DE102021130379A1

DE102021130379A1 - Elektrisches fahrzeugsystem mit dualer versorgung und mit schutz von bewegungssteuerungskomponenten

Info

Publication number: DE102021130379A1
Application number: DE102021130379.6A
Authority: DE
Inventors: Andrew Hudson; Farouq Mozip; David Celinske; John A. DeMarco
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-05-25
Also published as: US11171481B1; CN114523922A

Abstract

Ein elektrisches Fahrzeugsystem stellt Leistung von zwei Gleichstromquellen bereit, die jeweils mit einer separaten Gruppe von integritätsgeschützten (ASIL-) Verbrauchern verbunden sind. Eine dritte Gruppe von Nicht-ASIL-Verbrauchern ist durch einen steuerbaren Isolator mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung mit beiden Leistungsquellen verbunden. Die Verbindung durch den Isolator verbindet zudem jede ASIL-Gruppe mit der anderen Gleichstromquelle. Eine Steuerschaltung beinhaltet eine Vielzahl von Treibern zum Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung. Die Steuerschaltung ist dazu konfiguriert, das Ansteuern von mindestens einer der ersten und der zweiten Transistoranordnung zu beenden, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird, bei dem der Stromfluss in mindestens einer der Transistoranordnungen einen Schwellenwert überschreitet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein elektrisches Fahrzeugsystem und insbesondere eine Trennschaltung zum Aufrechterhalten einer hohen Zuverlässigkeit kritischer Bewegungssteuerungssysteme.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Insbesondere bei der zunehmenden Verwendung von autonom angetriebenen Fahrzeugen und Drive-by-Wire-Steuerungssystemen in allen Arten von Kraftfahrzeugen ist eine hohe Zuverlässigkeit von bewegungsbezogenen Systemen wichtig.
Die internationale Norm ISO 26262 definiert ein Risikoklassifizierungsschema, das als Automotive Safety Integrity Level (ASIL) bekannt ist, und definiert Sicherheitsanforderungen hinsichtlich der Gefahrenstufe. Die Risikostufen beinhalten ASIL-A, ASIL-B, ASIL-C und ASIL-D, wobei ASIL-D die höchste Bedrohungsstufe darstellt. Die Risikostufe wird gemäß der Bedrohungsschwere, der Expositionsrate und der Steuerbarkeit bestimmt. Ein Bremssystem, ein Lenksystem, ein Motormanagementsystem, ein Airbagsystem und ein autonomes Rechen-/Sensorsystem können zum Beispiel eine ASIL-D-Stufe aufweisen. Für jede beurteilte Risikostufe werden verschiedene Prozesse und eine erforderliche Stufe der Risikominderung zur Einhaltung identifiziert. Es ist auch eine QM(Qualitätsmanagement-)-Stufe definiert, die Komponenten darstellt, die nicht gefährlich sind und die keinen ASIL-Stufen-Anforderungen unterliegen.
In Fahrzeugen, die Komponenten mit entsprechenden ASIL-Anforderungen nutzen, gibt es weiterhin viele andere Fahrzeugkomponenten auf QM-Stufe. Die elektrischen Verbraucher auf QM-Stufe können eine elektrische Leistungsquelle (z. B. Batterie, Lichtmaschine oder Gleichstromwandler) mit den elektrischen ASIL-Verbrauchern teilen. Ausfälle von elektrischen Verbrauchern auf QM-Stufe können sich auf miteinander verbundene Komponenten ausbreiten, was sich auf Verbraucher auf ASIL-Stufe (d. h. A, B, C oder D) auswirken kann. Eine Lösung wäre, die Komponenten auf QM-Stufe so auszulegen, dass sie den ASIL-Sicherheitsstufen von beliebigen verbundenen Vorrichtungen entsprechen. Aufgrund einer großen Anzahl von Altsystemen (z. B. elektrischen Verbrauchern wie einem AM/FM-Rundfunkempfänger, Innenbeleuchtung, Uhren, Sitzheizung, Videoabspielgeräten usw.), die in autonomen und Drive-by-Wire-Fahrzeugen immer noch vorhanden sind, ist es jedoch nicht praktikabel, diese Altsysteme auf das gleiche Maß an Robustheit wie die kritischen Bewegungssteuerungssysteme zu gestalten und herzustellen.
Es wäre wünschenswert, stattdessen kritische Fehler in den Altsystemen zu erkennen, die zu einem Ausfall der Bewegungssteuerung führen können, und zu verhindern, dass sie sich ausbreiten. Es wäre auch wünschenswert, reibungslose Übergänge vom normalen Betrieb in ausfallmindernde Zustände zu ermöglichen, wie etwa vom Fahren mit hoher Geschwindigkeit zum Anhalten und zum Anhalten auf kontrollierte Weise.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein elektrisches Fahrzeugsystem stellt Leistung von zwei Gleichstromquellen bereit. Jede Gleichstromquelle ist mit einer separaten Gruppe von integritätsgeschützten (ASIL) Verbrauchern verbunden. Eine dritte Gruppe von Nicht-ASIL-Verbrauchern ist durch einen steuerbaren Isolator mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung mit beiden Leistungsquellen verbunden. Die Verbindung durch den Isolator verbindet zudem jede ASIL-Gruppe mit der anderen Gleichstromquelle. Wenn der Isolator geschlossen ist, kann Leistung von jeder Gleichstromquelle zu einem beliebigen Verbraucher fließen. Eine Steuerschaltung beinhaltet eine Vielzahl von Treibern zum Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung. Die Steuerschaltung ist dazu konfiguriert, das Ansteuern von mindestens einer der ersten und der zweiten Transistoranordnung zu beenden, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird, bei dem der Stromfluss in mindestens einer der Transistoranordnungen einen Schwellenwert überschreitet. Somit werden die ASIL-Verbraucher vor Fehlern geschützt, die in den Nicht-ASIL-Verbrauchern auftreten.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrisches Fahrzeugsystem eine erste Gleichstrom-Leistungsquelle und eine zweite Gleichstrom-Leistungsquelle. Eine erste Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern ist derart verbunden, dass sie Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt. Eine zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern ist derart verbunden, dass sie Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt. Eine dritte Gruppe von Qualitätsmanagement(QM)-Verbrauchern (Ausfälle, vor denen die erste und die zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern geschützt werden sollen) ist durch einen steuerbaren Isolator mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung mit den Leistungsquellen verbunden. Die erste Transistoranordnung ist zwischen der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt, wobei die erste Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der ersten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist. Die zweite Transistoranordnung ist zwischen der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt, wobei die zweite Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der zweiten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist. Ein erster Stromsensor misst einen ersten Stromfluss durch die erste Transistoranordnung. Ein zweiter Stromsensor misst einen zweiten Stromfluss durch die zweite Transistoranordnung. Eine Steuerschaltung beinhaltet eine Vielzahl von Treibern zum Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung. Die Steuerschaltung ist dazu konfiguriert, das Ansteuern von mindestens einer der ersten und der zweiten Transistoranordnung zu beenden, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird, bei dem der erste oder der zweite Stromsensor einen ersten oder zweiten Stromfluss misst, der einen Schwellenwert überschreitet.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte Ausführungsform eines elektrischen Fahrzeugsystems gemäß der Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die Transistoranordnungen gemäß einer alternativen Ausführungsform zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die eine Transistoranordnung und Treiber aus 1 detaillierter zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die einen Strommessabschnitt aus 1 detaillierter zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die einen Spannungsmessabschnitt aus 1 detaillierter zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die eine Kurzschluss-Verifizierungsschaltung aus 1 detaillierter zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Duale elektrische Leistungsquellen an einem Kraftfahrzeug können 1) eine standardmäßige 12-V-Batteriequellenverwendung zum Versorgen von Komponenten vom alten Typ und/oder zum Versorgen eines Anlassers für eine Brennkraftmaschine und 2) eine umgewandelte Leistungsquelle, wie etwa einen Ausgang von einem Gleichrichter/Spannungsregler einer Lichtmaschine, die durch eine Brennkraftmaschine oder einen Ausgang eines Gleichstromwandlers angetrieben wird, der einen Ausgang einer Hochspannungstraktionsbatterie (z. B. typischerweise mindestens 100 V) in eine Nennspannung von 12 V herunterwandelt, beinhalten. In einigen bekannten Fahrzeugarchitekturen sind die Ausgänge der zwei Gleichstromquellen jeweils mit einem einzelnen Leistungsbus verbunden, um die gemeinsame Spannung (z. B. 12 VDC) sowohl an ASIL-Verbraucher als auch an QM-Verbraucher abzugeben, wodurch die Verbraucher weiter betrieben werden können, wenn eine Unterbrechung einer Leistungsquelle auftritt. Die Erfindung unterteilt die ASIL-Verbraucher in zwei Gruppen von Bewegungssteuerungssystemen ohne QM-Bewertung (d. h. integritätsgeschützte ASIL-Verbraucher) zum jeweiligen separaten direkten Verbinden mit einer anderen der zwei elektrischen Leistungsquellen auf gegenüberliegenden Seiten einer Trennschaltung, während QM-bewertete Verbraucher (Ausfälle, vor denen die erste und die zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern geschützt werden sollen) in der Mitte der Trennschaltung gruppiert sind. Wenn die Trennschaltung geschlossen ist, werden sowohl QM- als auch Nicht-QM-Verbraucher durch die Kombination aus dem 12-V-Batteriesystem und der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle (z. B. einem Gleichstromwandler, der durch eine Hochspannungsbatterie eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb oder eine 12-V-Lichtmaschine in einem Fahrzeug mit Brennkraftmaschine (internal combustion engine - ICE) betrieben wird) versorgt. Wenn ein Leistungsfehler (z. B. ein Überstromzustand oder ein Unterspannungszustand) an einer beliebigen Stelle in dem elektrischen System erkannt wird, wird die Trennschaltung geöffnet, um einen fortgesetzten Betrieb von mindestens der Hälfte der Nicht-QM-Verbraucher zu ermöglichen. Bei einem Fehler, der nur innerhalb der QM-Verbraucher auftritt (was das wahrscheinlichste Szenario ist), empfangen alle Nicht-QM-Verbraucher weiterhin Gleichstromleistung von einer der Gleichstromquellen.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet ein elektrisches Fahrzeugsystem 10 eine Speicherbatterie 11 und einen Gleichstromwandler 12, der eine duale Gleichstromversorgung bereitstellt. Batterieleistung (z. B. nominal 12 Volt) von der Batterie 11 wird an einem Teilbus 13 bereitgestellt, und eine äquivalente Gleichstromspannung wird an einem Teilbus 15 von dem Wandler 12 bereitgestellt. Eine erste Gruppe von ASIL-Verbrauchern 14 wird direkt durch die Batterie 15 über eine Verbindung zwischen dem Teilbus 13 und einer Fahrzeugmasse (Fahrgestellmasse) 21 mit Leistung versorgt. Eine zweite Gruppe von ASIL-Verbrauchern 16 ist von dem Teilbus 15 mit der Masse 21 verbunden. Eine Trennschaltung beinhaltet einen Trennschalter 17 und einen Trennschalter 19 zum selektiven Koppeln der Teilbusse 13 und 15 an einen mittleren Teilbus 18. Eine Vielzahl von QM-Verbrauchern 20 ist von dem mittleren Teilbus 18 mit der Masse 21 verbunden.
Jeder Trennschalter 17 und 19 beinhaltet eine jeweilige Transistoranordnung 22 und 23, die durch jeweilige Gate-Treiber 24-27 unter der Steuerung einer Steuerschaltung 28 angetrieben werden. Zusammen mit den Gate-Treibern 24-27 bildet die Steuerung 28 (die aus einem oder mehreren Mikroprozessoren bestehen kann) eine Steuerschaltung, die je nach Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fehlerzuständen einen offenen Zustand oder einen geschlossenen Zustand der Transistoranordnungen 22 und 23 anweist. Die Steuerung 28 kann über einen Multiplex-Bus 30, wie etwa einen CAN-Transceiver, mit anderen Steuerungen oder elektronischen Systemen 29 in dem Fahrzeug kommunizieren.
Jede Transistoranordnung 22 und 23 besteht aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Paaren von Schalttransistoren, die parallel geschaltet sind. Jedes in Reihe geschaltete Paar stellt Schalterredundanz bereit, sodass das Paar auch dann einen offenen Zustand erreichen kann, wenn eines des Paars durch einen Kurzschlusszustand ausgefallen ist. Die Verwendung einer Vielzahl von parallelen Paaren erhöht die Gesamtstromtragfähigkeit, während die Gesamtstrom- und Temperaturerzeugung in einzelnen Schalttransistoren begrenzt wird. Vorzugsweise bestehen die Schalttransistoren eines Trennschalters aus n-Kanal-Anreicherungstyp-MOSFETs. 3 zeigt die Transistoranordnung 22 mit einem Reihenpaar von MOSFETs 31A und 31B in einer Source-Drain-Konfiguration, wobei ihre Gate-Anschlüsse mit den Treibern 24 bzw. 25 verbunden sind. Ohne Ansteuersignal von den Treibern 24 und 25 befinden sich die MOSFETs 31A und 31B in einem offenen Zustand, um den Stromfluss von dem Teilbus 13 zu dem Teilbus 18 zu blockieren. Wenn die Treiber 24 und 25 aktiviert werden, um den MOSFETs 31A und 31B ein Treiber-Signal bereitzustellen, schalten sie in einen geschlossenen Zustand und verbinden die QM-Verbraucher an dem Teilbus 18, um Leistung von der Batterie über den Teilbus 13 zu empfangen. Das Reihenpaar von MOSFETs 31A und 31B ist parallel mit zusätzlichen Reihenpaaren der MOSFETs 32A/32B, 33A/33B und 34A/34B verbunden, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit bereitzustellen und stellt auch Redundanz bereit, falls einer der MOSFETs keinen offenen Zustand annimmt. Die Verbindungspunkte zwischen MOSFETs jedes Reihenpaars sind alle miteinander verbunden. Die Anzahl der parallelen MOSFET-Paare kann zum Beispiel unter Verwendung einer FIT-Ratenanalyse (failure in time - Fehler in der Zeit) bestimmt werden.
Die MOSFETs 31A, 32A, 33A und 34A bilden eine Spalte, deren Gate-Anschlüsse alle mit dem Treiber 24 verbunden sind, und die MOSFETs 31B, 32B, 33B und 34B bilden eine Spalte, deren Gate-Anschlüsse alle mit dem Treiber 25 verbunden sind. Die Treiber 24 und 25 werden durch die Steuerung angewiesen, das gleiche Gate-Treiber-Signal zu erzeugen (d. h., unter normalen Bedingungen werden alle MOSFETs gleichzeitig aktiviert/deaktiviert), die getrennte Steuerung unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Gate-Treibern stellt jedoch eine erhöhte Robustheit gegenüber einem möglichen Ausfall eines Gate-Treibers bereit. In einem Beispiel wurde durch eine Verdopplung der Gate-Treiber eine Rate von weniger als 10 FIT (d. h. weniger als 10 Ausfälle pro 10⁹ Stunden) erreicht.
Ein Differenzverstärker 35 weist Eingänge auf, die über die Spalte der MOSFETs 31A, 32A, 33A und 34A verbunden sind, um ein kombiniertes Rds(on) auf Grundlage des Spannungsabfalls an der Spalte zu messen. Ebenso weist ein Differenzverstärker 36 Eingänge auf, die an der Spalte der MOSFETs 31B, 32B, 33B und 34B verbunden sind, um ein kombiniertes R_ds(on) auf Grundlage des Spannungsabfalls an dieser Spalte zu messen. Ein Paar von Thermistoren 37 und 38 befindet sich in der Nähe der MOSFETs, um die Temperatur von Abschnitten der Anordnung 22 zu überwachen. Die Ausgänge der Differenzverstärker 35 und 36 und der Thermistoren 37 und 38 sind an die Steuerung gekoppelt, um eine Diagnose durchzuführen, um zu bestimmen, ob ein bestimmter MOSFET ausgefallen ist oder sich einem Ausfall nähert.
In der Source-Drain-Konfiguration aus 3 sind die inhärenten Body-Dioden jedes der MOSFETs (die von dem Drain- zu den Source-Anschlüssen zeigen) in der Richtung von dem mittleren Teilbus 18 zu dem ersten Leistungsversorgungsbus 13 leitfähig. In 1 sind die Body-Dioden der MOSFETs in der Transistoranordnung 23 in der Richtung vom mittleren Teilbus 18 zum zweiten Leistungsversorgungsbus 15 leitfähig. Wenn also die MOSFETs einer Transistoranordnung durch ein Beenden der entsprechenden Gate-Treiber-Signale in einen offenen Zustand versetzt werden, um zu versuchen, Strom von der jeweiligen Gleichstromquelle zu blockieren, würde der Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung (d. h. von der entgegengesetzten Gleichstromquelle über den mittleren Teilbus 18) nicht blockiert. Daher werden beide Trennschalter 17 und 19 gleichzeitig als Reaktion auf einen erkannten Fehlerzustand geöffnet. Wenn andernfalls ein Kurzschlussfehler an einem Anschluss der Batterie 11 oder in einem beliebigen der ASIL-Verbraucher 14, der den Teilbus 13 kurzschließt, erkannt würde und wenn der Trennschalter 17 geöffnet würde und der Trennschalter 19 geschlossen bliebe, könnte dann Strom vom Wandler 12 über die Body-Dioden in der Transistoranordnung 22 in den Kurzschluss zu fließen. Daher werden als Reaktion auf einen Fehlerzustand unter Verwendung der in 1 gezeigten Trennschaltung beide Transistoranordnungen 22 und 23 in ihre geöffneten Zustände geschaltet, was dazu führt, dass alle drei Gruppen von Verbrauchern 14, 16 und 20 voneinander getrennt werden. Wenn der Fehlerzustand in einem der QM-Verbraucher 20 auftritt, sind die ASIL-Verbraucher 14 und 16 vor dem Fehler geschützt, und sie empfangen weiterhin Gleichstromleistung von den Gleichstromquellen 11 bzw. 12. Wenn der Fehlerzustand an einer der Gleichstromquellen auftritt, werden, wenn beide Trennschalter 17 und 19 geöffnet sind, sowohl die ASIL-Verbraucher, die direkt dem Fehler ausgesetzt sind, als auch die QM-Verbraucher 20 von der Gleichstromleistung getrennt, während die verbleibende Gruppe von ASIL-Verbrauchern weiterhin Gleichstromleistung von der nicht fehlerhaften Gleichstromquelle empfängt.
Eine Schottky-Diode 80 ist aufgrund der begrenzten Stromtragfähigkeit der Body-Dioden über die MOSFET-Anordnung 22 parallel zu den Body-Dioden geschaltet. Wenn also ein Strom durch die Anordnung 22 fließt, wenn sie sich im geöffneten Zustand befindet, leitet die Diode 80 anstelle der Body-Dioden, um die MOSFETs vor schädlichen Strompegeln zu schützen. Die Zener-Dioden 81 und 82 sind an den Ausgängen der Gate-Treiber 24 und 25 bereitgestellt, um die Gate-Treiber-Spannungen auf tolerierbare Pegel zu begrenzen, falls die Treiber aufgrund einer Überspannung, die einen MOSFET beschädigen könnte, an ihrem Ausgang einen Fehler erfahren.
2 zeigt eine Modifikation eines Abschnitts der Schaltung aus 1, die eine bidirektionale Blockierung zu jedem der Trennschalter hinzufügt, die es einem Trennschalter ermöglichen kann, geschlossen zu bleiben, wenn der andere Trennschalter geöffnet wird, um einen Fehler an einem der Gleichstromquellen-Busse zu trennen. In dem ersten Trennschalter 17 ist eine Transistoranordnung 37 in Reihe mit der Transistoranordnung 22 platziert. Die Transistoranordnung 37 beinhaltet Reihenpaare von n-Kanal-Anreicherungstyp-MOSFETs mit Zeilen und Spalten, die der Transistoranordnung 22 ähnlich sind, außer dass die MOSFETs in der Anordnung 37 in einer Konfiguration mit gemeinsamer Quelle verbunden sind. Die Gate-Treiber 39 und 40 sind mit den Gate-Anschlüssen in jeweiligen Spalten von MOSFETs in der Anordnung 37 verbunden, und die Gate-Treiber 41 und 42 sind mit den Gate-Anschlüssen in jeweiligen Spalten von MOSFETs in der Anordnung 38 verbunden. Die Body-Dioden der MOSFETs in der Anordnung 37 liegen den Body-Dioden der MOSFETS in der Anordnung 22 gegenüber. Daher wird der Strom in beiden Richtungen blockiert, wenn die Gate-Treiber das Ansteuern der MOSFETs in den Anordnungen 22 und 37 beenden. Wenn ein Fehlerzustand für eine der Gleichstromquellen oder eine Gruppe von ASIL-Verbrauchern auftritt, ist es nur erforderlich, den jeweiligen Trennschalter (bestehend aus MOSFET-Anordnungen sowohl in der Source-Drain-Konfiguration als auch in der Konfiguration mit gemeinsamer Quelle) zu öffnen, um den Fehler zu trennen, wodurch ermöglicht wird, dass die QM-Verbraucher und die andere Gruppe von ASIL-Verbrauchern von der verbleibenden Gleichstromquelle aus betrieben werden. Somit können, während alle Gate-Treiber-Signale von den Gate-Treibern eines Trennschalters zu einem beliebigen Zeitpunkt den gleichen Ein- oder Aus-Pegel aufweisen, die Gate-Treiber-Signale der zwei Trennschalter möglicherweise nicht gleich sein.
Das Erkennen von Fehlerzuständen in der vorliegenden Erfindung kann das Erkennen von Stromfehlern (z. B. eines Kurzschlusses, der einen übermäßigen Stromfluss verursacht) und/oder Spannungsfehlern (z. B. Spannungsfehlanpassungen, die beim Schließen der Trennschalter große Einschaltströme verursachen könnten) beinhalten. Wie in 1 gezeigt, werden Stromfehler unter Verwendung der Stromerfassungsschaltungen 45 und 46 erkannt, und Spannungsfehler werden unter Verwendung der Spannungserfassungsschaltungen 47 und 48 für jede jeweilige Seite der Trennschaltung erkannt. Die Stromerfassungsschaltungen 45 und 46 sind im Wesentlichen identisch, ebenso wie die Spannungserfassungsschaltungen 47 und 48.
Die Stromerfassungsschaltung 45 ist in 4 detaillierter gezeigt. Zwei Widerstandsnebenschlüsse 50 und 51 sind an dem Teilbus 13 in Reihe geschaltet. Die Differenzverstärker 52 und 53 bestimmen einen Spannungsabfall an jedem Nebenschluss 50 bzw. 51, um einen Stromfluss zu messen. Jeder Nebenschluss 50 und 51 beinhaltet ein Paar von parallelen Nebenschlusswiderständen, um die Robustheit der Schaltung zu erhöhen und die Diagnose zu unterstützen, falls ein Nebenschlusswiderstand ausfällt (wenn z. B. ein Nebenschlusswiderstand ausfällt, wäre der durch den Differenzverstärker gemessene Strom für einen Nebenschluss doppelt so groß wie der Strom, der durch den anderen Differenzverstärker gemessen wird, obwohl die Ströme gleich sein sollten). Die Ausgänge der Differenzverstärker 50 und 51 werden durch einen Differenzverstärker 54 verglichen, um einen Messfehlerpegel zwischen den Stromnebenschlüssen zu bestimmen. Der Ausgang des Differenzverstärkers 54 wird der Steuerung 28 bereitgestellt, wo er mit einem Fehlerschwellenwert verglichen werden kann, und wenn der Fehlerschwellenwert überschritten wird, kann eine Fehlerbenachrichtigung an einen Benutzer oder an eine übergeordnete Steuerung in dem Host-Fahrzeug gesendet werden.
Die Ausgänge der Differenzverstärker 50 und 51 sind zudem mit jeweiligen Eingängen der Komparatoren 55 und 56 zum Vergleichen mit Auslösepegeln gekoppelt, die durch die Referenzsignale 57 und 58 eingestellt werden, die einen Überstromfehlerzustand definieren. Die Ausgänge der Komparatoren 55 und 56 sind mit den Gate-Anschlüssen der MOSFETs 60 und 61 verbunden, deren Ausgänge zwischen Masse und den jeweiligen Ausgängen der Gate-Treiber 24 und 25 gekoppelt sind. Wenn ein Überstromfehler durch einen der Komparatoren 55 oder 56 angezeigt wird (z. B. dass der Ausgang/die Ausgänge des Komparators 55 oder 56 ansteigt/anteigen), werden die MOSFETs 60 und/oder 61 aktiviert, um den Ausgang/die Ausgänge der Gate-Treiber 24 und/oder 25 auf Masse zu ziehen, wodurch beide Spalten von MOSFETs in der Transistoranordnung 22 in einen offenen Zustand gezwungen werden. Die Komparatoren 55 und 56 sind in dem Zustand mit ihren hohen Ausgängen verriegelt, sodass der Trennschalter ausgeschaltet bleibt, bis die Gleichstrom-Leistungsquellen aus-/eingeschaltet werden oder ein Rücksetzbefehl durch einen Fahrzeug-Host ausgelöst wird.
Die Spannungserfassungsschaltung 47 ist in 5 detaillierter gezeigt. Ein Widerstandsteiler 63 mit den Widerständen 64-67 wird verwendet, um eine skalierte Version der Gleichstromspannung auf dem Teilbus 13 zu erzeugen. Die Widerstände 64-67 sind auf eine Weise angeordnet, die auch eine Erkennung des Zustandes des Widerstandsteilers 63 als Hilfe bei der Fehlerdiagnose ermöglicht. Die Widerstände 64-67 sind ebenfalls auf eine Weise bemessen (unter Verwendung von Werten, die niedriger als typischerweise verwendet werden), dass schnelle transiente Messungen mit hoher Auflösung und Genauigkeit erhalten werden. Um Key-Off-Verbrauchs-Effekte (z. B. übermäßige Entladung der 12-V-Batterie) aufgrund des geringen Widerstands des Widerstandsteilers 63 zu reduzieren, wird ein Abtastschalter 68 in Reihe mit dem Widerstandsteiler 63 hinzugefügt. Der Abtastschalter 68 wird durch die Steuerung 28 eingeschaltet, wenn eine Spannungsmessung erforderlich ist, und wird dann ausgeschaltet, wenn er nicht verwendet wird. Ein Differenzverstärker 70 wird verwendet, um die Spannung an den Widerständen 66 und 67 abzulesen und den gemessenen Wert an die Steuerung 28 zu senden, wenn der Abtastschalter 68 eingeschaltet wird. Die gemessenen Spannungen für beide Seiten der Trennschaltung können durch die Steuerung 28 für den diagnostischen Schalterausgleich verwendet werden. Beim Schalterausgleich muss die Spannung an beiden Enden des Isolators im Wesentlichen gleich sein (z. B. kann eine Differenz zwischen den Spannungen nicht größer als eine vorbestimmte Differenz sein), bevor zugelassen wird, dass sich die Trennschalter aus einem geöffneten Zustand schließen. Diese Ausgleichsanforderung reduziert die möglichen großen Einschaltströme, die durch die MOSFETs fließen könnten, wenn die Differenzspannung am Isolator zu hoch wäre.
Die Schaltung in 1 zeigt ferner eine Kurzschluss-Verifizierungsschaltung 49, die in 6 detaillierter gezeigt ist. Nachdem ein Überstromfehlerzustand erkannt wurde, befinden sich alle MOSFETs in den Transistoranordnungen 22 und 23 in einem geöffneten Zustand, da die Gate-Treiber aufgehört haben, die MOSFETs in den leitfähigen Zustand zu versetzen. Nachdem der Überstromzustand vorüber ist, wäre ein Verfahren zum Bestimmen, ob die Trennschalter wieder geschlossen werden können, wünschenswert. Spannungsmessungen von den Erfassungsschaltungen 47 und 48 können verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Kurzschluss noch besteht, vorausgesetzt, der ursprünglich erkannte Kurzschluss bestand an einem der äußeren Enden des Isolators. Für QM-Verbraucher 20, die mit dem mittleren Teilbus 18 des Isolators verbunden sind, wäre während des geöffneten Zustands des Isolators nur eine niedrige oder schwebende Spannung verfügbar. Daher ist eine separate Schaltung erforderlich, um den Zustand des Teilbusses 18 zu bestimmen.
Die Kurzschluss-Verifizierungsschaltung 49 beinhaltet einen Ladeschalter 71 (z. B. einen Bipolartransistor), der zwischen dem Teilbus 13 und einer Seite eines Widerstands 72 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstands 72 ist über eine Kapazitanz, die aus den Reihenkondensatoren 74 und 75 besteht, an Masse gekoppelt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 72 und dem Kondensator 74 ist durch einen Widerstand 73 an den mittleren Teilbus 18 gekoppelt. Wenn sich der Trennschalter in einem geöffneten Zustand befindet und es gewünscht ist, zu überprüfen, ob ein Kurzschlussfehler innerhalb der QM-Verbraucher 20 noch vorhanden ist, wird der Ladeschalter 71 eingeschaltet (z. B. stellt die Steuerung dem Steueranschluss des Schalters 71 ein Treiber-Signal bereit). Dies führt dazu, dass die Kondensatoren 74 und 75 durch den Widerstand 72 geladen werden. Nach einem vorbestimmten Zeitraum wird der Ladeschalter 71 ausgeschaltet, wodurch ermöglicht wird, dass Strom von den Kondensatoren 74/75 den Teilbus 18 durch den Widerstand 73 speist. Die Spannung an den Kondensatoren 74/75 wird durch die Steuerung (über eine Verbindung, die nicht gezeigt ist) überwacht. Wenn weiterhin ein Kurzschluss vorhanden ist, der den Teilbus 18 beeinflusst, liest die Steuerung an den Kondensatoren 74/75 eine abnehmende Spannung ab. Die Trennschalter schließen sich in diesem Zustand nicht (d. h. sie bleiben offen). Wenn die Spannung an den Kondensatoren 74/75 für ein vorbestimmtes Zeitintervall im Wesentlichen konstant bleibt, liegt kein Kurzschluss vor, und es kann zugelassen werden, dass sich die Trennschalter schließen.

Claims

Elektrisches Fahrzeugsystem, Folgendes umfassend: eine erste Gleichstrom-Leistungsquelle; eine zweite Gleichstrom-Leistungsquelle; eine erste Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern, die derart verbunden ist, dass sie Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt; eine zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern, die derart verbunden ist, dass sie Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt; eine dritte Gruppe von Qualitätsmanagement(QM)-Verbrauchern, Ausfälle, vor denen die erste und die zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern geschützt werden sollen; eine erste Transistoranordnung, die zwischen der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die erste Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der ersten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist; eine zweite Transistoranordnung, die zwischen der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die zweite Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der zweiten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist; einen ersten Stromsensor, der einen ersten Stromfluss durch die erste Transistoranordnung misst; einen zweiten Stromsensor, der einen zweiten Stromfluss durch die zweite Transistoranordnung misst; und eine Steuerschaltung mit einer Vielzahl von Treibern zum Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung in einen leitfähigen Zustand, wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, das Ansteuern von mindestens einer jeweiligen einen der ersten und der zweiten Transistoranordnung zu beenden, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird, bei dem der erste oder der zweite Stromsensor einen ersten oder zweiten Stromfluss misst, der einen Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Transistoranordnung jeweils aus einer Vielzahl von MOSFETs bestehen.
System nach Anspruch 2, wobei die MOSFETs in jeder Anordnung eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Paaren beinhalten, die parallel geschaltet sind.
System nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung vier Treiber beinhaltet, wobei ein erstes Paar von Treibern mit der ersten Transistoranordnung verbunden ist und ein zweites Paar von Treibern mit der zweiten Transistoranordnung verbunden ist und wobei ein Treiber jedes Paars mit einem der MOSFETs in einem jeweiligen in Reihe geschalteten Paar verbunden ist und der andere Treiber jedes Paars mit dem anderen einen der MOSFETs in einem jeweiligen in Reihe geschalteten Paar verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Transistoranordnung als unidirektionale Trennschalter fungieren, und wobei, wenn einer von dem ersten und dem zweiten Strom den Schwellenwert überschreitet, die Steuerschaltung das Antreiben sowohl der ersten als auch der zweiten Transistoranordnung beendet, wodurch die erste, die zweite und die dritte Gruppe von Verbrauchern voneinander getrennt werden.
System nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Transistoranordnung jeweils aus einer Vielzahl von MOSFETs bestehen, die als unidirektionaler Trennschalter fungiert, wobei das System ferner Folgendes umfasst: eine dritte Transistoranordnung, die zwischen der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die dritte Transistoranordnung aus einer Vielzahl von MOSFETs besteht, die als ein unidirektionaler Trennschalter fungiert, der eine der ersten Transistoranordnung entgegengesetzte Polarität aufweist; und eine vierte Transistoranordnung, die zwischen der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die vierte Transistoranordnung aus einer Vielzahl von MOSFETs besteht, die als ein unidirektionaler Trennschalter fungiert, der eine der zweiten Transistoranordnung entgegengesetzte Polarität aufweist; wobei die Steuerschaltung ferner eine Vielzahl von Treibern zum Antreiben der dritten Transistoranordnung in einen offenen Zustand oder einen geschlossenen Zustand, der der ersten Transistoranordnung entspricht, beinhaltet, und wobei die Steuerschaltung ferner eine Vielzahl von Treibern zum Antreiben der vierten Transistoranordnung in einen offenen Zustand oder einen geschlossenen Zustand, der der zweiten Transistoranordnung entspricht, beinhaltet; und wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, das Ansteuern nur der kombinierten ersten und dritten Transistoranordnungen zu beenden, wenn der Fehlerzustand erkannt wird, in dem der erste Stromsensor einen ersten Stromfluss misst, der den Schwellenwert überschreitet, und wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, das Ansteuern nur der kombinierten zweiten und vierten Transistoranordnungen zu beenden, wenn der Fehlerzustand erkannt wird, in dem der zweite Stromsensor einen ersten Stromfluss misst, der den Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: eine erste Spannungserfassungsschaltung, die an die erste Gleichstrom-Leistungsquelle gekoppelt ist; eine zweite Spannungserfassungsschaltung, die an die zweite Gleichstrom-Leistungsquelle gekoppelt ist; wobei die Steuerschaltung an die erste und die zweite Spannungserfassungsschaltung gekoppelt ist, um eine erste Gleichstromspannung bzw. eine zweite Gleichstromspannung zu messen, und wobei die Steuerschaltung das Auslösen des Ansteuerns der ersten und der zweiten Transistoranordnung in einen leitfähigen Zustand verhindert, wenn eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Gleichstromspannung größer als eine vorbestimmte Differenz ist.
System nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite Spannungserfassungsschaltung jeweils aus einem geschalteten Widerstandsteiler bestehen.
System nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Kurzschluss-Verifizierungsschaltung, die Folgendes umfasst: einen Ladeschalter, der einen Eingang aufweist, der mit einer von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle oder der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle verbunden ist; und eine Kapazitanz, die zwischen einem Ausgang des Ladeschalters und einer Masseseite der dritten Gruppe von Verbrauchern verbunden ist; wobei der Ladeschalter einen Steueranschluss aufweist, der an die Steuerschaltung gekoppelt ist, und wobei die Steuerschaltung den Steueranschluss zu Zeiten aktiviert, in denen die Steuerschaltung das Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung beendet; und wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, eine Spannung an der Kapazitanz zu messen, nachdem der Steueranschluss aktiviert wurde, und wobei die Steuerschaltung das Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung wieder aufnimmt, wenn die gemessene Spannung während eines vorbestimmten Zeitintervalls im Wesentlichen konstant bleibt.
Elektrisches Fahrzeugsystem, Folgendes umfassend: eine erste Gleichstrom-Leistungsquelle, die aus einer ersten Batterie besteht; eine zweite Gleichstrom-Leistungsquelle, die aus einem Gleichstromwandler besteht; eine erste Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern, die derart verbunden ist, dass sie Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt; eine zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern, die derart verbunden ist, dass sie Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle empfängt; eine dritte Gruppe von Qualitätsmanagement(QM)-Verbrauchern, Ausfälle, vor denen die erste und die zweite Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern geschützt werden sollen; eine erste Transistoranordnung, die zwischen der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die erste Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der ersten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der ersten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist; eine zweite Transistoranordnung, die zwischen der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle und der dritten Gruppe von QM-Verbrauchern gekoppelt ist, wobei die zweite Transistoranordnung einen geschlossenen Zustand, der die QM-Verbraucher verbindet, um Leistung von der zweiten Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, und einen offenen Zustand zum Trennen der QM-Verbraucher von der zweiten Gruppe von integritätsgeschützten Verbrauchern aufweist; einen ersten Stromsensor, der einen ersten Stromfluss durch die erste Transistoranordnung misst; einen zweiten Stromsensor, der einen zweiten Stromfluss durch die zweite Transistoranordnung misst; und eine Steuerschaltung mit einer Vielzahl von Treibern zum Ansteuern der ersten und der zweiten Transistoranordnung in einen leitfähigen Zustand im geschlossenen Zustand, wobei die Steuerschaltung dazu konfiguriert ist, das Ansteuern von mindestens einer der ersten und der zweiten Transistoranordnung zu beenden, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird, bei dem der erste oder der zweite Stromsensor einen ersten oder zweiten Stromfluss misst, der einen Schwellenwert überschreitet.
System nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Traktionsbatterie mit einer Spannung von mindestens 100 V, wobei der Gleichstromwandler die Spannung der Traktionsbatterie in eine Spannung der ersten Batterie umwandelt.
System nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Lichtmaschine, die dazu konfiguriert ist, durch eine Brennkraftmaschine angetrieben zu werden, wobei der Gleichstromwandler einen elektrischen Ausgang der Lichtmaschine in eine Spannung der ersten Batterie umwandelt.