-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur redundanten Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs aus einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, dem zumindest einen Verbraucher eine von einem ersten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte erste Teilbordnetzspannung zuzuführen und eine von zumindest einem zweiten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte zweite Teilbordnetzspannung zuzuführen, und welche einen Gleichspannungswandler aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
-
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze zur Energieversorgung für Verbraucher von Kraftfahrzeugen, insbesondere für sicherheitsrelevante Verbraucher. Solche sicherheitsrelevanten Verbraucher sind dabei Verbraucher, welche für ihre volle Funktionstüchtigkeit eine zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie benötigen und daher ein elektrisches Bordnetz mit einer hohen Verlässlichkeit bzw. Verfügbarkeit benötigen. Beispielsweise ist ein sicherheitsrelevanter Verbraucher ein elektrisches Lenksystem oder ein elektrisches Bremssystem des Kraftfahrzeugs. Für eine zuverlässige Versorgung dieser sicherheitsrelevanten Verbraucher ist aus der
DE 102 51 589 A1 ein Bordnetz mit wenigstens zwei Teilbordnetzen, in denen jeweils eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht und welche beispielsweise über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sind, und mit wenigstens einem Verbraucher, der an eines der Teilbordnetze angeschlossen ist, bekannt. Dabei ist der Verbraucher über zwei unterschiedliche Versorgungswege bzw. Versorgungspfade mit einer Versorgungsspannung beaufschlagbar, wobei die Versorgungswege durch Entkopplungsmittel voneinander entkoppelt sind. Solche Entkopplungsmittel können beispielsweise Schalter sein.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs mit wenigen Bauteilen und damit besonders einfach und kostengünstig zu gestalten.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur redundanten Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs aus einem Bordnetz ist dazu ausgelegt, dem zumindest einen Verbraucher eine von einem ersten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte erste Teilbordnetzspannung zuzuführen und eine von zumindest einem zweiten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte zweite Teilbordnetzspannung zuzuführen. Außerdem weist die Vorrichtung einen Gleichspannungswandler auf. Darüber hinaus weist der Gleichspannungswandler einen mit dem ersten Teilbordnetz koppelbaren ersten Schalter und einen mit dem zweiten Teilbordnetz koppelbaren zweiten Schalter auf. Zur Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers ist der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt, mittels des ersten Schalters die erste Teilbordnetzspannung in eine Ausgangsspannung für den zumindest einen Verbraucher und mittels des zweiten Schalters die zweite Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung zu wandeln.
-
Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, die Energie für den zumindest einen Verbraucher des Kraftfahrzeugs von zumindest zwei Teilbordnetzen des fahrzeugseitigen Bordnetzes zu beziehen. Der zumindest eine Verbraucher ist insbesondere ein sicherheitsrelevanter Verbraucher, beispielsweise eine Lichtanlage, ein Bremssystem, ein Lenksystem, eine Wankstabilisierung, eine Kraftstoffpumpe, ein Steuergerät, ein Sensor, ein Aktuator, ein Mikrocontroller, eine Auswertelogik, ein Datenbuscontroller/Transceiver oder dergleichen. Die zur redundanten Energieversorgung für den zumindest einen Verbraucher vorgesehenen Teilbordnetze können zum Bereitstellen der elektrischen Energie in Form von der jeweiligen Teilbordnetzspannung beispielsweise jeweils einen elektrischen Energiespeicher, z.B. eine Batterie, und/oder einen Generator aufweisen. Die Vorrichtung ist als eine Gleichspannungswandlungsvorrichtung mit dem Gleichspannungswandler ausgebildet, wobei die redundante Energieversorgung mittels des Gleichspannungswandlers realisiert wird.
-
Der Gleichspannungswandler weist einen mit dem Bordnetz koppelbaren Eingang und einen mit dem zumindest einen Verbraucher koppelbaren Ausgang auf und ist dazu ausgelegt, eine an dem Eingang anliegende Eingangsspannung, also die beiden Teilbordnetzspannungen, in die Ausgangsspannung für den zumindest einen Verbraucher zu wandeln. Die beiden Teilbordnetzspannungen sind insbesondere gleich groß und betragen beispielsweise 12 V oder 48 V. Zur Spannungsumsetzung bzw. Gleichspannungswandlung weist der Eingang des Gleichspannungswandlers eine nach einem vorbestimmten Schaltzyklus periodisch arbeitende Schalteinheit auf. Zum Zwischenspeichern der von den Teilbordnetzen zugeführten Energie kann der Gleichspannungswandler beispielsweise eine Spule bzw. Induktivität sowie einen Ladekondensator aufweisen, an welchem die Ausgangsspannung für den zumindest einen Verbraucher abgreifbar ist. Eine Verschaltung der Komponenten des Gleichspannungswandlers ist dabei abhängig von dem gewünschten Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler als ein Aufwärtswandler ausgebildet sein, welcher dazu ausgelegt ist, die erste und/oder die zweite Teilbordnetzspannung in eine im Vergleich zur ersten und/oder zweiten Teilbordnetzspannung größere Ausgangsspannung zu wandeln. Auch kann vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler als ein Abwärtswandler ausgebildet ist, welcher dazu ausgelegt ist, die erste und/oder die zweite Teilbordnetzspannung in eine im Vergleich zur ersten und/oder zweiten Teilbordnetzspannung kleinere Ausgangsspannung zu wandeln.
-
Zum Beziehen der für die Versorgung des zumindest einen Verbrauchers notwendige Energie aus den zwei unterschiedlichen Teilbordnetzen weist der Eingang des Gleichspannungswandlers die Schalteinheit mit den zumindest zwei Schaltern auf. Der Gleichspannungswandler besteht also insbesondere aus den Schaltern der Schalteinheit sowie den übrigen Komponenten, beispielsweise der Spule und dem Ladekondensator, eines an sich bekannten Gleichspannungswandlers. Die Schalter sind insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs oder Leistungs-MOSFETs. Der Eingang des Gleichspannungswandlers ist dabei sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Teilbordnetz elektrisch gekoppelt. Dazu weist der Eingang beispielsweise ein erstes Eingangsklemmenpaar zum Koppeln mit dem ersten Teilbordnetz und ein zweites Eingangsklemmenpaar zum Koppeln mit dem zweiten Teilbordnetz auf, wobei das erste Eingangsklemmenpaar mit dem ersten Schalter gekoppelt ist und das zweite Eingangsklemmenpaar mit dem zweiten Schalter gekoppelt ist.
-
Der Gleichspannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich also von einem an sich bekannten Gleichspannungswandler dadurch, dass die Schalteinheit des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers die zumindest zwei Schalter bzw. eine mit der Anzahl an Teilbordnetzen korrespondierende Anzahl an Schaltern aufweist, während hingegen die Schalteinheit des an sich bekannten Gleichspannungswandlers einen Einzelschalter aufweist. Der Einzelschalter am Eingang eines an sich bekannten Gleichspannungswandlers wird also durch die Schalteinheit mit den mehreren Schaltern ersetzt. Anders ausgedrückt wird der Eingang eines an sich bekannten Gleichspannungswandlers um zumindest einen weiteren Schalter erweitert. Der erste Schalter bildet also mit den übrigen Komponenten einen Gleichspannungswandler zum Wandeln der ersten Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung und der zweite Schalter bildet mit den übrigen Komponenten einen Gleichspannungswandler zum Wandeln der zweiten Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung.
-
Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein einzelner, um den zumindest einen Schalter erweiterter Gleichspannungswandler zur redundanten Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers ausreicht. Es müssen also keine zwei Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, wobei jeder Gleichspannungswandler mit einem Teilbordnetz verbunden wird und die entsprechende Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung umwandelt. Somit kann auf besonders einfache und bauteilsparende Weise die redundante Energieversorgung für den zumindest einen Verbraucher bereitgestellt bzw. realisiert werden.
-
Besonders bevorzugt weist die die Vorrichtung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Gleichspannungswandlers auf, welche dazu ausgelegt ist, den Schaltern zum Wandeln der jeweiligen Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung ein Taktsignal nach einem vorbestimmten Aufteilungsverhältnis, durch welches eine Beteiligung der jeweiligen Teilbordnetze an der Energieversorgung vorgegeben ist, zuzuführen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eine separate, alleinstehende Steuereinrichtung der Vorrichtung sein oder in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein. Durch das Taktsignal werden Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten, also die Schaltfrequenz, für die Schalter vorgegeben, welche wiederum das Spannungsniveau der Ausgangsspannung im Vergleich zur Eingangsspannung bestimmt. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise zwischen 100 kHz und 10 MHz betragen. Durch das Aufteilungsverhältnis wird bestimmt, welcher Schalter der Schalteinheit in den Schaltzyklus, welcher Schalter zu welchem Zeitpunkt in den Schaltzyklus und welcher Schalter wie lange in den Schaltzyklus einbezogen wird. Durch den einbezogenen Schalter wird wiederum bestimmt, welches Teilbordnetz in die Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers einbezogen wird. Die Steuereinrichtung ist somit dazu ausgelegt, denjenigen Schalter, durch welchen das gemäß des Aufteilungsverhältnisses an der Energieversorgung beteiligte Teilbordnetz mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt wird, zu aktivieren und diesem das Taktsignal zum Durchführen der Gleichspannungswandlung zuzuführen.
-
Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung einen Taktumschalter, einen mit dem Taktumschalter gekoppelten Taktsignalgeber zum Bereitstellen des Taktsignals und einen mit dem Taktumschalter gekoppelten Aufteilungsverhältnisgeber zum Bereitstellen des Aufteilungsverhältnisses auf, wobei die zumindest zwei Schalter mit dem Taktumschalter elektrisch gekoppelt sind und der Aufteilungsverhältnisgeber dazu ausgelegt ist, den Taktumschalter zum Koppeln des durch das vorbestimmte Aufteilungsverhältnis vorgegebenen Schalters mit dem Taktsignalgeber anzusteuern. Der Taktumschalter ist also dazu ausgelegt, den durch das Aufteilungsverhältnis vorgesehenen Schalter an den Taktsignalgeber anzuschließen. Dazu weist der Taktumschalter beispielsweise zwei Schalterstellungen auf, wobei in einer ersten Schalterstellung des Taktumschalters der erste Schalter des Gleichspannungswandlers mit dem Taktsignalgeber und in einer zweiten Schalterstellung des Taktumschalters der zweite Schalter des Gleichspannungswandlers mit dem Taktsignalgeber gekoppelt wird. Im gekoppelten Zustand eines Schalters mit dem Taktsignalgeber wird dem Schalter das von dem Taktsignalgeber bereitgestellte Taktsignal zugeführt, sodass dieser Schalter aktiv und zum aktuellen Zeitpunkt an der Gleichspannungswandlung beteiligt ist. Dadurch wird die Teilbordnetzspannung desjenigen Teilbordnetzes in die Ausgangsspannung umgewandelt und damit dasjenige Teilbordnetz belastet, welches durch den aktuell in den Schaltzyklus einbezogenen Schalter mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt wird. Der jeweils andere Schalter, welcher nicht mit dem Taktsignalgeber gekoppelt ist, ist inaktiv und zum aktuellen Zeitpunkt nicht an der Gleichspannungswandlung beteiligt. Das mit dem inaktiven Schalter korrespondierende Teilbordnetz ist somit unbelastet.
-
Der Taktumschalter wird dabei durch den Aufteilungsverhältnisgeber entsprechend des vorbestimmten Aufteilungsverhältnisses angesteuert. Wenn das Aufteilungsverhältnis beispielsweise vorsieht, dass das erste Teilbordnetz die elektrische Energie bereitstellen soll, so koppelt der Taktumschalter den ersten Schalter mit dem Taktsignalgeber. Wenn das Aufteilungsverhältnis vorsieht, dass das zweite Teilbordnetz die elektrische Energie bereitstellen soll, so koppelt der Taktumschalter den zweiten Schalter mit dem Taktsignalgeber. Somit kann durch den Taktumschalter eine beliebige Lastverteilung auf die Teilbordnetze erfolgen. Dabei schaltet der Taktumschalter derart, dass beide Teilbordnetze bzw. Versorgungen im Takt des Gleichspannungswandlers geschaltet werden können. Die Umschaltung kann aufgrund der durch das eine Taktsignal bereitgestellten Synchronisation der Ansteuerung unterbrechungsfrei erfolgen. Somit ergibt sich für die Energieversorgung der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers eine eingangsseitige Redundanz.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, das Aufteilungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Verfügbarkeit und/oder einer Auslastung der Teilbordnetze bereitzustellen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Verfügbarkeit und/oder die Auslastung der Teilbordnetze in Abhängigkeit von den jeweiligen Teilbordnetzspannungen der Teilbordnetze zu bestimmen. Die Teilbordnetzspannungen können der Steuereinrichtung beispielsweise von einem übergeordneten Energie-und Leistungsmanagementsystem des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
-
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zum Überwachen der Verfügbarkeit überprüfen, ob eine der Teilbordnetzspannungen unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt. Im Falle, dass eine der Teilbordnetzspannungen, beispielsweise die erste Teilbordnetzspannung den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, so wird das zugehörige Teilbordnetz, also beispielsweise das erste Teilbordnetz, als nicht funktionstüchtig bzw. nicht verfügbar bewertet. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Teilbordnetzspannung des jeweils anderen, verfügbaren Teilbordnetzes, also beispielsweise die zweite Teilbordnetzspannung des zweiten Teilbordnetzes, dem Gleichspannungswandler bereitzustellen. Dazu kann sie das Taktsignal über den Taktumschalter dem entsprechenden Schalter, also beispielsweise dem zweiten Schalter, zuführen. Die Steuereinrichtung kann also denjenigen Schalter aktivieren, welcher die Spannungsumsetzung der Teilbordnetzspannung des funktionstüchtigen bzw. verfügbaren Teilbordnetzes in die Ausgangsspannung durchführt. Dann wird das Aufteilungsverhältnis beispielsweise so gewählt, dass nur dieser, mit dem verfügbaren Teilbordnetz korrespondierende Schalter in den Schaltzyklus mit einbezogen wird.
-
Die Auslastung der Teilbordnetze kann ebenfalls berücksichtigt werden. Dazu können die Teilbordnetzspannungen der jeweiligen Teilbordnetze, beispielsweise in Abhängigkeit von der Strombelastung, miteinander verglichen werden. Die Teilbordenetzspannungen geben beispielsweise Aufschluss über einen Ladezustand eines in dem Teilbordnetz angeordneten Energiespeichers. Beispielsweise kann der Energiebezug aus demjenigen Teilbordnetz, welches eine höhere Teilbordnetzspannung aufweist, erhöht werden, während hingegen der Energiebezug aus demjenigen Teilbordnetz, welches eine niedrigere Teilbordnetzspannung aufweist, verringert werden kann. Es erfolgt also eine lokale Umverteilung des Energiebezugs aus den Teilbordnetzen zugunsten des Teilbordnetzes mit der geringeren Teilbordnetzspannung. In diesem Fall kann das Aufteilungsverhältnis beispielsweise so gewählt werden, dass das Teilbordnetz mit der höheren Teilbordnetzspannung öfter und/oder länger in den Schaltzyklus einbezogen wird, als das Teilbordnetz mit der niedrigeren Teilbordnetzspannung. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Teilbordnetz mit der höheren Teilbordnetzspannung nur belastet wird, falls die Teilbordnetzspannung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. So kann verhindert werden, dass in diesem Teilbordnetz im Falle einer Rekuperation bzw. einer Energiezufuhr eine Überspannung auftritt.
-
Durch die beliebige Lastverteilung wird eine Effizienzsteigerung des gesamten Bordnetzes bzw. der jeweiligen Teilbordnetze erreicht. Die Entlastung des einen Teilbordnetzes und die Belastung des anderen Teilbordnetzes können dabei im Takt der Ansteuerung, also mit maximaler Reaktionsgeschwindigkeit, erfolgen, sodass eine Stabilisierung der Teilbordnetze bzw. Teilbordnetzspannungen erreicht werden kann.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Auslastung der Teilbordnetze prädiktiv zu bestimmen, und im Falle eines zukünftigen Belastungsereignisses bei einem der Teilbordnetze das Aufteilungsverhältnis zum Entlasten des von dem zukünftigen Belastungsereignis betroffenen Teilbordnetzes vor Eintritt des Belastungsereignisses derart vorzugeben, dass ein Einbeziehen des betroffenen Teilbordnetzes in die Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers zumindest reduziert wird und im Falle eines zukünftigen Rekuperationsereignisses bei einem der Teilbordnetze das Aufteilungsverhältnis zum Verhindern einer Überspannung in dem von dem zukünftigen Rekuperationsereignis betroffenen Teilbordnetz vor Eintritt des Rekuperationsereignisses derart vorzugeben, dass ein Einbeziehen des betroffenen Teilbordnetzes in die Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers zumindest erhöht wird. Die Steuereinrichtung ist also zum prädiktiven Energiemanagement des Bordnetzes ausgelegt. Beispielsweise kann das Teilbordnetz, bei welchem das zukünftige Belastungsereignis zu erwarten ist, bereits vor Eintritt des Belastungsereignisses entlastet werden, indem dieses Teilbordnetz beispielsweise gar nicht in die Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers einbezogen wird. Dazu kann der mit dem betroffenen Teilbordnetz korrespondierende Schalter inaktiv gesetzt werden, indem dieser Schalter in dem Aufteilungsverhältnis nicht berücksichtigt wird. Anders ausgedrückt, wird das Aufteilungsverhältnis so gewählt, dass der mit dem nicht betroffenen Teilbordnetz korrespondierende Schalter aktiviert wird, und somit nur das nicht betroffene Teilbordnetz die Energieversorgung für den zumindest einen Verbraucher bereitstellt. Bei Eintritt des Belastungsereignisses kann das betroffene Teilbordnetz das Belastungsereignis dann zuverlässig abwickeln. Auch kann ein für ein Teilbordnetz bevorstehendes Rekuperationsereignis berücksichtigt werden. Wenn dieses Teilbordnetz beispielsweise eine bereits vollgeladene Batterie aufweist und ein Rekuperationsereignis bevorsteht, so kann das Teilbordnetz zum Entladen der Batterie bewusst belastet werden und beispielsweise zumindest zeitweise ausschließlich zur Energieversorgung für den zumindest einen Verbraucher verwendet werden. Dadurch kann verhindert werden, dass die bereits vollgeladene Batterie durch das Rekuperationsereignis überladen wird und eine Überspannung in diesem Teilbordnetz auftritt.
-
Auch kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, das Aufteilungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Degradierung des zumindest einen Verbrauchers zu bestimmen. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine ausgangsseitige Degradierung, beispielsweise im Falle eines Leistungsdefizits bzw. Energiedefizits, in ihrer Auswirkung unterschiedlich auf die Teilbordnetze verteilt werden, sodass entweder die Degradierung minimiert wird und/oder die Degradierung nur auf ein Teilbordnetz zurückwirkt.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest zwei Teilbordnetze sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder ein Ausführungsform davon. Vorzugsweise weisen das erste und das zumindest eine zweite Teilbordnetz zum Bereitstellen der jeweiligen Teilbordnetzspannung jeweils zumindest einen Energiespeicher und/oder einen Generator auf.
-
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen Verbraucher und ein erfindungsgemäßes Bordnetz. Das Kraftfahrzeug kann als den Verbraucher eine Lichtanlage, eine Lenkung, ein Bremssystem, eine Wankstabilisierung oder eine Kraftstoffpumpe aufweisen, welcher über die Gleichspannungswandlungsvorrichtung mit den zumindest zwei Teilbordnetzen des Bordnetzes elektrisch verbunden ist.
-
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung der Vorrichtung.
-
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 und 2 zeigen Ausführungsformen einer Vorrichtung 1, welche dazu ausgelegt ist, einen hier nicht gezeigten Verbraucher eines hier nicht gezeigten Kraftfahrzeugs mit einem hier nicht gezeigten Bordnetz des Kraftfahrzeugs zu koppeln. Ein solcher Verbraucher ist insbesondere ein sicherheitsrelevanter Verbraucher des Kraftfahrzeugs, welcher eine zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie benötigt. Zur zuverlässigen Energieversorgung ist die Vorrichtung 1 dazu ausgelegt, dem Verbraucher elektrische Energie aus zumindest zwei hier nicht gezeigten Teilbordnetzen des Bordnetzes zuzuführen. Die Vorrichtung 1 weist dazu einen Gleichspannungswandler 2 auf, welcher dazu ausgelegt ist, eine an einem Eingang E des Gleichspannungswandlers 2 bereitgestellte Eingangsspannung in eine an einem Ausgang A des Gleichspannungswandlers 2 bereitgestellte Ausgangsspannung UA für den Verbraucher zu wandeln.
-
Der Eingang E weist ein erstes Eingangsklemmenpaar K1 auf, welches an ein erstes Teilbordnetz angeschlossen wird, und ein zweites Eingangsklemmenpaar K2 auf, welches an ein zweites Teilbordnetz angeschlossen wird. Das erste Teilbordnetz stellt eine erste Teilbordnetzspannung UE1 bereit, welche zwischen dem ersten Eingangsklemmenpaar K1 anliegt. Der Gleichspannungswandler 2 ist dazu ausgelegt, die erste Teilbordnetzspannung UE1 in die Ausgangsspannung UA zu wandeln. Das zweite Teilbordnetz stellt eine zweite Teilbordnetzspannung UE2 bereit, welche zwischen dem zweiten Eingangsklemmenpaar K2 anliegt. Der Gleichspannungswandler 2 ist dazu ausgelegt, die zweite Teilbordnetzspannung UE2 in die Ausgangsspannung UA zu wandeln. Die Teilbordnetzspannungen UE1, UE2 sind insbesondere im Wesentlichen gleich groß und können von einem Energiespeicher oder Generator des jeweiligen Teilbordnetzes bereitgestellt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Teilbordnetzspannungen UE1, UE2 unterschiedliche Spannungshöhen, beispielsweise 12 V und 48 V, aufweisen.
-
Der Gleichspannungswandler 2 weist eingangsseitig zwei Schalter S1, S2 auf, wobei der erste Schalter S1 mit dem ersten Eingangsklemmenpaar K1 elektrisch verbunden ist und der zweite Schalter S2 mit dem zweiten Eingangsklemmenpaar K2 elektrisch verbunden ist. Durch den ersten Schalter S1 erfolgt die Umsetzung der ersten Teilbordnetzspannung UE1 in die Ausgangsspannung UA, durch den zweiten Schalter S2 erfolgt die Umsetzung der zweiten Teilbordnetzspannung UE2 in die Ausgangsspannung UA. Außerdem weist die Vorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 3 zum Ansteuern der Schalter S1, S2 des Gleichspannungswandlers 2 auf. Über das Aktivieren der entsprechenden Schalter S1, S2 durch die Steuereinrichtung 3 kann bestimmt werden, aus welchem Teilbordnetz die für den Verbraucher benötigte Energie bezogen wird.
-
Gemäß 1 ist der Gleichspannungswandler 2 als ein Abwärtswandler bzw. Tiefsetzsteller ausgebildet. Dies bedeutet, dass die durch den Gleichspannungswandler 2 ausgegebene Ausgangsspannung UA kleiner ist im Vergleich zu der Eingangsspannung, welche beispielsweise die erste Teilbordnetzspannung UE1 oder die zweite Teilbordnetzspannung UE2 sein kann. Zum Wandeln der ersten Teilbordnetzspannung UE1 in die Ausgangsspannung UA wird der erste Schalter S1 von der Steuereinrichtung 3 regelmäßig ein- und ausgeschaltet, sodass die elektrische Energie von dem an das erste Eingangsklemmenpaar K1 angeschlossenen ersten Teilbordnetz an den am Ausgang A angeschlossenen Verbrauer transferiert wird. Zum Wandeln der zweiten Teilbordnetzspannung UE2 in die Ausgangsspannung UA wird der zweite Schalter S2 von der Steuereinrichtung 3 regelmäßig ein- und ausgeschaltet, sodass die elektrische Energie von dem an das zweite Eingangsklemmenpaar K2 angeschlossenen zweiten Teilbordnetz an den am Ausgang A angeschlossenen Verbrauer transferiert wird.
-
Der Gleichspannungswandler 2 weist eine eingangsseitige Spule L1 und einen ausgangsseitigen Ladekondensator C1 auf. Die Höhe der Ausgangsspannung UA kann durch einen Schaltzyklus des jeweiligen Schalters S1, S2, insbesondere durch dessen Ein- und Ausschaltzeiten, eingestellt werden. Im geschlossenen Zustand des jeweiligen Schalters S1, S2 sperrt eine zwischen die Eingangsklemmen der Eingangsklemmenpaare K1, K2 geschaltete Diode D1 und ein Strom fließt durch die Spule L1 und durch den Verbraucher. Im ausgeschalteten Zustand der Schalter S1, S2 wird die in der Spule L1 gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D1 und aus dem Kondensator C1.
-
Gemäß 2 ist der Gleichspannungswandler 2 als ein Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller ausgebildet. Dies bedeutet, dass die durch den Gleichspannungswandler 2 ausgegebene Ausgangsspannung UA größer ist im Vergleich zu der Eingangsspannung, welche beispielsweise die erste Teilbordnetzspannung UE1 oder die zweite Teilbordnetzspannung UE2 sein kann. Hier ist eine erste Spule L2a in Reihe mit einer ersten Freilaufdiode D2a geschaltet. Die erste Spule L2a kann durch den ersten Schalter S1 gegen Masse geschaltet werden. Eine zweite Spule L2b ist in Reihe mit einer zweiten Freilaufdiode D2b geschaltet. Die zweite Spule L2b kann durch den zweiten Schalter S2 gegen Masse geschaltet werden. An die Dioden D2a, D2b ist ausgangsseitig ein Ladekondensator C2 geschaltet, an welchem die Ausgangsspannung UA abfällt. Im geschlossenen Zustand des jeweiligen Schalters S1, S2 fällt die jeweilige Teilbordnetzspannung UE1, UE2 an der jeweiligen Spule L2a, L2b ab, sodass der Strom durch die jeweilige Spule L2a, L2b und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie ansteigen. Wird der jeweilige Schalter S1, S2 geöffnet, so fließt der Strom über die jeweilige Diode D2a, D2b weiter und lädt den Ladekondensator C2.
-
Welcher Schalter S1, S2 zur Gleichspannungswandlung durch die Steuereinrichtung 3 geschaltet wird, hängt dabei beispielsweise von einer Verfügbarkeit und/oder einer Auslastung der Teilbordnetze und/oder von einer Degradierung des Verbrauchers ab. Über den durch die Steuereinrichtung 3 aktivierten Schalter S1, S2 kann somit bestimmt werden, welches Teilbordnetz belastet wird und die Energie für den zumindest einen Verbraucher bereitstellt. In 3 ist eine Ausführungsform der Steuereinrichtung 3 gezeigt. Die Steuereinrichtung 3 weist einen Taktsignalgeber 4 zum Bereitstellen des Taktsignals für die Schalter S1, S2 auf. Derjenige Schalter S1, S2, welchem das Taktsignal zugeführt wird, ist also aktuell an der Gleichspannungswandlung beteiligt und damit aktiv. Der jeweils andere Schalter S1, S2 ist aktuell nicht an der Gleichspannungswandlung beteiligt und daher inaktiv. Das Taktsignal wird dem jeweiligen Schalter S1, S2 über einen Taktumschalter 5 zugeführt, welcher mit dem Taktsignalgeber 4 sowie den Schaltern S1, S2 verbunden ist. In einer Schalterstellung des Taktumschalters 5, wie in 3 gezeigt, wird hier der zweite Schalter S2 mit dem Taktsignalgeber 4 verbunden und damit aktiviert. Das Taktsignal wird also dem zweiten Schalter S2 zugeführt. Der erste Schalter S1 ist hier inaktiv. Im Falle, dass die Teilbordnetze unterschiedliche Teilbordnetzspannungen UE1, UE2 bereitstellen, welche jedoch in die gleiche Ausgangsspannung UA für den zumindest einen Verbraucher umgewandelt werden sollen, wird jedem Schalter S1, S2 ein spezifisches Taktsignal mit entsprechenden Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten durch den Taktsignalgeber 4 zugeführt, durch welche die Ausgangsspannung UA auf die entsprechende Spannungshöhe eingestellt werden kann.
-
Wann, wie oft und wie lange die Schalter S1, S2 geschaltet werden, wird durch den Aufteilungsverhältnisgeber 6 vorgegeben. Der Aufteilungsverhältnisgeber 6 steuert den Taktumschalter 5 gemäß einem vorbestimmten Aufteilungsverhältnis an, durch welches festgelegt wird, welches Teilbordnetz wann, wie oft und wie lange an der Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers beteiligt ist. Das Aufteilungsverhältnis wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und/oder der Auslastung der Teilbordnetze, auch der zukünftigen Auslastung, und/oder von der Degradierung des Verbrauchers bestimmt. Wenn beispielsweise durch die Steuereinrichtung 3 anhand der ersten Teilbordnetzspannung UE1 erkannt wurde, dass das erste Teilbordnetz defekt und daher nicht verfügbar ist, so kann das Aufteilungsverhältnis derart vorgegeben werden, dass das erste Teilbordnetz nicht an der Energieversorgung beteiligt wird. Der Aufteilungsverhältnisgeber 6 steuert also den Taktumschalter 5 derart an, dass nur der zweite Schalter S2 mit dem Taktsignalgeber 4 verbunden wird und damit das Taktsignal nur dem zweiten Schalter S2 zugeführt wird. Dadurch wandelt der Gleichspannungswandler 2 die zweite Teilbordnetzspannung UE2 in die Ausgangsspannung UA für den Verbraucher um.
-
Wenn beispielsweise durch die Steuereinrichtung 3 anhand der ersten Teilbordnetzspannung UE1 erkannt wurde, dass das erste Teilbordnetz stärker ausgelastet ist, als das zweite Teilbordnetz, so kann das Aufteilungsverhältnis derart vorgegeben werden, dass das erste Teilbordnetz nicht so oft bzw. nicht so lange an der Energieversorgung beteiligt wird. Der Aufteilungsverhältnisgeber 6 steuert also den Taktumschalter 5 derart an, dass der zweite Schalter S2 öfter und/oder länger mit dem Taktsignalgeber 4 verbunden wird. Dadurch wird das erste Teilbordnetz weniger stark belastet als das zweite Teilbordnetz, sodass ein Auslastungsangleich der Teilbordnetze erfolgen kann. Die Bestimmung der Auslastung der Teilbordnetze kann auch prädiktiv erfolgen. Falls beispielsweise erfasst wurde, dass eines der Teilbordnetze ein zu einem späteren Zeitpunkt eintretendes Belastungsereignis erfährt, so kann dieses Teilbordnetz durch Reduzieren einer Beteiligung des korrespondierenden Schalters an der Gleichspannungswandlung vorsorglich entlastet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gleichspannungswandler
- 3
- Steuereinrichtung
- 4
- Taktsignalgeber
- 5
- Taktumschalter
- 6
- Aufteilungsverhältnisgeber
- UE1, UE2
- Teilbordnetzspannungen
- UA
- Ausgangsspannung
- E
- Eingang
- A
- Ausgang
- K1, K2
- Eingangsklemmenpaare
- S1,S2
- Schalter
- L1, L2a, L2b
- Spulen
- D1, D2a, D2b
- Dioden
- C1,C2
- Ladekondensatoren
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
