DE10020141A1

DE10020141A1 - Bordnetzsystem

Info

Publication number: DE10020141A1
Application number: DE10020141A
Authority: DE
Inventors: Bernd Rech; Dieter Van Gerpen; Maria Binfet-Kull; Friedrich Stock
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: DE10020141B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem (1), umfassend mindestens ein Fahrzeugbordnetz (2) und mindestens ein Teilbordnetz (3, 4), in dem sicherheitsrelevante Verbraucher (15, 16 bzw. 18, 19) angeordnet sind, wobei das Fahrzeugbordnetz (2) und das Teilbordnetz (3, 4) mit den sicherheitsrelevanten Verbrauchern (15, 16 bzw. 18, 19) auf dem gleichen Spannungsniveau arbeiten, wobei zwischen dem Fahrzeugbordnetz (2) und dem Teilbordnetz (3, 4) ein DC/DC-Wandler (23) angeordnet ist, wobei parallel zum DC/DC-Wandler (23) eine Leistungsdiode (21) mit einem ersten nachgeordneten Schaltelement (22) und in Reihe zur Parallelschaltung mindestens ein zweites Schaltelement (24, 25) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im zunehmenden Maße finden in modernen Kraftfahrzeugen X-by wire- Systeme Anwendung. Dabei werden bisher rein mechanische Komponenten wie Bremse oder Lenkung durch elektrische Aktuatoren ersetzt. Ein Problem bei derartigen Systemen ist, daß auch bei Ausfall der Energieversorgung eine sichere Betriebsweise dieser sicherheitsrelevanten Verbraucher gewährleistet sein muß.

Daher ist es bekannt, diese sicherheitsrelevanten Verbraucher in einem separaten Teilbordnetz anzuordnen. Hierzu wird dieses Teilbordnetz mit einer eigenen Spannungsversorgung ausgebildet und über einen DC/DC-Wandler mit dem Fahrzeugbordnetz verbunden. Über den DC/DC-Wandler sind die beiden Netze voneinander entkoppelt, wobei über den DC/DC-Wandler ein gerichteter Energiefluß vom Fahrzeugbordnetz zum Teilbordnetz sichergestellt ist. Dieser Energiefluß versorgt die elektrischen Verbraucher und lädt die Energiespeicher des Teilbordnetzes. Dabei ist es bekannt, daß das Teilbordnetz auf dem gleichen Spannungsniveau oder auf einem höheren Spannungsniveau im Vergleich zum Fahrzeugbordnetz arbeitet. Um auch bei Fehlern des Teilbordnetzes die Funktionalität wenigstens partiell zu erhalten, ist es weiter bekannt, die Teilbordnetze redundant auszubilden. So ist es beispielsweise bekannt, die vier elektromechanischen Radbremsanlagen auf zwei Teilbordnetze aufzuteilen. Diese Aufteilung erfolgt entweder achsseitig oder diagonal, so daß auch bei Ausfall eines Teilbordnetzes noch zwei elektromechanische Radbremsanlagen wenigstens die halbe Bremskraft erzeugen, so daß das Kraftfahrzeug noch sicher abgebremst und abgestellt werden kann.

Ein sicherheitsrelevantes System wie beispielsweise die elektromechanische Bremse stellt hohe Anforderungen an die Stromversorgung durch eine hohe Stromgrundlast sowie durch eine sehr hohe Belastung durch Spitzenströme, die das 10-fache des Nennstromes betragen können. Damit der DC/DC-Wandler die gesamte Stromversorgung übernehmen kann, muß dieser entsprechend ausgelegt und dimensioniert sein. Derartige DC/DC-Wandler sind jedoch sehr schwer und teuer.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Bordnetzsystem mit einem sicherheitsrelevante Verbraucher aufweisenden Teilbordnetz zu schaffen, bei dem die Netze einfach und zuverlässig entkoppelt sind. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung eines Verfahrens zur Überwachung der Entkoppelung.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu ist zwischen Fahrzeugbordnetz und dem Teilbordnetz eine Leistungsdiode mit nachgeordnetem Schaltelement parallel zu einem DC/DC- Wandler angeordnet und in Reihe zur Parallelschaltung ein weiteres Schallelement angeordnet. Die Leistungsdiode ist dabei derart ausgelegt, daß diese im Normalbetrieb die gesamte Stromlast des Teilbordnetzes trägt. Der DC/DC-Wandler hat nur noch die Funktion, einen Ladestrom für die niedrig ausgelegten Energiespeicher in dem Teilbordnetz zur Verfügung zu stellen und kann entsprechend klein dimensioniert werden. Die Leistungsdiode und der DC/DC-Wandler entkoppeln dabei das Teilbordnetz vom Fahrzeugbordnetz, so daß Belastungen des Fahrzeugbordnetzes keine Auswirkungen auf das Teilbordnetz haben. Im Falle von Störungen des Teilbordnetzes kann diese durch das in Reihe geschaltete Schaltelement abgetrennt werden, so daß Rückwirkungen auf das Fahrzeugbordnetz vermieden werden. Bei Störungen der Leistungsdiode, die Auswirkungen auf das Bordnetzsystem hätten, wird über das in Reihe zur Leistungsdiode geschaltete Schaltelement die Leistungsdiode abgeschaltet. Bei Defekten des DC/DC-Wandlers erfolgt die Entkopplung durch Sperren aller Schaltelemente.

Zur Erzeugung einer erhöhten Redundanz kann bei mehreren Teilbordnetzen mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern jedem Teilbordnetz eine eigene Entkoppelungsschaltung zugeordnet sein, so daß auch schwere Defekte eines Teilbordnetzes bzw. der zugeordneten Entkopplungsschaltung keinen Einfluß auf die übrigen Teilbordnetze hat.

Ein besonders einfaches Schaltungskonzept ergibt sich, wenn eine einzige Entkopplungsschaltung für alle Teilbordnetze vorgesehen ist. In diesem Fall dient die Leistungsdiode und der DC/DC-Wandler zur Versorgung aller Teilbordnetze, wobei jedem Teilbordnetz ein Schaltelement zugeordnet ist, mittels dessen das Teilbordnetz abtrennbar ist.

Die Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion der Schaltungsanordnung kann entweder über eine Spannungsmessung an den Elementen oder durch eine Strommessung erfolgen, wobei bei letzterer die Auswertung und Steuerung der Schaltelemente vereinfacht ist.

Durch Auswertung der Stromstärke sowie der Stromrichtung kann auf die Art und den Ort der Fehler zurückgeschlossen werden, so daß dann durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente diesem entgegengewirkt werden kann. Wird beispielsweise ein negativer Stromfluß durch die Leistungsdiode erfaßt, so muß diese niederohmig kurzgeschlossen sein. Dies wiederum bedeutet, daß aufgrund der nicht mehr vorhandenen Sperrwirkung der Diode die Netze nicht mehr entkoppelt sind. In diesem Fall muß die Entkopplung durch Sperren des der Leistungsdiode zugeordneten Schaltelementes erfolgen. Wird hingegen ein Diodenstrom I_D<I_Dmax erfaßt, so läßt dies auf einen Kurzschluß hinter der Diode schließen. Dieser kann entweder vor dem Schaltelement der Diode, am Ausgang des DC/DC-Wandlers oder hinter einem Schaltelement der Teilbordnetze sein. Ein Kurzschluß hinter dem Schaltelement eines Teilbordnetzes wird jedoch durch I_s<I_smax detektiert und durch Sperren des zugehörigen Schaltelementes behoben. Gilt jedoch I_D<I_Dmax und I_sm<0, so wird zunächst das Schaltelement der Diode gesperrt. Gilt danach immer noch I_sm<0, so ist der Ausgang des DC/DC-Wandlers kurzgeschlossen und alle Schaltelemente müssen gesperrt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Bordnetzsystems mit zwei Teilbordnetzen mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Schaltung zur bidirektionalen Entkopplung.

Das Bordnetzsystem 1 umfaßt ein Fahrzeugbordnetz 2, ein erstes Teilbordnetz 3 und ein zweites Teilbordnetz 4 mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern und ein weiteres Teilbordnetz 5 ohne sicherheitsrelevante Verbraucher. Das Fahrzeugbordnetz 2 umfaßt einen Generator 6, eine Bordnetzbatterie 7, einen Starter 8 und elektrische Verbraucher 9. Des weiteren sind dem Generator 6, eine Bordnetzbatterie 7, einen Starter 8 und elektrische Verbraucher 9 zugeordnet. Das Teilbordnetz 5 umfaßt weitere elektrische Verbraucher 12 und ist über einen DC/DC-Wandler 13 mit dem Fahrzeugbordnetz 2 verbunden. Über eine Schaltung 14 ist das Fahrzeugbordnetz 2 mit dem ersten und zweiten Teilbordnetz 3, 4 verbunden. Das erste Teilbordnetz 3 umfaßt erste sicherheitsrelevante Verbraucher 15, 16 und eine erste Spannungsversorgung 17. Das zweite Teilbordnetz 4 umfaßt zweite sicherheitsrelevante Verbraucher 18, 19 und eine zweite Spannungsversorgung 20. Die erste und zweite Spannungsversorgung 17, 20 können dabei je nach Anforderung als Batterie, Akkumulator oder Kondensator ausgebildet sein. Diese sind dabei derart dimensioniert, daß diese nur im Notbetrieb die Spannungsversorgung der sicherheitsrelevanten Verbraucher 15, 16 bzw. 18, 19 übernehmen, wohingegen im Normalbetrieb die Energie durch das Fahrzeugbordnetz 2 geliefert wird. Die sicherheitsrelevanten Verbraucher 15, 16 bzw. 18, 19 sind beispielsweise elektromechanische Bremsanlagen, die jeweils diagonal einem Teilbordnetz 3, 4 zugeordnet sind. So sind beispielsweise die dem vorderen rechten und dem hinteren linken Rad zugeordneten Bremsanlagen im ersten Teilbordnetz 3 und die dem vorderen linken und dem hinteren rechten Rad zugeordneten Bremsanlagen im zweiten Teilbordnetz 4 angeordnet. Im nachfolgenden wird die Spannung im Fahrzeugbordnetz 2 mit U_BAT, die Spannung im ersten Teilbordnetz 3 mit U_EMB1 und im zweiten Teilbordnetz 4 mit U_EMB2 bezeichnet.

In der Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild der Schaltung 14 zur bidirektionalen Entkopplung des Fahrzeugbordnetzes 2 und der beiden Teilbordnetze 3, 4 dargestellt. Die Schaltung 14 umfaßt eine Leistungsdiode 21, ein Schaltelement 22, einen DC/DC-Wandler 23, ein Schaltelement 24 für das erste Teilbordnetz 3 und ein Schaltelement 25 für das zweite Teilbordnetz 4. Eingangsseitig ist ein erster hochohmiger Spannungsteiler 26, 27 angeordnet. Der Spannungsteiler 26, 27 ist mit einer Steuereinheit 28 verbunden, die das Schaltelement 22 schaltet. Des weiteren ist der Leistungsdiode 21 eine Induktivität 29 zugeordnet, die ebenfalls mit der Steuereinheit 28 verbunden ist. Ausgangsseitig ist jeweils ein Spannungsteiler 30, 31 bzw. 32, 33 angeordnet, die den jeweiligen Eingängen der Teilbordnetze 3 bzw. 4 zugeordnet sind. Den Schaltelementen 24, 25 ist jeweils eine weitere Induktivität 34, 35 zugeordnet, die jeweils mit einer Steuereinheit 36, 37 verbunden sind. Die Steuereinheiten 36, 37 schalten die Schaltelemente 24, 25.

Im Normalbetrieb sind alle Schaltelemente 22, 24 und 25 geschlossen. Über die Leistungsdiode 21 ist das Fahrzeugbordnetz 2 mit den beiden Teilbordnetzen 3, 4 verbunden. Für U_BAT<U_{EMB1, 2} ist die Leistungsdiode 21 in Flußrichtung gepolt und ein gerichteter Stromfluß kann von dem Fahrzeugbordnetz 2 in die beiden Teilbordnetze 3, 4 fließen. Dieser Stromfluß ist derart dimensioniert, daß dieser die Energieversorgung der sicherheitstechnischen Verbraucher 15, 16 bzw. 18, 19 deckt. Gilt hingegen U_BAT<U_{EMB1, 2}, so sperrt die Leistungsdiode 21 und unter Vernachlässigung der Sperrströme sind das Fahrzeugbordnetz 2 und die Teilbordnetze 3, 4 entkoppelt. Der leistungsschwache DC/DC-Wandler 23 transformiert die niedrigere Fahrzeugbordnetzspannung U_BAT hoch, so daß dennoch ein geringer Ladestrom für die Spannungsversorgungen 17, 20 verbleibt.

Die Schaltungsanordnung 14 hat darüber hinaus die Aufgabe, im Fehlerfall eines Bordnetzes Rückwirkungen auf die anderen Bordnetze zu verhindern, wozu gezielt einzelne Teile des Bordnetzsystems durch die Schaltelemente 22, 24, 25 abschaltbar sind. Hierzu werden die Ströme I_D, I_s1 und I_s2 ausgewertet. Dies soll zunächst anhand des Stromes I_s1 erläutert werden. Im Normalbetrieb muß für den Strom I_s1 gelten:

0<I_s1<I_{s1 max}.

Tritt nun im ersten Teilbordnetz 3 ein Kurzschluß auf, so gilt U_EMB1 = 0. Des weiteren bewirkt der Kurzschluß einen Eingangswiderstand von Null, so daß der Strom durch das Schaltelement 24 stark ansteigt, so daß I_s1<I_{s1 max} gilt. Um Rückwirkungen auf das Fahrzeugbordnetz 2 und das andere Teilbordnetz 4 zu verhindern, öffnet bzw. sperrt die Steuereinheit 36 das Schaltelement 24. Des weiteren wird das Schaltelement 24 geöffnet bzw. gesperrt, falls ein umgekehrter Stromfluß I_s1<0 erfaßt wird, da dies auf einen Kurzschluß vor dem Schaltelement 24 schließen läßt. Sinngemäß gelten diese Ausführungen für I_s2.

Bei Fehlern im Fahrzeugbordnetz 2, aufgrund derer der Generator 6 und die Bordnetzbatterie 7 defekt sind oder abgeschaltet werden müssen, gilt U_BAT = 0. Da über die gesperrte Leistungsdiode 21 bzw. den DC/DC-Wandler 23 das Fahrzeugbordnetz 2 von den beiden Teilbordnetzen 3, 4 entkoppelt ist, können alle Schaltelemente 22, 24, 25 geschlossen bleiben. Wird dabei die Sperrspannung an der Leistungsdiode 21 aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den Teilbordnetzen 3, 4 und dem Fahrzeugbordnetz so groß, daß ein nennenswerter Sperrstrom durch die Leistungsdiode 21 fließt, so wird dies als I_{s1, 2}<0 erfaßt und die Schaltelemente 24, 25 geöffnet.

Eine weitere mögliche Fehlerquelle stellt die Leistungsdiode 21 dar. Im Normalbetrieb gilt:

0<I_D<I_{D max}.

Tritt nun hinter der Leistungsdiode 21 ein Kurzschluß auf, so bewirkt dies ein Ansteigen des Diodenstroms I_D<I_{D max} und das Schaltelement 22 wird geöffnet. Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 23 liegt dann ein Potential, so daß normalerweise ein gerichteter Ladestrom für die Spannungsversorgungen 17, 20 verbleibt. Wird hingegen trotz des geöffneten Schaltelementes 22 ein negativer Strom I_s1 oder I_s2 erfaßt, so befindet sich der Kurzschluß zwischen den Schaltelementen 22 und 24, d. h. der DC/DC-Wandler 23 ist ausgangsseitig kurzgeschlossen. In diesem Fall müssen auch die Schaltelemente 24, 25 geöffnet werden, um eine Rückwirkung auf die Teilbordnetze 3, 4 zu verhindern. Eine weitere mögliche Fehlerart der Leistungsdiode 21 ist, daß diese selbst einen niederohmigen Kurzschluß darstellt. Dies wird durch I_D<0 detektiert und das Schaltelement 22 geöffnet. Des weiteren kann die Leistungsdiode 21 hochohmig defekt sein, so daß I_D = 0 gilt. Dies allein reicht jedoch als Bedingung noch nicht aus. Vielmehr muß zusätzlich gelten U_BAT<U_{EMB1, 2}. Allerdings bewirkt der hochohmige Defekt der Leistungsdiode 21, daß das Fahrzeugbordnetz 2 und die Teilbordnetze 3, 4 entkoppelt sind, so daß keine aktiven Maßnahmen am Schaltelement 22 notwendig sind.

Entsprechend kann also festgehalten werden, daß die Schaltelemente 22, 24 und 25 immer dann geöffnet werden müssen, wenn der Strom durch sie negativ oder größer als ein zulässiger Grenzwert ist. Bei der Reihenfolge ist zunächst der Strom I_D durch die Leistungsdiode 21 zu detektieren, da ein Kurzschluß zwischen Leistungsdiode 21 und Schaltelement 22 auch einen negativen Stromfluß durch die Schaltelemente 24, 25 zur Folge hat, der jedoch durch Öffnen des Schaltelementes 22 behoben wird.

Die Schaltelemente 22, 24, 25 sind vorzugsweise als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet, die bereits über eine interne Stromüberwachung verfügen, deren Ergebnisse zur Steuerung der Schaltelemente 22, 24, 25 herangezogen werden können.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entkoppelt eine Schaltungsanordnung 14 zwei Teilbordnetze 3, 4 von einem Fahrzeugbordnetz. Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung 14 entweder nur ein einziges Teilbordnetz oder eine Vielzahl von Teilbordnetzen entkoppeln.

Claims

1. Bordnetzsystem, umfassend mindestens ein Fahrzeugbordnetz und mindestens ein Teilbordnetz, in dem sicherheitsrelevante Verbraucher angeordnet sind, wobei das Fahrzeugbordnetz und das Teilbordnetz mit den sicherheitsrelevanten Verbrauchern auf dem gleichen Spannungsniveau arbeiten, wobei zwischen dem Fahrzeugbordnetz und dem Teilbordnetz ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum DC/DC-Wandler (23) eine Leistungsdiode (21) mit einem ersten nachgeordneten Schaltelement (22) und in Reihe zur Parallelschaltung mindestens zweites Schaltelement (24, 25) angeordnet ist.

2. Bordnetzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Teilbordnetz (3, 4) mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern (15, 16, 18, 19) eine separate Entkopplungsschaltung (14) zugeordnet ist.

3. Bordnetzsystem nach Anspruch 1, mit mindestens zwei Teilbordnetzen (3, 4) mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern (15, 16, 18, 19), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fahrzeugbordnetz (2) und den Teilbordnetzen (3, 4) ein einziger DC/DC-Wandler (23) mit parallelgeschalteter Diode (21) und Schaltelement (22) angeordnet ist, wobei jedem Teilbordnetz (3, 4) ein Schaltelement (24, 25) zugeordnet ist, das zwischen der Parallelschaltung und dem jeweiligen Teilbordnetz (3, 4) verbunden angeordnet ist.

4. Bordnetzsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Diode (21) und den Schaltelementen (22, 24, 25) ein Voltmeter oder eine andere Spannungsmeßeinrichtung angeordnet ist.

5. Bordnetzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diode (21) und den Schaltelementen (22, 24, 25) Strommeßeinrichtungen zugeordnet sind.

6. Bordnetzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtungen Induktivitäten (29, 34, 35) zur induktiven Strommessung umfassen.

7. Bordnetzsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen der Bordnetze (2, 3, 4) über hochohmige Spannungsteiler (26, 27; 30, 31; 32, 33) abgreifbar sind.

8. Bordnetzsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (22, 24, 25) als Leistungshalbleiterschalter oder als Leistungsrelais ausgebildet sind.

9. Bordnetzsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sicherheitsrelevanten Verbraucher (15, 16, 18, 19) als elektromechanische Bremsanlage ausgebildet sind.

10. Bordnetzsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils diagonal an einem Kraftfahrzeug angeordneten Bremsanlagen einem Teilbordnetz (3, 4) zugeordnet sind.

11. Verfahren zur Überwachung eines Bordnetzsystems (1), mit mindestens einem Fahrzeugbordnetz (2) und mindestens einem Teilbordnetz (3, 4), in dem sicherheitsrelevante Verbraucher (15, 16, 18, 19) angeordnet sind, wobei das Fahrzeugbordnetz (2) und das Teilbordnetz (3, 4) auf dem gleichen Spannungsniveau arbeiten, wobei zwischen dem Fahrzeugbordnetz (2) und dem Teilbordnetz (3, 4) ein DC/DC-Wandler (23) angeordnet ist, zu dem parallel ein Leistungsdiode (21) mit Schaltelement (22) geschaltet ist und zwischen Parallelschaltung und dem Teilbordnetz (3, 4) ein in Reihe geschaltetes zweites Schaltelement (24, 25) angeordnet ist, umfassend folgende Verfahrensschritte:

a) Erfassen des Stromes I_D durch die Leistungsdiode (21) und
b) Sperren des in Reihe zur Leistungsdiode (21) angeordneten Schaltelementes (22), falls I_D<0 oder I_D<I_{D max} erfaßt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom I_{s1, 2} über das zweite Schaltelement (24, 25) erfaßt wird und dieses gesperrt wird, falls der Strom I_s<0 oder I_s<I_{s max} erfaßt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, mit mehreren zweiten Schaltelementen (24, 25), dadurch gekennzeichnet, daß bei Erfassung von I_s1<I_{s2 max} und I_s2<0 zunächst das Schaltelement (24) gesperrt wird und bei Erfassung von I_s2<I_{s2 max} und I_s1<0 zunächst das Schaltelement (25) gesperrt wird.