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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Funktionalität einer Elektronikbaugruppe eines Kraftfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Steuergerät.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Bei den derzeitig in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrifizierten Kraftfahrzeugen verwendeten Schaltungsdesigns zur Versorgung Fahrzeuginterner Verbraucher mit einer hohen Bordspannung, muss eine Niedervoltspannungsversorgung, beispielweise von 12 Volt für die Versorgung der Elektronikbaugruppen bestehen bleiben. Diese 12 Volt Niedervoltspannungsversorgung dient der Ansteuerung der Elektronikbaugruppen, insbesondere der Steuergeräte und der Datenkommunikation innerhalb der elektrifizierten Kraftfahrzeuge und ist für Serviceaktivitäten und Anwender gefahrlos zugänglich. Um verschiedene Bordnetze mit unterschiedlichem Spannungslevel in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug betreiben zu können, müssen diese, insbesondere die 12 Volt Niederspannungsversorgung von der Hochvoltspannungsversorgung galvanisch getrennt werden.
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Zudem müssen die anzusteuernden Mikrocontroller der Elektronikbaugruppen ebenfalls galvanisch in der Hochvoltseite eingebunden sein, um die dortigen Steuer- und Kontrollaufgaben bewältigen zu können. Diesbezüglich sind die Mikrocontroller jeweils für die entsprechend verwendeten Bordnetze bzw. Spannungslevel auszulegen. Allerdings verbleiben neben der somit erforderlichen DC/DC Wandler Struktur, einschließlich des dort erforderlichen Leistungshalbleiters, die Aufgaben der Schnittstellenverwaltung, sowie verschiedene Verwaltungs- und Messtechnikaufgaben auf der 12 Volt Niedervoltseite.
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Somit müssen bei den bestehenden Elektronikbaugruppen, logische Signalverknüpfungen geschaffen werden, die beispielsweise abhängig von der 12 Volt Niederspannungsversorgung oder den empfangenen Datensignalen, beispielsweise ein sofortiges Spannungsfreischalten der Hochvoltseite auslösen können. Diese Signalverknüpfungen, sowie die logischen Verknüpfungen und Verwaltungs- und Messtechnikaufgaben werden durch elektronische Bauteile, insbesondere durch passive elektronische Bauteile umgesetzt. Dies hat zur Folge, dass die Elektronikbaugruppen und somit die Steuergeräte durch die hohe Anzahl an elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte in der Bauart und Baugröße im Umfang und an Komplexität zunehmen. Dies führt dazu, dass ein größerer oder zusätzlicher Bauraum für die Verwendung der Steuergeräte notwendig ist.
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Zudem bewirkt die Unterbringung einer hohen Anzahl an elektronische Bauteile auf einer Leiterplatte eine Reduzierung der Zuverlässigkeit des Steuergeräts und der einhergehenden elektromagnetischen Verträglichkeit. Eine erhöhte Störbelastung erfordert eine hohe Anzahl an teurer und großer Filterbauelemente.
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Ferner besteht die Notwendigkeit, insbesondere im Bereich der Hochvoltspannungsversorgung in elektrifizierten Kraftfahrzeugen, die funktionale Sicherheit (FUSI) des elektrifizierten Fahrzeugs und dessen Komponenten in FUSI relevanten Situationen zu gewähren leisten. Hierbei bezeichnet die funktionale Sicherheit den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion des sicherheitsbezogenen Systems und anderer risikomindernder Maßnahmen abhängt. Um die funktionale Sicherheit, insbesondere für sicherheitsrelevante elektrische und/oder elektronische Systeme in elektrifizierten Kraftfahrzeugen zu gewährleisten, ist ab einem entsprechenden Sicherheitslevel die Erfüllung der Forderung nach einer Redundanz in der Datenverarbeitung gefordert. Die ist gerade bei elektrifizierten Kraftfahrzeugen mit unterschiedlichen bzw. hohen Spannungslevel erforderlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Funktionalitäten von elektronischen Bauteilen bestehender Elektronikbaugruppen in eine integrierte Schaltungsanordnung auszulagern und dort umzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine integrierte Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- - Eine integrierte Schaltungsanordnung zur Umsetzung von mindestens einer Funktionalität wenigstens einer Elektronikbaugruppe eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug eine galvanisch getrennte Niedervoltseite und Hochvoltseite aufweist, mit einem elektrischen Eingang, der derart ausgebildet und angeordnet ist, um mit einer Niederspannungsversorgung der Niedervoltseite gekoppelt zu werden, mit einer Kommunikationsbusschnittstelle, die derart ausgebildet und angeordnet ist, um mit einem Kommunikationsbussystem gekoppelt zu werden, mit wenigstens einer weiteren Kommunikationsschnittstelle, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der integrierten Schaltungsanordnung die Kommunikation der umgesetzten Funktionalität mit der Elektronikbaugruppe des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mit einer Überwachungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die umgesetzte Funktionalität zu überwachen.
- - Ein Steuergerät mit einer solchen integrierten Schaltungsanordnung.
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In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff integrierte Schaltungsanordnung eine Schaltung zu verstehen, die monolithisch in einen Schaltkreis, beispielsweise in einem Custom-IC, umgesetzt ist.
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Unter einer Elektronikbaugruppe sind die elektronischen Bauteile zu verstehen, die in ihrer Gesamtheit mögliche Ansteuerungs- und Schaltungsfunktionen bereitstellen.
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Unter galvanischer Trennung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen zu verstehen. Die elektrische Leistung wird dabei durch elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder, beispielsweise Isolatorbausteine, aufgetrennt. Bei galvanischer Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei.
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Die der vorliegenden Erkenntnis zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass es nicht zwingenderweise notwendig ist, alle erforderlichen Funktionen, beispielsweise das Überwachen und Auswerten von Schnittstelleninformationen, das Erzeugen von Steuersignalen entsprechend der ausgewerteten Schnittstellenfunktionen, mit logischen Gattern umzusetzen. Vielmehr können diese Funktionen in eine eigene Instanz (integrierte Schaltungsanordnung) implementiert werden, welche die notwendigen Treiberstrukturen und Kontrollinstanzen beinhaltet, logische Abfragen von Steuerungselementen für Funktionen übernimmt und die eigentlichen Schnittstellentreiber, beispielsweise für LIN oder CAN so miteinander verknüpft und steuert, dass diese Instanz mit einem Hauptmikrocontroller von einem Subsystem des elektrifizierten Kraftfahrzeugs kommunizieren kann.
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Durch das Zusammenfassen der Funktionalitäten in eine integrierte Schaltungsanordnung, beispielsweise ein monolithischer Schaltkreis, kann die Anzahl der notwendigen elektronischen Bauteile für das Realisieren der Funktionalitäten reduziert bzw. eingespart werden. Diese passiven Bauteile lassen sich auf einer Chipebene durch entsprechende Halbleiterschaltungen vorteilhaft und robust umsetzen. Damit sinken die Bauteilekosten des Schaltungsdesigns überproportional. Ferner wird der erforderliche Bauraum vermindert. Zudem reduziert die verminderte Anzahl an elektronischen Bauteilen auf den Leiterplatten die Bestückungs- und Prüfkosten. Ferner sinkt die Fehleranfälligkeit während der Produktion und in der Verwendung, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des Schaltungsdesigns führen kann.
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Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung durch den nun viel kompakteren Aufbau eine vorteilhaftere Ausgestaltung in Bezug auf das EMV relevante Verhalten. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der integrierten Schaltung müssen notwendige Signale nicht zwischen der Hochvoltseite und der Niedervoltseite hin und her getauscht werden. Vielmehr werden alle notwendigen Signale auf der Niedervoltseite verarbeitet und notwendige Steuereingaben an den Hauptmikrocontroller in der Hochvoltseite bereitgestellt. Durch diese Trennung werden Einkopplungen auf die Hochvoltseite oder rückwirkend von der Hochvoltseite auf die Niedervoltseite reduziert und ungewollte elektromagnetische Effekte reduziert. Das Auftreten elektromagnetischer Effekte und somit das Störrisiko wird dahingehend reduziert, je unabhängiger die Niedervoltseite und die Hochvoltseite von einander agieren. Zudem kann die Anzahl der einzusetzenden Filterbauelemente zum Filtern der Störeinflüsse reduziert werden, womit die Kosten und der Bauraum der Schaltungsdesigns reduziert werden kann.
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Zudem wird in vorteilhafter Weise die energetische Ausbildung der Elektronikbaugruppe verbessert. Insbesondere besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit der funktionalen Signale der elektronischen Baugruppe, bestimmte Signale für elektronische Bauteile und elektronische Bauteile selbst erst zu schalten bzw. zu aktivieren, wenn erforderliche Voraussetzungen gegeben sind. Beispielsweise kann ein Wake-Up Signal über die Kommunikationsbusschnittstelle zum Aktivieren weiterer Funktionalitäten gesendet und empfangen werden. Somit kann eine Steuereinheit eines Subsystems, beispielsweise ein Schaltnetzteil erst in Betrieb gehen, wenn die Treiber der Kommunikationsbusschnittstelle initialisiert und Kommunikationssignale empfangen wurden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer Ausführungsform ist als Überwachungseinrichtung ein Mikrokontroller vorgesehen. In vorteilhafter Weise stellt der Mikrocontroller eine Kontrollinstanz über die in die integrierte Schaltungsanordnung zusammengefassten Funktionen da. Der Mikrocontroller überwacht die Funktionen und kann diese diagnostisch bewerten. Bei Bedarf kann der Mikrocontroller die aus der Bewertung gewonnen Informationen an den Hauptmikrokontroller von dem Subsystem des elektrifizierten Kraftfahrzeugs zur weiteren Bearbeitung und Steuerung des Subsystems bereitstellen. In einer Ausführungsform kann der Mikrokontroller als 8-poliger oder 16-polier SOIC ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Niedervoltseite eine Niederspannungsversorgung mit 12 Volt und die Hochvoltseite eine Hochvoltspannungsversorgung mit 48 Volt, 470 Volt oder 810 Volt auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die integrierte Schaltungsanordnung galvanisch getrennt in der Niedervoltseite des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Die integrierte Schaltungsanordnung ist derart ausgebildet, dass diese in einem zwei Spannungsumfeld eingesetzt werden kann. Die integrierte Schaltungsanordnung kann die Steuerung der galvanischen Trennung vornehmen. Über die 12 Volt Niederspannungsversorgung erfolgt die primäre Versorgung der integrierten Schaltungsanordnung. Mittels der galvanischen Trennung, die durch die integrierte Schaltungsanordnung geschaffen wird, kann diese in der Hochvoltseite bei Spannungen von 48 Volt, 470 Volt oder 810 Volt eingesetzt werden. Die galvanische Trennung wird durch ein externes Bauelement, beispielsweise durch einen Trafo bereitgestellt. In vorteilhafter Weise ist die integrierte Schaltung somit universal in den drei Fahrzeugbordspannungssystemen einsetzbar.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität eine Spannungsversorgung.
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In vorteilhafter Weise kann die integrierte Schaltungsanordnung eine elektrische Spannung als Betriebsspannung durch die Steuerung des Schaltnetzteils des Schaltungsdesigns stabilisieren und Schwankungen der Eingangsspannung in weiten Bereichen ausgleichen. Zudem steuert die integrierte Schaltungsanordnung die Logik der 12 Volt Niederspannungsversorgung. Ferner ist die Logiksteuerung der Isolatorbausteine in der integrierten Schaltungsanordnung umgesetzt. Die integrierte Schaltungsanordnung taktet den Isolatorbaustein, der die Energie für die Hochvoltseite umsetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität eine Spannungsüberwachung.
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Eine Notabschaltung eines Subsystems eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs ist beispielsweis davon abhängig, ob die Niederspannungsversorgung über die 12 Volt Spannungsversorgungsleitung gewährleistet ist. Ein nicht Vorhandensein der 12 Volt Spannungsversorgungsleitung wird durch das Subsystem des elektrifizierten Kraftfahrzeugs als ein schwerwiegender Fehler bewertet und führt ebenso wie ein Kommunikationsproblem oder ein Interlockfehler zu einem Abschalten der Hochvoltspannungsversorgung. In diesem Fall kann die integrierte Schaltungsanordnung als eine Kontrollinstanz eingreifen, da die integrierte Schaltungsanordnung ebenfalls an die 12 Volt Spannungsversorgungsleitung angeschlossen ist und somit ein Vorhanden- bzw. Nichtvorhandensein für sich selbst detektiert. In vorteilhafter Weise kann die integrierte Schaltungsanordnung ein Herunterfahren des betroffenen Subsystems des elektrifizierten Kraftfahrzeugs oder des gesamten elektrifizierten Kraftahrzeugs veranlassen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität einen Verpolungsschutz.
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Durch den Verpolungsschutz wird ein vertauschen von Minus- und Pluspol verhindert. Somit kann keine falsche Polarität an den Bauteilen anliegen und mögliche Schäden durch ein eventuelles Anlegen der falschen Polarität können minimiert werden. Weiterhin vorteilhaft erfolgt durch die integrierte Schaltungsanordnung das aktive an- und abschalten der 12 Volt Niederspannungsversorgung .
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität eine Treiberverwaltung für das Kommunikationsbussystem.
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Die integrierte Schaltungsanordnung stellt die notwendigen physikalischen Treiber für das Kommunikationsbussystem zur Verfügung und ist somit die erste verarbeitende Instanz für das elektrische Kommunikationssignal. Die integrierte Schaltungsanordnung kann beispielsweise LIN oder LAN Signale aufbereiten. Diese werden durch die integrierte Schaltungsanordnung aufbereitet und an einen Isolatorbaustein bereitgestellt. Der Isolatorbaustein ist nicht im Umfang der integrierten Schaltungsanordnung enthalten, da dieser auch Strukturen umfasst, die für die Hochvoltseite ausgebildet sind.
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Der Isolatorbaustein ist die Schnittstelle für die Übertragung der Signale zwischen der Niedervoltseite und der Hochvoltseite.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität eine Interlockverwaltung.
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Ein Interlock stellt eine gewollte und zum Teil notwendige Blockierung einer Funktionalität oder eines Systems dar. In der einfachsten Form werden beispielsweise zur mechanischen Verriegelung Riegel verwendet. Im Bereich der Elektrotechnik bezeichnet Interlock die beabsichtigte Blockierung eines Schaltgerätes durch ein weiteres Schaltgerät. Beispielsweise ist der Interlock ein Eingang der dafür zuständig ist, dass sich ein Schaltgerät sicher sein kann, dass beispielsweise Stecker auf der Hochvoltseite eine korrekte Verbindung aufweisen und somit die Hochvoltseite aktiviert und verwendet werden kann. Diese Verbindung wird nur während dem Start des Subsystems geprüft. Eine mangelhafte Verbindung während des Betriebs kann nicht detektiert werden. Dies kann zu einem Eingriff in die Hochvoltseite und zu erheblichen Schaden für Mensch und/oder Technik führen.
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In vorteilhafter Weise kann durch die integrierte Schaltungsanordnung in einem konfigurierbaren zeitlichen Abstand, beispielsweise von einigen Sekunden, die Abfrage über den Status der Stecker wiederholt werden. Wird die Überprüfung allerdings nur durch die Steuereinheit des Subsystems des elektrifizierten Kraftfahrzeugs, in dem der Status des Steckers festgestellt wird durchgeführt, ist dessen Funktionalität für die Korrektheit des ausgegebenen Status ausschlaggebend. Besteht wie durch die integrierte Schaltungsanordnung vorgesehen, aber die Notwendigkeit einer Signalweitergabe von der Steuereinheit an die integrierte Schaltungsanordnung in einer vorbestimmten Zeit, erfolgt eine Absicherung, was eine Absicherung gemäß der Interlockverwaltung entspricht. Sollte die integrierte Schaltungsanordnung nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Meldung über den Status des Steckers von der Steuereinheit erhalten, würde die integrierte Schaltungsanordnung das Subsystem des elektrifizierten Fahrzeugs abschalten.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die durch die integrierte Schaltungsanordnung umgesetzte Funktionalität eine dynamische Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers.
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In vorteilhafter Weise kann durch die integrierte Schaltungsanordnung die Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers für die Übertragung elektrischer Energie zwischen der Eingangs- und der Ausgangsseite der galvanisch getrennten Gleichspannungen steuern.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kommunikationssystem einen Feldbus, einen Profibus oder einen Most-Bus, insbesondere einen CAN-Bus oder einen LIN-Bus.
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In vorteilhafter Weise beinhaltet die integrierte Schaltungsanordnung die Schnittstellentreiber für die Kommunikation und kann somit eine Kommunikation zu der Steuereinheit eines Subsystems aufbauen.
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Ein Feldbus stellt ein Bussystem dar, dass in einem Feld Feldgeräte, beispielsweise Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktuatoren) zwecks Kommunikation mit einem Automatisierungsgerät verbindet. Somit könne vorteilhaft mittels der integrierten Schaltungsanordnung Signale von Sensoren überwacht werden.
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Ein Profibus stellt einen Standard für die Feldbus-Kommunikation in der Automatisierungstechnik dar.
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Ein Most-Bus stellt ein serielles Bussystem zur Übertragung von Audio-, Sprach,- Video- und Datensignalen dar.
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Ein CAN-Bus ist ein serielles Bussystem und gehört zu den Feldbussen. Der CAN-Bus ist für 12 Volt ausgelegt und benötigt für die Kommunikation zwei Polarität umgekehrte Signale.
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Ein LIN-Bus ist ein serielles Bussystem für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren und gehört zu den Feldbussen. Der LIN-Bus ist für 12 Volt ausgelegt und umfasst ein Signal, das gegen Masse bewertet wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Überwachungseinrichtung eine Schnittstelle zur Kommunikation mit wenigstens einer Steuereinheit der Elektronikbaugruppe des Kraftfahrzeugs auf. Vorzugsweise ist die Steuereinheit als ein Mikrocontroller, insbesondere als der Hauptmikrocontroller der Elektronikbaugruppe des elektrifizierten Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Schnittstelle zur Kommunikation mit wenigstens einer Steuerkomponente der Elektronikbaugruppe des elektrifizierten Kraftfahrzeugs kann als eine serielle Schnittstelle ausgebildet sein.
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In vorteilhafter Weise kann über die serielle Schnittstelle das in der integrierten Schaltungsanordnung, insbesondere in der Überwachungseinrichtung erzeugte Interlock-Signal über Isolatorbausteine an die Steuereinheit der Elektronikbaugruppe bereitgestellt werden. Diesbezüglich wird nur ein Kanal für die Kommunikation, insbesondere für das Bereitstellen des Interlock-Signals benötigt. Zudem erfolgt eine Konzentration der Signalintegrität auf der Niedervoltseite, dass die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung weiter ausgebildet, eine Funktionalität der Elektronikbaugruppe des Kraftfahrzeugs in redundanter Weise auszubilden.
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In vorteilhafter Weise werden Informationen, die der Hauptmikrocontroller eines Subsystems empfängt, auch der Überwachungseinrichtung der integrierten Schaltungsanordnung bereitgestellt. Die integrierte Schaltungsanordnung bewertet die Informationen und das Ergebnis. Von diesem Ergebnis ist die Ausführung weiterer Funktionen abhängig. Nach der Bewertung, wird das Ergebnis dem Hauptmikrocontroller des Subsystems bereitgestellt. Durch den damit verbundenen Informationsdialog werden redundante Entscheidungsebenen erzeugt, die für sicherheitsrelevante Funktionen vorteilhaft sind. In vorteilhafter Weise kann die integrierte Schaltungsanordnung in einer ASIL-Umgebung (Automotive Safety Integrity Level) als ein Co-Prozessor eingesetzt werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserung oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 ein Blockdiagram einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 2 ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 3 ein Blockdiagram einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuergeräts.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche, und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen zu versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt ein Blockdiagram einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltungsanordnung. Die mit Bezugszeichen 10 bezeichnete integrierte Schaltungsanordnung kann als ein monolithischer Schaltkreis ausgebildet werden und weist einen elektrischen Eingang 11 auf. Der elektrische Eingang 11 ist derart ausgebildet und angeordnet, um mit einer Niederspannungsversorgung der Niedervoltseite (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 30, beispielsweise eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30, beispielsweise einer 12 Volt Niederspannungsversorgung gekoppelt zu werden.
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Die integrierte Schaltungsanordnung 10 ist im gezeigten Beispiel galvanisch getrennt in der Niedervoltseite des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 ausgebildet. In einer Ausführungsform umfasst das elektrifizierte Fahrzeug 30 auf der Hochvoltseite eine Hochvoltspannungsversorgung mit 48 Volt, 470 Volt oder 810 Volt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Kommunikationsbusschnittstelle 12 auf. Die Kommunikationsbusschnittstelle 12 ist derart ausgebildet und angeordnet, um mit einem Kommunikationsbussystem 13 des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 gekoppelt zu werden. Das Kommunikationsbussystem 13 stellt die Kommunikation zu den einzelnen Elektronikbaugruppen 20 der einzelnen Subsysteme (nicht dargestellt) des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 und unter den einzelnen Subsystemen des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 bereit. Unter einem Subsystem des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 sind beispielsweise, die Lenkung, die Bremsvorrichtung, der Antriebsstrang, die Klimatisierung und/oder ein Hybrid Booster, der als Unterstützung für den Antriebsstrang und als Startergenerator eingesetzt wird zu verstehen. Diese Auflistung stellt keine abschließende Auflistung dar. Vielmehr sind weitere Anwendungen denkbar, die in einem System mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus, einer Niedervoltseite und einer Hochvoltseite vorliegen.
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Ferner ist in einer Ausführungsform der integrierten Schaltungsanordnung 10 das Kommunikationsbussystem 13 des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 als ein Feldbus, Profibus, oder Most-Bus, insbesondere als ein CAN-Bus oder ein LIN-Bus ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 wenigstens eine weitere Kommunikationsschnittstelle 14 auf. Die Kommunikationsschnittstelle 14 ist während des Betriebs der integrierten Schaltungsanordnung 10 dazu ausgebildet, die Kommunikation der umgesetzten Funktionalität mit der Elektronikbaugruppe 20 des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 bereit zu stellen. In einer Ausführungsform der integrierten Schaltungsanordnung 10 umfasst die umgesetzte Funktionalität Funktionalitäten der Elektronikbaugruppen aus der Niedervoltseite des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30.
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In einer Ausführungsform der integrierten Schaltungsanordnung 10 weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Kommunikationsschnittstelle 14 für jede Elektronikbaugruppe 20 zur Kommunikation, insbesondere für den Datenaustausch auf.
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In einer Ausführungsform der integrierten Schaltungsanordnung 10 weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Überwachungseinrichtung 15 auf. Die Überwachungseinrichtung 15 kann beispielsweise als ein separater Mikrocontroller, beispielsweise als ein 8-Bit oder 16-Bit SOIC ausgebildet sein. Die Überwachungseinrichtung 15 überwacht die in der integrierten Schaltungsanordnung 10 umgesetzten Funktionalitäten.
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In einer Ausführungsform der integrierten Schaltungsanordnung 10 weist die Überwachungseinrichtung 15 eine Schnittstelle 16 zur Kommunikation mit der Elektronikbaugruppe 20 auf. Die Schnittstelle 16 kann beispielsweise als eine serielle Schnittstelle ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung 15 ausgebildet, die überwachten Funktionalitäten diagnostisch zu bewerten und Information über die diagnostische Bewertung an die Steuereinheit 17 (nicht dargestellt) des Subsystems des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 bereitstellen. Diese Informationen werden über die Schnittstelle 16 dem Subsystem des elektrifizierten Kraftfahrzeugs bereitgestellt.
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In einer Ausführungsform der integrieren Schaltungsanordnung 10 umfassen die umgesetzten Funktionalitäten mindestens die Spannungsversorgung, die Spannungsüberwachung, einen Verpolungsschutz, eine Treiberverwaltung für das Kommunikationsbussystem, eine Interlockverwaltung und/oder eine dynamische Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers. Die umgesetzten Funktionalitäten sind nicht auf die gelisteten Funktionen beschränkt. Vielmehr stellt dies eine beispielhafte Auflistung für Funktionalitäten eines Subsystems eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30, beispielsweise einer Klimatisierung dar. In weiteren Subsystemen des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 können andere und/oder zusätzliche Funktionen der Niedervoltseite des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 in der integrierten Schaltungsanordnung 10 umgesetzt werden.
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2 zeigt ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltungsanordnung 10. In der integrierten Schaltungsanordnung 10 sind die Funktionalitäten, beispielsweise einer Klimatisierung eines elektrifizierten Fahrzeugs 30 (nicht dargestellt) umgesetzt. Die umgesetzten Funktionalitäten umfassen eine Spannungsversorgung 21, eine Spannungsüberwachung 22, einen Verpolungsschutz 23, eine Treiberverwaltung (24) für das Kommunikationsbussystem 13 (nicht dargestellt), eine Interlockverwaltung 25 und eine dynamische Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers 26.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Überwachungseinrichtung 15 (nicht dargestellt) eine Schnittstelle 16 (nicht dargestellt) zur Kommunikation mit einer Steuereinheit 17 eines Subsystems eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 auf.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Spannungsversorgung 21 auf. Die integrierte Schaltungsanordnung 10 kann eine elektrische Spannung als Betriebsspannung durch die Steuerung des Schaltnetzteils des Schaltungsdesigns stabilisieren und Schwankungen der Eingangsspannung in weiten Bereichen ausgleichen. Zudem steuert die integrierte Schaltungsanordnung 10 die Logik der 12 Volt Niederspannungsversorgung. Das Schaltnetzteil dient der Versorgung der Steuereinheit 17 (nicht dargestellt) sowie der sekundärseitigen Hochvoltseitigen Treiber.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Spannungsüberwachung 22 auf. Die integrierte Schaltungsanordnung 10 kann durch die Überwachungseinrichtung 15 die Spannungsintegrität überwachen. Somit hängt die Überwachung auch von zwei Instanzen ab, womit das Erfordernis der funktionalen Sicherheit an redundante Datenverarbeitung erfüllt ist.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 einen Verpolungsschutz 23 auf. Durch den Verpolungsschutz wird ein vertauschen von Minus- und Pluspol verhindert. Somit kann keine falsche Polarität an die Bauteile angelegt werden. Es können mögliche entstehende Schäden durch ein Anlegen der falschen Polarität minimiert werden. Weiterhin vorteilhaft erfolgt durch die integrierte Schaltungsanordnung das aktive An- und Abschalten der 12 Volt Niederspannungsversorgung.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Treiberschaltung 24 für das Kommunikationsbussystem 13 (nicht dargestellt) auf. In die integrierte Schaltungsanordnung 10 sind die Treiber für das Kommunikationsbussystem 13, beispielsweise den LAN-Bus oder den LIN-Bus integriert. Somit kann die Kommunikation einer Elektronikbaugruppe 20 (nicht dargestellt) in Abhängigkeit einer Fehlerfrei initialisierten Kommunikation überwacht werden. Bei auftretenden Fehlern in der Kommunikation kann die integrierte Schaltungsanordnung, beispielsweise die Steuereinheit 17 zu einem Fehlerausgabe oder einem Shutdown des entsprechenden Subsystems angeregt werden.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Interlockverwaltung 25 auf. Die Interlockverwaltung 25 ist auf der Niedervoltseite des elektrifizierten Kraftfahrzeugs 30 (nicht dargestellt) umgesetzt. Diesbezüglich wird eine Information über einen Isolatorbaustein aus der Hochvoltseite in die Niedervoltseite überführt. Das Interlocksignal soll aus sicherheitstechnischen Gründen gerade keine Hochvoltsignal darstellen. Durch das Überführen des Interlocksignals auf die Niedervoltseite, kann die integrierte Schaltungsanordnung 10 den Status des Interlocksignals erfassen und zusätzlich auch die Entscheidung der Steuereinheit 17 bezüglich des Interlocksignals bewerten. Somit findet durch eine zweite Instanz eine Überprüfung statt, ob die Interlockkontakte offen oder geschlossen sind. Sollte in einem Fehlerfall die Steuereinheit 17 trotz entsprechender Interlocksignale seine Funktionen ausführen, ohne auf die Interlocksignale zu reagieren, kann die integrierte Schaltungsanordnung 10 einen Zweiteingriff vornehmen. In vorteilhafter Weise ist somit eine redundante Auslegung und Überwachung des Interlocks gegeben.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine Überwachung der funktionalen Sicherheit auf. Auf der Hochvoltseite in elektrifizierten Fahrzeugen sind zum Schutz von Menschen und Technik die Sicherheitslevel der Funktionalen Sicherheit (FUSI) zu berücksichtigen. Die FUSI, insbesondere die Norm 26262 für „Automotive Security Integrity Level“ umfassen verschiedene Level, die ein bestimmtes Gefahrenpotential beinhalten. Ab einem bestimmten Level wird von einem System eine gewisse Redundanz in der Datenverarbeitung und Datenüberwachung gefordert. Um der Redundanz zu entsprechen, werden die entsprechenden Einrichtungen, die beispielsweise die Sicherheit garantieren, üblicherweise in einem zweisträngig System ausgebildet, so dass ein Dialog auf der Kontrollebene einsetzt und eine Überprüfung stattfindet.
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Die Überwachungseinrichtung 15 der integrierten Schaltungsanordnung 10 kann in einer Ausführungsform mehrere Strukturkerne beinhalten, um eine Überprüfung zu gewährleisten. Die Überwachungseinrichtung 15 kann die internen Funktionen der integrierten Schaltungsanordnung 10 steuern und somit als Co-Prozessor für die Steuereinheit in der Elektronikbaugruppe 20 eingesetzt werden. Somit ist die Überwachungseinrichtung 15 in der Lage, beispielsweise notwendige Funktionssicherheitsfragen anzustoßen, um sicher zu stellen, dass die Steuereinheit 17 gemäß ihrer Spezifikation arbeitet.
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In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltungsanordnung 10 eine dynamische Ansteuerung 26 eines DC/DC-Wandlers auf. Somit kann der DC/DC-Wandlers entsprechend für die Übertragung elektrischer Energie zwischen der Eingangs- und der Ausgangsseite der galvanisch getrennten Gleichspannungen gesteuert werden.
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3 zeigt ein Blockdiagram einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 40. Das erfindungsgemäße Steuergerät 40 weist hier eine erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung 10 auf.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- integrierte Schaltungsanordnung
- 11
- elektrischer Eingang
- 12
- Kommunikationsbusschnittstelle
- 13
- Kommunikationsbussystem
- 14
- Kommunikationsschnittstelle
- 15
- Überwachungseinrichtung
- 16
- Schnittstelle
- 17
- Steuereinheit
- 20
- Elektronikbaugruppe
- 21
- Funktionalität Spannungsversorgung
- 22
- Funktionalität Spannungsüberwachung
- 23
- Funktionalität Verpolungsschutz
- 24
- Funktionalität Treiberverwaltung
- 25
- Funktionalität Interlockverwaltung
- 26
- Funktionalität dynamische Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers
- 30
- Kraftfahrzeug
- 40
- Steuergerät
