DE102010026772A1

DE102010026772A1 - Notfallenergieversorgung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010026772A1
Application number: DE102010026772A
Authority: DE
Inventors: Detlev Schäfer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-07-10
Filing date: 2010-07-10
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Versorgungsschaltung für die elektrische Versorgung eines Fahrzeugs. Dabei sind eine Batterie zum Erzeugen einer Batterieversorgungsspannung und ein Aufwärtswandler zum Erzeugen einer Zwischenspannung aus der Batterieversorgungsspannung vorgesehen. Ein Abwärtswandler (21) zum Erzeugen einer ersten Verbraucherspannung (U1) zum Versorgen eines ersten Verbrauchers sowie ein zweiter Abwärtswandler (22) zum Erzeugen einer zweiten Verbraucherspannung (U2) zum Versorgen eines zweiten Verbrauchers sind vorgesehen. Eine Steuerschaltung dient zum Steuern des Aufwärtswandlers, des ersten Abwärtswandlers und des zweiten Abwärtswandlers.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Notfallenergieversorgung für ein Fahrzeug. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren weisen üblicherweise einen Bleiakkumulator auf, der während der Fahrt aufgeladen wird und die Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Im Folgenden wird der Begriff Batterie synonym mit dem Begriff Akkumulator verwendet.
Dadurch, dass inzwischen viele verschiedene Verbraucher in einem Fahrzeug integriert werden, steigt der Verbrauch an elektrischer Leistung in dem Fahrzeug. Um eine sichere Stromversorgung weiterhin bereitzustellen, schlägt die US 7,236,893 B1 vor, Stromverbraucher in sicherheitskritische und weniger sicherheitskritische zu unterteilen und die weniger sicherheitskritischen Verbraucher abschaltbar zu machen.
Trotzdem ist es immer noch kritisch, Verbraucher während des Anlassen des Motors mit einer Versorgungsspannung zu versorgen, da die Batteriespannung stark einbricht.
Aufgabe ist es somit, eine Notfallenergieversorgung für ein Fahrzeug bereitzustellen, die auch in kritischen Situationen, insbesondere bei Unfällen, genügend Energie für sicherheitskritische Verbraucher bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Anmeldung wird eine Versorgungsschaltung für die elektrische Versorgung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Eine Batterie dient zum Erzeugen einer Batterieversorgungsspannung. Die Versorgungsschaltung weist zudem eine erste Energieversorgungseinheit zum Erzeugen einer ersten Verbraucherspannung zum Versorgen eines ersten Verbrauchers auf. Eine zweite Energieversorgungseinheit ist zum Erzeugen einer zweiten Verbraucherspannung zum Versorgen eines zweiten Verbrauchers vorgesehen. Eine Steuerschaltung dient zum Steuern der ersten Energieversorgungseinheit und der zweiten Energieversorgungseinheit.
Die Steuerschaltung ist derart ausgebildet, dass in einem Notfallmodus des Fahrzeugs der zweite Verbraucher von der ersten Verbraucherspannung und von der zweiten Verbraucherspannung versorgt wird und die erste Energieversorgungseinheit die erste Verbraucherspannung erzeugt und der zweite Energieversorgungseinheit die zweite Verbraucherspannung erzeugt.
Die Versorgungsschaltung ermöglicht, dass die einzelnen Verbraucher jeweils mit Hilfe der einzelnen Energieversorgungseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden. Damit können einzelne Verbraucher je nach Modus einzeln deaktiviert werden, wenn sie für die aktuelle Fahrsituation nicht notwendig sind und zur Zeit wenig Energie zur Verfügung steht.
Mit dem Notfallmodus können die Energieversorgungseinheiten gebündelt werden und der erste Verbraucher mit Hilfe der ersten und der zweiten Energieversorgungseinheit versorgt werden. Dieser Notfallmodus ist besonders geeignet, beispielsweise wenn ein Türöffnungssystem in einem Notfall, insbesondere nach einem Unfall, sicher versorgt werden muss, damit die Tür öffnet.
Auch besonders geeignet ist die Versorgungsschaltung für Rückhaltesysteme, die in einem Notfallmodus, dem in der Regel ein Unfall vorangeht, sicher funktionieren müssen. Rückhaltesysteme dienen dazu, Fahrzeuginsassen auf ihrem Sitz zu halten. Dazugehören u. a. Gurtstraffer und Airbags.
In einer Ausführungsform wird der erste Verbraucher von keiner Spannungsversorgung versorgt und somit deaktiviert. Damit wird sichergestellt, dass möglichst viel Energie für diejenigen Anwendungen zur Verfügung steht, die im Notfall unbedingt benötigt werden. Diese sind insbesondere die oben genannte Türöffnungssystem und die Rückhaltesysteme.
Der Zwischenspeicher hat den Vorteil, dass Energie, die beispielsweise während der Rekuperation eines Fahrzeugs gewonnen wird, in dem Zwischenspeicher gespeichert wird. Durch die Konfiguration mit Aufwärtswandler und Abwärtswandler wird ermöglicht, dass der Zwischenspeicher auf eine höhere Spannung als die Batteriespannung geladen wird. Damit ist es möglich, möglichst viel elektrische Energie in dem Zwischenspeicher zu speichern.
Somit können, beispielsweise während des Anlassvorgangs des Motors, Verbraucher, die normalerweise mit einer nur ungenügend hohen Batteriespannung versorgt würden, mit Hilfe der Energie aus dem Zwischenspeicher durch die Abwärtswandler versorgt werden.
Die Versorgungsschaltung kann die Versorgungsspannung stabilisieren, ohne dass dies negativen Einfluss auf den Anlassvorgang hat und ohne dass der aus der Batterie entnommene Strom vermindert wird, da gespeicherte Energie verwendet wird. Vorgeschlagen wurden auch dezentrale Spannungsversorgungen, bei denen lokale, im Fahrzeug verteilte, Gleichstromsteller jeweilig einzelne Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Es hat sich herausgestellt, dass eine dezentrale Spannungsversorgung dazu führen kann, dass beim Anlassen die dezentrale Gleichstromsteller besonders viel Strom für ihre Verbraucher anfordern. So sinkt die durch den Anlassvorgang bereits erniedrigte Batteriespannung zusätzlich, da dann Energie zu den einzelnen Verbrauchern fließt. Dezentrale Steuerungen können somit dazu neigen, Spannungsabfälle besonders beim Anlassen des Motors noch zu verstärken.
In einer Ausführungsform ist ein erster Schalter zum Verbinden eines Versorgungsknotens der ersten Verbraucherspannung mit einem Versorgungsknoten der Batteriespannung und ein zweiter Schalter zum Verbinden eines Versorgungsknotens der zweiten Verbraucherspannung mit einem Versorgungsknoten der Batteriespannung vorgesehen. Damit kann bzw. können in ausgewählten Betriebesmodi ein Verbraucher oder mehrere Verbraucher direkt von der Batterie versorgt werden. Es werden dabei geringe Verluste als bei der Versorgung durch die Abwärtswandler entstehen. Somit können in bestimmten Betriebsmodi die Verbraucher direkt von der Batterie versorgt werden, während in anderen Betriebsmodi Verbraucher von den Abwärtswandlern versorgt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein weiterer Schalter zum Verbinden eines Versorgungsknotens der ersten Verbraucherspannung mit einem Versorgungsknoten der zweiten Verbraucherspannung vorgesehen. Durch Verbinden dieses Schalters können der erste Abwärtswandler und der zweite Abwärtswandler parallel geschaltet werden, so dass beispielsweise ein Verbraucher durch die zwei Abwärtswandler versorgt wird. Dies erhöht die Leistung, die für diesen Verbraucher bereitgestellt werden kann.
Die Steuerschaltung kann eine übergeordnete Steuerung und zwei untergeordnete Steuerungen aufweisen, wobei eine erste untergeordnete Steuerung den ersten Abwärtswandler ansteuert und die zweite untergeordnete Steuerung den zweiten Abwärtswandler ansteuert. Die übergeordnete Steuerung steuert dabei die erste untergeordnete Steuerung und die zweite untergeordnete Steuerung an.
Mit einer solchen Konfiguration aus übergeordneter Steuerung und untergeordneten Steuerungen kann eine Vielzahl von Informationen verarbeitet werden. Informationen, beispielsweise über den Status der Batterie, die voraussichtlichen Belastungen der Versorgungsnetze und ähnliche Informationen, können in der übergeordneten Steuerung ausgewertet werden. Die übergeordnete Steuerung entscheidet dann, welche Abwärtswandler abgeschaltet werden und welche weiteren Schalter durchgeschaltet werden. Die übergeordnete Steuerung steuert die untergeordneten Steuerungen entsprechend an. Die untergeordneten Steuerungen sind dann lediglich mit der Aufgabe befasst, jeweils einen der Abwärtswandler anzusteuern. Dies hat Vorteile gegenüber einer vollständig zentralisierten Lösung, bei der lediglich eine zentrale Steuerung sämtliche Abwärtswandler ansteuern muss. Eine solche zentrale Steuerung könnte die Aufgaben nicht genügend priorisieren, so dass nicht genügend Rechenzeit für die Ansteuerung der Abwärtswandler vorhanden wäre.
Durch einen weiteren Schalter zur Verbindung eines Versorgungsknotens der Batteriespannung mit einem Versorgungsknoten der Zwischenspannung kann der Speicher direkt von der Batterie versorgt werden. Dies ist beispielsweise in Ruhemodi des Fahrzeugs vorteilhaft, wenn absehbar ist, dass in den nächsten Wochen das Fahrzeug nicht benutzt wird. In diesem Fall kann der Zwischenspeicher von der Batterie direkt versorgt werden. Falls der Zwischenspeicher Kondensatoren enthält, können diese somit auf einem Spannungsniveau gehalten werden, das eine beschleunigte Alterung der Kondensatoren vermeidet.
Falls ein Gehäuse zur Aufnahme der Versorgungsschaltung vorgesehen ist und das Gehäuse einen Anschluss für externen Zwischenspeicher aufweist, kann der Zwischenspeicher teilweise im Gehäuse und teilweise außerhalb des Gehäuses vorgesehen werden. Dadurch ergibt sich eine aufrüstbare Versorgungsschaltung. Falls bei größeren Fahrzeugen oder bei einer größeren Anzahl von Verbrauchern im Fahrzeug größere Zwischenspeicher für die Zwischenspannung benötigt werden, kann der Zwischenspeicher außerhalb des Gehäuses zusätzlich zu dem im Gehäuse vorhandenen Zwischenspeicher parallel geschaltet werden. Das Gehäuse mit der darin befindlichen Versorgungsschaltung kann somit sowohl für kleine wie für große Fahrzeuge verwendet werden.
Mit einer Messschaltung zum Messen der ersten Verbraucherspannung und der zweiten Verbraucherspannung kann überprüft werden, ob der erste Abwärtswandler und der zweite Abwärtswandler funktionstüchtig sind und ob die Verbraucher mit den gewünschten Spannungsniveaus versorgt werden.
Die Versorgungsschaltung kann auch einen dritten Abwärtswandler zum Erzeugen einer dritten Verbraucherspannung zum Versorgen eines dritten Verbrauchers aus der Zwischenspannung aufweisen, wobei die Spannungshöhe der dritten Verbraucherspannung unabhängig von der ersten Verbraucherspannung und unabhängig von der zweiten Verbraucherspannung einstellbar ist. Damit ist es möglich, einzelne Verbraucher mit einer variablen Spannungshöhe zu versorgen. Dies kann sinnvoll sein, damit ein Verbraucher seine Leistungsaufnahme verringert.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Versorgungsschaltung. Vorzugsweise wird dabei die Versorgungsschaltung an einem relativ kühlen Ort im Fahrzeug vorgesehen, beispielsweise in der Nähe des Radkastens. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass die Versorgungsschaltung gegen Spritzwasser geschützt ist. Im Motorraum ist es dagegen vergleichsweise warm, besonders der Einsatz von Supercaps als Zwischenspeicher wäre dabei problematisch, da Supercaps üblicherweise temperaturempfindlich sind.
Die Anmeldung beschreibt auch ein Verfahren zum Betrieb der Energieversorgungsschaltung, in dem es einen Betriebsmodus gibt, bei dem der erste Verbraucher von der ersten Verbraucherspannung und gleichzeitig der zweiten Verbraucherspannung versorgt wird. Der erste Abwärtswandler erzeugt dabei die erste Verbraucherspannung und der zweite Abwärtswandler erzeugt die zweite Verbraucherspannung. Damit können Abwärtswandler gebündelt werden und der erste Verbraucher mit Hilfe des ersten und des zweiten Abwärtswandlers versorgt werden. Dieser zweite Betriebsmodus ist besonders geeignet, beispielsweise wenn ein Türschlossmechanismus in einem Notfall, beispielsweise nach einem Unfall, sicher versorgt werden muss, damit die Tür öffnet.
Die vorstellte Spannungsversorgung soll eine elektrische Energieversorgung ermöglichen, die folgende Anforderungen erfüllen kann. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-CAN-Schnittstelle können Informationen über das Anlassen, über Leistungsanforderungen, über die Aktivität einer Start-Stopp-Automatik und den Status des Motors übertragen werden. Ein nicht-flüchtiger Speicher dient zum Kalibrieren der Spannungsversorgungsschaltung und zum Abspeichern von Kode für die Fehlererkennung und Diagnose der Spannungsversorgungsschaltung. Fehlermeldungen können an den Fahrer über eine Anzeige oder über Instrumente im Armaturenbrett angezeigt werden. Es werden die Verbraucher in Form einer intelligenten Energieverwaltung priorisiert und es werden Verbraucher abhängig von dem Batteriestatus des aktuellen Stromverbrauchs, einer Prioritätsliste und dem Status des laufenden Motors ausgewählt.
Es gibt im Wesentlichen drei Ausgangsstufenmodi, die die Versorgung eines Verbrauchers kennzeichnen. Im ersten Modus ist der Verbraucher entkoppelt, d. h. er wird von keiner Spannungsversorgung betrieben. Im so genannten überbrückten Zustand wird er von der Batterie versorgt und im stabilisierten Zustand wird er von einem der Abwärtswandler versorgt.
Die zwischengespeicherte Energie wird auf einem höheren Spannungsniveau mit Hilfe von internen oder externen Kondensatoren gespeichert. Die Energie wird besonders im Falle der Rekuperation beim Bremsen oder im Schubbetrieb aufgeladen. Es kann auch erwägt werden, als externe Speicher Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden, um mit ihnen intelligente Ladeverfahren einzusetzen.
Es ist auch möglich, die Kondensatoren über eine externe Energiequelle zu laden.
Es werden diskrete Ausgangsstufen benutzt, d. h. jede Ausgangsstufe hat ein maximales Leistungsniveau. Es ist möglich, die Stufen zu kaskadieren, damit höhere Leistungsanforderungen bei gemeinsamen Leistungsanfragen bedient werden können.
Unterschiedliche Ausgangsspannungsniveaus können programmiert werden. Zusätzlich können unterschiedliche maximale Ausgangsströme programmiert werden. Die Schaltungen können teilweise die Funktion von elektrischen Sicherungen übernehmen. Die internen Diagnose- und Kontrollelemente können mit Hilfe eines Bedienwerkzeuges getestet werden. Die Integration der Spannungsversorgung sollte dadurch für alle Fahrzeuge sichergestellt werden, indem die Versorgungsschaltung gegen ein Eindringen von Wasser geschützt wird. Das Gehäuse wird dahingehend optimiert, dass die Versorgungsschaltung möglichst gut gekühlt wird.
Somit wird ein intelligenter DC/DC-Wandler zur Integration in das Energie-Management bereitgestellt. Besonderes Einsatzgebiet sind Stop-/Start Fahrzeuge, die besonders hohe Anforderungen an den Ladezustand der Batterie haben. Komponenten, die besonders anfällig für Spannungseinbrüche sind, werden durch den Wandler direkt aus der Batterie oder durch vorher zusätzlich in integrierten Speichern gespeicherte Energie unterstützt. Entscheidungen für die Energienutzung und Bereitstellung werden dabei in Abhängigkeit des angelernten Bordnetzstandes durchgeführt.
Der Wandler ist ausbaufähig durch die Fähigkeit, zusätzliche externe Energiespeicher zu den bereits integrierten über eine Leitungsverbindung zur Verfügung zu stellen. Der Wandler soll eine maximale Basisleistung von 500 W über eine definierten Zeitraum zur Verfügung stellen.
Der Wandler ist in einer Ausführungsform direkt mit dem HS-CAN Bus des Fahrzeugs zur direkten Kommunikation mit dem BCM (Body Control Module)/ECM (Engine control module) verbunden. Er entscheidet über die Verteilung der notwendigen und der verfügbaren Energie durch das Einlesen von Batteriekenndaten vom intelligenten Batteriesensor (State of Function (SOF), State of Charge (SOC), Batteriespannungsniveau etc.), vom BCM (Batterie-Brems-Signal Bit, Zündung an, Verbraucherleistungsanforderung, Notfallleistungsanforderung) oder vom ECM (Motorgeschwindigkeit, Motor läuft, Anlassanforderung, Autostart Bit). Für Sicherheitsfunktionen soll auch das Unfalldetektionssignal und eine Batterietrennungserkennung (battery destroyed function) von dem DC/DC Wandler berücksichtigt werden. Zusätzlich wird noch das Anlasssignal, das über den CAN-Bus oder über eine eigene Leitung zur Verfügung gestellt wird, berücksichtigt.
Zudem erhält der Wandler noch von der Speichereinheit die folgenden Informationen über den HS-CAN Bus:

– das Signal SOC (State of Charge) des Kondensators als Maß, wieweit der Zwischenspeicher geladen ist, und
– das Signal Kondensatortemperatur

Damit ergibt sich aus Ausführungsformen folgendes:

– Reduzierung der aus fossilen Brennstoffen zu erzeugenden elektrischen Energie durch Speichern von kinetischer Energie in zusätzlichen Speicherelementen, z. B. Ultracaps oder LIIO-Batterien, während des Bremsvorgangs mit hohem Ladestrom oder bei Verzögerungen mit geringem Ladestrom;
– Vermeidung von Lastrückwirkungen, wie sie bei Standard-DC/DC Wandlern bei höheren Leistungen ab ca. 500 W auftreten;
– Entlastung und Unterstützung des Startvorgangs durch Lastentkopplung und direkte Unterstützung aus verwendeten Speicherelementen auf höherem Spannungsniveau;
– Im Wandler gespeicherte Prioritätslisten und Sicherheitsfunktionen helfen Fehlfunktionen von Steuergeräten und Komponenten zu vermeiden;
– Positiver Einfluss auf die CO2 Reduzierung

Der neue Wandler speichert zusätzliche Energie aus vorhandenen kinetischen Reserven und verwaltet gleichzeitig die Energiezusteuerung zu den Verbrauchern.
Falls bei einem automatischen Start der Anlassvorgang kürzer als 5 Sekunden dauert und somit Verbraucher aus dem Zwischenspeicher für eine Zeit von kürzer als 5 s versorgt werden, wird davon ausgegangen, dass der Anlassvorgang erfolgreich war. Der Wandler erkennt automatisch, ob ein manueller Start oder ein automatischer Start durchgeführt wird und handelt entsprechend bei der Versorgungssteuerung, ohne dem Kunden eine Fehlfunktion zu signalisieren. Falls die Verbraucher 5 Sekunden lang aus dem Zwischenspeicher versorgt wurden, wird davon ausgegangen, dass das Fahrzeug eine Fehlfunktion hat und die Versorgungsschaltung schaltet alle Verbraucher in den überbrückten Zustand. Dies bedeutet, dass alle Verbraucher wieder unmittelbar von der Batteriespannung versorgt werden.
Bei einer Ausführungsform der Lösung handelt es sich um eine ausbaufähige Einheit, die durch Bereitstellung von externen Energiespeichern bausteinartig aufgerüstet werden kann. Dadurch können die Varianten von einer Basisversion bis zu einer stärkeren Hochleistungsversion ausgebaut werden. Durch die elektronische Verwaltung der Versorgung entfällt die Notwendigkeit von Sicherungen, die bei einer passiven Lösung notwendig wären. Gleichzeitig ist eine direkte Diagnose der Versorgungspfade, z. B. bei Ruhestromüberschreitung, Kurzschluss oder Leitungsbruch möglich.
Es wird somit eine intelligente DC/DC-Notspannungsversorgung bereitgestellt. Besonderes Einsatzgebiet ist Energiemanagement von sicherheitsrelevanten Komponenten, deren Funktionalität bei einem Spannungseinbruch oder während Entfall der Standardspannungsversorgung nur eingeschränkt oder gar nicht zur Verfügung stehen würden. Dies können beispielsweise Türöffnungssysteme und Rückhaltesysteme sein.
Entscheidungen für die Versorgungsart werden aus dem Betriebszustand des Bordnetzes ermittelt. Die Wandlerleistung richtet sich nach dem vorausberechneten maximalen Energiebedarf.
Der Wandler ist direkt oder über Gateway mit dem HS-CAN des Fahrzeugs zur direkten Kommunikation mit dem BCM verbunden. Er entscheidet über die Verteilung der notwendigen und verfügbaren Energie durch das Einlesen der Batteriekenndaten, die von einem intelligenten Batteriesensor eingelesen werden, insbesondere über die Signale State of Function, State of Charge, Voltage Level etc.. Zudem liest er Daten, die ihm über den Hilfsenergiespeicher durch eine entsprechende Sensorik zur Verfügung gestellt werden, ein.
Darüber hinaus nutzt der Wandler elektrische Energie aus der Rekuperation, um z. B. ohne Rückwirkung auf das Batterienetz Energie zur Verfügung stellen zu können.
Um der Energieverwaltung und Bereitstellung gerecht werden zu können verwendet der Wandler Signale sowohl vom BCM (Krake signal flag, Ignition ”On”, Emergency Power Request (e. g. unlockdoor locks, airbag deployed)), als auch vom ECM (Enginge Control Unit, Motorsteuereinheit) und zwar die Signale Engine Speed, Engine Running, Crank Request etc.).
Zusätzlich detektiert der Wandler vom normalen Fahrzeugnetz abweichende Spannungswerte, wie z. B. abgerissene Batterieklemmen, Spannungseinbrüche, Batteriezerstörung etc.
Besondere Vorteile der vorgestellten Versorgungsschaltung sind:

– eine rückwirkungsfreie Energieversorgung, wie sie bei Standard-DC/DC-Wandlern ab ca. 500 W auftreten würden;
– die Verwendung kinetischer Energie zum Speichern von elektrischer Energie in zusätzlichen Speicherelementen auf höherem Spannungsniveau, z. B. in Ultracaps und LIIO-Batterien, z. B. während des Bremsvorgangs, bei dem typischerweise ein hoher Ladestrom auftritt und/oder bei Verzögerungen, bei denen typischerweise niedrigere Ladeströme erzeugt werden.

Der Gegenstand der Anmeldung wird nun anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt
1 eine Schaltungsanordnung für die Stromversorgung eines Fahrzeugs.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 für die Stromversorgung eines Fahrzeugs. Die Schaltungsanordnung ist eine Versorgungsschaltung und hat die Funktion eines intelligenten Gleichstromstellers (DC/DC-Wandlers). Die Schaltungsanordnung 10 empfängt an ihren Eingangsanschlüssen VBAT und GND die Spannungsversorgung, in diesem Fall in der Höhe von 12 V, die von einem Blei-Akkumulator 1 bereitgestellt wird. Die Schaltungsanordnung 10 weist einen Aufwärtswandler 11 auf, der einen Transformator 110, einen Schalter 111 und eine Diode 112 enthält.
Der Transformator 110 enthält zwei Spulen, die über einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Eine erste Spule ist zwischen dem Anschluss VBAT und einem ersten Anschluss des Schalters 111 vorgesehen, dessen zweiter Anschluss mit der Masse verbunden ist. Die zweite Spule ist zwischen dem Anschluss VBAT und der Anode der Diode 112 vorgesehen. Die Kathode der Diode 112 ist mit den ersten Platten von parallel geschalteten Kondensatoren 14 verbunden, während die zweiten Platten der Kondensatoren 14 jeweils mit der Masse verbunden sind. Die ersten Platten der Kondensatoren 14 sind zudem mit einem ersten Eingang der Schalteinheit 12 verbunden, deren zweiter Eingang mit dem Anschluss VBAT verbunden ist. Die ersten Platten der Kondensatoren sind auch mit einem Eingang EXT_S der Schaltanordnung 10 verbunden, an den externe Kondensatoren, das heißt Kondensatoren außerhalb eines Gehäuses, das die Schaltungsanordnung 10 umfasst, parallel zu den Kondensatoren 14 vorgesehen werden können. Die Kondensatoren 14 und eventuell vorhandene externe Kondensatoren bilden einen Zwischenspeicher. Die Spannung, die über den Kondensatoren 14 anliegt, wird auch als Zwischenspannung bezeichnet.
Der Ausgang der Schalteinheit 12 ist mit einem ersten Anschluss eines Filters 13 verbunden, der aus zwei Kondensatoren und einer Spule besteht. Zwischen Eingang und Ausgang des Filters 13 ist die Spule vorgesehen, während ein erster Kondensator zwischen dem Eingang und der Masse und der andere Kondensator zwischen dem Ausgang des Filters 13 und der Masse vorgesehen sind. Der Ausgang des Filters 13 ist mit Eingängen von fünf Abwärtswandlern 20, 21, 22, 23 und 29 verbunden.
Jeder der Abwärtswandler 20, 21, 22, 23 und 29 enthält einen Eingang E, einen Schalteingang S und einen Ausgang A. Zudem enthält jeder der Abwärtswandler einen Schalter Sc, eine Diode D, eine Spule L und einen Kondensator C. Der Schalter Sc ist mit seinen Anschlüssen für die Laststrecke zwischen den Eingang E und einem Zwischenknoten K vorgesehen. Der Schalteingang des Schalters Sc ist mit dem Schalteingang S verbunden. Die Spule ist zwischen dem Knoten K und dem Ausgang A vorgesehen. Die Kathode der Diode D ist mit dem Knoten K und die Anode der Diode D ist mit der Masse verbunden. Der Kondensator C ist zwischen dem Ausgang und der Masse und der Anode der Diode dieses Abwärtswandlers vorgesehen.
Die Schaltanordnung 10 enthält eine übergeordnete Steuereinheit 24, eine erste untergeordnete Steuereinheit 25, eine zweite untergeordnete Steuereinheit 26, eine dritte untergeordnete Steuereinheit 27 und eine n-te untergeordnete Steuereinheit 28. Die übergeordnete Steuereinheit 24 steuert den Steueranschluss des Schalters des Abwärtswandlers 20 an. Die übergeordnete Steuereinheit 24 steuert zudem die untergeordneten Steuereinheiten 25, 26, 27 und 28 an. Die untergeordnete Steuereinheit 25 ist mit dem Steueranschluss des Schalters des Abwärtswandlers 21 verbunden, der Ausgang der untergeordneten Steuereinheit 26 ist mit dem Steueranschluss des Schalters des Abwärtswandlers 22 verbunden, der Ausgang der untergeordneten Steuereinheit 27 ist mit dem Steueranschluss des Schalters des Abwärtswandlers 23 verbunden und der Steueranschluss des Schalters des Abwärtswandlers 29 ist mit dem Ausgang der untergeordneten Steuerung 28 verbunden. Die übergeordnete Steuerung 24 steuert auch den Aufwärtswandler 11 und die Schalteinheit 12.
Die Schaltungsanordnung 10 weist zudem Filter 30, 31, 32, 33 und 34 auf. Diese weisen jeweils einen Eingang und einen Ausgang, zwischen dem Eingang und Ausgang eine Spule und zwischen dem Eingang und der Masse einen Kondensator sowie zwischen dem Ausgang und der Masse einen weiteren Kondensator auf.
Zudem enthält die Schaltungsanordnung 10 eine Überbrückungsanordnung 36 mit einem ersten Schalter 360, einem zweiten Schalter 361, einem dritten Schalter 362 und einem vierten Schalter 363.
Ferner enthält die Schaltungsanordnung 10 einen ersten Versorgungsschalter 39, einen zweiten Versorgungsschalter 370, einen dritten Versorgungsschalter 371, einen vierten Versorgungsschalter 372 und einen fünften Versorgungsschalter 373. Der erste Versorgungsschalter 39 ist mit seinem ersten Eingang mit dem Anschluss VBAT und mit seinem zweiten Anschluss an jeweils die ersten Eingangsanschlüsse der Versorgungsschalter 370, 371, 372 und 373 verbunden. Die Versorgungsschalter 370, 371, 372 und 373 sind jeweils Auswahlschalter, die ihren Ausgang wahlweise entweder mit ihrem ersten Eingang oder mit ihrem zweiten Eingang verbinden.
Der Eingang des Filters 30 ist mit dem Ausgang des Abwärtswandlers 20 verbunden, während der Ausgang des Filters 30 mit dem zweiten Eingang des Schalters 370 verbunden ist. Der Eingang des Filters 31 ist mit dem Ausgang des Abwärtswandlers 21 verbunden, während der Ausgang des Filters 31 mit dem zweiten Eingang des Schalters 371 verbunden ist. Der Eingang des Filters 32 ist mit dem Ausgang des Abwärtswandlers 22 verbunden, während der Ausgang des Filters 32 mit dem zweiten Eingang des Schalters 372 verbunden ist. Der Eingang des Filters 33 ist mit dem Ausgang des Abwärtswandlers 23 verbunden, während sein Ausgang mit dem Eingang des Schalters 373 verbunden ist. Der Ausgang des Schalters 370 ist mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung 10 verbunden.
Die Schaltungsanordnung 10 weist zudem die Ausgänge O2, O3, O4 und O5 auf. Der Ausgang O2 ist mit dem Ausgang des Schalters 371, der Ausgang O3 mit dem Ausgang des Schalters 372, der Ausgang O4 mit dem Ausgang des Schalters 373 und der Ausgang O5 mit dem Ausgang des Filters 34 verbunden. Der Eingang des Filters 34 ist mit dem Ausgang des Abwärtswandlers 29 verbunden.
Die genannten Schalter 370, 371, 372, 373, 360, 361, 362 und 363 werden mit ihrem Steuereingang jeweils von dem elektronischen Schaltertreiber 38 angesteuert.
Die Schaltungsanordnung 10 weist einen Brückenknoten 3600 auf, der mit den zweiten Anschlüssen der Schalter 360, 361, 362 und 363 verbunden ist. Der erste Anschluss des Schalters 360 ist mit dem Ausgang des Filters 30, der erste Anschluss des Schalters 361 mit dem Ausgang des Filters 31, der zweite Anschluss des Schalters 362 ist mit dem Ausgang des Filters 32 und der erste Anschluss des Schalters 363 ist mit dem Ausgang des Filters 33 verbunden.
Allgemein werden bei Schaltern die Anschlüsse der Laststrecke des Schalters als Anschlüsse, Eingänge und Ausgänge bezeichnet, dass heißt bei geschlossenem Schalter und anliegender Spannung über den Anschlüssen fließt Strom durch die Anschlüsse, Eingänge beziehungsweise Ausgänge. Gesteuert werden die Schalter über Schaltanschlüsse, die angeben, in welcher Stellung sich der Schalter befinden soll.
Die Filter 13, 30, 31, 32 und 33 haben den Zweck, die Spannungsversorgung im Fall des Filters 31 bzw. die Verbraucher im Fall der Filter 30, 31, 32 und 33 vor elektrischem Rauschen zu schützen.
An die Ausgänge der Filter 30, 31, 32 und 33 sind zudem jeweils Reihenschaltungen von jeweils zwei Widerständen zwischen diesen Ausgängen und der Masse vorgesehen. Mit Hilfe der Abwärtssteller werden eine erste Verbraucherspannung UA2 zwischen dem Ausgang des Filters 31 und der Masse, eine zweite Verbraucherspannung UA3 zwischen dem Ausgang des Filters 32 und der Masse, eine dritte Verbraucherspannung UA4 zwischen dem Ausgang des Filters 33 und der Masse und eine vierte Verbraucherspannung UA1 zwischen dem Ausgang des Filters 30 und der Masse erzeugt.
An der Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen ist jeweils ein Knoten vorgesehen, der jeweils mit einem der Eingänge der Rückkopplungsschaltung 40 verbunden ist, so dass jeder der Eingänge der Rückkopplungsschaltung 40 mit genau einem Knoten zwischen zwei Widerständen einer der Reihenschaltungen verbunden ist. Diese Rückkopplungsschaltung 40 enthält Spannungsmessschaltungen, die die Spannung an den genannten Knoten misst und das Ergebnis dieser Messung an die übergeordnete Steuerung 24 ausgibt. Die Schaltungsanordnung 10 weist zudem einen Mikrokontroller 45, einen CAN-Bus Decoder 43, einen flüchtigen Speicher 41 und einen nicht-flüchtigen Speicher 42 auf.
Die Schaltungsanordnung 10 empfängt die Signale CAN_H und CAN_L, die von dem CAN-Bus Decoder 43 entschlüsselt und an den Mikrokontroller 45 weitergeleitet werden. Der Mikrokontroller 45 empfängt auch das von der Schaltungsanordnung (10) empfangene Signal KL15. Der Mikrokontroller 45 steuert die übergeordnete Steuerung 24 und den elektronischen Schaltertreiber 38 an. Da Signal KL 15 dient der schnellen Initialisierung des intelligenten Wandlers. Dies ist eine in Hardware realisierte Möglichkeit, den Wandler aus dem Schlafmodus, in dem er einen vernachlässigbaren Ruhestrom kleiner als 100 μA aufnehmen soll, zu wecken.
Die oben genannten Schalter werden als Leistungstransistoren, beispielsweise als Leistungs-MOSFETs oder IGBTs ausführt.
Die Schalteinheit 12 schaltet den ersten Eingang, der mit dem Anschluss VBAT verbunden ist, oder den zweiten Eingang, der mit den ersten Platten der Kondensatoren 14 verbunden ist, auf seinen Ausgang. Die Schalteinheit 12 kann auch die seine beiden Eingänge miteinander verbinden und dabei seinen Ausgang hochohmig schalten.
Die Schaltungsanordnung 10 kann in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotorbetrieb, in Fahrzeugen mit Hybridantrieb oder in Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb verwendet werden. Folgende Signale werden über den CAN-Bus, das heißt über die Anschlüsse CAN_H und CAN_L, zu dem Mikrokontroller 45 geleitet und werden für die interne Bewertung sowie die Entscheidungsfindung innerhalb der Schaltungsanordnung 10 verwendet. Das Signal SOF (State of Function) ist eine Größe in der Einheit Volt, die durch einen externen Rechner ermittelt wird. Dahinter verbirgt sich der vorausberechnete maximale Spannungseinbruch des 12 V Bordnetzes während des Startvorgangs. Das Signal SOC (State of Charge), ist die Größe, mit der der Ladezustand von Energiespeichern in Prozent angegeben wird. Der Ladezustand und die Temperatur, sowie die Alterung bestimmen maßgeblich die Startfestigkeit des Energiespeichers.
Ferner empfängt der Mikrocontroller 45 die Batteriespannung, das Bremssignal Bit, das entweder falsch oder wahr ist. Das Bremssignal Bit wird nicht verwendet, wenn die Motorgeschwindigkeit unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist. Zudem werden das ”Motor-läuft Bit”, das ebenfalls entweder wahr oder falsch sein kann, das Signal ”Automastart Bit”, das ebenfalls die Werte falsch oder wahr annehmen kann, an, und das Signal ”Zündung an”, das mit Hilfe des CAN-Bus oder über eine eigene Leitung initialisiert wird, übertragen. Zudem werden die Signale ”Anlassanforderung” und ”Leistungsanforderung von Verbrauchern” verwendet, wobei diese beiden Signale über den CAN-Bus gesandt werden.
Die Signale „Notfallanforderung für Türschließanlagen” und „Batterie defekt, Batterie aus oder zerstört” werden auch von dem Mikrocontroller 45 ausgewertet.
Die Schaltungsanordnung 10 sammelt diese genannten Informationen während eines jeden Zündzyklus' und speichert, bevor die Schaltungsanordnung in einen Ruhemodus geschaltet wird, die Daten in dem nicht-flüchtigen Speicher 42. Zudem soll ständig der interne Zustand des Wandler überprüft werden, und zwar während oder vor dem Zündvorgang. Die dabei gewonnenen Daten sollen gespeichert werden.
Falls die Daten, die von einem Batteriesteuergerät, das die Batterie steuert, kommen, ungültig sind, kann ein Teil des Energiemanagements benutzt werden, den Wandler eigene Entscheidungen zu treffen zu lassen, basierend auf eigenen Berechnungsalgorithmen zur Berechnung des Ladezustands State of Charge. Beispielsweise entscheidet der Wandler welche Verbraucher an die Batterie angeschlossen werden sollen, bevor der Motor läuft. Die so berechneten Werte sollten als Backup Informationen für eine definierte Zeit gespeichert werden. Nach dieser Zeit wird eine Fehlermeldung abgesandt.
Der Wandler, und zwar mit Hilfe des Mikrocontrollers 45, fasst eigene Entschlüsse, falls zum Beispiel die Türsteuereinheit sollte weiter mit dem elektrischen Fahrzeugsystem verbunden sein soll oder falls es bereits Energie von der Energienotversorgung bekommen soll, bevor der Motor läuft.
Die Verwendung von zusätzlichen Energiespeicherelementen auf eine höheres Spannungsniveau hilft, einen negativen Einfluss auf das Anlassverhalten zu vermeiden, in dem Fall, dass die Leistungsanforderungen höher als 500 W sind. Dies erfolgt durch Verwenden der zusätzlich gespeicherten Energie während des Anlassens, wobei der Aufwärtswandler deaktiviert wird. Ein aktivierter Aufwärtswandler würde die Spannung zusätzlich einbrechen lassen.
Der Wandler verwendet erste Spannungsgrenzwerte, die für die normale Funktionen der Komponenten spezifisch sind, um über das korrekte funktionale Verhalten der Energieverteilung zu entscheiden.
Der Wandler verwendet zudem zweite Spannungsgrenzwerte, die für Komponenten während des Anlassens spezifisch sind, um über das korrekte funktionale Verhalten der Energieverteilung zu entscheiden.
Der erste Betriebsmodus, auch Modus I genannt ist der Startmodus. In diesem befindet sich das Fahrzeug, wenn nach einem Stillstand mit abgeschalteter Zündung der Zündschlüssel zum Starten des Fahrzeugs gedreht ist und der Motor noch nicht gestartet ist. In diesem Modus lädt der Mikroprozessor die im nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Daten und empfängt die oben genannten Signale, um zu bestimmen, welche Verbraucher mit der Batterie verbunden werden. Bei denjenigen Verbrauchern, die mit der Batterie verbunden werden, wird der zugehörige Versorgungsschalter 370, 371, 372 oder 373 so geschaltet, dass sein erster Eingang mit seinem Ausgang verbunden wird. Zusätzlich wird der Versorgungsschalter 39 geschlossen.
Ein automatischer Anlassvorgang im Rahmen einer Startstoppautomatik kann nur initialisiert werden, wenn das Autostart Bit auf wahr gesetzt ist. Es wird angenommen, dass das Autostart-Bit lediglich auf wahr gesetzt wird, wenn das erste manuelle Anlassen des Motors innerhalb des ersten Zündversuchs erfolgreich durchgeführt wurde. Andernfalls wird das Autostart Bit auf falsch gesetzt, da dann ein erhöhtes Risiko besteht, dass auch ein automatisches Anlassen nicht auf Anhieb erfolgen wird. Das Autostart Bit ist ebenfalls auf falsch gesetzt, wenn die Zündung aus ist. Das Autostart Bit kann auch auf falsch mit Hilfe eines Schalters, der von Hand bedient werden kann, oder von Sicherheitsvorrichtungen in dem Fahrzeug gesetzt werden. Die Schaltungsanordnung 10 benutzt Komponenten, die spezifische Funktionsspannungen limitieren und die Anlassspannung limitieren, um korrektes Verhalten der Leistungsversorgung sicherzustellen.
Der manuelle Startprozess, der im Folgenden als Modus II bezeichnet wird, wird durch einen Benutzer initialisiert, der den Zündschlüssel bis zum Anschlag dreht oder einen Startknopf im Fahrzeug drückt, um den Motor zu starten. Das Autostart Bit Signal ist auf falsch gesetzt, da der Autostart vorher entweder manuell oder automatisch deaktiviert wurde. Der Schalter 39 wird geschlossen und einige der Schalter 370, 371, 372 und 373 werden jeweils so geschaltet, dass ihre jeweiligen ersten Eingänge mit ihren jeweiligen ersten Ausgängen verbunden werden. Somit wird eine Auswahl der Verbraucher V1, V2, V3 und V4, die an die Ausgänge O1, O2, O3 oder O4 angeschlossen sind, jeweils von der Batterie 1 direkt über die genannten Schalter 39, 370, 371, 372 bzw. 373 von der Batteriespannung versorgt.
Die Schaltungsanordnung 10 empfängt von dem Zündschlüssel das Signal, dass der Motor gestartet werden soll. Entsprechend den Signalen SOF und dem SOC und der Prioritätsliste entscheidet die Spannungsanordnung vor dem Starten, a) welche Verbraucher ausgeschaltet werden sollen und b) welche Verbraucher direkt von der Batterie gespeist werden, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf den Anlassvorgang hat. Dazu wird eine Lastkalkulation durchgeführt. Zusätzlich wird entschieden, c) welche Komponenten angeschaltet werden, nachdem der Motor erfolgreich angelassen sein wird.
Beispielsweise soll der Verbraucher V1, der von dem Ausgang O1 versorgt wird, von der Batterie direkt gespeist werden, und der Verbraucher V2, der an dem Ausgang O2 angeschlossen ist, soll ausgeschaltet werden. Dazu wird der Schalter 39 geschlossen und der Schalter 370 so umgelegt, dass er seinen ersten Eingang mit seinem Ausgang verbindet. Der zweite Schalter 371 wird so geschaltet, dass sein zweiter Eingang mit dem Ausgang verbunden ist. Der Schalter 361 bleibt geöffnet und der Abwärtswandler 21 ist inaktiv. Somit wird der Verbraucher, der an den Anschluss O2 angeschlossen ist, nicht versorgt.
Der so genannte Autostartprozess wird als Modus III bezeichnet. Der Autostartprozess ist das automatische Anlassen des Motors, ohne dass der Benutzer das Anlassen initiieren muss.
Der Autostartprozess ist insbesondere bei einer Start/Stoppautomatik notwendig, bei der bei einem Ampelhalt der Motor ausgeschaltet wird. Durch Drücken der Kupplung wird der Motor wieder automatisch gestartet, ohne dass der Fahrer einen Zündschlüssel drehen oder einen Startknopf drücken muss. Das Autostart Bit ist am Anfang des Prozesses auf wahr gesetzt. Falls die Kondensatoren 14 nicht auf eine höhere Spannung, sondern auf die gleiche Spannung wie die Batterie geladen sind, schaltet der Komparator in den so genannten überbrückten Modus und die Schaltungsanordnung arbeitet so wie in dem Modus II.
Falls die Kondensatoren 14 auf höhere Spannung geladen sind als die Batterie – dies ist beispielsweise durch Rekuperation in der Vergangenheit erfolgt – wird die Schalteinheit 12 so gestellt, dass die Eingänge der Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 über den Filter mit den ersten Platten der Batterien 14 gekoppelt sind.
Entsprechend dem Aufladestatus der Kondensatoren 14, den Signalen SOC und SOF und der Prioritätsliste entscheidet die Schaltungsanordnung 10, welche Verbraucher von der gespeicherten Energie in dem Kondensator 14 geladen werden. Dies erfolgt mit Hilfe einer Lastberechnung, in der abgeschätzt wird, wie viel Energie die einzelnen Verbraucher voraussichtlich verbrauchen werden. Zudem wird berechnet, ob es notwendig ist, mehrere Ausgänge der Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 zu kaskadieren, zum Beispiel weil der Ladestatus der Batterie schlecht ist.
In einem Beispiel sollen die Verbraucher V1, V2, V3 jeweils von einem Abwärtswandler versorgt werden, während der Verbraucher V4 nicht versorgt werden soll. Es wird der Schalter 39 geöffnet, ebenso wie die Schalter 360, 361, 362 und 363. Die Schalter 370, 371 und 372 werden jeweils so geschaltet, dass ihre zweiten Eingänge mit ihrem Ausgang verbunden sind, während der Schalter 373 so geschaltet wird, dass sein erster Eingang mit dem Ausgang verbunden ist.
Es wird im Modus III auch entschieden, welche Verbraucher, die für die Funktionsweise des Fahrzeugs nicht unbedingt notwendig sind, trotzdem versorgt werden, um den Benutzer des Fahrzeugs nicht zu enttäuschen.
Der Modus IV ist der Rekuperationsmodus. Die Schaltungsanordnung 10 hat die Möglichkeit, Energie während eines Fahrzeugbremsens oder während eines Verzögerungsvorgangs des Fahrzeugs zu speichern. Diese Energie wird in den Kondensatoren 14 gespeichert. Zusätzlich zu den Kondensatoren 14, die Teile der Schaltungsanordnung 10 sind, können, wie oben erwähnt, weitere Kondensatoren an den Anschluss EXT_S angeschlossen werden. Diese zusätzlichen Speicher können Kondensatoren oder Akkumulatoren oder Ähnliches sein.
Die Energie, die beim Bremsen oder bei einer Verzögerung des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt wird, wird zunächst verwendet, um die Batteriespannung zu erhöhen. Anschließend wird diese Energie mit Hilfe des Aufwärtswandlers 11 in Ladungsenergie der Kondensatoren 14 bzw. der zusätzlichen externen Kondensatoren umgewandelt. Die Schaltungsanordnung 10 sollte einen Aufwärtswandler 11 benutzen, der niedrige Verlustleistung hat, um höhere Spannungswerte zu erreichen, damit mehr elektrische Energie in dem Zwischenspeicher, das heißt in den Kondensatoren 14 und in den externen Speicher, gespeichert werden kann. Die Energie W berechnet sich aus W = ½·Kapazität·Spannung². Je höher die Spannung ist, umso mehr Energie kann gespeichert werden.
Abhängig von dem Ladezustand der gespeicherten Energie kann diese auch verwendet werden, um zusätzlich Energie-Komponenten bereitzustellen, die zusätzliche kurzfristige Leistungsanforderungen haben. Diese zusätzliche Energie muss durch das interne Energiemanagement laufen, um zu vermeiden, dass die Anlassversorgung gestört wird. Deshalb ist es notwendig, die Anforderung von zusätzlicher Energie an die Schaltungsanordnung 10 über den CAN-Bus zu senden.
Die rekuperierte Energie sollte für einige Wochen gespeichert werden, indem Verlustströme während des Stillstands des Fahrzeugs vermieden werden und indem Kondensator mit geringer Selbstentladerate verwendet werden.
Die Energiespeicherfähigkeit ist zunächst durch die Kapazität des internen Speichers limitiert. Durch zusätzliche, externe Speicherelemente wie Kondensatoren, Akkumulatoren etc wird die Kapazität erweitert. Das Spannungsniveau, auf das geladen wird, wird mit einer Rampenfunktion hochgefahren, um hohe Eingangsströme zu vermeiden, insbesondere, wenn keine Bremse aktiviert ist.
Als Modus V wird der Notfallenergieversorgungsmodus auch Notfallmodus bezeichnet. Aufgrund der gesetzlichen Vorschriften bezüglich elektrischer Türschlosssysteme wird ein Ausgang der Versorgungsschaltung nur für die Türschlösser mit Ausnahme des Kofferraumschlosses vorgesehen. Dieser Ausgang hat eine höhere Priorität. Im Falle, dass die Batteriespannung zu niedrig wird, ein Unfall detektiert würde, die Batteriespannung nicht mehr da ist oder die Batterie zerstört ist, wird eine Batteriefehlfunktion detektiert. Die Türschlösser müssen so angesteuert werden, dass zwischen einer Notfallenergieversorgung und einer ständigen Energieversorgung unterschieden wird.
Um eine Fehlfunktion innerhalb der Schaltungsanordnung 10 zu vermeiden, muss die interne Spannungsversorgung garantiert sein. Dazu werden die Steuerschaltungen, beispielsweise der Mikrokontroller 45 und die Steuerungen 24, 25, 26, 27 und 28 in diesem Fall von einem zusätzlichen Speicher, der von einer Ladungspumpe gespeist wurde, versorgt.
Die Schaltungsanordnung 10 reagiert folgendermaßen: Alle nicht betroffenen Verbraucher, das heißt alle nicht notwendigen Verbraucher werden ausgeschaltet. Alle Abwärtswandler 20, 21, 22 werden über die Schalter 360, 361, 362 und 363 gebündelt und versorgen den Notfallanschluss mit Spannung. Zusätzlich wird eine Anfrage zum Türöffnen zu den Türen über den CAN-Bus geschickt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Versorgung der Türschlösser über den Ausgang O3 erfolgt. Daraufhin werden die Schalter 360, 361, 362, 363 geschlossen. Der Schalter 372 wird so beschaltet, dass sein zweiter Eingang mit seinem Ausgang verbunden ist, während die Schalter 370, 371 und 373 so beschaltet werden, dass ihre ersten Eingänge jeweils mit ihren Ausgängen verbunden sind. Der Schalter 39 wird geöffnet. Die Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 werden sämtlich betrieben. Folglich fließt sämtliche Energie von den Abwärtswandlern 20, 21, 22 und 23 zu dem Ausgang O3. Die Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 werden somit parallel betrieben und die zur Verfügung gestellte Ausgangsleistung ist größer, als wenn nur einer der Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 betrieben würde.
Zusätzlich wird die gespeicherte Energie als Notfallenergie nicht nur dem Türöffnungssystem, sondern auch der notwendigen zusätzlichen Steuerlogik bereitgestellt. Diese sind die Batteriesteuereinheit BCM, die Zentralverriegelung und so weiter. Dies ist notwendig, damit die Ansteuersignale zum Öffnen der Aktuatoren richtig verteilt werden.
Es wird angenommen, dass die Batterie sehr leer ist, ein Unfall detektiert wurde, die Batterieversorgung aus ist oder die Batterieversorgung zerstört ist. Dies wird jeweils mit dem Signal ”Batteriefehler detektiert” signalisiert. Der Gleichstromwandler entscheidet daraufhin, von dem Standardversorgungsbetrieb in den Notfallmodus zu schalten. Um zu verhindern, dass innerhalb des Gleichstromwandlers eine Fehlfunktion erfolgt, muss die interne Spannungsversorgung für diesen Wandler gewährleistet sein.
Dazu werden zusätzliche Speicherelemente vorsichtig mit Hilfe einer Hochfahr-Ladestrom-Kontroll-Funktion geladen, was einen geringen Einfluss auf die Fahrzeugverzögerung hat.
Der Gleichstomwandler reagiert folgendermaßen:
Alle Abwärtswandler werden gebündelt, um an einem Notfallausgang die maximal mögliche Leistung bereitzustellen. An diesen Notfallausgang sind das Türöffnungssystem und die notwendigen Steuerschaltungen für das Türöffnungssystem.
Anschließend ein Notfall-Türöffnungs-Anforderung an die entsprechend zuständige Steuereinheit, zum Beispiel die BCM über den CAN Bus oder über eine eigene Leitung gesandt.
Als Modus VI wird der sogenannte Abstellmodus bezeichnet. Wird ein Fahrzeug für mehrere Wochen beispielsweise an einem Flughafen abgestellt, soll der Energieverbrauch möglichst erniedrigt werden. Die Kondensatoren 14 werden direkt von der Batterie geladen. Dazu verbindet die Schalteinheit 12 seine Eingänge miteinander und schaltet seinen Ausgang hochohmig. Die Kondensatoren bleiben somit auf einem niedrigeren Spannungsniveau geladen, wodurch vermehrte Alterungsprozesse, die bei noch niedrigeren Spannungen einsetzen würden, vermieden werden. Gleichzeitig werden die Selbstentladeströme, die mit steigender Spannung ansteigen, möglichst gering gehalten.
Zusätzlich hat die Spannungsversorgung 10 programmierbare Ausgangsanschlüsse für Verbraucher mit niedrigen Spannungsniveaus. Diese Ausgänge können für Bus-Systeme und Sensoren mit vorbestimmten Eingangsspannungsniveaus verwendet werden. Einer dieser Ausgänge ist der Ausgang O5.
Die Programmierbarkeit der Verbraucherspannungshöhe wird nicht für die Hauptversorgungsausgänge verwendet, die alle das gleiche Spannungsniveau haben müssen. Wenn die Spannungsversorgung erreicht werden kann, ebenfalls durch Reduzieren der Spannungsniveaus an diesen Ausgängen, kann dies nur durchgeführt werden, wenn alle Spannungsniveaus gleichzeitig gesenkt werden.
Die niedrigen Spannungsniveaus müssten an die Anforderungen der Verbraucher angepasst werden, die direkt von dieser Anforderung betroffen wären. Der Abwärtswandler 29 kann so eingestellt werden, dass seine Ausgangsspannung variiert. Die Ausgangsspannung der Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 werden jeweils auf den gleichen Ausgangsspannungswert eingestellt.
Um Energie, die von den Kondensatoren 14 und der Batterie bereitgestellt wird, auf ein bestimmtes Spannungsniveau zu wandeln, werden die Abwärtswandler verwendet. Diese Abwärtswandler können für unterschiedliche Leistungen, d. h. Ausgangsströmungen und unterschiedliche Spannungsniveaus eingestellt werden, indem sie per Software hinsichtlich ihrer Ausgangsparameter programmiert werden. Die vier Hochleistungs-Abwärtswandler 20, 21, 22 und 23 sollten jeweils die gleiche Ausgangsspannung bereitstellen, damit es möglich ist, die Ausgänge zusammenzuschließen, um zusammen die möglichst hohe Ausgangsleistung bereitzustellen.
Der Aufwärtswandler 11 wird während des Abbremsens des Fahrzeugs oder während Bremsvorgängen aktiviert, damit die Energie jeweils auf einem höheren Spannungsniveau gespeichert wird. Dieses Spannungsniveau ist beispielsweise 28 V. Während der Rekuperation sollten alle Verbraucher direkt mit der Batterie verbunden sein. Die Spannung über den Kondensatoren 14 wird innerhalb eines minimalen Spannungsniveaus und eines maximalen Spannungsniveaus eingestellt. Entsprechend den Spannungsniveaus der Kondensatoren 40 können Verbraucher mit Rekuperationsenergie versorgt werden, die direkt aus diesem Abwärtswandler 11 kommt, ohne dass dies negativen Einfluss auf den Anlassvorgang später hat.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Versorgungsschaltung insbesondere zur Unterstützung des Notbetriebs. Elemente mit gleichen Funktionen wie in den obigen Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht erneut erläutert.
Im Vergleich zu 1 weist die Schaltungsanordnung 10 keinen Aufwärtswandler 11 auf. Die erste Verbraucherspannung UA2, die zweite Verbraucherspannung UA3, die dritte Verbraucherspannung UA4 und die vierte Verbraucherspannung UA1 werden jeweils von den Abwärtswandlern 20, 21, 22, 23 unmittelbar aus der Batteriespannung UBAT erzeugt. Alternativ können auch Aufwärtswandler oder einfache Schalter anstelle der Abwärtswandler 20, 21, 22, 23 eingesetzt werden. Die Ausführungsform nach 2 weist weniger Bauteile auf, ist somit technisch anspruchsloser. Die Ausführungsform nach 1 hat dagegen den Vorteil, dass der Zwischenspeicher Verbrauchsspitzen besonders gut ausgleichen kann.
Bezugszeichenliste

1: Blei-Akkumulator
10: Schaltungsanordnung
11: Aufwärtswandler
12: Schalteinheit
13: Filter
14: Kondensator
20: Abwärtswandler
21: Abwärtswandler
22: Abwärtswandler
23: Abwärtswandler
24: übergeordnete Steuerung
25: untergeordnete Steuerung
26: untergeordnete Steuerung
27: untergeordnete Steuerung
28: untergeordnete Steuerung
29: Abwärtswandler
30: Filter
31: Filter
32: Filter
33: Filter
34: Filter
36: Überbrückungsanordnung
38: elektronischer Schaltertreiber
39: Versorgungsschalter
40: Spannungsrückkopplung
41: flüchtiger Speicher
42: nicht-flüchtiger Speicher
43: CAN-Bus Decoder
45: Mikroprozessor
110: Transformator
111: Schalter
112: Diode
360: Schalter
361: Schalter
362: Schalter
363: Schalter
370: Schalter
371: Schalter
372: Schalter
373: Schalter
3600: Knoten
O1: Ausgang
O2: Ausgang
O3: Ausgang
O4: Ausgang
O5: Ausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7236893 B1 [0002]

Claims

Versorgungsschaltung für die elektrische Versorgung eines Fahrzeuges, folgendes aufweisend: – eine Batterie (1) zum Erzeugen einer Batterieversorgungsspannung; – eine erste Energieversorgungseinheit (21) zum Erzeugen einer ersten Verbraucherspannung (UA2), die erste Verbraucherspannung (UA2) zum Versorgen eines ersten Verbrauchers (V2); – eine zweite Energieversorgungseinheit (22) zum Erzeugen einer zweiten Verbraucherspannung (UA3), die zweite Verbraucherspannung (UA3) zum Versorgen eines zweiten Verbrauchers (V3); – eine Steuerschaltung (45, 24, 25, 26) zum Steuern der ersten Energieversorgungseinheit (21) und der zweiten Energieversorgungseinheit (22), wobei die Steuerschaltung (45, 24, 25, 26) derart ausgebildet ist, dass in einem Notfallmodus des Fahrzeugs der zweite Verbraucher (V3) von der ersten Verbraucherspannung (UA2) und von der zweiten Verbraucherspannung (UA3) versorgt wird und die erste Energieversorgungseinheit (21) die erste Verbraucherspannung (UA2) erzeugt und der zweite Energieversorgungseinheit (22) die zweite Verbraucherspannung (UA3) erzeugt.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Verbraucher (V3) ein Türschlossmechanismus des Fahrzeugs ist.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Verbraucher (V3) ein Rückhaltemechanismus des Fahrzeugs ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Notfallmodus der erste Verbraucher von keiner Spannungsversorgung versorgt wird.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versorgungsschaltung zusätzlich aufweist: – einen Aufwärtswandler (11) zum Erzeugen einer Zwischenspannung (UZ) aus der Batterieversorgungsspannung (UBAT); – einen Zwischenspeicher (14) zum Speichern von elektrischer Energie, wobei der Zwischenspeicher (14) von der Zwischenspannung (UZ) versorgt wird,; und wobei die erste Versorgungsschaltung ein erster Abwärtswandler (21) zum Erzeugen der ersten Verbraucherspannung (UA2) aus der Zwischenspannung (UZ), und die zweite Versorgungsschaltung ein zweiter Abwärtswandler (22) zum Erzeugen der zweiten Verbraucherspannung (UA3) aus der Zwischenspannung (UZ), die zweiten Verbraucherspannung (UA3) zum Versorgen eines zweiten Verbrauchs (V3); und die Steuerschaltung (45, 24, 25, 26) zusätzlich zum Steuern des Aufwärtswandlers (11) eingerichtet ist.
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (371) zum Verbinden des ersten Verbrauchers (V2) mit einem Versorgungsknoten der Batteriespannung (UBAT) und einen weiteren Schalter (372) zum Verbinden des zweiten Verbrauchers (V3) mit einem Versorgungsknoten der Batteriespannung (UBAT).
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (361) zum Verbinden des ersten Verbrauchers (V2) mit der ersten Verbraucherspannung (UA2) und einen weiteren Schalter (372) zum Verbinden des zweiten Verbrauchers (V3) mit der zweiten Verbraucherspannung (UA3).
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Schalter (362, 363) zum Verbinden eines Versorgungsknotens der ersten Verbraucherspannung (UA2) mit einem Versorgungsknoten der zweiten Verbraucherspannung (UA3).
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung eine übergeordnete Steuerung (45, 24) und zwei untergeordnete Steuerungen (25,26) aufweist, wobei eine erste untergeordnete Steuerung (25) den ersten Abwärtswandler (21) ansteuert und die zweite untergeordnete Steuerung (26) den zweiten Abwärtswandler (22) ansteuert und die übergeordnete Steuerung (45, 24) die erste untergeordnete Steuerung (21) und die zweite untergeordnete Steuerung (22) ansteuert.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen weiteren Schalter zur Verbindung eines Versorgungsknotens der Batteriespannung (U_BAT) mit einem Versorgungsknoten der Zwischenspannung (U_Z).
Versorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse zu Aufnahme des Versorgungsschaltung (10) und ein Anschluss (EXT_S) des Gehäuses zum Anschluss von externem Zwischenspeicher vorgesehen sind.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messschaltung (40) zum Messen der ersten Verbraucherspannung (UA2) und der zweiten Verbraucherspannung (UA3) vorgesehen ist.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen dritter Abwärtswandler (29) zum Erzeugen einer dritten Verbraucherspannung (UO5) zum Versorgen eines dritten Verbrauchers (V5) aus der Zwischenspannung (UZ), wobei die Spannungshöhe der dritten Verbraucherspannung (UO5) unabhängig von der ersten Verbraucherspannung (UA2) und der zweiten Verbraucherspannung (UA3) einstellbar ist.
Kraftfahrzeug mit einer Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Betrieb einer Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren einen Betriebsmodus eines Fahrzeugs aufweist, in dem der zweite Verbraucher (V3) von der ersten Verbraucherspannung (UA2) und von der zweiten Verbraucherspannung (UA3) versorgt wird und der erste Abwärtswandler (21) die erste Verbraucherspannung (UA2) erzeugt und der zweite Abwärtswandler (22) die zweite Verbraucherspannung (UA3) erzeugt.