Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug.

Anwendung finden kann die Erfindung bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeugen, die für autonomes Fahren eingerichtet sind. Derartige Kraftfahrzuge weisen typischerweise elektrische Komponenten auf, die sicherheitsrelevante Funktionen für das autonome Fahren bereitstellen. Um den erheblichen Sicherheitsanforderungen an ein solches Kraftfahrzeug zu genügen ist erforderlich, dass solche Bordnetze eine hochsichere Energieversorgung mit geringer Ausfallwahrscheinlichkeit bereitstellen können. Aus dem Stand der Technik gehen bereits Bordnetze für Kraftfahrzeuge hervor, die mehreren Niedervoltbatterien aufweisen und eine gewisse Redundanz bereitstellen. Kommt es zu einem Ausfall einer Batterie, kann die Betriebsspannung für die elektrischen Komponenten über die andere Batterie bereitgestellt werden. Auf diese Weise können sicherheitsrelevante Funktionen, wie das Lenken oder das Öffnen der Türen, auch bei Ausfall einer Batterie ausgeführt werden. Bei einem Bordnetz mit mehreren Batterien ergibt sich allerdings der Nachteil des erhöhten Gewichts und Platzbedarfs und Kosten durch die zusätzliche Batterie.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Ausfallsicherheit eines Kraftfahrzeuges mit möglichst geringen Auswirkungen auf das Gewicht, den Platzbedarf und die Kosten zu erhöhen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Teil-Bord- netz, das eine erste Bordnetzspannung aufweist, mit einem zweiten Teil-Bordnetz, das eine zweite Bordnetzspannung aufweist, wobei die zweite Bordnetzspannung kleiner ist als die erste Bordnetzspannung, mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungswandler, die jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Teil-Bordnetz angeordnet sind, und mit einem Energiespeicher, der in dem zweiten Bordnetz angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Bordnetz umfasst zwei Gleichspannungswandler, die zwischen dem ersten und dem zweiten Teil-Bordnetz angeordnet sind. Über diese Gleichspannungswandler kann in einem Normalbetriebsmodus elektrische Energie aus dem ersten Teil-Bordnetz in das zweite Teil-Bordnetz gespeist werden, um elektrische Komponenten des zweiten Teil- Bordnetzes zu versorgen. Bei Ausfall eines der beiden Gleichspannungswandler kann die Versorgung des zweiten Teil-Bordnetzes durch den jeweils andere Gleichspannungswandler aufrechterhalten werden. Der Energiespeicher des zweiten Bordnetzes kann im Normalbetriebsmodus Spannungsschwankungen in dem zweiten Bordnetz reduzieren. Falls beide Gleichspannungswandler ausfallen oder die erste Bordnetzspannung des ersten Teil-Bord- netzes absinkt, kann der Energiespeicher des zweiten Teil-Bordnetzes zumindest kurzzeitig die elektrischen Komponenten des zweiten Bordnetzes versorgen. Insofern kann das erfindungsgemäße Bordnetz die Ausfallsicherheit des Kraftfahrzeuges erhöhen. Da es nicht erforderlich ist, einen zweiten Energiespeicher in dem zweiten Teil-Bordnetz vorzusehen, entstehen nur geringen Auswirkungen auf das Gewicht, den Platzbedarf und die Kosten.

Bevorzugt liegt die erste Bordnetzspannung in einem Bereich von 400 V bis 800 V und die zweite Bordnetzspannung in einem Bereich von 12 V bis 48 V. Der Energiespeicher wird bevorzugt als Batterie oder Akkumulator ausgebildet, wobei insbesondere Blei-Akkumulatoren, sowie Lithium-Ionen-Akkumulatoren in Frage kommen. Alternativ kommen alle weiteren Formen eines Energiespeichers in Frage, welche für einen kleinen Zeitraum elektrische Komponenten mit Spannung versorgen können, wie z.B. ein Kondensator. Bevorzugt werden die Gleichspannungswandler genutzt, um die erste Bordnetzspannung auf das Niveau der zweiten Bordnetzspannung zu wandeln. Bevorzugt werden mit der zweiten Bordnetzspannung elektrische Komponenten des Kraftfahrzeugs versorgt, die sicherheitsrelevante Funktionen ausführen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Teil-Bordnetz einen Hochvolt-Energiespeicher aufweist, sodass beide Gleichspannungswandler im Normalbetriebsmodus konstant mit Energie aus dem ersten Teil-Bordnetz gespeist werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Bordnetz eine Steuereinrichtung aufweist, welche derart konfiguriert ist, dass in einem Normalbetriebsmodus Energie aus dem ersten Teil-Bordspannungsnetz mittels des ersten und des zweiten Gleichspannungswandlers in das zweite Teil-Bordnetz gespeist wird und bei einem Ausfall des ersten oder des zweiten Gleichspannungswandlers Energie aus dem ersten Teil-Bordspannungsnetz mittels des nicht ausgefallenen Gleichspannungswandlers in das zweite Teil-Bordnetz gespeist wird. Folglich kann die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des zweiten Bordnetzspannung reduziert werden. Die Funktionalität elektrischer Komponenten, die mit der zweiten Bordnetzspannung versorgt werden, kann somit aufrechterhalten werden. Eine Redundanz in einem Bordnetz mittels mindestens zweier Gleichspannungswandler bietet gleichzeitig das Potenzial die Gewichtszunahme und den Platzbedarf durch ein solches System, im Vergleich zum Stand der Technik, zu minimieren. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das zweite Teil-Bordnetz mindestens zwei parallele Stränge und eine elektrische Komponente aufweist, wobei die elektrische Komponente mit beiden Strängen verbunden ist. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass ein Ausfall eines der beiden Stränge zu kompensiert werden kann, indem die elektrische Komponente über den jeweiligen anderen Strang gespeist wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder Strang eine Verteilereinheit mit einer Sicherung umfasst. Die Verteilereinheit kann den Strang gegen unerwünschte Betriebszustände, wie beispielsweise Fehlerströme oder Kurzschlüsse, absichern. Hierdurch kann der Schutz der elektrischen Komponenten des zweiten Teil-Bordnetzes erhöht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das zweite Teil-Bordnetz eine Hauptverteilereinheit aufweist, die mit den Verteilereinheiten der Stränge und mit dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler verbunden ist. Die Hauptverteilereinheit kann eine zentralen Verteilstelle des zweiten Teil-Bordnetzes bilden, über weichen der vollständige Energiefluss von dem ersten Teil-Bordnetz in das zweite Teil-Bordnetz geleitet wird. Des Weiteren kann in einem Fehlermodus über die Hauptverteilereinheit die Versorgung mit elektrischer Energie aufrechterhalten werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das zweite Teil-Bordnetz, insbesondere die Hauptverteilereinheit des zweiten Teil-Bordnetzes, ein System zum Laden oder Entladen des Energiespeichers aufweist. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein aktives Management des Energiespeichers verwendet werden soll, wie es beispielsweise bei als Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgebildeten Energiespeichern der Fall ist. Durch das System zum Laden und Entladen des Energiespeicher können Schädigungen an dem Energiespeicher durch Tiefenentladung oder Überladung vermieden werden. Insofern kann die Lebensdauer des Energiespeichers gesteigert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Verhältnis der zweiten Bordnetzspannung zur ersten Bordnetzspannung im Bereich von 0,01 bis 0,04 liegt, bevorzugt im Bereich von 0,015 bis 0,03. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, einen Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs mit einer höheren, ersten Bordnetzspannung zu betreiben und elektronische Komponenten, wie beispielsweise Steuergeräte, mit der wesentlich niedrigeren zweiten Bordnetzspannung. Beispielsweise kann die erste Bordnetzspannung im Bereich von 400 V bis 800 V liegen und die zweite Bordnetzspannung im Beriech von 12 V bis 48 V. Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug, mit einem ersten Teil-Bordnetz, das eine erste Bordnetzspannung aufweist, mit einem zweiten Teil-Bordnetz, das eine zweite Bordnetzspannung aufweist, wobei die zweite Bordnetzspannung kleiner ist als die erste Bordnetzspannung, mit einen ersten und einen zweiten Gleichspannungswandler, die jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Teil-Bordnetz angeordnet sind, und mit einem Energiespeicher, der in dem zweiten Bordnetz angeordnet ist, wobei in einem Normalbetriebsmodus Energie aus dem ersten Teil-Bordnetz mittels des ersten und des zweiten Gleichspannungswandlers in das zweite Teil-Bordnetz gespeist wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Bordnetz gemäß der Erfindung beschrieben worden sind. Sofern kein Ausfall vorliegt, wird das Bordnetz im Normalbetriebsmodus betrieben. Der Normalbetriebsmodus beschreibt den Zustand, in welchem die Gleichspannungswandler die elektrische Energie aus dem ersten Teil-Bordnetz in das zweite Teil-Bordnetz transferieren.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bordnetz bei Ausfall des ersten Gleichspannungswandlers in einen ersten Fehlermodus übergeht, in welchem der zweite Gleichspannungswandler das zweite Teil-Bordnetz mit Energie speist. In diesem ersten Fehlermodus kann der zweite Gleichspannungswandler weiterhin die elektrischen Komponenten im zweiten Teil-Bordnetz mit elektrischer Energie versorgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bordnetz bei Ausfall des ersten und des zweiten Gleichspannungswandlers oder des ersten Teil-Bord- netzes in einen zweiten Fehlermodus übergeht, in welchem der Energiespeicher das zweite Teil-Bordnetz mit Energie speist. Der zweite Fehlermodus ermöglicht es, den Ausfall des gesamten ersten Teil-Bordnetzes bzw. der Gleichspannungswandler zumindest für einen gewissen Zeitraum zu kompensieren. Der Zeitraum ist durch den Energiegehalt des Energiespeichers begrenzt. Vorteilhafterweise werden aus dem zweiten Teil-Bordnetz gespeiste elektrische Komponenten des Kraftfahrzeugs in dem zweiten Fehlermodus daher in einen Fail-Safe-Zustand verbracht, in welchem ein möglichst geringer Schaden für den Benutzer des Kraftfahrzeugs zu erwarten ist. Beispielsweise kann eine Schließanlage des Kraftfahrzeugs in dem Fail-Safe-Zustand in ihre geöffnete Stellung verbracht werden, so dass ein Benutzer des Kraftfahrzeugs, die Türen öffnen kann, um aus dem Kraftfahrzeug auszusteigen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Teil-Bordnetz mindestens zwei parallele Stränge und eine elektrische Komponente aufweist, wobei die elektrische Komponente mit beiden Strängen verbunden ist, und wobei das Bordnetz bei Ausfall eines der beiden Stränge in einen dritten Fehlermodus übergeht, in welchem die elektrische Komponente den anderen der beiden Stränge mit Energie gespeist wird. Die elektrische Komponente ist bevorzugt ein elektrischer Verbraucher, beispielsweise ein Steuergerät. Dadurch dass in dem zweiten Teil-Bordnetz zwei parallele Stränge vorgesehen sind und die elektrische Komponente mit diesen beiden Strängen verbunden ist, kann die elektrische Komponente auch bei Ausfall eines der Stränge, zumindest mit verringerter Leistung, weiterbetrieben werden.

Bei dem Verfahren können alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen auch die vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsmäßen redundant ausgeführten Bordnetz beschrieben worden sind, allein oder in Kombination Anwendung bei dem Verfahren finden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Bordnetz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematischen Blockdiagramm.

In Fig.1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 1 für ein Kraftfahrzeug abgebildet, dass als Elektrofahrzeug, insbesondere als autonomes Elektrofahrzeug, ausgebildet ist. Das Bordnetz 1 weist ein erstes Teil-Bordnetz 10 und ein zweites Teil-Bord- netz 20 auf. Das erste Teil-Bordnetz 10 umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher 11 und weitere Hochvolt-Funktionen 12, 13. Das zweite Teil-Bordnetz 20 ist für die Versorgung der Niedervolt-Funktionen zuständig und weist eine Hauptverteilereinheit 21 , einen Energiespeicher 22, zwei parallele Stränge 23‘ und 24‘, wobei innerhalb dieser Stränge sich weitere Verteilereinheiten 23 und 24 mit Sicherungen befinden, und elektrische Komponenten 25, 26 und 27 auf. Zwei Gleichspannungswandler 5, 6 verbinden das erste Teil-Bordnetz und das zweite Teil-Bordnetz.

Das erste Teil-Bordnetz 10 umfasst alle Hochvolt-Funktionen. Diese Hochvolt-Funktionen 12, 13 können beispielsweise als elektrische Antriebseinheiten des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Überdies befindet sich im ersten Teil-Bordnetz eine Spannungsquelle in Form eines Hochvolt-Energiespeichers 11. Dieser Hochvolt-Energiespeicher 11 ist als Batterie ausgebildet und versorgt die Hochvolt-Funktionen 12, 13, sowie die Gleichspannungswandler 5, 6 mit elektrischer Energie. Die Bordnetzspannung des ersten Teil-Bordnetzes weist eine Betriebsspannung von 400 V auf. Diese Betriebsspannung ist ausreichend, um die Antriebseinheiten, sowie weitere Hochvolt-Funktionen mit Leistung betreiben zu können. Alternativ kann die erste Bordnetzspannung einen höheren Wert aufweisen, beispielsweise 800 V betragen.

Die Verbindung des ersten und des zweiten Teil-Bordnetzes wird über die Gleichspannungswandler 5, 6 hergestellt. Das zweite Teil-Bordnetz wird mit einer zweiten Bordnetzspannung betrieben, welche kleiner als die erste Bordnetzspannung. Die Niedervolt-Funktionen 25, 26 und 27 benötigen eine zweite Bordnetzspannung, hier 12 V, sodass das Wandlungsverhältnis der Gleichspannungswandler 5,6 einen Wert von 0,03 besitzt. Sofern die erste Bordnetzspannung einen Wert von 800 V besitzt, beträgt das Wandlungsverhältnis der Gleichspannungswandler 5, 6 einen Wert von 0,015.

Zur Verteilung der elektrischen Energie auf die Niedervolt-Funktionen umfasst das zweite Teil-Bordnetz eine mit den Gleichspannungswandlern 5, 6 und dem Energiespeicher 22 gekoppelte Hauptverteilereinheit 21. Der Energiespeicher 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Batterie ausgebildet.

An die Hauptverteilereinheit 21 sind zwei Stränge angeschlossen, die jeweils eine Verteilereinheiten 23 und 24 umfassen. Die elektrischen Komponenten, insbesondere Verbraucher, des zweiten Teil-Bordnetzes 20 sind jeweils an beide Verteilereinheiten 23 und 24 angeschlossen. Auch wenn in Fig. 1 lediglich eine elektrische Komponente 25 dargestellt ist, die mit beiden Verteilereinheiten verbunden ist, so können in dem zweiten Teil-Bordnetz 20 mehrere elektrische Komponenten vorgesehen sein. Bei den elektrischen Komponenten 25 kann es sich beispielsweise um Steuereinheiten für das Öffnen und Schließen der Türen, für die Lenkfunktion oder das Ausfahren einer Rampe handeln. Die Verteilereinheiten 23, 24 weisen Sicherungen auf, um die elektrischen Komponenten 25 vor erhöhten Strömen zu schützen. Weiterhin können diese Verteilereinheiten 23, 24 Relais umfassen, mittels welcher die Versorgung einzelner Komponenten aktiviert und deaktiviert werden kann.

Die Hauptverteilereinheit 21 kann ein System zum gezielten Laden und Entladen des Energiespeichers 22 - also ein Batterie-Management-System - umfassen, beispielsweise um einen als Lithium-Ionen-Batterie ausgestalteten Energiespeicher 22 betreiben zu können. Sofern keine Ausfälle vorliegen, arbeitet das Bordnetz 1 in einem Normalbetriebsmodus, in welchem über beide Gleichspannungswandler 5, 6, Energie aus dem ersten Teil-Bordnetz 10 in das zweite Teil-Bordnetz 20 gespeist wird. Die Gleichspannungswandler 5, 6 wandeln die erste Bordnetzspannung auf das Niveau der zweiten Bordnetzspannung. Die Hauptverteilereinheit 21 speist die elektrischen Komponenten 25 mit elektrischer Energie über die parallelen Stränge 23‘ und 24‘, welche die Verteilereinheiten 23,24 umfassen. Etwaige Spannungsschwankungen in dem zweiten Teil-Bordnetz können mittels des Energiespeichers 22 des zweiten Teil-Bordnetzes 20 gepuffert, d.h. ausgeglichen, werden.

Im Falle eines Ausfalles eines der Gleichspannungswandler 5 oder 6 wird die Versorgung des zweiten Teil-Bordnetzes 20 mit elektrischer Energie über den jeweilig anderen Gleichspannungswandler 5 oder 6 bewerkstelligt. Das Bordnetz geht dann in den ersten Fehlermodus über.

Sofern die Versorgung des zweiten Teil-Bordnetzes 20 mit elektrischer Energie über das erste Teil-Bordnetz 10 abbricht, geht das System in den zweiten Fehlermodus über. Dieser Fehlermodus kann beispielsweise durch einen Defekt in dem Hochvolt-Energiespeicher 11 oder einem gleichzeitigen Defekt beider Gleichspannungswandler 5, 6, eintreten. Durch Die im zweiten Teil-Bordnetz 20 benötigte zweite Bordnetzspannung wird in diesem Fehlermodus über den an den Hauptverteiler 21 angeschlossenen Energiespeicher 22 bereitgestellt.

Der dritte Fehlermodus ist definiert durch einen Ausfall eines der beiden parallelen Stränge 23‘ oder 24‘. Falls es zu einem Defekt eines der beiden Stränge 23‘ , 24‘, insbesondere einer der beiden Verteilereinheiten 23, 24, kommt, werden die elektrischen Komponenten über den jeweilige andere Strang 23‘, 24‘ bzw. die jeweilige andere Verteilereinheit 23, 24 versorgt.