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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung für ein Fahrzeug.
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Um Hochleistungsverbraucher im Automotiv Bereich elektrifizieren zu können, ist das herkömmliche 12V/24V Versorgungsnetz (nachfolgend auch Bordnetz BN12 / BN24 genannt) bei Fahrzeugen teilweise an seinen Grenzen gestoßen. Um den Bordnetzstrom mit der steigenden Anzahl an elektrischen Leistungsverbrauchern zu reduzieren, wird eine neue höhere Bordnetzspannung ergänzend ins Fahrzeug implementiert. Für Anwendungen bis ca. 2–3 kW Leistungsklassen kann die Bordnetzspannung auf niedriger als 60V DC ausgelegt werden, um Berührschutzmaßnahmen zu vermeiden. Für diese Anwendungen ist das 48V Bordnetz (BN48) am besten geeignet.
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Die
DE 102 35 162 A1 offenbart ein Steuergerät für ein Fahrzeug, bei dem die Energieversorgung über einen Wandler läuft, der eine galvanische Trennung bereitstellt.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektronische Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung für ein Fahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Versorgungskonzept einer elektronischen Vorrichtung für ein Fahrzeug, beispielsweise einem Steuergerät vorgestellt, welches mit zwei Bordnetzspannungen versorgt wird. Das eine Bordnetz kann ein erstes Bordnetz mit beispielsweise 12V oder 24V sein und das andere Bordnetz kann ein zweites Bordnetz mit beispielsweise 48V sein. Eine solche Vorrichtung kann neben einem mit dem zweiten Bordnetz betreibbaren Leistungselement eine Steuerschaltung umfassen, die sowohl von dem ersten als auch von dem zweiten Bordnetz mit einer Versorgungsspannung versorgt werden kann. Vorteilhafterweise kann die Steuerschaltung somit auch bei Ausfall eines der zwei Bordnetze, insbesondere auch bei Ausfall des zweiten Bordnetzes noch betrieben werden.
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Eine elektronische Vorrichtung für ein Fahrzeug umfasst eine erste Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer ersten Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer ersten Spannung, eine zweite Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer zweiten Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer zweiten Spannung, ein mit der zweiten Spannung betreibbares Leistungselement und eine Steuerschaltung zum Steuern des Leistungselements.
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Bei der elektronischen Vorrichtung kann es sich um ein Gerät des Fahrzeugs handeln. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder beispielsweise auch ein Wasserfahrzeug handeln. Die erste Spannung kann beispielsweise eine 12V oder eine 24V Gleichspannung sein. Die zweite Spannung kann beispielsweise eine 48V Gleichspannung sein. Die zweite Spannung kann somit größer als die erste Spannung sein. Die Spannungsschnittstellen können beispielsweise als Steckverbinder, elektrische Kontakte oder elektrische Leitungen ausgeführt sein. Eine Spannungsschnittstelle kann je einen ersten Potenzialanschluss, beispielsweise einen Plus-Pol und einen zweiten Potenzialanschluss, beispielsweise einen Minus-Pol oder Masseanschluss aufweisen. Die Spannungsversorgungen können beispielsweise als Batterien ausgeführt sein. Die Steuerschaltung kann beispielsweise eine integrierte Schaltung umfassen. Die Steuerschaltung kann ausgebildet sein, um einen Zustand des Leistungselements zu steuern oder zu überwachen. Beispielsweise kann die Steuerschaltung ausgebildet sein, um das Leistungselement auch bei einem Ausfall der zweiten Spannung zu steuern, beispielsweise in einen sicheren Zustand zu überführen oder eine Diagnose des Leistungselements durchzuführen. Sind zwei Elemente miteinander verbunden, so kann dies bedeuten, dass sie direkt über eine elektrische Leitung oder über ein Zwischenelement elektrisch verbunden sind.
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Die Vorrichtung weist ferner folgende Merkmale auf:
ein erstes Koppelungselement mit einem Eingang, der mit einem ersten Potenzialanschluss der ersten Spannungsschnittstelle verbunden ist und mit einem Ausgang, wobei das erste Koppelungselement ausgebildet ist, um einen Stromfluss von dem Eingang zu dem Ausgang des ersten Koppelungselements zu ermöglichen und einen Stromfluss von dem Ausgang zu dem Eingang des ersten Koppelungselements zu sperren;
ein zweites Koppelungselement mit einem Eingang, der mit einem ersten Potenzialanschluss der zweiten Spannungsschnittstelle verbunden ist und mit einem Ausgang, wobei das zweite Kopplungselement ausgebildet ist, um einen Stromfluss von dem Eingang zu dem Ausgang des zweiten Koppelungselements zu ermöglichen und einen Stromfluss von dem Ausgang zu dem Eingang des zweiten Koppelungselements zu sperren;
ein Trennelement mit einem ersten Eingang und einem galvanisch von dem ersten Eingang entkoppelten ersten Ausgang, wobei der erste Eingang mit den Ausgängen der Koppelungselemente verbunden ist; und
einen Spannungswandler, der zwischen den ersten Ausgang des Trennelements und einem ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung geschaltet ist.
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Ein Kopplungselement kann beispielsweise eine Diode oder ein Wandler sein. Das Kopplungselement kann eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung aufweisen. Aus Richtung des Trennelements können die Kopplungselemente als Isolator wirken. In entgegengesetzter Richtung können die Kopplungselemente als Durchgangsleiter wirken. Somit können die Kopplungselemente einen Stromfluss zwischen den ersten Potenzialanschlüssen der Spannungsschnittstellen unterbinden. Das Trennelement ist ausgebildet, um einen den ersten Eingang des Trennelements umfassenden Stromkreis galvanisch von einem den ersten Ausgang des Trennelements umfassenden Stromkreis zu trennen. Beispielsweise kann das Trennelement als ein Transformator ausgeführt sein. Der Spannungswandler kann ausgebildet sein, um die am ersten Ausgang des Trennelements anliegende Spannung in eine Versorgungsspannung der Steuerschaltung zu wandeln.
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Die Vorrichtung kann ein Gerät darstellen, das mit zwei Bordnetzspannungen, beispielsweise einer Leistungsversorgung für die zweite Spannung und einer Logikversorgung für die erste Spannung versorgt wird. Gemäß einer Ausführungsform gilt für ein solches Gerät die Anforderung, dass das Gerät beim Ausfall der Leistungsenergieversorgung immer noch diagnosefähig bleibt, und im Fehlerfall eine Fehlermeldung an ein übergeordnetes System weiterleiten kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist es dabei nicht erforderlich, für die Gerätediagnose- und Gerätesteuerung eingesetzte Baugruppen einer von der 48V Bordnetzseite abgetrennten Bordnetzseite, beispielsweise dem 12V oder 24V Bordnetz, zuzuordnen. Somit ist es ebenfalls nicht erforderlich, dass die logische Kopplung zwischen den Diagnosebaugruppen sowie den Steuerungsbaugruppen und der Leistungselektronik über galvanisch getrennte Bausteine erfolgt, die zwischen der Bordnetzseite des 12V oder 24V Bordnetz und der Bordnetzseite des 48V Bordnetz eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist es somit nicht nötig, die Versorgung der Diagnosebaugruppen und/oder Steuerungsbaugruppen von der Leistungselektronik (BN48) zu entkoppeln und lediglich durch die zweite Bordnetzversorgung (BN12/BN24) herzustellen. Stattdesessen können die Diagnosebaugruppen und/oder Steuerungsbaugruppen zusätzlich mit dem 48V Bordnetz gekoppelt werden. Dies stellt eine redundante Versorgung der Leistungselektronik dar und somit ist die Leistungselektronik beim Fehlerfall versorgt. Es ist nicht mehr erforderlich, die logische Kopplung zwischen den Diagnosebaugruppen und/oder Steuerungsbaugruppen und der Leistungselektronik über galvanisch getrennte Signalbausteine erfolgen zu lassen. Dadurch können solche Gerätearten auch Fail Safe Maßnehmen einleiten.
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Das Trennelement der elektronischen Vorrichtung kann einen zweiten Eingang und einen von dem zweiten Eingang galvanisch entkoppelten zweiten Ausgang aufweisen. Dabei kann der zweite Eingang des Trennelements mit einem zweiten Potenzialanschluss einer der Spannungsschnittstelle verbunden sein. Der zweite Ausgang des Trennelements kann mit einem zweiten Potenzialanschluss einer der Spannungsschnittstellen sowie mit einem zweiten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung verbunden sein. Somit können die beiden Versorgungsspannungseingänge der Steuerschaltung, über die eine zum Betrieb der Steuerschaltung erforderliche Spannung an die Steuerschaltung angelegt werden kann, vorteilhafterweise sowohl über die erste Spannungsschnittstelle als auch über die zweite Spannungsschnittstelle mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Ein erster Betriebsspannungsanschluss des Leistungselements kann mit dem ersten Potenzialanschluss der zweiten Spannungsschnittstelle verbunden sein. Entsprechend kann ein zweiter Betriebsspannungsanschluss des Leistungselements mit dem zweiten Potenzialanschluss der zweiten Spannungsschnittstelle verbunden sein. Auf diese Weise kann das Leistungselement über die zweite Spannungsschnittstelle mit einer zum Betrieb des Leistungselements erforderlichen Betriebsspannung versorgt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die elektronische Vorrichtung eine Überwachungseinrichtung auf. Die Überwachungseinrichtung kann ausgebildet sein, um die an dem Eingang des ersten Kopplungselements anliegende erste Spannung und die an dem Eingang des zweiten Kopplungselements anliegende zweite Spannung zu überwachen. Die Überwachungseinrichtung kann als eine separate Schaltung ausgeführt sein oder in die Steuerschaltung integriert sein. Die Überwachungseinrichtung kann entsprechend zu der Steuerschaltung sowohl über die erste Spannungsschnittstelle als auch über die zweite Spannungsschnittstelle mit einer zum Betrieb der Überwachungseinrichtung erforderlichen Betriebsspannung versorgt werden. Auf diese Weise kann die Überwachungseinrichtung ausgebildet sein, um sowohl einen Ausfall der ersten Spannung als auch einen Ausfall der zweiten Spannung zu erkennen. Bei einem erkannten Fehler, beispielsweise einem Ausfall einer der Spannungen, kann die Überwachungseinrichtung ausgebildet sein, um ein entsprechendes Fehlersignal über eine Schnittstelle der Vorrichtung auszugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Spannung eine Gleichspannung kleiner als 40V und die zweite Spannung eine Gleichspannung größer als 40V und beispielsweise kleiner als 60V sein. Dadurch eignet sich die Vorrichtung insbesondere zum Einsatz im Automobilbereich.
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Beispielsweise kann das Leistungselement einen Aktuator umfassen. In diesem Fall kann das Leistungselement ausgebildet sein, um über die zweite Spannungsschnittstelle bereitgestellte elektrische Energie in mechanische Energie zu wandeln. Unter einem Aktuator kann beispielsweise ein Elektromotor verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Leistungselement eine Leistungselektronik umfassen. Somit kann die Vorrichtung für alle Anwendungen, beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, für die eine beispielsweise über 40V liegende Betriebsspannung erforderlich ist.
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Das Trennelement kann als ein Transformator ausgeführt sein. Über einen Transformator kann eine zuverlässige galvanische Trennung realisiert werden. Die Koppelelemente können beispielsweise als Dioden oder Spannungsregler ausgeführt sein. Dioden bieten sich aufgrund geringer Kosten und hoher Ausfallsicherheit an. Durch den Einsatz eines Spannungsreglers kann eine Größe der an dem ersten Versorgungsspannungsanschluss anliegenden Spannung geregelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung einen mit dem ersten Versorgungsspannungseingang und dem zweiten Versorgungsspannungseingang verbundenen Spannungsregler umfassen. Auf diese Weise kann eine an den Versorgungsspannungseingängen anliegende Spannung auf einen zum Betrieb der Steuerschaltung geeigneten Spannungswert geregelt werden.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung als ein Steuergerät für ein Fahrzeug, als ein Inverter oder als ein Frequenzumrichter ausgeführt sein. Somit kann der beschriebene Ansatz für unterschiedliche Anwendungsfälle eingesetzt werden.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung eine mit einer ersten Spannung betreibbare Steuerschaltung, ein mit einer zweiten Spannung betreibbares Leistungselement, eine erste Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer ersten Spannungsversorgung zum Bereitstellen der ersten Spannung und eine zweite Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer zweiten Spannungsversorgung zum Bereitstellen der zweiten Spannung umfasst, umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen der ersten Spannung von der ersten Spannungsschnittstelle und der zweiten Spannung von der zweiten Spannungsschnittstelle an einen ersten Eingang eines Trennelements, wobei ein Stromfluss von dem ersten Eingang des Trennelements zu den Spannungsschnittstellen unter Verwendung eines ersten Koppelungselements und eines zweiten Koppelungselements verhindert wird;
Bereitstellen einer von der ersten Spannung und der zweiten Spannung galvanisch getrennten Ausgangsspannung an einem ersten Ausgang des Trennelements;
Wandeln der Ausgangsspannung in eine Geräteversorgungsspannung; und
Bereitstellen der Geräteversorgungsspannung an einen ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung.
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Die Schritte des Verfahrens können vorteilhaft unter Verwendung der genannten elektronischen Vorrichtung umgesetzt werden. Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Spannungsschnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Spannungsschnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Spannungsschnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Spannungsschnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 100 kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug, ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Das Fahrzeug 100 weist zwei Bordnetze auf. Ein erstes der Bordnetze wird von einer ersten Spannungsversorgung in Form einer ersten Batterie 102 und das zweite der Bordnetze wird von einer zweiten Spannungsversorgung in Form einer zweiten Batterie 104 des Fahrzeugs 100 gespeist. Die erste Batterie 102 ist ausgebildet, um eine erste Spannung bereitzustellen. Die zweite Batterie 104 ist ausgebildet, um eine zweite Spannung bereitzustellen, die größer als die erste Spannung ist. Beispielsweise können die Batterien 102, 104 von einer oder mehreren Lichtmaschinen des Fahrzeugs 100 geladen werden.
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Das Fahrzeug 100 weist eine elektronische Vorrichtung 110 auf. Die elektronische Vorrichtung 110 weist eine erste Spannungsschnittstelle 112 zu dem ersten Bordnetz und eine zweite Spannungsschnittstelle 114 zu dem zweiten Bordnetz auf. Die Vorrichtung 110 weist ferner ein Leistungselement 120 und eine Steuerschaltung 122 auf. Das Leistungselement 120 wird über die zweite Spannungsschnittstelle 114 mit zum Betrieb des Leistungselements 120 erforderlicher elektrischer Energie versorgt. Die Steuerschaltung 122 kann unter Verwendung von Kopplungselementen und eines galvanischen Trennelements sowohl über die erste Spannungsschnittstelle 112 als auch über die zweite Spannungsschnittstelle 114 mit zum Betrieb der Steuerschaltung 122 erforderlicher elektrischer Energie versorgt werden.
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Das Fahrzeug 100 weist eine Komponente 130 auf, die von dem Leistungselement 120, je nach Ausführung des Leistungselements 120 beispielsweise angetrieben, mit elektrischer Energie versorgt oder beeinflusst werden kann. Die Komponente 130 kann beispielsweise Teil eines Antriebsstrangs oder eines Getriebes des Fahrzeugs 100 sein.
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Die Steuerschaltung 122 ist ausgebildet, um einen Betrieb des Leistungselements 120 zu steuern oder zu regeln.
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Die Vorrichtung 110 kann mit einem Steuergerät 132 des Fahrzeugs 100 gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 110 ausgebildet sein, um von dem Steuergerät 132 Steuersignale zu empfangen oder Diagnosesignale an das Steuergerät 132 auszugeben, beispielsweise bezüglich eines Zustands der zum Betrieb des Leistungselements 120 oder der Steuerschaltung 122 erforderlichen Spannungen oder bezüglich eines Betriebszustands des Leistungselements 120.
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Die Spannungsschnittstellen 112, 114, das Leistungselement 120 und die Steuerschaltung 122 sowie weitere Elemente der Vorrichtung 110 können über elektrische Leitungen direkt oder über weitere Elemente elektrisch miteinander gekoppelt sein.
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Die Vorrichtung 110 kann ein Gehäuse aufweisen, das die Steuerschaltung 122 und das Leistungselement 120 umschließt. Die Spannungsschnittstellen 112, 114 können in das Gehäuse integriert sein. Alternativ können die Steuerschaltung 122 sowie das Leistungselement 120 auch in eigenen Gehäusen, und beispielsweise beabstandet zueinander angeordnet sein.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer elektronischen Vorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte elektronische Vorrichtung 110 handeln. Ferner sind in 2 eine Einrichtung 102 zum Bereitstellen einer ersten Bordnetzspannung, beispielsweise in Form einer ersten Batterie, und eine Einrichtung 104 zum Bereitstellen einer zweiten Bordnetzspannung, beispielsweise in Form einer zweiten Batterie, gezeigt.
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Im betriebsbereiten Zustand ist die Vorrichtung 110 über die erste Spannungsschnittstelle 112 mit der Einrichtung 102 zum Bereitstellen der ersten Bordnetzspannung und über die zweite Spannungsschnittstelle 114 mit der Einrichtung 104 zum Bereitstellen der zweiten Bordnetzspannung verbunden. Die beiden Einrichtungen 102, 104 können auch stellvertretend für zwei voneinander getrennte Bordnetze oder Versorgungsnetze aufgefasst werden.
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Die erste Spannungsschnittstelle 112 weist einen ersten Potenzialanschluss 231 und einen zweiten Potenzialanschluss 232 auf. Der erste Potenzialanschluss 231 ist mit dem Plus-Pol der ersten Einrichtung 102 verbunden und der zweite Potenzialanschluss 232 ist mit dem Minus-Pol der ersten Einrichtung 102 verbunden. Die zweite Spannungsschnittstelle 114 weist einen ersten Potenzialanschluss 233 und einen zweiten Potenzialanschluss 234 auf. Der erste Potenzialanschluss 233 ist mit dem Plus-Pol der zweiten Einrichtung 104 verbunden und der zweite Potenzialanschluss 234 ist mit dem Minus-Pol der zweiten Einrichtung 104 verbunden. Die zweiten Potenzialanschlüsse 232, 234 der Spannungsschnittstellen 114 sind über einen Sternpunkt 230 der Bordnetzspannungen miteinander verbunden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Sternpunkt 230 außerhalb der Vorrichtung 110, beispielsweise außerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung, angeordnet.
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Die elektronische Vorrichtung 100 weist das Leistungselement 120 und die Steuerschaltung 122 zum Steuern des Leistungselements 120 auf. Ferner weist die Vorrichtung 110 ein Trennelement 240, ein erstes Kopplungselement 242, ein zweites Kopplungselement 243 und einen Spannungswandler 245 auf.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Eingang des ersten Koppelungselements 242 mit dem ersten Potenzialanschluss 231 der ersten Spannungsschnittstelle 112 verbunden. Im Betrieb der Vorrichtung 110 liegt an dem Eingang des ersten Kopplungselements 242 eine erste Spannung 261 an, die der ersten Bordspannung der Einrichtung 102 entspricht. Ein Eingang des zweiten Koppelungselements 243 ist mit dem ersten Potenzialanschluss 233 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 verbunden. Im Betrieb der Vorrichtung 110 liegt an dem Eingang des zweiten Kopplungselements 243 eine zweite Spannung 262 an, die der zweiten Bordspannung der Einrichtung 104 entspricht.
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Die Kopplungselemente 241, 243 weisen eine Sperrrichtung und eine Durchflussrichtung auf. Die Kopplungselemente 241, 243 sind so verschaltet, dass ein Stromfluss über die Kopplungselemente 241, 243 in Richtung des ersten Eingangs des Trennelements 240 möglich ist, ein Rückfluss jedoch nicht. Die Kopplungselemente 241, 243 ermöglichen es, die Steuerschaltung 122 sowohl über die erste Spannungsschnittstelle 112 als auch über die zweite Spannungsschnittstelle 114 mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Ein erster Eingang des Trennelements 240 ist mit den Ausgängen der Koppelungselemente 242, 243 verbunden. Ein zweiter Eingang des Trennelements 240 ist mit dem zweiten Potenzialanschluss 232 der ersten Spannungsschnittstelle 112 und über den Sternpunkt 230 zusätzlich mit dem zweiten Potenzialanschluss 234 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 verbunden. Ein erster Ausgang des Trennelements 240 ist mit einem Eingang des Spannungsreglers 245 und ein zweiter Ausgang des Trennelements 240 ist mit dem zweiten Potenzialanschluss 234 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 und über den Sternpunkt 230 zusätzlich mit dem zweiten Potenzialanschluss 232 der ersten Spannungsschnittstelle 112 verbunden.
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Ein über die Eingänge des Trennelements 240 führender Stromkreis ist durch das Trennelement 240 galvanisch von einem über die Ausgänge des Trennelements 240 führenden weiteren Stromkreis getrennt. Das Trennelement 240 ist ausgebildet, um unter Verwendung einer zwischen den Eingängen des Trennelements 240 anliegenden Eingangsspannung, zwischen den Ausgängen des Trennelements 240 eine Ausgangsspannung bereitzustellen.
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Ein Ausgang des Spannungswandlers 245 ist mit einem ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung 122 verbunden. Ein zweiter Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung 122 ist mit mit dem zweiten Potenzialanschluss 234 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 und über den Sternpunkt 230 zusätzlich mit dem zweiten Potenzialanschluss 232 der ersten Spannungsschnittstelle 112 verbunden. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Versorgungsspannungseingängen der Steuerschaltung 122 ein Energiespeicher in Form eines Kondensators 250 geschaltet.
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Ein erster Betriebsspannungsanschluss des Leistungselements 120 ist mit dem ersten Potenzialanschluss 233 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 und ein zweiter Betriebsspannungsanschluss des Leistungselements 120 ist mit dem zweiten Potenzialanschluss 234 der zweiten Spannungsschnittstelle 114 verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Trennelement 240 als ein Transformator zum Wandeln der von den Kopplungselementen 241, 243 bereitgestellten Spannung ausgeführt. Die Kopplungselemente 241, 243 können je als Dioden ausgeführt sein, wobei die Anoden der Dioden mit den Spannungsschnittstellen 112, 114 verbunden sind.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ferner eine Überwachungseinrichtung 252 auf. Die Überwachungseinrichtung 252 ist ausgebildet, um die an dem Eingang des ersten Kopplungselements 242 anliegende erste Spannung 261 und die an dem Eingang des zweiten Kopplungselements 243 anliegende zweite Spannung 262 zu überwachen. Bei einem erkannten Fehler, beispielsweise einer erkannten Spannungsabweichung von einer Sollspannung kann die Überwachungseinrichtung 252 ein entsprechendes Überwachungssignal, beispielsweise über eine weitere Schnittstelle der Vorrichtung 110 und/oder an die Steuerschaltung 122 ausgeben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Überwachungseinrichtung 252 entsprechend der Steuerschaltung 122 sowohl über die erste Spannungsschnittstelle 112 als auch über die zweite Spannungsschnittstelle 114 mit zum Betrieb der Überwachungseinrichtung 252 erforderlicher elektrischer Energie versorgt werden. Beispielsweise kann ein Spannungseingang der Überwachungseinrichtung 252 mit dem ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung 122 verbunden sein. Auch kann die Überwachungseinrichtung 252 über die Steuerschaltung 122, beispielsweise über einen Spannungsregler der Steuerschaltung 122 mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung über geeignete Messelemente mit den zu überwachenden Leitungen zum Führen der Spannungen 261, 262 gekoppelt sein, um die Spannungen 261, 262 überwachen zu können.
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Die Vorrichtung 110 kann ein Gehäuse aufweisen, das die in 2 gezeigten Elemente der Vorrichtung 110 umschließen kann. Die Spannungsschnittstellen 112, 114 können als Schnittstellen, beispielsweise Anschlüsse, des Gehäuses ausgeführt sein.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von 2 detailliert beschrieben. Dabei ist die Einrichtung 102 ausgebildet, um eine erste Bordnetzspannung, beispielsweise eine 12V Bordnetzspannung (BN12) oder eine 24V Bordnetzspannung (BN24) bereitzustellen. Die Einrichtung 104 ist ausgebildet, um eine zweite Bordnetzspannung, beispielsweise eine 48V Bordnetzspannung (BN 48) bereitzustellen. Das Trennelement 240 ist als ein Trennbaustein ausgeführt. An dem Eingang des als erstes Kopplungsglied ausgeführten ersten Kopplungselements 242 liegt eine erste geräteinterne Versorgungsspannung 261 an, die auch als erste Spannung bezeichnet wird und die der ersten Bordnetzspannung entspricht. An dem Eingang des als zweites Kopplungsglied ausgeführten zweiten Kopplungselements 243 liegt eine zweite geräteinterne Versorgungsspannung 262 an, die auch als zweite Spannung bezeichnet wird und die der zweiten Bordnetzspannung entspricht. Die Überwachungseinrichtung 252 ist als eine Überwachungs- und/oder Diagnoseschaltung ausgeführt. Anstelle des Kondensators 250 kann auch ein anderer geeigneter Energiepuffer oder Energiespeicher eingesetzt werden. An dem ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung 122 wird von dem Spannungswandler 245 eine unterbrechungsfreie und redundante Geräteversorgungsspannung 265 bereitgestellt. Die Steuerschaltung 122 umfasst eine Mehrzahl von Baugruppen, inklusiv einem Spannungsregler. Weitere Baugruppen der Steuerschaltung 122 können beispielsweise eine oder mehrere Diagnoseschaltungen und/oder einen oder mehrere leistungselektronische Treiber umfassen. An dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Steuerschaltung 122 liegt ein Massepotenzial 267 der redundanten Geräteversorgungsspannung 265 an. Die Vorrichtung 110 selbst kann ein Gerät darstellen, beispielsweise ein Steuergerät, einen Inverter oder einen Frequenzumrichter. Das Leistungselement 120 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Aktuator. Der Spannungswandler 245 kann beispielsweise als ein Durchflusswandler oder Schaltregler ausgeführt sein.
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Das beschriebene Konzept dient zur Kopplung von zwei Bordnetzspannungen 102, 104, um die galvanische Verbindung zwischen den leistungselektronischen Baugruppen 120 und den Diagnosebaugruppen und Steuerungsbaugruppen 122, 252 zu ermöglichen. Durch den Einsatz des beschriebenen Kopplungskonzeptes kann die Steuerschaltung 122 der Leistungselektronik 120 redundant von beiden Bordnetzen 102, 104 aus versorgt werden, um die Verfügbarkeit und Sicherheit des Gesamtsystems zu erhöhen und die aktive Regelung des Aktuators 120 auch beim Ausfall der Leistungsenergieversorgung 104 zu ermöglichen. Durch die aufrechterhaltenen Diagnosemöglichkeiten können auch je nach Fehlerursache individuelle Fail Safe Maßnahmen eingeleitet werden.
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Durch die redundante Spannungsversorgung kann die Gerätediagnose mit der Überwachung beider Bordnetzspannungen 102, 104 erweitert werden, um auch einen Ausfall oder einen Leitungsbruch des jeweiligen Bordnetzversorgungskreises überwachen zu können.
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Um Masseschleifen, sogenannte Groundschleifen, zu vermeiden, dürfen die Minus-Leitungen der Bordnetzspannungen 102, 104 innerhalb des Geräts 110 nicht direkt miteinander verbunden werden. Der beschriebene Ansatz ist dadurch gekennzeichnet, dass eine technische Lösung für die geräteinterne redundante und unterbrechungsfreie Kopplung der zwei Bordnetzspannungen 102, 104 ermöglicht wird und ferner den Vorteil einer redundanten Geräteversorgung und hohen Verfügbarkeit aufweist.
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Ferner ist die Vorrichtung 110 in Form einer Schaltung auf auf Bauraum- und Kostenaspekte optimiert. Für die Optimierung erfolgt die unterbrechungsfreie und redundante Kopplung der Bordnetzspannungen 261, 262 vor dem Trennbaustein 240, um den Trennbaustein 240 mit beiden Bordnetzspannungen 261, 262 versorgen zu können. Die Kopplungsglieder 242, 243 können in Form von Halbleiterelementen, beispielsweise Dioden, etc., oder auch in Form von Spannungsreglern, beispielsweise Durchflusswandler, Schaltregler, etc., dargestellt werden. Durch diese Lösung kann ein zweiter Spannungsregler entfallen. Das Gerät 110 wird auch beim Leitungsbruch oder beim Ausfall einer Bordnetzspannung 261, 262 unterbrechungsfrei versorgt.
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Durch die vollständige galvanische Trennung, sowohl der Plus-Leitungen als auch der Minus-Leitungen, durch den Trennbaustein 240, beispielsweise einen Transformator, einer Bordnetzversorgung 102, 104 ist die Masseschleifenbildung ausgeschlossen. Die galvanisch getrennte Spannung 261 kann nun den gleichen Massenbezug 267 besitzen, wie die zweite Bordnetzversorgung 104. Die geräteinternen Baugruppen, wie die Diagnose- und Steuerschaltungen 122 können somit mit einer Redundanz und unabhängig eines Bordnetzausfalls versorgt werden. Die redundante Versorgung und der erweiterte Diagnoseumfang erhöhen die Verfügbarkeit und Sicherheit des Gesamtsystems und ermöglichen die aktive Regelung des Aktuators 120 auch beim Ausfall der Leistungsenergieversorgung 104. Durch den erweiterten Diagnoseumfang und durch die redundant versorgten Steuerschaltungen 122 können je nach Fehlerursache und Fehlerart individuelle, geregelte und optimierte Fail Safe Maßnahmen eingeleitet werden. Durch den Einsatz der Kopplungsglieder 242, 243 kann ferner auch ein ausgefallener Versorgungskreis, also einer der Kreise 261, 262 eindeutig durch die Überwachungs- und Diagnoseschaltung 252 identifiziert werden, ohne dass die redundante Geräteversorgungsspannung 265 beeinträchtigt wäre.
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Durch das Kopplungskonzept und durch den modularen Aufbau können auch Varianten mit lediglich einer Bordnetzversorgung 102, 104 dargestellt werden, ohne eine Zusatzgerätevariante entwickeln zu müssen. Die Variantenbildung ist durch Bestückungsoptionen darstellbar.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren gezeigte Vorrichtung handeln.
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In einem Schritt 301 werden eine erste Spannung von einer ersten Spannungsschnittstelle und eine zweite Spannung von einer zweiten Spannungsschnittstelle an einen ersten Eingang eines Trennelements bereitgestellt. Dabei wird ein Stromfluss von dem ersten Eingang des Trennelements zu den Spannungsschnittstellen unter Verwendung eines ersten Koppelungselements und eines zweiten Koppelungselements verhindert. In einem Schritt 303 wird eine von der ersten Spannung und der zweiten Spannung galvanisch getrennte Ausgangsspannung an einem ersten Ausgang des Trennelements bereitgestellt. In einem Schritt 305 wird die Ausgangsspannung in eine Geräteversorgungsspannung 265 gewandelt und in einem Schritt 307 an einen ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung bereitgestellt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 102
- erste Batterie
- 104
- zweite Batterie
- 110
- elektronische Vorrichtung
- 112
- erste Spannungsschnittstelle
- 114
- zweite Spannungsschnittstelle
- 120
- Leistungselement
- 122
- Steuerschaltung
- 130
- Komponente
- 132
- Steuergerät
- 230
- Sternpunkt
- 231
- erster Potenzialanschluss der ersten Spannungsschnittstelle
- 232
- zweiter Potenzialanschluss der ersten Spannungsschnittstelle
- 233
- erster Potenzialanschluss der zweiten Spannungsschnittstelle
- 234
- zweiter Potenzialanschluss der zweiten Spannungsschnittstelle
- 240
- Tennelement
- 242
- erstes Kopplungselement
- 243
- zweites Kopplungselement
- 245
- Spannungswandler
- 250
- Kondensator
- 252
- Überwachungseinrichtung
- 261
- erste geräteinterne Versorgungsspannung
- 262
- zweite geräteinterne Versorgungsspannung
- 265
- Geräteversorgungsspannung
- 267
- Massepotenzial
- 301
- Schritt des Bereitstellens der ersten Spannung
- 303
- Schritt des Bereitstellens einer Ausgangsspannung
- 305
- Schritt des Wandelns
- 307
- Schritt des Bereitstellens einer Geräteversorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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