DE102008010979A1

DE102008010979A1 - Bordnetz für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008010979A1
Application number: DE102008010979A
Authority: DE
Inventors: Marcus Abele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei mit elektrischer Energie zu versorgenden Teilnetzen (2, 3, 4), wobei mindestens ein erstes Teil (31, 32, 41, 42) zum Zu- und Abschalten von Spannungsquellen innerhalb des Teilnetzes (3, 4) umfasst und eingerichtet ist, mindestens zwei elektrische Verbraucher (33, 34, 43, 44) mit Betriebsspannung zu versorgen, von denen ein erster Verbraucher (33, 43) eingerichtet ist, aus mindestens einem zweiten Teilnetz (2, 3, 4) mit Betriebsspannung versorgt zu werden, wobei der erste Verbraucher (33, 43) eine Kontrolleinheit ist, welche eingerichtet ist, die Schaltelemente (31, 32, 41, 42) innerhalb des Teilnetzes (3, 4) anzusteuern, um die Spannungsversorgung des Teilnetzes (3, 4) zu beeinflussen und welche eingerichtet ist, einen Zustand des Teilnetzes (3, 4) an ein Steuergerät (11) außerhalb des Teilnetzes (3, 4) zu übermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Bordnetz mit mehreren separaten Teilnetzen.
Stand der Technik
Um ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, wird heutzutage üblicherweise ein durch einen Verbrennungsmotor über einen Keilriemen angetriebener Drehstromgenerator eingesetzt, welcher eine durch eine Stellgröße vorgegebene Sollspannung erzeugt. Die Stellgröße wird von einem Spannungsregler geliefert, welcher die Aufgabe hat, mittels der Stellgröße über die Ausgangsspannung des Generators die Bordnetzspannung unabhängig von Belastung und Drehzahl des Verbrennungsmotors in einem bestimmten Bereich konstant zu halten. Falls es zu einem Ausfall in der Spannungserzeugung oder zu einem Kurzschluss im Bordnetz kommt, kann die Energieversorgung des Bordnetzes zusammenbrechen, und die daran angeschlossenen Verbraucher fallen aus.
In modernen Kraftfahrzeugen werden immer mehr sicherheitsrelevante Verbraucher in das Bordnetz integriert, beispielsweise elektronische Lenk- oder Bremssysteme. Diese dürfen keinesfalls ausfallen, während das Fahrzeug fährt, bzw. sie müssen im Falle einer Störung des Bordnetzes wenigstens so lange funktionsfähig bleiben, dass das Fahrzeug sicher zum Stehen gebracht werden kann.
Hierfür wird in neueren Bordnetzarchitekturen eine Struktur vorgesehen, in der sicherheitsrelevante Verbraucher und zugehörige Überwachungsgeräte an ein oder mehrere separate Teilnetze angeschlossen sind, wobei jedes Teilnetz über ein Basisbordnetz von einem dort angeordneten Generator mit Energie versorgt wird. Das Teilnetz ist üblicherweise durch einen Spannungswandler vom Basisbordnetz getrennt und umfasst einen separaten Energiespeicher, so dass Verbraucher in diesem Teilnetz mit hoher Spannungsqualität und hoher Zuverlässigkeit versorgt werden können. Das Überwachungsgerät im Teilnetz hat hierbei die Aufgabe, die ordnungsgemäße Funktion des sicherheitsrelevanten Verbrauchers und/oder des Teilnetzes zu überwachen und im Fehlerfalle zu veranlassen, dass einem Fahrer des Fahrzeugs der Fehler gemeldet wird.
Falls nur die Energieversorgung im Teilnetz durch einen Fehler ausfällt, beispielsweise durch einen Kurzschluss im Teilnetz, und das Basisbordnetz noch funktionsfähig ist, so kann das Fahrzeug weiter fahrbereit sein, jedoch ist aufgrund des Ausfalls im Teilnetz der Verbraucher und auch das Überwachungsgerät nicht mehr funktionsfähig, so dass eine gezielte Rückmeldung über den Funktionsausfall an den Fahrer nicht möglich ist.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2005 004 330 A1 ist ein Bordnetz für sicherheitsrelevante Verbraucher bekannt, welches ein Basisbordnetz und ein Teilnetz der oben beschriebenen Art aufweist, wobei das Teilnetz über verschiedene Versorgungswege mit Energie versorgt werden kann und Schalter zur Auftrennung der Versorgungswege aufweist. Im Bordnetz ist eine Steuereinrichtung vorhanden, die abhängig von Fehlfunktionen im Bordnetz die Schalter ansteuert und so eine Ausbreitung von Fehlern innerhalb des Bordnetzes verhindert, in erster Linie die Ausbreitung eines Fehlers aus dem Basisbordnetz auf das Teilnetz. Hierbei ist jedoch nicht offenbart, auf welche Weise gewährleistet ist, dass die Steuereinrichtung selbst noch mit Energie versorgt ist, um die Schalter noch ansteuern zu können, wenn der Fehlerfall und ein damit verbundener Spannungsausfall bereits eingetreten ist.
Weiter beschreibt die Offenlegungsschrift DE 102 51 589 A1 ein in zwei Teilnetze strukturiertes Bordnetz, in welchem ein sicherheitsrelevanter Verbraucher über zwei redundante Versorgungswege aus beiden Teilnetzen mit Energie versorgt wird. Die Versorgungswege sind hierbei über Schalter selektierbar, die von einer Schaltsteuereinheit angesteuert werden. Auch in dieser Schrift ist die Ausgestaltung der Schaltsteuereinheit nicht offenbart, so dass deren Anordnung innerhalb der Teilnetze und deren Energieversorgung unklar ist.
Zudem lassen beide Offenlegungsschriften die Problematik ungelöst, bei einem Ausfall eines Teilnetzes eine entsprechende Meldung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs auszulösen, damit dieser – auch bei einem gegen einen Ausfall abgesicherten und vorübergehend noch funktionierendem sicherheitsrelevanten Verbraucher – so bald wie möglich geeignete Vorkehrungen zur Behebung des Problems treffen kann.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein in mindestens zwei separate Teilnetze untergliedertes Bordnetz für ein Kraftfahrzeug geschaffen, bei welchem eine Kontrolleinheit in einem der Teilnetze auch nach Auftreten eines Fehlers im Teilnetz zuverlässig in der Lage ist, eine Ausbreitung des Fehlers auf das übrige Bordnetz zu verhindern und eine Benachrichtigung eines Fahrers des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
Diese Vorteile werden erreicht, indem in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei mit elektrischer Energie zu versorgenden Teilnetzen, wobei mindestens ein erstes Teilnetz elektronisch steuerbare Schaltelemente zum Zu- und Abschalten von Spannungsquellen innerhalb des Teilnetzes umfasst und eingerichtet ist, mindestens zwei elektrische Verbraucher mit Betriebsspannung zu versorgen, von denen ein erster Verbraucher eingerichtet ist, aus mindestens einem zweiten Teilnetz mit Betriebsspannung versorgt zu werden, der erste Verbraucher eine Kontrolleinheit ist, welche eingerichtet ist, die Schaltelemente innerhalb des Teilnetzes anzusteuern, um die Spannungsversorgung des Teilnetzes zu beeinflussen und welche eingerichtet ist, einen Zustand des Teilnetzes an ein Steuergerät außerhalb des Teilnetzes zu übermitteln. Beim Auftreten eines Fehlers innerhalb des ersten Teilnetzes kann die Kontrolleinheit des ersten Teilnetzes durch eine geeignete Ansteuerung der Schaltelemente gezielt die Ausbreitung des Fehlers auf ein anderes Teilnetz verhindern, so dass das erste Teilnetz gegebenenfalls isoliert und abgeschaltet werden kann. Dadurch, dass die Kontrolleinheit durch die zusätzliche Spannungsversorgung aus einem zweiten Teilnetz immer noch funktionsfähig ist, kann gewährleistet werden, dass der Zustand des ersten Teilnetzes auch nach der Abschaltung des ersten Teilnetzes an ein übergeordnetes Steuergerät des Bordnetzes übermittelt werden kann, so dass das Steuergerät eine Benachrichtigung des Fahrers veranlassen kann.
Gegenüber einer Integration der Kontrolleinheit in einem zentralen Steuergerät des Bordnetzes hat die Anordnung der Kontrolleinheit im Teilnetz den Vorteil, dass in verschieden strukturierten Bordnetzen mit unterschiedlichen Verbrauchern in mehreren Teilnetzen jeweils nur das Teilnetz modular in das Bordnetz integriert werden muss und das zentrale Steuergerät nicht separat an die Gegebenheiten der Bordnetzstruktur angepasst werden muss.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Teilnetz ein Basisbordnetz, welches eingerichtet ist, mindestens das erste Teilnetz mit elektrischer Energie zu speisen. Somit kann die Kontrolleinheit durch das Basisbordnetz redundant mit Betriebsspannung versorgt werden und kann ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen, solange das Basisbordnetz funktionsfähig ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und das zweite Teilnetz eingerichtet, parallel zueinander von einem Basisbordnetz mit elektrischer Energie gespeist zu werden. In dieser Struktur ist das Bordnetz in ein Basisbordnetz und zwei weitere Teilnetze gegliedert, wobei die Teilnetze vorzugsweise ausfallsicher ausgeführt sind und angenommen wird, dass nicht beide Teilnetze gleichzeitig ausfallen. Die Kontrolleinheit des ersten Teilnetzes kann dann entweder vom ersten oder vom zweiten Teilnetz mit Betriebsspannung versorgt werden, um bei einem Ausfall eines der Teilnetze weiterhin betriebsfähig zu bleiben.
In jeder der Ausgestaltungen der Erfindung ist es hierbei vorteilhaft, wenn die Kontrolleinheit Mittel umfasst, welche eingerichtet sind, diejenigen Teilnetze, welche die Kontrolleinheit mit Spannung versorgen, spannungstechnisch zu entkoppeln. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass sich ein Fehler im Teilnetz über die Kontrolleinheit hinweg auf das übrige Bordnetz fortsetzt und dort zu weiteren Ausfällen führt.
Insbesondere wenn ein zweiter Verbraucher mindestens des ersten Teilnetzes ein sicherheitsrelevanter Verbraucher ist, ergeben sich besondere Vorteile durch die Erfindung. Für sicherheitsrelevante Verbraucher ist es in besonderem Maße wichtig, dass die Kontrolleinheit auch nach einem Fehler im Teilnetz ihre Funktionen ausführen kann und den Zustand des Teilnetzes und somit einen bevorstehenden Ausfall des sicherheitsrelevanten Verbrauchers an das zentrale Steuergerät weitergeben und so für eine Fehlermeldung an den Fahrer sorgen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug in einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 die schematische Darstellung einer alternativen Ausführung der Erfindung; und
3 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung.
1 stellt den schematischen Aufbau eines Bordnetzes 1 für ein Kraftfahrzeug dar. Im Bordnetz 1 umfasst ein Basisbordnetz 2 einen Generator 21, welcher eine für die Energieversorgung des Bordnetzes notwendige Spannung erzeugt und über einen Keilriemen durch einen Antriebs-Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, eine Batterie 22, einen Starter 23 zum Starten des Verbrennungsmotors, welcher in üblicher Weise über einen Schalter mit dem Basisbordnetz 2 verbunden ist, und einen Verbraucher 24, welcher durch eine Sicherung 25 mit dem Basisbordnetz 2 verbunden ist. Der Verbraucher 24 ist hierbei stellvertretend für eine Mehrzahl von Verbrauchern angeführt, die nicht in dem Sinne sicherheitsrelevant sind, dass ihr Ausfall die direkte Kontrolle des Fahrers über das Fahrzeug beeinträchtigt, beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, Scheibenwischer, elektrische Fensterheber, Heizungsvorrichtungen usw.
Das Bordnetz 1 umfasst neben dem Basisbordnetz 2 ein Teilnetz 3, welches über einen Spannungswandler 30 und eine Sicherung 26 an das Basisbordnetz 2 angeschlossen ist. Im Teilnetz 3 ist eine Kontrolleinheit 33 angeordnet, welche in der Lage ist, den spannungstechnischen Zustand des Teilnetzes 3 zu beurteilen und einen Fehler zu erkennen.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Kontrolleinheit 33 Funktionen eines ebenfalls an das Teilnetz 3 angeschlossenen Verbrauchers 34 steuert. Der Verbraucher 34 ist in der hier beschriebenen Ausführung ein sicherheitsrelevanter Verbraucher, beispielsweise ein elektronischer Bremskreis.
Um für eine erhöhte Ausfallsicherheit des Teilnetzes 3 zu sorgen, ist zudem eine Hilfsbatterie 35 vorgesehen, welche das Teilnetz 3 bei Bedarfsspitzen zusätzlich mit Energie versorgt oder nach einer Trennung des Teilnetzes 3 vom Basisbordnetz 2 zumindest für kurze Zeit noch in der Lage ist, Energie für das Teilnetz 3 zur Verfügung zu stellen. Die Hilfsbatterie 35 ist über einen Schalter 31 an das Teilnetz 3 angeschlossen, welcher durch die Kontrolleinheit 33 gesteuert wird. Während eines normalen fehlerfreien Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs ist der Schalter 31 geschlossen, so dass die Hilfsbatterie 35 automatisch bei Bedarf geladen werden kann.
Im Teilnetz 3 ist ein weiterer Schalter 32 vorgesehen, um den Spannungswandler 30 mit dem Teilnetz 3 zu verbinden oder vom Teilnetz 3 zu trennen. Auch der Schalter 32 wird durch die Kontrolleinheit 33 gesteuert und ist ebenfalls während des normalen Fahrbetriebs geschlossen.
Die Kontrolleinheit 33 ist zusätzlich zur spannungstechnischen Verbindung mit dem Teilnetz 3 über eine weitere Versorgungsleitung mit dem Basisbordnetz 2 verbunden, wobei zwischen Basisbordnetz 2 und Kontrolleinheit 33 eine Sicherung 27 angeordnet ist.
Zudem ist die Kontrolleinheit 33 über eine Datenverbindung 12 mit einem Steuergerät 11 des Bordnetzes 1 verbunden, um einerseits den Zustand des Teilnetzes 3 an das Steuergerät 11 zu melden und andererseits Befehle zur Steuerung des Verbrauchers 34 vom Steuergerät 11 zu empfangen. Die Datenverbindung 12 ist vorzugsweise als Bussystem ausgeführt, durch welche das Steuergerät 11 noch mit weiteren Geräten des Bordnetzes 1 verbunden ist, um die Geräte zu steuern oder von diesen Zustandsmeldungen zu erhalten. Da die Datenverbindungen zwischen dem Steuergerät 11 und jenen Geräten für die vorliegende Erfindung unerheblich sind, sind sie in 1 und den folgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Tritt nun ein Kurzschluss im Spannungswandler 30 auf, so wird dieser durch die Kontrolleinheit 33 festgestellt, die daraufhin den Schalter 32 öffnet, so dass das Teilnetz 3 vom Fehler getrennt wird und der Verbraucher 34 zumindest kurzzeitig durch die Hilfsbatterie 35 noch mit Energie versorgt werden und seine Funktion erfüllen kann. Auch die Kontrolleinheit 33 wird zu diesem Zeitpunkt aus dem Teilnetz 3 mit Betriebsspannung versorgt. Die Kontrolleinheit 33 sendet eine entsprechende Zustandsmeldung an das Steuergerät 11 des Bordnetzes 1, so dass das Steuergerät 1 eine erste Warnung über den Fehler und einen bevorstehenden Ausfall des Teilnetzes 3 an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgeben kann.
Falls nun bei einem fortwährenden Betrieb des Kraftfahrzeugs die Spannung der Hilfsbatterie 35 unter einen kritischen Wert absinkt, öffnet die Kontrolleinheit 33 auch den Schalter 31, trennt die Hilfsbatterie 35 vom Teilnetz 3 und schaltet somit das Teilnetz 3 ab, um weiteren Schaden zu verhindern. Nach der Abschaltung des Teilnetzes 3 wird die Kontrolleinheit 33 über das Basisbordnetz 2 mit Betriebsspannung versorgt, so dass die Kontrolleinheit 33 weiterhin den Zustand des Teilnetzes 3 an das Steuergerät 11 des Bordnetzes 1 melden kann und es so dem Steuergerät 11 möglich ist, weitere Fehlermeldungen an den Fahrer auszugeben.
Falls ein Kurzschluss nicht im Spannungswandler 30, sondern innerhalb der Leitungen des Teilnetzes 3 auftritt, so öffnet die Kontrolleinheit 33 sofort beide Schalter 31, 32, um das Teilnetz 3 abzuschalten und eine mögliche Brandgefahr weitgehend auszuschließen. Auch in einem solchen Fall wird die Kontrolleinheit 33 vom Basisbordnetz 2 mit Betriebsspannung versorgt und kann weiterhin Zustandsmeldungen an das Steuergerät 11 übermitteln.
Um eine Überkopplung von Fehlern aus dem Teilnetz 3 in das Bordnetz zu verhindern, weist die Kontrolleinheit 33 geeignete Mittel auf, um die beiden Netze zu entkoppeln. Mögliche Überspannungs- oder Überstrom-Schutzmaßnahmen werden geeigneterweise durch Dioden und/oder weitere Schaltelemente oder Fehlerstromsicherungen realisiert. Auch eine räumliche Trennung der Anschlüsse und Versorgungsschaltungen in der Kontrolleinheit 33 ist unter Umständen geeignet, um für eine ausreichende Entkopplung zu sorgen.
Eine alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 1 ist in 2 dargestellt.
Hier umfasst das Bordnetz 1 neben dem ersten Teilnetz 3 ein weiteres Teilnetz 4, welches analog zum Teilnetz 3 strukturiert ist und ebenfalls eine Kontrolleinheit 43, einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 44 und eine Hilfsbatterie 45 aufweist.
Das Teilnetz 4 ist ebenfalls durch einen Spannungswandler 40 und über eine Sicherung 28 mit dem Basisbordnetz 2 verbunden. Der Spannungswandler 40 kann durch einen Schalter 42 vom Teilnetz 4 getrennt werden, und die Hilfsbatterie 45 kann durch einen Schalter 41 vom Teilnetz 4 getrennt werden. Die Kontrolleinheit 44 ist analog zur Kontrolleinheit 43 in der Lage, die Schalter 41 und 42 gemäß einer vorliegenden Fehlersituation im Teilnetz 4 anzusteuern, um den Fehler zu isolieren.
Anstelle eines redundanten Versorgungsweges zum Basisbordnetz 2 sind die Kontrolleinheiten 33 und 43 zur Versorgung mit Betriebsspannung zusätzlich mit jeweils dem anderen Teilnetz 4 und 3 verbunden, so dass bei einem Ausfall des Teilnetzes 3 die Kontrolleinheit 33 durch das Teilnetz 4 mit Betriebsspannung versorgt wird, und bei einem Ausfall des Teilnetzes 4 die Kontrolleinheit 43 aus dem Teilnetz 3 versorgt wird. Da es sich bei den Teilnetzen 3 und 4 um Teilnetze handelt, welche mit hoher Ausfallsicherheit realisiert sind, beispielsweise zur Versorgung zweier getrennter elektronischer Bremskreise als Verbraucher 34 und 44 mit Energie, kann davon ausgegangen werden, dass wenigstens eines der Teilnetze 3 oder 4 eine entsprechende Sollspannung aufweist, solange das Kraftfahrzeug nicht aufgrund weiterer Fehler sowieso stillsteht.
Die Darstellung in 3 zeigt eine weitere alternative Ausführung eines Bordnetzes 1 gemäß der Erfindung, bei welcher im Teilnetz 4 gegenüber dem Teilnetz 3 ein erhöhter Überwachungsbedarf durch die Kontrolleinheit 43 besteht.
Das Teilnetz 3 ist in dieser Ausführung analog zur ersten, in 1 gezeigten Struktur des Bordnetzes 1 mit dem Basisbordnetz 2 verbunden. Ebenso ist parallel dazu das Teilnetz 4 analog an das Basisbordnetz 2 angeschlossen, wobei die Kontrolleinheit 43 zur zusätzlichen Versorgung mit Betriebsspannung ebenfalls mit dem Basisbordnetz 2 verbunden ist und in dieser Versorgungsleitung eine Sicherung 29 zwischengeschaltet ist.
Um eine noch weitergehende ausfallsichere Versorgung der Kontrolleinheit 43 zu erreichen, ist diese zusätzlich an das Teilnetz 3 angeschlossen, so dass die Kontrolleinheit 43 sogar bei einem gleichzeitigen Ausfall zweier versorgender Teilnetze noch betriebsbereit ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005004330 A1 [0006]
- DE 10251589 A1 [0007]

Claims

Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei mit elektrischer Energie zu versorgenden Teilnetzen (2, 3, 4), wobei mindestens ein erstes Teilnetz (3, 4) elektronisch steuerbare Schaltelemente (31, 32, 41, 42) zum Zu- und Abschalten von Spannungsquellen innerhalb des Teilnetzes (3, 4) umfasst und eingerichtet ist, mindestens zwei elektrische Verbraucher (33, 34, 43, 44) mit Betriebsspannung zu versorgen, von denen ein erster Verbraucher (33, 43) eingerichtet ist, aus mindestens einem zweiten Teilnetz (2, 3, 4) mit Betriebsspannung versorgt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbraucher (33, 43) eingerichtet ist, die Schaltelemente (31, 32, 41, 42) innerhalb des Teilnetzes (3, 4) anzusteuern, um die Spannungsversorgung des Teilnetzes (3, 4) zu beeinflussen, und eingerichtet ist, einen Zustand des Teilnetzes (3, 4) an ein Steuergerät (11) außerhalb des Teilnetzes (3, 4) zu übermitteln.
Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teilnetz (2) ein Basisbordnetz ist, welches eingerichtet ist, mindestens das erste Teilnetz (3, 4) mit elektrischer Energie zu speisen.
Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teil netz (3, 4) eingerichtet sind, parallel zueinander von einem Basisbordnetz (2) mit elektrischer Energie gespeist zu werden.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbraucher (33, 43) Mittel zum spannungstechnischen Entkoppeln der den ersten Verbraucher (33, 43) mit Spannung versorgenden Teilnetze umfasst.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Verbraucher (34, 44) mindestens des ersten Teilnetzes (3, 4) ein sicherheitsrelevanter Verbraucher ist.