Titel

Vorrichtung zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Eine

gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus der WO 2002/080334 AI bekannt. So sind in einem Ausführungsbeispiel mit einem integrierten Startergenerator eine 36V-Batterie, eine 12V-Batterie sowie ein Doppelschichtkondensator vorgesehen. Der integrierte Starter- Generator versorgt über die Verbindung das 42V-Bordnetz und über einen 42/14 V -Konverter das 14V-Netz. An den Netzen sind Verbraucher angeschlossen. Der Doppelschichtkondensator kann über Schalter mit dem integrierten Starter- Generator und dem 42V-Bordnetz verbunden werden. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist auch aus der DE 10 2007 037 937 AI bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, um insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher zuverlässig mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine zuverlässige Versorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher erfolgt. Dadurch, dass ein

Mehrspannungsbordnetz vorgesehen ist, über das zumindest ein redundanter Verbraucher und über den anderen Spannungszweig der weitere redundante Verbraucher bzw. funktionsredundante Verbraucher zuverlässig versorgt wird, erhöht sich die Versorgungssicherheit. Erfindungsgemäß erfolgt die Ankopplung der zumindest zwei Bordnetzkanäle an zwei unterschiedliche Teilnetze mit unterschiedlichen Spannungsebenen von bspw. 48V bzw. 14V. Beim Ausfall eines Teilnetzes kann das noch funktionsfähige andere Teilnetz zumindest einen Bordnetzkanal, den ersten oder zweiten Bordnetzkanal, weiter mit elektrischer Energie versorgen. Das Bordnetz ist abhängig von den gewählten

Energiespeichern skalierbar und an spezifische Anforderungen besonders einfach anpassbar.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Die einzige Figur ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung der

Bordnetztopologie zur Versorgung insbesondere funktionsredundanter Verbraucher.

Ein Basisbordnetz 10 ist als Mehrspannungsbordnetz ausgebildet. Es besteht aus einem Niedrigspannungsbordnetz 30 mit einer Bordnetzspannung Ul von bspw. 14 Volt sowie aus einem Hochspannungsbordnetz 50 mit einer

Bordnetzspannung U2 von bspw. 48 Volt. Niedrigspannungsbordnetz 30 und Hochspannungsbordnetz 50 sind über einen Gleichspannungswandler 58 miteinander verbunden. Beispielhaft umfasst das Niedrigspannungsbordnetz 30 einen Energiespeicher 16 und eine Gruppe von hierzu parallel geschalteten Verbrauchern 18, jeweils gegen Masse geschaltet. Das Hochspannungsbordnetz 50 umfasst einen Energiespeicher 52, eine Verbrauchergruppe 54 und eine elektrische Maschine 56, die jeweils parallel gegen Masse geschaltet sind. Das Hochspannungsbordnetz 50 ist durch einen ersten Kanal 21 über ein erstes Kopplungsmittel 25 mit einem ersten redundanten Verbraucher 22a verbunden. Optional kann zu dem ersten redundanten Verbraucher 22a (bzw. eine Gruppe von redundanten Verbrauchern) ein Energiespeicher 34 vorgesehen sein. Erstes Kopplungsmittel 25, erster redundanter Verbraucher(bzw. eine Gruppe von redundanten Verbrauchern) 22a sowie optional der Energiespeicher 34 sind Bestandteil des ersten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20a.

Das Niedrigspannungsbordnetz 30 ist über einen zweiten Kanal 23 über ein zweites Kopplungsmittel 27 mit einem zweiten redundanten Verbraucher (bzw. eine Gruppe von redundanten Verbrauchern) 22b verbunden. Optional kann zu dem zweiten redundanten Verbraucher (bzw. eine Gruppe von redundanten Verbrauchern) 22b ein Energiespeicher 36, ebenfalls gegen Masse verschaltet, vorgesehen sein. Das zweite Kopplungsmittel 27 und der zweite redundante Verbraucher 22b sowie optional der Energiespeicher 36 sind Bestandteile eines zweiten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20b.

Hinsichtlich der Energiespeicher 34 bzw. 36 des ersten bzw. zweiten

sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20a, 20b können unterschiedliche

Konstellationen vorgesehen sein. In einer ersten Konstellation sind obwohl der Energiespeicher 34 des ersten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20a wie auch der Energiespeicher 36 des zweiten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20b vorhanden. In einer alternativen Ausgestaltung fehlt in dem ersten sicherheitsrelevanten Teilnetz 20a nun der Energiespeicher 34, während in dem zweiten

sicherheitsrelevanten Teilnetz 20b der Energiespeicher 36 vorhanden ist. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann nun vorgesehen sein, dass nun der Energiespeicher 34 des ersten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20a vorgesehen ist, während der Energiespeicher 36 des zweiten sicherheitsrelevanten

Teilnetzes 20b fehlt.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist nun vorgesehen, dass die redundanten Verbraucher 22a, 22b in der dargestellten Weise versorgt werden. Als

redundante Verbraucher 22a, 22b können zum Einen funktionstechnisch redundante Komponenten vorgesehen werden. Alternativ lassen sich identische Komponenten verwenden. Wesentlich ist, diese redundanten bzw.

funktionstechnisch redundanten Verbraucher 22a, 22b unabhängig voneinander aus zwei Bordnetzen 30, 50 mit zwei Spannungslagen Ul, U2, nämlich einem Hochspannungsbordnetz 50 und einem Niedrigspannungsbordnetz 30 zu versorgen. Insbesondere für Bremsanlagen im Kraftfahrzeug für

fremdkraftbetätigte Bremsen ist eine zweikanalige Energieübertragung mit mindestens zwei unabhängigen Energiespeichern 16, 34, 36, 52 vorgesehen. Für ein hochautomatisches Fahren ist daher eine zweikanalige sog. Brake-by-Wire- Bremse notwendig.

Erfindungsgemäß hat die in der Figur dargestellte Anordnung nun den Vorteil, dass aufgrund der zwei Kanäle 21, 23, die jeweils von unterschiedlichen

Bordnetzen mit vorzugsweise unterschiedlichen Spannungsniveaus Ul, U2, nämlich Hochspannungsbordnetz 50 und Niedrigspannungsbordnetz 30, gespeist werden, eine fehlertolerante bzw. diversitäre Energieversorgung vorgesehen ist. Weiterhin wird der Mangel behoben, dass bislang Komponenten nur einfach im Bordnetz vorhanden sind, bspw. dass es bislang nur eine elektrische Lenkung, nur ein System zum Aufbau des Bremsdrucks und nur ein Radarsensor vorhanden ist. Für hoch- und vollautomatische Fahrfunktionen ist dies nicht ausreichend, da eine funktionale Redundanz gefordert wird, um die Fehlertoleranz zu gewährleisten, falls eine Komponente ausfällt. Allerdings ist es nicht zweckmäßig, zwei elektrische Lenksysteme durch dasselbe elektrische Bordnetz bzw. dieselben Kanäle zu versorgen. Hierfür wird die Versorgung über zwei Kanäle 21, 23 vorgeschlagen.

Zumindest ein sicherheitsrelevanter erster Verbraucher 22a ist mit dem ersten Kanal 21 verbunden, während ein weiterer sicherheitsrelevanter, zumindest funktionstechnisch zu dem ersten Verbraucher 22a redundanter zweiter

Verbraucher 22b mit dem zweiten Kanal 23 verbunden ist. Als

sicherheitsrelevante Verbraucher 22a, 22b werden in diesem Zusammenhang solche verstanden, die für den ordnungsgemäßen Betrieb beispielsweise eines Kraftfahrzeugs zwingend erforderlich sind, um die Sicherheit des Insassen während des laufenden Betriebs des Kraftfahrzeugs nicht zu gefährden. Diese Thematik spielt gerade bei der Thematik des hoch- und vollautomatischen Fahrens eine besondere Rolle, da während des automatischen Fahrbetriebs noch weitere Komponenten wie beispielsweise Sensorik oder ähnliches zwingend notwendig sind, die für den konventionellen Fahrbetrieb nicht erforderlich wären. Die Formulierung„zumindest funktionstechnisch redundant" bringt zum Ausdruck, dass neben der erwähnten in jedem Fall notwendigen funktionstechnischen Redundanz auch die Redundanz im Sinne zweier im Wesentlichen technisch identischer Komponenten bzw. Verbraucher gemeint ist. Nachfolgend werden beispielhaft sicherheitsrelevante Verbraucher 22a, 22b genannt. Neben einer rein redundanten Auslegung der sicherheitsrelevanten Verbraucher 22a, 22b (diese Verbraucher 22a, 22b werden identisch zumindest zweimal vorgesehen, jedoch über unterschiedliche Kanäle 21, 23 versorgt) werden beispielhaft funktionstechnisch redundante Verbraucher 22a, 22b angegeben, bei denen nicht identische Komponenten redundant zum Einsatz kommen, sondern technisch unterschiedliche, die jedoch derselben Funktionalität (beispielsweise Bremsen, Umfeldsensierung etc.) dienen. Als insbesonders funktionstechnisch redundante Verbraucher 22a, 22b könnte bspw. zur

Verzögerung des Fahrzeugs (Aufbau Bremsdruck) ein sogenannter

elektronischer Bremskraftverstärker als erster redundanter Verbraucher 22a und ein elektrohydraulischer Bremskraftverstärker als zweiter redundanter

Verbraucher 22b, zum Lenken des Fahrzeugs ein erster Lenkaktuator 22a und ein zweiter Lenkaktuator 22b, bzgl. der Sensorik nach vorne ein Radar und eine Stereovideo- Kamera 22a und ein Lidar 22b, bzgl. der Sensorik nach hinten ein Radar 22a und eine Monokamera 22b, bzgl. der Sensorik zur Seite ein Radar 22a und ein Video- und Ultraschallsensor 22b, zur Informationsverarbeitung und Trajektorienplanung für das autonome Fahren ein sogenanntes Save-Stopp- Modul 22a bzw. ein zentrales Steuergerät zur automatischen Steuerung des Fahrzeugs (sog. ADAS-Steuergerät (DASy = Driver Assistance System)) verwendet werden.

Als sicherheitsrelevante Verbraucher werden beispielsweise Aktuator, Sensor bzw. Sensorik oder Steuergerät angesehen, die zur Sicherstellung eines automatischen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs unverzichtbar sind. Dies mag sich je nach Einzelfall unterscheiden, wird der Fachmann jedoch in

funktionstechnisch redundanter Art auslegen und mit Energie versorgen.

Die Ankopplung der beiden Kanäle 21, 23 erfolgt an die unterschiedlichen Teilnetze, nämlich das Niedrigspannungsbordnetz 30 bzw. das

Hochspannungsbordnetz 50. Beim Ausfall eines der Teilnetze kann das noch funktionsfähige Teilnetz einen Kanal 21, 23 weiter mit elektrischer Energie versorgen. Die Teilnetze 20a und 20b sind mit Hilfe der genannten unterschiedlichen Bestückungen der Energiespeicher 34, 36 an spezifische Anforderungen einfach skalier- und anpassbar.

Die Kopplungsmittel 25, 27 stellen die Verbindung der jeweiligen Kanäle 21, 23 zu den Teilnetzen (Hochspannungsbordnetz 50 bzw. Niedrigspannungsbordnetz 30) mit unterschiedlichen Spannungsniveaus Ul, U2 dar. Die beiden

Bordnetzkanäle 21, 23 für sicherheitsrelevante, redundante Verbraucher 22a, 22b werden jeweils an das Niedrigspannungsbordnetz 30 als auch an das Hochspannungsbordnetz 50 angekoppelt. Dadurch ist eine im Sinne der Sicherheitstechnik diversitäre Energieversorgung der Kanäle 21, 23

sichergestellt. Beim Ausfall eines Teilnetzes (Niederspannungsbordnetz 30 bzw. Hochspannungsbordnetz 50) wird zumindest noch ein Kanal 21 oder 23 durch das noch funktionsfähige Teilnetz 30, 50 mit Energie versorgt.

Sicherheitsrelevanten Verbraucher 22a, 22b können jeweils mit derselben Spannung, bspw. 14V oder 48V versorgt werden. Alternativ ist auch eine Versorgung der Verbraucher 22a, 22b mit einer unterschiedlichen Spannung möglich; d. h. einer der Verbraucher 22a, 22b wird bspw. mit 14V, der andere mit 48V versorgt.

Die Kopplungsmittel 25, 27 können bspw. als leistungselektronische

Koppelglieder ausgeführt sein und bspw. als Gleichspannungswandler realisiert werden. Alternativ können auch Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter als Kopplungsmittel 25, 27 eingesetzt werden. Tritt eine Störung in einem Teilnetz 30, 50 auf, z. B. eine Überspannung, so wird der zugeordnete Kanal 21, 23 mittels des Schalters als Bestandteil des Kopplungsmittels 25, 27 vom jeweiligen Teilnetz 30, 50 getrennt. Der Einsatz von Schaltern setzt jedoch voraus, dass die Versorgungsspannung des Verbrauchers 22a, 22b der Spannung des zugeordneten Teilnetzes 30, 50 entspricht. Das Kopplungsmittel 25 kann daher nur als Schalter ausgeführt werden, wenn der Verbraucher 22a ebenfalls eine Versorgungsspannung von U2 von bspw. 48V besitzt, das Kopplungsmittel 27 kann nur dann als Schalter ausgeführt werden, wenn der Verbraucher 22b eine Versorgungsspannung von Ul gleich 14V des Niedrigspannungsbornetzes 30 besitzt. Beispielhaft wird die Funktionsweise des Bordnetzes gemäß der Figur erläutert. Im Normalfall funktioniert das Bordnetz 10 ordnungsgemäß. Über das

Basisbordnetz 10 und die darin enthaltene Elektromaschine 56 wird elektrische Energie erzeugt, welche in dem Energiespeicher 52 gespeichert werden kann oder von den Verbrauchern 54 bzw. 18 (über den Gleichspannungswandler 58) verbraucht werden. Hinter den Verbrauchern 18, 54 verbergen sich elektrische Komponenten wie bspw. Heizung, Klimatisierung oder auch Wasser- und Benzinpumpen, die nicht sicherheitsrelevant sind, aber ggf. für den Komfort und den Vortrieb notwendig sind.

Alle sicherheitsrelevanten Verbraucher 22a, 22b, die für das hochautomatische Fahren notwendig sind, werden auf die Teilnetze, Niedrigspannungsbordnetz 30, Hochspannungsbordnetz 50 (mit den zugehörigen Kanälen 21, 23 aufgeteilt). Funktionieren beide Kanäle 21, 23, kann das System uneingeschränkt alle Anforderungen erfüllen. Fällt ein Kanal 21, 23 aus, kann weiterhin über hochautomatisches Fahren der sichere Zustand erreicht werden, ggf. mit funktionalen Einschränkungen wie im Folgenden gezeigt.

Im Fehlerfall beispielsweise bei Auftreten eines Kurzschlusses der

Versorgungsleitung im Teilnetz 20b für das zweite Kopplungsmittel 27 gegen Masse nach dem Kopplungsmittel 27 ist also der zweite Kanal 23 ist fehlerhaft. Dann bricht die Spannung im zweiten Kanal 23 mit den redundanten

Verbrauchern 22b ein. Diese Verbraucher 22b können nicht mehr

ordnungsgemäß versorgt werden. Der Energiespeicher 36 wird vom Netz getrennt, indem ein im Kopplungsmittel 27 enthaltener Schalter öffnet. Da in diesem Moment das Fahrzeug hochautomatisch fährt, ist der Fahrer nicht in der Verantwortung. Daher steht die mechanische Rückfallebene nicht zur Verfügung und es muss ein Rückfallsystem geben, welches das Fahrzeug so lange automatisch steuert, bis entweder der Fahrer die Fahrzeugführung übernimmt und damit die mechanische Rückfallebenen der Bremse und Lenkung nutzen kann oder das Fahrzeug automatisch in einen sicheren Zustand gebracht wird (beispielsweise durch ein sog. Safe-Stopp-Modul 22a). Dies kann beispielsweise das automatisierte Ausrollen auf dem rechten Seitenstreifen bedeuten. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der zuletzt genannte Fall eintritt und der Fahrer nicht das Fahren übernimmt. In diesem Fall muss das Fahrzeug mit den verbleibenden Komponenten weiterhin automatisch gesteuert und in den sicheren Zustand gebracht werden. Im ersten Schritt muss das Umfeld über die im ersten Bordnetzkanal 21 vorhandene Sensorik (redundante Verbraucher 22a) das Umfeld erfassen. Da die Anzahl der Sensoren und damit die Wirkprinzipien der Umfeldsensorik reduziert sind, muss die Geschwindigkeit reduziert werden, mit dem das Fahrzeug weiterfährt, oder ein sonstiges Notprogramm durchlaufen werden. Das Fahrzeug wird verzögert, indem der elektronische

Bremskraftverstärker 22a, angeschlossen am ersten Kanal 21, mit elektrischem Strom versorgt wird und so Bremsdruck aufbauen kann. Im weiteren Schritt muss das sogenannte Save-Stopp-Modul 22a, basierend auf Sensor- und

Karteninformationen einen geeigneten Platz zum Anhalten finden, d. h. über den ersten Kanal 21 müssen das Save-Stopp-Modul 22a wie auch das

Navigationssystem 22a und die Umfeldsensorik 22a elektrisch zuverlässig versorgt werden. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die elektrische Lenkung, welche aus zwei redundanten Systemen 22a, 22b mit elektrischer Versorgung aus dem ersten Kanal 21 und dem zweiten Kanal 23 zumindest den geforderten Spurwechsel sicherstellen kann.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel entfällt der Energiespeicher 34. Der erste Kanal 21 besitzt daher keinen kanalspezifischen Energiespeicher 34, sondern nutzt den Energiespeicher 52 des Hochspannungsbordnetzes 50 als elektrischen Speicher. Diese Ausführungsform stellt einen kosteneffizienten Ansatz zur Realisierung des Bordnetzes 10 mit erhöhter Zuverlässigkeit dar. Das Kopplungsmittel 25 kann durch einen Gleichspannungswandler oder einen Schalter realisiert werden. Alternativ kann das Kopplungsmittel 25 auch ganz entfallen, d. h. der Verbraucher 22a wird direkt mit dem Hochspannungsbordnetz 50 gekoppelt. Das zweite Kopplungsmittel 27 kann wahlweise durch einen Gleichspannungswandler oder durch einen Schalter realisiert werden.

In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel entfällt der Energiespeicher 36 des zweiten sicherheitsrelevanten Teilnetzes 20b. Der zweite Kanal 23 besitzt daher keinen kanalspezifischen Energiespeicher, sondern nutzt den

Energiespeicher 16 des Niedrigspannungsbordnetzes 30. Als elektrische Speicher 16, 34, 36, 52 können in allen Ausführungsformen Batterien, aber auch andere Speichertechnologien wie bspw.

Doppelschichtkondensatoren eingesetzt werden.

Die elektrische Maschine 56 kann in allen Ausführungsformen wahlweise nur generatorisch oder sowohl generatorisch als auch motorisch arbeiten.

Hinsichtlich des Maschinenprinzips besteht keine Einschränkung. Es können daher bspw. Klauenpolmaschinen, Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen oder andere Maschinenprinzipien verwendet werden.

Wahlweise sind auch Bordnetzsysteme realisierbar, die mit mehr als zwei Teilnetzen (Niedrigspannungsbordnetz 30 bzw. Hochspannungsbordnetz 50) und/oder mit mehr als zwei Kanälen 25, 27 ausgestattet sind.

Die beschriebene Vorrichtung zur Versorgung insbesondere

sicherheitsrelevanter Verbraucher kommt vorzugsweise beim Kraftfahrzeug zum Einsatz. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.