DE102016111690A1

DE102016111690A1 - Stromverteiler für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016111690A1
Application number: DE102016111690.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Füssl; Michael Wortberg; Martin Seidenschwand
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: DE102016111690B4; US9966675B2; US20160375847A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromverteiler (1) für ein Fahrzeug, mit einer Leiterplatte (15) zur Diagnose und/oder zum Steuern einer Spannungsversorgung einer Mehrzahl an den Stromverteiler (1) angebundener elektrischer Verbraucher, und mit einer Stromschiene (21, 22) mit einer Mehrzahl von ersten Steckkontaktteilen (25, 26). Erfindungsgemäß weist die Leiterplatte (15) ein Schaltteil (17, 18) zum gemeinsamen Steuern der Spannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher über die separat zu der Leiterplatte (15) angeordnete Stromschiene (21, 22) auf, wobei die ersten Steckkontaktteile (23, 24) der Stromschiene (21, 22) jeweils mit einem auf der Leiterplatte (15) angeordneten, zweiten Steckkontaktteil (27, 28) ein Steckkontaktpaar (8, 9, 10) ausbilden, und über jedes Steckkontaktpaar (8, 9, 10) ein an dem jeweiligen zweiten Steckkontaktteil (27, 28) angebundener Verbraucher versorgbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen insbesondere modular aufgebauten elektrischen Stromverteiler für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, Nutzfahrzeug oder Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
Stand der Technik
Elektrische Stromverteiler sind bereits aus der Praxis bekannt. Diese sind in Fahrzeug-Bordnetzen unter anderen dazu vorgesehen, eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern mit elektrischer Energie zu versorgen. Dabei können in einem Fahrzeug ein oder mehrere Stromverteiler angeordnet sein. Die Stromverteiler dienen insbesondere dem Schalten elektrischer Lasten (Verbraucher), gegebenenfalls der Diagnose beziehungsweise Absicherung gegen elektrische Fehlfunktionen und dem Verteilen der elektrischen Energie an die damit elektrisch leitfähig verbundene Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Bordnetzes. Diese Stromverteiler sind häufig in Form von Sicherungsträgern oder -kästen, Relaiskästen, Kombinationen daraus oder dergleichen ausgebildet. Darüber hinaus sind diese Stromverteiler häufig je nach Fahrzeugtyp und/oder je nach Ausstattungsvariante konfiguriert.
Ein solcher Stromverteiler ist beispielsweise in der DE 10 2009 029 166 A1 offenbart. Insbesondere ist darin ein modular aufgebauter Stromverteiler zur Verwendung in Fahrzeugen beschrieben, der eine Leiterplatte beziehungsweise Platine und eine Stromschiene aufweist.
So ist ein solcher Stromverteiler häufig auch mit einer oder mehreren Leiterplatten, Platinen oder dergleichen ausgestattet, die insbesondere elektronische Funktionen, wie beispielsweise Diagnosefunktionen, innerhalb der Stromverteiler erfüllen. Hierfür sind die Leiterplatten mit entsprechenden elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen vorbestückt. Diese vorbestückten Leiterplatten sind dann fest in den Stromverteiler integriert, beispielsweise durch Einbetten beziehungsweise Einspritzen derselben in ein Gehäuse des Stromverteilers. Um daran die Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern anzubinden, verfügen die Leiterplatten zusätzlich über eine Mehrzahl von elektrischen (Steck-)Kontaktelementen, Lötpads für Lötverbindungen oder dergleichen zum elektrisch leitfähigen Anschluss von elektrischen Leitungen, die mit den zu versorgenden elektrischen Verbrauchern verbunden sind.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 214 366 A1 wird eine Schaltvorrichtung für einen Stromschienen-basierten Fahrzeugstromverteiler beschrieben. Die US-Patentanmeldung US 2010/0038133 A1 beschreibt einen Stromverteiler mit einer vertikalen Stromschiene.
Obwohl diese Konfiguration eines Stromverteilers eine zuverlässige Versorgung und gegebenenfalls Absicherung der elektrischen Verbraucher gewährleistet, hat es sich gezeigt, dass der Konstruktions-, Fertigungs- und Montageaufwand vergleichsweise hoch ist. Es besteht deshalb der Wunsch nach einer Vereinfachung der Fertigung und/oder Montage eines elektrischen Stromverteilers.
Zusätzlich gewinnen Themen wir das autonome Fahren immer mehr Bedeutung. Systeme für das autonome Fahren unterliegen dabei hohen Sicherheitsanforderungen, um die Fahrzeuginsassen nicht zu gefährden. Dies wird unter der funktionalen Sicherheit zusammengefasst.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromverteiler zu schaffen, der sich unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel vergleichsweise einfach und kostengünstig fertigen lässt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Aspekte der funktionalen Sicherheit für angeschlossene Verbraucher sicherzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Stromverteiler für ein Fahrzeug weist eine Leiterplatte auf, die zur Diagnose und/oder zum Steuern einer Spannungsversorgung von einer Mehrzahl von an den Stromverteiler angebundenen elektrischen Verbrauchern auf. Zudem weist der Stromverteiler eine Stromschiene mit einer Mehrzahl von ersten Steckkontaktteilen auf. Die Anzahl der ersten Steckkontaktteile richtet sich nach der Anzahl der an den Stromverteiler anzubindenden elektrischen Verbraucher. Erfindungsgemäß weist die Leiterplatte wenigstens ein Schaltteil, beispielsweise ein Relais, einen Halbleiterschalter oder dergleichen, zum gemeinsamen Steuern der Spannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher über die separat zu der Leiterplatte angeordnete Stromschiene auf. Dabei bilden die ersten Steckkontaktteile der Stromschiene jeweils mit einem auf der Leiterplatte angeordneten, zweiten Steckkontaktteil ein Steckkontaktpaar aus. Über jedes der durch die Mehrzahl von ersten und zweiten Steckkontaktteilen gebildeten Steckkontaktpaare ist dann ein an dem jeweiligen zweiten Steckkontaktteil angebundener Verbraucher versorgbar.
In anderen Worten kann der Leiterplatte bedarfsweise elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle des Fahrzeugs zugeführt werden, die dann durch wenigstens ein Schaltteil der Leiterplatte zur Spannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs geschaltet wird. Zum Transport dieser geschalteten elektrischen Energie zu den mehreren elektrischen Verbrauchern wird die Leiterplatte räumlich dadurch verlassen, dass eine Stromschiene zum Transport dieser elektrischen Energie separat zu der Leiterplatte angeordnet ist. Insbesondere wird also die Leiterplatte beim Transport der elektrischen Leistung räumlich umgangen, so dass die Leiterplatte zwar elektronische Funktionen (wie zum Beispiel Diagnosefunktionen) und zu einem Teil auch elektrische Funktionen (wie zum Beispiel das Schalten) erfüllt, jedoch der Transport der elektrischen Leistung außerhalb beziehungsweise getrennt von der Leiterplatte erfolgt. Dabei ist die Stromschiene dazu eingerichtet, die gesamte elektrische Energie für die gesamte Mehrzahl der zu versorgenden elektrischen Verbraucher zu transportieren. Auf der Leiterplatte befindet sich dann für jeden zu versorgenden Verbraucher ein zweiter Steckkontaktteil, der mit jeweils einem der ersten Steckkontaktteile der Stromschiene ein Steckkontaktpaar ausbildet. Es ist nachvollziehbar, dass über den jeweiligen zweiten Steckkontaktteil dann aber nur noch der Anteil der gesamten elektrischen Energie transportiert wird, der für die Versorgung des jeweils daran angeschlossenen, einzelnen elektrischen Verbrauchers benötigt wird. Jeder einzelne zweite Steckkontaktteil kann dementsprechend kleiner dimensioniert sein. Für den Transport der Gesamtenergie beziehungsweise der von den Verbrauchern aufgenommenen Gesamtleistung wird die Leiterplatte dagegen verlassen.
Diese erfindungsgemäße Konfiguration des elektrischen Stromverteilers kann gleich mehrere Vorteile bewirken. So sieht die Erfindung in anderen Worten vor, die elektrischen und/oder elektronischen Funktionen der Leiterplatte einerseits von den eher elektromechanischen Funktionen der Stromschiene andererseits (räumlich und funktional) voneinander zu trennen. Insbesondere heißt das, dass die zur Spannungsversorgung der Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern benötigte elektrische Energie (also die Gesamtenergie) zunächst von dem wenigstens einen Schaltteil der Leiterplatte geschaltet wird, danach aber über die separat zu der Leiterplatte angeordnete Stromschiene transportiert wird, und nur ein durch die Mehrzahl der elektrischen Verbraucher entsprechend reduzierter, kleinerer Anteil der transportierten elektrischen Energie über die zweiten Steckkontaktteile der Leiterplatte dem jeweiligen Verbraucher zugeführt werden. Dementsprechend können auf der Leiterplatte Leiterbahnen zum Transport der elektrischen Energie selbst eingespart werden. Oder es können vorhandene Leiterbahnen kleiner dimensioniert werden. Insgesamt kann damit Leiterbahnenmaterial eingespart werden.
Dadurch lassen sich die Fertigung und/oder die Montage dahingehend verbessern, dass sowohl für die Leiterplatte als auch für die Stromschiene jeweils eine möglichst effiziente Fertigungsmethode gewählt werden können. Des Weiteren vereinfacht sich die konstruktive Ausgestaltung der Leiterplatte, wodurch sie insgesamt vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden kann. Zudem bietet dieser Stromverteiler eine hohe Modularität, so dass er auf einfache Weise über verschiedene Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Ausstattungsvarianten hinweg eingesetzt werden kann.
Der vorgestellte Stromverteiler weist zumindest eine zweite Leiterplatte mit einer Anzahl elektronischer Sicherungen auf. Die zweite Leiterplatte ist vorgesehen für elektrische Verbraucher, das heißt Lasten, für die sie sogenannte funktionale Sicherheit gewährleistet werden muss. So kann eine redundante Versorgung geschaffen werden. Sowohl ASIL-Level B als auch ein höherer ASIL-Level sind hierüber abbildbar. Die ASIL-Level bezeichnen hier die Automotive Safety Intgerity Level, wie diese in ISO 26262 beschrieben sind. Die elektronischen Sicherungen sind ausgebildet die Spannungsversorgung des jeweils angeschlossenen elektrischen Verbrauchers zu steuern. Dabei sind diese über eine separat zu der zweiten Leiterplatte angeordnete weitere Stromschiene elektrisch gekoppelt. Hierzu weist die weitere Stromschiene eine Mehrzahl von weiteren ersten Steckkontaktteilen auf, die jeweils mit einem auf der zweiten Leiterplatte angeordneten, weiteren zweiten Steckkontaktteil ein Steckkontaktpaar bilden.
Unter einer elektronischen Sicherung kann allgemein eine elektrische und/oder elektronische Absicherungsvorrichtung verstanden werden. Beispielsweise kann eine solche elektronische Sicherung in Form einer Schaltung ausgebildet sein, mit der sich elektrische Fehlfunktionen, wie etwa (harte) Kurzschlüsse, elektrische und/oder thermische Überlasten oder Lichtbögen erkennen oder erfassen beziehungsweise detektieren lassen. Die Absicherungsvorrichtung kann beispielsweise durch die Integration von einem oder mehreren Halbleiterschaltern bei Erkennung oder Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion bestimmte oder sämtliche Funktionen beziehungsweise elektrischen Verbindungen der Baueinheit deaktivieren beziehungsweise unterbrechen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die elektronische Sicherung auch dazu eingerichtet sein, eine elektrische Strommessung vorzunehmen und dadurch die elektrische Energie innerhalb der Baueinheit und/oder des Bordnetzes betragsmäßig zu steuern. Diese Steuerung kann entweder durch eine Implementierung innerhalb der Baueinheit oder durch ein separates, mit der Baueinheit kommunizierendes Steuergerät des Fahrzeugs erfolgen. So kann die elektronische Sicherung über eine integrierte Steuerungseinrichtung beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers verfügen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das jeweilige, gemeinsam ausgebildete Steckkontaktpaar zur Aufnahme einer elektrischen Sicherung eingerichtet ist, die den jeweiligen ersten Steckkontaktteil mit dem jeweiligen zweiten Steckkontaktteil verbindet. Demnach ist die der jeweilige, zu versorgende Verbraucher beispielsweise gegen Überströme abgesichert. Die elektrische Energie beziehungsweise Leistung wird also von dem Schaltteil der Leiterplatte, über die separat dazu angeordnete Stromschiene, einen jeweiligen Steckkontaktteil der Stromschiene, die elektrische Sicherung und das jeweilige zweite Steckkontaktteil zu dem daran angebundenen elektrischen Verbraucher transportiert. Diese Ausgestaltung des Stromverteilers bietet den Vorteil, dass neben der räumlichen Trennung des Energie- beziehungsweise Leistungstransports auch eine konstruktiv einfache Absicherung der elektrischen Verbraucher gegen beispielswiese Überströme geschaffen wird.
Damit die Leiterplatte auch Diagnosefunktionen erfüllen kann, ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige zweite Steckkontaktteil zur Diagnose der Versorgung des elektrischen Verbrauchers an die Leiterplatte angebunden ist. Diese Anbindung kann durch ein Einstecken und gegebenenfalls ein Verlöten des zweiten Steckkontaktteils mit der Leiterplatte erfolgen. Zur Diagnose kann die Leiterplatte dann Bauelemente zur Messung und gegebenenfalls Auswertung aufweisen, mit denen eine Ist-Strommessung und ein Vergleich mit einem Soll-Strom möglich sind. Eine Verbindung zwischen dem zweiten Steckkontaktteil und den Bauelementen für die Diagnose kann durch entsprechend ausgebildete Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen für das jeweilige zweite Steckkontaktteil erfolgen, wobei die Leiterbahnen vorteilhafterweise vergleichsweise klein dimensioniert sein können. Dadurch lässt sich eine Diagnose der an den Stromverteiler angebundenen elektrischen Verbraucher realisieren.
Für eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung sowie Bereitstellung des Stromverteilers ist es vorteilhaft, wenn der erste Steckkontaktteil und der zweite Steckkontaktteil jeweils als Gabelkontakte ausgeformt sind. Diese lassen sich kostengünstig beispielsweise als Stanz-/Biegeteile fertigen und bieten eine robuste sowie dauerhaltbare Anbindungsmöglichkeit für elektrische Sicherungen und dergleichen.
Der Stromverteiler lässt sich konstruktiv besonders einfach, robust und kostengünstig bereitstellen, wenn die Mehrzahl der ersten Steckkontaktteile einstückig mit der Stromschiene ausgebildet ist. Dementsprechend kann die gesamte Stromschiene als vergleichsweise kostengünstiges Stanz-/Biegeteil aus einem elektrisch leitfähigen Blechmaterial gefertigt sein. Darüber hinaus kann die Stromschiene einfach an die Anzahl zu versorgender Verbraucher sowie deren Energiebedarf beziehungsweise deren Leistungsaufnahme angepasst werden. So kann die Stromschiene für die Übertragung von vergleichsweise hoher elektrischer Leistung auf einfache Weise stärker, also dicker dimensioniert sein.
Die Leiterplatte lässt sich konstruktiv besonders einfach bereitstellen, wenn der jeweilige zweite Steckkontaktteil an einem Einzelkontaktelement ausgeformt ist, das zusätzlich zur Anbindung des elektrischen Verbrauchers eingerichtet ist. Der jeweilige zweite Steckkontaktteil kann also eine Doppelfunktion erfüllen, nämlich einerseits eine Anbindung des jeweiligen ersten Steckkontaktteils der Stromschiene und andererseits eine direkte Anbindung des jeweiligen zu versorgenden Verbrauchers. Das Einzelkontaktelement kann zum Beispiel als Stanz-/Biegeteil ausgeführt sein. Dieses kann auf die Leiterplatte aufgesteckt und/oder mit dieser verlötet werden.
Für eine optimale Bauraumausnutzung und/oder eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung der Leiterplatte kann sich das Einzelkontaktelement so durch die Leiterplatte hindurch erstrecken, dass der zweite Steckkontaktteil des Steckkontaktpaares auf einer ersten flächigen Seite der Leiterplatte und eine Kontaktfahne zum Anbinden des elektrischen Verbrauchers auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten flächigen Seite der Leiterplatte angeordnet sind. In anderen Worten kann das Einzelkontaktelement, von denen eine der Anzahl anzubindender Verbraucher entsprechende Anzahl vorgesehen ist, mehrere Kontaktierungszonen aufweisen, nämlich den zweiten Steckkontaktteil als erste Kontaktierungszone zur Anbindung der elektrischen Sicherung, eine leitfähige Anbindung zur Leiterplatte, beispielsweise zu Diagnosezwecken, als zweite Kontaktierungszone und die Kontaktfahne zur Anbindung eines elektrischen Verbrauchers als dritte Kontaktierungszone. Die Kontaktfahne kann für eine besonders einfache Montage des Stromverteilers als Steckkontaktfahne ausgebildet sein, auf die sich eine elektrische Leitung beziehungsweise ein daran angebrachter Stecker eines jeweiligen elektrischen Verbrauchers einfach aufstecken lässt. Durch ein solches Einzelkontaktelement ist der Stromverteiler konstruktiv besonders einfach und kompakt aufgebaut.
Um die für den Transport elektrischer Energie außerhalb der Leiterplatte vorgesehene Stromschiene besonders einfach montieren zu können, kann vorgesehen sein, dass die Leiterplatte wenigstens ein gabelförmiges Stromschienenkontaktierungselement zum Verbinden der Stromschiene mit dem Schaltteil aufweist. Die Gabelform des Stromschienenkontaktierungselements bewirkt zum einen eine elektrische Verbindung, zum anderen auch eine mechanische Fixierung der Stromschiene. Vorteilhafterweise kann also eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung der Stromschiene mit der Leiterplatte vorgesehen sein. Dabei kann das Stromschienenkontaktierungselement beispielsweise durch eine Mehrzahl von einzelnen Gabelkontakten, beispielweise lamellenartig, zusammengesetzt sein. Auf diese Weise lässt sich die Verbindung zwischen Leiterplatte und Stromschiene auch noch besonders einfach an den Energiebedarf der elektrischen Verbraucher anpassen. Für einen möglichst geringen Verbrauch von Leiterbahnenmaterial ist es vorteilhaft, wenn das Stromschienenkontaktierungselement in (unmittelbarer) Nachbarschaft zu dem Schaltteil angeordnet ist.
Für eine konstruktiv möglichst einfache Ausgestaltung der Stromschiene und eine möglichst einfache Verbindung mit der Leiterplatte ist es vorteilhaft, wenn an der Stromschiene ein messerförmiges Leiterplattenkontaktierungselement zum Verbinden mit der Leiterplatte ausgeformt ist. Dieses messerförmige Leiterplattenkontaktierungselement kann dann durch Einstecken oder Aufstecken vergleichsweise einfach mit einem zum Beispiel gabelförmigen Gegenkontakt in Kontakt gebracht beziehungsweise verbunden werden.
Um eine möglichst hohe Modularität des Stromverteilers zu bewerkstelligen, kann die Leiterplatte zusätzlich wenigstens ein Modulkontaktierungselement aufweisen, das zur Anbindung eines Universalmoduls eingerichtet ist. In anderen Worten kann der Stromverteiler gegenüber den vorstehend erläuterten Konfigurationen modular erweiterbar sein. Unter Universalmodul kann in diesem Zusammenhang eine Anordnung verstanden werden, die zumindest eine Stromschiene, zum Beispiel in einer der vorstehend erläuterten Konfigurationen, und Kontaktmöglichkeiten für einen oder mehrere elektrische Verbraucher, beispielsweise nach Art eines zweiten Steckkontaktteils, umfasst. Über das Modulkontaktierungselement kann das damit verbundene Universalmodul mit elektrischer Energie mit versorgt werden, nämlich entweder durch das Schaltteil der Leiterplatte geschaltet oder auf direktem Wege, also ungeschaltet. Dementsprechend muss das Universalmodul für den Fall, dass das Schaltteil der Leiterplatte verwendet wird, keine eigene Leiterplatte aufweisen, und für den Fall, dass die Versorgung ungeschaltet erfolgt, eine eigene beziehungsweise zusätzliche Leiterplatte aufweisen. Es können auch mehrere Universalmodule vorgesehen sein, so dass sich der Stromverteiler an eine große Vielzahl von Fahrzeugtypen und/oder Fahrzeugkonfigurationen anpassen lässt.
Für eine einfache Fertigung und/oder Montage sowie eine hohe Modularität ist es von Vorteil, wenn das Modulkontaktierungselement ein Gabelkontakt ist. Dieser kann beispielsweise als Stanz-/Biegeteil gefertigt werden und vergleichsweise einfach auf die Leiterplatte aufgesteckt und/oder mit dieser verlötet werden.
Um die Montage des Universalmoduls noch einfacher zu gestalten, kann das Universalmodul ein Gegenkontaktelement aufweisen, das zum Kontaktieren des Modulkontaktierungselements eingerichtet ist. Dieses Gegenkontaktelement kann für einen möglichst einfachen konstruktiven Aufbau beispielweise als Messerkontakt ausgebildet sein. Der Messerkontakt kann gegebenenfalls einstückig an einer Stromschiene ausgeformt sein, die dann wiederum eine Mehrzahl von ersten Steckkontaktteilen aufweist. Auf diese Weise kann der konstruktive Aufwand des Universalmoduls auf ein Minimum beschränkt, aber dennoch eine zuverlässige Versorgung von weiteren Verbrauchern sichergestellt werden.
Für einen konstruktiv möglichst einfachen Aufbau, aber eine dennoch hohe Funktionalität des Stromverteilers, ist es vorteilhaft, wenn das Universalmodul ein ausschließlich elektrisches Universalmodul ist, das von der Leiterplatte mit diagnostizierbar und/oder steuerbar ist. Für ein solches Universalmodul kann demnach die Leiterplatte des Basismoduls mit verwendet werden, wobei das Schaltteil entsprechend zu dimensionieren ist.
Ferner kann die zweite Leiterplatte eine Steuerungseinrichtung zur Schaltsteuerung ergänzend oder alternativ zur Datenkommunikation innerhalb des Fahrzeugs umfassen. Die auf der zweiten Leiterplatte angeordnete Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, die Spannungsversorgung der an die elektronischen Sicherungen angeschlossenen elektrischen Verbraucher zu überwachen und bei einem Fehler abzuschalten. Hierdurch kann eine Interferenz mit anderen elektrischen Verbrauchern vermieden werden.
Die elektronischen Sicherungen können als Halbleitersicherungen ausgebildet sein. Hierzu sind Halbleiterbauelemente auf einer Platine angeordnet. Über Erweiterungsstecker können noch zusätzliche Erweiterungsboards integriert werden oder eine Anzahl von elektronischen Sicherungen gekoppelt werden. Dabei wird in einer Variante eine elektronische Sicherung als Master definiert und die weiteren hiermit verbundenen elektronischen Sicherungen als Slave. Über entsprechende Auswerteeinrichtungen (Steuerungseinrichtung) können eine Lichtbogenerkennung, eine Anschluss-Degradation oder andere Mess- und Diagnosemethoden integriert werden. Auch kann eine Vorladung realisiert werden. Über Diagnosemethoden kann verhindert werden, dass eine Anschluss bzw. Ausgang auf einen Kurzschluss geschaltet wird.
Günstig ist es auch, wenn der Stromverteiler eine zwischen Steuerungseinrichtung und einer übergeordneten Steuervorrichtung angeordneten Kommunikationsschnittstelle aufweist, die kontaktlos als optische, induktive oder kapazitive Schnittstelle ausgeführt ist. So kann die Montage der zweiten Leiterplatte vereinfacht werden, da die von der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Informationen oder an diese gesendeten Steuerbefehle kontaktlos an ein Fahrzeugkommunikationsnetz übergeben werden können. Bei dem Fahrzeugkommunikationsnetz kann es sich beispielsweise um einen CAN-Bus, Flexreay, Ethernet oder ähnliches handeln.
Um die funktionale Sicherheit für die angeschlossenen elektrischen Verbraucher, das heißt Lasten, sicherzustellen, ist in vielen Fällen eine redundante Stromversorgung vorzusehen. Dies kann in Form einer Spannungsquelle wie beispielsweise einer Stützbatterie oder eines Energiepufferspeichers erfolgen. Die "normale" Spannungsversorgung erfolgt in der Regel über ein Energiebackbone oder eine Stromschiene, die an eine primäre Spannungsversorgung oder einen primären Energiespeicher angebunden ist. Diese primäre Energieversorgung ist über eine Versorgungs-Stromschiene des Stromverteilers koppelbar beziehungsweise im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dieser gekoppelt. Eine Redundanz-Stromschiene des Stromverteilers ist mit der sekundären Stromversorgung koppelbar oder im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dieser gekoppelt. Die mit der primären Stromversorgung gekoppelte Versorgungs-Stromschiene ist über das Schaltteil mit der Stromschiene der Leiterplatte und über eine Kontakteinrichtung mit der weiteren Stromschiene der zweiten Leiterplatte gekoppelt. So liegt dann die primäre Stromversorgung an beiden Leiterplatten an. Die redundante Stromversorgung ist über die die Redundanz-Stromschiene mit zumindest einer elektronischen Sicherung der zweiten Leiterplatte gekoppelt. Die Anzahl der mit der Redundanz-Stromschiene elektrisch verbundenen elektronischen Sicherungen können somit eine redundante Stromversorgung bereitstellen. Dabei kann eine elektronische Sicherung entweder nur mit der primären Stromversorgung, nur mit der sekundären bzw. redundanten Stromversorgung oder mit beiden verbunden sein, je nach ASIL-Level beziehungsweise geforderter Sicherheit der Stromversorgung.
Ein über die Anzahl der elektronischer Sicherungen fließender Strom und ergänzend oder alternativ eine über die Anzahl der elektronischer Sicherungen fließende Spannung können von der Steuerungseinrichtung der zweiten Leiterplatte oder von Steuereinrichtungen der jeweiligen elektronischen Sicherung überwacht werden. Bei Überschreiten eines Schwellwerts kann die jeweilige elektronische Sicherung oder der an letztere angeschlossene elektrischen Verbrauche abgeschaltet werden. So können die Auswirkungen eines Fehlers isoliert werden.
Der Stromverteiler kann zusätzlich eine Temperaturüberwachungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist das Schaltteils der ersten Leiterplatte anzusteuern und somit die daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher abzuschalten. Die optionale Temperaturüberwachungsvorrichtung ist weiterhin ausgebildet, über die Steuerungseinrichtung auf der zweiten Leiterplatte oder die Steuerungseinrichtungen der elektronischen Sicherungen bei Überschreiten einer Grenztemperatur diese anzusteuern und die angeschlossenen elektrischen Verbraucher abzuschalten.
Insbesondere im Hinblick auf die funktionale Sicherheit kann ein elektrischer Verbraucher sowohl über die Leiterplatte als auch über eine auf der zweiten Leiterplatte angeordnete elektronische Sicherung koppelbar oder gekoppelt sein. Dadurch kann ein zweiter Versorgungspfad bereitgestellt werden, um eine Ausfallwahrscheinlichkeit zu reuzieren.
Wie bereits beschrieben kann über die zweite Leiterplatte die funktionale Sicherheit verbessert oder gewährleistet werden. So kann in einer Variante zumindest einer der elektrischen Verbraucher über eine erste auf der zweiten Leiterplatte angeordnete elektronische Sicherung und über eine zweite auf der zweiten Leiterplatte angeordnete elektronische Sicherung koppelbar oder gekoppelt sein. Dadurch kann eine redundanten Stromversorgung über die zweite Leiterplatte realisiert werden. In diesem Fall ist die erste elektrische Sicherung zumindest mit der Versorgungs-Stromschiene koppelbar oder gekoppelt und die zweite elektrische Sicherung zumindest mit der Redundanz-Stromschiene koppelbar oder gekoppelt.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen modular aufgebauten, erfindungsgemäßen elektrischen Stromverteiler mit einem Basismodul sowie mehreren Universalmodulen, von denen wenigstens eines über eine Leiterplatte verfügt,
2 eine perspektivische Draufsicht auf ein Basismodul mit Leiterplatte eines erfindungsgemäßen elektrischen Stromverteilers, bei dem zwei Stromschienen zum Transport elektrischer Energie separat zu der Leiterplatte angeordnet sind und erste Steckkontaktteile der Stromschienen gemeinsam mit jeweils einem zweiten Steckkontaktteil ein Steckkontaktpaar zum Anbinden eines elektrischen Verbrauchers ausbilden,
3 eine perspektivische Unteransicht eines erfindungsgemäßen Basismoduls eines elektrischen Stromverteilers, bei dem an zweiten Steckkontaktteilen elektrische Verbraucher angebunden sind, die über separat zu einer Leiterplatte angeordnete Stromschienen mit elektrischer Energie versorgt werden,
4 eine perspektivische Unteransicht des Basismoduls des Stromverteilers aus 3, bei dem die zweiten Steckkontaktteile in einen Kunststoff eingebettet sind, und
5 eine schematische Darstellung eines Stromverteilers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer Draufsicht einen modular aufgebauten elektrischen Stromverteiler 1 für ein (nicht dargestelltes) Fahrzeug. Ein solcher Stromverteiler 1 dient beispielsweise dazu, eine Mehrzahl von (ebenfalls nicht dargestellten) elektrischen Verbrauchern über eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen mit elektrischer Energie zu versorgen und diese Versorgung mittels Diagnose zu überwachen. Dementsprechend ist der Stromverteiler 1 dazu eingerichtet, eine Spannungsversorgung und gegebenenfalls Diagnose der damit verbundenen elektrischen Verbraucher zu gewährleisten.
Es ist in 1 zu erkennen, dass der modular aufgebaute Stromverteiler 1 im Wesentlichen aus einem Basismodul 2 und mehreren Universalmodulen 3 und 4 besteht, wobei in diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft genau zwei Universalmodule vorgesehen sind. Das heißt, dass sich das Basismodul 2 und die mehreren Universalmodule 3 und 4 zu dem modular aufgebauten Stromverteiler 1 zusammenfügen lassen. Um das Basismodul 2 und die Universalmodule 3 und 4 elektrisch leitfähig und/oder kommunikationsfähig untereinander sowie mit den zu versorgenden elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs zu verbinden, sind an dem Basismodul 2 und an jedem Universalmodul 3 und 4 jeweils ein Modulkontaktierungselement 5 sowie ein entsprechendes Gegenkontaktelement 6 vorgesehen. Die Modulkontaktierungselemente 5 sind gabelförmig und die Gegenkontaktelemente 6 sind messerförmig ausgebildet, so dass sie einerseits einen elektrischen Kontakt ausbilden und andererseits zum Ausbilden einer mechanischen Verbindung formschlüssig und/oder kraftschlüssig ineinander greifen. Zum Befestigen des Stromverteilers 1 beziehungsweise seines Basismoduls 2 sowie seiner Universalmodule 3 und 4 an dem damit auszustattenden Fahrzeug verfügen diese über ein oder mehrere Befestigungsaugen 7.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, verfügen das Basismodul 2 sowie jedes der Universalmodule 3 und 4 über eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Steckkontaktpaaren 8, 9 und 10, in denen in dieser Darstellung teilweise eine elektrische (Flach-)Stecksicherung aus einer Mehrzahl von (Flach-)Stecksicherungen 11, 12 und 13 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das in 1 mittlere Basismodul hinsichtlich seiner Steckkontaktpaare 8 sowie der aufnehmbaren Stecksicherungen 11 doppelreihig ausgebildet. Die weiteren Universalmodule 3 und 4 sind dagegen nur einreihig ausgebildet, wobei diese Konfiguration hier nur beispielhaft so gewählt ist, so dass auch mehrere einreihige oder mehrere mehrreihige Universalmodule vorgesehen sein können. Im Folgenden soll der konstruktive Aufbau des Stromverteilers 1 anhand des in 1 mittleren, hinsichtlich seiner Steckkontaktpaare 8 doppelreihig ausgeführten Basismoduls 2 erläutert werden.
Dementsprechend zeigt 2 das in 1 mittlere Basismodul 2 in einer perspektivischen Draufsicht. Demnach weist das Universalmodul 2 des Stromverteilers 1 ein Gehäuse 14 auf, das in 2 zur besseren Illustration teilweise ausgeblendet ist. Insbesondere ist nur eine untere Gehäusehälfte des Gehäuses 14 dargestellt. In dem Gehäuse 14 ist eine mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen beziehungsweise Baugruppen vorbestückte Leiterplatte 15 aufgenommen. Die Leiterplatte 15 weist einen Spannungsversorgungskontakt 16 auf, über den der Stromverteiler 1 mit elektrischer Energie einer (nicht dargestellten) Energiequelle des Fahrzeugs, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie oder dergleichen, versorgbar ist. Beispielsweise kann der Stromverteiler 1 über den Spannungsversorgungskontakt 16 mit dem Dauerplus der Fahrzeugbatterie beziehungsweise über die so genannte Klemme 30 des Fahrzeugs versorgbar sein.
In 2 ist auch erkennbar, dass das dargestellte Basismodul 2 auf der Leiterplatte 15 zwei der Modulkontaktierungselemente 5 aufweist. Darüber sind die übrigen Universalmodule 3 und 4 an das Basismodul 2 anbindbar sowie von diesem mit elektrischer Energie über den von der Energiequelle des Fahrzeugs versorgten Spannungsversorgungskontakts 16 mit versorgbar. Zu diesem Zweck sind auf der Leiterplatte 15 entsprechende Leiterbahnen von dem Spannungsversorgungskontakt 16 zu den beiden Modulkontaktierungselementen 5 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Modulkontaktierungselemente 5 jeweils als Gabelkontakte ausgebildet. Dementsprechend sind die jeweiligen universalmodulseitigen Gegenkontaktelemente 6 jeweils als Messerkontakt ausgebildet, die mit den Gabelkontakten in Eingriff und damit in eine elektrisch leitfähige Verbindung gebracht werden.
Des Weiteren geht aus 2 hervor, dass die Leiterplatte 15 über ein erstes Schaltteil 17 und ein zweites Schaltteil 18 verfügt, die hier beispielhaft jeweils als Relais ausgebildet sind. Die Schaltteile 17 und 18 können aber auch als Halbleiterschalter oder anderweitig ausgebildet sein. Das erste Schaltteil 17 und das zweite Schaltteil 18 sind jeweils dazu eingerichtet, eine an dem Spannungsversorgungskontakt 16 anliegende elektrische Spannung bedarfsweise zu schalten und damit jeweils eine der beiden Reihen bestehend aus den jeweiligen Steckkontaktpaaren 8 mit elektrischer Spannung beziehungsweise elektrischer Energie zu versorgen. In anderen Worten ist in diesem Ausführungsbeispiel für jede der Reihen von Steckkontaktpaaren 8 jeweils ein eigenes Schalteil 17 und 18 zum Schalten einer Spannungsversorgung vorgesehen.
In (unmittelbarer) Nachbarschaft zu dem ersten Schaltteil 17 ist ein erstes Stromschienenkontaktierungselement 19 angeordnet, das in diesem Ausführungsbeispiel in Form von zwei einzelnen Gabelkontakten ausgebildet ist. Diese Gabelform lässt zum einen eine elektrische Kontaktierung zu, bildet andererseits aber auch eine robuste mechanische Verbindung aus. Die Anzahl der Stromschienenkontaktierungselement 19 ist zum einen nach der darüber zu übertragenden elektrischen Energie und zum anderen wegen der Kippstabilität der darin mechanisch gehaltenen Stromschiene gewählt. Das erste Stromschienenkontaktierungselement 19 ist über eine oder mehrere entsprechende Leiterbahnen der Leiterplatte 15 mit dem ersten Schallteil 17 elektrisch leitfähig verbunden, so dass eine vom ersten Schaltteil 17 geschaltete elektrische Spannung an dem ersten Stromschienenkontaktierungselement 19 anliegt.
Ebenso ist in (unmittelbarer) Nachbarschaft zu dem zweiten Schaltteil 18 ein zweites Stromschienenkontaktierungselement 20 angeordnet, das hier ebenfalls in Form von zwei einzelnen Gabelkontakten ausgebildet ist. Auch das zweite Stromschienenkontaktierungselement 20 ist über eine oder mehrere entsprechende Leiterbahnen der Leiterplatte 15 mit dem zweiten Schallteil 18 elektrisch leitfähig verbunden, so dass eine vom zweiten Schaltteil 18 geschaltete elektrische Spannung an dem zweiten Stromschienenkontaktierungselement 20 anliegt. Die Anzahl der zueinander parallel angeordneten Stromschienenkontaktierungselemente 19 und 20 sowie deren Dimensionierung ist unter anderen von der für die Versorgung der elektrischen Verbraucher benötigten elektrischen Gesamtleistung abhängig. Es ist nachvollziehbar, dass durch die unmittelbare Nachbarschaft der beiden Stromschienenkontaktierungselemente 19 und 20 zum jeweiligen Schaltteil 17 und 18 vergleichsweise kurze Leiterbahnen ausreichend sind.
Darüber hinaus ist in 2 zu erkennen, dass in dem ersten Stromschienenkontaktierungselement 19 eine erste Stromschiene 21 angeordnet ist, die sich entlang einer Längsseite der Leiterplatte 15 sowie zu dieser beabstandet erstreckt. Ebenso ist in dem zweiten Stromschienenkontaktierungselement 20 eine zweite Stromschiene 22 angeordnet, die sich ebenfalls entlang einer Längsseite der Leiterplatte 15 sowie zu dieser beabstandet erstreckt. Dementsprechend erstrecken sich die erste Stromschiene 21 und die zweite Stromschiene 22 parallel zueinander mit jeweils einem vorbestimmten Abstand und/oder einer Abschirmung zur Leiterplatte 15 an dieser entlang. In diesem Ausführungsbeispiel sind an der ersten Stromschiene 21 und der zweiten Stromschiene 22 jeweils ein damit einstückig ausgeformtes, messerförmiges Leiterplattenkontaktierungselement 23 beziehungsweise 24 ausgeformt. Die Leiterplattenkontaktierungselemente 23 und 24 sind in das jeweilige erste Stromschienenkontaktierungselement 19 und das jeweilige zweite Stromschienenkontaktierungselement 20 eingesteckt, und über den daraus resultierenden Kontakt mit diesem elektrisch leitfähig verbunden. Dementsprechend können an der ersten Stromschiene 21 und der zweiten Stromschiene 22 jeweils annähernd die am Spannungsversorgungskontakt 16 anliegende elektrische Spannung aufgeschaltet sein.
Die in 2 gezeigten erste Stromschiene 21 und zweite Stromschiene 22 sind jeweils als Stanz-/Biegeteile aus einem blechförmigen, elektrisch gut leitfähigen Metallwerkstoff ausgebildet. Dabei ist die Dimensionierung der Stromschienen 21 und 22 unter anderen davon abhängig, welche elektrische Gesamtleistung zur Versorgung der am Stromverteiler 1 angebundenen elektrischen Verbraucher benötigt wird. Es ist auch zu erkennen, dass die erste Stromschiene 21 und die zweite Stromschiene 22 jeweils über eine Mehrzahl von einstückig mit der jeweiligen Stromschiene 21 oder 22 ausgeformten ersten Steckkontaktteilen 25 und 26 verfügt. Die ersten Steckkontaktteile 25 der ersten Stromschiene 21 und die ersten Streckkontaktteile 26 der zweiten Stromschiene 22 bilden jeweils einen Bestandteil der Steckkontaktpaare 8, in denen die Stecksicherungen 11 einsteckbar sind. Die ersten Steckkontaktteile 25 und 26 sind hier jeweils als Gabelkontakte ausgebildet.
Des Weiteren ist in 2 erkennbar, dass für jede der beiden Reihen von Steckkontakten 8 auf der Leiterplatte 15 jeweils eine Mehrzahl von zweiten Steckkontaktteilen 27 und 28 angeordnet sind. Diese zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 bilden jeweils einen weiteren Bestandteil der Steckkontaktpaare 8, in denen die Stecksicherungen 11 einsteckbar sind. Zu diesem Zweck sind die zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 jeweils so auf der Leiterplatte 15 angeordnet, dass jeder zweite Steckkontaktteil 27 und 28 mit einem entsprechend parallel dazu angeordneten ersten Steckkontaktteil 25 und 26 zusammenwirkt und genau ein Steckkontaktpaar 8 ausbildet. Dementsprechend sind die zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 jeweils einzeln, jedoch ebenfalls als Gabelkontakte ausgebildet. Im Gegensatz zu den ersten Steckkontaktteilen 25 und 26 werden die zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 nicht direkt (beispielsweise über entsprechende Leiterbahnen) mit einer von den Schaltteilen 17 oder 18 geschalteten elektrischen Spannung versorgt. Somit erfolgt die zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit elektrischer Energie erforderliche Leistungsübertragung über die jeweilige Stromschiene 21 oder 22 hin zu den ersten Steckkontaktteilen 25 und 26, jedoch nicht über die Leiterplatte 15 hin zu den zweiten Steckkontaktteilen 27 und 28. Durch diese funktionale und räumliche Trennung der Leistungsübertragung von der Leiterplatte 15 kann dementsprechend Leiterbahnenmaterial, beispielsweise Kupfer (Cu), eingespart werden.
Aus 2 geht auch hervor, dass die jeweiligen zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 jeweils auf die Leiterplatte 15 aufgesteckt sind und sich durch diese von einer ersten flächigen Seite zu einer dieser gegenüberliegenden, zweiten flächigen Seite hindurch erstrecken. Die jeweiligen zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 befinden sich zusätzlich mit der Leiterplatte 15 in leitfähigem Kontakt und sind mit dieser verlötet. Dieser Kontakt dient der Anbindung der zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 an die Leiterplatte 15, die zu Diagnosezwecken über diesen Kontakt eine Strommessung, Lichtbogenerkennung oder dergleichen durchführen kann.
In 3, die das Basismodul 2 in einer perspektivischen Unteransicht zeigt, ist zu erkennen, dass die jeweiligen zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 jeweils als Einzelkontaktelemente ausgebildet sind und sich durch die Leiterplatte 15 hindurch erstrecken. Auf der hier dargestellten Seite der Leiterplatte 15 weisen die jeweiligen zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 eine damit einstückig ausgebildete Kontaktfahne 29 beziehungsweise 30 auf, die jeweils der Anbindung eines elektrischen Verbrauchers des Fahrzeugs über eine elektrische Leitung dienen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind dementsprechend eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen 31 mit daran angebrachten Steckverbindern 32 an den jeweiligen Kontaktfahnen 29 und 30 der jeweiligen zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 angebunden.
Zudem ist in 3 erkennbar, wie sich die erste Stromschiene 21 und die zweite Stromschiene 22 entlang der Leiterplatte 15 erstrecken. Wie oben beschrieben, ist die Dimensionierung der ersten Stromschiene 21 und der zweiten Stromschiene 22 unter anderen davon abhängig, welche elektrische Leistung zur Versorgung der elektrischen Verbraucher übertragen werden soll. In 3 ist auch erkennbar, dass die Kontaktfahnen 29 und 30 der als Einzelkontaktelemente ausgebildeten zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 dazu eingerichtet sind, die Steckverbinder 32 der elektrischen Leitungen 31 aufzunehmen.
Aus 4, die das Basismodul 2 ebenfalls in einer perspektivischen Unteransicht zeigt, geht hervor, dass die jeweiligen Kontaktfahnen 29 und 30 der zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 mit einem beispielsweise thermoplastischen Kunststoff umspritzt sein können oder anderweitig in das Gehäuse 14 des Basismoduls 2 eingebettet sein können. Dies kann jeweils in Form einer Buchse 33 erfolgen, die gleichzeitig die jeweilige elektrische Leitung 31 beziehungsweise deren Steckverbinder 32 an der jeweiligen Kontaktfahne 29 beziehungsweise 30 hält sowie sichert.
Anhand der 1 und 2 soll im Folgenden ein möglicher Betrieb des Stromverteilers 1 erläutert werden.
In Abhängigkeit der fahrzeugseitigen Anforderungen an den Stromverteiler 1 verfügt dieser in diesem Ausführungsbeispiel über die in 1 in einer Draufsicht dargestellten Basismodul 2 und die Universalmodule 3 und 4. Diese sind über die gabelförmigen Modulkontaktierungselemente 5 und die messerförmigen Gegenkontaktelemente 6 elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
Das in 2 in einer perspektivischen Draufsicht mit teilweise ausgeblendeten Gehäuse 14 dargestellte Basismodul 2 wird über den Spannungsversorgungskontakt 16 der Leiterplatte 15 an eine Energiequelle des Fahrzeugs angeschlossen, beispielsweise an das Dauerplus der Fahrzeugbatterie. Über die Modulkontaktierungselemente 5, die über entsprechende Leiterbahnen der Leiterplatte 15 ebenfalls mit dem Spannungsversorgungskontakt 16 verbunden sind, werden auch die übrigen Universalmodule 3 und 4 mit der daran anliegenden elektrischen Spannung versorgt.
Innerhalb des Basismoduls 2 können entweder eines oder beide der Schaltteile 17 und 18 zum Schalten der Spannungsversorgung veranlasst werden, so dass die am Spannungsversorgungskontakt 16 anliegende elektrische Spannung auf die dazu unmittelbar benachbart angeordneten Stromschienenkontaktierungselemente 19 und 20 durchgeschaltet wird. Auf diese Weise wird die Leiterplatte 15 zur Leistungsübertragung an dieser Stelle verlassen und die zur Versorgung der an den jeweiligen zweiten Steckkontaktteilen 25 und 26 angebundenen elektrischen Verbraucher benötigte elektrische Leistung in ihrer Gesamtheit ausschließlich über die jeweilige Stromschiene 21 und 22 entlang der und separat zu der Leiterplatte 15 transportiert. Durch die separate Ausbildung und Anordnung der Stromschienen 21 und 22 gegenüber der Leiterplate 15 erfolgt also eine strukturelle und räumliche Trennung der Leistungsübertragung von der Leiterplatte 15, so dass diese entsprechend zahlenmäßig weniger oder zumindest entsprechend kleiner dimensionierte Leiterbahnen aufweisen kann.
Über die jeweiligen Steckkontaktpaare 8, die jeweils durch eines der mit der jeweiligen Stromschiene 21 und 22 einstückig ausgebildeten ersten Steckkontaktteile 25 und 26 sowie durch eines der einzeln auf der Leiterplatte 15 angeordneten zweiten Steckkontaktteile 27 und 28 gebildet werden, wird die an den Stromschienenkontaktierungselemente 19 und 20 auf die Stromschienen 21 und 22 ausgeleitete elektrische Leistung auf die an den zweiten Steckkontaktteilen 27 und 28 angebundenen, einzelnen elektrischen Verbraucher aufgeteilt. Das heißt, dass über jeden einzelnen zweiten Steckkontaktteil 27 und 28 nur die für die Versorgung des jeweiligen daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher benötigte elektrische Leistung übertragen werden muss. Dieser entsprechend geringe Anteil der elektrischen Gesamtleistung wird von der jeweiligen Stromschiene 21 und 22 über den jeweiligen ersten Steckkontaktteil 25 und 26, die auf das gebildete Steckkontaktpaar 8 aufgesteckte Stecksicherung 11 und den jeweiligen zweiten Steckkontaktteil 27 und 28 zu den einzelnen elektrischen Verbrauchern übertragen.
Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der erfindungsgemäße elektrische Stromverteiler 1 in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise ist denkbar, dass mehrere Universalmodule vorgesehen sind, die eine Leiterplatte 15 aufweisen. Jedes Universalmodul 3 und 4 und jedes (Erweiterungs-)Universalmodul kann ausschließlich mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen, also ohne eigene Leiterplatte, vorgesehen sein.
Zur Diagnose einer elektrischen Anbindung der elektrischen Verbraucher können entsprechende Messeinrichtungen und/oder Auswerteeinrichtungen, beispielsweise zur Strommessung zum Zwecke einer Überstrom- oder Kurzschlusserkennung oder Lichtbogenerkennung, auf der Leiterplatte 15 vorgesehen sein. Hierzu können unter anderem auf der Leiterplatte 15 entsprechende Leiterbahnen hin zu den als Einzelkontaktelemente ausgebildeten zweiten Steckkontaktteil 27 und 28 ausgebildet sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromverteilers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Basismodul 2 verfügt, wie in den vorangegangenen Figuren bereits ausführlich dargestellt, über ein auf einer Leiterplatte 15 angeordnetes Schaltteil 17, 18, über das eine separat zur Leiterplatte 15 angeordnete Stromschiene 21, 22 mit Strom/Spannung aus einer primären Stromversorgung 46 gespeist wird. Elektrische Verbraucher 50, gemeinhin auch als Lasten 50 bezeichnet, werden über Steckkontaktteile 27, 28, die Teil eines Steckkontaktpaares 8 sind, und über eine Sicherung 11 verbunden sind, mit dem über die Stromschiene 21, 22 bereitgestellten Strom versorgt. Über das Schaltteil 17, 18 können alle an der Leiterplatte 15 angebundenen elektrischen Verbraucher gleichzeitig von der Stromversorgung/Spannungsversorgung getrennt werden.
Weiterhin weist der Stromverteiler 1 eine zweite Leiterplatte 34 mit einer Anzahl elektronischer Sicherungen 35, 36, 37 auf. Die elektronischen Sicherungen 35, 36, 37 sind eingerichtet je einen elektrischen Verbraucher 51, 52 elektrisch zu versorgen und die entsprechende Spannungsversorgung anzusteuern. Hierzu sind die elektronischen Sicherungen 35, 37 über eine separat zu der zweiten Leiterplatte 34 angeordnete weitere Stromschiene 38 verbunden. Dabei ist an der weiteren Stromschiene 38 eine Mehrzahl von weiteren ersten Steckkontaktteilen 38 angeordnet oder ausgebildet und somit mit der weiteren Stromschiene 38 elektrisch verbunden. Die weiteren ersten Steckkontaktteile 38 bilden mit jeweils einem zugeordneten auf der zweiten Leiterplatte 34 angeordneten, weiteren zweiten Steckkontaktteil 39 ein Steckkontaktpaar 40. Die Steckkontaktpaare 40 sind über die elektronische Sicherung 35, 37 miteinander verbunden.
Die Anzahl elektronischer Sicherungen 35, 36, 37 sind über Steuerleitungen mit einer Steuerungseinrichtung 42 verbunden. Dies sind in der Regel bidirektionale Kommunikationsleitungen, sodass hierüber sowohl Statusinformationen über die elektronische Sicherung 35, 36, 37 an die Steuerungseinrichtung 42 als auch Steuerbefehle von der Steuerungseinrichtung 42 an die elektronischen Sicherungen 35, 36, 37 übertragen werden. Dabei handelt es sich bei den Steuerleitungen je nach Ausführungsbeispiel um analoge oder digitale Steuerleitungen, die auch als Busleitungen wie beispielsweise CAN-Bus ausgeführt sein können.
Über eine optionale Kommunikationsschnittstelle 41 ist die Steuerungseinrichtung 42 mit einem Fahrzeugkommunikationsnetz 44 verbunden. Fertigungstechnische Vorteile ergeben sich, wenn wie im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kommunikationsschnittstelle 41 kontaktlos ausgebildet ist. Dabei kommen in unterschiedlichen Varianten kapazitive, induktive oder optische Übertragungsverfahren zum Einsatz.
Der Stromverteiler 1 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Versorgungs-Stromschiene 45 mit der primären Stromversorgung des Kraftfahrzeugs verbunden. Zusätzlich ist eine sekundäre Stromversorgung 48 vorgesehen. Diese ist in einer Variante beispielsweise als eine Stützbatterie 48 oder alternativ über einen in den Stromverteiler 1 integrierten Pufferspeicher 48 realisiert. Der Stromverteiler 1 weist eine Redundanz-Stromschiene 47 auf, die mit der sekundären Stromversorgung 48 verbunden ist.
Die Redundanz-Stromschiene 47 ist mit den elektronischen Sicherungen 36, 37 der zweiten Leiterplatte 34 elektrisch verbunden.
Elektrische Verbraucher 50, 51, 52 sind nun je nach Art des Verbrauchers 50, 51, 52 mit dem Stromverteiler 1 verbunden. In 5 sind exemplarisch drei Verbraucher 50, 51, 52 dargestellt. Sie repräsentieren jeweils eine Mehrzahl an Verbrauchern mit vergleichbaren Anforderungen an die funktionale Sicherheit. Der erste Verbraucher 50 ist über die Leiterplatte 15 mit dem Stromverteiler 1 verbunden. Der zweite Verbraucher 51 ist einmal über die Leiterplatte 15 und einmal über die Leiterplatte 34 mit dem Stromverteiler verbunden. Dabei ist ein Anschluss an eine elektronische Sicherung 36, 37 sinnvoll, um einen Anschluss an die sekundäre Stromversorgung 48 zu gewährleisten. Ein dritter Verbraucher 52 ist über eine der Sicherungen 37 mit dem Stromverteiler 1 verbunden. Alternativ ist der Verbraucher 52 über eine Sicherung 35 und eine Sicherung 36 mit dem Stromverteiler verbunden. Beide Varianten stellen eine ASIL-konforme redundante Stromversorgung bereit.
Ein zusätzliches, optionales Merkmal des Stromverteilers 1 stellt die Temperaturüberwachungseinrichtung 49 dar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese in die Steuerungseinrichtung 42 integriert. Teilfunktionen können auch in die elektronischen Sicherungen 35, 36, 37 ausgelagert sein.
Wie bereits ausführlich dargestellt, ist eine Eigenschaft des Stromverteilers 1 seine Modularität. So kann er um weitere Universalmodule, d.h. vergleichbar mit Leiterplatte 15 und allen hier realisierten Anschlüssen, als auch um weitere intelligente Module, wie die hier detailliert beschriebene Leiterplatte 34 mit den elektronischen Sicherungen 35, 36, 37 und der Steuerungseinrichtung 42, erweitert werden.
In einem (in den Figuren nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel weist der Stromverteiler 1 zumindest zwei Leiterplatten 34 auf. Ein elektrischer Verbraucher 51, 52, der eine Fusi-relevante Last repräsentiert, ist über eine elektronische Sicherung 37 der ersten Leiterplatte 34 und über eine elektronische Sicherung 37 der zweiten Leiterplatte 34 sowohl mit der primären Stromversorgung 46 als auch der sekundären Stromversorgung 48 verbunden. Bei dieser Konfiguration ist es aus Sicht der funktionalen Sicherheit von Vorteil, wenn über die erste Leiterplatte 34 eine Versorgung über die primäre Stromversorgung 46 und über die zweite Leiterplatte 34 eine Versorgung über die sekundäre Stromversorgung 48 bereitgestellt wird. So ist die Fusi-relevante Last 51, 52 mit einer elektronischen Sicherung 35, 37 der ersten Leiterplatte 34 und über eine elektronische Sicherung 36, 37 der zweiten Leiterplatte 34 an die Stromversorgung 46 respektive Stromversorgung 48 verbunden. Als Vorteil ergibt sich, dass der Ausfall einer einzelnen Steuereinheit 42 nicht zum Totalausfall der Versorgung des elektrischen Verbrauchers 51, 52 führt.
Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann der erfindungsgemäße elektrische/elektronische Stromverteiler 1 in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Die folgenden Beispiele stellen Varianten dar, die ein Fachmann im Zuge der ihm gestellten Aufgabe in Erwägung ziehen würde. So können auf der Leiterplatte 15 beispielsweise mechanische Sicherungen vorgesehen sein, beispielsweise in Form von Schmelzsicherungen. Anstelle von Lamellenkontakten sind fertigungstechnisch auch unlösbare Verbindungen teilweise denkbar, beispielsweise mittels Verbundfügen oder Schweißen. Die Anzahl der Leiterplatten 15, 34 kann im Sinne der Modularität erhöht werden, sowohl im konventionellen Bereich als auch in dem speziellen Bereich für die funktionale Sicherheit.
Bezugszeichenliste

1: elektrischer/elektronischer Stromverteiler
2: Basismodul
3: Universalmodul
4: Universalmodul
5: Modulkontaktierungselement
6: Gegenkontaktelement
7: Befestigungsauge
8: Steckkontaktpaar
9: Steckkontaktpaar
10: Steckkontaktpaar
11: elektrische Sicherung
12: elektrische Sicherung
13: elektrische Sicherung
14: Gehäuse
15: Leiterplatte
16: Spannungsversorgungskontakt
17: erstes Schaltteil
18: zweites Schaltteil
19: erstes Stromschienenkontaktierungselement
20: zweites Stromschienenkontaktierungselement
21: erste Stromschiene
22: zweite Stromschiene
23: erstes Leiterplattenkontaktierungselement
24: zweites Leiterplattenkontaktierungselement
25: erster Steckkontaktteil
26: erster Steckkontaktteil
27: zweiter Steckkontaktteil
28: zweiter Steckkontaktteil
29: Kontaktfahne
30: Kontaktfahne
31: elektrische Leitung
32: Steckverbinder
33: Buchse
34: zweite Leiterplatte
35: elektronische Sicherung
36: elektronische Sicherung
37: elektronische Sicherung
38: weitere Stromschiene
39: weiteres zweites Steckkontaktteil
40: Steckkontaktpaar
41: Kommunikationsschnittstelle
42: Steuerungseinrichtung
43: übergeordnete Steuervorrichtung
44: Fahrzeugkommunikationsnetz
45: Versorgungs-Stromschiene
46: primäre Stromversorgung
47: Redundanz-Stromschiene
48: sekundäre Stromversorgung
49: Temperaturüberwachungseinrichtung
50: erste (konventionelle) Last, elektrischer Verbraucher
51: zweite (FUSI-)Last, elektrischer Verbraucher
52: dritte (FUSI-)Last, elektrischer Verbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029166 A1 [0003]
DE 102012214366 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0014]

Claims

Stromverteiler (1) für ein Fahrzeug, mit – einer Leiterplatte (15) zur Diagnose und/oder zum Steuern einer Spannungsversorgung einer Mehrzahl an den Stromverteiler (1) angebundener elektrischer Verbraucher, und – mit einer Stromschiene (21, 22) mit einer Mehrzahl von ersten Steckkontaktteilen (25, 26), wobei – die Leiterplatte (15) ein Schaltteil (17, 18) zum gemeinsamen Steuern der Spannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher (50) über die separat zu der Leiterplatte (15) angeordnete Stromschiene (21, 22) aufweist, wobei – die ersten Steckkontaktteile (23, 24) der Stromschiene (21, 22) jeweils mit einem auf der Leiterplatte (15) angeordneten, zweiten Steckkontaktteil (27, 28) ein Steckkontaktpaar (8, 9, 10) ausbilden, – und über jedes Steckkontaktpaar (8, 9, 10) ein an dem jeweiligen zweiten Steckkontaktteil (27, 28) angebundener Verbraucher (50) versorgbar ist, gekennzeichnet durch – eine zweite Leiterplatte (34) mit einer Anzahl elektronischer Sicherungen (35, 36, 37) zum Steuern der Spannungsversorgung je eines elektrischen Verbrauchers (51, 52) über eine separat zu der zweiten Leiterplatte (34) angeordnete weitere Stromschiene (38) mit einer Mehrzahl von weiteren ersten Steckkontaktteilen (38), die jeweils mit einem auf der zweiten Leiterplatte (34) angeordneten, weiteren zweiten Steckkontaktteil (39) ein Steckkontaktpaar (40) ausbilden.
Stromverteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige gemeinsam ausgebildete Steckkontaktpaar (8, 9, 10) zur Aufnahme einer elektrischen Sicherung (11, 12, 13) eingerichtet ist, die den jeweiligen ersten Steckkontaktteil (25, 26) mit dem jeweiligen zweiten Steckkontaktteil (27, 28) verbindet.
Stromverteiler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige zweite Steckkontaktteil (27, 28) zur Diagnose der Versorgung des elektrischen Verbrauchers (50) an die Leiterplatte (15) angebunden ist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steckkontaktteil (25, 26) und der zweite Steckkontaktteil (27, 28) jeweils als Gabelkontakte ausgeformt sind.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der ersten Steckkontaktteile (25, 26) einstückig mit der Stromschiene (21, 22) ausgebildet ist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige zweite Steckkontaktteil (25, 26) an einem Einzelkontaktelement ausgeformt ist, das zusätzlich zur Anbindung des elektrischen Verbrauchers (50) eingerichtet ist.
Stromverteiler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Einzelkontaktelement so durch die Leiterplatte (15) hindurch erstreckt, dass der zweite Steckkontaktteil (25, 26) auf einer ersten flächigen Seite der Leiterplatte (15) und eine Kontaktfahne (29, 30) zum Anbinden des elektrischen Verbrauchers (50) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten flächigen Seite der Leiterplatte (15) angeordnet ist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (15) wenigstens ein gabelförmiges Stromschienenkontaktierungselement (19, 20) zum Verbinden der Stromschiene (21, 22) mit dem Schaltteil (17, 18) aufweist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stromschiene (21, 22) ein messerförmiges Leiterplattenkontaktierungselement (23, 24) zum Verbinden mit der Leiterplatte (15) ausgeformt ist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (15) zusätzlich ein Modulkontaktierungselement (5) aufweist, das zur Anbindung eines Universalmoduls (3, 4) eingerichtet ist.
Stromverteiler (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulkontaktierungselement (5) ein Gabelkontakt ist.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Universalmodul (2, 3, 4) ein Gegenkontaktelement (6) aufweist, das zum Kontaktieren des Modulkontaktierungselements (5) eingerichtet ist.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Universalmodul (3, 4) ein ausschließlich elektrisches Universalmodul ist, das von der Leiterplatte (15) mit diagnostizierbar und/oder steuerbar ist.
Stromverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterplatte (34) eine Steuerungseinrichtung (42) zur Schaltsteuerung und/oder zur Datenkommunikation innerhalb des Fahrzeugs aufweist, die ausgebildet ist, die Spannungsversorgung der elektrischen Verbraucher (51, 52) zu überwachen und bei einem Fehler ein betroffenes Steckkontaktpaar (40) abzuschalten.
Stromverteiler (1) nach Anspruch 14, mit einer zwischen Steuerungseinrichtung (42) und einer übergeordneten Steuervorrichtung (43) angeordneten Kommunikationsschnittstelle (41), die kontaktlos als optische, induktive oder kapazitive Schnittstelle ausgeführt ist.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 15, mit – einer Versorgungs-Stromschiene (45), die mit einer primären Stromversorgung (46) gekoppelt ist oder koppelbar ist, – einer Redundanz-Stromschiene (47), die mit einer sekundären Stromversorgung (48) gekoppelt ist oder koppelbar ist, wobei – die Versorgungs-Stromschiene (45) über das Schaltteil (17, 18) mit der Stromschiene (21, 22) der Leiterplatte (15) und über eine Kontakteinrichtung mit der weiteren Stromschiene (38) der zweiten Leiterplatte (34) gekoppelt ist, und – die Redundanz-Stromschiene (47) mit zumindest einer elektronischen Sicherung (36, 37) der zweiten Leiterplatte (34) gekoppelt ist.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Steuerungseinrichtung (42) ausgebildet ist, einen über die Anzahl elektronischer Sicherungen (35, 36, 37) fließenden Strom und/oder Spannung zu überwachen und bei Überschreiten eines Schwellwerts die jeweilige elektronische Sicherung (35, 36, 37) oder den elektrischen Verbraucher (51, 52) abzuschalten.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung (49) zum Abschalten des Schaltteils (17, 18) und/oder über die Steuerungseinrichtung (42) der elektronischen Sicherungen (35, 36, 37) bei Überschreiten einer Grenztemperatur.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem ein elektrischer Verbraucher (51, 52) sowohl über die Leiterplatte (15) als auch über eine auf der zweiten Leiterplatte (34) angeordnete elektronische Sicherung (35, 36, 37) koppelbar oder gekoppelt ist.
Stromverteiler (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem zumindest einer der elektrischen Verbraucher (51, 52) über eine erste auf der zweiten Leiterplatte (34) angeordnete elektronische Sicherung (35, 36, 37) und über eine zweite auf der zweiten Leiterplatte (34) angeordnete elektronische Sicherung (35, 36, 37) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die erste elektrische Sicherung (35, 36) zumindest mit der Versorgungs-Stromschiene (45) koppelbar oder gekoppelt ist und die zweite elektrische Sicherung (36, 37) zumindest mit der Redundanz-Stromschiene (47) koppelbar oder gekoppelt ist.