WO2006099984A1 - Stromversorgungsschaltung für ein kraftfahrzeug mit hochsicherheitsrelevanten elektrischen verbrauchern - Google Patents

Abstract

Die folgende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug, in dem sicherheitsrelevante, mechatronische Komponenten verbaut sind. Die Stromversorgungsschaltung besteht aus zwei Bordnetzen und mindestens einem Energieerzeuger, beispielsweise einem Generator. Jedes Bordnetz beinhaltet einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, ein Ladetrennmodul (LTM) und diverse elektrische Verbraucher. Außerdem sind Schalteinrichtungen (ASE) zur Aktivierung, Deaktivierung bzw. Steuerung der Verbraucher vorgesehen, die eine Kommunikationsschnittstelle enthalten.

Description

DaimlerChrysler AG

Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug mit hochsicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern

Die folgende Erfindung betrifft eine Stromversorgungs- schaltung für ein Kraftfahrzeug, in dem sicherheitsrelevante, mechatronische Komponenten verbaut sind.

Die Stromversorgungsschaltung besteht aus zwei Bordnetzen und mindestens einem Energieerzeuger, beispielsweise einem Generator. Jedes Bordnetz beinhaltet einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, ein Ladetrennmodul (LTM) und diverse elektrische Verbraucher. Außerdem sind Schalteinrichtungen (ASE) zur Aktivierung, Deaktivierung bzw. Steuerung der Verbraucher vorgesehen, die eine Kommunikationsschnittstelle enthalten .

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10053584 Al von Volkswagen ist eine redundante Spannungsversorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher bekannt.

Nachteilig an dieser Spannungsversorgung ist, dass keine Steuerung der Energieverteilung von der ersten Spannungsversorgung auf die anderen Spannungsversorgungen bzw. die Verbraucher möglich ist. Außerdem ist es mit der vorbekannten Spannungsversorgung nicht möglich Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen gezielt zu deaktivieren. Man hat deshalb nach anderen Stromversorgungen gesucht und in dem deutschen Patent DE 103 48162 B3 eine verbesserte Stromversorgung vorgeschlagen. Bei dieser Stromversorgung von der DaimlerChrysler AG wird eine Energieversorgung für Drive- by-wire-Systeme in Kraftfahrzeugen vorgestellt. In diesem Patent wird die Energie, die von einer oder mehreren Energiequellen geliefert wird, zunächst über ein Ladetrennmodul auf zwei Stromkreise aufgeteilt. Die Verbraucher sind über Leistungsschalter teilweise mit beiden Stromkreisen verbunden. Dadurch ist es möglich, dass ein defekter Verbraucher negative Auswirkungen auf beide Bordnetze hat. Soll beispielsweise ein Verbraucher, der zuvor vom ersten Stromkreis versorgt wurde, vom zweiten Stromkreis versorgt werden, so ist es notwendig, dass beide Leistungsschalter gleichzeitig geschlossen sind, damit ein durchgehender Betrieb möglich ist. Ist der Verbraucher defekt, so kann es passieren, dass durch einen hohen Stromfluss das Spannungsniveau in beiden Bordnetzen absinkt. Ebenso kann nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass ein Kurzschluss in einem Verbraucher, der mit beiden Stromkreisen verbunden ist, zu einem Durchbrennen von beiden Leistungsschaltern führt. Auch in diesem Fall kann die Energieversorgung des Fahrzeugs vollständig ausfallen. Da die Leistungsschaler in dem vorbekannten Patent nicht in das Ladetrennmodul bzw. in die Verbraucher integriert sind, ist ein zusätzlicher finanzieller Aufwand nötig, um die Schalter anzusteuern. Hierzu muss bei einer Ansteuerung über einen Datenbus jeder Schalter mit einem eigenen

Kommunikationscontroller und einem eigenen Mikroprozessor ausgerüstet werden. Bei einer analogen Ansteuerung der Schalter ist der Verkabelungsaufwand erheblich höher. Insgesamt ist der Aufwand an Schaltern und Dioden sehr hoch. Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, eine Stromversorgung und ein Ladetrennmodul anzugeben, mit der und mit dem die Kurschlusssicherheit eines Bordnetzes weiter verbessert wird. Ebenso macht sich die Erfindung zur Aufgabe die Anzahl an anzusteuernden Schaltelementen und Dioden zur

Kurzschlussabsicherung im Bordnetz gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik zu verringern.

Die Lösung gelingt mit einer Stromversorgungsschaltung und zwei Ladetrennmodulen entsprechend der jeweils unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromversorgung und der Ladetrennmodule sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren enthalten.

Die Lösung gelingt hauptsächlich mit einer Stromversorgungsschaltung, die aus zwei Bordnetzen und mindestens einem Energieerzeuger, beispielsweise einem Generator, besteht. Jedes Bordnetz beinhaltet einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, ein Ladetrennmodul (LTM) und diverse elektrische Verbraucher. Außerdem sind Schalteinrichtungen (ASE) zur Aktivierung, Deaktivierung bzw. Steuerung der Verbraucher vorgesehen, die eine Kommunikationsschnittstelle enthalten. Die Verbesserung der Kurzschlusssicherheit gelingt dadurch, dass die Verbraucher innerhalb der Stromversorgungsschaltung jeweils nur an einem Stromzweig angeschlossen werden. Außerdem werden die Verbraucher zu Verbrauchergruppen zusammengefasst , die entsprechend ihrer Sicherheitsanforderungen gruppiert sind. Die geringere Anzahl von Schaltern gegenüber ähnlichen vorbekannten Stromversorgungsschaltungen wird ebenfalls dadurch erreicht, dass jeder Verbraucher jeweils nur an einen Stromzweig angeschlossen wird. Die Ladetrennmodule ermöglichen das Abschalten ganzer Verbrauchergruppen.

Die elektrischen Verbraucher werden vorteilhafter Weise in mehrere Gruppen eingeteilt. Als Fahrbetriebsverbraucher werden dabei die Verbraucher bezeichnet, die für den normalen Betrieb des Fahrzeugs notwendig sind, z.B. Kühlerlüfter und Scheibenwischer, die aber zumindest kurzfristig keinen Einfluss auf sicherheitsrelevante Funktionen, wie z.B. Bremsen haben. Komfortverbraucher sind Verbraucher, die eingesetzt werden, um für den Fahrer und die weiteren Insassen angenehme Umgebungsbedingungen herzustellen. Hierunter zählen unter anderem das Radio und die Sitzheizung. Die Motorelektronik und der Generator zählen zur Gruppe der Energieerzeuger. Sie sind notwendig zur Erzeugung von Energie im Fahrzeug. Eine Deaktivierung würde zu einer Verschlechterung der Energiebilanz führen. Sofern diese Komponenten nicht selbst defekt sind, muss deshalb der Betrieb aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann der Batteriezustand gesichert werden. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher erfüllen Aufgaben, die die sicherheitsrelevanten Funktionen Lenken und Bremsen beeinflussen. Beispiel hierfür ist ein elektromechanischer Brake-by-wire-Aktuator.

In einer weitere vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die sicherheitsrelevanten Verbraucher vorzugsweise in mehrere Untergruppen eingeteilt. Auf diese Weise kann die Auswirkung eines Fehlers auf das Bordnetz lokal eingegrenzt. Außerdem kann ein fehlerhafter Verbraucher, wie z.B. ein blockierender Steer-by-wire-Aktuator so stromfrei geschaltet werden, wobei gleichzeitig nur eine geringe Anzahl von anderen Komponenten von der Deaktivierung betroffen sind. Die erfindungsgemäßen Ladetrennmodule (LTM) dienen der elektrischen Entkopplung der beiden Bordnetze, der gezielten Energieverteilung und zur gezielten Deaktikvierung von Verbrauchergruppen (siehe auch Zeichnung 2) . Zur Entkopplung der Bordnetze wird eine Diode (Dl, D2) und ein Schalter (SHl, SH2) verwendet. Mit den Dioden wird ein Energieaustausch zwischen Bordnetz 1 und Bordnetz 2 jederzeit verhindert. Über die Schalter (SHl, SH2) kann ein Bordnetz gezielt von der Energiequelle entkoppelt werden. Auf diese Weise kann im Normalbetrieb und im Fehlerfall eine Ladesteuerung vorgenommen werden. Im Fehlerfall, z.B. bei einer defekten Batterie mit stark verringertem Innenwiderstand kann durch ein Öffnen des Schalters eine Rückwirkung auf den Generator und somit ein Ausfall der Energiequelle durch Spannungseinbruch verhindert werden. Gegen einen Kurzschluss wird in Reihe zu den Schaltern SHl und SH2 eine Sicherung (Fl, F2) eingebaut. Vorzugsweise sind Schalter und Sicherung kombiniert in einem intelligenten Halbleiterschaltmodul (Smart Highside-Schalter) . Die Bordnetze verzweigen sich über die Ladetrennmodule in mehrere Stromkreise. Für jede Verbrauchergruppe gibt es einen eigenen Stromkreis. Dementsprechend existiert ein Stromkreis für Fahbetriebsverbraucher, einer für Komfortverbraucher, einer für die Versorgung der Energieerzeuger, und mehrere Stromkreise für sicherheitsrelevante Verbraucher. Jeder Stromkreis kann über einen Schalter im Ladetrennmodul von der Stromversorgung getrennt werden. Gegen Kurzschluss ist eine Absicherung über eine Sicherung vorgesehen. Auch hier wird vorzugsweise ein Smart-Highside-Schalter verwendet, der Sicherungs- und Schaltfunktion in einem Element vereint. Neben den abschaltbaren Verbrauchergruppen werden von den Ladetrennmodulen auch einige besonders sicherheitsrelevante Steuergeräte versorgt . Der Ausgang für diese Steuergeräte ist nicht deaktvierbar . Ein Schutz gegen Kurzschluss z.B. eine Sicherung ist eingebaut.

Die Ladetrennmodule verfügen außerdem über eine Kommunikationsschnittstelle. Diese Schnittstelle ermöglicht es, Befehle zur Energieverteilung von einem übergeordneten Steuergerät zu empfangen. Das übergeordnete Steuergerät ist vorzugsweise redundant ausgeführt. Die Umsetzung der Befehle erfolgt dann mithilfe eines Mikroprozessors. Zur Versorgung von Mikroprozessor und Kommunikationsschnittstelle wird eine Spannungsversorgung eingesetzt. Die Spannungsversorgung wird von der Batterie des dazugehörigen Bordnetzes versorgt. Als Kommunikationsmittel zwischen Ladetrennmodul und dem übergeordneten Steuergerät wird vorzugsweise ein redundant ausgeführter Kommunikationsbus mit einem geeigneten Protokoll für sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise FlexRay genutzt. Im Fehlerfall ist es möglich das gesamte Ladetrennmodul vom übergeordneten Steuergerät aus zu deaktivieren. Dies geschieht vorzugsweise über eine diskrete Kommunikationsleitung. Alternativ ist diese Funktion jedoch auch mithilfe eines Kommunikationsbusses möglich. Bei einer Deaktivierung des Ladetrennmoduls gehen alle Schalter in ihren Default-Zustand. Abhängig von der Gesamtfunktionalitat und den Einzelfunktionalitäten der Bordnetzkomponenten kann als Default-Zustand entweder offen oder geschlossen gewählt werden .

Vorzugsweise ist die Zuteilung der Komponenten zu den Bordnetzen asymmetrisch ausgelegt. Das erste Bordnetz umfasst dabei die Fahrbetriebsverbraucher, die KomfortVerbraucher, die Motorelektronik und die Generatoransteuerung sowie eine Versorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher. Dementsprechend umfasst das zugehörige Ladetrennmodul die Schalter SF für die Fahrbetriebsverbraucher, SK für die Komfortverbraucher, SM für die Motorelektronik und die Generatoransteuerung, sowie SRI .1 bis SRn.1 für die Gruppen 1 bis n der sicherheitsrelevanten Verbraucher. Das zweite Bordnetz und das hierzu gehörige zweite Ladetrennmodul umfasst und enthält die redundant ausgeführten sicherheitsrelevanten Verbraucher und die Schalter SRI .2 bis SRn.2 zu deren redundanten Versorgung .

Zur Ansteuerung der einzelnen Verbraucher wird jeweils eine Ansteuerungs- und Sicherungseinheit (ASE) verwendet. Die ASE besteht aus mindestens einer Kommunikationsschnittstelle, einer Spannungsversorgung, mindestens einem Mikroprozessor, einem oder mehreren Schalter (vorzugsweise elektronische Halbleiterschalter) und/oder gegebenenfalls einer Leistungselektronik, sowie eventuell weiteren Elementen, die zur Ansteuerung der entsprechenden Verbraucher notwendig sind. Die ASE sind vorzugsweise in das Gehäuse der entsprechenden Verbraucher integriert. In diesem Fall benötigen sie keine eigenen Kommunikationsschnittstelle, Spannungsversorgung und keinen eigenen Mikroprozessor, da sie die entsprechenden Komponenten des Verbrauchers nutzen können. Alternativ zu einer Integration in das Gehäuse des entsprechenden Verbrauchers gibt es die Möglichkeit, mehrere ASEs in einem Nebenschaltmodul (NSM) zusammenzufassen. Die ASEs nutzen dann gemeinsam eine Spannungsversorgung, eine Kommunikationschnittstelle und einen Mikroprozessor. In einem NSM werden also mehrere Schalter über einen Mikroprozessor gesteuert .

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert .

Dabei zeigen: Fig. 1 Eine hierarchische Darstellung einer erfindungsgemäßen Energieversorgung;

Fig. 2 Ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ladetrennmoduls ;

Fig. 3 Zwei verschiedene Möglichkeiten der Integration von Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten in die Bordnetzarchitektur;

Fig. 4 Ein Blockschaltbild einer Ansteuerungs- und Sicherungseinheit ;

Fig. 5 Ein Nebenschaltmodul ;

Fig. 6 Eine erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur mit DC/DC Wandler zur Steuerung des Ladestroms einer Bordnetzbatterie;

Fig. 7 Eine erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur mit DC/DC Wandler zur Steuerung des Ladestromes für zwei Bordnetzbatterie, wobei die eine Bordnetzbatterie in einem Fahrzeuganhänger sein kann;

Fig. 8 Eine erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur, bei der die Versorgung einer zweiten Batterie in einem Fahrzeuganhänger ohne DC/DC Wandler erfolgt;

Fig. 9 Zwei verschiedene Ausführungsformen von

Strombegrenzungsmodulen zur sicheren Ankopplung eines Fahrzeuganhängers mit einer Batterie, deren Zustand nicht bekannt ist.

Die Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 gibt einen Überblick über die

Stromversorgungsschaltung. Im Folgenden wird auch der Begriff Bordnetzarchitektur als Synonym für eine Stromversorgung oder eine Energieversorgung benutzt. Die Begriffe Stromversorgungsschaltung, Bordnetzarchitektur und Energieversorgung sind als Synonyme zu verstehen und beleuchten hierbei jeweils verschiedene Aspekte der Erfindung stärker oder schwächer. Die Stromversorgungsschaltung ist hierarchisch gegliedert in Energieerzeugung, Energieverteilung, Energiespeicherung und Verbraucherebene. Die Energieerzeugung übernimmt beispielsweise ein Bordnetzgenerator G, der von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Energieverteilung auf zwei Teilbordnetze erfolgt durch zwei zur Energieversorgung parallel geschalteten Ladetrennmodule LTMl, LTM2. Die beiden Ladetrennmodule fächern die durch sie geschalteten Teilbordnetze in weitere Stromzweige auf. In den einzelnen Stromzweigen der Teilbordnetze befinden sich die Energiespeicher verschiedene Gruppen von Verbrauchern. Die Energiespeicher der Teilbordnetze bilden damit die hierarchische Ebene der Energiespeicherung und die verschiednen Gruppen der Verbraucher bilden die hierarchische Ebene der Verbraucher. Die hierarchische Gliederung wird über einen Kommunikationsbus und zwei aus Sicherheitsgründen redundant ausgeführten, übergeordneten Steuergeräten eingerichtet . Über den Kommunikationsbus werden die schaltbaren und steuerbaren Einheiten der Stromversorgungsschaltung von den übergeordneten Steuergeräten entsprechend ihrer Bedeutung für das Gesamtsystem und entsprechend ihrer Hierarchiestufe mit unterschiedlicher Vorrangstellung geschaltet und gesteuert.

Weitere Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung zeigt ebenfalls Fig. 1. Zu sehen sind der Generator G, die redundanten übergeordneten Steuergeräte Ü-ECU1 und Ü-ECU2. Vom Generator geht jeweils eine Energieversorgungsleitung zu den Ladetrennmodulen LTMl und LTM2. An LTMl sind über Energieversorgungsleitungen, die Batterie, die Fahrbetriebsverbraucher, die Komfortverbraucher, die Versorgung von Motor und Generator und die Gruppen 1 bis 4 der sicherheitsrelevanten Verbraucher angeschlossen. An die Batterie ist ein Sensor angeschlossen, der charakteristische Messgrößen wie z.B. die Batteriespannung misst und über den Kommunikationsbus, dargestellt mit unterbrochenen Linie, zu den übergeordneten Steuergeräten Ü-ECU1, Ü-ECU2 sendet. Die übergeordneten Steuergeräte Ü-ECUs können aus diesen Werten den Batteriezustand ermitteln. Über einen Kommunikationsbus sind die übergeordneten Steuergeräte Ü-ECUs mit den Ladetrennmodulen LTMs, dem Generator, dem Batteriesensor und den sicherheitsrelevanten Verbrauchern verbunden. Beim mit unterbrochener Linie dargestellten Kommunikationsbus handelt es sich um einen Bus der geeignet ist, um sicherheitsrelevante Aufgaben zu erfüllen. Also vorzugsweise um einen deterministischen Datenbus, mit ereignisabhängigen und deterministisch steuerbaren Buszugriff. Die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher wie z.B. die Fahrbetriebsverbraucher können z.B. über nicht dargestellte Ansteuerungs- und Sicherungs-Einheiten und nicht gezeigte Kommunikationseinrichtungen gesteuert werden. Auf die Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten wird weiter unten noch eingegangen.

Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Ladetrennmoduls. Im linken Teil der Zeichnung sind der

Kommunikationscontroller und der MikroController μC zu sehen. An den Kommunikationscontroller wird der externe Kommunikationsbus angeschlossen. Die weiteren, internen Bauteile des Ladetrennmoduls werden danach über einen internen Bus angesteuert. Eine interne Spannungsversorgung, die ihre Energie über den Schalter SV von der zugehörigen Batterie erhält versorgt die beiden Controller, Kommunikationskontroller und MikroController μC mit der VersorgungsSpannung Uvers . Über ein diskretes Steuersignal, das an den Schalter SV angelegt wird, kann das Ladetrennmodul LTMl deaktiviert oder aktiviert werden.

Die Eingangsspannung wird vom Generator geliefert. Über die Diode Dl und den Schalter SHl kann die Generatorspannung an die entsprechende Batterie angelegt werden. Die Batterie ist über Energieleitungen immer fest mit den entsprechenden Ausgängen des Ladetrennmoduls verbunden. Im oberen Teil der Schaltung sind die schaltbaren Ausgänge mit den Schaltern SMl, SFl, SKl, SRI .1 bis SRn.1 zu sehen. In dem gezeigten Beispiel werden als Schalter intelligente Halbleiterschalter mit integrierter Sicherungsfunktion verwendet. Im unteren Teil sind nicht schaltbare Ausgänge zu sehen. Diese Ausgänge werden mit den Sicherungen Fl bis Fn gegen Kurzschluss abgesichert. Sie dienen der Versorgung von hochrelevanten Steuergeräten oder Kommunikationseinrichtungen. Der Kommunikationscontroller übersetzt die Steuerbefehle der übergeordneten Steuergeräte auf den internen Bus des Ladetrennmoduls . Mit dem Mikrocontroller des Ladetrennmoduls wird dann das Energiemanagement für das an das Ladetrennmodul angeschlossene Teilbordnetz innerhalb der Vorgaben durch die übergeordneten Steuergeräte durchgeführt . Die schaltbaren und steuerbaren Ausgänge des Ladetrennmoduls werden deshalb von dem Mikrocontroller über den internen Bus des Ladetrennmoduls angesprochen .

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur mit möglichen Einbaubeispielen für die Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten ASE, mit denen die Verbraucher gesteuert werden können. Im linken Teil der Schaltung ist eine Ansteuerungs- und Sicherungseinheit ASE integriert im Gehäuse eines Verbrauchers Vl. Eine Anbindung der Kombination von ASE und Verbraucher an den Kommunikationsbus ist hier zwingend notwendig. Im rechten Teil der Schaltung sind mehrere Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten in einem Nebenschaltmodul NSM zusammengefasst . Eine Anbindung der einzelnen Verbraucher V2 , V3 , V4 an ein Kommunikationsnetz ist hier nicht unbedingt erforderlich. Es genügt hier die Anbindung des Nebenschaltmoduls an den Kommunikationsbus.

Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Ansteuerungs- und Sicherungseinheit ASE. Über eine Kommunikationsschnittstelle gelangen die Befehle vom externen Kommunikationsbus zum Kommunikationscontroller und nachfolgend zum MikroController μC, der diese Befehle umwandelt und als Schaltsignale an die entsprechenden Schalter weitergibt . In dem Beispiel wird für die Kommunikation zwischen Kommunikationscontroller und Mikrokontroller ein interner Kommunikationsbus z.B. SPI Bus (SPI=Serial Peripheral Interface) verwendet. Der Schalter SIa wird vom Mikrokontroller ebenfalls über diesen Bus angesprochen. Alternativ dazu wäre auch eine Kommunikation zwischen MikroController und Schalter über diskrete Steuersignale möglich. Hierzu wären in der Zeichnung nicht gezeigte analoge Informationsleitungen notwendig. Die Absicherung gegen einen Kurzschluss wird mit einer Sicherung Fla realisiert. Die Sicherungsfunktionalität kann alternativ zu dieser Darstellung auch im Schalter integriert sein.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Nebenschaltmoduls NSM. In der Zeichnung sind 3 Schalter SIb bis Snb zu sehen. Die Befehle gelangen von den übergeordneten Steuergeräten Ü-ECUs über den externen Kommunikationsbus und den externen KommunikationsController zum Mikrokontroller μC. Dort werden die Befehle in interne Befehle für die einzelnen Schalter SIb bis Snb und für hier nicht gezeigte Leistungsschaltelemente zur Steuerung und Regelung von elektrischen Verbrauchern verwendet und umgesetzt. Die Sicherungen FIb bis Fnb sichern die abgehenden Stromleitungen gegen Kurzschluss ab. Das Nebenschaltmodul NSM wird von der Batterie des entsprechenden Bordnetzes mit versorgt.

Fig. 6 zeigt wie ein DC/DC-Wandler vorteilhaft eingesetzt werden kann um die Ladespannung einer Batterie 2 in einem Teilbordnetz zu steuern. In bisherigen, bekannten zweiteiligen Bordnetzen mit je einer Batterie in einem Teilbordnetz war es immer nur möglich die Spannung für eine der beiden Batterien zu optimieren. Mit der gezeigten Schaltung nach Fig. 6 ist es möglich, bei Bedarf die Spannung einer Batterie 2 in einem Teilbordnetz unabhängig von der für die Batterie notwendigen Ladespannung zu regeln. Das erste Teilbordnetz wird von dem Ladetrennmodul LTMl geschaltet. Die Verbraucher dieses ersten Teilbordnetzes sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Es sind aber im wesentlichen dieselben, die schon im Zusammenhang mit der Figur 1 diskutiert worden sind. Dadurch, dass in dem Teilbordnetz, das von dem Ladetrennmodul LTM2 geschaltet wird, der Energieverbrauch geringer ist als im Teilbordnetz, das durch das Ladetrennmodul LTMl geschaltet wird, und da eine Zuschaltung eines DC/DC-Wandlers nur temporär erfolgt, hat auch ein relativ kostengünstiger Wandler mit geringem Wirkungsgrad nur wenig negative Auswirkungen auf die Energiebilanz. Die Aufladung der Batterie in einem Teilbordnetz erfolgt daher über einen mit diesem Teilbordnetz verbundenen und durch das entsprechende Ladetrennmodul zuschaltbaren DC/DC Wandler. Die Spannungsregelung des DC/DC Wandlers wird hierbei von den übergeordneten Steuergeräten Ü- ECUl oder ECU2 übernommen, die über einen Kommunikationsbus sowohl die Leistungssteuerung des Generators als auch die Leistungssteuerung des DC/DC Wandlers übernehmen.

In Fig. 7 wird gezeigt, wie der DC/DC-Wandler bei Einsatz eines Anhängers mit eigenem Energiespeicher im Bedarfsfall abwechselnd zur Ladesteuerung der Batterie 2 in dem einen Teilbordnetz, das durch das Ladetrennmodul LTM2 beschaltet wird, und der Anhängerbatterie verwendet werden kann. Der Vorteil eines Wandlers in der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur ist hier noch größer, da durch die relativ lange Leitung zwischen Generator und Anhängerbatterie ein relativ hoher Spannungsabfall bis zur Anhängerbatterie entsteht. Ohne einen Ausgleich dieses Spannungsabfalls besteht die Gefahr, dass entweder die Batterien im Fahrzeug überladen werden oder die Batterie/Batterien im Anhänger nicht vollständig geladen werden können. Das Ladetrennmodul LTMl ist in dieser Zeichnung ohne das zugehörige Teilbordnetz dargestellt .

In Fig. 8 wird eine alternative Möglichkeit zur Versorgung eines Anhängers mit elektrischer Energie dargestellt. Im mittleren Teil der Zeichnung ist ein Beispiel für eine Ankopplung einer Batterie im Anhänger gegeben. Mit dem Schalter SBAl im Ladetrennmodul LTM2 kann die Anhängerbatterie vom Generator entkoppelt werden. Das Strombegrenzungsmodul UAB 1 wird benötigt um beim Ankoppeln bzw. beim Schließen des Schalters SBAl hohe Ströme zu verhindern. Eine genaue Beschreibung des

Strombegrenzungsmoduls UAB wird anhand Fig. 9 gegeben. Diese hohen Ströme könnten dann Auftreten, wenn der Ladezustand der Batterie im Anhänger sehr schlecht ist und die Spannung entsprechend niedrig. Im rechten Teil der Zeichnung ist zu sehen, wie die Verbraucher im Anhänger mit Strom versorgt werden können, ohne dass eine Batterie im Anhänger notwendig ist . Sie werden über einen weiteren Schalter SVA im Ladetrennmodul LTM2 von der Batterie 2 des Fahrzeugbordnetzes versorgt . Ebenso können die Verbraucher im Fahrzeuganhänger über einen weiteren Schalter SHl im Ladetrennmodul LTM" direkt an die Energieversorgungsleitung des Generators zugeschaltet werden.

Fig. 9 zeigt 2 Beispiele für den Aufbau von Strombegrenzungsmodulen UAB.

Im linken Beispiel ist die Realisierung einer Strombegrenzung mit mehreren parallelen Stromzweigen. Die zur Strombegrenzung dienenden Stromzweige haben dabei jeweils einem Schalter SUl bis SU3 mit jeweils einem in Serie zum Schalter befindlichen Widerstand Rl bis R3. Zu Beginn des AnkoppelVorgangs wird nur der Pfad mit dem höchsten ohmschen Widerstand über den entsprechenden Schalter, hier z.B. SUl geöffnet. Der größte Widerstand ist so ausgelegt, dass selbst bei einer vollständig entladenen Batterie im Anhänger nur ein relativ kleiner definiert Strom fließen kann z.B. 5A. Mit zunehmender Spannung an der Anhängerbatterie wird jeweils ein kleinerer Widerstand gewählt. Denkbar ist auch eine Kombination von mehreren offenen Pfaden zur stufenweisen Reduzierung des Widerstandes. Ist der Spannungsunterschied zwischen Anhänger und Zugmaschine auf ein vertretbares Maß gesunken, so ist eine Strombegrenzung nicht mehr notwendig. In diesem Fall wird innerhalb des Strombegrenzungsmoduls UAB ein Stromzweig ohne begrenzenden Widerstand geschaltet. In der Zeichnung ist dies der Pfad mit dem Schalter SUn. Der Verluststrom wird so minimiert . Auf der rechten Seite der Zeichnung ist die gleiche Funktionalität mit einem regelbaren Lastwiderstand Rr dargestellt. Vorteil dieser Ausführung ist die geringere Anzahl der Komponenten. Die Strombegrenzungseinheit kommt bei dieser Ausführungsform im Prinzip mit einem Strompfad aus, in dem ein ansteuerbarer Schalter und in Serie dazu ein regelbarer Widerstand geschaltet sind, aus. Nachteilig sind die verhältnismäßig höheren Kosten, die für den regelbaren Widerstand aufgebracht werden müssen. Vorteilhafter Weise enthält die Strombegrenzungseinheit aber auch bei dieser Ausführungsform neben dem Pfad mit dem regelbaren Lastwiderstand noch einen schaltbaren Pfad ohne Widerstand im Strompfad In der Zeichnung ist dies der Pfad mit dem Schalter SUb. Dieser ist vorteilhaft, da der regelbare Lastwiderstand nicht beliebig in Richtung 0 Ohm heruntergeregelt werden kann, sondern weiterhin einen Restwiderstand beinhaltet, der zu einem Spannungsabfall führt.

Mit der Erfindung lassen sich zusammenfassend folgende Funktionalitäten und Vorteile realisieren:

Im Normalbetrieb können die Verbraucher in den Teilbordnetzen einzeln aktiviert/deaktiviert werden bzw. gesteuert werden. Dies geschieht über Befehle, die per Kommunikationsbus zu den Kommunikationsschnittstellen der Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten ASE der einzelnen Verbraucher oder eines Nebensehaltmoduls übertragen werden. Im Fehlerfall, ist eine gruppenweise Deaktivierung mehrerer Verbraucher mithilfe der durch Ladetrennmodule LTM einzeln schaltbaren Stromzweige innerhalb eines Teilbordnetzes möglich. So kann beispielsweise ein fehlerhaft agierender sicherheitsrelevanter Aktuator stromlos geschaltet werden, indem das Ladetrennmodul LTM den entsprechenden Stromzweig und damit die entsprechende Verbrauchergruppe vom Bordnetz entkoppelt .

Beim Ausfall des Energieerzeugers, in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Bordnetzgenerator G, haben die beiden Energiespeicher in den beiden Teilbordnetzen ausreichend Energie, um das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu bringen. Der Zeitraum von der Entdeckung eines Energiemangels bzw. des Ausfalls der Energiequelle bis zum Stillstand des Fahrzeugs mit angezogenen Bremsen (sicherer Zustand) wird als Notlauf bezeichnet. Bei einem Notlauf werden alle nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher deaktiviert . Sollte der Energiemangel nicht durch einen Ausfall des Energieerzeugers verursacht worden sein, so wird die Energieversorgung des/der Energieerzeuger weiterhin aufrechterhalten. Sollte der Energiemangel nur vorübergehend und noch nicht sehr stark ausgeprägt sein, so ist eine stufenweise Deaktivierung der Verbraucher möglich. Dabei können zuerst einzelne Verbraucher deaktiviert werden, dann erfolgt eine Abkopplung der Komfortverbraucher und schließlich erfolgt eine Abtrennung der Fahrbetriebsverbraucher .

Die damit verbundenen Vorteile sind hauptsächlich:

• Eine konsequente Entkopplung der beiden Teilbordnetze über Dioden und Schalter in den Ladetrennmodulen.

• Bei Ausfall eines Teilbordnetzes können die redundant ausgeführten sicherheitsrelevanten Verbraucher über das zweite Teilbordnetz versorgt werden.

• Die erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur ermöglicht die gezielte Steuerung einzelner Verbraucher über die Ansteuerungs- und Sicherungseinheiten ASE. Hierfür ist nur bei sicherheitsrelevanten Verbrauchern auf die Sicherheit der Kommunikationsanbindung, also einen deterministischen Bus zu achten. Bei den anderen Verbrauchergruppen, wie z.B. den Fahrbetriebsverbraucher ist eine Kommunikationsanbindung über einen konventionellen arbitrierenden Bus wie z.B. CAN ausreichend, da diese Verbraucher im Notfall gruppenweise mithilfe des Ladetrennmoduls LTM abgeschaltet werden.

• Die erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur ermöglicht die gruppenweise Deaktivierung von nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern in einer EnergiemangelSituation.

• Im Fehlerfall kann ein Teilbordnetz komplett über das zugehörige Ladetrennmodul abgeschaltet werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass ein Defekt in einem Teilbordnetz die Energiequelle, z.B. den Bordnetzgenerator in Kombination mit einem antreibenden Verbrennungsmotor, negativ beeinflusst.

• Die hierarchische Gliederung der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung in Energieerzeugung, Energieverteilung, Energiespeicherung und Verbraucherebene ermöglicht eine optimierte Bordnetzarchitektur. Die Ladetrennmodule können kompakt ausgeführt und in räumlicher Nähe zu den Batterien der Teilbordnetze und zur Energiequelle angeordnet werden. Die Anbindung durch einen sicherheitsspezifischen deterministischen

Kommunikationsbus ermöglicht eine hohe Zuverlässigkeit der Energieverteilung über die Ladetrennmodule LTM mit verhältnismäßig geringem Aufwand für die Kommunikationsarchitektur des betreffenden Bussystems.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche

1. Stromversorgungsschaltung, insbesondere für das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bei der

- die von einer Energieerzeugung (G) bereitgestellte Energie auf mindestens zwei Ladetrennmodule (LTMl, LTM2 ( aufgeteilt wird,

- die mindestens zwei Ladetrennmodule zwei galvanisch getrennte Teilbordnetze beschälten und die Teilbordnetze in mehrere einzeln schaltbare Stromkreise aufgliedern,

- den einzelnen Stromkreisen die Verbraucher entsprechend ihrer Bedeutung in Gruppen zugeordnet sind,

-und mit mindestens einer übergeordneten und redundant ausgeführten Steuerungseinheit (Ü-ECU1, Ü-ECU2) über eine Kommunikationsstruktur eine Energieverteilung auf die Ladetrennmodule und die jeweils nach geordneten Verbrauchergruppen gesteuert wird.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, bei der die Kommunikationsstruktur aus einem Kommunikationsbus besteht, der sowohl die Ladetrennmodule als auch die einzelnen Verbraucher der Verbrauchergruppen ansteuert ,

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kommunikationsstruktur aus einem Kommunikationsbus für die Ansteuerung der Ladetrennmodule und der einzelnen Verbraucher und einem zweiten internen Kommunikationsbus in den Ladetrennmodulen besteht, mit dem die schaltbaren Ausgänge der Ladetrennmodule angesteuert werden.

4. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der mindestens eine Verbrauchergruppe aus sicherheitsrelevanten Verbrauchern zusammengesetzt ist die Verbrauchergruppen aus sicherheitsrelevanten Verbraucher in mindestens zwei Teilbordnetzen redundant ausgebildet sind.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der, ein Teil der Verbraucher über ein gemeinsames

Nebenschaltmodul NSM angesteuert wird.

6. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der mindestens ein Teilbordnetz einen zuschaltbaren DC/DC Wandler enthält, mit dem der Versorgungsstrom der Energieversorgung auf die Bordnetzbatterie des Teilbordnetzes transformiert werden kann.

7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6, bei der mit dem DC/DC Wandler die Stromversorgung eines weiteren anschließbaren und zuschaltbaren Bordnetzes, insbesondere eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug Anhänger, erfolgt .

8. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der an mindestens ein Ladetrennmodul über einen schaltbaren Ausgang ein weiteres Bordnetz, insbesondere das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs Anhängers, anschließbar ist.

9. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 8, bei der die Verbraucher des weiteren Bordnetzes und ein Energiespeicher des weiteren Bordnetzes an zwei verschiedenen Ausgängen des Ladetrennmoduls angeschlossen werden.

10. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 9, bei der zwischen Ladetrennmodul und Energiespeicher des weiteren Bordnetzes ein Strombegrenzungsmodul in Serie geschaltet ist .

11. Ladetrennmodul, insbesondere für eine Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,

- mit einer Kommunikationsschnittstelle zu einem Kommunikationsbus und einem Kommunikationscontroller, zur Umsetzung der Nachrichten auf dem Kommunikationsbus auf einen internen Bus des Ladetrenntrennmodul ,

- mit einer über einer Steuerleitung aktivierbaren Spannungsversorgung;

- mit einem Mikrocontroller für die Ansteuerung von Schaltelementen, die eine dem Ladetrennmodul über einen ebenfalls ansteuerbaren Hauptschalter zugeführte Spannung auf mehrere Spannungsausgänge des Ladetrennmoduls verteilen,

- so dass wahlweise die an die Spannungsausgänge angeschlossenen Verbraucher entweder einzeln nach Maßgabe der Schaltstellung der gesteuerten Schaltelemente zu oder angeschaltet werden können, oder dass oder alle an das Ladetrennmodul angeschlossenen Verbraucher zusammen durch betätigen des Hauptschalters ausgeschaltet werden können.

12. Ladetrennmodul nach Anspruch 11, bei dem neben den einzeln schaltbaren Ausgängen noch zusätzliche nicht einzeln schaltbare Ausgänge vorhanden sind.

13. Ladetrennmodul nach einem der Ansprüche 11 bis 12; bei dem zusätzlich ein bidirektionaler Eingang/Ausgang für den Anschluss eines Energiespeichers vorhanden ist .

14. Ladetrennmodul nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem, ein schaltbarer Knotenpunkt (Klemme 30) vorhanden ist, der gleichzeitig die externen Spannungsquellen auf die Ausgänge des Ladetrennmoduls und auf die interne Spannungsversorgung für den Kommunikationscontroller und für den Mikroprozessor schaltet.