DE102017213409A1

DE102017213409A1 - Energiequelleneinheit zur Trennung der Teilnetze eines Fahrzeug- Bordnetzes

Info

Publication number: DE102017213409A1
Application number: DE102017213409.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Wagner; Thomas Gauter; Markus Lämmermann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Es wird eine Energiequelleneinheit (101) für ein Energiebordnetz (100) eines Fahrzeugs beschrieben. Die Energiequelleneinheit (101) umfasst ein Gehäuse (203), mit einem ersten Anschluss (205) zum Anschluss eines ersten Teilnetzes (110) und mit einem zweiten Anschluss (206) zum Anschluss eines zweiten Teilnetzes (120) des Bordnetzes (100). Außerdem umfasst die Energiequelleneinheit (101) eine erste Teilquelle (201), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (100) bereitzustellen, sowie eine erste Leitung (206), die die erste Teilquelle (201) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss (205) verbindet. Des Weiteren umfasst die Energiequelleneinheit (101) eine zweite Teilquelle (202), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (100) bereitzustellen, sowie eine zweite Leitung (207), die die zweite Teilquelle (202) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss (206) verbindet. Die Energiequelleneinheit (101) umfasst ferner ein Schaltelement (204), das eingerichtet ist, die erste Leitung (206) und die zweite Leitung (207) elektrisch leitend zu verbinden oder zu entkoppeln, sowie eine Steuereinheit (200) zur Steuerung des Schaltelements (204).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiebordnetz für ein Fahrzeug, das mehrere redundante Teilnetze zur Energieversorgung von ein oder mehreren sicherheitsrelevanten Verbrauchern umfasst.
Ein teil- oder hochautomatisiert fahrendes Fahrzeug weist typischerweise ein oder mehrere kritische elektrische Verbraucher, insbesondere Steuergeräte, Sensoren, etc., auf, die eine besonders hohe Verfügbarkeit erfordern. Eine hohe Verfügbarkeit kann dabei u.a. durch eine redundante Energieversorgung der ein oder mehreren kritischen elektrischen Verbraucher ermöglicht werden. Das Energiebordnetz eines Fahrzeugs kann daher zwei oder mehr redundante Teilnetze umfassen, und ein kritischer elektrischer Verbraucher kann an die zwei oder mehr redundanten Teilnetze angeschlossen sein, um eine redundante Energieversorgung bereitzustellen.
Ein Teilnetz des Energiebordnetzes eines Fahrzeugs kann einen Defekt aufweisen, z.B. an einem Stromverteiler, an einem Kabel, an einem elektrischen Energiespeicher des Teilnetzes. Des Weiteren kann es in einem Teilnetz zu einem Kurzschluss oder zu einem Leitungsbruch kommen. Ein Defekt in einem Teilnetz kann Auswirkungen auf an anderes Teilnetz des Energiebordnetzes des Fahrzeugs haben.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein kosten- und bauraumeffizientes Fahrzeug-Bordnetz mit mehreren redundanten Teilnetzen bereitzustellen, durch das zuverlässig ein Defekt in einem Teilnetz isoliert werden kann. So kann ein sicherer Betrieb von ein oder mehreren elektrischen Verbrauchen gewährleistet werden, bei denen eine Energieversorgung aus mehreren Teilnetzen erfolgt.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Energiequelleneinheit für ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßenkraftfahrzeugs) beschrieben. Das Energiebordnetz umfasst ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz, die eingerichtet sind, zumindest einen abgesicherten elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Der abgesicherte elektrische Verbraucher kann einen gemeinsamen Verbraucher umfassen, der sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Teilnetz mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann der abgesicherte elektrische Verbraucher zwei redundante (ggf. identische) elektrische Verbraucher aufweisen, wobei der erste redundante Verbraucher mit dem ersten Teilnetz und der zweite redundante Verbraucher mit dem zweiten Teilnetz gekoppelt ist.
Das erste Teilnetz kann typischerweise unabhängig von dem zweiten Teilnetz (und umgekehrt) betrieben werden. Insbesondere kann das erste Teilnetz einen ersten Energiespeicher (z.B. eine erste Batterie, etwa eine Lithium-Ionen Batterie) und das zweite Teilnetz kann einen zweiten Energiespeicher (z.B. eine zweite Batterie, etwa eine Lithium-Ionen Batterie) umfassen. Durch die jeweiligen Energiespeicher kann ein unabhängiger und/oder ein Insel-Betrieb des jeweiligen Teilnetzes ermöglicht werden (für einen Zeitraum, der von der Speicherkapazität des jeweiligen Energiespeichers abhängt). Durch das Anschließen eines abgesicherten elektrischen Verbrauchers an zwei Teilnetze, die unabhängig voneinander elektrische Energie bereitstellen können, kann der Betrieb des elektrischen Verbrauchers abgesichert werden. Dies kann insbesondere bei einem sicherheitsrelevanten elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs von Vorteil sein.
Die Energiequelleneinheit umfasst ein Gehäuse, mit einem ersten Anschluss zum Anschluss des ersten Teilnetzes und mit einem zweiten Anschluss zum Anschluss des zweiten Teilnetzes. Das Gehäuse kann ein elektrisch leitendes Material (z.B. ein Metall) umfassen bzw. aus einem solchen gefertigt sein. Des Weiteren kann das Gehäuse eine abschirmende Wirkung (für elektromagnetische Strahlen) aufweisen. Außerdem kann das Gehäuse als mechanischer Schutz und/oder als Schutz vor Verunreinigungen der in dem Gehäuse angeordneten Komponenten der Energiequelleneinheit dienen. Die Anschlüsse können z.B. als Klemmen und/oder als Buchsen bzw. Stecker an einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet sein. Alle bzw. ein Teil der Komponenten der Energiequelleneinheit können vom Gehäuse umschlossen sein.
Die Energiequelleneinheit umfasst eine erste Teilquelle (d.h. eine erste Teil-Energiequelle), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz bereitzustellen. Außerdem umfasst die Energiequelleneinheit eine erste Leitung, die die erste Teilquelle elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss verbindet. Die erste Teilquelle und/oder die erste Leitung können innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Die erste Teilquelle kann insbesondere eingerichtet sein, elektrische Energie bzw. elektrische Leitung zu erzeugen.
Außerdem umfasst die Energiequelleneinheit eine zweite Teilquelle, die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz bereitzustellen. Des Weiteren umfasst die Energiequelleneinheit eine zweite Leitung, die die zweite Teilquelle elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss verbindet. Die zweite Teilquelle und/oder die zweite Leitung können innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Die zweite Teilquelle kann insbesondere eingerichtet sein, elektrische Energie bzw. elektrische Leitung zu erzeugen. Beispielsweise können die erste Teilquelle und die zweite Teilquelle einen elektrischen Generator und/oder einen Spannungswandler umfassen bzw. Teil eines Generators und/oder Spannungswandlers sein.
Die erste Teilquelle und/oder die zweite Teilquelle können somit dazu verwendet werden, die Teilnetze eines Bordnetzes eines Fahrzeugs während des Betriebs des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die elektrische Energie, die den Teilnetzen zur Verfügung gestellt wird, kann dabei innerhalb der Teilquellen mittels eines elektrischen Generators erzeugt und/oder über einen Spannungswandler aus einer anderweitigen Energiequelle (z.B. aus einem Hochvolt-Energiespeicher, etwa bei 300V oder mehr) entnommen und in dem (Niedervolt-) Bordnetz (z.B. bei 12V oder bei 48V) bereitgestellt werden.
Die Energiequelleneinheit umfasst weiter zumindest bzw. genau ein Schaltelement, das eingerichtet ist, die erste Leitung und die zweite Leitung elektrisch leitend zu verbinden oder zu entkoppeln. Das Schaltelement kann z.B. ein Relais und/oder einen Transistor, insbesondere ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), umfassen. Das Schaltelement kann in einem Normalbetrieb des Bordnetzes bzw. der Energiequelleneinheit geschlossen sein, so dass auch der zweite Anschluss mit der ersten Teilquelle und der erste Anschluss mit der zweiten Teilquelle gekoppelt sind. Die einzelnen Teilnetze können somit im Normalbetrieb sowohl aus der ersten Teilquelle als auch aus der zweiten Teilquelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Andererseits kann durch ein Öffnen des Schaltelements bewirkt werden, dass der erste Anschluss nur noch mit der ersten Teilquelle und der zweite Anschluss nur noch mit der zweiten Teilquelle gekoppelt sind. Das erste Teilnetz kann dann nur noch durch die erste Teilquelle und das zweite Teilnetz kann dann nur noch durch die zweite Teilquelle mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Energiequelleneinheit umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, zu bestimmen, dass ein Defekt in dem ersten Teilnetz vorliegt. Beispielsweise kann es zu einem Kurzschluss in dem ersten Teilnetz gekommen sein. Zum Schutz des zweiten Teilnetzes und somit zur Sicherstellung des Betriebs des abgesicherten (ggf. gemeinsamen) elektrischen Verbrauchers, kann daraufhin eine Entkopplung des ersten Teilnetzes von dem zweiten Teilnetz bewirkt werden. Insbesondere kann die Steuereinheit zu diesem Zweck eingerichtet sein, das Schaltelement zu veranlassen (z.B. durch Öffnen des Schaltelements), die erste und die zweite Leitung voneinander zu entkoppeln. Als Folge daraus ist das zweite Teilnetz nicht mehr mit dem ersten Teilnetz gekoppelt, so dass sich ein Defekt im ersten Teilnetz nicht auf das zweite Teilnetz auswirken kann.
Es wird somit eine Energiequelleneinheit bereitgestellt, die in effizienter und zuverlässiger Weise zur Kopplung bzw. zur Entkopplung von unterschiedlichen Teilnetzen eines Bordnetzes verwendet werden kann. Dabei kann ein Schaltelement direkt in das Gehäuse der Energiequelleneinheit integriert werden, so dass eine bauraum-, kosten- und gewichtseffiziente Entkopplung der Teilnetze ermöglicht wird.
Die erste Teilquelle und die zweite Teilquelle können elektrische Energie auf Basis von zumindest teilweise unterschiedlichen Phasen einer gemeinsamen Mehrphasen-Energiequelle, insbesondere eines elektrischen MehrphasenGenerators, bereitstellen. Dabei kann die Mehrphasen-Energiequelle in dem Gehäuse der Energiequelleneinheit angeordnet sein. Beispielsweise kann die Mehrphasen-Energiequelle eine Gleichspannung für die Teilnetze des Bordnetzes auf Basis von N Phasen einer Wechselspannung bereitstellen, mit N>1, z.B. N=6.
Ein Teil der N Phasen (z.B. N/2 Phasen) können dazu verwendet werden, eine erste Gleichspannung bzw. einen ersten Gleichstrom der ersten Teilquelle zu erzeugen. Ein (typischerweise vollständig) unterschiedlicher Teil der N Phasen (z.B. die anderen N/2 Phasen) können dazu verwendet werden, eine zweite Gleichspannung bzw. einen zweiten Gleichstrom der zweiten Teilquelle zu erzeugen. So können in effizienter Weise unterschiedliche Teilquellen für unterschiedliche Teilnetze eines Bordnetzes bereitgestellt werden. Dabei stehen dennoch im Normalbetrieb (d.h. bei geschlossenem Schaltelement) alle N Phasen (und somit die gesamte elektrische Leistung einer Mehrphasen-Energiequelle) für alle Teilnetze des Bordnetzes zur Verfügung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine weitere Energiequelleneinheit für ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Das Energiebordnetz umfasst ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz, die ausgebildet sind, zumindest einen abgesicherten (ggf. gemeinsamen) elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die Energiequelleneinheit umfasst ein Gehäuse, mit einem ersten Anschluss zum Anschluss des ersten Teilnetzes und mit einem zweiten Anschluss zum Anschluss des zweiten Teilnetzes. Wie bereits oben dargelegt, kann das Gehäuse ein elektrisch leitendes Material (z.B. ein Metall) umfassen bzw. aus einem solchen gefertigt sein. Des Weiteren kann das Gehäuse eine abschirmende Wirkung (für elektromagnetische Strahlen) aufweisen. Außerdem kann das Gehäuse als mechanischer Schutz und/oder als Schutz vor Verunreinigungen der in dem Gehäuse angeordneten Komponenten der Energiequelleneinheit dienen. Die Anschlüsse können z.B. als Klemmen und/oder als Buchsen bzw. Stecker an einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet sein. Alle bzw. ein Teil der Komponenten der Energiequelleneinheit können vom Gehäuse umschlossen sein.
Die Energiequelleneinheit umfasst eine Energiequelle, die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz bereitzustellen. Die Energiequelle kann z.B. einen elektrischen Generator und/oder einen Spannungswandler umfassen. Die Energiequelle kann dazu verwendet werden, die Teilnetze mit elektrischer Energie zu versorgen (z.B. um die jeweiligen Energiespeicher der Teilnetze zu laden).
Außerdem umfasst die Energiequelleneinheit ein erstes Schaltelement, das eingerichtet ist, die Energiequelle elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss zu verbinden oder davon zu entkoppeln. Des Weiteren umfasst die Energiequelleneinheit ein zweites Schaltelement, das eingerichtet ist, die Energiequelle elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss zu verbinden oder davon zu entkoppeln. Im Normalbetrieb können die Schaltelemente geschlossen sein, um die Energiequelle sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Anschluss und somit mit dem ersten und dem zweiten Teilnetz zu koppeln. Als Folge daraus sind im Normalbetrieb auch die Anschlüsse und damit die Teilnetze miteinander elektrisch leitend gekoppelt. Andererseits kann durch Öffnen des ersten Schaltelements und/oder des zweiten Schaltelements eine Entkopplung der Anschlüsse und damit der Teilnetze bewirkt werden. Das erste und/oder das zweite Schaltelement können jeweils ein Relais und/oder einen Transistor, insbesondere ein IGBT, umfassen. Das erste und/oder zweite Schaltelemente und/oder die Energiequelle sind bevorzugt von dem Gehäuse umschlossen.
Die Energiequelleneinheit umfasst ferner eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, zu bestimmen, dass ein Defekt (z.B. ein Kurzschluss) in dem ersten Teilnetz vorliegt. In Reaktion darauf kann die Steuereinheit das erste Schaltelement veranlassen, den ersten Anschluss von der Energiequelle zu entkoppeln, und das zweite Schaltelement veranlassen, den zweiten Anschluss von der Energiequelle zu entkoppeln. So kann eine schnelle Entkopplung der Teilnetze zum Schutz des zweiten Teilnetzes und des abgesicherten (ggf. gemeinsamen) elektrischen Verbrauchers bewirkt werden.
Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, zu einem späteren Zeitpunkt, das zweite Schaltelement zu veranlassen, den zweiten Anschluss wieder mit der Energiequelle zu verbinden, während der erste Anschluss weiterhin von der Energiequelle entkoppelt bleibt. Dabei kann der spätere Zeitpunkt eine vordefinierte Zeitdauer nach einem Zeitpunkt liegen, an dem die Energiequelle von dem ersten und zweiten Anschluss entkoppelt wird. So können die Energieversorgung des zweiten Teilnetzes sichergestellt und die Betriebszeit eines abgesicherten (ggf. gemeinsamen) elektrischen Verbrauchers nach einem Defekt eines Teilnetzes erhöht werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, nach Entkoppeln der Energiequelle von dem ersten und zweiten Anschluss zu bestimmen, ob auch das zweite Teilnetz einen Defekt aufweist oder nicht. Das zweite Schaltelement kann ggf. nur dann veranlasst werden, den zweiten Anschluss wieder mit der Energiequelle zu verbinden, wenn bestimmt wurde, dass das zweite Teilnetz keinen Defekt aufweist. So kann ein sicherer Betrieb eines Bordnetzes eines Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Steuereinheit ist typischerweise eingerichtet, die ein oder mehreren Schaltelemente einer Energiequelleneinheit anzusteuern, so dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss im Normalbetrieb jeweils mit zumindest einer Energiequelle der Energiequelleneinheit gekoppelt sind. So kann die Energieversorgung der Teilnetze eines Bordnetzes im Normalbetrieb gewährleistet werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, nach Öffnen des ersten Schaltelements und nach Öffnen des zweiten Schaltelements zunächst das erste Schaltelement wieder zu schließen (z.B. nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls), um zu überprüfen, ob das erste Teilnetz in Ordnung ist. Wenn erkannt wird, dass das erste Teilnetz in Ordnung ist, kann ggf. daraus geschlossen werden, dass das zweite Teilnetz defekt ist. Das erste Schaltelement kann dann geschlossen und ggf. das zweite Schaltelement geöffnet bleiben.
Wenn andererseits erkannt wird, dass das erste Teilnetz defekt ist, so kann das erste Schaltelement wieder geöffnet werden. Es kann dann das zweite Schaltelement geschlossen werden, um zu überprüfen, ob das zweite Teilnetz in Ordnung ist. Wenn das zweite Teilnetz in Ordnung ist, so kann das zweite Schaltelement geschlossen (und ggf. das erste Schaltelement geöffnet) bleiben. Andererseits kann das zweite Schaltelement wieder geöffnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Energiebordnetz für ein Fahrzeug beschrieben. Das Bordnetz kann in einem Niedervoltbereich (z.B. bei 60V oder weniger, insbesondere bei 12V oder 48V) betrieben werden. Das Bordnetz umfasst ein erstes Teilnetz (ggf. mit einem ersten Stromverteiler), wobei das erste Teilnetz eingerichtet ist, ein oder mehrere erste elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Das erste Teilnetz kann einen ersten Energiespeicher umfassen.
Außerdem umfasst das Bordnetz ein zweites Teilnetz (ggf. mit einem zweiten Stromverteiler), wobei das zweite Teilnetz eingerichtet ist, ein oder mehrere zweite elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Das zweite Teilnetz kann einen zweiten Energiespeicher umfassen. Die ein oder mehreren zweiten elektrischen Verbraucher können sich zumindest teilweise von den ein oder mehreren ersten elektrischen Verbrauchern unterscheiden.
Ferner umfasst das Bordnetz zumindest einen abgesicherten, elektrischen Verbraucher, der sowohl über das erste Teilnetz als auch über das zweite Teilnetz mit elektrischer Energie versorgt werden kann bzw. versorgt wird. Der abgesicherte Verbraucher kann z.B. zwei redundante (ggf. identische) Verbraucher umfassen, wobei einer der redundanten Verbraucher aus dem ersten Teilnetz und der andere redundante Verbraucher aus dem zweiten Teilnetz mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Der abgesicherte Verbraucher kann sowohl mit dem ersten Stromverteiler als auch mit dem zweiten Stromverteiler elektrisch leitend verbunden sein, um unabhängig von dem jeweils anderen Teilnetz sowohl aus dem ersten Teilnetz als auch aus dem zweiten Teilnetz mit elektrischer Energie versorgt zu werden.
Außerdem umfasst das Bordnetz eine in diesem Dokument beschriebene Energiequelleneinheit, die eingerichtet ist, über einen ersten Anschluss elektrische Energie in dem ersten Teilnetz und über einen zweiten Anschluss elektrische Energie in dem zweiten Teilnetz bereitzustellen. Die Energiequelleneinheit kann eingerichtet sein, elektrische Energie zu erzeugen, z.B. auf Basis von mechanischer Energie.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Bordnetz mit zwei Teilnetzen;
2a eine Energiequelleneinheit mit einem Trenn- bzw. Schaltelement zur Entkoppelung der Teilnetze eines Bordnetzes;
2b eine Energiequelleneinheit mit mehreren Trenn- bzw. Schaltelementen zur Entkoppelung der Teilnetze eines Bordnetzes; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Entkopplung der Teilnetze eines Bordnetzes.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen sowie kosten-, bauraum- und gewichtseffizienten Isolierung eines Defektes in einem Teilnetz des Energiebordnetzes eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Bordnetz 100 mit einem ersten Teilnetz 110 und einem zweiten Teilnetz 120. Die Teilnetze 110, 120 können jeweils zumindest einen elektrischen Energiespeicher 111, 121, jeweils ein oder mehrere dedizierte elektrische Verbraucher 112, 122 und/oder jeweils zumindest einen Stromverteiler 113, 123 zur Verteilung der elektrischen Energie in dem jeweiligen Teilnetz 110, 120 umfassen.
Das erste Teilnetz 110 und das zweite Teilnetz 120 können dazu verwendet werden, gemeinsam ein oder mehrere sicherheitsrelevante bzw. abgesicherte elektrische Verbraucher 102 mit elektrischer Energie zu versorgen. Zu diesem Zweck kann ein sicherheitsrelevanter Verbraucher 102 sowohl mit dem ersten Stromverteiler 113 des ersten Teilnetzes 110 als auch mit dem zweiten Stromverteiler 123 des zweiten Teilnetzes 120 elektrisch leitend verbunden sein. So kann gewährleistet werden, dass der Verbraucher 102 auch bei Ausfall eines Teilnetzes 110 mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 121 des anderen Teilnetzes 120 versorgt werden kann.
Das Bordnetz 100 umfasst typischerweise zumindest eine Energiequelleneinheit 101, d.h. zumindest eine Quelle von elektrischer Energie, die eingerichtet ist, die Teilnetze 110, 120 mit zusätzlicher elektrischer Energie zu versorgen. Die Energiequelleneinheit 101 kann z.B. einen Generator umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Energiequelleneinheit 101 einen Spannungswandler umfassen, um elektrische Energie aus einem Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs in dem (Niedervolt-) Bordnetz 100 bereitzustellen.
Die Teilnetze 110, 120 eines Bordnetzes 100 können durch ein dediziertes Entkoppelungselement miteinander verbunden sein, wobei das Entkoppelungselement (z.B. ein Relais) eingerichtet sein kann, die Teilnetze 110, 120 voneinander zu entkoppeln (z.B. in Reaktion auf einen Defekt in zumindest einem der Teilnetze 110, 120). Ein derartiges, dediziertes Entkoppelungselement erfordert typischerweise ein dediziertes Gehäuse und ein dediziertes Steuergerät und führt somit zu zusätzlichen Kosten, Bauraum und Gewicht. Außerdem kann ein derartiges Entkopplungselement im geöffneten Zustand dazu führen, dass ein funktionsfähiges Teilnetz 110, 120 von der Energiequelleneinheit 101 entkoppelt wird, so dass das funktionsfähige Teilnetz 110, 120 nicht mehr mit neuer elektrischer Energie versorgt wird. Als Folge daraus kann der verfügbare Betriebszeitraum eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers 102 infolge eines Defekts in einem Teilnetz 110, 120 substantiell reduziert werden.
2a zeigt eine beispielhafte Energiequelleneinheit 101, die Teilquellen 201, 202 für die unterschiedlichen Teilnetze 110, 120 des Bordnetzes 100 umfasst. Die Teilquellen 201, 202 können bei einem Mehrphasengenerator z.B. durch unterschiedliche Teilmengen von Phasen des Mehrphasengenerators gebildet werden. Beispielsweise können bei einem Sechsphasengenerator drei der Phasen der ersten Teilquelle 201 und die anderen drei Phasen der zweiten Teilquelle 202 zugeordnet werden. Durch Aufteilung der Phasen eines Mehrphasengenerators können somit durch einen einzigen Generator mehrere unterschiedliche Teilquellen 201, 202 für die unterschiedlichen Teilnetze 110, 120 des Bordnetzes 100 bereitgestellt werden.
Die Energiequelleneinheit 101 umfasst typischerweise ein Gehäuse 203. An dem Gehäuse 203 können Anschlüsse 205, 206 (insbesondere Klemmen) für die unterschiedlichen Teilnetze 110, 120 angeordnet sein. Die Teilquellen 201, 202 können über interne Leitungen 206, 207 mit den unterschiedlichen Anschlüssen 205, 206 elektrisch leitend verbunden sein, um über die Anschlüsse 205, 206 elektrische Energie in den unterschiedlichen Teilnetzen 110, 120 bereitzustellen.
Außerdem umfasst die Energiequelleneinheit 101 eine Schaltelement 204, das über eine Steuereinheit 200 der Energiequelleneinheit 101 angesteuert werden kann. Typischerweise ist auch die Steuereinheit 200 innerhalb des Gehäuses 203 der Energiequelleneinheit 101 angeordnet. Die Steuereinheit 200 kann dazu verwendet werden, die Teilquellen 201, 202 (insbesondere einen elektrischen Generator und/oder einen Spannungswandler) zu steuern bzw. zu regeln.
Die Steuereinheit 200 kann ferner eingerichtet sein, einen Fehler bzw. Defekt in zumindest einem der Teilnetze 110, 120 zu detektieren. In Reaktion darauf, kann das Schaltelement 204 (z.B. ein Relais) geöffnet werden, um die internen Leitungen 206. 207 und damit die Teilnetze 110, 120 voneinander zu entkoppeln. Das Schaltelement 204 ist dabei innerhalb des Gehäuses 203 der Energiequelleneinheit 101 angeordnet. Des Weiteren kann zur Steuerung des Schaltelements 204 die Steuereinheit 200 der Energiequelleneinheit 101 (d.h. eine gemeinsame Prozessoreinheit) verwendet werden. So kann eine bauraum-, kosten- und gewichtsoptimierte Trennung der Teilnetze 110, 120 bewirkt werden.
Wie aus 2a ersichtlich, ist das erste Teilnetz 110 nach Entkopplung der Teilnetze 110, 120 weiterhin mit der ersten Teilquelle 201 und das zweite Teilnetz 120 weiterhin mit der zweiten Teilquelle 202 elektrisch leitend verbunden. Es kann somit weiterhin eine Energieversorgung der Teilnetze 110, 120 erfolgen, so dass die Betriebszeit eines sicherheitskritischen Verbrauchers 102 infolge eines Teilnetz-Defektes erhöht werden kann.
Die Energiequelleneinheit 101 aus 2a umfasst nur ein einziges Schaltelement 204 zur Trennung der Teilnetze 110, 120. So kann eine Trennung der Teilnetze 110, 120 mit kurzer Reaktionszeit bewirkt werden.
2b zeigt eine Energiequelleneinheit 101 mit einer gemeinsamen Energiequelle 210. Die Energiequelle 210 ist über eine Leitung 213 mit einem ersten Schaltelement 211 und mit einem zweiten Schaltelement 212 elektrisch leitend verbunden. Das erste Schaltelement 211 ist angeordnet, um den ersten Anschluss 205 von der Energiequelle 210 zu trennen. Das zweite Schaltelement 212 ist angeordnet, um den zweiten Anschluss 206 von der Energiequelle 210 zu trennen. Die Energiequelleneinheit 101 aus 2b umfasst somit zwei, in dem Gehäuse 203 der Energiequelleneinheit 101 angeordnete, Schaltelemente 211, 212.
Die Steuereinheit 200 kann in Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers beide Schaltelement 211, 212 öffnen, um eine möglichst schnelle Entkopplung der Teilnetze 110, 120 zu bewirken. In einem zweiten Schritt kann dann das Schaltelement 212 für ein fehlerfreies Teilnetz 220 wieder geschlossen werden, während das Schaltelement 211 für ein fehlerbehaftetes Teilnetz 210 weiterhin geöffnet bleibt. So kann gewährleistet werden, dass das fehlerfreie Teilnetz 220 weiterhin mit elektrischer Energie versorgt wird und somit die Betriebszeit eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers 102 erhöht wird. Dabei steht dem fehlerfreien Teilnetz 220 die gesamte elektrische Leistung der gemeinsamen Energiequelle 210 zur Verfügung, so dass der Fehler in einem Teilnetz 110 keinen Einfluss auf die Betriebszeit eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers 102 hat.
Es können somit ein oder mehrere Schalt- bzw. Trennelemente 204, 211, 212 in ein leistungserzeugendes Steuergerät 101 eines Fahrzeugs integriert werden, z.B. in den Generator und/oder Startergenerator eines 12V-Bordnetzes oder in den DC/DC-Wandler eines 48V Bordnetzes. Das Entkoppeln kann über ein oder zwei Schaltelemente 204, 211, 212 realisiert werden, mit einer Gesamt-Energiequelle 210 oder mit zwei Teil-Energiequellen 201, 202. Die beiden Teilnetze 110, 120 sind dabei parallel verschaltet und können über die ein oder mehreren Schaltelemente 204, 211, 212 verbunden bzw. getrennt werden. Im Fehlerfall öffnen sich die ein oder mehreren Schaltelemente 204, 211, 212. Bei der Realisierung mit zwei Schaltelementen 211, 212 (siehe 2b) kann das Schaltelement 212 für das fehlerfreie Teilnetz 120 wieder geschlossen werden, nachdem infolge eines Fehlers zunächst beide Schaltelemente 211, 212 geöffnet wurden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Entkopplung der Teilnetze 110, 120 eines Energiebordnetzes 100 eines Fahrzeugs. Das Verfahren 300 kann durch eine Steuereinheit 200 einer Energiequelleneinheit 101 (z.B. eines Generators und/oder eines Spannungswandlers) ausgeführt werden. Die Energiequelleneinheit 101 kann dabei ein Gehäuse 203, mit einem ersten Anschluss 205 zum Anschluss des ersten Teilnetzes 110 und mit einem zweiten Anschluss 206 zum Anschluss des zweiten Teilnetzes 120 umfassen. Außerdem kann die Energiequelleneinheit 101 eine Energiequelle 201 umfassen, die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz 100 bereitzustellen. Ferner kann die Energiequelleneinheit 101 ein erstes Schaltelement 211 umfassen, das eingerichtet ist, die Energiequelle 201 elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 205 zu verbinden oder davon zu entkoppeln, sowie ein zweites Schaltelement 212 umfassen, das eingerichtet ist, die Energiequelle 201 elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 206 zu verbinden oder davon zu entkoppeln.
Das Verfahren 300 umfasst das Bestimmen 301, dass ein Defekt in dem ersten Teilnetz 110 vorliegt. Außerdem umfasst das Verfahren 300, in Reaktion darauf, das Veranlassen 302 des ersten Schaltelement 211, den ersten Anschluss 205 von der Energiequelle 210 zu entkoppeln, und des zweiten Schaltelements 212, den zweiten Anschluss 206 von der Energiequelle 210 zu entkoppeln. Ferner umfasst das Verfahren 300, zu einem späteren Zeitpunkt, Veranlassen 303 des zweiten Schaltelements 212, den zweiten Anschluss 206 wieder mit der Energiequelle 210 zu verbinden, während der erste Anschluss 205 weiterhin von der Energiequelle 210 entkoppelt bleibt.
Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine effiziente und schnelle Entkopplung von Teilnetzes 110, 120 eines Bordnetzes 100 (insbesondere ohne zusätzlichen Bauraum und ohne substantielle zusätzliche Kosten).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Energiequelleneinheit (101) für ein Energiebordnetz (100) eines Fahrzeugs; wobei das Energiebordnetz (100) ein erstes Teilnetz (110) und ein zweites Teilnetz (120) umfasst, die zumindest einen abgesicherten elektrischen Verbraucher (102) mit elektrischer Energie versorgen; wobei die Energiequelleneinheit (101) umfasst, - ein Gehäuse (203), mit einem ersten Anschluss (205) zum Anschluss des ersten Teilnetzes (110) und mit einem zweiten Anschluss (206) zum Anschluss des zweiten Teilnetzes (120); - eine erste Teilquelle (201), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (100) bereitzustellen; - eine erste Leitung (206), die die erste Teilquelle (201) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss (205) verbindet; - eine zweite Teilquelle (202), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (100) bereitzustellen; - eine zweite Leitung (207), die die zweite Teilquelle (202) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss (206) verbindet; - ein Schaltelement (204), das eingerichtet ist, die erste Leitung (206) und die zweite Leitung (207) elektrisch leitend zu verbinden oder zu entkoppeln; und - eine Steuereinheit (200), die eingerichtet ist, - zu bestimmen, dass ein Defekt in dem ersten Teilnetz (110) vorliegt; und - in Reaktion darauf, das Schaltelement (204) zu veranlassen, die erste und die zweite Leitung (207) voneinander zu entkoppeln.
Energiequelleneinheit (101) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Teilquelle (201) und die zweite Teilquelle (202) elektrische Energie auf Basis von zumindest teilweise unterschiedlichen Phasen einer gemeinsamen Mehrphasen-Energiequelle, insbesondere eines elektrischen MehrphasenGenerators, bereitstellen.
Energiequelleneinheit (101) gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrphasen-Energiequelle in dem Gehäuse (203) angeordnet ist.
Energiequelleneinheit (101) für ein Energiebordnetz (100) eines Fahrzeugs; wobei das Energiebordnetz (100) ein erstes Teilnetz (110) und ein zweites Teilnetz (120) umfasst, die zumindest einen abgesicherten elektrischen Verbraucher (102) mit elektrischer Energie versorgen; wobei die Energiequelleneinheit (101) umfasst, - ein Gehäuse (203), mit einem ersten Anschluss (205) zum Anschluss des ersten Teilnetzes (110) und mit einem zweiten Anschluss (206) zum Anschluss des zweiten Teilnetzes (120); - eine Energiequelle (210), die eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (100) bereitzustellen; - ein erstes Schaltelement (211), das eingerichtet ist, die Energiequelle (201) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss (205) zu verbinden oder davon zu entkoppeln; - ein zweites Schaltelement (212), das eingerichtet ist, die Energiequelle (201) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss (206) zu verbinden oder davon zu entkoppeln; und - eine Steuereinheit (200), die eingerichtet ist, - zu bestimmen, dass ein Defekt in dem ersten Teilnetz (110) vorliegt; und - in Reaktion darauf, das erste Schaltelement (211) zu veranlassen, den ersten Anschluss (205) von der Energiequelle (210) zu entkoppeln, und das zweite Schaltelement (212) zu veranlassen, den zweiten Anschluss (206) von der Energiequelle (210) zu entkoppeln; und -zu einem späteren Zeitpunkt, das zweite Schaltelement (212) zu veranlassen, den zweiten Anschluss (206) wieder mit der Energiequelle (210) zu verbinden, während der erste Anschluss (205) weiterhin von der Energiequelle (210) entkoppelt bleibt.
Energiequelleneinheit (101) gemäß Anspruch 4, wobei der spätere Zeitpunkt eine vordefinierte Zeitdauer nach einem Zeitpunkt liegt, an dem die Energiequelle (210) von dem ersten und zweiten Anschluss (205, 206) entkoppelt wird.
Energiequelleneinheit (101) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Steuereinheit (200) eingerichtet ist, - nach Entkoppeln der Energiequelle (210) von dem ersten und zweiten Anschluss (205, 206) zu bestimmen, ob auch das zweite Teilnetz (120) einen Defekt aufweist oder nicht; und - das zweite Schaltelement (212) nur dann zu veranlassen, den zweiten Anschluss (206) wieder mit der Energiequelle (210) zu verbinden, wenn bestimmt wurde, dass das zweite Teilnetz (120) keinen Defekt aufweist.
Energiequelleneinheit (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schaltelement (204, 211, 212) ein Relais und/oder einen Transistor, insbesondere ein IGBT, umfasst.
Energiequelleneinheit (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Schaltelemente (204, 211, 212) und die ein oder mehreren Energiequellen (201, 202, 210) von dem Gehäuse (203) umschlossen werden.
Energiequelleneinheit (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (204, 211, 212) eingerichtet ist, die ein oder mehreren Schaltelemente (204, 211, 212) anzusteuern, so dass der erste Anschluss (205) und der zweite Anschluss (206) in einem Normalbetrieb jeweils mit zumindest einer Energiequelle (201, 202, 210) der Energiequelleneinheit (101) gekoppelt sind.
Energiebordnetz (100) für ein Fahrzeug; wobei das Bordnetz (100) umfasst, - ein erstes Teilnetz (110) mit einem ersten Stromverteiler (113), wobei das erste Teilnetz (110) eingerichtet ist, ein oder mehrere erste elektrische Verbraucher (112) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen; - ein zweites Teilnetz (120) mit einem zweiten Stromverteiler (123), wobei das zweite Teilnetz (120) eingerichtet ist, ein oder mehrere zweite elektrische Verbraucher (122) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen; - einen abgesicherten, elektrischen Verbraucher (102), der sowohl mit dem ersten Stromverteiler (113) als auch mit dem zweiten Stromverteiler (123) elektrisch leitend verbunden ist, um unabhängig von dem jeweils anderen Teilnetz (110, 120) sowohl aus dem ersten Teilnetz (110) als auch aus dem zweiten Teilnetz (120) mit elektrischer Energie versorgt zu werden; und - eine Energiequelleneinheit (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eingerichtet ist, über einen ersten Anschluss (205) elektrische Energie in dem ersten Teilnetz (110) und über einen zweiten Anschluss (206) elektrische Energie in dem zweiten Teilnetz (120) bereitzustellen.