DE102022131938B3

DE102022131938B3 - Vorrichtung zum bereitstellen einer oder mehrerer funktionsspannungen in einem fahrzeugbordnetz

Info

Publication number: DE102022131938B3
Application number: DE102022131938.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2042-12-03
Also published as: US20240181983A1; CN118137785A

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (300) zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten. Die Vorrichtung (300) umfasst: einen Vorrichtungseingang (320), an dem eine Batteriespannung (301) anlegbar ist und eine Mehrzahl von Vorrichtungsausgängen (310a-f), an die die elektrischen Komponenten (133, 134, 135) anschließbar sind; eine Mehrzahl von Spannungswandlern (311-324) mit jeweiligen Eingängen (311a-324a), die an den Vorrichtungseingang angeschlossen sind, und jeweiligen Ausgängen (311b-324b). Jeder Spannungswandler ist ausgebildet, eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang basierend auf einer an dem jeweiligen Eingang anliegenden Spannung und einem einstellbaren Tastverhältnis bereitzustellen. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerung (710), die ausgebildet ist, das Tastverhältnis der jeweiligen Spannungswandler zu regeln, wobei die Ausgänge der Spannungswandler gemäß einer Verbindungsmatrix (330) mit den Vorrichtungsausgängen verbunden sind, um eine für die jeweilige angeschlossene Komponente angepasste Stromtragfähigkeit der Vorrichtungsausgänge (310a-f) bereitzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen zur Versorgung elektrischer Komponenten in einem Fahrzeugbordnetz, insbesondere einem Energiebordnetz. Die Erfindung betrifft insbesondere einen kanal-konfigurierbaren Mehrphasenwandler mit elektronischer Absicherung.
Stand der Technik
Heutige Energiebordnetze basieren auf der 12V Spannungslage. Einige Funktionen, wie z.B. Wankstabilisierung werden in 48V Inselbordnetzen versorgt. Generell wäre es auch wünschenswert die X-by Wire Lenkung auf die 48V Spannungslage zu heben, um die verfügbare Leistungsdynamik zu erhöhen. Bisherige Konzepte mit 48V Spannungslage haben einen zentralen, großen 48V /12V Wandler. Es existieren also zwei Hauptverteilungen in konventionellen Zweispannungs-LV (Niedervolt) Energiebordnetzen. Die erste Hauptverteilung im 48V Bordnetz für die 48V Bordnetz (BN)-Teilnehmer und die zweite im 12V Bordnetz für die 12V BN-Teilnehmer.
Die Druckschrift DE 10 2017 210 521 A1 betrifft eine Baueinheit zum Bereitstellen von Ausgangsspannungen.
Die Druckschrift DE 10 2021 005 548 A1 betrifft einen Gleichspannungswandler und eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.
Die Druckschrift DE 10 2014 210 337 A1 betrifft einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit Leistungsskalierung.
Die Druckschrift US 2006 / 0 151 219 A1 bezieht sich auf ein integriertes elektrisches Energiemodul, das die Funktionalität von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern, Wechselstrom-Wandlern und Traktionsmotor-Wechselrichtern zur Verwendung in Hybrid- und Brennstoffzellen-Personenkraftwagen kombiniert.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Konzept zur einfacheren und flexibleren Spannungsverteilung im Bordnetz zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Die erfinderische Lösung basiert auf der Idee, nur eine 48V Hauptverteilung im Bordnetz zu realisieren anstatt der bisher üblichen zwei Hauptverteilungen in konventionellen Zweispannungs-Niedervolt Energiebordnetzen, nämlich für die 48V-Verteilung und die 12V-Verteilung. Diese 48V Hauptverteilung kann erheblich reduzierte Querschnitte im Vergleich zu einer 12V Verteilung aufweisen. An dieser 48V Hauptverteilung sind die 48V Teilnehmer direkt angeschlossen. Für die 12V Teilnehmer werden dezentral über kompakte 48V/12V Wandler die 12V bereitgestellt.
Das besondere an den Wandlern ist, dass die Wandler gleichzeitig als e-Fuses (elektronische Sicherungen) für die 12V Kanäle fungieren, d.h. als sogenannte „eFuseWandler“. Der eFuseWandler beinhaltet mehrere kleine, parallel zu verschaltende DC/DC-Abwärtswandler, die im Folgenden als „Phasen“ bezeichnet werden. Der eFuseWandler kann durch eine flexible Phasen-Zusammenschaltung über eine Verbindungsmatrix für lastspezifische Stromstärken der Last-Kanäle konfiguriert werden. Beispielhaft sei die Ausprägung des eFuseWandlers als Multi-Phasen Wandler mit 14 Phasen mit jeweils 3A Stromtragfähigkeit dargestellt. In einer Konfiguration können alle vierzehn 3A Phase auf einen Ausgangskanal zusammengeschaltet werden, um bis zu 42A für eine Last zur Verfügung stellen zu können. In einem anderen Beispiel können fünf der 3A Phasen für einen 15A Kanal und neun der 3A Phasen zu einem 27A Kanal zusammengeschaltet werden. Die Phasen können lastseitig Funktionsspannungen zur Verfügung stellen, zum Beispiel Funktionsspannungen von 5V, 3,3V, 6V, 7V, etc. Diese Spannungen müssen also nicht in den Verbrauchern selbst erzeugt werden, zum Beispiel durch Wandlung von 12V auf 5V. Weil auf der Verbraucher-Seite keine Batterie ist, ist man nicht auf eine Batteriespannung von zum Beispiel 12V festgelegt.
Der Multiphasen-Wandler kann auch 0V für eine Phase zur Verfügung stellen. Ein Motor, der an zwei Phasen angeschlossen ist, kann somit in seiner Drehrichtung direkt über den Wandler angesteuert werden. Eine nachfolgende Vollbrückenschaltung zur Drehrichtungs-Steuerung ist also nicht notwendig.
Die erfinderische Lösung basiert auf einem kanal-konfigurierbaren Mehrphasenwandler mit elektronischer Absicherung. Hierbei erfolgt eine Wandlung und Überstromabsicherung für die Last und die Leitung zur Last in Einem. Der Wandler besitzt Multi-Phasen mit generischer Kanalstromstärke, z.B. 3A, die zur Erzielung größerer Stromstärken parallelgeschaltet werden können. Diese können über Hardware-Konfiguration festgelegt werden. Die Phasenspannungen können über Software konfiguriert werden, beispielsweise über Pulsweitenmodulation (PWM) mit Tastverhältnis auf dem Längstransistor des Mehrphasenwandlers, zum Beispiel von 48V runter bis 3,3V. Es kann auch eine 0V Spannung eingestellt werden, zum Beispiel um eine Brückenansteuerung zum Richtungswechsel von Gleichstrommotoren zur Verfügung zu stellen. Ein Verbraucher mit funktionalen Sicherheitsanforderungen kann über n+1 Phasen versorgt werden. Zum Beispiel ein 9A Verbraucher über 3*3A + 3A, also insgesamt 4 Phasen. Für die „Fail-Operational“ SicherheitsAnforderung der Versorgung des FUSI (Funktionale Sicherheit)-Verbrauchers kann somit eine Phase ausfallen. Das Sicherheitsziel „Provide Supply“ bildet sich somit ab auf ein technisches Sicherheitskonzept der „Fail-Silent" Phasen und die Erkennung des Ausfalls einer Phase. Der maximale Strom einer Wandler-Phase ist begrenzt. Damit ist auch der Kurzschlussstrom begrenzt und damit auch die potentielle Rückwirkung im Bordnetz.
Mit der erfinderischen Lösung können die folgenden technischen Vorteile realisiert werden: Querschnittsreduzierung der Leitungen und damit einhergehend Gewichtsreduktion und rohstoffschonende Produktion. Die elektrischen Verluste reduzieren sich signifikant. Es kann eine höhere Leistungsdynamik erreicht werden, insbesondere für Teilnehmer wie EPS und Fahrwerksfunktionen. Mit der erfinderischen Lösung können neue Konzepte zur sicheren Energieversorgung geschaffen werden. Die hier vorgestellten eFuseWandler können konventionelle und elektronische Stromverteiler ersetzen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Vorrichtungseingang, an dem eine Batteriespannung anlegbar ist und eine Mehrzahl von Vorrichtungsausgängen, an die die elektrischen Komponenten anschließbar sind; eine Mehrzahl von Spannungswandlern mit jeweiligen Eingängen, die an den Vorrichtungseingang angeschlossen sind, und jeweiligen Ausgängen; wobei jeder Spannungswandler ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang basierend auf einer an dem jeweiligen Eingang anliegenden Spannung und einem einstellbaren Tastverhältnis bereitzustellen; und eine Steuerung, die ausgebildet ist, das Tastverhältnis der jeweiligen Spannungswandler zu regeln, wobei die Ausgänge der Spannungswandler gemäß einer Verbindungsmatrix mit den Vorrichtungsausgängen verbunden sind, um eine für die jeweilige angeschlossene Komponente angepasste Stromtragfähigkeit der Vorrichtungsausgänge bereitzustellen.
Eine solche Vorrichtung stellt eine einfache und flexible Spannungsverteilung im Bordnetz zur Verfügung, bei der auf die mehrfache Verteilung unterschiedlicher Niedervoltspannungen über dedizierte Leitungen und Stromverteiler verzichtet werden kann.
Es ergibt sich somit eine konfigurierbare Parallelschaltung von Spannungswandlern. Durch diese Parallelschaltung ist die Stromtragfähigkeit der Vorrichtungsausgänge einstellbar. Es versteht sich, dass die Spannungswerte von miteinander parallel geschalteten Spannungswandlern gleich zu regeln sind.
Die einzelnen Ausgänge der Spannungswandler werden mittels der Verbindungsmatrix in Gruppen zusammengefasst, welche jeweils zusammengeschaltet, d.h. parallelgeschaltet werden, um die entsprechende Stromstärke bereitzustellen. Durch diese Gruppierung ist es möglich, unterschiedliche Kanal-Strombelastbarkeiten an den zusammengeschalteten Kanal-Ausgängen der Spannungswandler bereitzustellen.
Nach dem Stand der Technik werden alle Lasten, wie z,B, Steuergeräte im 12V Bordnetz mit 12V versorgt. In den Steuergeräten befinden sich jeweils zusätzliche DC/DC-Wandler, die z.B. 5V für die Versorgung von µProzessoren aus den 12V wandelnd bereitstellen. Die erfinderische Vorrichtung hingegen stellt die konfigurierbare Funktionsspannungen, wie z.B. 5V direkt zur Verfügung, so dass beim Einsatz einer solchen Vorrichtung im Bordnetz mit einer 48V Batteriespannung auf die zweite Batterie mit 12V Spannungslage, die elektronische 12V Verteilung/Absicherung mit eFuses als auch auf die Wandlung zur Funktionsspannung in der Last verzichtet werden kann.
Die jeweiligen Ausgänge der Spannungswandler, welche über die Verbindungsmatrix mit einem entsprechenden Vorrichtungsausgang verbunden sind, definieren somit entsprechende Phasen-Parallelschaltungen. Jede der Phasen-Parallelschaltungen spezifiziert einen Kanal der Vorrichtung, wobei die Anzahl von Kanälen einer Anzahl der Vorrichtungsausgänge der Vorrichtung entspricht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, für jede Phasen-Parallelschaltung einen Laststrom an dem Kanal-Ausgang bzw. dem Vorrichtungsausgang zu bestimmen und bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Ausgangsstroms diesen auf den Schwellwert zu begrenzen und den Kanal nach einer konfigurierbaren Zeit mit Überlast-Strombegrenzung über die Kanal-zugehörigen Phasen abzuschalten.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Vorrichtung gleichzeitig als eFuse, d.h., elektronische Sicherung wirkt, so dass eine externe bzw. zusätzliche Implementierung einer eFuse nicht mehr nötig ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, für jeden Vorrichtungsausgang einen Laststrom zu bestimmen und bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Laststroms diesen auf den Schwellwert zu begrenzen. Bleibt die Strombegrenzung auf den Schwellwert für eine konfigurierbare Zeit, z.B. 100ms bestehen, so wird der Kanal wegen Überlast bzw. Kurzschluss abgeschaltet.
Damit wirkt die Vorrichtung gleichzeitig als eFuse. Eine externe bzw. zusätzliche Implementierung einer eFuse ist somit nicht mehr nötig.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Verbindungsmatrix durch eine Hardware-Konfiguration vorgegeben oder über zusätzliche Schaltelemente und Software konfigurierbar.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Vorrichtung kundenspezifisch konfiguriert werden kann. Beispielsweise kann die Verbindungsmatrix in der Platinen-Montage kundenspezifisch oder produktspezifisch implementiert werden, zum Beispiel über Verlötung im Pin-in-Paste Verfahren. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung über Software konfiguriert werden.
Zudem besteht die Möglichkeit, die Verbindungsmatrix dynamisch zu ändern. Beispielsweise kann anhand von Schaltern ein dynamisches Verschalten realisiert werden, zum Beispiel, um damit Komponenten nachzurüsten und/oder auszutauschen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung verbindet die Verbindungsmatrix jeweils einen Teil der Ausgänge der Spannungswandler bzw. Phasen mit einem jeweiligen Vorrichtungsausgang, an dem eine jeweilige Funktionsspannung bereitgestellt wird
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass mit der Vorrichtung mehrere elektrische Verbraucher mit ihren konfigurierten Funktionsspannungen versorgt werden können, die für jeden Verbraucher unterschiedlich sein können, z.B. 12V für einen Aktuator und 3,3V oder 5V für eine andere Last.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung erhöht sich eine Stromtragfähigkeit des jeweiligen Vorrichtungsausgangs entsprechend einer Anzahl der mit dem Vorrichtungsausgang (310a-f) verbundenen Ausgänge bzw. Phasen der Spannungswandler.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass auch Verbraucher, die hohe Ströme ziehen an die Vorrichtung angeschaltet werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind gemäß der Verbindungsmatrix eine Anzahl von N+1 Ausgängen bzw. Phasen der Spannungswandler mit einem entsprechenden Vorrichtungsausgang verbunden, um bei Ausfall eines der Spannungswandler noch eine Stromtragfähigkeit entsprechend einer Anzahl von N verbundenen Ausgängen bzw. Phasen zu gewährleisten.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass bei Ausfall eines Spannungswandlers nicht gleich die gesamte Versorgung einer elektrischen Komponente ausfällt, sondern eine redundante Versorgung ermöglicht wird.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die Funktionsspannungen und/oder die Ausgangsspannungen der Spannungswandler für jeden Spannungswandler individuell oder für einzelne Gruppen von Spannungswandlern per Software konfigurierbar.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Funktionsspannungen, welche durch die Vorrichtung bereitgestellt werden, einfach durch Software umkonfiguriert werden können, so dass keine Hardware-Änderungen bzw. der Austausch der gesamten Vorrichtung nötig sind.
Die jeweiligen Spannungswandler bzw. Phasen sind als Abwärtswandler ausgebildet, und umfassen folgendes: ein erstes Schaltelement und eine Spule, die in Serie zwischen den Eingang und den Ausgang des jeweiligen Spannungswandlers geschaltet sind; ein zweites Schaltelement, das zwischen einem Knoten, der das erste Schaltelement mit der Spule in Serie schaltet, und einem Masseanschluss geschaltet ist; und einen Kondensator, der zwischen den Ausgang des jeweiligen Spannungswandlers und dem Masseanschluss geschaltet ist.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die einzelnen Spannungswandler leicht implementierbar sind, da sie auf bewährten Schaltungen beruhen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, das Tastverhältnis der jeweiligen Spannungswandler basierend auf der Ausgangsspannung am Ausgang des jeweiligen Spannungswandlers und einer Spannung an dem zweiten Schaltelement einzustellen.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass diese Spannungen einfach messbar sind und die Steuerung mit geringer Latenzzeit die entsprechenden Spannungswandler einstellen kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, basierend auf dem Tastverhältnis, der Ausgangsspannung und der Spannung am zweiten Schaltelement der jeweiligen Spannungswandler einen Ausgangsstrom der jeweiligen Spannungswandler zu bestimmen; und die Steuerung ist ausgebildet, bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Ausgangsstroms eines der Spannungswandler das erste Schaltelement anzusteuern, eine elektronische Trennung des entsprechenden Spannungswandlers von der Batteriespannung vorzunehmen.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Vorrichtung gleichzeitig eine eFuse, d.h., elektronische Sicherung implementiert, so dass auf eine externe eFuse oder konventionelle Sicherung verzichtet werden kann.
Das erste Schaltelement ist als eine Serienschaltung aus einem ersten Transistor und einem redundanten ersten Transistor ausgebildet; und das zweite Schaltelement ist als eine Serienschaltung aus einem zweiten Transistor und einem redundanten zweiten Transistor ausgebildet.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass der redundante Transistor die Schaltfunktion übernehmen kann, wenn der erste Transistor ausfällt. Damit bietet die Vorrichtung aufgrund der redundanten Bauelemente eine besonders hohe Sicherheit gegen Ausfall der Komponenten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist ein erster Messpunkt zwischen einem ersten Knoten, der den ersten Transistor mit dem redundanten ersten Transistor in Serie schaltet, ausgebildet; und ein zweiter Messpunkt ist zwischen einem zweiten Knoten, der den zweiten Transistor mit dem redundanten zweiten Transistor in Serie schaltet, ausgebildet; und die Steuerung ist ausgebildet, basierend auf einer Erfassung der Spannungen an dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt eine Funktionsfähigkeit des ersten Transistors und des zweiten Transistors zu detektieren.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Vorrichtung auf effiziente Weise überprüfen kann, ob die Schaltelemente bzw. die Transistoren ordnungsgemäß arbeiten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist der erste Messpunkt mit einem Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an die Masse geschaltet; und der zweite Messpunkt ist mit einem weiteren Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an die Masse geschaltet.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass mittels solcher Pulldown-Widerstände sich eine definierte Spannung an dem Messpunkt einstellt wenn beide Transistoren ausgeschaltet (hochohmig) sind.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, bei einer erkannten Funktionsfähigkeit des ersten Transistors und des zweiten Transistors den ersten Transistor und den zweiten Transistor leistungsbehaftet zu schalten, und den redundanten ersten Transistor und den redundanten zweiten Transistor leistungsfrei zu schalten.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass eine „Fail Silent“ Auslegung bzw. ein „Fail Silent“ Sicherheitskonzept realisiert werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerung ausgebildet, bei einem Fehler des ersten Transistors den redundanten ersten Transistor leistungsbehaftet zu schalten und bei einem Fehler des zweiten Transistors den redundanten zweiten Transistor leistungsbehaftet zu schalten.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass eine schnelle Umschaltung auf die redundanten Bauteile bei Auftreten eines Fehlers möglich ist.
So ist sichergestellt, dass es nicht zu Überspannungen am Ausgang kommt, wenn der erste Transistor niederohmig ausfällt. Mit einem hochohmigen Ausfall des Transistors ist die Phase abgeschaltet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorrichtung ausgebildet, eine erste Funktionsspannung für einen ersten Anschluss eines Elektromotors und eine zweite Funktionsspannung für einen zweiten Anschluss des Elektromotors bereitzustellen.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass eine einfache Ansteuerung für einen Elektromotor oder Gleichstrommotor realisierbar ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorrichtung ausgebildet, eine der ersten und der zweiten Funktionsspannungen als Null Volt bereitzustellen, um eine Drehrichtung des Elektromotors einzustellen.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sowohl ein Rechtslauf als auch ein Linkslauf des Elektromotors oder Gleichstrommotors realisiert werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anschließen des Vorrichtungseingangs der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt an eine Batteriespannung; und Bereitstellen der Funktionsspannungen an den Vorrichtungsausgängen der Vorrichtung. Wobei die Anzahl der über die Verbindungsmatrix verbundenen Ausgänge die verfügbare Stromstärke bestimmt und die von der Steuerung geregelte PWM die Höhe der Funktionsspannung festlegt.
Ein solches Verfahren ermöglicht eine einfache und flexible Mehr-Spannungsverteilung im Bordnetz, bei der auf dedizierte Verteilernetze mit Batterie für die jeweilige Niedervoltspannung verzichtet werden kann. Mit dem Verfahren können die Funktionsspannungen direkt und passend zur Last zur Verfügung gestellt werden, so dass beim Einsatz eines solchen Verfahrens im Bordnetz mit einer 48V Batteriespannung auf die zweite 12V Batterie, die elektronische 12V Verteilung/Absicherung mit eFuses als auch auf die Wandlung zur Funktionsspannung in der Last verzichtet werden kann.
Kurze Figurenbeschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild des konventionellen 2-Spannung Niedervolt-Bordnetz 100;
2 ein Blockschaltbild eines Bordnetzes 200 mit einem erfindungsgemäßen Multi-Phasen Wandler, hier auch MCD genannt;
3 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Bordnetz gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Bordnetz gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
5 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Bordnetz mit angeschlossenen elektrischen Komponenten gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6 ein Schaltungsdiagramm einer Elementarschaltung eines erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7 ein Schaltungsdiagramm einer einzelnen Phase 700 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 mit Steuerung, die für jede Phase vorgehalten wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
8 ein Schaltungsdiagramm einer einzelnen Phase 800 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 mit Steuerung für die „Fail Silent“ Auslegung einer der Phasen des Mehrphasenwandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
9 ein schematisches Diagramm, das die Ansteuerung der Transistoren der einzelnen Phasen 800 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 aufzeigt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In dieser Offenbarung werden Kriterien und Anforderungen zur Funktionalen Sicherheit (FUSI) in Fahrzeugen beschrieben. Funktionale Sicherheit bezeichnet den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion des sicherheitsbezogenen Systems und anderer risikomindernder Maßnahmen abhängt. Die Funktionale Sicherheit wird im Automobil-Bereich üblicherweise in Form von ASIL („Automotive Safety Integrity Level“) Klassen beschrieben. Die ASIL-Klassifikation setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen, diese sind 1) „Severity - S“ entsprechend der Schwere des Fehlers, der Gefährdung des Nutzers oder der Umgebung; 2) „Exposure - E“ entsprechend der Eintrittswahrscheinlichkeit, d.h. Häufigkeit und/oder Dauer des Betriebszustands; 3) „Controllability - C“ entsprechend der Beherrschbarkeit des Fehlers. Aus diesen Faktoren ergeben sich vier verschiedene ASIL-Level: ASIL A: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-6 / Stunde; ASIL B: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-7 / Stunde; ASIL C: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-7 / Stunde; ASIL D: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-8 / Stunde.
1 zeigt ein Blockschaltbild des konventionellen 2-Spannung Niedervolt-Bordnetz 100. Das 2-Spannung Niedervolt-Bordnetz 100 umfasst ein 48V Bordnetz 110 und ein 12V Bordnetz 120.
Es existieren Hochleistungs-Verbraucher 113, die aus dem 48V Bordnetz 110 versorgt werden und Verbraucher 131, die aus dem 12V Bordnetz 120 versorgt werden. Für beide Spannungslagen existiert eine Batterie 111, 121. Die Funktionsspannung für die Schaltkreise in einer Last (z.B. 5V) werden in den Lasten 131 erzeugt, siehe 12V/5V Wandler 132. Die 12V Verteilung muss aus Gründen der Rückwirkungsfreiheit für die Sichere Energieversorgung im 12V Bordnetz 120 mit teuren, schnellen Halbleiter-Schaltern (eFuses) ausgeführt sein. Rückwirkungsfreiheit bezeichnet hier die Notwendigkeit, dass eine Unterspannung durch Kurzschluss einer Last nicht als Unterspannung zu einer FUSI (Funktionale Sicherheit) relevanten Nachbarlast weiterpropagiert.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Bordnetzes 200 mit einem erfindungsgemäßen Multi-Phasen Wandler 300, hier auch MCD genannt. Dieser Multi-Phasen Wandler entspricht der in dieser Offenbarung beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen.
Der konfigurierbare Multi-Phasen Wandler 300 stellt elektronisch abgesicherte Abgänge zur Verfügung und ist synergetisch damit auch ein elektronischer Verteiler. Da der MCD Wandler 300 direkt die Funktionsspannung der Last zur Verfügung stellt, kann sowohl die 12V Batterie 121, die elektronische 12V Verteilung/Absicherung 122 mit eFuses als auch die Wandlung 132 zur Funktionsspannung in der Last 131, wie in 1 dargestellt, wegfallen.
Die Funktionsweise des Multi-Phasen Wandler 300 bzw. der Vorrichtung 300 zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen wird in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Bordnetz gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Die Vorrichtung 300 stellt einen DC/DC Wandler für die dezentrale Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes mit beispielsweise 12V (optional 5V) ausgehend von einem 48V Backbone als einem Beispiel dar. Der Wandler stellt elektronisch abgesicherte Abgänge 310 zur Verfügung und ist synergetisch damit auch ein elektronischer Verteiler.
In der beispielhaften Ausführung in 3 ist ein eFuseWandler mit 14 Ausgängen mit jeweils 3A Tragfähigkeit und jeweils konfigurierbarer Ausgangsspannung dargestellt. Die Ausgänge können frei parallel zu Ausgängen kombiniert werden. Der Wandler ist zum Beispiel für die Platinenmontage vorgesehen, beispielsweise über Verlötung im Pin-in-Paste Verfahren. Jede Phase hat einen Pin-Ausgang.
Im Layout der Platine können die Phasen parallelgeschaltet werden.
Beispielhafte Ausgangskombinationen auf 12V Seite sind die folgenden: a) 1 x 42A; b) 14 x 3A; c) 1 x 15A, 2 x 6A, 5 x 3 A; d) viele andere Kombinationen sind realisierbar.
Des Weiteren können die Ausgangs-Spannungslagen flexibel konfiguriert werden, beispielsweise: e) 1 x 15A (12V), 2 x 6A (12V), 5 x 3A bei 5V.
4 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Die in 4 dargestellte Vorrichtung 300 entspricht dem Multiphasen Spannungswandler MCD, wie in den 2 und 3 beschrieben, und stellt eine Implementierung der oben zu 3 allgemein beschriebenen Vorrichtung 300 dar.
Insbesondere ist in 4 die Konfigurierbarkeit der Vorrichtung 300, die sich aus den 14 Einzelphasen ergibt, beispielhaft näher dargestellt. In diesem Beispiel der 4 hat jede Phase 3A Dauer-Tragfähigkeit und 5A Spitzen (Peak) Tragfähigkeit. Die Spannung einer jeden Phase kann per Software (SW) konfiguriert werden. Die A Phasen können per externer Hardware (HW) frei parallel zu Ausgängen kombiniert werden, was durch die Verbindungsmatrix 330 dargestellt ist.
Wie bereits oben zu 3 beschrieben, kann der Wandler zum Beispiel für die Platinen-Montage vorgesehen sein, beispielsweise über Verlötung im Pin-in-Paste Verfahren. Jede Phase hat einen Pin-Ausgang. Im Layout der Platine können die Phasen parallelgeschaltet werden.
Mögliche Ausgangskombinationen auf 12V Seite sind die folgenden: a) 1 x 42A 12V; b) 14 x 3A 5V; c) 1 x 15A 12V, 2 x 6A 5V, 5 x 3 A 3,3V; und d) andere Kombinationen sind realisierbar.
Die in 4 dargestellte Vorrichtung 300 dient zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten.
Die Vorrichtung 300 umfasst einen Vorrichtungseingang 320, an dem eine Batteriespannung 301 anlegbar ist und eine Mehrzahl von Vorrichtungsausgängen 310a-f, an die die elektrischen Komponenten 133, 134, 135 anschließbar sind.
Die Vorrichtung 300 umfasst eine Mehrzahl von Spannungswandler 311-324 mit jeweiligen Eingängen 311a-324a, die an den Vorrichtungseingang 320 angeschlossen sind, und jeweiligen Ausgängen 311 b-324b.
Jeder Spannungswandler 311-324 ist ausgebildet, eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang 311 b-324b basierend auf einer an dem jeweiligen Eingang anliegenden Spannung und einem einstellbaren Tastverhältnis bereitzustellen.
Die Vorrichtung 300 umfasst eine Steuerung 710, die ausgebildet ist, das Tastverhältnis der jeweiligen Spannungswandler 311-324 zu regeln.
Die Ausgänge 311b-324b der Spannungswandler 311-324 sind gemäß einer Verbindungsmatrix 330 mit den Vorrichtungsausgängen 310a-f verbunden, um eine für die jeweilige angeschlossene Komponente 133, 134, 135 angepasste Stromtragfähigkeit der Vorrichtungsausgänge 310a-f bereitzustellen.
An den Vorrichtungsausgängen 310a-f werden die jeweiligen Funktionsspannungen bereitgestellt.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, für jeden Vorrichtungsausgang 310a-f einen Laststrom zu bestimmen und bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Laststroms diesen auf den Schwellwert zu begrenzen.
Die Verbindungsmatrix 330 kann durch eine Hardware-Konfiguration vorgegeben sein oder über Software konfigurierbar sein.
Eine solche Hardware-Konfiguration kann beispielsweise in der Platinen-Montage erfolgen, beispielsweise über Verlötung im Pin-in-Paste Verfahren, wie oben beschrieben. Jede Phase, d.h. jeder Spannungswandler 311-324 hat einen Pin-Ausgang. Im Layout der Platine können die Phasen parallelgeschaltet werden.
Die Verbindungsmatrix 330 kann jeweils einen Teil der Ausgänge 311b-324b der Spannungswandler 311-324 mit einem jeweiligen Vorrichtungsausgang 310a-f verbinden, an dem eine jeweilige Funktionsspannung bereitgestellt wird. Es versteht sich, dass auch alle Ausgänge miteinander verbunden werden können, so dass nur ein einzelner Vorrichtungsausgang mit sehr hoher Stromtragfähigkeit entsteht. Alternativ können auch die einzelnen Ausgänge 310a-310f der Spannungswandler 311-324 ohne eine Verbindung untereinander herausgeführt werden und somit direkt an den Ausgängen 310a-310f der Spannungswandler 311-324 die Funktionsspannungen bereitgestellt werden.
Eine Stromtragfähigkeit des jeweiligen Vorrichtungsausgangs 310a-f erhöht sich entsprechend einer Anzahl der mit dem Vorrichtungsausgang 310a-f verbundenen Ausgänge 311b-324b der Spannungswandler 311-324. Zum Beispiel kann beim Verbinden von zwei Ausgängen mit 3A sich die Stromtragfähigkeit auf 6A verdoppeln, beim Verbinden von drei Ausgängen mit 3A sich die Stromtragfähigkeit auf 9A verdreifachen, etc.
Gemäß der Verbindungsmatrix 330 kann eine Anzahl von N+1 Ausgängen 311b-324b der Spannungswandler 311-324 mit einem entsprechenden Vorrichtungsausgang 310a-f verbunden sein, um bei Ausfall eines der Spannungswandler 311-324 noch eine Stromtragfähigkeit entsprechend einer Anzahl von N verbundenen Ausgängen 311 b-324b zu gewährleisten.
Die Funktionsspannungen und/oder die Ausgangsspannungen der Spannungswandler 311-324 können für jeden Spannungswandler individuell oder für einzelne Gruppen von Spannungswandlern per Software konfigurierbar sein, beispielsweise über die Steuerung 710 oder ein anderes Steuersystem.
Die Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anschließen des Vorrichtungseingangs 320 der Vorrichtung 300, wie hier in 4 und den folgenden Figuren beschrieben, an eine Batteriespannung 301; und Bereitstellen der Funktionsspannungen an den Vorrichtungsausgängen 310a-f der Vorrichtung 300
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Bereitstellen von Funktionsspannungen in einem Bordnetz mit angeschlossenen elektrischen Komponenten gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Vorrichtung 300 entspricht der bereits oben zu 4 beschriebenen Vorrichtung 300, wobei hier in 5 eine beispielhafte Beschaltung mit einem Elektromotor 135 dargestellt ist.
Die Phasen bzw. zusammengeschalteten Ausgänge 310a-310f der Spannungswandler 311-324 können auch 0V, also Schluss zur Masse zur Verfügung stellen. 5 zeigt, dass wenn zum Beispiel ein Gleichstrommotor 135 an zwei Phasen-Paare bzw. zwei zusammengeschalteten Ausgängen 310b und 310f angeschlossen wird, die Drehrichtung des Motors 135 über die Phasenansteuerung des MCD 300 gewählt werden kann. Ist die untere Phase auf 0V und die obere auf 12V, so erfolgt zum Beispiel Rechtslauf. Ist die untere Phase auf 12V und die obere auf 0V, so erfolgt dann Linkslauf.
5 zeigt auch die FUSI Versorgung „Fail Operational“: Der 9A Motor 135 kann an 4 Phasen für insgesamt 12A angeschlossen sein, wie in 5 gezeigt. Fällt eine Phase aus, so kann er immer noch sicher versorgt werden, da dann noch die 9A der verbleibenden Phasen zur Verfügung stehen.
Für die Fail-Operational Anforderung der Versorgung des FUSI-Verbrauchers kann somit eine Phase ausfallen. Das Sicherheitsziel „Provide Supply“ bildet sich somit auf ein technisches Sicherheitskonzept der „Fail-Silent" Phasen und Erkennung des Ausfalls einer Phase ab. „Fail Silent“ bedeutet, dass die Phase mit Fehler hochohmig geschaltet werden kann und somit die Parallelphasen nicht gegen Masse (Unterspannung) oder z.B. 48V (Überspannung) ziehen kann.
Wie oben beschrieben, kann die Vorrichtung 300 also ausgebildet sein, eine erste Funktionsspannung für einen ersten Anschluss 310b eines Elektromotors 135 und eine zweite Funktionsspannung für einen zweiten Anschluss 310f des Elektromotors 135 bereitzustellen.
Die Vorrichtung 300 kann ferner ausgebildet sein, wie oben beschrieben, eine der ersten und der zweiten Funktionsspannungen als Null Volt bereitzustellen, um eine Drehrichtung des Elektromotors einzustellen.
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Elementarschaltung eines erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Der Mehrphasenwandlers 600 ist eine beispielhafte Realisierung für die oben beschriebene Vorrichtung 300. Die Steuerung ist in 6 nicht dargestellt.
In 6 sind exemplarisch die ersten vier der parallelen Phasen des eFuseWandlers 600 dargestellt. Der Eingang 301 kann an den 48V-Backbone angeschlossen werden. Am 12V Ausgang der ersten Phase ist ein (Klein-) Verbraucher 133 angeschlossen. Die Phasen 2,3 und 4 sind an den Wandler-Ausgängen parallelgeschaltet bzw. über die Verbindungsmatrix 330 miteinander und mit dem Vorrichtungsausgang 310b verbunden und versorgen den 9A Kanal einer motorischen Last 135. Die Phasen MOSFETs Tp1 bis Tpn stellen jeweils eine PWM (Pulsweitenmodulation) mit einem Tastverhältnis derart ein, dass die gewünschte Ausgangsspannung an den Ausgängen erreicht wird.
Über das Tastverhältnis der PWM auf die Längsschalter Tp1 bis Tpn kann der Strom und die resultierende Spannung am Ausgang eingeregelt werden. Für die Aus-Zeitabschnitte der Taktung der Längsschalter Tp1 bis Tpn zieht die Spule einer jeden Phase den Strom über die Dioden D (Prinzip des Buck Wandlers).
Zur Symmetrierung der parallel-geschalteten Phasen ist die eingeregelte Spannung (der 12V Ausgänge) lastabhängig, daher zum Beispiel 12V für eine 3A Last der Phase bis 13V bei weniger als 0,5A Last.
In dieser Basis-Schaltung ist kein „Fail-Silent“ Sicherheitskonzept für die Phasen vorgesehen. Legiert ein Transistor Tp durch, so liegen die 48V unweigerlich als Überspannung am Ausgang an. Eine Verbesserung dieser Basis-Schaltung mit „Fail-Silent“ Sicherheitskonzept ist in den 8 und 9 näher beschrieben.
7 beschreibt das Schaltungsprinzip dieser Schaltung näher für eine einzelne Phase bzw. einen einzelnen Spannungswandler. Es ist ein Schaltungsdiagramm einer einzelnen Phase 700 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 bzw. eines einzelnen Spannungswandlers der oben beschriebenen Vorrichtung 300 mit entsprechender Steuerung 710 beispielhaft dargestellt, die für jede Phase vorgehalten wird.
Die jeweiligen in den 4 und 5 beschriebenen Spannungswandler 311-324 können als Abwärtswandler ausgebildet sein und Folgendes umfassen:

Ein erstes Schaltelement Tp1, beispielsweise einen MOSFET, und eine Spule L1, die in Serie zwischen den Eingang 311a und den Ausgang 311b des jeweiligen Spannungswandlers 311 geschaltet sind;
Ein zweites Schaltelement D1, beispielsweise eine Diode oder auch einen Transistor, das zwischen einem Knoten 303, der das erste Schaltelement Tp1 mit der Spule L1 in Serie schaltet, und einem Masseanschluss 302 geschaltet ist; und
Einen Kondensator C21, der zwischen den Ausgang 311b des jeweiligen Spannungswandlers 311-324 und dem Masseanschluss 302 geschaltet ist.

Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, das Tastverhältnis 713 der jeweiligen Spannungswandler 311-324 basierend auf der Ausgangsspannung 711, Uout am Ausgang 311b des jeweiligen Spannungswandlers 311-324 und einer Spannung 712, Uz an dem zweiten Schaltelement D1 einzustellen.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, basierend auf dem Tastverhältnis 713, der Ausgangsspannung 711, Uout und der Spannung 712, Uz am zweiten Schaltelement D1 der jeweiligen Spannungswandler 311-324 einen Ausgangsstrom lout der jeweiligen Spannungswandler 311-324 zu bestimmen.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Ausgangsstroms eines der Spannungswandler 311-324 das erste Schaltelement Tp1 anzusteuern, eine elektronische Trennung des entsprechenden Spannungswandlers 311-324 von der Batteriespannung 301 vorzunehmen.
Mit dem Tastverhältnis der PWM, der Spannung Uz und der Ausgangsspannung Uout kann die Steuerung 710 Uout ausregeln und gleichzeitig den Ausgangsstrom lout bestimmen. Ein weiteres Messmittel zur Messung des Stromes ist somit nicht notwendig. Hierfür kann eine mit dem Tastverhältnis synchronisierte Spannungsmessung implementiert werden. Uz und Uout können mit den Flanken des MOSFET „an -> aus“ und „aus-> an“ gemessen werden.
Die vorgenannte Strom-Bestimmung durch die Steuerung 710 ermöglicht die elektronische Absicherung für jede Phase. Die Trennung kann dabei durch den jeweiligen PWM-MOSFET Tp1, ... Tpn erfolgen. Vorteilhaft dabei ist, dass der Anstieg des Kurzschlussstromes des MOSFET durch die Induktivität der Phase begrenzt wird. Eine weitere Schutzbeschaltung, wie bei normalen e-Fuses ist nicht notwendig.
Zwischen die Batteriespannung 301 und die Eingänge des Mehrphasenwandlers 600 kann eine Transistorstufe mit zwei parallelgeschalteten Transistoren Tv geschaltet sein, um zusätzliche Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.
Die Schaltung kann damit die folgenden FUSI-Anforderungen erfüllen: Der eFuseWandler kann mit ASIL D verhindern, dass die 48V Eingangsspannung 301 in das 12V Bordnetz propagiert und hier zu einer weitläufigen Zerstörung durch Überspannung führt. Das Trennen der 48V kann dekomponiert sein in eine ASIL B(D) Abschaltung durch die vorgelagerten MOSFETs Tv und ASIL B(D) für die Trennung durch die Phasentransistoren Tp1..n. Für die Tv Stufe kann eine eigenständige Messung der Ausgangsspannungen aller Phasen implementiert sein.
8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer einzelnen Phase 800 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 mit Steuerung für die „Fail Silent“ Auslegung einer der Phasen des Mehrphasenwandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Die Basisschaltung 810 findet sich im eingerahmten gestrichelten Feld. Die Diode D1 aus 7 ist durch den aktiv schaltenden (und anzusteuernden) Transistor Tm ersetzt. Für die „Fail Silent“ Funktion werden die Transistoren Tpr und Tmr vorgesehen, die bei Fehler (Durchlegieren) der Tp und Tm noch trennen können. Bedeutend ist das unmittelbare Reagieren auf niederohmige Fehler der Tm und Tr, da sich sonst Unter- oder Überspannungsfehler am Ausgang einstellen.
In 8 ist ein Schaltungsdiagramm einer einzelnen Phase des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 bzw. eines einzelnen Spannungswandlers der oben beschriebenen Vorrichtung 300 mit entsprechender Steuerung 710 beispielhaft dargestellt, die für jede Phase vorgehalten wird.
Die Schaltung 800 ist eine beispielhafte Realisierung für einen Spannungswandler 311-324 der oben zu den 4 und 5 beschriebenen Vorrichtung 300.
In dieser beispielhaften Realisierung ist das erste Schaltelement Tp1 als eine Serienschaltung aus einem ersten Transistor Tp und einem redundanten ersten Transistor Tpr ausgebildet; und das zweite Schaltelement D1 ist als eine Serienschaltung aus einem zweiten Transistor Tm und einem redundanten zweiten Transistor Tmr ausgebildet.
Ein erster Messpunkt M1 ist zwischen einem ersten Knoten 801, der den ersten Transistor Tp mit dem redundanten ersten Transistor Tpr in Serie schaltet, ausgebildet.
Ein zweiter Messpunkt M2 ist zwischen einem zweiten Knoten 802, der den zweiten Transistor Tm mit dem redundanten zweiten Transistor Tmr in Serie schaltet, ausgebildet.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, basierend auf einer Erfassung der Spannungen an dem ersten Messpunkt M1 und dem zweiten Messpunkt M2 eine Funktionsfähigkeit des ersten Transistors Tp und des zweiten Transistors Tm zu detektieren.
Der erste Messpunkt M1 kann beispielsweise mit einem Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an die Masse 302 geschaltet sein, um die Spannung am ersten Messpunkt M1 detektieren zu können. Der zweite Messpunkt M2 kann beispielsweise mit einem weiteren Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an die Masse 302 geschaltet sein, um die Spannung am zweiten Messpunkt M2 detektieren zu können.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, bei einer erkannten Funktionsfähigkeit des ersten Transistors Tp und des zweiten Transistors Tm den ersten Transistor Tp und den zweiten Transistor Tm leistungsbehaftet zu schalten, und den redundanten ersten Transistor Tpr und den redundanten zweiten Transistor Tmr leistungsfrei zu schalten, beispielsweise gemäß einer Ansteuerung der Transistoren, wie zu 9 näher beschrieben.
Die Steuerung 710 kann ausgebildet sein, bei einem Fehler des ersten Transistors Tp den redundanten ersten Transistor Tpr leistungsbehaftet zu schalten und bei einem Fehler des zweiten Transistors Tm den redundanten zweiten Transistor Tmr leistungsbehaftet zu schalten.
9 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Ansteuerung 900 der Transistoren der einzelnen Phasen 800 des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600 aufzeigt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
9 zeigt gestrichelt die Ansteuerung 715 der Tpr und durchgezogen die Ansteuerung 714 der Tp. Tp wird vorlaufend beim Einschalten und nachlaufend beim Abschalten angesteuert. Das leistungsbehaftete Schalten erfolgt also über Tp und nicht über Tpr.
Die Stromkommutierung erfolgt also im gestrichelt dargestellten Feld 810, das bezüglich seiner Fläche möglichst klein ausgeführt werden muss. Die Fläche ist direkt proportional zur Streuinduktivität und -kapazität und damit zur EMV Störung, die von der Phase ausgeht.
Fällt der Schalttransistor Tp niederohmig durch Fehler aus, so erfolgt die gepulste Steuerung über den Tpr. Der Ausfall des Tp kann am Spannungsverlauf an M1 erkannt werden.
Der gleiche Mechanismus kann für das Sicherheitskonzept für Tm mit Tmr und M2 durchgeführt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: konventionelles 2-Spannung Niedervolt-Bordnetz
110: 48V Bordnetz als Beispiel
111: 48V Batterie als Beispiel
112: 48V Verteilung als Beispiel
113: 48V Last als Beispiel
114: Zentraler DC/DC Wandler
120: 12V Bordnetz als Beispiel
121: 12V Batterie als Beispiel
122: 12V Verteilung als Beispiel, Fusing, eFusing wenn SEV
130: Funktionsspannungen innerhalb der Steuergeräte
131: 12V Last als Beispiel
121: 12V/5V DC/DC Wandler als Beispiel
133: 3,3V LDO als Beispiel
134: µController
135: 9A/12V Aktuator bzw. Motor als Beispiel
200: Bordnetz mit erfindungsgemäßem Multi-Phasen Wandler MCD, 300
300: erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen
301: Batteriespannung, z.B. 48V
302: Masseanschluss bzw. Referenzspannungsanschluss
310: Ausgänge der Vorrichtung 300 bzw. N+1 Phasen des Multiphasen-Spannungswandlers
311-324: einzelne Spannungswandler der Vorrichtung 300 bzw. einzelne Phasen des Multi-Phasen Wandlers MDC
311 a-324a: Eingänge der Spannungswandler 311-324 der Vorrichtung 300
311 b-324b: (individuelle) Ausgänge der Spannungswandler 311-324 der Vorrichtung 300
310a-f: verbundene Ausgänge der Spannungswandler 311-324 der Vorrichtung 300
320: Vorrichtungseingang
330: Verbindungsmatrix
600: Mehrphasenwandler bzw. Multi-Phasen Wandler MDC
710: Steuerung
700: einzelne Phase des Mehrphasenwandlers bzw. einzelner Spannungswandler der Vorrichtung 300
711: Ausgangsspannung Uout
712: Zwischenspannung Uz
713: Ansteuersignal des Schalters oder Transistors Tp1 bzw. Tastverhältnis des einzelnen Spannungswandlers
800: einzelne Phase des Mehrphasenwandlers 600
801: erster Knoten, der den ersten Transistor Tp mit dem redundanten ersten Transistor Tpr in Serie schaltet
802: zweiter Knoten, der den zweiten Transistor Tm mit dem redundanten zweiten Transistor Tmr in Serie schaltet
810: Basisschaltung
900: Ansteuerung der Transistoren der einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Mehrphasenwandlers 600

Claims

Vorrichtung (300) zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten (133, 134, 135), wobei die Vorrichtung (300) Folgendes umfasst: einen Vorrichtungseingang (320), an dem eine Batteriespannung (301) anlegbar ist und eine Mehrzahl von Vorrichtungsausgängen (310a-f), an die die elektrischen Komponenten (133, 134, 135) anschließbar sind; eine Mehrzahl von Spannungswandlern (311-324) mit jeweiligen Eingängen (311a-324a), die an den Vorrichtungseingang (320) angeschlossen sind, und jeweiligen Ausgängen (311b-324b); wobei jeder Spannungswandler (311-324) ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang (311b-324b) basierend auf einer an dem jeweiligen Eingang (311a-324a) anliegenden Spannung und einem einstellbaren Tastverhältnis bereitzustellen; und eine Steuerung (710), die ausgebildet ist, das Tastverhältnis der jeweiligen Spannungswandler (311-324) zu regeln, wobei die Ausgänge (311b-324b) der Spannungswandler (311-324) gemäß einer Verbindungsmatrix (330) mit den Vorrichtungsausgängen (310a-f) verbunden sind, um eine für die jeweilige angeschlossene Komponente (133, 134, 135) angepasste Stromtragfähigkeit der Vorrichtungsausgänge (310a-f) bereitzustellen, wobei die jeweiligen Spannungswandler (311-324) als Abwärtswandler ausgebildet sind, und folgendes umfassen: ein erstes Schaltelement (Tp1) und eine Spule (L1), die in Serie zwischen den Eingang (311a) und den Ausgang (311b) des jeweiligen Spannungswandlers (311) geschaltet sind; ein zweites Schaltelement (D1), das zwischen einem Knoten (303), der das erste Schaltelement (Tp1) mit der Spule (L1) in Serie schaltet, und einem Masseanschluss (302) geschaltet ist; und einen Kondensator (C21), der zwischen den Ausgang (311b) des jeweiligen Spannungswandlers (311-324) und dem Masseanschluss (302) geschaltet ist, wobei das erste Schaltelement (Tp1) als eine Serienschaltung aus einem ersten Transistor (Tp) und einem redundanten ersten Transistor (Tpr) ausgebildet ist; und wobei das zweite Schaltelement (D1) als eine Serienschaltung aus einem zweiten Transistor (Tm) und einem redundanten zweiten Transistor (Tmr) ausgebildet ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, für jeden Vorrichtungsausgang (310a-f) einen Laststrom zu bestimmen und bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Laststroms diesen auf den Schwellwert zu begrenzen.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsmatrix (330) durch eine Hardware-Konfiguration vorgegeben ist oder über zusätzliche Schaltelemente und Software konfigurierbar ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsmatrix (330) jeweils einen Teil der Ausgänge (311b-324b) der Spannungswandler (311-324) mit einem jeweiligen Vorrichtungsausgang (310a-f) verbindet, an dem eine jeweilige Funktionsspannung bereitgestellt wird.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 4, wobei sich eine Stromtragfähigkeit des jeweiligen Vorrichtungsausgangs (310a-f) entsprechend einer Anzahl der mit dem Vorrichtungsausgang (310a-f) verbundenen Ausgänge (311b-324b) der Spannungswandler (311-324) erhöht.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 5, wobei gemäß der Verbindungsmatrix (330) eine Anzahl von N+1 Ausgängen (311b-324b) der Spannungswandler (311-324) mit einem entsprechenden Vorrichtungsausgang (310a-f) verbunden sind, um bei Ausfall eines der Spannungswandler (311-324) noch eine Stromtragfähigkeit entsprechend einer Anzahl von N verbundenen Ausgängen (311b-324b) zu gewährleisten.
Vorrichtung (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsspannungen der Spannungswandler (311-324) für jeden Spannungswandler individuell oder für einzelne Gruppen von Spannungswandlern per Software konfigurierbar sind.
Vorrichtung (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, das Tastverhältnis (713) der jeweiligen Spannungswandler (311-324) basierend auf der Ausgangsspannung (711) am Ausgang (311b) des jeweiligen Spannungswandlers (311-324) und einer Spannung (712) an dem zweiten Schaltelement (D1) einzustellen.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 8, wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, basierend auf dem Tastverhältnis (713), der Ausgangsspannung (711) und der Spannung (712) am zweiten Schaltelement (D1) der jeweiligen Spannungswandler (311-324) einen Ausgangsstrom der jeweiligen Spannungswandler (311-324) zu bestimmen; und wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, bei einem Überschreiten eines Schwellwertes des Ausgangsstroms eines der Spannungswandler (311-324) das erste Schaltelement (Tp1) anzusteuern, eine elektronische Trennung des entsprechenden Spannungswandlers (311-324) von der Batteriespannung (301) vorzunehmen.
Vorrichtung (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erster Messpunkt (M1) zwischen einem ersten Knoten (801), der den ersten Transistor (Tp) mit dem redundanten ersten Transistor (Tpr) in Serie schaltet, ausgebildet ist; wobei ein zweiter Messpunkt (M2) zwischen einem zweiten Knoten (802), der den zweiten Transistor (Tm) mit dem redundanten zweiten Transistor (Tmr) in Serie schaltet, ausgebildet ist; und wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, basierend auf einer Erfassung der Spannungen an dem ersten Messpunkt (M1) und dem zweiten Messpunkt (M2) eine Funktionsfähigkeit des ersten Transistors (Tp) und des zweiten Transistors (Tm) zu detektieren.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 10, wobei der erste Messpunkt (M1) mit einem Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an Masse (302) geschaltet ist; und wobei der zweite Messpunkt (M2) mit einem weiteren Pulldown-Widerstand mit parallelem Kondensator an die Masse (302) geschaltet ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, bei einer erkannten Funktionsfähigkeit des ersten Transistors (Tp) und des zweiten Transistors (Tm) den ersten Transistor (Tp) und den zweiten Transistor (Tm) leistungsbehaftet zu schalten, und den redundanten ersten Transistor (Tpr) und den redundanten zweiten Transistor (Tmr) leistungsfrei zu schalten.
Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuerung (710) ausgebildet ist, bei einem Fehler des ersten Transistors (Tp) den redundanten ersten Transistor (Tpr) leistungsbehaftet zu schalten und bei einem Fehler des zweiten Transistors (Tm) den redundanten zweiten Transistor (Tmr) leistungsbehaftet zu schalten.
Vorrichtung (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, eine erste Funktionsspannung für einen ersten Anschluss eines Elektromotors und eine zweite Funktionsspannung für einen zweiten Anschluss des Elektromotors bereitzustellen.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, eine der ersten und der zweiten Funktionsspannungen als Null Volt bereitzustellen, um eine Drehrichtung des Elektromotors einzustellen.
Verfahren zum Bereitstellen einer oder mehrerer Funktionsspannungen in einem Fahrzeugbordnetz zur Versorgung elektrischer Komponenten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anschließen des Vorrichtungseingangs (320) der Vorrichtung (300) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche an eine Batteriespannung (301); und Bereitstellen der Funktionsspannungen an den Vorrichtungsausgängen (310a-f) der Vorrichtung (300).