Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für sicherheitsrelevante Verbraucher nach der Gattung des Anspruchs 1.

Bordnetze zur Versorgung der elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug bestehen heute üblicherweise aus einem Generator, einer Blei-Säure-Batterie, einer Sicherungs- und Relaisbox und einem Kabelbaum zur Verteilung der elektrischen Energie.

Sicherheitsrelevante Verbraucher sind für ihre volle Funktionsfähigkeit auf die zuverlässige Versorgung mit die elektrischer Energie angewiesen und benötigen daher ein elektrisches Bordnetz mit hoher Verlässlichkeit. Aus diesem Grund sind heute übliche Bordnetze zur Versorgung von x-by-wire-Systemen nur dann einsetzbar, wenn bestimmte Zusatzmaßnahmen getroffen werden. Solche elektrische Bordnetze, die auch für sicherheitsrelevante Verbraucher geeignet sind, sind beispielsweise aus der DE 102 51 589 Al bekannt. Bei diesen bekannten Bordnetzen werden sicherheitsrelevante Verbraucher, die hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit elektrischer Energie stellen, über aufwändige Schaltungen redundant versorgt. Dazu wird jeder Verbraucher über zwei verschiedene Versorgungswege mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Fällt die über einen der Versorgungswege gelieferte Versorgungsspannung aus, dann ist die weitere Funktion des Verbrauchers durch die über den zweiten Versorgungswert gelieferte Versorgungsspannung weiterhin sichergestellt. Damit im Fehlerfall keine Entladung der eingesetzten Batterien erfolgt, sind beide Versorgungswege über

Entkopplungsglieder, beispielsweise Schalter oder Dioden voneinander getrennt. Als sicherheitsrelevante Verbraucher werden beispielsweise x-by-wire- Verbraucher genannt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bordnetz für sicherheitsrelevante Verbraucher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den Merkmalen dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine zuverlässige Energieversorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher mit Hilfe einer sehr einfachen Schaltungsanordnung erzielt wird. Die erfindungsgemäße einfache Bordnetzarchitektur ermöglicht diesen Betrieb von Verbrauchern, die hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung stellen. Erfindungsgemäß besteht die Bordnetzarchitektur aus zwei miteinander gekoppelten Teilnetzen, wobei ein Teilnetz das klassische heute übliche Bordnetz darstellt und das zweite Bordnetz ein frei skalierbares Zusatzbordnetz ist. Dadurch ist die Integration von sicherheitsrelevanten Verbrauchern und deren elektrische Versorgung besonders einfach in eine bestehende Bordnetzstruktur integrierbar. Durch die vorteilhafte Skalierbarkeit des Zusatzbordnetzes können wahlweise einer oder auch mehrere sicherheitsrelevante Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass das Zusatzbordnetz über einen oder mehrere Gleichspannungswandler (DC/DC- Wandler) mit dem Basisbordnetz gekoppelt ist. In vorteilhafter Weise werden zur Pufferung eine oder mehrere Zusatzbatterien eingesetzt, die durch die eingesetzten Gleichspannungswandler aufgeladen werden können. Der sicherheitsrelevante Verbraucher bzw. die sicherheitsrelevanten Verbraucher werden im Normalfall durch das Basisbordnetz mit elektrischer Energie versorgt. Das Zusatzbordnetz versorgt nur dann den sicherheitsrelevanten Verbraucher, wenn das Basisbordnetz dazu nicht mehr in der Lage ist und keine oder nur ungenügend viele elektrische Energie liefern kann.

Mit Hilfe der Spannungswandler erfolgt eine vorteilhafte Entkopplung der belastungsabhängigen Spannungslage des Basisbordnetzes vom Zusatzbordnetz und den Zusatzbatterien. Die Ladestrategie der Zusatzbatterien hängt somit in vorteilhafter Weise nicht von der Spannungslage des Basisbordnetzes ab und kann daher optimal auf die verwendeten Batterien abgestimmt werden. Damit ist es auch möglich, unterschiedliche

Batterietypen im Zusatzbordnetz einzusetzen, wodurch es möglich ist, eine diversitäre Redundanz hinsichtlich der Energiespeicherung zu realisieren und damit die Verlässlichkeit der Bordnetzarchitektur noch weiter zu erhöhen. Da die Zusatzbatterien nur bei nicht voll funktionsfähigem Basisbordnetz zur Versorgung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers benutzt werden, werden diese Batterien des Zusatzbordnetzes nur sehr wenig zyklisiert, wodurch sich eine hohe Lebensdauer der Batterien des Zusatzbordnetzes ergibt.

Während des fehlerfreien Betriebs muss der Spannungswandler, abhängig von der gewählten Betriebsstrategie, in vorteilhafter Weise nur die Selbstentladung der Zusatzbatterien kompensieren. Daher muss er nur auf eine sehr geringe Nennleistung hin ausgelegt sein wodurch sich eine sehr kostengünstige Lösung ergibt. Durch die Entkopplung der einzelnen Teilbordnetze der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur kann in vorteilhafter Weise eine Kapselung von Fehlern in Komponenten sowie in den Teilnetzen durchgeführt werden. Auch bei nicht funktionsfähigem Basisbordnetz kann der sicherheitsrelevante Verbraucher weiterhin zuverlässig versorgt werden. Dies führt hinsichtlich der Bordnetzfunktion zu einem mittelbaren Fail-Save Verhalten des Fahrzeugs. Sofern das Basisbordnetz nicht mehr funktionsfähig ist, ist zwar kein weiterer Antrieb des Fahrzeugs mehr möglich, dennoch ist die elektrische Versorgung des oder der sicherheitsrelevanten Verbraucher mittels des nun aktiven Zusatzbordnetzes bis zum Fahrzeugstillstand möglich. Dies ist besonders vorteilhaft wenn die sicherheitsrelevanten Verbraucher Bremsen, insbesondere zweikreisige elektrisch betätigbare Bremsen sind.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

In Figur 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Architektur eines Bordnetzes für sicherheitsrelevante Verbraucher dargestellt. Die Bordnetzarchitektur besteht in diesem Fall aus zwei unterschiedlichen, miteinander gekoppelten Teilnetzen, die als Block 4 und Block 14 bezeichnet sind.

Block 4 symbolisiert das heute übliche Bordnetz in Kraftfahrzeugen, das im Folgenden als Basisbordnetz bezeichnet wird. Es umfasst wenigstens einen Generator 1, einen

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Energiespeicher, insbesondere eine Batterie 2 und beispielhaft einen nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 3. Der Verbraucher, der eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern repräsentiert, kann beispielsweise auch der Starter sein.

Block 14 zeigt das Zusatzbordnetz mit den Komponenten, die zu Erzielung einer sicheren und zuverlässigen elektrischen Energieversorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher notwendig sind. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher werden dabei durch Block 15 am Beispiel eines zweikanaligen Systems mit den Blöcken 16 und 17 repräsentiert. Diese Blöcke 16 und 17 können beispielsweise ein x-by-wire-System sein, insbesondere ein zweikreisiges elektrisches Bremssystem. Prinzipiell sind jedoch auch andere Verbraucher möglich, die hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrische Energieversorgung stellen.

Die Verbindung zwischen dem sicherheitsrelevanten Verbraucher 15 bzw. den beiden sicherheitsrelevanten Verbrauchern 16 und 17 und dem Basisbordnetz 4 wird über entsprechende Leitungen sowie die Schalter 5 und 6 erhalten. Die Schalter 10 und 13 verbinden den Verbraucher 15 bzw. die Verbraucher 16 und 17 mit den Zusatzbatterien 9 und 12. Die Zusatzbatterien 9 und 12, die wählbare Energiespeicher sein können, sind im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 über einen gemeinsamen Gleichspannungswandler (DC/DC- Wandler) 7 mit dem Basisbordnetz 4 verbunden, wobei der Anschluss in der Nähe des Generators 1 erfolgt. Der Spannungswandler 7 umfasst im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zwei Ausgänge und je nach gewähltem Wandlerprinzip zusätzlich die Schalter 8 und 11. Diese Schalter 8 und 11 müssen jedoch nicht zwangsweise in der Wandlerfunktonalität enthalten sein. Der Anschluss der Schalter 5 und 6 an das Basisbordnetz 4 erfolgt an eine Verbindungsleitung zwischen dem Generator 1 und der Batterie 2, wobei die genauen Anschlusspunkte wählbar sind. An Stelle des Spannungswandlers 7 können auch zwei getrennte Gleichspannungswandler mit entsprechender Verschattung vorgesehen werden.

Die einzelnen Schalter oder können mit Hilfe einer Steuereinrichtung 18, beispielsweise einem (Bordnetz)-Steuergerät in geeigneter Weise angesteuert werden und damit geöffnet oder geschlossen werden. Der oder die Schalter des Gleichspannungswandlers 7 können auch von einer in diesem integrierten Steuereinrichtung in geeigneter Weise betätigt werden.

Generell ist die in Figur 1 gezeigte Anordnung nur als eine beispielhafte Möglichkeit der Komponentenaufteilung zu verstehen. Wahlweise können die Schalter 5, 6, 10 und 13 auch in den Verbraucher 15 integriert werden. Beispielsweise könnten auch die in dem durch Block 7 dargestellten Gleichspannungswandler funktional enthaltenen Schalter 8 und 11 auch getrennt vom Gleichspannungswandler realisiert werden.

Der Gleichspannungswandler 7 mit den beiden Ausgängen kann alternativ auch durch zwei getrennte Spannungswandler aufgebaut werden. In diesem Fall können wahlweise unterschiedliche Wandlerprinzipien realisiert werden und dadurch eine diversitäre Redundanz der Spannungswandler dargestellt werden. Damit lässt sich die Verlässlichkeit der dargestellten Bordnetzarchitektur noch weiter erhöhen.

Die einzelnen Schalter 5, 6, 8, 10, 11, 13 können auf unterschiedliche oder gleiche Weise realisiert werden, beispielsweise durch elektronische Leistungsschalter wie Transistoren oder durch Relais. In den Schaltern können wahlweise zusätzliche Einrichtungen zur Strom- und /oder Spannungsmessung eingesetzt werden. Diese Einrichtungen können dann für die Überwachung und Diagnose des Zusatzbordnetzes verwendet werden.

Die Versorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher lässt sich mittels unterschiedlicher Betriebsarten realisieren. Eine erste beispielhafte Betriebsart zur Versorgung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 besteht darin, während des fehlerfreien Betriebs des Basisbordnetzes 4 die Schalter 5 und 6 geschlossen zu halten und die Schalter 10 und 13 geöffnet. Der sicherheitsrelevante Verbraucher 15 wird dann während des Normalbetriebs nur über das Basisbordnetz 4 versorgt.

Der Gleichspannungswandler (DC/DC- Wandler) 7 wird so angesteuert, dass er die beiden Zusatzbatterien 9 und 12 nur dann auflädt, wenn der Ladezustand der Zusatzbatterien dies erfordert. Zur Erkennung des Ladezustands kann diesen Batterien eine eigene Ladezustandserkennung zugeordnet werden. Da die Ladung der Batterien 9 und 12 nur relativ selten erforderlich ist, ist deren Zyklisierung und damit die Beanspruchung der Batterien aus diesem Grund sehr gering. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Zusatzbatterien.

Während des Normalbetriebs sind die Zusatzbatterien 9 und 12 durch den Gleichspannungswandler vom Basisbordnetz 4 entkoppelt. Die Aufladung der

Zusatzbatterien 9 und 12 kann daher unabhängig vom belastungsabhängigen Spannungsniveau des Basisbordnetzes 4 erfolgen. Auf diese Weise wird eine optimale Ladung der Zusatzbatterien sichergestellt. Sind die Zusatzbatterien aufgeladen, kann das Zusatzbordnetz durch öffnen der Schalter 8 und 11 vollständig vom Basisbordnetz 4 getrennt werden. Dadurch wird eine Fehlerausbreitung, beispielsweise die Ausbreitung von unzulässigen Überspannungen vom Basisbordnetz 4 auf das Zusatzbordnetz 14 verhindert.

Durch Überwachungs- bzw. Diagnoseeinrichtungen kann das Zusatzbordnetz 14 getestet und überprüft werden. Beispielsweise ist durch Aktivierung der einzelnen Komponenten des Zusatzbordnetzes und Messung von Strom und Spannung in den aktiven Strompfaden ein Diagnose der Blöcke 5 bis 13, also insbesondere der Schalter möglich. Sind im Gleichspannungswandler 7 die Schalter 8 und 11 nicht bereits aufgrund des Wandlerprinzips funktional enthalten können wahlweise zusätzliche Schalter zwischen den Gleichspannungswandler und den Zusatzbatterien vorgesehen werden. Damit kann eine Auftrennung im Fehlerfall erfolgen. Durch die verschieden Schalter 8, 11; 5, 6 und 10, 13 können Fehler generell gekapselt werden und so eine Fehlerausbreitung zuverlässig verhindert werden und mögliche Fehler die Funktion des Verbrauchers 15 nicht beeinträchtigen.

Möglicherweise auftretende Fehlerfälle, deren Auswirkungen verringert oder ganz vermieden werden können, werden im Folgenden beispielhaft dargestellt. Kann im Fehlerfall das Basisbordnetz 4 aufgrund einer entleerten oder defekten Batterie oder aufgrund eines Kurzschlusses nicht mehr die erforderliche Leistung an den sicherheitsrelevanten Verbraucher 15 liefern, werden die Schalter 5 und 6 geöffnet und die Schalter 10 und 13 geschlossen. Die Ansteuerung der Schalter kann beispielsweise mit Hilfe einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Bordnetzsteuergerät erfolgen, das Ansteuersignale an die Schalter abgibt. Die Versorgung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 erfolgt im Fehlerfall des Basisbordnetzes mit Hilfe der Zusatzbatterien 9 und 12. Wahlweise kann mit Hilfe der im Spannungswandler 7 integrierten Schalter zusätzlich die Verbindung zum Basisbordnetz unterbrochen werden. Dadurch kann auch bei einem fehlerhaften Basisbordnetz die Funktion des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 sichergestellte werden und eine vollständige Entkopplung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 vom Basisbordnetzes 4 erzielt werden.

Tritt während des Normalbetriebs in einem Kanal des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 ein elektrischer Kurzschluss auf, beispielsweise im Block 16, wird der Schalter 5 geöffnet. Da der Schalter 10 während des Normalbetriebs ebenfalls geöffnet ist, wird auch in diesem Fall der Fehler so gekapselt, dass der zweite Block 17 bzw. der zugehörige Kanal des sicherheitsrelevanten Verbrauchers funktionsfähig bleibt. Damit ist sichergestellte, dass einer der beiden Blöcke 16 oder 17 des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 15 auch im Fehlerfall funktionsfähig bleibt. Ist der sicherheitsrelevante Verbraucher 15 ein zweikreisiges elektrisches Bremssystem bzw. ein zweikanaliges System, bleibt im Fehlerfall einer der beiden Bremskreise bzw. einer der beiden Kanäle funktionsfähig.

Eine weitere mögliche Betriebsart besteht darin, dass bei einem fehlerhaften Basisbordnetz 4 zunächst nur eine der beiden Zusatzbatterien des Zusatzbordnetzes mit dem Verbraucher 15 gekoppelt wird. Welche der beiden Batterien ausgewählt wird kann anhand vorgebbarer Bedingungen gewählt werden. Sofern die beiden Batterien eigenen Ladezustandserkennungen aufweist, kann beispielsweise die Batterie mit dem besseren Ladezustand zuerst zugeschaltet werden. Erst wenn der erste zugeschaltete Strompfad bzw. die betreffende Batterie ebenfalls nicht mehr genügend elektrische Leistung an den Verbraucher 15 liefern kann, beispielsweise eines Fehlers oder weil die Batterie zu sehr entladen ist, wird der zweite Kanal des Zusatzbordnetzes mit dem Verbraucher 15 gekoppelt.

Eine weitere mögliche Betriebsart besteht darin, dass bei zeitweise niedriger Spannung des Basisbordnetzes 4 der Verbraucher 15 mit Hilfe der Zusatzbatterien 9 und 12 versorgt werden kann. Dadurch kann eine erhöhte Stabilität der Versorgungsspannung des Verbrauchers 15 erzielt werden. Über den Gleichspannungswandler 7 kann die gegebenenfalls zu niedrige Ausgangsspannung der Batterie 2 soweit angehoben werden, dass eine Ladung der Batterien 9 oder 12 noch möglich ist. Es wird dazu die vom Gleichspannungswandler 7 gelieferte Ausgangsspannung auf einen Wert eingestellt, der oberhalb der Ladespannung der Batterien 9 bzw. 12 liegt.

Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht in wesentlichen Teilen dem ersten Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von diesem insbesondere darin, dass nur noch eine einzige Zusatzbatterie 9 vorhanden ist, die über

die Schalter 10 und 13 an den Verbraucher 15 anschließbar ist. Der Gleichspannungsschalter 7 umfasst in diesem Fall lediglich einen einzigen Schalter 8 wobei es wiederum möglich ist, den Schalter 8 getrennt vom Spannungswandler 7 auszuführen. Die in Figur 2 dargestellte Bordnetzarchitektur ist eine kostengünstigere Variante, da lediglich eine Zusatzbatterie 9 und ein Schalter 8 benötigt werden.

Beide Ausfuhrungsbeispiele sind geeignet, sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz zuverlässig mit Spannung zu versorgen. Sie sind besonders geeignet zur Versorgung so genannter x-by-wire- Verbraucher. Besonders solche x-by- wire- Verbraucher, die selbst redundant ausgeführt sind, beispielsweise zweikreisige elektrische Bremssysteme bzw. generell zweikanalige Systeme können so versorgt werden, dass auch im Fehlerfall zumindest ein Teil des sicherheitskritischen Verbrauchers 15 mit Spannung versorgt bleibt.

Für die Batterien 9, 12 im Zusatzbordnetz (Block 14), können prinzipiell verschiedenartige elektrische Energiespeicher eingesetzt werden. Die Batterien 9, 12 können vom selben Typ sein, wahlweise können jedoch auch Batterien unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. In diesem Fall ergibt sich auch für die Speicherung der elektrischen Energie im Zusatzbordnetz (Block 14) eine diversitäre Redundanz.

Mögliche Ausgestaltungen umfassen gegebenenfalls Kombinationen der in den beiden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele.