WO2023208603A1 - Sicherungsschaltungsanordnung für ein energiesystem und energiesystem - Google Patents

Sicherungsschaltungsanordnung für ein energiesystem und energiesystem Download PDF

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WO2023208603A1
WO2023208603A1 PCT/EP2023/059712 EP2023059712W WO2023208603A1 WO 2023208603 A1 WO2023208603 A1 WO 2023208603A1 EP 2023059712 W EP2023059712 W EP 2023059712W WO 2023208603 A1 WO2023208603 A1 WO 2023208603A1
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Rainer Gietl
Stefan EICHENSEHER
Martin Meier
Stefan Rockinger
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Vitesco Technologies GmbH
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    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle

Definitions

  • the invention relates to a fuse circuit arrangement for an energy system and an energy system which has the fuse circuit arrangement.
  • the invention further relates to a vehicle that includes the energy system.
  • Autonomous driving systems are among the safety-relevant functions of the vehicle and must meet special safety requirements. Taking functional safety into account according to ISO 26262, such functions can be classified with availability according to ASIL C or D. For this purpose, a classification is carried out taking into account the severity of the error as well as the risk to the user or the environment, the probability of occurrence, i.e. the interaction of malfunction and operating state, and the controllability of the error. This is known as the ASIL classification, with four levels from ASIL (automotive safety integrity level) A to D, with ASIL D as the highest safety level.
  • ASIL automotive safety integrity level
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of an on-board electrical system 1 with redundant power supply.
  • the on-board electrical system 1 supplies e.g. B. an air conditioning system, also several safety-relevant loads 3, e.g. B. an electrical one Brakes that require a power supply according to ASIL D or ASIL C, for example.
  • the vehicle electrical system 1 has a DC/DC converter 4 and a battery 5, which are connected via a supply line.
  • a circuit breaker 7 between the two sources 4, 5 is used to ensure freedom of reaction in the event of a defective DC/DC converter or its supply line.
  • the supply line has connection points for connecting the safety-relevant loads 3 and the simple loads 2.
  • the safety-relevant loads 3 and the simple loads 2 are each connected to one of the connection points via a fuse 6, for example a fuse.
  • a fuse 6 for example a fuse.
  • the ASIL requirements for the fuses 6 are very high. i.e. Since the voltage supply of the safety-relevant loads 3 must meet ASIL-D requirements or ASIL-C requirements, in the circuit structure shown in Figure 1, the fuses 6 must also meet at least ASIL-C requirements. This can be achieved, for example, by using two series-connected fuses that meet ASIL-B requirements.
  • the object on which the invention is based is to create a safety circuit arrangement that can be provided cost-effectively and that contributes to a high availability of electrically supported or purely electrically executed, safety-relevant functions, especially in a vehicle.
  • a security circuit arrangement has a first supply path and a second supply path.
  • the first supply path includes a first supply connection node, which is designed for connection to a first electrical energy source.
  • the first electrical energy source is designed, for example, to provide a predetermined direct voltage as a supply voltage for one or more loads or consumers.
  • the first supply path has a first load connection node for connecting a safety-relevant load.
  • the safety-relevant load has, for example, an ASIL-C requirement or ASIL-D requirement for a power supply to the safety-relevant load.
  • the first supply path has a first fuse node and a first electrical fuse, wherein the first electrical fuse is arranged in a first connection between the first supply connection node and the first fuse node. This advantageously enables complete line protection to the first electrical energy source.
  • the first supply path has a second electrical fuse, which is arranged in a second connection between the first fuse node and the first load connection node.
  • the second supply path includes a second supply connection node, which is designed for connection to a second electrical energy source.
  • the second electrical energy source has, for example, a battery, for example a 12-volt battery.
  • the second supply path has a second load connection node for connecting the safety-relevant load.
  • the second load connection node is connected to the second supply connection node via a third electrical fuse.
  • the first fuse node of the first supply path is connected to the second supply connection node of the second supply path via a fourth electrical connection in which a fourth electrical fuse is arranged.
  • the electrical fuses can also be referred to as circuit breakers.
  • the safety circuit arrangement thus enables a redundant energy supply to the safety-relevant load.
  • the first electrical fuse ensures that there is no reaction in the event of a defective first energy source or its supply line, which leads to a significant increase in the availability of the voltage supply to the safety-relevant load.
  • the line protection to the first energy source is complete here, since a current to be measured, which is required for the safe operation of the first electrical fuse, can be recorded unfalsified and is not falsified, for example, by the second electrical fuse, which directly protects the load branch.
  • the second supply path has a plurality of third load connection nodes for each connection of a simple load.
  • the third load connection nodes are each connected to the second supply connection node via a fifth electrical fuse.
  • the simple loads are not safety-relevant or have lower safety requirements than the safety-relevant load.
  • the simple loads are, for example, loads that only have to meet quality managed requirements (i.e. are not safety-relevant) or ASIL A requirements or ASIL B requirements.
  • the second electrical fuse and third electrical fuse as well as the fifth electrical fuses enable errors in the load branches to be isolated to the redundant power supply without any repercussions.
  • safety-relevant and simple loads can be operated with the energy system without the electrical fuses in the load branches having to meet very high ASIL requirements.
  • a requirement for the second electrical fuse, the third electrical fuse and the fifth electrical fuses can be reduced to an ASIL-B requirement.
  • the first supply path has at least one further second electrical fuse, at least one further third electrical fuse, at least one further first load connection node and at least one further second load connection node for connecting at least one further safety-relevant load.
  • the at least one further first load connection node is via the at least one further second electrical fuse connected to the first fuse node and the at least one further second load connection node via the at least one further third electrical fuse to the second supply connection node.
  • several safety-relevant loads can be operated in parallel by the energy system. The safety-relevant loads are each connected to the first energy source and the second energy source during error-free operation.
  • At least some of the electrical fuses each have a controllable semiconductor switch for disconnecting the associated connection.
  • Such electronic fuses (called efuses in English) have a significantly shorter response time compared to fuses. Another advantage is that they can continue to be used after troubleshooting and do not need to be replaced.
  • the respective semiconductor switch has at least one metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • the first electrical fuse comprises a first MOSFET and the fourth electrical fuse comprises a second MOSFET. Furthermore, a drain terminal of the first MOSFET is connected to a drain terminal of the second MOSFET and a source terminal of the first MOSFET is connected to the first supply connection node and a source terminal of the second MOSFET is connected to the second supply connection node. A bidirectional current flow can therefore be secured.
  • the drain-drain configuration has the advantage that the MOSFETs can be controlled independently of each other, thus achieving higher reliability.
  • the first electrical fuse is designed to detect a signal that is representative of a current that flows between the first supply connection node and the first fuse node and, depending on the detected signal, a switch state of the first electrical fuse to control fuse. This has the advantage that the current to be measured can be recorded very precisely in order to safely operate the first electrical fuse.
  • the fourth electrical fuse can be designed to detect a signal that is representative of a current that flows between the first fuse node and the second supply connection node, and to control a switch state of the fourth electrical fuse depending on the detected signal.
  • the fuse circuit arrangement has a second fuse node and a sixth electrical fuse in the second supply path.
  • the sixth electrical fuse is arranged in a fifth connection between the second supply connection node and the second security node.
  • the first security node of the first supply path is connected to the second security node via the fourth electrical fuse or is connected to the second supply connection node via the fourth electrical fuse and the sixth electrical fuse.
  • the loads can be supplied by the first energy source.
  • the supply line to the second energy source is long, e.g. B. if the second energy source is arranged outside a housing of the fuse circuit arrangement.
  • the first electrical fuse and/or the second electrical fuse and/or the third electrical fuse and/or the fourth electrical fuse and/or the fifth electrical fuse and/or the sixth electrical fuse each have a third MOSFET and a fourth MOSFET arranged in a back-to-back configuration, wherein a source of the third MOSFET is connected to a source of the fourth MOSFET and a gate of the third MOSFET and a gate of the fourth MOSFET of one same gate driver.
  • the third and fourth MOSFETs are thus arranged in anti-series. Such an arrangement reduces the repercussions of defective loads or energy sources.
  • a power system has a fuse circuit arrangement according to the first aspect as well as a first power source connected to the first supply connection node and a second power source connected to the second supply connection node.
  • Advantageous embodiments of the first aspect also apply to the second aspect.
  • the energy system has a first diode which is arranged in a connection between the first load connection node and a supply connection of the safety-relevant load.
  • the safety-relevant load preferably has a second reference potential connection that is connected to ground.
  • the cathode of the first diode is connected to the supply connection of the safety-relevant load.
  • the energy system further has a second diode which is arranged in a further connection between the second load connection node and the supply connection of the safety-relevant load, wherein the cathode of the second diode is connected to the supply connection of the safety-relevant load and the first diode and the second diode are connected in anti-series are arranged.
  • the diodes can be designed as diodes in the conventional sense (with two connections) or the first diode and / or second diode can be made up of actively switchable transistors, e.g. B. MOSFETs, are formed to reduce power losses.
  • actively switchable transistors e.g. B. MOSFETs
  • a vehicle has a power system according to the second aspect.
  • Advantageous embodiments of the first and second aspects also apply to the third aspect.
  • Figure 1 shows an on-board electrical system according to the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a first exemplary embodiment of a fuse circuit arrangement for an energy system
  • Figure 3 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a second exemplary embodiment of the fuse circuit arrangement
  • Figure 5 shows an exemplary equivalent circuit diagram of an exemplary embodiment of the energy system
  • Figure 6 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a fourth exemplary embodiment of the fuse circuit arrangement.
  • Figure 2 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a fuse circuit arrangement for an energy system.
  • the energy system 10 has, for example, a first energy source 12 and a second energy source 14.
  • the first energy source 12 and the second energy source 14 are designed, for example, to provide a direct voltage, in particular an equal direct voltage.
  • the first energy source 12 includes, for example, a DC/DC converter.
  • the DC/DC converter for example, provides a 12-volt voltage at its output.
  • the second energy source 14 includes, for example, a battery.
  • the battery for example, also provides a 12-volt voltage.
  • the first energy source 12 can have a battery and the second energy source 14 can have a DC/DC converter.
  • the energy system 10 is arranged in a vehicle, for example.
  • the energy system 10 can also be referred to as an on-board electrical system.
  • the security circuit arrangement 20 has a first supply path with a first supply connection node 22 and a second supply path with a second supply connection node 34.
  • the security circuit arrangement 20 is connected to the first energy source 12 via the first supply connection node 22 and to the second energy source 14 via the second supply connection node 34.
  • the first supply path has a first load connection node 24 and a first backup node 28.
  • a safety-relevant load 26 is connected to the first load connection node 24.
  • the first fuse node 28 is connected to the first supply connection node 22 via a first electrical fuse 30.
  • a safety-relevant load with high availability requirements is, for example, an electric steering system, which is assigned a requirement according to ASIL C or ASIL D for a safe supply. This means that it is particularly important that this load receives a stable electrical supply under virtually all circumstances.
  • the second supply path has a second load connection node 36, which is also connected to the safety-relevant load 26.
  • the first load connection node 24 and the second load connection node 36 are connected in an electrically conductive manner.
  • the first load connection node 24 may be the same as the second load connection node 36.
  • the second load connection node 36 is over a third electrical fuse 38 is connected to the second supply connection node 36.
  • the first fuse node 28 of the first supply path is connected to the second supply connection node 34 of the second supply path via a fourth electrical fuse 40.
  • the second supply path preferably has a plurality of third load connection nodes 42, to each of which a simple load 44 is connected.
  • the third load connection nodes 42 are each connected to the second supply connection node 34 via a fifth electrical fuse 46.
  • the simple loads 44 are not safety-relevant or have lower safety requirements than the safety-relevant loads 26.
  • the circuit breaker shown in the prior art which is arranged in the connection that connects the two energy sources, is “separated” and used as a redundant shutdown option.
  • the safety-relevant load e.g. steering
  • the safety-relevant load is branched off or connected once in front of the circuit breaker (coming from the side of the second energy source) and once in the circuit breaker.
  • This ensures a redundant electrical supply.
  • it is possible to isolate the electrical supply of the safety-relevant load from the second energy source and the other loads and to provide the supply to the safety-relevant load using the first energy source. This means that all loads (except the safety-relevant load itself) are required to be switched off safely or disconnection from the energy system, so that not every load has to be protected with redundant electrical fuses.
  • a requirement for the second electrical fuse, the third electrical fuse and the fifth electrical fuse can be reduced to an ASIL-B requirement.
  • Figure 3 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a wide safety circuit arrangement for an energy system in which several safety-relevant loads are connected to the redundant energy system.
  • the first supply path has at least one further second electrical fuse 32', at least one further third electrical fuse 38', at least one further first load connection node 24' and at least one further second load connection node 36' for connecting at least one further safety-relevant load 26 '.
  • the at least one further first load connection node 24' is connected to the first safety node 28 via the at least one further second electrical fuse 32' and the at least one further second load connection node 36' is connected to the second supply connection node 34 via the at least one further third electrical fuse 38'.
  • Figure 4 shows an exemplary equivalent circuit diagram of a further security circuit arrangement 20 for an energy system 10.
  • the first electrical fuse 30 and/or the second electrical fuse 32 and/or the third electrical fuse 38 and/or the fourth electrical fuse 40 and/or the fifth electrical fuses 46 each have a controllable semiconductor switch, for example, for separating the associated connections.
  • the semiconductor switches each have, for example, at least one metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET.
  • MOSFETs are designed, for example, as n-channel MOSFETs.
  • the first electrical fuse 30 has a first MOSFET and the fourth electrical fuse 40 has a second MOSFET Drain terminal of the first MOSFET is connected to a drain terminal of the second MOSFET. Furthermore, a source connection of the first MOSFET is connected to the first supply connection node 22 and a source connection of the second MOSFET is connected to the second supply connection node 34.
  • the semiconductor switches of the first to fifth electrical fuses can be designed the same or different.
  • one or more of the semiconductor switches can have a parallel connection of several MOSFETs.
  • the first electrical fuse 30 and/or the second electrical fuse 32 and/or the third electrical fuse 38 and/or the fourth electrical fuse 40 and/or the fifth electrical fuses 50 each have a third MOSFET and a fourth MOSFET, which are arranged in a back-to-back configuration, wherein a source terminal of the third MOSFET is connected to a source terminal of the fourth MOSFET and a gate of the third MOSFET and a gate of the fourth MOSFET are driven by a same gate driver .
  • the first MOSFET and the third MOSFET may be identical and in the fourth electrical fuse 40, the second MOSFET and the fourth MOSFET may be identical.
  • the first fuse 30 is not designed in a source-source configuration but in a drain-drain configuration. This requires more complex control of the MOSFETs, but allows overvoltages to be better absorbed.
  • one or more of the semiconductor switches or the first to fifth electrical fuses 30, 32, 38, 40, 46 can have a plurality of parallel switching paths, in each of which two MOSFETs are arranged in a back-to-back configuration.
  • one or more of the first to fifth electrical fuses 30, 32, 3840, 46 are designed to be multi-stage, that is to say have a series connection of at least two semiconductor switches.
  • the first electrical fuse 30 is designed to detect a signal that is representative of a current that flows between the first supply connection node 22 and the first fuse node 28 and to control a switch state of the first electrical fuse 30 depending on the detected signal.
  • the other electrical fuses are also designed to detect a signal that is representative of a current flowing through the connection that they are respectively protecting and to control their switch state depending on the detected signal.
  • At least some of the first to fifth electrical fuses 30, 32, 38, 40, 46 have, for example, a shunt resistor (not shown in the figures) which is arranged in series with the semiconductor switch of the respective electrical fuse.
  • a sense current transistor can also be used, in which, for example, a fraction (e.g. 1/20,000) of the load current is used to measure the current strength.
  • the respective electrical fuses 30, 32, 38 40, 46 have, for example, an evaluation unit (not shown in the figures) which is designed to detect a voltage that drops across the shunt resistor and, for example, with a predetermined threshold value compare, and if the detected voltage exceeds the predetermined threshold value, to control the semiconductor switch so that it changes to an open state.
  • an evaluation unit not shown in the figures
  • At least some of the first to fifth electrical fuses 30, 32, 38 40, 46 each have a control connection (not shown in the figures), so that the electrical fuses 30, 32, 38 40, 46 after a fault has been rectified, which has triggered the respective electrical fuse 30, 32, 38 40, 46, can be put back into a closed state for normal operation.
  • FIG. 1 An exemplary equivalent circuit diagram of a further exemplary embodiment of the energy system 10 is shown in FIG.
  • the safety-relevant load 26 is supplied, for example, via two supply lines Z1, Z2.
  • a diode D1, D2 is arranged in each supply line Z1, Z2, each of which has its cathode connected to the supply connection of the safety-relevant load 26 connected is.
  • the diodes D1, D2 are thus arranged in anti-series.
  • the first diode D1 and second diode D2 can be arranged within a housing of the fuse circuit arrangement 20 or outside the housing of the fuse circuit arrangement 20.
  • the use of the first diode D1 and second diode D2 is advantageous if the second and third electrical fuses 32, 38 each do not have an equivalent diode blocking function, for example because only a simple switching transistor is used in each case.
  • the use of the diodes D1, D2 is particularly advantageous if the load current of the safety-relevant load 26 is small (e.g. less than 20 amperes), since in this case simple diodes can be used.
  • the use of a (controllable) semiconductor switch with two transistors arranged in anti-series, in particular MOSFETs is advantageous.
  • the fuse circuit arrangement 20 shown in FIG. 5 can be designed analogously to the fuse circuit arrangement 20 shown in FIG. 4.
  • FIG. Figure 6 An exemplary equivalent circuit diagram of a fifth exemplary embodiment of the fuse circuit arrangement 20 is shown in FIG. Figure 6 shows a variant in which the fuse circuit arrangement 20 has a second fuse node 52 and a sixth electrical fuse 50 in the second supply path.
  • the sixth electrical fuse 50 is arranged between the second supply connection node 34 and the second fuse node 52.
  • the first security node 28 of the first supply path is connected to the second security node 52 via the fourth electrical fuse 40.
  • the fuse circuit arrangement 20 can be designed analogously to the fuse circuit arrangements shown in FIGS. 2 to 5.
  • the sixth electrical fuse 50 can be designed analogously to one of the first to fifth electrical fuses 30, 32, 38, 40, 46. Reference symbol list

Abstract

Die Sicherungsschaltungsanordnung (20) weist einen ersten Versorgungspfad und einen zweiten Versorgungspfad auf. Der erste Versorgungspfad umfasst einen ersten Versorgungsanschlussknoten (22), einen ersten Lastanschlussknoten (24) zum Anschließen einer sicherheitsrelevanten Last (26), einen ersten Sicherungsknoten (28), eine erste elektrische Sicherung (30) und eine zweite elektrische Sicherung (32). Die erste elektrische Sicherung (30) ist zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten (22) und dem ersten Sicherungsknoten (28) angeordnet. Die zweite elektrische Sicherung (32) ist zwischen dem ersten Sicherungsknoten (28) und dem ersten Lastanschlussknoten (24) angeordnet. Der zweite Versorgungspfad umfasst einen zweiten Versorgungsanschlussknoten (34), einen zweiten Lastanschlussknoten (36) zum Anschließen der sicherheitsrelevanten Last (26) und eine dritte elektrische Sicherung (38), die in einer dritten Verbindung zwischen dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) und dem zweiten Lastanschlussknoten (36) angeordnet ist (36). Der erste Sicherungsknoten (28) ist über eine vierte elektrische Sicherung (40) mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) verbunden.

Description

Beschreibung
Sicherungsschaltungsanordnung für ein Energiesystem und Energiesystem
Die Erfindung betrifft eine Sicherungsschaltungsanordnung für ein Energiesystem und ein Energiesystem, das die Sicherungsschaltungsanordnung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das das Energiesystem umfasst.
Systeme des autonomen Fahrens gehören zu den sicherheitsrelevanten Funktionen des Fahrzeugs und müssen besondere Sicherheitsanforderungen erfüllen. Unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 können solche Funktionen mit einer Verfügbarkeit nach Einstufung ASIL C oder D klassifiziert sein. Hierzu wird eine Klassifikation unter Berücksichtigung der Schwere des Fehlers sowie der Gefährdung des Nutzers oder der Umgebung, der Eintrittswahrscheinlichkeit, d.h. Zusammenwirken von Fehlfunktion und Betriebszustand, und der Beherrschbarkeit des Fehlers durchgeführt. Dies wird als ASIL-Klassifikation bezeichnet, wobei vier Level von ASIL (automotive safety integrity level) A bis D unterschieden werden, mit ASIL D als höchstem Sicherheitslevel.
Aus Sicht der ISO 26262 sind drei Arten an Fehlem zu berücksichtigen: Zufällige Hardwarefehler wie ein Kurzschluss oder durch Strahlung verursachte Datenverfälschung, sowie systematische Hardwarefehler und systematische Softwarefehler, also Fehler in den Implementierungen. Bezüglich zufälliger Hardwarefehler muss nachgewiesen werden, dass die Wahrscheinlichkeit von sicherheitsrelevanten Fehlern ausreichend niedrig ist. Bei Systemen des autonomen Fahrens, die als Fail-Operational-Systeme ausgebildet sein müssen, liegt daher der Fokus nicht mehr nur auf der Vermeidung oder Detektion von falschem Verhalten sondern explizit auch auf der Vermeidung der Nicht-Verfügbarkeit der Funktionen.
In Fahrzeugen mit elektrisch unterstützten oder rein elektrisch ausgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen, wie bspw. die Lenkung oder Bremse, bestehen daher hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit der Spannungsversorgung.
Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Bordnetzes 1 mit redundanter Stromversorgung. Das Bordnetz 1 versorgt neben einfachen Lasten 2 , z. B. eine Klimaanlage, auch mehrere sicherheitsrelevante Lasten 3, z. B. eine elektrische Bremse, die eine Spannungsversorgung zum Beispiel nach ASIL D oder ASIL C erfordern. Das Bordnetz 1 weist einen DC/DC-Wandler 4 und eine Batterie 5 auf, die über eine Versorgungsleitung verbunden sind. Ein Trennschalter 7 zwischen den beiden Quellen 4, 5 dient der Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit im Falle eines schadhaften DC/DC-Wandlers, oder dessen Zuleitung. Die Versorgungsleitung weist Anschlusspunkte auf zum Anschließen der sicherheitsrelevanten Lasten 3 und der einfachen Lasten 2. Die sicherheitsrelevanten Lasten 3 und die einfache Lasten 2 sind jeweils über eine Sicherung 6, zum Beispiel eine Schmelzsicherung, mit einem der Anschlusspunkte verbunden. Damit sich zum Beispiel Kurzschlüsse in den einzelnen Lastzweigen nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit auf die Spannungsversorgung der sicherheitsrelevanten Lasten 3 auswirken, sind die ASIL-Anforderungen an die Sicherungen 6 sehr hoch. D. h. da die Spannungsversorgung der sicherheitsrelevanten Lasten 3 ASIL-D-Anforderungen beziehungsweise ASIL-C-Anforderungen, erfüllen muss, müssen bei der in Figur 1 gezeigten Schaltungsstruktur, auch die Sicherungen 6 mindestens ASIL-C-Anforderungen erfüllen. Dies kann beispielsweise jeweils erreicht werden durch Nutzung von zwei in Reihe geschaltete Sicherungen, die ASIL-B-Anforderungen erfüllen.
Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, eine Sicherungsschaltungsanordnung zu schaffen, die kostengünstig bereitgestellt werden kann und die einen Beitrag leistet zu einer hohen Verfügbarkeit von elektrisch unterstützten oder rein elektrisch ausgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen insbesondere in einem Fahrzeug.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt weist eine Sicherungsschaltungsanordnung einen ersten Versorgungspfad und einen zweiten Versorgungspfad auf. Der erste Versorgungspfad umfasst einen ersten Versorgungsanschlussknoten, der zur Verbindung mit einer ersten elektrischen Energiequelle ausgebildet ist. Die erste elektrische Energiequelle ist beispielsweise ausgebildet, eine vorgegebene Gleichspannung, als Versorgungsspannung für eine oder mehrere Lasten beziehungsweise Verbraucher bereitzustellen. Des Weiteren weist der erste Versorgungspfad einen ersten Lastanschlussknoten zum Anschließen einer sicherheitsrelevanten Last auf. Die sicherheitsrelevante Last weist beispielsweise eine ASIL-C-Anforderung oder ASIL-D-Anforderung für eine Spannungsversorgung der sicherheitsrelevanten Last auf.
Der erste Versorgungspfad weist einen ersten Sicherungsknoten und eine erste elektrische Sicherung auf, wobei die erste elektrische Sicherung in einer ersten Verbindung zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten und dem ersten Sicherungsknoten angeordnet ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen vollumfänglichen Leitungsschutz zu der ersten elektrischen Energiequelle.
Ferner weist der erste Versorgungspfad eine zweite elektrische Sicherung auf, die in einer zweiten Verbindung zwischen dem ersten Sicherungsknoten und dem ersten Lastanschlussknoten angeordnet ist.
Der zweite Versorgungspfad umfasst einen zweiten Versorgungsanschlussknoten, der zur Verbindung mit einer zweiten elektrischen Energiequelle ausgebildet ist. Die zweite elektrische Energiequelle weist beispielsweise eine Batterie, zum Beispiel eine 12-Volt-Batterie, auf.
Zusätzlich weist der zweite Versorgungspfad einen zweiten Lastanschlussknoten zum Anschließen der sicherheitsrelevanten Last auf. Der zweite Lastanschlussknoten ist über eine dritte elektrische Sicherung mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden. Der erste Sicherungsknoten des ersten Versorgungspfads ist über eine vierte elektrische Verbindung, in der eine vierte elektrische Sicherung angeordnet ist, mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten des zweiten Versorgungspfads verbunden.
Die elektrische Sicherungen können jeweils auch als Trennschalter bezeichnet werden.
Die Sicherungsschaltungsanordnung ermöglicht somit eine redundante Energieversorgung der sicherheitsrelevanten Last. Die erste elektrische Sicherung stellt eine Rückwirkungsfreiheit im Falle einer schadhaften ersten Energiequelle oder deren Zuleitung sicher, was zu einer deutlichen Erhöhung der Verfügbarkeit der Spannungsversorgung der sicherheitsrelevanten Last führt. Der Leitungsschutz zur ersten Energiequelle ist hierbei vollumfänglich, da ein zu messender Strom, der zum sicheren Betreiben der ersten elektrischen Sicherung erforderlich ist, unverfälscht erfasst werden kann, und nicht zum Beispiel durch die zweite elektrische Sicherung, die den Lastzweig direkt absichert, verfälscht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der zweite Versorgungspfad eine Mehrzahl an dritten Lastanschlussknoten auf zum jeweiligen Anschließen einer einfachen Last. Hierbei sind die dritten Lastanschlussknoten jeweils über eine fünfte elektrische Sicherung mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden. Die einfachen Lasten sind nicht sicherheitsrelevant oder weisen geringere Sicherheitsanforderungen auf als die sicherheitsrelevante Last. Bei den einfachen Lasten handelt es sich zum Beispiel um Lasten die nur Quality-Managed-Anforderungen (d. h. nicht sicherheitsrelevant sind) oder ASIL-A-Anforderungen oder ASIL-B-Anforderungen erfüllen müssen.
Die zweite elektrische Sicherung und dritte elektrische Sicherung sowie die fünften elektrischen Sicherungen ermöglichen, dass Fehler in den Lastzweigen rückwirkungsfrei auf die redundante Stromversorgung isoliert werden können. Vorteilhafterweise können so mit dem Energiesystem sicherheitsrelevante und einfache Lasten betrieben werden, ohne dass die elektrischen Sicherungen in den Lastzweigen sehr hohe ASIL-Anforderungen erfüllen müssen. Im Fehlerfall ist es möglich, die Versorgung der sicherheitsrelevanten Last von der zweiten Energiequelle und den anderen Lasten zu isolieren und die Versorgung der sicherheitsrelevanten Last mit Hilfe der ersten Energiequelle bereitzustellen. Es werden somit die Anforderung an alle Lasten (außer der sicherheitsrelevanten Last selbst) bezüglich des sicheren Abschaltens beziehungsweise Trennens vom Energiesystem reduziert, so dass nicht jede Last mit redundanten elektrischen Sicherungen abgesichert werden muss. Beispielsweise kann eine Anforderung an die zweite elektrische Sicherung, die dritte elektrische Sicherung und die fünften elektrischen Sicherungen auf eine ASIL-B-Anforderung reduziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der erste Versorgungspfad zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung, zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung, zumindest einen weiteren ersten Lastanschlussknoten und zumindest einen weiteren zweiten Lastanschlussknoten zum Anschließen zumindest einer weiteren sicherheitsrelevanten Last auf. Hierbei ist der zumindest eine weitere erste Lastanschlussknoten über die zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung mit dem ersten Sicherungsknoten und der zumindest eine weitere zweite Lastanschlussknoten über die zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden. Vorteilhafterweise können so mehrere sicherheitsrelevante Lasten parallel durch das Energiesystem betrieben werden. Die sicherheitsrelevanten Lasten sind im fehlerfreien Betrieb jeweils mit der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle verbunden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist zumindest ein Teil der elektrischen Sicherungen zum Trennen der zugehörigen Verbindung jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter auf. Solche elektronische Sicherungen (im Englischen efuses genannt) haben eine wesentlich kürzere Reaktionszeit im Vergleich zu Schmelzsicherungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie nach einer Fehlerbehebung weiterverwendet werden können und nicht ausgetauscht werden müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der jeweilige Halbleiterschalter zumindest einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, auf. Dies ermöglicht eine kostengünstige Bereitstellung der Halbleitschalter, insbesondere bei Anwendungen bei denen hohe Ströme abgesichert werden müssen.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst die erste elektrische Sicherung einen ersten MOSFET und die vierte elektrische Sicherung einen zweiten MOSFET. Ferner ist ein Drain-Anschluss des ersten MOSFETs mit einem Drain-Anschluss des zweiten MOSFETs verbunden und ein Source-Anschluss des ersten MOSFETs ist mit dem ersten Versorgungsanschlussknoten und ein Source-Anschluss des zweiten MOSFETs mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden. Es kann somit ein bidirektionaler Stromfluss abgesichert werden. Die Drain-Drain-Konfiguration hat den Vorteil, dass die MOSFETs unabhängig voneinander angesteuert werden können, und somit eine höhere Zuverlässigkeit erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die erste elektrische Sicherung ausgebildet, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten und dem ersten Sicherungsknoten fließt, und abhängig von dem erfassten Signal einen Schalterzustand der ersten elektrischen Sicherung zu steuern. Dies hat den Vorteil, dass der zu messende Strom zum sicheren Betreiben der ersten elektrischen Sicherung sehr präzise erfasst werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die vierte elektrische Sicherung ausgebildet sein, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der zwischen dem ersten Sicherungsknoten und dem zweiten Versorgungsanschlussknoten fließt, und abhängig von dem erfassten Signal einen Schalterzustand der vierten elektrischen Sicherung zu steuern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Sicherungsschaltungsanordnung in dem zweiten Versorgungspfad einen zweiten Sicherungsknoten und eine sechste elektrische Sicherung auf. Hierbei ist die sechste elektrische Sicherung in einer fünften Verbindung zwischen dem zweiten Versorgungsanschlussknoten und dem zweiten Sicherungsknoten angeordnet. Der erste Sicherungsknoten des ersten Versorgungspfads ist über die vierte elektrische Sicherung mit dem zweiten Sicherungsknoten verbunden beziehungsweise über die vierte elektrische Sicherung und die sechste elektrische Sicherung mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies, die zweite Energiequelle und ihre Zuleitung im Falle einer schadhaften zweiten Energiequelle oder deren Zuleitung von dem ersten Versorgungspfad abzutrennen. Die Lasten können in diesem Fall von der ersten Energiequelle versorgt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Zuleitung zu der zweiten Energiequelle lang ist, z. B. wenn die zweite Energiequelle außerhalb eines Gehäuses der Sicherungsschaltungsanordnung angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste elektrische Sicherung und/oder die zweite elektrische Sicherung und/oder die dritte elektrische Sicherung und/oder die vierte elektrische Sicherung und/oder die fünfte elektrische Sicherung und/oder die sechste elektrische Sicherung jeweils einen dritten MOSFET und einen vierten MOSFET auf, die in einer Back-to-Back-Konfiguration angeordnet sind, wobei ein Source-Anschluss des dritten MOSFETs mit einem Source-Anschluss des vierten MOSFETs verbunden ist und ein Gate des dritten MOSFETs und ein Gate des vierten MOSFETs von einem gleichen Gate-Treiber angesteuert werden. Der dritte und vierte MOSFET sind somit antiseriell angeordnet. Solche eine Anordnung verringert die Rückwirkungen bei schadhaften Lasten beziehungsweise Energiequellen. Gemäß einem zweiten Aspekt weist ein Energiesystem eine Sicherungsschaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt sowie eine erste Energiequelle, die mit dem ersten Versorgungsanschlussknoten verbunden ist, und eine zweite Energiequelle, die mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten verbunden ist, auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekt gelten hierbei auch für den zweiten Aspekt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt weist das Energiesystem eine erste Diode auf, die in einer Verbindung zwischen dem ersten Lastanschlussknoten und einem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last angeordnet ist. Die sicherheitsrelevante Last weist vorzugsweise eine zweiten Bezugspotentialanschluss auf, der mit Masse verbunden ist. Die Kathode der ersten Diode ist mit dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last verbunden. Das Energiesystem weist ferner eine zweite Diode auf, die in einer weiteren Verbindung zwischen dem zweiten Lastanschlussknoten und dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last angeordnet ist, wobei die Kathode der zweiten Diode mit dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last verbunden ist und die erste Diode und die zweite Diode antiseriell angeordnet sind. Die Dioden können als Dioden im herkömmlichen Sinne (mit zwei Anschlüssen) ausgebildet sein oder die erste Diode und/oder zweite Diode können durch aktiv schaltbare Transistoren, z. B. MOSFETs, gebildet werden, um Verlustleistungen zu verringern.
Gemäß einem dritten Aspekt weist ein Fahrzeug ein Energiesystem gemäß dem zweiten Aspekt auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts gelten auch für den dritten Aspekt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 6 erläutert. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
In den Figuren 2 bis 6 werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein. Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen, vielmehr können die Darstellungen in einzelnen Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 ein Bordnetz gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sicherungsschaltungsanordnung für ein Energiesystem,
Figur 3 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Sicherungsschaltungsanordnung und
Figur 4 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Sicherungsschaltungsanordnung,
Figur 5 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Energiesystems und
Figur 6 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Sicherungsschaltungsanordnung.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden" oder „gekoppelt" bezeichnet ist, das Element mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass Zwischenelemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden" oder „direkt gekoppelt" bezeichnet ist, keine Zwischenelemente vorhanden.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Sicherungsschaltungsanordnung für ein Energiesystem.
Das Energiesystem 10 weist beispielsweise eine erste Energiequelle 12 und eine zweite Energiequelle 14 auf. Die erste Energiequelle 12 und die zweite Energiequelle 14 sind beispielsweise ausgebildet, eine Gleichspannung bereitzustellen, insbesondere eine gleiche Gleichspannung. Die erste Energiequelle 12 umfasst beispielsweise einen DC/DC Wandler. Der DC/DC-Wandler stellt beispielsweise an seinem Ausgang eine 12-Volt-Spannung zur Verfügung.
Die zweite Energiequelle 14 umfasst beispielsweise eine Batterie. Die Batterie stellt beispielsweise ebenfalls eine 12-Volt-Spannung zur Verfügung.
Alternativ kann die erste Energiequelle 12 eine Batterie aufweisen und die zweite Energiequelle 14 einen DC/DC-Wandler.
Das Energiesystem 10 ist zum Beispiel in einem Fahrzeug angeordnet. Das Energiesystem 10 kann auch als Bordnetz bezeichnet werden.
Die Sicherungsschaltungsanordnung 20 weist einen ersten Versorgungspfad mit einem ersten Versorgungsanschlussknoten 22 und einen zweiten Versorgungspfad mit einem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 auf. Die Sicherungsschaltungsanordnung 20 ist über den ersten Versorgungsanschlussknoten 22 mit der ersten Energiequelle 12 und über den zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 mit der zweiten Energiequelle 14 verbunden.
Der erste Versorgungspfad weist einen ersten Lastanschlussknoten 24 und einen ersten Sicherungsknoten 28 auf. An den ersten Lastanschlussknoten 24 ist eine sicherheitsrelevante Last 26 angeschlossen. Der erste Sicherungsknoten 28 ist über eine erste elektrische Sicherung 30 mit dem ersten Versorgungsanschlussknoten 22 verbunden.
Eine sicherheitsrelevante Last mit hoher Verfügbarkeitsanforderung ist zum Beispiel eine elektrische Lenkung, welcher eine Anforderung nach ASIL C oder ASIL D für eine sichere Versorgung zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass es besonders wichtig ist, dass diese Last unter quasi allen Umständen stabil elektrisch versorgt wird.
Der zweite Versorgungpfad weist einen zweiten Lastanschlussknoten 36 auf, der ebenfalls mit der sicherheitsrelevanten Last 26 verbunden ist. Der erste Lastanschlussknoten 24 und der zweite Lastanschlussknoten 36 sind elektrisch leitend verbunden. Alternativ kann der erste Lastanschlussknoten 24 gleich dem zweiten Lastanschlussknoten 36 sein. Der zweite Lastanschlussknoten 36 ist über eine dritte elektrische Sicherung 38 mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 36 verbunden.
Der erste Sicherungsknoten 28 des ersten Versorgungspfads ist über eine vierte elektrische Sicherung 40 mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 des zweiten Versorgungspfads verbunden.
Vorzugsweise weist der zweite Versorgungspfad mehrere dritte Lastanschlussknoten 42 auf, an die jeweils eine einfache Last 44 angeschlossen ist. Die dritten Lastanschlussknoten 42 sind jeweils über eine fünfte elektrische Sicherung 46 mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 verbunden. Die einfachen Lasten 44 sind nicht sicherheitsrelevant oder weisen geringere Sicherheitsanforderungen auf als die sicherheitsrelevanten Lasten 26.
Im Stand der Technik (siehe Figur 1 ) transformiert sich die ASIL-C- oder ASIL-D-Anforderung der Verfügbarkeit der Versorgung der sicherheitsrelevanten Lasten 3 auf das Kriterium des sicheren Abschaltens. Das bedeutet, dass sämtliche Lasten 2, 3 beziehungsweise Verbraucher über einen Trennschalter beziehungsweise eine Sicherung, der ASIL-C- beziehungsweise ASIL-D-Anforderungen erfüllt, von dem Energiesystem trennbar sein müssen. Kann eine Last nicht mit der gleichen Wahrscheinlichkeit sicher (vollumfänglich ohne Rückwirkungen) abgeschaltet werden, kann, auf Grund der elektrischen Kopplung, die sichere Versorgung gemäß ASIL C beziehungsweise ASIL D für die Lenkung nicht gewährleistet werden.
Um die Anforderungen an die Sicherungen beziehungsweise Trennschalter hinsichtlich des sicheren Abschaltens zu reduzieren, wird erfindungsgemäß der im Stand der Technik gezeigte Trennschalter, der in der Verbindung, die die beiden Energiequellen verbindet, angeordnet ist, „aufgetrennt“ und als redundante Abschaltmöglichkeit genutzt. Das bedeutet, dass die sicherheitsrelevante Last (z.B. Lenkung) einmal vor (von der Seite der zweiten Energiequelle kommend) dem Trennschalter und einmal im Trennschalter abgezweigt beziehungsweise angeschlossen wird. Damit ist eine redundante elektrische Versorgung sichergestellt. Ferner ist es im Fehlerfall möglich, die elektrische Versorgung der sicherheitsrelevanten Last von der zweiten Energiequelle und den anderen Lasten zu isolieren und die Versorgung der sicherheitsrelevanten Last mit Hilfe der ersten Energiequelle bereitzustellen. Es werden somit die Anforderung an alle Lasten (außer der sicherheitsrelevanten Last selbst) bezüglich des sicheren Abschaltens beziehungsweise Trennens vom Energiesystem reduziert, so dass nicht jede Last mit redundanten elektrischen Sicherungen abgesichert werden muss.
Insbesondere kann beispielsweise eine Anforderung an die zweite elektrische Sicherung, die dritte elektrische Sicherung und die fünfte elektrische Sicherung auf eine ASIL-B-Anforderung reduziert werden.
Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer weiten Sicherungsschaltungsanordnung für ein Energiesystem, bei dem mehrere sicherheitsrelevante Lasten an dem redundant ausgebildeten Energiesystem angeschlossen sind.
Im Unterschied zu dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der erste Versorgungspfad zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung 32’, zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung 38’, zumindest einen weiteren ersten Lastanschlussknoten 24’ und zumindest einen weiteren zweiten Lastanschlussknoten 36’ zum Anschließen zumindest einer weiteren sicherheitsrelevanten Last 26’ auf.
Der zumindest eine weitere erste Lastanschlussknoten 24’ ist über die zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung 32’ mit dem ersten Sicherungsknoten 28 und der zumindest eine weitere zweite Lastanschlussknoten 36’ über die zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung 38’ mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 verbunden.
Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer weiteren Sicherungsschaltungsanordnung 20 für ein Energiesystem 10.
Die erste elektrische Sicherung 30 und/oder die zweite elektrische Sicherung 32 und/oder die dritte elektrische Sicherung 38 und/oder die vierte elektrische Sicherung 40 und/oder die fünften elektrischen Sicherungen 46 weisen beispielsweise zum Trennen der zugehörigen Verbindungen jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter auf.
Die Halbleiterschalter weisen zum Beispiel jeweils zumindest einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, auf. Die MOSFETs sind beispielsweise als n-Kanal-MOSFETs ausgebildet.
Insbesondere weist die erste elektrische Sicherung 30 einen ersten MOSFET und die vierte elektrische Sicherung 40 einen zweiten MOSFET auf und ein Drain-Anschluss des ersten MOSFETs ist mit einem Drain-Anschluss des zweiten MOSFETs verbunden. Ferner ist ein Source-Anschluss des ersten MOSFETs mit dem ersten Versorgungsanschlussknoten 22 und ein Source-Anschluss des zweiten MOSFETs mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 verbunden.
Die Halbleiterschalter der ersten bis fünften elektrischen Sicherung können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
Beispielsweise kann einer oder mehrere der Halbleiterschalter eine Parallelschaltung von mehreren MOSFETs aufweisen.
Optional weist die erste elektrische Sicherung 30 und/oder die zweite elektrische Sicherung 32 und/oder die dritte elektrische Sicherung 38 und/oder die vierte elektrische Sicherung 40 und/oder die fünften elektrischen Sicherungen 50 jeweils einen dritten MOSFET und einen vierten MOSFET auf, die in einer Back-to-Back-Konfiguration angeordnet sind, wobei ein Source-Anschluss des dritten MOSFETs mit einem Source-Anschluss des vierten MOSFETs verbunden ist und ein Gate des dritten MOSFETs und ein Gate des vierten MOSFETs von einem gleichen Gate-Treiber angesteuert werden. Bei der ersten elektrischen Sicherung 30 können der erste MOSFET und der dritte MOSFET identisch sein und bei der vierten elektrischen Sicherung 40 können der zweite MOSFET und der vierte MOSFET identisch sein.
Alternativ ist möglich, dass insbesondere die erste Sicherung 30 nicht in einer Source-Source-Konfiguration sondern in einer Drain-Drain-Konfiguration ausgeführt ist. Dies erfordert eine aufwendigere Ansteuerung der MOSFETs, ermöglicht aber, dass Überspannungen besser abgefangen werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann einer oder mehrere der Halbleiterschalter beziehungsweise der ersten bis fünften elektrische Sicherungen 30, 32, 38 40, 46 mehrere parallele Schaltpfade aufweisen, in denen jeweils zwei MOSFETs in einer Back-to-Back-Konfiguration angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine oder mehrere der der ersten bis fünften elektrischen Sicherungen 30, 32, 3840, 46 mehrstufig ausgebildet sind, das heißt eine Serienschaltung von zumindest zwei Halbleiterschaltern aufweist. Vorzugsweise ist die erste elektrische Sicherung 30 ausgebildet, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten 22 und dem ersten Sicherungsknoten 28 fließt, und abhängig von dem erfassten Signal einen Schalterzustand der ersten elektrischen Sicherung 30 zu steuern.
Alternativ oder zusätzlich sind auch die anderen elektrischen Sicherungen ausgebildet, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der durch die Verbindung fließt, die sie jeweils absichern, und abhängig von dem erfassten Signal ihren Schalterzustand zu steuern.
Zumindest ein Teil der ersten bis fünften elektrischen Sicherungen 30, 32, 38 40, 46 weisen beispielsweise einen Shunt-Widerstand (nicht gezeigt in den Figuren) auf, der in Serie zu dem Halbleiterschalter der jeweiligen elektrischen Sicherung angeordnet ist. Alternativ kann jeweils auch ein Sense-Strom-Transistor, bei dem beispielsweise ein Bruchteil (z. B. 1/20000) des Laststroms zur Messung der Stromstärke genutzt wird, eingesetzt werden.
Ferner weisen die jeweiligen elektrischen Sicherungen 30, 32, 38 40, 46 beispielsweise eine Auswerteeinheit (nicht gezeigt in den Figuren) auf, die ausgebildet ist, eine Spannung, die an dem Shunt-Widerstand abfällt, zu erfassen und beispielsweise mit einem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen, und wenn die erfasste Spannung den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, den Halbleiterschalter so anzusteuern, dass er in einen Offen-Zustand übergeht.
Vorzugsweise weist zumindest ein Teil der ersten bis fünften elektrischen Sicherungen 30, 32, 38 40, 46 jeweils einen Kontrollanschluss (nicht gezeigt in den Figuren) auf, so dass die elektrischen Sicherungen 30, 32, 38 40, 46 nach einer Behebung eines Fehlers, der die jeweilige elektrische Sicherung 30, 32, 38 40, 46 ausgelöst hat, wieder in einen Geschlossen-Zustand für einen Normalbetrieb versetzt werden kann.
In Figur 5 ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Energiesystems 10 gezeigt. Im Unterschied zu den in den Figuren 2 bis 4 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen wird die sicherheitsrelevante Last 26 beispielsweise über zwei Zuleitungen Z1 , Z2 versorgt. In jeder Zuleitung Z1 , Z2 ist eine Diode D1 , D2 angeordnet, die jeweils mit ihrer Kathode mit dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last 26 verbunden ist. Die Dioden D1 , D2 sind somit antiseriell angeordnet. Die erste Diode D1 und zweite Diode D2 können innerhalb eines Gehäuses der Sicherungsschaltungsanordnung 20 oder außerhalb des Gehäuses der Sicherungsschaltungsanordnung 20 angeordnet sein.
Der Einsatz der ersten Diode D1 und zweiten Diode D2 ist vorteilhaft, wenn die zweite und dritte elektrische Sicherung 32, 38 jeweils keine gleichwertige Diodensperrfunktion aufweisen, zum Beispiel weil jeweils nur ein einfacher Schalttransistor genutzt wird. Die Nutzung der Dioden D1 , D2 ist besonders vorteilhaft, wenn der Laststrom der sicherheitsrelevanten Last 26 klein ist (z. B. kleiner 20 Ampere), da in diesem Fall einfache Dioden genutzt werden können. Bei Lasten mit höheren Lastströmen ist die Nutzung eines (steuerbaren) Halbleiterschalters mit zwei antiseriell angeordneten Transistoren, insbesondere MOSFETs, vorteilhaft.
Ansonsten kann die in Figur 5 gezeigte Sicherungsschaltungsanordnung 20 analog zu der in Figur 4 gezeigten Sicherungsschaltungsanordnung 20 ausgebildet sein.
In Figur 6 ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Sicherungsschaltungsanordnung 20 gezeigt. Figur 6 zeigt eine Variante, bei der die Sicherungsschaltungsanordnung 20 in dem zweiten Versorgungspfad einen zweiten Sicherungsknoten 52 und eine sechste elektrische Sicherung 50 aufweist. Die sechste elektrische Sicherung 50 ist zwischen dem zweiten Versorgungsanschlussknoten 34 und dem zweiten Sicherungsknoten 52 angeordnet. Der erste Sicherungsknoten 28 des ersten Versorgungspfads ist über die vierte elektrische Sicherung 40 mit dem zweiten Sicherungsknoten 52 verbunden. Ansonsten kann die Sicherungsschaltungsanordnung 20 analog zu den in Figur 2 bis 5 gezeigten Sicherungsschaltungsanordnungen ausgebildet sein.
Die sechste elektrische Sicherung 50 kann analog zu einer der ersten bis fünften elektrischen Sicherungen 30, 32, 38, 40, 46 ausgebildet sein. Bezugszeichenliste
1 Bordnetz
2 einfache Last
3 sicherheitsrelevante Last
4 DC/DC-Wandler
5 Batterie
6 Sicherung
7 Trennschalter
10 Energiesystem
12 erste Energiequelle
14 zweite Energiequelle
20 Sicherungsschaltungsanordnung
22 erster Versorgungsanschlussknoten
24 erster Lastanschlussknoten
24' weiterer erster Lastanschlussknoten
26 sicherheitsrelevante Last
26' weitere sicherheitsrelevante Last
28 erster Sicherungsknoten
30 erste elektrische Sicherung
32 zweite elektrische Sicherung
32' weitere zweite elektrische Sicherung
34 zweiter Versorgungsanschlussknoten
36 zweiter Lastanschlussknoten
36' weiterer zweiter Lastanschlussknoten
38 dritte elektrische Sicherung
38' weitere dritte elektrische Sicherung
40 vierte elektrische Sicherung
42 dritter Lastanschlussknoten
44 einfache Last
46 fünfte elektrische Sicherung
50 sechste elektrische Sicherung
52 zweiter Sicherungsknoten D1, D2 Diode
Z1 , Z2 Zuleitung

Claims

Patentansprüche
1 . Sicherungsschaltungsanordnung (20) für ein Energiesystem (10) aufweisend einen ersten Versorgungspfad und einen zweiten Versorgungspfad, wobei der erste Versorgungspfad
- einen ersten Versorgungsanschlussknoten (22) aufweist, der ausgebildet ist, den ersten Versorgungspfad mit einer ersten Energiequelle (12) zu verbinden,
- einen ersten Lastanschlussknoten (24) aufweist zum Anschließen einer sicherheitsrelevanten Last (26),
- einen ersten Sicherungsknoten (28) und eine erste elektrische Sicherung (30) aufweist, wobei die erste elektrische Sicherung (30) in einer ersten Verbindung zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten (22) und dem ersten Sicherungsknoten (28) angeordnet ist, und
- eine zweite elektrische Sicherung (32) aufweist, die in einer zweiten Verbindung zwischen dem ersten Sicherungsknoten (28) und dem ersten Lastanschlussknoten (24) angeordnet ist, und der zweite Versorgungspfad
- einen zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) aufweist, der ausgebildet ist, den zweiten Versorgungspfad mit einer zweiten Energiequelle (14) zu verbinden,
- einen zweiten Lastanschlussknoten (36) aufweist zum Anschließen der sicherheitsrelevanten Last (26),
- eine dritte elektrische Sicherung (38) aufweist, die in einer dritten Verbindung zwischen dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) und dem zweiten Lastanschlussknoten (36) angeordnet ist, und wobei der erste Sicherungsknoten (28) des ersten Versorgungspfads über eine vierte elektrische Verbindung, in der eine vierte elektrische Sicherung (40) angeordnet ist, mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) des zweiten Versorgungspfads verbunden ist.
2. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach Anspruch 1 , bei der der zweite Versorgungspfad eine Mehrzahl an dritten Lastanschlussknoten (42) aufweist zum jeweiligen Anschließen einer einfachen Last (44), wobei die dritten Lastanschlussknoten (42) jeweils über eine fünfte elektrische Sicherung (46) mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) verbunden sind und die einfachen Lasten (44) nicht sicherheitsrelevant sind oder geringere Sicherheitsanforderungen aufweisen als die sicherheitsrelevante Last (26).
3. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach Anspruch 1 , bei der der erste Versorgungspfad zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung (32’), zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung (38’), zumindest einen weiteren ersten Lastanschlussknoten (24’) und zumindest einen weiteren zweiten Lastanschlussknoten (36’) zum Anschließen zumindest einer weiteren sicherheitsrelevanten Last (26’) aufweist, wobei der zumindest eine weitere erste Lastanschlussknoten (24’) über die zumindest eine weitere zweite elektrische Sicherung (32’) mit dem ersten Sicherungsknoten (28) und der zumindest eine weitere zweite Lastanschlussknoten (36’) über die zumindest eine weitere dritte elektrische Sicherung (38’) mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) verbunden ist.
4. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Teil der elektrischen Sicherungen (30, 32, 32’, 38, 38’, 40, 46) zum Trennen der zugehörigen Verbindung jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter aufweisen.
5. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach Anspruch 4, bei der der jeweilige Halbleiterschalter zumindest einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, aufweist.
6. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste elektrische Sicherung (30) einen ersten MOSFET und die vierte elektrische Sicherung (40) einen zweiten MOSFET aufweist und ein Drain-Anschluss des ersten MOSFETs mit einem Drain-Anschluss des zweiten MOSFETs verbunden ist und ein Source-Anschluss des ersten MOSFETs mit der ersten Versorgungsanschlussknoten (22) und ein Source-Anschluss des zweiten MOSFETs mit dem zweiten Versorgungsanschluss (34) verbunden ist.
7. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste elektrische Sicherung (30) ausgebildet ist, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der zwischen dem ersten Versorgungsanschlussknoten (22) und dem Sicherungsknoten (28) fließt, und abhängig von dem erfassten Signal einen Schalterzustand der ersten elektrischen Sicherung (30) zu steuern, und/oder die vierte elektrische Sicherung (40) ausgebildet ist, ein Signal zu erfassen, das repräsentativ ist für einen Strom, der zwischen dem ersten Sicherungsknoten (28) und dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) fließt, und abhängig von dem erfassten Signal einen Schalterzustand der vierten elektrischen Sicherung (40) zu steuern.
8. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sicherungsschaltungsanordnung (20) in dem zweiten Versorgungspfad einen zweiten Sicherungsknoten (52) und eine sechste elektrische Sicherung (50) aufweist, wobei die sechste elektrische Sicherung (50) in einer fünften Verbindung zwischen dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) und dem zweiten Sicherungsknoten (52) angeordnet ist und der erste Sicherungsknoten (28) des ersten Versorgungspfads über die vierte elektrische Sicherung (40) mit dem zweiten Sicherungsknoten (52) verbunden ist.
9. Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere oder alle der elektrischen Sicherungen (30, 32, 38, 40, 46, 50) jeweils einen dritten MOSFET und einen vierten MOSFET aufweisen, die in einer Back-to-Back-Konfiguration angeordnet sind, wobei ein Source-Anschluss des dritten MOSFETs mit einem Source-Anschluss des vierten MOSFETs verbunden ist und ein Gate des dritten MOSFETs und ein Gate des vierten MOSFETs von einem gleichen Gate-Treiber angesteuert werden.
10. Energiesystem (10) aufweisend eine Sicherungsschaltungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, sowie die erste Energiequelle (12), die mit dem ersten Versorgungsanschlussknoten (22) verbunden ist, und die zweite Energiequelle (14), die mit dem zweiten Versorgungsanschlussknoten (34) verbunden ist.
11 . Energiesystem (10) nach Anspruch 9, wobei das Energiesystem
- eine erste Diode (D1 ) aufweist, die in einer Verbindung zwischen dem ersten Lastanschlussknoten (24) und einem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last (26) angeordnet ist, wobei die Kathode der ersten Diode (D1 ) mit dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last (26) verbunden ist, und
- eine zweite Diode (D2) aufweist, die in einer weiteren Verbindung zwischen dem zweiten Lastanschlussknoten (36) und dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last (26) angeordnet ist, wobei eine Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem Versorgungsanschluss der sicherheitsrelevanten Last (26) verbunden ist und die erste Diode (D1 ) und die zweite Diode (D2) antiseriell angeordnet sind.
12. Fahrzeug aufweisend ein Energiesystem (10) gemäß Anspruch 10 oder 11 .
5
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