Titel

Aufweckvorgang für elektrische Netze in einem Fahrzeug mit elektrischem An triebsstrang

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aktivierung einer Steuer einheit in einem zweiten elektrischen Netz, das von einem ersten elektrischen Netz galvanisch getrennt ist, ein entsprechendes Verfahren sowie eine Rechen einheit zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen üblicherweise mindestens zwei Netze: ein Hochvolt- oder Traktionsnetz, das an eine entsprechende Hochvolt-Batterie an geschlossen ist, sowie ein Niedervolt-Bordspannungsnetz, das ebenfalls an eine entsprechende Niedervolt-Batterie angeschlossen ist. Dabei kann die Spannung des H och volt- Netzes beispielsweise bei 48 V oder 60 V oder höher liegen, wäh rend das Niedervolt-Netz häufig mit einer 12 V-Versorgung versehen ist. Bevor zugt sind die beiden Netze galvanisch voneinander getrennt und damit potential frei zueinander, insbesondere bei höheren Spannungen.

Im abgeschalteten Zustand eines Fahrzeugs soll die Ruhestromaufnahme von Verbrauchern minimiert werden, um ein Entladen der Niedervolt-Batterie zu ver meiden. So sollte etwa die Ruhestromaufnahme eines Steuergeräts z.B. 100 mA nicht überschreiten.

Das Hochvoltnetz kann wahlweise abgeschaltet werden. Wenn die Spannung des Hochvoltnetzes zugeschaltet wird bzw. sobald eine Mindestspannung im Hochvoltnetz überschritten wird, werden mit dieser Information Steuergeräte auf- geweckt, welche sowohl am Hochvoltnetz als auch am Niedervoltnetz ange schlossen sind, um beispielsweise Schutz- und Sicherheitsfunktionen gewähr leisten zu können. Die potentialfreie Übertragung dieses Signals wird üblicher weise mit induktiven oder kapazitiven Signalübertragern durchgeführt, die aller dings üblicherweise sowohl auf der primären als auch auf der sekundären Seite eine Spannungsversorgung benötigen. Somit darf die Spannungsversorgung für einen derartigen Signalübertrager auch bei abgeschaltetem Steuergerät nicht abgeschaltet sein, so dass eine erhöhte Ruhestromaufnahme von meist mehr als 100 mA unvermeidlich ist. Ebenso ist bei Verwendung eines optischen Signal übertragers mindestens ein PullUp-Widerstand zwischen dem Fototransistor und der Batterie erforderlich, so dass auch hier die Ruhestromaufnahme unerwünscht erhöht wird.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aktivierung ei ner Steuereinheit in einem zweiten elektrischen Netz ausgehend von einem ers ten, davon galvanisch getrennten elektrischen Netz sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü che sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, ein Aufwecksignal und elektrische Energie mittels eines Transformators von einem ersten elektrischen Netz in ein zweites elektrisches Netz zu übertragen, wo beides dann zum Ansteuern eines Schaltelements zum Aktivieren einer Steuereinheit benutzt wird.

Mit einer derartigen Aufweckschaltung kann das zweite Netz (z.B. das Nieder- volt-Bordnetz im Fahrzeug) beim Einschalten des ersten Netzes aktiviert werden, ohne dass die Ruhestromaufnahme auf der Seite des zweiten Netzes uner wünscht erhöht wird. Die erforderliche Energie für das Aufwecken bzw. Aktivieren wird über den Transformator übertragen. Insbesondere umfassen die Sekundär seite des Transformators und der Gleichrichter keine externe Energieversorgung. Insbesondere weist das sekundärseite Schaltelement einen Halbleiterschalter auf und das gleichgerichtete Aufwecksignal liegt an einem Schaltanschluss (z.B. Ga te) des Halbleiterschalters an. Die Energie zum Ansteuern des Halbleiterschal ters, z.B. zum Aufladen bzw. Umladen des Gates, stammt dabei von der Primär seite.

Es sei betont, dass je nach konkreter Schaltungsrealisierung das Aktivieren der Steuereinheit sowohl durch Übertragen bzw. Einsetzen des Aufwecksignals als auch durch Wegschalten bzw. Ausbleiben des Aufwecksignals ausgelöst werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Gleichrichterschaltung eine Spannungs vervielfacherschaltung umfassen, so dass das gleichgerichtete Signal einen aus reichend hohen Spannungspegel für das Schaltelement erreicht.

Bevorzugt können die Transformatorwicklungen an der Potential barriere als Luft spulen ausgeführt sein. Alternativ können sie aber auch mit einem Flusskonzent rator versehen sein oder einen solchen aufnehmen können.

Dabei bietet es sich beispielsweise ein, den Transformator als Planartransforma tor auszubilden. Insbesondere ist es möglich, dabei die erste Transformatorwick lung und die zweite Transformatorwicklung als Leiterbahnen auf oder in mindes tens einer Leiterplatte auszuführen, d.h. als Wicklungen, die entweder in die Lei terplatte eingebracht sind oder direkt als parallel verlaufende, z.B. in länglicher Spiralform angeordnete Leiterbahnen auf der Leiterplatte gebildet sind. Eine der artige Ausführung benötigt nur einfache Bauteile und ist sehr platzsparend und kostengünstig herzustellen, insbesondere dann, wenn die Wicklungen beispiels weise auf mehrere oder alle verfügbaren Innenlagen der Platinen verteilt werden.

Als Aufwecksignal kann das Signalerzeugungsmodul ein Taktsignal mit einer vorgegebenen Frequenz oder einen einzelnen Signalpuls erzeugen. Dabei kann beispielsweise ein bereits vorhandener Mikrocontroller auf einfache Weise für diese Aufgabe genutzt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste elektrische Netz ein Hochvolt- Netz des Fahrzeugs und das zweite elektrische Netz ein Niedervolt-Netz des Fahrzeugs. Damit wird auf Seiten des Niedervolt-Netzes keine Spannungsver sorgung benötigt, so dass auch der Ruhestrom am Batterieplus (Klemme 30) der Bordnetzbatterie nicht erhöht wird.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Aufwecksignal basierend auf einer Re sonanzfrequenz des Schwingkreises erzeugt werden, der aus der ersten Trans formatorwicklung und der parallelgeschalteten Kapazität der Schaltung gebildet wird. Auf diese Weise kann die Effizienz der Energieübertragung deutlich erhöht werden.

Dabei kann das Aufwecksignal ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz oder auch einen einzelnen Signalpuls umfassen.

Ein erfindungsgemäßes Rechensystem, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahr zeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungs gemäßes Verfahren durchzuführen. Ein solches Rechensystem ist mit beiden elektrischen Netzen verbunden und weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aktivieren auf.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Schaltskizze für eine Aufweckschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; und Figur 2 zeigt beispielhafte Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Die in Figur 1 schematisch gezeigte Schaltung zeigt Teile einer Vorrichtung zum Aktivieren (Aufweckschaltung), welche in einem Fahrzeug mit zwei getrennten elektrischen Bordnetzen 2, 4 verwendbar ist. Dabei können Ausführungsformen der Erfindung in beliebigen Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang ver wendet werden, beispielsweise bei Plugin-Hybrid-Fahrzeugen (PHEV), Vollhyb- rid-Fahrzeugen, reinen Elektrofahrzeugen und weiteren. Die beiden Bordnetze werden wie üblich als Hochvolt-Netz 2 und Niedervolt-Netz 4 mit jeweils eigener Energieversorgung durch z.B. eine jeweils angeschlossene Batterie (nicht ge zeigt) beschrieben. Dabei kann beispielsweise das Niedervolt-Netz 4 ein 12 V- Bordspannungsnetz sein, während das Hochvolt-Netz 2 eine Batteriespannung von mehr als 60 V aufweisen kann, wobei die angegebenen Netzspannungen nur als Beispiel dienen sollen und nicht wesentlich für die Erfindung sind.

Um die Ruhestromaufnahme nicht zu erhöhen, wird erfindungsgemäß ein Auf wecksignal vom Hochvolt-Netz 2 in das Niedervolt-Netz 4 über einen Transfor mator 30 übertragen, der in der Lage ist, sowohl das Aufwecksignal als auch die Leistung bzw. Energie, die erforderlich ist, um ein Schaltelement zum Aufwecken des Hochvolt-Netzes 2 zu versorgen zwischen seinen beiden Wicklungen 32, 34 von einem Netz in das andere zu übertragen, ohne dabei eine eigene Stromver sorgung auf der Seite des Niedervoltnetzes 4 zu benötigen.

Figur 1 zeigt auf der linken Seite das Hochvolt-Netz 2, während die rechte Seite das Niedervolt-Netz 4 des Fahrzeugs darstellt. Die beiden Netze sind galvanisch voneinander getrennt; die gestrichelte Linie zwischen den beiden gekoppelten Spulen zeigt die Potentialtrennung 70 an. Die primärseitige Spule 32 auf der Hochvolt-Seite 2 und die sekundärseitige Spule 34 auf der Niedervolt-Seite 4 bil den zusammen den Transformator 30. Auf der Hochvolt-Seite 2 findet sich ein Modul zur Signalerzeugung 10, welches beispielsweise ein entsprechender Mikrocontroller oder ein Schaltungsbaustein sein kann, der mit einer Versorgungsspannung V _ddi und einem Massepotential verbunden ist. Das Modul zur Signalerzeugung 10 kann beispielsweise ein Fre quenzgenerator in Form eines bereits zu anderen Zwecken vorhandenen Mikro controllers sein. Wahlweise kann anstelle eines erzeugten Taktsignals mit einer vorgegebenen Frequenz auch nur ein Einzelpuls vorgesehen sein, der als Auf wecksignal dient.

Das erzeugte Aufwecksignal wird einem optionalen Spulentreibermodul 20 zuge leitet, welches ebenfalls mit einer Versorgungsspannung V _dd 2 und dem Massepo tential verbunden ist, wobei die Versorgungsspannungen des Spulentreibers V _dd 2 und des Takterzeugungsmoduls V _ddi gleich oder verschieden sein können.

Die primärseitige Spule 32 des Transformators 30, d.h. die Spule auf der Seite des Hochvolt-Netzes, kann mit der parallelgeschalteten Kapazität der Schaltung außerdem einen Schwingkreis bilden. Die Berücksichtigung der Resonanzfre quenz dieses Systems bei der Erzeugung des Aufwecksignals kann dann zu ei ner deutlichen Erhöhung der Effizienz dieser Schaltung sorgen.

Das Aufwecksignal kann dann auf die primärseitige Wicklung 32 des Transforma tors gegeben werden, welcher das Signal auf die sekundärseitige Wicklung 34 überträgt. An diese sekundärseitige Spule 34 auf der Seite des Niedervolt-Netzes kann ein Gleichrichtermodul 40 angeschlossen sein, beispielsweise nach dem Prinzip einer Verdoppler-Gleichrichterschaltung oder eine andere Spannungsver vielfacher-Schaltung, d.h. eine Schaltung, welche aus der angelegten Wechsel spannung eine Gleichspannung erzeugt, die größer ist als der Scheitelwert der Eingangsspannung. Dieser Gleichrichter 40 kann dann also aus dem über den Transformator 30 übertragenen Aufwecksignal einen ausreichend hohen Span nungspegel erzeugen, der dann wiederum als direktes Eingangssignal für ein Schaltelement 50 dient, das in der Lage ist, in Abhängigkeit von diesem Eingang z.B. die vom Niedervolt-Netz 4 abgeleitete Spannungsversorgung z.B. über das Steuergerät 60 einzuschalten. Als Schaltelement 50 kann beispielsweise eine in tegrierte Schaltung bzw. ein vorgefertigter Chip wie ein System-Basis-Chip (SBC) verwendet werden, der die benötigten Spannungsversorgungen für das einzu schaltende Steuergerät zur Verfügung stellen kann. Relevant ist jedoch, dass das gleichgerichtete Ausgangssignal alleine als Schaltsignal für das Schaltele ment 50 dient, z.B. zum Laden bzw. Umladen einer Gatekapazität zum Schalten eines Halbleiterschalters wie z.B. MOSFET oder IGBT.Der Schaltungsteil aus Gleichrichter 40 und Transformator 30 ist somit ohne externe Energieversorgung so weit belastbar, dass das gleichgerichtete Ausgangssignal alleine das Schalt element 50 schalten kann.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird der Transformator 30 zur Übertragung des Aufwecksignals mit Luftspulen ausgebildet, also kernfreien Wicklungen. In einer besonders vorteilhaften Variante kann der Transformator 30 als Planartransformator ausgeführt werden, dessen Wicklungen auf einer Leiter platte bzw. Platine gebildet werden. In einer einfachen Form können dabei die Wicklungen 32, 34 direkt in der Form von Leiterbahnen auf den beiden Oberflä chen einer Platine vorliegen, so dass der Grundkörper der Platine die Potential trennung 70 bildet.

Die für einen derartigen Transformator 30 benötigte Platinenfläche kann weiter optimiert werden, indem die notwendigen Wicklungen 32, 34 des Transformators auf mehrere bzw. alle verfügbaren Innenlagen verteilt werden und dabei der auf grund von Luft- und Kriechstrecken nicht verwendbare Bereich der Potentialbar riere ausgenutzt wird. Auf diese Weise kann mit geringem Platz- und Kostenauf wand eine Aufweckschaltung realisiert werden.

Auch wenn in diesem Beispiel ein Transformator ohne magnetischen Kern ge wählt wurde, kann dieser wahlweise durch einen bestückbaren Transformator er setzt werden.

Figur 2 zeigt schematisch einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß der Er findung. Dabei wird in Schritt 100 eine vorgegebene Bedingung erfüllt, beispielsweise dass im ersten Netz eine Hochvolt-Spannung oberhalb von 60 V anliegt, welche das Auslösen des Aufweckvorgangs bestimmt.

In Schritt 110 wird von einem Signalerzeugungsmodul wie einem Frequenzgene rator ein Aufwecksignal mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, welches in Schritt 120 von der ersten Wicklung des Transformators auf der Hochvolt-Seite auf die zweite Wicklung übertragen wird.

Schritt 130 zeigt das Erzeugen eines Spannungspegels in dem Gleichrichtermo dul aus dem übertragenen Aufwecksignal an, wobei der so gebildete Span nungspegel dann gemäß Schritt 140 an den Eingang eines Schaltelements über tragen wird.

In Schritt 150 wird als Folge des am Schaltelement angelegten Eingangspegels die erforderliche Versorgungsspannung für ein Steuergerät durch das Schaltele ment bereitgestellt, so dass das Steuergerät erfolgreich aufgeweckt bzw. aktiviert werden kann.

Es ist auch möglich, dass das Schaltelement bzw. der System-Basis-Chip auf der Niedervolt-Seite so eingerichtet ist, dass es in Reaktion auf unterschiedliche Sig nale (z.B. Hochvolt-Aufwecksignal, CAN-WakeUp, positives Signal vom Zünd startschalter an Klemme 15, ...) unterschiedliche Versorgungsspannungen zu- und abschalten kann.

In einer alternativen Ausführungsform kann das Aufwecksignal so implementiert sein, dass über die Wicklungen des Transformators permanent ein Aufwecksig nal von der Hochvolt-Seite auf die Niedervolt-Seite übertragen wird, so dass an dem Schaltelement schließlich ein High-Pegel anliegt und ein Aufweckvorgang dadurch ausgelöst wird, dass durch mindestens vorübergehendes Abschalten des Aufwecksignals ein Low-Pegel erfasst wird.