or the like, can be used to the same extent.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist der Aufbau des Schaltmittels 19 genauer gezeigt. So umfasst der Hauptfpfad 30 zwei Teilpfade 31,32, die parallel zueinander verschaltet sind. In dem einen Teilpfad 31 sind die beiden antiseriell verschalteten Schaltelemente 34.1,34.2 sowie ein Erfassungsmittel 38 für einen durch den Teilpfad 31 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 38 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet. Angedeutet ist eine entsprechende Stromerfassungsschaltung zur Erfassung des durch das Erfassungsmittel 38 fließenden Stroms. In dem weiteren Teilpfad 32 sind die beiden antiseriell ver schalteten weiteren Schaltelemente 36.1,36.2 sowie ein weiteres Erfassungsmit tel 39 für einen durch den weiteren Teilpfad 32 fließenden Strom angeordnet.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the structure of the switching means 19 is shown in more detail. The main path 30 thus comprises two partial paths 31, 32 which are connected in parallel to one another. The two switching elements 34.1, 34.2 connected in reverse series and a detection means 38 for a current flowing through the partial path 31 are arranged in one partial path 31. The detection means 38 is designed, for example, as a resistor. A corresponding current detection circuit for detecting the current flowing through the detection means 38 is indicated. In the further partial path 32, the two antiserially ver switched further switching elements 36.1,36.2 and a further Erfassungsmit tel 39 for a current flowing through the further partial path 32 are arranged.
Das Erfassungsmittel 39 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet und in Reihe mit den Schaltelementen 36.1 und 36.2 verschaltet. Statt eines Widerstands ist es auch möglich, andere Erfassungsmittel wie Magnetfeldsensoren zu verwen- den oder beispielsweise den Spannungsabfall an einem oder mehreren Schalt elementen auszuwerten. The detection means 39 is designed, for example, as a resistor and connected in series with the switching elements 36.1 and 36.2. Instead of a resistor, it is also possible to use other detection means such as magnetic field sensors. evaluate the or, for example, the voltage drop at one or more switching elements.
So umfasst auch der weitere Hauptpfad 40 zwei Teilpfade 41,42, die parallel zu einander verschaltet sind. In dem einen Teilpfad 41 sind die beiden antiseriell verschalteten Schaltelemente 44.1,44.2 sowie ein Erfassungsmittel 48 für einen durch den Teilpfad 41 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 48 ist beispielhaft als Widerstand ausgebildet. In dem weiteren Teilpfad 42 (des weite ren Hauptpfads 40) sind die beiden antiseriell verschalteten weiteren Schaltele mente 46.1,46.2 sowie ein weiteres Erfassungsmittel 49 für einen durch den wei teren Teilpfad 42 fließenden Strom angeordnet. Das Erfassungsmittel 49 ist bei spielhaft als Wderstand ausgebildet. Angedeutet ist eine entsprechende Stromerfassungsschaltung zur Erfassung des durch das Erfassungsmittel 48 fließenden Stroms. The further main path 40 thus also comprises two partial paths 41, 42 which are connected in parallel to one another. The two switching elements 44.1, 44.2 connected in reverse series and a detection means 48 for a current flowing through the partial path 41 are arranged in one partial path 41. The detection means 48 is designed, for example, as a resistor. In the further sub-path 42 (of the wider main path 40), the two antiserially interconnected further switching elements 46.1, 46.2 and a further detection means 49 for a current flowing through the white direct sub-path 42 are arranged. The detection means 49 is designed as a Wderstand for example. A corresponding current detection circuit for detecting the current flowing through the detection means 48 is indicated.
Die Erfassungsmittel 38,39, 48,49 könnten entweder jeweils die durch die zuge hörigen Teilpfade 31,32, 41,42 fließenden Ströme beispielsweise an den Mikro controller 13 weiterleiten. Oder aber es könnte über Mittelwertbildung von jeweils zwei Erfassungsmitteln 38,39; 48,49 des jeweiligen Hauptpfads 30,40 der Strom fluss in den Teilpfaden 31,32; 41,42 ermittelt werden. The detection means 38, 39, 48, 49 could either forward the currents flowing through the associated sub-paths 31, 32, 41, 42 to the microcontroller 13, for example. Or else it could be by averaging two acquisition means 38, 39; 48,49 of the respective main path 30.40 the current flow in the partial paths 31,32; 41.42 can be determined.
Besonders bevorzugt sind die Schaltmittel 34,36; 44,46 sowie die zugehörigen Erfassungsmittel 38,39; 48,49 symmetrisch ausgelegt, also mit denselben Wider standswerten bzw. Kenngrößen etc. ausgebildet. Damit soll sich im fehlerfreien Betrieb jeweils in den verschiedenen Teilpfaden 31,32; 41,42 jeweils ein identi scher Stromfluss einstellen. Bei Abweichungen der Symmetrie deutet dies auf ei nen zu evaluierenden Fehlerfall hin. The switching means 34, 36; 44, 46 and the associated acquisition means 38, 39; 48, 49 designed symmetrically, that is, with the same resistance values or parameters, etc. designed. This is intended to result in error-free operation in each of the various partial paths 31, 32; 41, 42 each set an identical current flow. If there are deviations in symmetry, this indicates an error case to be evaluated.
Weiterhin sind die jeweiligen Teilpfade 31,32; 41,42 idealerweise jeweils ver schachtelt zueinander angeordnet. Im Schaltungslayout können die entspre chenden Teilzweige 31,41; 32,42 so angeordnet sein, dass beispielsweise zwei Teilpfade 31, 32; 41,42 eines Hauptpfads 30; 40 einen Teilpfad 41; 32 des jewei ligen weiteren Hauptpfads 40; 30 umschließen bzw. dass die jeweiligen Teilpfade 31, 41, 32,42 abwechselnd bezüglich des Hauptpfads 30,40 angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist der Zusatzpfad 50 und/oder der Teilpfad 52 in der Mitte angeordnet und werden jeweils von zwei Teilpfaden 31,41 ; 32,42 unterschiedli cher Hauptpfade 30,40 umgeben. Furthermore, the respective partial paths 31, 32; 41, 42 ideally each arranged nested to one another. In the circuit layout, the corre sponding sub-branches 31,41; 32, 42 can be arranged such that, for example, two partial paths 31, 32; 41, 42 of a main path 30; 40 a partial path 41; 32 of the respective further main path 40; 30 or that the respective partial paths 31, 41, 32, 42 are arranged alternately with respect to the main path 30, 40. The additional path 50 and / or the partial path 52 in the middle is particularly preferred arranged and are each of two partial paths 31, 41; 32,42 different main paths 30,40.
Zusätzlich zu der optimierten Platzierung auf dem Schaltungsträger können die Hochstromschaltvorgänge durch Schaltentlastungnetze unterstützt werden.In addition to the optimized placement on the circuit board, the high-current switching processes can be supported by switching relief networks.
Die Schaltentlastungnetze werden ebenfalls verschachtelt nah zu den Schaltmit teln 34,44 und 36,46 angeordnet. Aufgebaut sind die Schaltentlastungnetze aus den Kondensatoren 69,67 und dem Widerstand 71. Sowie 63,61 und dem Wider stand 65. Über die Widerstände wird hierbei nicht nur die Oszillationsneigung bedämpft, sondern durch einen möglichst hohen Widerstandswert Schaltenergie aufgenommen, als auch durch den hohen resistiven Spannungsabfall der Kom mutierungsvorgang beschleunigt. Durch die Platzierung der Schaltentlastung zwischen den Teilpfaden kann jede Schaltentlastung sowohl Abschaltenegie aus dem Hauptpfad 30, als auch aus dem Hauptpfad 40 aufnehmen. Die im der Figur 2 skizzierte Ausführung stellt den Sonderfall dar, dass ein gemeinsamer Wider stand 71 für zwei Kondensatoren 69,67 (bzw 65 für die Kondensatoren 61 und 63) vorgehalten wird. The switching relief networks are also nested close to the Schaltmit means 34,44 and 36,46. The switching relief networks are built up from the capacitors 69,67 and the resistor 71. As well as 63,61 and the resistor 65. The resistors not only dampen the tendency to oscillation, but also absorb switching energy through the highest possible resistance value, as well as through the high resistive voltage drop accelerates the commutation process. By placing the switching relief between the partial paths, each switching relief can accommodate both shutdown energy from the main path 30 and from the main path 40. The embodiment outlined in FIG. 2 represents the special case in which a common resistor 71 is kept for two capacitors 69, 67 (or 65 for capacitors 61 and 63).
Zu dem Zusatzzweig 50, in dem das Schaltmittel 54 (wiederum antiseriell ange ordnete Schaltelemente 54.1 , 54.2) und seriell verschaltet der Reihenwiderstand 58 angeordnet sind, ist ein optionaler Teilpfad 52 vorgesehen. Der optionale Teilpfad 52 ist parallel zu dem Zusatzzweig 50 verschaltet. In dem optionalen Zusatzzweig 52 sind seriell verschaltet ein Schaltmittel 56 (bestehend aus zwei antiseriell verschalteten Schaltelementen 56.1 ,56.2) sowie zumindest eine Span nungsbegrenzung 55, vorzugsweise zwei Spannungsbegrenzungen 55 (insbe sondere eine Diode, besonders bevorzugt eine TVS-Diode zur Verhinderung ei ner Avalanche-Ansteuerung der Schaltelemente in den Hauptpfaden 30,40) und optional ein Erfassungsmittel 59, insbesondere ein Widerstand zur Erfassung des Stroms und zur Stromlimitierung durch den Teilpfad 52, vorgesehen. Zwischen dem gemeinsamen Potenzial von Zusatzpfad 50 und optionalem Teilpfad 52 und dem Anschluss (Klemme KL 30_0) des Leistungsverteilers 18 eine Induktivität 57 als Beispiel für eine Leitungsinduktivität eingezeichnet. Die beschriebene Vorrichtung betrifft ein Hochstrom-Trennschalterkonzept (Schaltmittel 19) für KFZ-Niederspannungs-Bordnetze <100V. Im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung von sicherheitsrelevanten Fahrzeugkomponen ten gewinnt die Verfügbarkeit des Bordnetzes 10 weiter an Bedeutung. In diesem Rahmen werden Schalter eingeführt, um die Energieflüsse und Funktionsverfüg barkeit im Bordnetz 10 zu steuern und zu sichern. Durch die IS026262 werden an die funktionale Sicherheit dieser Komponenten und des gesamten Energie bordnetzes weitreichende Anforderungen gestellt. An optional partial path 52 is provided for the additional branch 50, in which the switching means 54 (again, switching elements 54.1, 54.2 arranged antiserially) and the series resistor 58 connected in series are arranged. The optional partial path 52 is connected in parallel to the additional branch 50. In the optional additional branch 52, a switching means 56 (consisting of two back-to-back connected switching elements 56.1, 56.2) and at least one voltage limiter 55, preferably two voltage limiter 55 (in particular a diode, particularly preferably a TVS diode to prevent an avalanche) are connected in series Control of the switching elements in the main paths 30, 40) and optionally a detection means 59, in particular a resistor for detecting the current and for limiting the current through the partial path 52, is provided. An inductance 57 is shown as an example of a line inductance between the common potential of additional path 50 and optional partial path 52 and the connection (terminal KL 30_0) of power distributor 18. The device described relates to a high-current disconnector concept (switching means 19) for low-voltage vehicle electrical systems <100V. In the context of the advancing electrification of safety-relevant vehicle components, the availability of the on-board network 10 is becoming more important. In this context, switches are introduced to control the energy flows and functional availability in the electrical system 10 and secure. The IS026262 places far-reaching requirements on the functional safety of these components and the entire on-board power supply system.
Zur vollständigen Trennung des Stromflusses zwischen dem Anschluss KL 30_1 bzw. dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz und dem Anschluss KL 30_0 bzw. dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz kommen in dem Beispiel sechs an tiserielle Mosfetpfade (Teilpfade 31,32, 41,42, 50,52) zum Einsatz. Vier (Teilpfa de 31, 32, 41,42) sind in Normalbetrieb geschlossen und stellen eine niederoh mige (<2mQ) Verbindung zwischen Anschluss KL30_1 bzw. sicherheitsrelevan tem Teilbordnetz und Anschluss KL30_0 bzw. nicht sicherheitsrelevantem Teil bordnetz dar. Ein weiterer Strompfad, der Zusatzpfad, 50 ist mit dem zusätzli chen Reihenwiderstand 58 ausgestattet. Über diesen lässt sich der Stromfluss im Parkbetrieb (Ruhebetrieb des Fahrzeugs) führen und (durch den Widerstand 58) limitieren. Durch diese Limitierung findet im Parkbetrieb ein natürlicher Schutz vor einem unkontrolliertem Stromanstieg statt. Dadurch kann im Parkbetrieb auf eine aufwändige Schutzbeschaltung und Diagnose verzichtet werden. Zusätzlich dient der Reihenwiderstand 58 als „Bremswiderstand“. Für den Fall, dass ein sehr hoher Stromfluss bei hoher Leitungsinduktivität 57 durch den Schalter 19 abgeschaltet werden muss, ist eine gestufte Abschaltung über den stromlimitier ten Zusatzpfad 50 möglich. To completely separate the current flow between the connection KL 30_1 or the safety-relevant sub-board network and the connection KL 30_0 or the non-safety-relevant sub-board network, six serial MOSFET paths (sub-paths 31, 32, 41, 42, 50, 52) are used in the example . Four (partial paths 31, 32, 41, 42) are closed in normal operation and represent a low-resistance (<2mQ) connection between connection KL30_1 or the safety-relevant sub-board network and connection KL30_0 or non-safety-related sub-board network Additional path 50 is equipped with the additional series resistor 58. The current flow in parking mode (idle mode of the vehicle) can be guided via this and limited (by the resistor 58). Due to this limitation, there is a natural protection against an uncontrolled increase in electricity in park operation. This means that complex protective circuits and diagnostics can be dispensed with in park operation. In addition, the series resistor 58 serves as a “braking resistor”. In the event that a very high current flow with a high line inductance 57 has to be switched off by the switch 19, a stepped switch-off via the current-limited additional path 50 is possible.
Der optionale, weitere Teilpfad 52 des Zusatzpfads 50 kann mit einer Span nungsbegrenzung (beispielsweise durch TVS-Dioden) 55 ausgestattet werden, um einen Betrieb der Schaltmittel 34,44, 36,46 (insbesondere Mosfets) im Avalanche-Modus zu verhindern. The optional, further partial path 52 of the additional path 50 can be equipped with a voltage limiter (for example by TVS diodes) 55 in order to prevent the switching means 34, 44, 36, 46 (in particular Mosfets) from operating in avalanche mode.
Die Pfade sind in zwei Hauptpfade 30,40 aufgeteilt, Hauptpfad 30 mit den Teil pfaden 31,32 (die parallel verschaltet sind), der Hauptpfad 40 mit den Teilpfaden 41,42. Beide Hauptpfade 30,40 verfügen über eine eigene unabhängige Strom- messung bzw. Stromerfassung (Erfassungsmittel 38,39; 48,49), welche den Stromfluss in jedem Hauptpfad 30,40 erfassen. Der erfasste Strom wird mit ei nem vorgebbaren Schwellwert G verglichen. Überschreitet der erfasste Strom ei nen zulässigen Schwellwert G (beispielsweise 250 A in einem Teilpfad 31, 32,The paths are divided into two main paths 30, 40, main path 30 with partial paths 31, 32 (which are connected in parallel), main path 40 with partial paths 41, 42. Both main paths 30.40 have their own independent electricity measurement or current recording (recording means 38,39; 48,49), which record the current flow in each main path 30,40. The recorded current is compared with a predefinable threshold value G. If the recorded current exceeds a permissible threshold value G (for example 250 A in a partial path 31, 32,
41, 42), so wird auf einen Fehlerfall geschlossen und es werden entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet wie beispielsweise das Öffnen der Schaltmittel 34,36, 44,46. Die Hauptpfade 30, 40 besitzen bevorzugt jeweils unabhängig von einander arbeitende Schwellwertvergleiche und/oder Ansteuerungen für das je weilige Schaltmittel 34, 36, 44, 46. 41, 42), it is concluded that there is an error and appropriate countermeasures are initiated, such as opening the switching means 34, 36, 44, 46. The main paths 30, 40 preferably each have independent threshold comparisons and / or controls for the respective switching means 34, 36, 44, 46.
Durch einen symmetrischen Aufbau und den Einsatz von niederohmigen (bei spielsweise kleiner 2 mQ) Schaltmitteln 34,44 kommt es im Normalbetrieb zu ei ner recht gleichmäßigen Aufteilung des Gesamtstromes I auf die beiden Haupt pfade 30,40. Eine zunehmende Asymmetrie der beiden Strommessignale in den beiden Hauptpfaden 30,40 ist ein Indikator für einen Fehler entweder in der Strommessung bzw. den Erfassungsmittel 38,39, 48,49, der Ansteuerung (nicht eigens gezeigt) der Schaltmittel 34,36, 44,46 (beispielsweise bei MOSFET's Ab fallen der Gate-Source-Spannung), oder den Schaltermitteln 34, 44 selbst (z.B. Die-Attach bei MOSFET's etc.). Due to a symmetrical structure and the use of low-resistance (for example less than 2 mΩ) switching means 34, 44 there is a fairly even distribution of the total current I over the two main paths 30, 40 in normal operation. An increasing asymmetry of the two current measurement signals in the two main paths 30, 40 is an indicator of an error either in the current measurement or in the detection means 38, 39, 48, 49, the control (not specifically shown) of the switching means 34, 36, 44, 46 (for example, MOSFET 's from the gate-source voltage drop), or the switch means 34, 44 itself (for example, die attach at MOSFET' s etc.).
Zur Eingrenzung eines Fehlers können die Hauptpfade 30,40 individuell abge schaltet werden, um den gesamten Stromfluss in Folge durch einen einzelnen Hauptpfad 30,40 zu leiten. Dadurch ist eine Plausibilisierung der beiden Strom messignale zueinander, bzw. zu ihrer Summe möglich. Eine gezielte Abschaltung eines der Hauptpfade 30,40 könnte beispielsweise durch kurzzeitige Absenkung des Schwellwerts, der zu einer Abschaltung führt, unterhalb eines Werts des ak tuellen fließenden Stroms in diesem Hauptpfad 30,40 realisiert werden. Weicht der erhöhte Stromwert (Zunahme des Stromwerts nach Abschaltung in dem Hauptpfad 30 gegenüber dem Stromwert in dem Hauptpfad 30 vor Abschaltung) in dem einen Hauptpfad 30 nach der Abschaltung des anderen Hauptpfads 40 signifikant von dem Stromwert ab, der vor der Abschaltung der andere Hauptpfad 40 ermittelt hat, wird auf einen Fehler des Erfassungsmittels 48, 49 geschlossen. Entsprechend kann auch eine Überprüfung des Erfassungsmittels 38,39 und 48, 49 durch Abschalten des Hauptpfads 30 mit entsprechender Erfassung des Stroms vor und nach Abschaltung im weiteren Hauptpfad 40 erfolgen. Durch die Strommessung (durch Erfassungsmittel 38, 39; 48,49) in zwei unab hängigen Hauptpfaden 30,40 und ihre Diagnose ist es möglich, beide Hauptpfa de 30,40 redundant zueinander zu betreiben. In diesem Fall bekommt jeder Hauptpfad 30,40 eine eigene Überstromabschaltung (Abschalten, sobald ein kri tischer Schwellwert bzw. Zustand erreicht wird) und einen eigenen Gatetreiber inkl. der Versorgung. To isolate a fault, the main paths 30, 40 can be switched off individually in order to direct the entire flow of current through a single main path 30, 40 in a row. This enables a plausibility check of the two current measurement signals to one another or to their sum. A targeted shutdown of one of the main paths 30, 40 could be implemented, for example, by briefly lowering the threshold value, which leads to a shutdown, below a value of the current flowing in this main path 30, 40. If the increased current value (increase in the current value after shutdown in the main path 30 compared to the current value in the main path 30 before shutdown) in one main path 30 after the shutdown of the other main path 40 deviates significantly from the current value that was before the shutdown of the other main path 40 has determined, it is concluded that there is an error in the detection means 48, 49. Correspondingly, the detection means 38, 39 and 48, 49 can also be checked by switching off the main path 30 with corresponding detection of the current before and after switching off in the further main path 40. By measuring the current (by detection means 38, 39; 48, 49) in two independent main paths 30, 40 and diagnosing it, it is possible to operate both main paths 30, 40 redundantly to one another. In this case, each main path 30, 40 has its own overcurrent shutdown (shutdown as soon as a critical threshold value or state is reached) and its own gate driver including the supply.
Diese Überstromabschaltung kann ggf. auch im Betrieb getestet werden, um la tente Fehler in der Überstromabschaltung, der Ansteuerung oder den Schaltmit teln 34,44 zu erkennen. Hierzu kann die Überstromabschaltung eines Haupt pfads 30,40 durch Reduzierung des Schwellwertes (beispielsweise von 250 A auf 75 A bzw. abhängig davon, welcher Strom gerade fließt) ausgelöst werden. Die Schaltmittel 34,44 müssen in Folge geöffnet werden und der gemeinsame Strom fluss aus beiden Hauptpfaden 30,40 in den verbleibenden geschlossenen Haupt pfad 30 oder 40 wechseln. This overcurrent shutdown can, if necessary, also be tested during operation in order to detect latent errors in the overcurrent shutdown, the control or the switching means 34, 44. To this end, the overcurrent shutdown of a main path 30, 40 can be triggered by reducing the threshold value (for example from 250 A to 75 A or depending on which current is currently flowing). The switching means 34, 44 must be opened in sequence and the common current flow from the two main paths 30, 40 change to the remaining closed main path 30 or 40.
Die beschriebene Betriebsführung zum Testen, stellt sicher, dass o Die Strommessung bzw. Erfassungsmittel 38,39, 48,49 funktioniert, o Der Stromwert korrekt mit einem Schwellwert verglichen wird o Das Überschreiten des Schwellwerts eine Abschaltung (Öffnen Schalt mittel 34,36, 44,46) triggert. o Die Abschaltung auch wirklich die Schaltmittel 34,36, 44,46 öffnet. The described operational management for testing ensures that o the current measurement or detection means 38,39, 48,49 works, o the current value is correctly compared with a threshold value o if the threshold value is exceeded, a shutdown (opening switch means 34,36, 44 , 46) triggers. o The shutdown actually opens the switching means 34, 36, 44, 46.
Zusätzlich ist es möglich, das Mittenpotential zwischen den antiseriell verschalte- ten Schaltelementen 34.1, 34.2; 44.1, 44.2 z.B. in den negativen Bereich zu zie hen um zu prüfen, ob beide Schaltelemente 34.1; 34.2; 44.1,44.2 eine definierte Spannung sperren können. In addition, it is possible to increase the center potential between the switching elements 34.1, 34.2; 44.1, 44.2 e.g. to move into the negative range to check whether both switching elements 34.1; 34.2; 44.1,44.2 can block a defined voltage.
Durch die umfangreiche Diagnose ist es möglich, hohe Sicherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) auf die Trennfähigkeit des Schaltmittels 19 zu garantie ren. The extensive diagnostics make it possible to guarantee high safety requirements (for example ASIL C) for the isolating capability of the switching means 19.
Durch die ebenfalls redundante Ansteuerung beider Hauptpfade 30,40 ist es zu dem möglich, hohe Sicherheitsanforderungen (beispielsweise ASIL C) für die Leitfähigkeit mindestens eines Hauptpfads 30,40 zu garantieren. Im Fehlerfall ist es möglich, mit nur einem einzigen Hauptpfad 30,40 einen reduzierten Betrieb aufrecht zuerhalten. Hierfür sind die Hauptpfade 30,40 im Idealfall ineinander verschachtelt, um die Bildung von lokalen Leistungspitzen zu verhindern. The redundant control of both main paths 30, 40 also makes it possible to meet high safety requirements (for example ASIL C) for the To guarantee conductivity of at least one main path 30.40. In the event of a fault, it is possible to maintain reduced operation with just a single main path 30, 40. For this purpose, the main paths 30, 40 are ideally nested in one another in order to prevent the formation of local power peaks.
Parallel zu dem niederohmigen Hauptpfad 30, 40 wird der Zusatzpfad 50 vorge halten, welcher mit dem Reihenwiderstand 58 ausgeführt ist. Über den Reihen widerstand 58 (z.B. 40mQ) kann die maximale Stromhöhe, welche z.B. in einem 12V Bordnetz durch den Widerstand 58 fließen kann, auf unkritische Werte limi tiert werden. Über diesen Zusatzpfad 50 kann dadurch auch eine „hochohmige“ Verbindung zwischen Anschluss KL30_1 und Anschluss KL30_0 insbesondere im Parkbetrieb (Ruhebetrieb des Fahrzeugs, Fahrzeug ist abgestellt) erzielt wer den. Die Erfassung des Stromflusses über den Zusatzpfad 50 insbesondere im Parkbetrieb kann als Aufwachsignal für das Steuergerät genutzt werden. Beim Aufwachen kann die Ursache des Stromanstieges bewertet werden und im Falle eines Fehlerstromes eine vollständige Trennung beider Netze (beispielsweise Trennung Teilbordnetz mit Energiespeicher 12 von den weiteren Teilbordnetzen 10 bzw. 10‘) durchgeführt werden. Im Falle eines berechtigten Aufwachens aus dem Parkbetrieb werden Anschluss KL30_1 bzw. sicherheitsrelevante Teilbord netz und Anschluss KL30_0 bzw. nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz niede rohmig verbunden und es wird in den Aktivbetrieb gewechselt. The additional path 50, which is implemented with the series resistor 58, is held parallel to the low-resistance main path 30, 40. Via the series resistor 58 (e.g. 40mQ), the maximum current level, which can flow through the resistor 58 in a 12V vehicle electrical system, for example, can be limited to uncritical values. A “high-resistance” connection between connection KL30_1 and connection KL30_0 can thereby also be achieved via this additional path 50, in particular in parking operation (idle operation of the vehicle, vehicle is parked). The detection of the current flow via the additional path 50, in particular in parking operation, can be used as a wake-up signal for the control device. When you wake up, the cause of the increase in current can be assessed and, in the event of a fault current, a complete separation of both networks (for example separation of the sub-on-board network with energy storage 12 from the other sub-on-board networks 10 or 10) can be carried out. In the event of an authorized wake-up from parking operation, connection KL30_1 or the safety-relevant sub-board network and connection KL30_0 or non-safety-relevant sub-board network are connected and there is a change to active operation.
Zum initialen Vorladen von kapazitiven Bordnetzzweigen kann über den Zusatz pfad 50 eine resistive Vorladefunktionalität realisiert werden. For the initial pre-charging of capacitive on-board network branches, a resistive pre-charging functionality can be implemented via the additional path 50.
Um im Kurzschlussfall den Anschluss KL30_1 bzw. das sicherheitsrelevante Teilbordnetz (mit dem sicherheitsrelevanten Verbrauchern 16,25) und den An schluss KL30_0 bzw. das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz (mit den nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern 17) unter hoher Stromlast trennen zu kön nen, muss die induktive Last durch den Trennvorgang geklemmt werden. Als ro buster Ansatz, das Stromniveau bei der Trennung eines Kurzschlusses auf unkri tische Werte zu reduzieren, wird der Zusatzpfad 50 mit dem Reihenwiderstand 58 zudem zum Abschnüren des Stromes verwendet. Hierzu wird bei einer Über stromabschaltung zuerst nur der niederohmige Hauptschalter 34, 36, 44, 46 ge öffnet. Die Energie, welche in der Leitungsinduktivät 57 eingespeichert ist, wird in Folge über das RL-Glied aus Leitung 57 und Reihenwiderstand 58 auf ein unkri tisches Niveau reduziert. Erst danach wird auch der Zusatzpfad 50 (der Pfad mit dem Reihenwiderstand 58) geöffnet, um den Stromfluss final zu unterbrechen. In order to be able to disconnect the connection KL30_1 or the safety-relevant sub-board network (with the safety-relevant consumers 16, 25) and the connection KL30_0 or the non-safety-relevant sub-board network (with the non-safety-relevant consumers 17) under a high current load in the event of a short circuit, the inductive Load are clamped by the disconnection process. As a robust approach to reducing the current level when a short circuit is disconnected to uncritical values, the additional path 50 with the series resistor 58 is also used to cut off the current. For this purpose, only the low-resistance main switch 34, 36, 44, 46 ge opens at an over current shutdown. The energy which is stored in the line inductance 57 is in Result on the RL member from line 57 and series resistor 58 reduced to an uncritical level. Only then is the additional path 50 (the path with the series resistor 58) opened in order to finally interrupt the flow of current.
Um das Umkommutieren des Stromes vom Hauptpfad 30,40 auf den hochohmi gen Zusatzpfad 50 zu unterstützen, können zusätzliche RC-Glieder (snubber) den Kommutierungsvorgang unterstützen. Diese RC-Glieder werden gebildet durch Kondensatoren 61,63, 67,69 und zugehörigen Widerständen 65,71. In order to support the commutation of the current from the main path 30, 40 to the high-resistance additional path 50, additional RC elements (snubbers) can support the commutation process. These RC elements are formed by capacitors 61, 63, 67, 69 and associated resistors 65, 71.
Da die Klemmfunktion des Zusatzpfads 50 mit dem Reihenwiderstand 58 für das Einhalten der funktionalen Sicherheitsziele nötig ist, muss dessen Verfügbarkeit über eine Diagnose sichergestellt werden. Als Möglichkeit bietet sich an, den an teiligen Stromfluss im laufenden Betrieb durch den Zusatzpfad 50 zu überwa chen. Eine andere Möglichkeit ist, die Leitfähigkeit des Zusatzpfads 50 über ei nen Teststrom zu prüfen, weicher zwischen den antiseriellen Schaltelementen 54.1, 54.2 des Zusatzpfades 50 eingeprägt wird. Since the clamping function of the additional path 50 with the series resistor 58 is necessary for compliance with the functional safety goals, its availability must be ensured via a diagnosis. One possibility is to monitor the partial current flow through the additional path 50 during operation. Another possibility is to check the conductivity of the additional path 50 via a test current which is impressed between the antiserial switching elements 54.1, 54.2 of the additional path 50.
Das beschriebene automotive Hauptschalterkonzept bzw. Schaltmittel 19 für si cherheitskritische Hochstromanwendungen eignet sich wie nachfolgend be schrieben auch besonders für die gezielte Auslösung von Schmelzsicherungen 23 unter Beibehaltung bestimmter Sicherheitsanforderungen. Unter geeigneten Bordnetz-Randbedingungen können beinahe alle Sicherungen 23 direkt im Fähr betrieb ausgelöst werden. Der Leistungsverteiler 18 stellt sicher, dass die Span nungsgrenzen nicht verletzt werden, um die Verfügbarkeit von sicherheitsrele vanten Verbrauchern zu garantieren. Allerdings erfolgt kein Freibrennen der Schmelzsicherungen 23 während der Fahrt beispielsweise bei nachfolgenden Szenarien. So könnte beispielsweise ein Hochstromverbraucher wie ein Kühler lüfter durch einen direkten Kurzschluss das aktuelle Stromlimit (beispielsweise 900 A) überschreiten. Der Lüfter ist so niederohmig angebunden, dass der Kurz schlussstrom bei hoher Bordnetzspannung (während der Fahrt bei laufendem Generator/aktivem Gleichspannungswandler 22) die 900-1000 A überschreitet. In diesem Fall wird das Schaltmittel 19, der Hochstromschalter, zum Eigenschutz geöffnet. Ein weiteres kritisches Szenario könnte darin bestehen, dass beispiels weise ein niederohmiger Kurzschluss direkt am Hauptverteiler zu so hohen Strömen führt, dass durch den Spannungsabfall bestimmte Spannungsgrenzen verletzt werden. Dieser Kurzschluss wäre zwar so hochohmig, dass die 900 A- Schwelle nicht überschritten wird, jedoch so niederohmig, dass das Schaltmittel 19 bzw. der Trennschalter einen sicherheitskritischen Spannungseinbruch detek- tiert. Kritische sicherheitsrelevante Verbraucher 16 wie Lenkung und Bremse könnten bei dieser Unterspannung nicht mehr sicher versorgt werden. Um die Versorgung der sicherheitskritischen Verbraucher 16 wie Bremse und Lenkung sicherzustellen, wird das Schaltmittel 19 geöffnet. Das Fahrzeug rollt mit voller Lenk/Bremsunterstützung aus (die Motorsteuerung als Teil der an Anschluss KL 30_0 angeschlossenen Verbraucher 17 kann aufgrund des Kurzschlusses in die sem Bordnetzzweig nicht mehr versorgt werden kann). Alle Sicherungen 23 bie ten das Potenzial, im Stillstand des Fahrzeugs bei Klemmenwechsel ausgelöst zu werden. Damit können Liegenbleiber vermieden werden, da das Fahrzeug nach der Funktion „Sicherung freibrennen“ in Stillstand wieder gestartet werden kann. Im Fall des beschriebenen Kühlerlüfters führt eine geringere Batteriespan nung im Stand zu einem reduzierten Kurzschlussstrom. Im Fall des beschriebe nen Hauptverteilerkurzschlusses können die Spannungsgrenzen deaktiviert wer den, da das Fahrzeug steht. Dies wird erreicht durch die Befähigung des Leis tungsverteilers 18, beispielsweise Sicherungen 23 mit Strömen größer 400 A kontrolliert auszulösen. The automotive main switch concept or switching means 19 described for safety-critical high-current applications is, as described below, also particularly suitable for the targeted triggering of fuses 23 while maintaining certain safety requirements. Under suitable on-board network boundary conditions, almost all fuses 23 can be triggered directly during ferry operation. The power distributor 18 ensures that the voltage limits are not violated in order to guarantee the availability of safety-relevant consumers. However, the fuses 23 do not burn free while driving, for example in the following scenarios. For example, a high-current consumer such as a radiator fan could exceed the current current limit (e.g. 900 A) through a direct short circuit. The fan is connected with such low resistance that the short-circuit current exceeds 900-1000 A when the vehicle electrical system voltage is high (while driving with the generator / active DC voltage converter 22 running). In this case, the switching means 19, the high-current switch, is opened for self-protection. Another critical scenario could be that, for example, a low-resistance short circuit directly on the main distributor leads to currents that are so high that the voltage drop causes certain voltage limits get hurt. This short circuit would be so high-resistance that the 900 A threshold is not exceeded, but so low-resistance that the switching means 19 or the isolating switch detects a safety-critical voltage drop. Critical safety-relevant consumers 16 such as steering and brakes could no longer be safely supplied with this undervoltage. In order to ensure the supply of the safety-critical consumers 16 such as brakes and steering, the switching means 19 is opened. The vehicle coasts with full steering / braking assistance (the engine control as part of the consumer 17 connected to terminal KL 30_0 can no longer be supplied due to the short circuit in this branch of the vehicle electrical system). All fuses 23 offer the potential to be triggered when the vehicle is at a standstill when the terminals are changed. This avoids breakdowns, as the vehicle can be restarted from a standstill after the "blow out fuse" function. In the case of the cooling fan described, a lower battery voltage when stationary leads to a reduced short-circuit current. In the case of the main distribution short circuit described, the voltage limits can be deactivated because the vehicle is stationary. This is achieved through the ability of the power distributor 18 to trigger, for example, fuses 23 with currents greater than 400 A in a controlled manner.
In Figur 3 ist die Erst-Inbetriebnahme des Fahrzeugs bzw. das Trennen der Teil bordnetze bei einem kritischen Zustand beschrieben. Gestrichelt angedeutet ist der durch den Verbraucher 17 fließende Betriebsstrom in Figur 3A. Zunächst wird ein Stromfluss 60 nur durch den Zusatzpfad 50 eingeleitet. Hierzu sind die Schaltmittel 34,36, 44,46 der Hauptpfade 30,40 geöffnet. Über die Aktivierung des Zusatzpfads 50 erfolgt eine Vorladung der Zwischenkreiskapazität 11. Gera de bei der Erstinbetriebnahme des Fahrzeugs würde ein Laden der leeren Zwi schenkreiskapazitäten 11 eventuell zu zu hohen Strömen in den Hauptfaden 30,40 führen. Dem wird entgegengewirkt wie beschrieben durch das Laden der Zwischenkreiskapazität 11 über den Zusatzpfad 50. Zu dem Zeitpunkt der Akti vierung des Zusatzpfads 50 steigt der Strom kurzzeitig etwas an, um anschlie ßend wieder leicht abzunehmen. Die Spannung am Zusatzpfad 50 sinkt bei der Aktivierung sprungförmig ab, um im Verlaufe des Aufladens des Zwischenkreis kondensators 11 zunächst stärker anzusteigen und im weiteren Verlauf wieder langsam abzunehmen. Wurde die Zwischenkreiskapazität 11 vorgeladen (beispielsweise nach 5 ms) er folgt die Aktivierung des Schaltmittels 19, sodass zumindest einer der beiden Hauptpfade 30,40 den Strom 60 führt, Figur 3B. Es können auch beide Haupt pfade 30,40 den Strom 60 führen. Das Bordnetz befindet sich nun im regulären Betriebszustand und beide Teilbordnetze (KL30_0 und KL30_1) sind niederoh mig verbunden). Der Zusatzpfad 50 kann hierbei geschlossen bleiben oder ge öffnet werden. In Figure 3, the initial start-up of the vehicle or the disconnection of the sub-wiring systems in a critical condition is described. The operating current flowing through the consumer 17 is indicated by dashed lines in FIG. 3A. Initially, a current flow 60 is initiated only through the additional path 50. For this purpose, the switching means 34, 36, 44, 46 of the main paths 30, 40 are open. By activating the additional path 50, the intermediate circuit capacitance 11 is precharged. Especially when the vehicle is started up for the first time, charging the empty intermediate circuit capacities 11 would possibly lead to excessively high currents in the main thread 30, 40. This is counteracted, as described, by charging the intermediate circuit capacitance 11 via the additional path 50. At the point in time when the additional path 50 is activated, the current briefly increases slightly, only to then decrease slightly. The voltage on the additional path 50 drops suddenly when activated, in order to initially rise more sharply in the course of charging the intermediate circuit capacitor 11 and then slowly decrease again in the further course. If the intermediate circuit capacitance 11 has been precharged (for example after 5 ms), the switching means 19 is activated so that at least one of the two main paths 30, 40 carries the current 60, FIG. 3B. Both main paths 30, 40 can also carry the current 60. The on-board network is now in the regular operating state and both sub-on-board networks (KL30_0 and KL30_1) are connected with low resistance). The additional path 50 can remain closed or be opened.
In der Figur 3C ist das Auftreten eines Kurzschlusses vor dem Verbraucher 17 gegen Masse als beispielhafter Fehler dargestellt. Der Bordnetzzweig KL30_0 wird dadurch niederohmig gegenüber Masse und es kommt zu einem schnellen Stromanstieg durch das Schaltmittel 19. Durch den Stromanstieg kommt es zu einem Absinken der Bordnetzbetriebsspannung beider (niederohmig) gekoppel ten Bordnetzzweige KL30_0 und KL30_1. Die Spannung auf der sicherheitskriti schen Bordnetzseite KL30_1 wird durch den Leistungsverteiler 18 permanent überwacht, um eine fehlerfreie Energieversorgung der sicherheitskritischen Las ten 16, 25 zu garantieren. Falls der Spannungseinbruch zu stark ist, um den feh lerfreien Betrieb zu garantieren, werden beide Bordnetze (Teilbordnetz an An schluss KL 30 _ 0 und Teilbordnetz an Anschluss KL 30 _ 1) gemäss des Ablaufs in Figur 3D und 3E getrennt. Neben der Auswertung des Spannungspegels wird auch eine Auswertung der Zeitdauer vorgenommen, da starke Spannungsein brüche für kurze Zeitdauern unkritisch sind und erst ab einer gewissen Zeitdauer sicherheitskritisch werden. Zusätzlich zu dem Spannungseinbruch kann zusätz lich durch Auswertung der Stromrichtung überprüft werden, ob Strom aus dem sicherheitkrischen Bordnetz KL30_1 in das Basisbordnetz KL30_0 abfliesst. Nur wenn diese Stromrichtung auftritt (also keine Unterstützung des sicherheitsrele vanten Verbrauchers 16,25 bzw. des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes durch das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz) erfolgt das Öffnen des Schaltmittels 19. Wenn der Stromwert den Schwellwert zur Abschaltung (z.B. 500A pro Pfad 30, 40) überschreitet, wird eine Trennung beider Bordnetze gemäss Figur 3D und 3E ausgeführt, um einen Betrieb des Schaltmittels 19 ausserhalb der relevanten Spezifikation zu verhindern. In Figur 3D wird der Trennvorgang beider Teilbordnetze (KL 30 _ 0 und KL 30 _In FIG. 3C, the occurrence of a short circuit in front of the consumer 17 to ground is shown as an exemplary fault. The on-board network branch KL30_0 becomes low-resistance to ground and there is a rapid current increase through the switching means 19. The current increase leads to a decrease in the on-board network operating voltage of both (low-resistance) coupled on-board network branches KL30_0 and KL30_1. The voltage on the safety-critical electrical system side KL30_1 is permanently monitored by the power distributor 18 in order to guarantee an error-free energy supply for the safety-critical loads 16, 25. If the voltage dip is too strong to guarantee error-free operation, both on-board networks (sub-on-board network at connection KL 30_ 0 and sub-on-board network at connection KL 30_ 1) are separated according to the sequence in FIGS. 3D and 3E. In addition to the evaluation of the voltage level, an evaluation of the duration is also carried out, since strong voltage drops are not critical for short periods of time and only become safety-critical after a certain period of time. In addition to the voltage drop, evaluating the direction of the current can also be used to check whether current is flowing from the safety-critical on-board network KL30_1 into the basic on-board network KL30_0. Only when this current direction occurs (i.e. no support for the safety-relevant consumer 16, 25 or the safety-relevant sub-board network by the non-safety-relevant sub-board network) does the switching device 19 open. exceeds, a separation of the two vehicle electrical systems according to Figure 3D and 3E is carried out in order to prevent operation of the switching means 19 outside the relevant specification. In Figure 3D, the separation process of both sub-electrical systems (KL 30 _ 0 and KL 30 _
1) durch Öffnen der Schaltmittel 34,36, 44,46 gestartet. Der Strom 60 fließt nun über den Zusatzpfad 50. Der Zusatzpfad 50 ist geschlossen. Über den Zusatz pfad 50 erfolgt die Strombegrenzung unter Verwendung des Widerstands 58. Über die entsprechenden RC-Glieder (vergleiche Figur 2 (Kondensatoren 61,63, 67,69, Widerstände 65,71) können die kurzzeitig hohen Ströme bei der Kommu tierung gepuffert werden. 1) started by opening the switching means 34, 36, 44, 46. The current 60 now flows via the additional path 50. The additional path 50 is closed. The current is limited via the additional path 50 using the resistor 58. The short-term high currents during commutation can be buffered via the corresponding RC elements (compare FIG. 2 (capacitors 61, 63, 67, 69, resistors 65, 71) .
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Strom über den Zusatzpfad 50 nur für einen begrenzten Zeitraum fließt, insbesondere um Überlastzustände zu vermeiden. Beispielsweise könnte ein fixer Zeitraum vorgesehen werden (beispielsweise im ms-Bereich, beispielsweise für 1 ms), für den der Zusatzpfad 50 geschlossen ist. Hierzu könnte beispielsweise mit Öffnen der Hauptpfade 30, 40 ein Timer gestar tet werden, bei dessen Ablauf der Zusatzpfad 50 wieder geöffnet wird. Alternative Ausgestaltungen wären möglich. Beispielsweise könnte der Zusatzpfad 50 ab hängig von bestimmten Kenngrößen beispielsweise bei Überschreiten eines be stimmten Grenzwerts für Strom oder Temperatur oder ähnliches abgeschaltet werden. It is preferably provided that the current flows via the additional path 50 only for a limited period of time, in particular in order to avoid overload conditions. For example, a fixed period of time could be provided (for example in the ms range, for example for 1 ms) for which the additional path 50 is closed. For this purpose, for example, when the main paths 30, 40 are opened, a timer could be started, when the timer expires, the additional path 50 is opened again. Alternative configurations would be possible. For example, the additional path 50 could be switched off as a function of certain parameters, for example when a certain limit value for current or temperature or the like is exceeded.
In Figur 3E ist gezeigt, wie der Zusatzpfad 50 geöffnet wird. Allerdings ist der Teilpfad 52 noch weiterhin geschlossen bzw. aktiv. Hierzu sind beispielsweise die Begrenzungsmittel 55,56 (beispielsweise Dioden, besonders bevorzugt TVS- Dioden) vorgesehen, um die Schaltenergie aufzunehmen bzw. um die Schaltmit tel 34,36, 44,46, insbesondere MOSFET's, vor dem Avalanche-Betrieb zu schüt zen, Figur 3E. Dies könnte neben dem Teilpfad 52 (als Bestandteil der Schaltung für das Schaltmittel 19) auch über beispielsweise eine externe Beschaltung in Verbindung mit den Hauptpfaden 30,40 vorgenommen werden. FIG. 3E shows how the additional path 50 is opened. However, the partial path 52 is still closed or active. For this purpose, for example, the limiting means 55,56 (for example, diodes, particularly preferably TVS diodes) provided to accommodate the shift energy or by the Schaltmit tel 34.36, 44.46, especially MOSFET's, shakers before the avalanche mode to zen, Figure 3E. In addition to the partial path 52 (as part of the circuit for the switching means 19), this could also be done, for example, via an external circuit in connection with the main paths 30, 40.
Bei der beschriebenen Vorgehensweise zum Freibrennen der Sicherung 23 wird die sich einstellende Stromhöhe durch die Impedanz des Kurzschlusses limitiert. Die Schaltmittel 34,36, 44,46 in den Hauptpfaden 30,40 müssen in der Lage sein, die Peak-Verluste zu speichern bzw. einen besseren thermischen Wderstand aufzuweisen als die Sicherung 23. Die Energie zum Aufschmelzen der Sicherung 23 wird über den Kaltstart-Pfad von dem Energiespeicher 12 bereitgestellt. Ge gebenenfalls kann der Gleichspannungswandler 22 unterstützen. Weiterhin kann das Schaltmittel 19 so ausgelegt sein, dass im Rahmen eines verfügbarkeitsoptimierten Designs das Freibrennen der Sicherungen 23 am An schluss KL 30_0 mit lediglich einem einzigen Hauptpfad 30,40 möglich ist (Ver sorgungsredundanz). In the procedure described for burning the fuse 23 free, the current level that occurs is limited by the impedance of the short circuit. The switching means 34, 36, 44, 46 in the main paths 30, 40 must be able to store the peak losses or have a better thermal resistance than the fuse 23. The energy for melting the fuse 23 is obtained via the cold start Path provided by the energy store 12. If necessary, the DC-DC converter 22 can support. Furthermore, the switching means 19 can be designed in such a way that, within the scope of an availability-optimized design, it is possible to burn the fuses 23 at the connection KL 30_0 with just a single main path 30, 40 (supply redundancy).
Die in Figur 3 beschriebene gestufte Abschaltung verhindert Oszillationen und führt Schaltverluste beispielsweise über robuste Metallwiderstände 58. The stepped shutdown described in FIG. 3 prevents oscillations and leads to switching losses, for example via robust metal resistors 58.
Kurzschlüsse mit einer zu geringen Impedanz können nicht ausgelöst werden. Es wird sichergestellt, dass das Freibrennen einer Sicherung 23 zum Schutz vor thermischen Ereignissen immer abgebrochen werden kann. Der Stromfluss bleibt dafür immer innerhalb der Designgrenzen. Darüber hinaus ist das Schaltmittel 19 so ausgelegt, dass es den Kurzschlussstrom solange tragen kann, bis die Siche rung 23 durchgebrannt ist oder eine Unterspannung auftritt. Short circuits with too low an impedance cannot be triggered. It is ensured that the burning of a fuse 23 to protect against thermal events can always be canceled. The current flow always remains within the design limits. In addition, the switching means 19 is designed so that it can carry the short-circuit current until the fuse 23 has blown or an undervoltage occurs.
Beispielhaft wird in Figur 4 hierzu ein Flussdiagramm erläutert. In Schritt 101 tritt ein Kurzschluss des Verbrauchers 17 auf, der an dem Anschluss KL 30_0 des Leistungsverteilers 18 bzw. im Teilbordnetz für nicht sicherheitsrelevante Ver braucher 17 angeschlossen ist. A flow chart is explained in FIG. 4 by way of example. In step 101, a short circuit occurs in the consumer 17, which is connected to the connection KL 30_0 of the power distributor 18 or in the sub-on-board network for consumers 17 that are not safety-relevant.
In der Verzweigung 102 wird unterschieden, ob der Strom durch das Schaltmittel 19 einen Schwellwert (beispielsweise 900... 1000 A) übersteigt oder ob eine Un terspannung der Spannung am Anschluss KL 30 _ 1 des Leistungsverteiler 18 auftritt (beispielsweise U_30_1 < 9,6V) bzw. für eine bestimmte Zeitspanne auf tritt. Sollte keine der Bedingungen erfüllt sein, schließt sich Schritt 103 an, an sonsten Schritt 104. In branch 102 a distinction is made as to whether the current through the switching means 19 exceeds a threshold value (for example 900 ... 1000 A) or whether an undervoltage occurs in the voltage at connection KL 30_ 1 of the power distributor 18 (for example U_30_1 <9.6V ) or occurs for a certain period of time. If none of the conditions are met, step 103 follows, followed by step 104.
In Schritt 103 wird die Sicherung 23 am Anschluss KL 30_0 des Leistungsvertei lers 18 im laufenden Fährbetrieb freigebrannt. Dies erfolgt durch eine geeignete Aktivierung des Schaltmittels 19. In step 103, fuse 23 at connection KL 30_0 of power distributor 18 is burned free while the ferry is in operation. This takes place by a suitable activation of the switching means 19.
Sollte in Abfrage 102 ein sicherheitskritischer Betriebsfall detektiert worden sein, wird in Schritt 104 zunächst das Schaltmittel 19 geöffnet. Damit wird zum einen das Schaltmittel 19 geschützt. Zum anderen wird sichergestellt, dass der Kurz- Schluss des Verbrauchers 17 nicht weiterhin zu einer Unterspannung für die si cherheitsrelevanten Verbraucher 16 führt. Should a safety-critical operating case have been detected in query 102, switching means 19 is first opened in step 104. In this way, on the one hand, the switching means 19 is protected. On the other hand, it ensures that the short The end of the consumer 17 does not continue to lead to an undervoltage for the safety-relevant consumer 16.
Nachdem ein Fehlerfall detektiert wurde (in Schritt 102), wird in Schritt 105 ein sicherer Halt des Fahrzeugs eingeleitet. Sobald das Fahrzeug sich im Stillstand befindet, schließt sich Schritt 106 an. After a fault has been detected (in step 102), a safe stop of the vehicle is initiated in step 105. As soon as the vehicle is at a standstill, step 106 follows.
In Schritt 106 wird das Unterspannungskriterium (wie in Schritt 102 beispielhaft beschrieben) deaktiviert. In step 106 the undervoltage criterion (as described by way of example in step 102) is deactivated.
In Schritt 107 wird der Vorladepfad bzw. Zusatzpfad 50 und der Klemmungspfad bzw. Teilpfad 52 zugeschaltetet. Ebenso wird das Schaltmittel 19 zugeschaltet. Durch diesen Schritt fliesst ein erster Strom in den Kurzschluss und reduziert das Spannungsniveau im sicherheitsrelevanten Bordnetzzweig KL30_1. Zum siche ren Freibrennen der Sicherung 23 werden zusätzlich die Strompfade 30 und 40 beide (mindestens jedoch einer) geschlossen. Durch die nunmehr niederohmige Verbindung kommt es zu einem schnellen Freibrennen der Sicherung 23. Die Überstromschwelle zum Schutz des Schaltmittels 19 bleibt in dieser Zeit aktiv, um den Freibrennvorgang jederzeit ohne Überschreitung der Auslegungsgrenzen abbrechen zu können. Thermische Überwachungen innerhalb des ei. Leistungs verteilers 18 bleiben zum Schutz der Komponente ebenfalls aktiv. In step 107, the precharge path or additional path 50 and the clamping path or partial path 52 are switched on. The switching means 19 is also switched on. As a result of this step, a first current flows into the short circuit and reduces the voltage level in the safety-relevant on-board network branch KL30_1. For the safe burning of the fuse 23, the current paths 30 and 40 both (but at least one) are also closed. The now low-resistance connection causes the fuse 23 to burn out quickly. The overcurrent threshold for protecting the switching means 19 remains active during this time in order to be able to interrupt the burn-out process at any time without exceeding the design limits. Thermal monitoring within the egg. Power distributor 18 also remain active to protect the component.
Nach erfolgtem Freibrennen der Sicherung 23 wird das Unterspannungskriterium wieder reaktiviert, Schritt 108. After the fuse 23 has burned out, the undervoltage criterion is reactivated, step 108.
Die Weiterfahrt wird freigegeben, Schritt 109. Continuation of travel is enabled, step 109.
Das Schaltmittel 19 eignet sich insbesondere zur Absicherung insbesondere si cherheitsrelevanter Verbraucher 16, 25 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Verbindung mit einem Leistungsverteiler 18, der über einen Mikrocontroller 13 gezielten Auswertung bestimmter Kenngrößen verfügt. Dieser Mikrocontroller 13 kann nun gleichfalls durch die entsprechende Auswertung der Kenngrößen der Erfassungsmittel 38,39, 48,49 und entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel 34,36, 44,46 verwendet werden. Die Verwendung ist jedoch darauf nicht einge schränkt. The switching means 19 is particularly suitable for safeguarding, in particular, safety-relevant consumers 16, 25 in a motor vehicle, in particular in connection with a power distributor 18 which has a microcontroller 13 to evaluate specific parameters in a targeted manner. This microcontroller 13 can now also be used through the corresponding evaluation of the parameters of the detection means 38, 39, 48, 49 and corresponding control of the switching means 34, 36, 44, 46. However, its use is not restricted to this.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung zur Absicherung insbesondere sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, umfassend zumindest zwei parallel zueinander ver- schaltete Hauptpfade (30,40), die zwischen einem Teilbordnetz für zumindest einen sicherheitsrelevanten Verbraucher (16, 25) insbesondere eines Kraft fahrzeugs und einem weiteren Teilbordnetz für zumindest einen nicht sicher heitsrelevanten Verbraucher (17) angeordnet sind, wobei das Teilbordnetz für den sicherheitsrelevanten Verbraucher (16,25) durch einen Energiespeicher (12) versorgt ist, wobei jeder der Hauptpfade (30,40) zumindest ein Schaltmit tel (34,36; 44,46) umfasst, wobei jeder der Hauptpfade (30,40) zumindest ein Erfassungsmittel (38,39; 48,49) zur Erfassung eines durch den jeweiligen Hauptpfad (30,40) fließenden Stroms umfasst, wobei zumindest ein Zusatz pfad (50) vorgesehen ist, der parallel zu den Hauptpfaden (30,40) verschaltet ist, wobei der Zusatzpfad (50) zumindest ein Schaltmittel (54) aufweist, wobei die Schaltmittel (34,36; 44,46) der Hauptpfade (30, 40) ausgebildet sind, um bei Erkennung eines kritischen Zustands, insbesondere eines Überstroms und/oder einer Unter- oder Überspannung am Teilbordnetz für den sicher heitsrelevanten Verbraucher, (16,25) zu öffnen. 1. Device for safeguarding in particular safety-relevant consumers in a motor vehicle, comprising at least two main paths (30,40) connected in parallel to one another, between a sub-board network for at least one safety-relevant consumer (16, 25) in particular a motor vehicle and a further sub-board network for at least one non-safety-relevant consumer (17) are arranged, the sub-on-board network for the safety-relevant consumer (16, 25) being supplied by an energy store (12), each of the main paths (30, 40) at least one switching means (34, 36) ; 44,46), each of the main paths (30,40) comprising at least one detection means (38,39; 48,49) for detecting a current flowing through the respective main path (30,40), wherein at least one additional path ( 50) is provided, which is connected in parallel to the main paths (30, 40), the additional path (50) having at least one switching means (54), the switching means l (34.36; 44, 46) of the main paths (30, 40) are designed to open when a critical state is detected, in particular an overcurrent and / or an undervoltage or overvoltage on the sub-electrical system for the safety-relevant consumer (16, 25).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptpfade (30,40) jeweils zumindest zwei parallelverschaltete Teilpfade (31,32, 41,42) umfassen mit jeweils zumindest einem Schaltmittel (34,36, 44,46) und/oder mit jeweils zumindest einen Erfassungsmittel (38,39, 48,49). 2. Device according to claim 1, characterized in that the main paths (30, 40) each comprise at least two parallel-connected partial paths (31, 32, 41, 42) each with at least one switching means (34, 36, 44, 46) and / or each with at least one detection means (38, 39, 48, 49).
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Zusatzpfad (50) zumindest einen Widerstand (58) auf weist, insbesondere zur Strombegrenzung und/oder Aufnahme von Energie beim Schaltvorgang der Schaltmittel (34,36, 44,46). 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the additional path (50) has at least one resistor (58), in particular for current limitation and / or absorption of energy during the switching process of the switching means (34, 36, 44, 46) .
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass über den Zusatzpfad (50) eine Kopplung im Parkbetrieb des Fahrzeugs und/oder eine Vorladung eines Zwischenkreiskondensators (11) erfolgt. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a coupling in parking operation of the vehicle and / or a pre-charging of an intermediate circuit capacitor (11) takes place via the additional path (50).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest zu dem Schaltmittel (34,36, 44,46) zumindest ein Kondensator (61,63, 67,69) und zumindest ein Widerstand (65,71) parallel verschaltet ist als Kommutierungshilfe für das jeweilige Schaltmittel (34,36, 44,46). 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one capacitor (61, 63, 67, 69) and at least one resistor (65, 71) are connected in parallel to at least the switching means (34, 36, 44, 46) is as a commutation aid for the respective switching means (34,36, 44,46).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Teilpfad (52) parallel verschaltet zu dem Zusatzpfad (50) vorgesehen ist, wobei der Teilpfad (52) zumindest eine Spannungsbegren zung (48), insbesondere eine Diode, besonders bevorzugt eine TVS-Diode umfasst. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a partial path (52) connected in parallel to the additional path (50) is provided, the partial path (52) at least one voltage limiter (48), in particular a diode, particularly preferred comprises a TVS diode.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Teilpfad (52) zumindest ein Schaltmittel (56) und/oder zu mindest ein Erfassungsmittel (59), in Reihe zu der Spannungsbegrenzung (48) angeordnet, umfasst. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the partial path (52) comprises at least one switching means (56) and / or at least one detection means (59) arranged in series with the voltage limiter (48).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schaltmittel (34,36, 44,46, 54,56) aus zwei antiseriell an geordneten Schaltelementen (34.1, 34.2,36.1, 36.2, 44.1, 44.2, 46.1, 46.2, 54.1, 54.2, 56.1,56.2) gebildet sind, insbesondere Leistungshalbleiter, beson ders bevorzugt FET's oder MOSFET's. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means (34, 36, 44, 46, 54, 56) consists of two switching elements (34.1, 34.2, 36.1, 36.2, 44.1, 44.2, 46.1, 46.2, 54.1, 54.2, 56.1,56.2) are formed, in particular power semiconductor particular, DERS preferably FET's or MOSFET's.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schaltmittel (34,36, 44,46) und die Erfassungsmittel (38,39, 48,49) in den jeweiligen Hauptpfaden (30,40) und/oder Teilpfaden (31,32, 41,42) mit identischen Kenngrößen verwendet sind, insbesondere zu einer symmetrischen bzw. gleichmäßigen Stromverteilung in den Hauptpfa den (30,40) bzw. Teilpfaden (31,32, 41,42). 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means (34, 36, 44, 46) and the detection means (38, 39, 48, 49) in the respective main paths (30, 40) and / or partial paths (31, 32, 41, 42) are used with identical parameters, in particular for a symmetrical or uniform current distribution in the main paths (30, 40) or partial paths (31, 32, 41, 42).
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Auswertung der Ströme in den jeweiligen Hauptpfaden (30,40) und/oder Teilpfaden (31,32, 41,42) erfolgt und bei unterschiedlichen Stromwerten in den Hauptpfaden (30,40) und/oder Teilpfaden (31,32, 41,42) auf einen Fehlerfall erkannt wird. 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation of the currents in the respective main paths (30, 40) and / or partial paths (31, 32, 41, 42) takes place and in the case of different current values in the main paths (30 , 40) and / or partial paths (31, 32, 41, 42) is recognized in the event of an error.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Überprüfung des Erfassungsmittels (38,39, 48,49) ein Schwellwert zur Überstromabschaltung verändert wird, insbesondere herab gesetzt wird auf einen Wert unterhalb eines Stroms, der durch den jeweiligen Hauptpfad (30,40) und/oder Teilpfad (31,32, 41,42) aktuell fließt. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for checking the detection means (38, 39, 48, 49) a threshold value for overcurrent shutdown is changed, in particular is reduced to a value below a current flowing through the respective main path (30,40) and / or partial path (31,32, 41,42) is currently flowing.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass in den einzelnen Hauptpfaden (30,40) Erfasssungsmittel (38,39, 48,49) und/oder ein Schwellwertvergleich und/oder eine Ansteuerung des jeweiligen Schaltmittels (34,36, 44,46) jeweils unabhängig voneinander sind. 12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the individual main paths (30, 40) detection means (38, 39, 48, 49) and / or a threshold value comparison and / or a control of the respective switching means (34, 36 , 44,46) are each independent of one another.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Erfassungsmittel (38,39, 48,49) zumindest einen Wert vor Veränderung des Schwellwerts und/oder vor Abschalten eines anderen Hauptpfads (30,40) und/oder eines anderen Teilpfads (31,32, 41,42) erfasst und dass das Erfassungsmittel (38,39, 48,49) zumindest einen Wert nach Veränderung des Schwellwerts und/oder nach Abschalten eines anderen Hauptpfads (30,40) und/oder eines anderen Teilpfads (31,32, 41,42) erfasst. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detection means (38, 39, 48, 49) have at least one value before changing the threshold value and / or before switching off another main path (30, 40) and / or another Partial path (31, 32, 41, 42) detected and that the detection means (38, 39, 48, 49) detected at least one value after changing the threshold value and / or after switching off another main path (30, 40) and / or another partial path (31,32, 41,42) recorded.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung in einem Leistungsverteiler (18), wobei zumindest ein Mikrocontroller (13) in dem Leistungsverteiler (18) vorgesehen ist zur An steuerung der Schaltmittel (34,36, 44,46) und/oder Auswertung der von den Erfassungsmitteln (38,39, 48,49) übermittelten Werten und/oder zur Ansteue rung des Schalters (15) vorgesehen ist. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized by an arrangement in a power distributor (18), wherein at least one microcontroller (13) in the power distributor (18) is provided to control the switching means (34,36, 44,46) and / or evaluation of the values transmitted by the detection means (38, 39, 48, 49) and / or for controlling the switch (15) is provided.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schaltmittel (34,36, 44,46, 54,56) zum Freibrennen einer einen Verbraucher (17) absichernde Sicherung (23) vorgesehen sind, insbe sondere mit folgenden Schritten: Öffnen der Hauptpfade (30,40) und/oder Schließen des Zusatzpfads (50) insbesondere zur Ladung einer Zwischen kreiskapazität (11) und/oder Öffnen des Zusatzpfads (50) und/oder Schließen zumindest eines Hauptpfads (30,40), bis die Sicherung (23) freigebrannt ist, und/oder Öffnen der Hauptpfade (30,40) und/oder Schließen des Zusatzpfads (50), bis der Stromfluss durch den Zusatzpfad (50) insbesondere exponentiell reduziert wurde. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means (34, 36, 44, 46, 54, 56) are provided for burning a consumer (17) securing fuse (23), in particular with the following special steps : Opening the main paths (30,40) and / or closing the additional path (50), in particular for charging an intermediate circuit capacitance (11) and / or opening the additional path (50) and / or closing at least one main path (30,40), to the fuse (23) is burned free and / or the main paths (30, 40) are opened and / or the additional path (50) is closed until the current flow through the additional path (50) has, in particular, been reduced exponentially.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Erkennung eines kritischen Zustands wie beispielsweise das Überschreiten des Stroms durch den Hauptpfad (30,40) und/oder durch Unterschreiten einer Spannungsuntergrenze am Teilbordnetz für den sicher heitsrelevanten Verbraucher (16,25) die Hauptpfade (30,40) geöffnet werden, wobei das Fahrzeug ohne Funktionsverlust des sicherheitsrelevanten Ver brauchers (16,25) in den Stillstand überführt werden kann, worin zumindest eine Überwachung eines sicherheitskritischen Zustands deaktiviert wird, ins- besondere ein Unterschreiten einer Spannungsuntergrenze am Teilbordnetz für den sicherheitsrelevanten Verbraucher (16,25) und/oder eine Aktivierung des Zusatzpfads (50) und/oder ein Schließen zumindest eines Hauptpfads (30,40) zum Freibrennen der Sicherung (23) und/oder ein Reaktivieren der Überwachung eines sicherheitskritischen Zustands und/oder ein Zulassen ei- ner Weiterfahrt des Fahrzeugs erfolgt. 16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that when a critical state is detected, such as the exceeding of the current through the main path (30, 40) and / or by falling below a lower voltage limit on the sub-on-board network for the safety-relevant consumer (16, 25) the main paths (30, 40) are opened, the vehicle being able to be brought to a standstill without any loss of function of the safety-relevant consumer (16, 25), in which at least one monitoring of a safety-critical state is deactivated, in particular a voltage drop below a lower limit on the sub-on-board network for the safety-relevant consumer (16, 25) and / or an activation of the additional path (50) and / or a closing of at least one main path (30, 40) for burning the fuse (23) and / or a reactivation of the monitoring of a safety-critical one State and / or the vehicle is allowed to continue its journey.
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