DE102019219032A1

DE102019219032A1 - Aufweckvorgang für elektrische Netze in einem Fahrzeug mit elektrischem Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102019219032A1
Application number: DE102019219032.4A
Authority: DE
Inventors: Guenter Gschwantner; Martin Trunk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10
Also published as: EP4069549A1; US20230010616A1; WO2021110403A1; CN114728602A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aktivieren einer Steuereinheit in einem zweiten elektrischen Netz ausgehend von einem ersten elektrischen Netz in einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei das erste elektrische Netz galvanisch gegenüber dem zweiten elektrischen Netz abgetrennt ist, umfassend: ein Signalerzeugungsmodul zum Erzeugen eines Aufwecksignals in dem ersten elektrischen Netz; einen Transformator, welcher dazu eingerichtet ist, das Aufwecksignal und elektrische Energie von einer ersten Transformatorwicklung auf Seite des ersten elektrischen Netzes an eine zweite Transformatorwicklung auf Seite des zweiten elektrischen Netzes zu übertragen, eine Gleichrichterschaltung in dem zweiten elektrischen Netz, welche mit der zweiten Transformatorwicklung verbunden ist und zum Gleichrichten des übertragenen Aufwecksignals eingerichtet ist, und ein Schaltelement in dem zweiten elektrischen Netzes, welches mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, bei Anliegen oder bei Nicht-Anliegen des gleichgerichteten Aufwecksignals an einem Eingang des Schaltelements (50) eine Steuereinheit (60) zu aktivieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aktivierung einer Steuereinheit in einem zweiten elektrischen Netz, das von einem ersten elektrischen Netz galvanisch getrennt ist, ein entsprechendes Verfahren sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen üblicherweise mindestens zwei Netze: ein Hochvolt- oder Traktionsnetz, das an eine entsprechende Hochvolt-Batterie angeschlossen ist, sowie ein Niedervolt-Bordspannungsnetz, das ebenfalls an eine entsprechende Niedervolt-Batterie angeschlossen ist. Dabei kann die Spannung des Hochvolt-Netzes beispielsweise bei 48 V oder 60 V oder höher liegen, während das Niedervolt-Netz häufig mit einer 12 V-Versorgung versehen ist. Bevorzugt sind die beiden Netze galvanisch voneinander getrennt und damit potentialfrei zueinander, insbesondere bei höheren Spannungen.
Im abgeschalteten Zustand eines Fahrzeugs soll die Ruhestromaufnahme von Verbrauchern minimiert werden, um ein Entladen der Niedervolt-Batterie zu vermeiden. So sollte etwa die Ruhestromaufnahme eines Steuergeräts z.B. 100 µA nicht überschreiten.
Das Hochvoltnetz kann wahlweise abgeschaltet werden. Wenn die Spannung des Hochvoltnetzes zugeschaltet wird bzw. sobald eine Mindestspannung im Hochvoltnetz überschritten wird, werden mit dieser Information Steuergeräte aufgeweckt, welche sowohl am Hochvoltnetz als auch am Niedervoltnetz angeschlossen sind, um beispielsweise Schutz- und Sicherheitsfunktionen gewährleisten zu können. Die potentialfreie Übertragung dieses Signals wird üblicherweise mit induktiven oder kapazitiven Signalübertragern durchgeführt, die allerdings üblicherweise sowohl auf der primären als auch auf der sekundären Seite eine Spannungsversorgung benötigen. Somit darf die Spannungsversorgung für einen derartigen Signalübertrager auch bei abgeschaltetem Steuergerät nicht abgeschaltet sein, so dass eine erhöhte Ruhestromaufnahme von meist mehr als 100 µA unvermeidlich ist. Ebenso ist bei Verwendung eines optischen Signalübertragers mindestens ein PullUp-Widerstand zwischen dem Fototransistor und der Batterie erforderlich, so dass auch hier die Ruhestromaufnahme unerwünscht erhöht wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aktivierung einer Steuereinheit in einem zweiten elektrischen Netz ausgehend von einem ersten, davon galvanisch getrennten elektrischen Netz sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, ein Aufwecksignal und elektrische Energie mittels eines Transformators von einem ersten elektrischen Netz in ein zweites elektrisches Netz zu übertragen, wo beides dann zum Ansteuern eines Schaltelements zum Aktivieren einer Steuereinheit benutzt wird.
Mit einer derartigen Aufweckschaltung kann das zweite Netz (z.B. das Niedervolt-Bordnetz im Fahrzeug) beim Einschalten des ersten Netzes aktiviert werden, ohne dass die Ruhestromaufnahme auf der Seite des zweiten Netzes unerwünscht erhöht wird. Die erforderliche Energie für das Aufwecken bzw. Aktivieren wird über den Transformator übertragen. Insbesondere umfassen die Sekundärseite des Transformators und der Gleichrichter keine externe Energieversorgung. Insbesondere weist das sekundärseite Schaltelement einen Halbleiterschalter auf und das gleichgerichtete Aufwecksignal liegt an einem Schaltanschluss (z.B. Gate) des Halbleiterschalters an. Die Energie zum Ansteuern des Halbleiterschalters, z.B. zum Aufladen bzw. Umladen des Gates, stammt dabei von der Primärseite.
Es sei betont, dass je nach konkreter Schaltungsrealisierung das Aktivieren der Steuereinheit sowohl durch Übertragen bzw. Einsetzen des Aufwecksignals als auch durch Wegschalten bzw. Ausbleiben des Aufwecksignals ausgelöst werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gleichrichterschaltung eine Spannungsvervielfacherschaltung umfassen, so dass das gleichgerichtete Signal einen ausreichend hohen Spannungspegel für das Schaltelement erreicht.
Bevorzugt können die Transformatorwicklungen an der Potentialbarriere als Luftspulen ausgeführt sein. Alternativ können sie aber auch mit einem Flusskonzentrator versehen sein oder einen solchen aufnehmen können.
Dabei bietet es sich beispielsweise ein, den Transformator als Planartransformator auszubilden. Insbesondere ist es möglich, dabei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung als Leiterbahnen auf oder in mindestens einer Leiterplatte auszuführen, d.h. als Wicklungen, die entweder in die Leiterplatte eingebracht sind oder direkt als parallel verlaufende, z.B. in länglicher Spiralform angeordnete Leiterbahnen auf der Leiterplatte gebildet sind. Eine derartige Ausführung benötigt nur einfache Bauteile und ist sehr platzsparend und kostengünstig herzustellen, insbesondere dann, wenn die Wicklungen beispielsweise auf mehrere oder alle verfügbaren Innenlagen der Platinen verteilt werden.
Als Aufwecksignal kann das Signalerzeugungsmodul ein Taktsignal mit einer vorgegebenen Frequenz oder einen einzelnen Signalpuls erzeugen. Dabei kann beispielsweise ein bereits vorhandener Mikrocontroller auf einfache Weise für diese Aufgabe genutzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste elektrische Netz ein Hochvolt-Netz des Fahrzeugs und das zweite elektrische Netz ein Niedervolt-Netz des Fahrzeugs. Damit wird auf Seiten des Niedervolt-Netzes keine Spannungsversorgung benötigt, so dass auch der Ruhestrom am Batterieplus (Klemme 30) der Bordnetzbatterie nicht erhöht wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Aufwecksignal basierend auf einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises erzeugt werden, der aus der ersten Transformatorwicklung und der parallelgeschalteten Kapazität der Schaltung gebildet wird. Auf diese Weise kann die Effizienz der Energieübertragung deutlich erhöht werden.
Dabei kann das Aufwecksignal ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz oder auch einen einzelnen Signalpuls umfassen.
Ein erfindungsgemäßes Rechensystem, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Ein solches Rechensystem ist mit beiden elektrischen Netzen verbunden und weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aktivieren auf.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine beispielhafte Schaltskizze für eine Aufweckschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt beispielhafte Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die in 1 schematisch gezeigte Schaltung zeigt Teile einer Vorrichtung zum Aktivieren (Aufweckschaltung), welche in einem Fahrzeug mit zwei getrennten elektrischen Bordnetzen 2, 4 verwendbar ist. Dabei können Ausführungsformen der Erfindung in beliebigen Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang verwendet werden, beispielsweise bei Plugin-Hybrid-Fahrzeugen (PHEV), Vollhybrid-Fahrzeugen, reinen Elektrofahrzeugen und weiteren. Die beiden Bordnetze werden wie üblich als Hochvolt-Netz 2 und Niedervolt-Netz 4 mit jeweils eigener Energieversorgung durch z.B. eine jeweils angeschlossene Batterie (nicht gezeigt) beschrieben. Dabei kann beispielsweise das Niedervolt-Netz 4 ein 12 V-Bordspannungsnetz sein, während das Hochvolt-Netz 2 eine Batteriespannung von mehr als 60 V aufweisen kann, wobei die angegebenen Netzspannungen nur als Beispiel dienen sollen und nicht wesentlich für die Erfindung sind.
Um die Ruhestromaufnahme nicht zu erhöhen, wird erfindungsgemäß ein Aufwecksignal vom Hochvolt-Netz 2 in das Niedervolt-Netz 4 über einen Transformator 30 übertragen, der in der Lage ist, sowohl das Aufwecksignal als auch die Leistung bzw. Energie, die erforderlich ist, um ein Schaltelement zum Aufwecken des Hochvolt-Netzes 2 zu versorgen zwischen seinen beiden Wicklungen 32, 34 von einem Netz in das andere zu übertragen, ohne dabei eine eigene Stromversorgung auf der Seite des Niedervoltnetzes 4 zu benötigen.
1 zeigt auf der linken Seite das Hochvolt-Netz 2, während die rechte Seite das Niedervolt-Netz 4 des Fahrzeugs darstellt. Die beiden Netze sind galvanisch voneinander getrennt; die gestrichelte Linie zwischen den beiden gekoppelten Spulen zeigt die Potentialtrennung 70 an. Die primärseitige Spule 32 auf der Hochvolt-Seite 2 und die sekundärseitige Spule 34 auf der Niedervolt-Seite 4 bilden zusammen den Transformator 30.
Auf der Hochvolt-Seite 2 findet sich ein Modul zur Signalerzeugung 10, welches beispielsweise ein entsprechender Mikrocontroller oder ein Schaltungsbaustein sein kann, der mit einer Versorgungsspannung V_dd1 und einem Massepotential verbunden ist. Das Modul zur Signalerzeugung 10 kann beispielsweise ein Frequenzgenerator in Form eines bereits zu anderen Zwecken vorhandenen Mikrocontrollers sein. Wahlweise kann anstelle eines erzeugten Taktsignals mit einer vorgegebenen Frequenz auch nur ein Einzelpuls vorgesehen sein, der als Aufwecksignal dient.
Das erzeugte Aufwecksignal wird einem optionalen Spulentreibermodul 20 zugeleitet, welches ebenfalls mit einer Versorgungsspannung V_dd2 und dem Massepotential verbunden ist, wobei die Versorgungsspannungen des Spulentreibers V_dd2 und des Takterzeugungsmoduls V_dd1 gleich oder verschieden sein können.
Die primärseitige Spule 32 des Transformators 30, d.h. die Spule auf der Seite des Hochvolt-Netzes, kann mit der parallelgeschalteten Kapazität der Schaltung außerdem einen Schwingkreis bilden. Die Berücksichtigung der Resonanzfrequenz dieses Systems bei der Erzeugung des Aufwecksignals kann dann zu einer deutlichen Erhöhung der Effizienz dieser Schaltung sorgen.
Das Aufwecksignal kann dann auf die primärseitige Wicklung 32 des Transformators gegeben werden, welcher das Signal auf die sekundärseitige Wicklung 34 überträgt. An diese sekundärseitige Spule 34 auf der Seite des Niedervolt-Netzes kann ein Gleichrichtermodul 40 angeschlossen sein, beispielsweise nach dem Prinzip einer Verdoppler-Gleichrichterschaltung oder eine andere Spannungsvervielfacher-Schaltung, d.h. eine Schaltung, welche aus der angelegten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, die größer ist als der Scheitelwert der Eingangsspannung. Dieser Gleichrichter 40 kann dann also aus dem über den Transformator 30 übertragenen Aufwecksignal einen ausreichend hohen Spannungspegel erzeugen, der dann wiederum als direktes Eingangssignal für ein Schaltelement 50 dient, das in der Lage ist, in Abhängigkeit von diesem Eingang z.B. die vom Niedervolt-Netz 4 abgeleitete Spannungsversorgung z.B. über das Steuergerät 60 einzuschalten. Als Schaltelement 50 kann beispielsweise eine integrierte Schaltung bzw. ein vorgefertigter Chip wie ein System-Basis-Chip (SBC) verwendet werden, der die benötigten Spannungsversorgungen für das einzuschaltende Steuergerät zur Verfügung stellen kann. Relevant ist jedoch, dass das gleichgerichtete Ausgangssignal alleine als Schaltsignal für das Schaltelement 50 dient, z.B. zum Laden bzw. Umladen einer Gatekapazität zum Schalten eines Halbleiterschalters wie z.B. MOSFET oder IGBT.Der Schaltungsteil aus Gleichrichter 40 und Transformator 30 ist somit ohne externe Energieversorgung so weit belastbar, dass das gleichgerichtete Ausgangssignal alleine das Schaltelement 50 schalten kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird der Transformator 30 zur Übertragung des Aufwecksignals mit Luftspulen ausgebildet, also kernfreien Wicklungen. In einer besonders vorteilhaften Variante kann der Transformator 30 als Planartransformator ausgeführt werden, dessen Wicklungen auf einer Leiterplatte bzw. Platine gebildet werden. In einer einfachen Form können dabei die Wicklungen 32, 34 direkt in der Form von Leiterbahnen auf den beiden Oberflächen einer Platine vorliegen, so dass der Grundkörper der Platine die Potentialtrennung 70 bildet.
Die für einen derartigen Transformator 30 benötigte Platinenfläche kann weiter optimiert werden, indem die notwendigen Wicklungen 32, 34 des Transformators auf mehrere bzw. alle verfügbaren Innenlagen verteilt werden und dabei der aufgrund von Luft- und Kriechstrecken nicht verwendbare Bereich der Potentialbarriere ausgenutzt wird. Auf diese Weise kann mit geringem Platz- und Kostenaufwand eine Aufweckschaltung realisiert werden.
Auch wenn in diesem Beispiel ein Transformator ohne magnetischen Kern gewählt wurde, kann dieser wahlweise durch einen bestückbaren Transformator ersetzt werden.
2 zeigt schematisch einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß der Erfindung.
Dabei wird in Schritt 100 eine vorgegebene Bedingung erfüllt, beispielsweise dass im ersten Netz eine Hochvolt-Spannung oberhalb von 60 V anliegt, welche das Auslösen des Aufweckvorgangs bestimmt.
In Schritt 110 wird von einem Signalerzeugungsmodul wie einem Frequenzgenerator ein Aufwecksignal mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, welches in Schritt 120 von der ersten Wicklung des Transformators auf der Hochvolt-Seite auf die zweite Wicklung übertragen wird.
Schritt 130 zeigt das Erzeugen eines Spannungspegels in dem Gleichrichtermodul aus dem übertragenen Aufwecksignal an, wobei der so gebildete Spannungspegel dann gemäß Schritt 140 an den Eingang eines Schaltelements übertragen wird.
In Schritt 150 wird als Folge des am Schaltelement angelegten Eingangspegels die erforderliche Versorgungsspannung für ein Steuergerät durch das Schaltelement bereitgestellt, so dass das Steuergerät erfolgreich aufgeweckt bzw. aktiviert werden kann.
Es ist auch möglich, dass das Schaltelement bzw. der System-Basis-Chip auf der Niedervolt-Seite so eingerichtet ist, dass es in Reaktion auf unterschiedliche Signale (z.B. Hochvolt-Aufwecksignal, CAN-WakeUp, positives Signal vom Zündstartschalter an Klemme 15, ...) unterschiedliche Versorgungsspannungen zu- und abschalten kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Aufwecksignal so implementiert sein, dass über die Wicklungen des Transformators permanent ein Aufwecksignal von der Hochvolt-Seite auf die Niedervolt-Seite übertragen wird, so dass an dem Schaltelement schließlich ein High-Pegel anliegt und ein Aufweckvorgang dadurch ausgelöst wird, dass durch mindestens vorübergehendes Abschalten des Aufwecksignals ein Low-Pegel erfasst wird.

Claims

Vorrichtung zum Aktivieren einer Steuereinheit (60) in einem zweiten elektrischen Netz (4) ausgehend von einem ersten elektrischen Netz (2) in einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei das erste elektrische Netz (2) galvanisch von dem zweiten elektrischen Netz (4) getrennt ist, umfassend: ein Signalerzeugungsmodul (10) zum Erzeugen eines Aufwecksignals in dem ersten elektrischen Netz; einen Transformator (30), welcher dazu eingerichtet ist, das Aufwecksignal und elektrische Energie von einer ersten Transformatorwicklung (32) auf Seite des ersten elektrischen Netzes (2) an eine zweite Transformatorwicklung (34) auf Seite des zweiten elektrischen Netzes (4) zu übertragen, eine Gleichrichterschaltung (40) in dem zweiten elektrischen Netz (4), welche mit der zweiten Transformatorwicklung (34) verbunden ist und zum Gleichrichten des übertragenen Aufwecksignals eingerichtet ist, und ein Schaltelement (50) in dem zweiten elektrischen Netz, welches mit der Gleichrichterschaltung (40) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, bei Anliegen oder bei Nicht-Anliegen des gleichgerichteten Aufwecksignals an einem Eingang des Schaltelements (50) eine Steuereinheit (60) zu aktivieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gleichrichterschaltung (40) eine Spannungsvervielfacherschaltung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste (32) und die zweite (34) Transformatorwicklung als Luftspulen ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transformator (30) als Planartransformator gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Transformatorwicklung (32) und die zweite Transformatorwicklung (34) als Leiterbahnen auf oder in mindestens einer Leiterplatte ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Signalerzeugungsmodul (10) ein Taktsignal mit einer vorgegebenen Frequenz oder einen einzelnen Signalpuls erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste elektrische Netz (2) ein Hochvolt-Netz des Fahrzeugs ist und das zweite elektrische Netz (4) ein Niedervolt-Netz des Fahrzeugs ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (50) einen Halbleiterschalter aufweist und das gleichgerichtete Aufwecksignal an einem Schaltanschluss des Halbleiterschalters anliegt.
Verfahren zum Aktivieren einer Steuereinheit in einem zweiten elektrischen Netz durch ein erstes elektrisches Netz in einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei die Netze galvanisch voneinander getrennt sind, umfassend: Erzeugen (110) eines Aufwecksignals in einem Signalerzeugungsmodul in dem ersten elektrischen Netz, Übertragen (120) des Aufwecksignals und elektrischer Energie über einen Transformator von einer ersten Transformatorwicklung in dem ersten elektrischen Netz zu einer zweiten Transformatorwicklung in dem zweiten elektrischen Netz, Gleichrichten (130) des übertragenen Signals durch ein Gleichrichtermodul in dem zweiten elektrischen Netz, und Zuführen (140) des gleichgerichteten Aufwecksignals an einen Eingang eines Schaltelements (50) in dem zweiten elektrischen Netz, wobei das Schaltelement dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf das Anliegen oder das Nicht-Anliegen des gleichgerichteten Aufwecksignals eine angeschlossene Steuereinheit (60) zu aktivieren (150).
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend das Erzeugen (110) des Aufwecksignals basierend auf einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, der aus der ersten Transformatorwicklung (32) und der parallelen Kapazität der Schaltung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Aufwecksignal ein Taktsignal mit einer vorgegebenen Frequenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Aufwecksignal ein Signal mit einem einzelnen Signalpuls umfasst.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12 durchzuführen.