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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 102019205800 A1 sind ein Versorgungsnetzausgang und ein Verfahren zum Betreiben eines Versorgungsnetzes bekannt. Der Versorgungsnetzausgang ist für einen Nennstrom ausgelegt und umfasst n Schalter, die zum Führen des Nennstroms ausreichend sind, wobei ein zusätzlicher Schalter vorgesehen ist, sodass insgesamt n+1 Schalter vorgesehen sind, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei jedem Schalter ein Treiber zugeordnet ist, wobei gilt: n >= 2.
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Aus der
DE 102020107695 A1 ist ein Verfahren zum Konfigurieren eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei in dem Bordnetz mindestens ein Verbraucher vorgesehen ist, wobei im Rahmen der Konfiguration des Bordnetzes wenigstens einem von dem mindestens einen Verbraucher ein elektrisches Modul zugeordnet wird, das wiederum aus einer Modulgruppe ausgewählt wird, wobei bei der Auswahl des elektrischen Moduls ein erstes Verbraucherkriterium, das sich auf eine Versorgungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers bezieht, und ein zweites Verbraucherkriterium, das sich auf einen Rückwirkungsgrad des wenigstens einen Verbrauchers bezieht, berücksichtigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die Zuverlässigkeit einer Energieversorgung bei einfachem Aufbau weiter erhöht. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Dadurch, dass zumindest zwei voneinander unabhängige Versorgungspfade zur Versorgung der Ansteuerungen vorgesehen sind, wobei der eine Versorgungspfad eine Treiberstufe umfasst, die von einer Hilfsspannung gespeist wird, wobei der weitere Versorgungspfad eine weitere Treiberstufe umfasst, die von einer weiteren Hilfsspannung gespeist wird, die von der Hilfsspannung unabhängig ist, wobei zumindest zwei Kopplungselemente zur Zusammenführung der Ausgangsgrößen der beiden Treiberstufen vorgesehen sind, wobei jedes der Kopplungselemente jeweils eine der Ansteuerungen versorgt, kann ein redundantes Versorgungskonzept für die Schalteransteuerungen erreicht werden. Damit lassen sich unabhängige Versorgungen der Treiberstufen erreichen, so dass sich die Zuverlässigkeit der Energieversorgung und Absicherung von sicherheitsrelevanten Verbrauchern weiter erhöht. Damit lassen sich bestimmte sicherheitsrelevante Anforderungen für ein beispielsweise nach ASIL, insbesondere ASIL C, qualifiziertes (beispielsweise nach DIN ISO26262) Sicherheitskonzept erfüllen. Außerdem kann durch die vorgeschlagene Lösung eine Vielzahl von Ansteuerungen für entsprechende Schalter redundant versorgt werden, wobei weiterhin lediglich auf zwei Versorgungspfade mit entsprechenden Treiberstufen zurückgegriffen werden muss. Damit vereinfacht sich der schaltungstechnische Aufwand für die Ansteuerung bei einer Vielzahl von Schaltern.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest eine Strombegrenzung zwischen zumindest einem der Eingänge der Hilfsspannungen und zumindest einer der Ansteuerungen angeordnet. Damit ist sichergestellt, dass etwaige Fehler in der Treiberstufe bzw. Ansteuerung oder dem Schalter (bzw. in den parallel geschalteten Teilschaltelementen) keine kritische Rückwirkung auf die Versorgung insbesondere für die Ansteuerung haben.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die insbesondere zentrale Strombegrenzung zwischen dem Eingang für die jeweilige Hilfsspannung und der jeweiligen Treiberstufe angeordnet und/oder ist die insbesondere dezentrale Strombegrenzung zwischen dem jeweiligen Kopplungselement und den Treiberstufen angeordnet. Zwischen einer dezentralen und einer zentralen Strombegrenzung kann individuell gewählt werden, wobei eine dezentrale Begrenzung notwendig ist, um Fehler in einem Schalter vor dem Durchgriff auf die anderen Schalter zu sichern.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind bei Anordnung einer zentralen Strombegrenzung in einem der Versorgungspfade jeweils insbesondere dezentrale Strombegrenzungen zwischen jeder der Ansteuerungen und des nicht mit der zentralen Strombegrenzung versehenen Versorgungspfads angeordnet. Damit lässt sich zuverlässig die Rückwirkungsfreiheit im Fehlerfall sicherstellen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine der Treiberstufen als Erhaltungstreiberstufe ausgebildet ist, und oder dass eine der Treiberstufen als Pulstreiberstufe, insbesondere verwendet beim Start des Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist. Insbesondere durch die Pulsfähigkeit ist die Treiberstufe in der Lage, die Schalter schnell vom gesperrten in den leitfähigen Zustand zu überführen. Das Vorsehen einer weiteren Treiberstufe, nämlich einer unabhängigen Erhaltungstreiberstufe kann im Fehlerfall eventuelle Rückwirkungen der Schalter auf die Hilfsspannungsversorgung und somit auf die Treiber anderer Schaltstufen verhindern, indem eine hochohmige Anbindung zum Ladungserhalt für die einzelnen Schalter realisiert wird.
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Besonders bevorzugt ist in einem der Versorgungspfade die Erhaltungstreiberstufe angeordnet, in dem weiteren Versorgungspfad sind die zentrale Strombegrenzung und die Pulstreiberstufe angeordnet, wobei zwischen der Erhaltungstreiberstufe und den jeweiligen Kopplungselementen jeweils die dezentralen Strombegrenzungen angeordnet sind. Insbesondere bei einer Verwendung einer gepufferten Strombegrenzung als zentrale Strombegrenzung kann ein schnelles Einschalten aus dem Puffer erreicht werden, was eine Fehlerfortpflanzung von Fehlern in dem Versorgungspfad auf die zentrale Treiberspannung verhindert.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind zumindest zwei voneinander unabhängige Steuersignale vorgesehen, die ein Einschalten zumindest eines der Schalter bewirken, und/oder es sind zumindest zwei voneinander unabhängige Steuersignale vorgesehen, die bei einem übereinstimmenden Abschaltwunsch, insbesondere über eine Und-Verknüpfung miteinander gekoppelt, ein Abschalten zumindest eines der Schalter bewirken. Damit kann einerseits erreicht werden, dass jeweils einzelnen die entsprechenden Steuereingänge in der Lage sind, den leitfähigen Zustand des Schalters durch Durchschalten der Treiberstufe aufrecht zu erhalten. Ebenfalls wird eine Einfachfehlersicherheit erreicht, indem zwei unabhängige Steuereingänge vorgesehen werden, welche nur gemeinsam in der Lage sind, den Schalter in den nicht leitfähigen Zustand zu überführen. Über diese Einfachfehlersicherheit lassen sich besonders anspruchsvolle Sicherheitskonzepte verwirklichen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein dritter Schalter mit einer zugehörigen Ansteuerung, insbesondere Gate-Ansteuerung vorgesehen, wobei die Ansteuerung über ein drittes Kopplungselement von beiden Versorgungspfaden versorgt ist und/oder wobei zumindest zwei Schalter parallel zueinander angeordnet sind. Damit können besonders einfach weitere Schalter bei hoher Verfügbarkeit versorgt werden. Die Parallelschaltung erhöht die Ausfallsicherheit der Anordnung weiter.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine der Hilfsspannungen über zumindest ein Entkopplungselement der Ansteuerung, insbesondere Gateansteuerung, zugeführt. Damit kann sichergestellt werden, dass kein Einfachfehler zu einer unbeabsichtigten Abschaltung (hochohmig werden) führt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Und-Verknüpfung von zumindest einer der Hilfsspannungen gespeist ist, wobei bei Vorliegen übereinstimmender Abschaltwünsche als Steuersignale die jeweilige Ansteuerung mit der Hilfsspannung, insbesondere über zumindest ein Entkopplungselement, bevorzugt eine Diode, versorgt wird. Insbesondere durch die Diodenentkopplung wird verhindert, dass Fehler in einem Schalter bzw. Teilschaltelement eine Abschaltung aller anderen Schalter bzw. Teilschaltelemente bewirken.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Pulstreiberstufe zumindest einen elektrischen Puffer, insbesondere einen Kondensator umfasst, insbesondere ein Vielfaches der systemimmanten Kapazität eines als Feldeffekttransistors, insbesondere MOSFET, ausgebildeten Schalters aufweisend, und/oder dass die Pulstreiberstufe zumindest eine Stromquelle umfasst und/oder dass die Pulstreiberstufe zumindest ein Schaltmittel zum Umladen eines Puffers bzw. Kondensators umfasst und/oder dass die Pulstreiberstufe zumindest einen Begrenzungswiderstand umfasst und/oder dass die Pulstreiberstufe eingerichtet ist, unter Verwendung des Puffers ein Einschalten der Schalter zu initiieren, und/oder dass ein Steuersignal für ein Schaltmittel, welches Bestandteil einer Konstantstromquelle der Pulstreiberstufe ist, aus einem Puffer bzw. Pulsspeicher gespeist ist. Damit lässt sich ein besonders schnelles Einschalten, was insbesondere im Kraftfahrzeugbereich großer Bedeutung ist, erreichen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Strombegrenzung zumindest ein Widerstand und/oder eine Stromquelle, insbesondere Konstantstromquelle, und/oder ein RC-Glied und/oder eine gepufferte Strombegrenzung umfasst. Im einfachsten Fall reicht ein Widerstand, der so hoch gewählt ist, dass im Falle eines Kurzschlusses am Eingang eines Schalters die Rückwirkung auf die Treiberspannung oder im Falle der dezentralen Lösung auf die anderen Schalter verhindert wird. Wird die Widerstandslösung dezentral vor jedem Schalter eingesetzt, kann auf eine zentrale Strombegrenzung verzichtet werden. Um eine kurzfristige Überlast für Schalttransienten zu ermöglichen, kann auch eine RC-Kombination genutzt werden. Besonders für die zentrale Strombegrenzung eignen sich die Puffer der Strombegrenzungen, welche dem jeweiligen Versorgungspfad ein schnelles Einschalten aus dem Puffer erlauben, eine Fehlerfortpflanzung von Fehlern in den Versorgungsfaden auf die zentrale Treiberspannung aber verhindern.
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Dadurch, dass zweckmäßiger Weise die Überwachungseinrichtungen jeweils zumindest einen Messverstärker zur Erfassung der jeweiligen Kenngröße, jeweils zumindest einen Komparator, dem eine Ausgangsgröße des jeweiligen Meßverstärker zugeführt ist, und jeweils ein Speicherelement, dem jeweils eine Ausgangsgröße des Komparators zugeführt ist, umfassen, kann auf einfache Art und Weise eine redundante Betriebsführung erreicht werden. Sicherheitsrelevante Verbraucher werden nur dann abgeschaltet, wenn es übergeordnete Sicherheitsziele erfordern beispielsweise aus Gründen des Komponentenschutzes oder Leitungsschutzes. Dadurch wird bei Einhaltung des Sicherheitsziels eine sichere Versorgung gegenüber Einfachfehlern realisiert. Ein Einfachfehler in einem Schalter führt nicht zum sofortigen Abschalten des Versorgungspfads bzw. des Verbrauchers. Dies führt zu niedrigen Gesamtkosten bei gleicher Zuverlässigkeit bzw. Sicherheitsstufe.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen
- die 1 beispielhaft ein Ausführungsbeispiel des Leistungsverteilers, der zwei Teilbordnetze miteinander verbindet,
- 2 ein Blockschaltbild einer fehlersicheren Energieversorgung eines Ausgangs für einen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher,
- 3 ein detailierteres Ausführungsbeispiel einer einfachfehlersicheren Strommessung,
- 4 eine schematische Darstellung der redundanten Betriebsführung,
- 5 ein redundantes Treiberkonzept sowie
- 6 eine mögliche schaltungstechnische Realisierung des redundanten Treiberkonzepts.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Die 1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Bordnetz 13, welches einen Energiespeicher 12, insbesondere eine Batterie 12 mit zugehörigem Sensor 14, vorzugsweise ein Batteriesensor, sowie mehrere insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, die durch einen elektrischen Leistungsverteiler 18 versorgt und abgesichert werden, umfasst. Bei den Verbrauchern 16 handelt es sich um Spezialverbraucher mit hohen Anforderungen bzw. einem hohen Schutzbedarf, allgemein als sicherheitsrelevante Verbraucher 16 bezeichnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Lenkung und/oder ein Bremssystem als solche Komponenten, die unbedingt versorgt werden müssen, um im Fehlerfall das Lenken und/oder Bremsen des Fahrzeugs sicherzustellen. Gesondert werden Kenngrößen des jeweiligen Verbrauchers 16 erfasst und bei Abweichung von tolerablen Werten der jeweilige Schalter 15 geöffnet. Das Bordnetz 13 besteht aus einem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11 und einem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 kann von dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 durch den Leistungsverteiler 18 getrennt werden, insbesondere im Fehlerfall bzw. kritischen Zustand des nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 10. Das sicherheitsrelevante Teilbordnetz 11 ist beispielsweise ein nach ASIL, insbesondere ASIL C, qualifiziertes (beispielsweise nach DIN ISO26262) Teilbordnetz 11, welches zumindest einen der sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 umfasst und gegebenenfalls mit einem eigenen Energiespeicher 12 zur Spannungsstützung ausgestattet sein kann. Das nicht sicherheitsrelevante Teilbordnetz 10 umfasst zumindest einen nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 17, beispielsweise kann es sich um sog. QM-Verbraucher bzw. Verbraucher, dessen Sicherheitsintegrität mit QM eingestuft ist, handeln. Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch zumindest ein weiterer sicherheitsrelevanter Verbraucher im nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10, beispielsweise bei einer redundanten Ausführung der sicherheitsrelevanten Verbraucher, angeordnet sein kann. Bei dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 handelt es sich um ein nicht ASIL qualifiziertes Bordnetz.
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An einem Anschluss (Klemme KL30_1) des Leistungsverteilers 18 ist der Energiespeicher 12 angeschlossen. Der Sensor 14 ist in der Lage, eine elektrische Kenngröße wie beispielsweise eine Spannung Ub am Energiespeicher 12 und/oder einen Strom Ib durch den Energiespeicher 12 und/oder eine Temperatur Tb des Energiespeichers 12 zu erfassen. Der Sensor 14 kann aus den ermittelten elektrischen Kenngrößen Ub, Ib, Tb beispielsweise den Ladezustand SOC des Energiespeichers 12 oder weitere Kenngrößen des Energiespeichers 12 ermitteln. An dem weiteren Anschluss (KL 30_1) des Leistungsverteilers 18, an dem auch der Energiespeicher 12 angeschlossen ist, kann optional auch ein weiterer Versorgungszweig für zumindest einen weiteren Verbraucher 25 vorgesehen sein. Der Verbraucher 25 wird beispielhaft über eine Schmelzsicherung 23 abgesichert. Es können noch weitere Verbraucher 25 vorgesehen sein, die ebenfalls über Schmelzsicherungen 23 abgesichert werden können. Bei diesen Verbrauchern 25 handelt es sich um solche, die auch bei Auftrennen bzw. Öffnen des Schaltmittels 19 im Leistungsverteiler 18 noch von dem Energiespeicher 12 mit Energie versorgt werden sollen, vorzugsweise solche sicherheitskritische Verbraucher 25, die kritisch sind hinsichtlich Störungen im Bezug auf die Versorgungssicherheit oder als QM eingestufte Verbraucher, welche bestimmte Anforderungen nach einem Unfall erfüllen müssen. Somit ist an dem Anschluss KL 30 _1 ein (optionaler) sicherheitsrelevanter bzw. sicherheitskritischer Bordnetzpfad bzw. Teilbordnetz 11 angeschlossen.
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Der Leistungsverteiler 18 kann in der Lage sein, entsprechende Kenngrößen wie Spannung Uv, Strom Iv der Verbraucher 16 zu ermitteln. Der Leistungsverteiler 18 kann entsprechende Kenngrößen des Energiespeichers 12 wie Spannung Ub und/oder Strom Ib und/oder Temperatur Tb ermitteln. Hierzu könnte der Leistungsverteiler 18 die entsprechende Sensorik enthalten bzw. empfängt die Daten von dem Sensor 14. Ebenfalls besitzt der Leistungsverteiler 18 entsprechende Auswertemittel 21 wie beispielsweise einen Mikrocontroller 21, erfasste Größen zu speichern bzw. auszuwerten. Das Auswertemittel 21 dient zur Ermittlung kritischer Zustände insbesondere des sicherheitsrelevanten Teilbordnetzes 11 wie beispielsweise Erkennung eines Überstroms und/oder einer Unter-oder Überspannung am Teilbordnetz 11 für den sicherheitsrelevanten Verbraucher 16, 25. Hierzu werden entsprechende Kenngrößen erfasst und mit geeigneten Schwellwerten verglichen. Als Auswertemittel 21 kommt beispielsweise ein Mikrocontroller zum Einsatz. Der Mikrocontroller bzw. das Auswertemittel 21 ist darüber hinaus in der Lage, entsprechende Schaltereinheiten 15 wie nachfolgend näher beschrieben anzusteuern. Eine Schalteinheit 15 versorgt über einen Ausgang 66 den daran angeschlossenen sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 mit über eine Verteilstelle, zum Beispiel Stromschiene 60 bzw. Backbone, bereitgestellte Energie bzw. der Versorgungsspannung U1. Beispielhaft sind drei Schalteinheiten 15 vorgesehen, die jeweils die entsprechenden sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 über die Ausgänge 66 mit Energie versorgen.
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Optional kann in dem Leistungsverteiler 18 ein Trennschalter 19 zwischen Klemme KL30_0 und Klemme KL30_1 angeordnet sein. Über den optionalen Trennschalter 19 kann eine entsprechende Trenn- bzw. Koppelfunktion insbesondere der beiden Bordnetzzweige (Teilbordnetz 10 für nicht sicherheitsrelevante Verbraucher 17 an Anschluss KL 30_0; weiteres Teilbordnetz 11 für sicherheitsrelevante Verbraucher 16, 25) realisiert werden. Dies dient insbesondere als Sicherungsfunktion, um die Auswirkungen von kritischen Zuständen wie Über- oder Unterspannungen und/oder Überströmen und/oder thermische Überlastung zu unterbinden. Im Fehlerfall können die beiden Teilbordnetze 10, 11 durch den Leistungsverteiler 18 voneinander getrennt werden durch Öffnen des Trennschalters 19. Der Trennschalter 19 könnte parallelverschaltete Schaltmittel für eine fehlersichere Versorgung umfassen. Die nachfolgend näher beschriebene redundante Überwachung bzw. Ansteuerung könnte auch für den Trennschalter 19 zum Einsatz kommen.
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Das Bordnetz 13 weist ein gegenüber einem optional vorgesehenen Hochvolt-Bordnetz 20 niedrigeres Spannungsniveau U1 auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Bordnetz 13 und dem Hochvolt-Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 22 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 20 umfasst beispielhaft einen Energiespeicher 24, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine Last 26, beispielsweise ein Komfortverbraucher wie eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage bzw. Kältemittelverdichter etc. sowie eine Elektromaschine 28. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau U2 verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau U1 des Basisbordnetzes 13. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus, zum Beispiel 400 V oder 800 V, handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 20 ganz entfallen.
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Beispielhaft ist in der Ausführung als möglicher Energiespeicher 12, 24 eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 offenbart beispielhaft eine Schaltereinheit 15 (bzw. ggf. einen Trennschalter 19) mit zumindest einem, ggf. zwei, bevorzugt drei parallel zueinander verschalteten Schalter(n) 61, 62, 63, über die der Anschluss 66 für einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 mit über eine Energieversorgung 60 bereitgestellte Energie, insbesondere Versorgungsspannung U1, versorgt und abgesichert werden kann. Jeder der parallelverschalteten Schalter 61, 62, 63 ist jeweils Bestandteil eines Versorgungspfads 64. Zwischen der Energieversorgung 60, insbesondere ein Backbone (Verteilstelle mit Versorgungsleitung bzw. Stromschiene in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs), und den parallelverschalteten Schaltern 61, 62, 63 sind zumindest ein und je nach Leistungsanforderung zwei parallel zueinander verschaltete Messwiderstände 70, 72 vorgesehen. Alternativ könnten auch andere Messmittel beispielsweise induktiv etc. verwendet werden.
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An dem ersten Messwiderstand 70 werden die jeweiligen Potenziale vor und nach dem Messwiderstand 70 über Längswiderstände 74, 76 jeweils einem Messverstärker 78 (Strommessung über einen Stromverstärker bzw. CSA (Current Sense Amplifier)) zugeführt. Die Längswiderstände 74, 76 sind nicht zwingend erforderlich, verhindern aber Reflexionen (Signalstörungen). Es handelt sich hierbei um eine sogenannte Serienterminierung. Der Messverstärker 78 wird über einen Versorgungseingang 80 mit einer Versorgungsspannung 89, vorzugsweise mit einer ersten Versorgungsspannung V1 (Logikversorgung oder Logikspannung: beispielsweise Spannungen von 5 V oder 3,3 V etc.), mit Energie versorgt.
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Das Ausgangssignal des Messverstärkers 78 gelangt an einen Komparator 82, beispielsweise wie exemplarisch in 2 gezeigt an dessen Plus-Eingang. Dieses Ausgangssignal des Messverstärkers 78 wird mit einem Grenzwert 84, dem negativen Eingang des Komparators 82 zugeführt, verglichen. Allgemein vergleicht der Komparator 82 die beiden Eingangssignale miteinander. Entweder bei positiver oder negativer Differenz der beiden Signale (Spannungen) wechselt der Ausgang des Komparators 82 seine Polarität. Der Komparator 82 dient der Überstromerkennung eines Überstroms durch den Messwiderstand 70 bzw. die Messwiderstände 70, 72.
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Für die Generierung des Grenzwerts 84, 130 können entsprechende Schaltungen eingesetzt werden. Zur Erfüllung der funktionalen Sicherheit muss die Veränderung des Grenzwerts 84, welcher bei gleichbleibender Messgröße zum Polaritätswechsel am Ausgang des Komparators 82 führt, mit hinreichenden Maßnahmen verhindert werden. Hierzu könnte der Grenzwert 84, 130 beispielsweise aus zwei Referenzquellen gebildet werden. So könnte einer der Grenzwerte 84,130 durch einen Mikrocontroller 21 vorgegeben werden, beispielsweise mittels PWM-Signal und Tiefpassfilter oder mittels eines Digital-Analog-Ausgangs (DAC). Der weitere Grenzwert 130 sollte durch eine unabhängige Referenzquelle umgesetzt werden. Hierzu kann eine diskrete Schaltung genutzt werden, beispielsweise mittels Spannungsteiler, Zener-Diode oder mittels integrierter Schaltungen (beispielsweise Bandabstandsreferenz). Die Referenzquellen müssen aus unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Spannungsquellen (bzw. Versorgungen 89, 131) versorgt werden. Hierbei ist auch vorstellbar, jede Referenzquelle aus beiden Versorgungsspannungen 89, 131 zu versorgen. Beide Versorgungsspannungen 89, 131 müssen zueinander rückwirkungsfrei und beispielsweise über Dioden und/oder Widerstand (Strombegrenzung) bzw. allgemein über ein Element zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit 141 (vgl. 3) eingekoppelt werden. Beide Referenzsignale zur Generierung des Grenzwerts 84, 130 müssen so überlagert werden, dass eine Mindestschwelle bzw. Mindestgrenzwert 84, 130 nach dem Ausfall einer Referenzquelle verbleibt. Auch möglich ist beispielsweise die dynamische Änderung des Grenzwerts 84, 130 mit der Verwendung eines Mikrocontrollers 21. Damit kann auf Vorgaben des Fahrzeugsystems reagiert werden und/oder komponentenspezifische Veränderungen (beispielsweise durch Temperaturdrift) kompensiert werden. Dadurch führen Einfachfehler wie beispielsweise der Ausfall des vom Mikrocontroller 21 bereitgestellten Grenzwerts 84 oder beispielsweise der Ausfall des zweiten beispielsweise von einer diskreten Schaltung bereitgestellten Grenzwerts 130 nicht zu einem Abschalten der Leistungsstufe bzw. Schalter 61, 62, 63.
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Der Komparator 82 wird über einen Versorgungseingang 86 mit einer Versorgungsspannung 89, 131, bevorzugt mit der ersten Versorgungsspannung V1, versorgt. Ein Ausgangssignal 87 des Komparators 82 wird einem Speicherelement 88, beispielsweise ein Flipflop, zugeführt. Das Speicherelement 88 könnte auch als Software realisiert sein. Liegt die gemessene Differenz am Messwiderstand 70 und 72 oberhalb bzw. je nach genutztem Verfahren unterhalb des entsprechenden Grenzwerts 84, so generiert der Komparator 82 ein entsprechendes Ausgangssignal 87 (beispielsweise Überstrom erkannt; Schalteinheit 15 zum Schutz öffnen „Aus“) bzw. Wechsel des logischen Zustands des Ausgangssignals 87. Das Ausgangssignal 87 führt bei erkanntem Überstrom zum Polaritätswechsel am Ausgang 92 (dies kann beispielsweise einen Überstrom am Messwiderstand 70 erkannt bedeuten; in Folge dessen soll die Schalteinheit 15 zum Schutz öffnen). Ein Rücksetzen des Ausgangs 92 des Speicherelements 88 könnte beispielsweise über den Mikrocontroller 21 erfolgen.
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Das Speicherelement 88 weist einen Versorgungseingang 90 auf, über den das Speicherelement 88 mit einer Versorgungsspannung 89, bevorzugt mit einer redundanten Versorgungsspannung, versorgt wird. Das Ausgangssignal 92 des Speicherelements 88 wird einem Treiber 94 zugeführt. Das Ausgangssignal 92 des Speicherelements 88 ist das Aus-Signal, welches über ein jeweiliges Ausgangssignal 114, 116 des Treibers 94 ein Abschalten (Öffnen) der jeweiligen Schalter 61, 62, 63 im Falle eines Überstroms bewirkt. Als Bestandteil des Treibers 94 können Plausibilisierungsmittel vorgesehen sein, über die ermittelt wird, ob ein Abschalten der Schalteinheit 15 mit zugehörigen Schaltern 61, 62, 63 auch tatsächlich durchgeführt werden soll. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen kann diese Plausibilisierung durch eine entsprechende logische Und-Verknüpfung (in nachfolgenden Ausführungsbeispielen mit 180 bzw. 230 bezeichnete Und-Verknüpfungen) mit weiteren Signalen, im Ausführungsbeispiel gemäß 2 beispielsweise mit einem Ausgangssignal 108 eines weiteren Speicherelements 134 wie nachfolgend beschrieben, erfolgen. Diese Plausibilisierungs-Logik ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 in dem Treiber 94 integriert. Zumindest die Speichereinrichtung 88, zumindest der Komparator 82 sowie zumindest der Messverstärker 78 sind Bestandteile einer als Block angedeuteten Überwachungseinrichtung 140.
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Dem Treiber 94 werden über einen Eingang 96 eine Treiberspannung und/oder über einen weiteren Eingang 98 eine weitere, von derjenigen über den Eingang 96 zugeführten Treiberspannung unabhängige, Treiberspannung zugeführt. Beide Versorgungsspannungen, auch als Hilfsspannungen 137, 139 bezeichnet, müssen zueinander rückwirkungsfrei angebunden werden. Die genauere Ausführung ist in den 5 und 6 gezeigt.
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Außerdem generiert der Treiber 94 weitere Ausgangssignale 110, 112, welche ein Einschalten (Ein) der jeweiligen Schalter 61, 62, 63 bewirken. Hierbei bewirkt das Ausgangssignal 110 eine Aktivierung des ersten Schalters 61, das Ausgangssignal 112 die Aktivierung des zweiten Schalters 62 etc. Außerdem generiert der Treiber 94 entsprechende Ausgangssignale zum Abschalten der jeweiligen Schalter 61, 62, 63. Hierbei dient das Ausgangssignal 114 dem Ausschalten des ersten Schalters 61, das Ausgangssignal 116 dem Ausschalten des zweiten Schalters 62 etc. Dies erfolgt über die jeweiligen Treiber 67, 68, 69 für die jeweiligen Schalter 61, 62, 63.
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Gegebenenfalls kann über den bzw. die Treiber 67, 68, 69 auch eine Temperaturabschaltung im Falle einer Übertemperatur vorgenommen werden. Dazu kann optional eine entsprechende Temperaturerfassung 118 der Schalteinheit 15 vorgesehen sein.
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Über ein Element 100 (zur Erzeugung eines redundanten Eingangssignals „Ein“), beispielsweise ein weiterer Mikrocontroller, ein Registerspeicher oder Ähnliches, wird ein redundantes Eingangssignal 102 für den Treiber 94 erzeugt und dem Treiber 94 zur Verfügung gestellt. Bei dem Eingangssignal 102 kann es sich um ein Einschaltsignal (Ein) für die Schalteinheit 15 handeln. Dem Element 100 kann über einen Eingang 104 ein Ausgangssignal des Mikrocontrollers 21 zugeführt werden. Außerdem ist ein weiteres Eingangssignal 106 für den Treiber 94 vorgesehen, welches von dem Mikrocontroller 21 bereitgestellt werden kann, nämlich ein Einschaltsignal (Ein) für die Schalteinheit 15. Die beiden Einschaltsignale 102,106 werden miteinander verodert. Liegt also zumindest ein Einschaltwunsch über eines der Signale 102,106 vor, generiert die Treiberstufe 94 entsprechende Einschaltsignale 110,112 für die Schalter 61, 62, 63.
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Das Ausgangssignal des weiteren Messverstärkers 124 wird einem (weiteren) Komparator 128 zugeführt. Der Komparator 128 vergleicht das zugeführte Ausgangssignal mit einem Grenzwert 130, der dem Komparator 128 an dessen Eingang zur Verfügung gestellt wird. Der Komparator 128 dient der Überstromerkennung des über die Schalteinheit 15 fließenden Stroms, wenn dieser den Grenzwert 130 übersteigt. Der Grenzwert 130 zur Erhöhung der Einfachfehlersicherheit kann wiederum aus zwei Abschaltschwellen gebildet sein. So könnte eine der Abschaltschwellen durch den Controller 21 vorgegeben werden. Die weitere Abschaltschwelle könnte durch eine weitere Hardwareschaltung vorgegeben werden, gegebenenfalls versorgt durch eine weitere Versorgungsspannung V2. Für die Generierung des Grenzwerts 84, 130 können entsprechende Schaltungen eingesetzt werden. Zur Erfüllung der funktionalen Sicherheit muss die Veränderung des Grenzwerts 84, welcher bei gleichbleibender Messgröße zum Polaritätswechsel am Ausgang des Komparators 82 führt, mit hinreichenden Maßnahmen verhindert werden. Hierzu könnte der Grenzwert 84, 130 beispielsweise aus zwei Referenzquellen gebildet werden. So könnte einer der Grenzwerte 84,130 durch einen Mikrocontroller 21 vorgegeben werden, beispielsweise mittels PWM-Signal und Tiefpassfilter oder mittels eines Digital-Analog-Ausgangs (DAC). Der weitere Grenzwert 130 sollte durch eine unabhängige Referenzquelle umgesetzt werden. Hierzu kann eine diskrete Schaltung genutzt werden, beispielsweise mittels Spannungsteiler, Zener-Diode oder mittels integrierter Schaltungen (beispielsweise Bandabstandsreferenz). Beide Vorgabemöglichkeiten werden beispielsweise über das Element 141 (wie beispielhaft in 3 gezeigt) zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit, beispielsweise über Dioden und Widerstände, an einen Spannungsteiler, eingekoppelt, der das entsprechende Spannungssignal für die Überstromschwelle dem Eingang des Komparators 128 zur Verfügung stellt. Dadurch führen Einfachfehler eines Ausfalls des vom Microcontroller 21 bereitgestellten Grenzwerts 84, 130 bzw. der Ausfall des von der weiteren Hardware bereitgestellten Grenzwerts 84, 130 nicht zu einem Abschalten der Leistungsstufe bzw. Schalter 61, 62, 63.
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Der Komparator 128 umfasst einen Versorgungseingang 132, über den der Komparator 128 mit der Versorgungsspannung 131, insbesondere mit der weiteren Versorgungsspannung V2, versorgt wird. Erreicht das Ausgangssignal am Messverstärker 124 den Grenzwert 130, so generiert der Komparator 128 ein entsprechendes Ausgangssignal 133, welches einem weiteren Speicherelement 134, insbesondere ein Flipflop, zugeführt ist und zu einem Setzen des entsprechenden Ausgangs 108 (Ausschalten der Schalteinheit 15 „Aus“) führt. Das weitere Speicherelement 134 wird über einen Versorgungseingang 136 mit einer Versorgungsspannung 131, insbesondere mit der weiteren Versorgungsspannung V2, mit Energie versorgt. Das Ausgangssignal 108 des weiteren Speicherelements 134 wird wiederum dem Treiber 94 zugeführt. Erreicht der gesamte über die Schalter 61, 62, 63 fließende Strom einen bestimmten Grenzwert 130, wird ein entsprechendes Aus-Signal 108 generiert und dem Treiber 94 zugeführt. Liegen beide Abschaltsignale 92, 108 vor, werden über den Treiber 94 die Ansteuersignale für die Schalter 61, 62, 63 deaktiviert. Zur weiteren Diagnose und Plausibilisierung der Fehlerursache können die Abschaltsignale 92, 108 und bestimmte Diagnosemechanismen genutzt werden. Zumindest die weitere Speichereinrichtung 134, zumindest der weitere Komparator 128 sowie zumindest der weitere Messverstärker 124 sind Bestandteile einer als Block angedeuteten weiteren Überwachungseinrichtung 142.
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Die Plausibilisierung des Ausschaltwunsches 108 erfolgt über das Ausgangssignal 92 des Speicherelements 88 und umgekehrt. Signalisieren beide Ausgangssignale 92, 108 der Speicherelemente 88, 134 einen Ausschaltwunsch, wird die Schaltereinheit 15 abgeschaltet. Bei der Verwendung von Feldeffekttransistoren bzw. Mosfets als Schaltelement 61, 62, 63 kann die Plausibilisierung oder gegebenenfalls eine weitere Plausibilisierung eines über den Messwiderstand 70 detektierten Fehlers anhand des Widerstands zwischen Drain und Source Rds am Mosfet über die beschriebene Messung und softwareseitige Auswertung erfolgen. Eventuell könnte auf die Messung über dem Schalter (RDSon- Messung) komplett verzichtet werden. Hierbei könnte, um gewisse Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, zweimal über die Messwiderstände 70, 72 gemessen werden wie beispielsweise in 4 gezeigt. Die Schalterdiagnose könnte dann über einen erweiterten Gate-Treiber erfolgen, welcher die Schalter 61, 62, 63 einzeln ein- und abschalten kann. Dadurch kann bei jedem Abschalten getestet werden, ob der einzelne Schalter 61, 62, 63 sperrfähig ist.
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Ein Element 141 zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit und Entkopplung (vgl. beispielsweise 3) kann jeweils zwei Zweige von in Reihe geschalteten Widerständen und Dioden aufweisen, wobei die beiden Zweige ausgangsseitig miteinander verbunden sind. Die Dioden sind so verschaltet, dass sie nur einen Stromfluss von der Eingangsseite, nämlich von den beiden zu verknüpfende Eingangssignalen, zur Ausgangsseite zulassen. Dadurch wird die Rückwirkungssicherheit sichergestellt. Die Widerstände sind zur Strombegrenzung vorgesehen und werden je nach Anforderung hierfür geeignet dimensioniert.
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Zusätzlich sieht das Konzept eine technische Umsetzung einer einfachfehlersicheren Strommessung mit latenter Fehlererkennung vor, wodurch ein Einfachfehler in der Strommessung nicht zur Verletzung des Sicherheitsziels „sicheres Versorgen“ führt. Zusätzlich kann ein latenter Fehler der Schalter 61, 62, 63 in der Leistungsstufe erkannt werden.
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Wie in 3 gezeigt umfasst die Überwachungseinrichtung 140 den Messverstärker 78, den Komparator 82 sowie das Speicherelement 88. Der Grenzwert wird durch einen Spannungsteiler 232, redundant versorgt durch Versorgungen 89, 131, rückwirkungsfrei miteinander gekoppelt über das Element 141, gebildet und dem einen Eingang des Komparators 82 zugeführt. Die weitere Überwachungseinrichtung 142 umfasst den Messverstärker 178, den weiteren Komparator 128 sowie das Speicherelement 134. Der Grenzwert des weiteren Komparators 128 wird redundant versorgt durch die Versorgung 89, 131 über einen Spannungsteiler 232 gebildet. Auch entsprechende Ausgangssignale der Messverstärker 82, 178 werden abgegriffen und zur weiteren Auswertung dem Mikrocontroller 21 zugeführt.
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In dem Blockdiagramm gemäß 4 ist das zugrunde liegende Konzept zur Erfüllung der Anforderungen sicheres Versorgen und sicheres Trennen mit entsprechender Integrität zusammengefasst. Die redundante Betriebsführung zeichnet sich durch zumindest zwei unabhängige und zueinander rückwirkungsfreie sowie entkoppelte Ansteuerungspfade der Schaltelemente 61, 62, 63 aus. Hierzu sind alle notwendigen Versorgungsspannungen 89, 131 bzw. Hilfsspannungen 137,139, wenn diese durch den Ausfall das Verletzen eines Sicherheitsziels verursachen können, redundant auszuführen. Zusätzlich sind alle in 4 aufgeführten Komponenten mit einer oder beiden der redundanten Quellen zu versorgen. In dem hier beispielhaft dargestellten Konzept wird jede Quelle über ein Element 141 zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit und Entkopplung angebunden. Dadurch wird sowohl eine Rückwirkung unterbunden sowie weitere Quereffekte unterdrückt. Der Mikrocontroller 21 als Hauptprozessor wird beispielsweise aus den Quellen der Versorgung 89 und ein weiterer Hilfsrechner 100 den Quellen der weiteren Versorgung 131 mit den erforderlichen Betriebs- und Referenzspannungen versorgt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeichnet sich durch eine hoch integrierte Treiberschaltung aus. Dadurch kann die für die Ansteuerung benötigte Anzahl an Bauelementen auf ein Mindestmaß reduziert werden. Zusätzlich ermöglicht die Einführung einer Pulstreiberstufe 146 und einer Erhaltungstreiberstufe 144 die rückwirkungsfreie Nutzung der Hilfsspannungsversorgungen. Ein Einfachfehler, beispielsweise der Kurzschluss des Gates (Treiber 67, 68, 69) eines Leistungshalbleiters (Schalter 61, 62, 63) gegen Source, führt weiterhin maximal zum Verlust eines der Schalter 61, 62, 63, wobei die verbliebenen Schalter 61, 62 weiterhin zur Verfügung stehen. Ein Einfachfehler des Ausschaltsignals 92, 108 führt nicht zum Abschalten der Schalteinheit 15. Ein Einfachfehler bei Ausfall des Mikrocontrollers 21 führt nicht zum Abschalten des Kanals, da das Einschaltsignal 102 über eine Zwischenspeicherung im Hilfsrechner bzw. Register 100 erfolgt.
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Dadurch wird erreicht, dass auch beim Ausfall einer Versorgungseinheit, insbesondere beim Ausfall einer Hauptquelle die Versorgungspfade 64 aktiv bleiben. Hierzu müssen alle Schaltungselemente aus der ersten Versorgung 89 und aus der weiteren Versorgung 131 versorgt werden. Dadurch wird weiterhin erreicht, dass der am Anschlusses 66 angebundene, insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, zuverlässig mit der geforderten Integrität an die Hauptverteilung bzw. Energieversorgung 60 angebunden ist .
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Für beide Versorgungen 89, 131 in 3 wird empfohlen, auf heterogene (inhomogene) Redundanzkonzepte zurückzugreifen. Dies könnte zum Beispiel die Verwendung von zwei unterschiedlichen Wandlungseinheiten (Linear, DC/DC etc.) erfordern. Mittels Anbindung der jeweiligen Schaltungseinheiten (z.B. Generierung Einschaltsignal, Treiber, Register, Mikrokontroller, Hilfsspannungen, Logikspannungen usw.) über das Element 141 zur Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit und Entkopplung wird verhindert, dass Fehler in einer der Versorgungen 89, 131 oder in einem der angeschlossenen Komponenten bzw. Bauelementen auf eine der gemeinsamen Versorgungen 89, 131 negative Rückwirkungen hat.
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Die beiden Versorgungen 89, 131 können unterschiedlich leistungsstark aufgebaut sein, da die daran angebundenen weiteren Versorgungsspannungen so angebunden werden, dass der Versorgungspfad 64 gegebenenfalls einen Notbetrieb aufrechterhalten kann, nicht aber die Inbetriebnahme bzw. das schnelle Einschalten gewährleistet (beispielsweise aufgrund einer hochohmigen und einer niederohmigen Anbindung an eine der beiden Versorgungen 89, 131). Somit kann im Fall eines Einfachfehlers immer auf eine der beiden Quellen zurückgegriffen werden.
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Zusätzlich ist außerdem möglich, eine der beiden Versorgungen 89, 131 auf eine geringe Ruhestromaufnahme zu optimieren. Dies kann vor allem für einen schnelleren Wechsel der Betriebszustände Sleep bzw. Standby in den Normalbetrieb bzw. steady state vorteilhaft sein. Zur Einhaltung einer geringen Ruhestromaufnahme, beispielsweise 100 µA, müssen Leistungsschalter geöffnet werden. Wird auch im Ruhemodus eine Versorgung 89, 131 benötigt, wird diese über eine weitere, deutlich leistungsschwächere, ruhestromoptimierte und kosteneffiziente Quelle realisiert. Dadurch können deutlich geringere Aufwach- bzw. wake-up Zeiten erreicht werden. Unabhängig von der Weckursache (Zündungssignal KI15, CAN aktiv, Verbraucherstrom übersteigt Weckschwelle etc.) kann der Ausgangskanal 15 den Verbraucher 16 innerhalb <1ms in die volle Leistungsfähigkeit versetzen. Bei Anwendung des beschriebenen Fast-Wake-Up-Verfahrens werden die Versorgungen 89, 131 für eine geringe Ruhestromaufnahme entweder abgeschaltet oder entlastet. Dadurch werden die restriktiven Ruhestromanforderungen und ein schnelles Aufwachen, damit insbesondere die schnelle Sicherstellung der Betriebsbereitschaft, erreicht. Sollten Ausgangskanäle mit Sicherheitsintegrität schnell zugeschaltet werden (Fast-Wake-Up), müssen bis zur Bereitstellung der notwendigen Sicherheitsintegrität des angeschlossenen Verbrauchers ggf. Diagnosefunktionen ausgeführt werden. Daher ist die volle Leistungsfähigkeit sehr schnell (<1ms) sichergestellt und die volle Sicherheitsintegrität nach dem Hochfahren des Mikrocontrollers 21 sowie der Ausführung von entprechend für die Schalteinheit 15 und das Gesamtsystem vorgesehenen Diganosefunktionen. Hierbei kann die Dauer beispielsweise bei <250 ms liegen. Sind alle Diagnoseergebnisse innerhalb der vorgegebenen Bereiche, kann dem Gesamtsystem die volle Sicherheitsintegrität zugesagt werden und damit beispielsweise der sofortige Fahrtantritt ermöglicht werden.
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Zwei unabhängige Logik- bzw. Steuereinheiten (beispielsweise Hauptrechner 99 wie ein Mikrocontroller 21 und ein Hilfsrechner 100 wie beispielsweise ein Registerspeicher) stellen die Statusinformationen und die Kontrollinformationen der Ausgangskanäle bzw. Versorgungspfade 64 redundant zur Verfügung. Vorzugsweise wird ein hochperformanter Hauptrechner 99 verbaut, welcher durch eine umfangreiche Architektur und damit umfassende Überwachungskonzepte gegenüber Fehlverhalten abgesichert wird. Der Hilfsrechner 100, im einfachsten Fall lediglich ein unabhängiges Status- und Kontrollregister, kann den aktuellen Betriebszustand und Steuersignale unabhängig vom Hauptrechner 99 oder seiner Versorgung im Fehlerfall aufrechterhalten. Die entsprechenden Ausgangssignale (Ausgangssignal 102 des Hilfsrechners 100, Ausgangssignal 106 des Mikrocontrollers 21) gelangen beide an den Treiber 94 für die Schalteinheit 15.
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Es sind zwei unabhängige Überwachungseinrichtungen 140, 142 (wie exemplarisch für die 2 - 3 beschrieben) vorgesehen, welche den Zustand der Versorgungspfade 64 (zwischen 60 und 66) unabhängig voneinander auf Fehler wie beispielsweise Überlast überwachen, um im Fehlerfall ein Trennen der leitfähigen Verbindung zwischen Eingang 60 und Ausgang 66 anzufordern. Durch die Unabhängigkeit muss sichergestellt werden, dass es keine (bzw. nur vertretbar unwahrscheinliche) Fehlerfälle gibt, bei denen beide Überwachungseinrichtungen 140,142 fälschlicherweise gleichzeitig eine Trennung anfordern. Wie bereits beschrieben umfassen die Schutzeinrichtungen 140,142 entsprechende Messwiderstände 70, 72, 73 bzw. Spannungsabgriffe an den Schaltmitteln 61, 62, 63, jeweils entsprechende Messverstärker 78, 124, 178 und/oder jeweils entsprechende Komparatoren 82, 128 zur Auswertung der Messsignale der Messverstärker 78, 124, 178 und/oder jeweils entsprechende Speicherglieder 88, 134 zum Zwischenspeichern bestimmter Statusinformationen und/oder entsprechende Logikglieder 180 zur Plausibilisierung eines Ausschaltwunsches bzw. eines Einschaltwunsches. Die Überwachungseinrichtung 140 und die weitere Überwachungseinrichtung 142 umfassen wiederum jeweils die nicht eigens dargestellte Speichereinrichtung 80, 134, jeweils den nicht eigens dargestellten Komparator 82, 128 sowie jeweils zumindest den nicht dargestellten Messverstärker 78, 124, 178.
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Weiterhin sind n voneinander entkoppelte Treiberstufen 67, 68, 69, usw. und Schalter 61, 62, 63, usw. vorgesehen. Die Schalter 61, 62, 63, usw. dienen dazu, durch Parallelschaltung von beispielsweise Mosfets oder IGBTs als Leistungsschalter in den jeweiligen Versorgungspfaden 64, die niederohmige Verbindung zwischen Hauptversorgung 60 und dem Ausgang 66 zur Versorgung des angebundenen Verbrauchers zur Verfügung zu stellen. Die Treiberstufen 67, 68, 69 sind intern so aufgebaut, dass jeweils eine der beiden unabhängigen Logikeinheiten 99, 100 in der Lage ist, den leitfähigen Status einzuleiten oder aufrechtzuerhalten. Die im Beispiel gezeigte Pulstreiberstufe 146 ist durch die Pulsfähigkeit in der Lage, die Schalter 61, 62, 63 schnell vom gesperrten in den leitfähigen Zustand zu überführen. Durch die Pulsfähigkeit besteht allerdings ein erhöhtes Risiko, dass sich ein Einfehler in einem der Schalter 61, 62 oder 63 über eine Verkopplung auf die anderen Treiberstufen 67, 68 oder 69 auswirkt. In letzter Konsequenz kann sich somit ein Einfachfehler eines Leistungsschalters 61, 62, 63 auf den gesamten Kanal 15 auswirken. Durch die Einführung einer unabhängigen Erhaltungstreiberstufe 144, beispielsweise aus zwei Versorgungseinheiten 89, 131 versorgt, können die Rückwirkungen durch eine hochohmigen Anbindung des fehlerhaften Pfads an die Versorgungsquelle vermieden werden.
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Durch die Konzepte der Sicherstellung der Rückwirkungsfreiheit und Entkopplung durch entsprechende Elemente 141 bzw. Blöcke 141 und der Puls- sowie Erhaltungstreiberstufe 146, 144 kann im Einfachfehlerfall eines Leistungsschalters 61, 62, 63 immer gewährleistet werden, dass die höchste Auswirkung den Ausfall eines Mosfets bzw. Schalters 61, 61, 63 bedingt. Alle anderen Leistungsschalter 61, 62, 63 und auch ggf. parallel geschaltete und aus den gleichen Quellen versorgte Ausgangskanäle bleiben aktiv.
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Die Treiber 67, 68, 69 sind intern so aufgebaut, dass nur beide Überwachungseinrichtungen 140, 142 gemeinsam in der Lage sind, den leitfähigen Pfad zwischen Eingang 60 und Ausgang 66 zu unterbrechen. Die beiden Trennanforderungen der beiden Überwachungseinrichtungen 140, 142 werden erst so nah an den jeweiligen Schaltern 61, 62, 63, 63.n kombiniert, dass es keine Einfachfehler gibt, welche mehrere Schalter 61, 62, 63, 63.n gleichzeitig deaktivieren. Zusätzlich wird durch die schalternahe Verknüpfung ein Minimum an schalterindividuellen Komponenten erreicht. Die Anzahl der Schalter n ist so gewählt, dass der hochohmigere Ausfall eines der Teilpfade bzw. Versorgungspfade 64.1... n für eine ausreichend lange Fehlertoleranzzeit nicht das Sicherheitsziel einer zuverlässigen Versorgung der am Ausgang 66 angeschlossenen Lasten, insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher 16, gefährdet. Die Treiber 67, 68, 69 stellen durch ihren speziellen internen Aufbau sicher, dass auch Fehler in einem einzelnen Schalter 61 keine negativen Auswirkungen auf andere Schalter 62, 63, 63n haben, welche das Sicherheitsziel der Bereitstellung einer ausreichend niederohmigen Verbindung verletzt (bei der Umsetzung beispielsweise ein Kurzschluss zwischen Gate und Source, welcher innerhalb des Treibers 67, 68, 69 gekapselt werden muss, um ein Durchgreifen auf die anderen Schalter 62, 63, 63n zu verhindern).
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Weiterhin ist ein redundant gespeistes Massekonzept vorgesehen, angedeutet durch eine Masse 148 und eine weitere Masse 150. Dadurch wird sichergestellt, dass die interne Bezugsmasse des Steuergeräts eine ausreichend hohe Gesamtverfügbarkeit aufweist.
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5 zeigt ein redundantes Treiberkonzept. Dieses Treiberkonzept ist beispielsweise in dem Treiber 94 gemäß 2 eingesetzt. Dieses umfasst zwei redundant aufgebaute Versorgungspfade 248, 250. Der eine Versorgungspfad 248 wird gespeist durch die Hilfsspannung 137. Der weitere Versorgungspfad 250 wird gespeist durch die weitere Hilfsspannung 139. Die beiden Hilfsspannung 137, 139 sind voneinander unabhängig, wodurch eine unabhängige Versorgung der Treiber 67, 68, 69 bzw. der zugehörigen Schalter 61, 62, 63 sichergestellt ist.
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Die eine Hilfsspannung 137 kann vorzugsweise dann aktiv sein, wenn der Mikrocontroller 21 aktiv ist. Über die Hilfsspannung 137 kann die Erhaltungsladung wie nachfolgend beschrieben realisiert werden. Außerdem dient die Hilfsspannung 137 insbesondere für die Versorgung der internen Peripherie. Die weitere Hilfsspannung 139 kann vorzugsweise ständig aktiv sein, insbesondere um einen Schnellstart des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
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Für die Hilfsspannung 137 ist eine Strommessung 252 vorgesehen. Für die weitere Hilfsspannung 139 ist eine weitere Strommessung 262 vorgesehen. Die jeweiligen Ausgangssignale der Strommessungen 252, 262 werden einer Diagnose 268 zugeführt. Die Diagnose 268 dient der Diagnose von Treiberfehlern bzw. Gatefehlern.
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Für die Hilfsspannung 137 kann optional eine insbesondere zentrale Strombegrenzung 254 vorgesehen sein. Für die weitere Hilfsspannung 139 ist eine insbesondere zentrale weitere Strombegrenzung 264 vorgesehen. Als mögliche Strombegrenzung 254, 264 könnte im einfachsten Fall ein Widerstand 254.1 vorgesehen sein. Der Widerstand 254.1 ist so hoch gewählt, dass im Falle eines Kurzschlusses am Eingang eines Einzelschaltelements bzw. Schalters 61, 62, 63 die Rückwirkung auf die Treiberspannung bzw. Hilfsspannung 137, 139 verhindert wird. Um eine kurzfristige Überlast für Schalttransienten zu ermöglichen, kann als Strombegrenzung 254, 264 auch ein RC-Glied 254.2 genutzt werden. Insbesondere für eine zentrale Strombegrenzung 254, 264 für jede der Versorgungspfade 248, 250, bei denen jeweils ein Kondensator als Puffer 255 (elektrischer Puffer 255) gegen Masse geschaltet ist, welcher dem jeweiligen Versorgungspfad 248, 250 ein schnelles Einschalten aus dem Puffer 255 erlaubt, wird eine Fehlerfortpflanzung von Fehlern in den jeweiligen Versorgungspfaden 248, 250 auf die jeweilige zentrale Treiberspannung bzw. Hilfsspannung 137, 139 verhindert.
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Die gegebenenfalls von einer Treiberstufe 256, ggf. als Erhaltungstreiberstufe 144 oder als Aktivierungstreiberstufe bzw. Pulstreiberstufe 146 ausgebildet, bereitgestellte Hilfsspannung 137 wird einer eventuell vorzusehenden insbesondere dezentralen Strombegrenzung 270.1, 270.2, 270.n, zugeführt. Die jeweilige insbesondere dezentrale Strombegrenzung 270.1,270.2,270.n ist jeweils einem Treiber 67, 68, 69 bzw. Ansteuerung 281, 282, 283, insbesondere Gateansteuerung (als Bestandteil der jeweiligen Treiber 67,68, 69), für das zugehörige Schaltmittel 61, 62,63 zugeordnet. Die gegebenenfalls von der weiteren Treiberstufe 266 bereitgestellte weitere Hilfsspannung 139 bzw. Treiberspannung wird einer eventuell vorzusehenden weiteren insbesondere dezentralen Strombegrenzung 272.1 für die Ansteuerung 281 des ersten Schaltmittels 61 zugeführt. Die gegebenenfalls von der Treiberstufe 256 bereitgestellte bzw. weitergeleitete Hilfsspannung 137 bzw. Treiberspannung wird einer eventuell vorzusehenden insbesondere dezentralen n-ten Strombegrenzung 270.n, die einer jeweiligen Ansteuerung 283 für das zugehörige n-te Schaltmittel 63 zugeordnet ist, zugeführt. Die gegebenenfalls von der weiteren Treiberstufe 266 bereitgestellte bzw. weitergeleitete weitere Hilfsspannung 139 bzw. Treiberspannung wird einer eventuell vorzusehenden n-ten weiteren insbesondere dezentralen Strombegrenzung 272.n für die n-te Ansteuerung 283 des n-ten Schaltmittels 63 zugeführt. Die Ausgangsgrößen der Strombegrenzung 270.1 und der weiteren Strombegrenzung 272.1 (also die beiden Hilfsspannung in 137,139 bzw. Treiberspannungen aus den beiden Versorgungspfaden 248, 250) werden über ein Koppelelement 274.1 (insbesondere eine Oder-Verknüpfung) redundant der Ansteuerung 281 zugeführt. Gleiches gilt für jeden der weiteren Ansteuerung 282, 283, die jeweils redundant durch die Hilfsspannung 137, 139 bzw. Treiberspannungen unter Verwendung der jeweiligen Strombegrenzung 270, 272; 254, 264 versorgt werden. Die Ausgangsgrößen der n-ten Strombegrenzung 270.n und der weiteren n-ten Strombegrenzung 272.n (also die beiden Hilfsspannung in 137, 139 bzw. Treiberspannungen aus den beiden Versorgungspfaden 248, 250) werden über ein n-tes Koppelelement 274.n (insbesondere eine Oder-Verknüpfung) redundant der n-ten Ansteuerung 283 zugeführt. Im einfachsten Fall kann das Koppelelement 274 als Verknüpfung bzw. Oder-Verknüpfung in Form einer Doppeldiode 274.1 ausgebildet sein (die die beiden zugeführt Zweige jeweils über eine Diode miteinander verbindet) und auf den Steuereingang jeweils eines Teilschaltelements gegeben werden.
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Durch das Einschaltsignal 104 wird die Treiberstufe 256, die die Versorgung der jeweiligen Treiber 67, 68, 69 mit der Hilfsspannung 137 steuert, angesteuert. Durch das weitere Einschaltsignal 106 wird eine weitere Treiberstufe 266, die die Versorgung der jeweiligen Treiber 67, 68, 69 mit der weiteren Hilfsspannung 139 steuert, angesteuert. Durch zwei unabhängige Einschaltsignale („Ein“) 104, 106, die als Steuersignale auf die jeweiligen Treiberstufen 256, 266 einwirken, sind diese jeweils einzeln für sich in der Lage, den leitfähigen Zustand des Schaltmittels 15, bestehend aus den einzelnen Schaltern 61, 62, 63, aufrecht zu erhalten bzw. zu aktivieren, beispielsweise beim Start des Kraftfahrzeugs.
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Das Design der Treiberstufe 256, 266, und/oder der Strombegrenzung(en) 254, 264; 270, 272 und/oder des Koppelelements 274 stellt dabei sicher, dass etwaige Fehler in den Treibern 67, 68, 69 bzw. in den Ansteuerung 281, 282, 283 oder dem Schaltmittel 15 bzw. den einzelnen Schaltern 61, 62, 63 (innerhalb eines Versorgungskanals zur Versorgung des jeweiligen Ausgangs 66 für einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 16) oder sonstigen Komponenten keine kritische Rückwirkung auf die Versorgung haben. Durch diese Rückwirkungsfreiheit können innerhalb eines Steuergeräts mit zwei Hilfsspannungen 137,139 mehrere, insbesondere mehr als lediglich zwei, Schalter 61, 62, 63 sicher versorgt werden. Umgesetzt werden kann diese Rückwirkungsfreiheit entweder zentral (durch entsprechende Strombegrenzungen 254, 264 in den jeweiligen Versorgungspfaden 248,250) und/oder dezentral (entsprechende Strombegrenzungen 270.n, 272.n) für jeden einzelnen Schaltereingang bzw. zugehörigen einzelnen Ansteuerung 281, 282, 283 für den jeweiligen Schalter 61, 62, 63 und/oder in Kombination von zentraler und dezentraler Strombegrenzung 252, 262; 270.n, 272.n. Somit ist lediglich eine der Strombegrenzungen 254, 264; 270.n, 272.n (zumindest zwei zentrale Strombegrenzungen 254, 264 (für jeden Versorgungspfad 248, 250 bzw. Hilfsspannung 137, 139) oder aber es sind n dezentrale Strombegrenzungen 270.n, 272.n erforderlich. Zwischen einer dezentralen und einer zentralen Strombegrenzung 252, 262; 270.n, 272.n. kann individuell gewählt werden, wobei mindestens eine dezentrale Begrenzung nötig ist, um Fehler in einem Schalter 61, 62,63 vor dem Durchgriff auf die anderen n-1 Schalter 61, 62, 63 zu sichern.
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So könnte bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 die zentrale Strombegrenzung 254 (für die Treiberstufe 256, 144) entfallen, wobei dann jedoch die lokale bzw. dezentrale Strombegrenzung 270.1 und die lokale bzw. dezentrale Strombegrenzung 270.n zwingend vorzusehen sind, um zumindest eine Strombegrenzung für diesen Pfad vorzusehen. Wird im Gegenzug für die Hilfsspannung 139 nur die zentrale Strombegrenzung 264 (für die Treiberstufe 266, 146) vorgesehen, können die dezentralen Strombegrenzungen 272.1, 272.n entfallen. Bei diesem Konzept könnte die Treiberstufe 266 als Pulstreiberstufe 146 (die zur kurzzeitigen Aktivierung dient) mit der vorgeschalteten zentralen Strombegrenzung 264 (und nicht zwingend benötigten dezentralen Strombegrenzung 272.1, 272.2, 272.n) ausgebildet sein. Die Treiberstufe 256 könnte als Erhaltungstreiberstufe 144 ausgebildet sein. Auf die zentrale Strombegrenzung 254 vor der Erhaltungstreiberstufe 144 kann verzichtet werden, wobei jedoch die der Erhaltungstreiberstufe 144 nachgeschalteten dezentralen Strombegrenzungen 270.1, 270.2, 270.n vorzusehen sind.
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Die Schalter 61, 62, 63 sind jeweils die Bestandteile der Schalteinheit 15 innerhalb eines Kanals (vergleiche 1, dort sind exemplarisch drei Kanäle dargestellt). In einem Steuergerät bzw. Leistungsverteiler 18 können mehrere Kanäle mit jeweils einem eigenen redundanten Treiber 67, 68, 69 bzw. Ansteuerungen 281, 282, 283 aus nur zwei Hilfsspannungen 137, 139 versorgt werden.
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Die Abschaltlogik muss sicherstellen, dass kein Einfachfehler zu einer unbeabsichtigten Abschaltung (Wechsel in den hochohmigen Zustand) von mehr als einem Schalter 61, 62, 63 der n+1-Schaltelemente führt, die parallelverschaltet sind und jeweils einen Kanal bzw. sicherheitsrelevanten Verbraucher 16 redundant versorgen. Hierbei werden zwei unabhängige Ausschaltsignale („Aus“) 92, 108 einer Und-Verknüpfung 180 zugeführt. Nur wenn beide Ausschaltsignale 92, 108 auf einen Abschaltwunsch („Aus“) hindeuten, wird ein Öffnen der Schalter 61, 62, 63 eingeleitet. Damit löst ein Einfachfehler beispielsweise bei einer redundanten Stromerfassung kein Abschalten des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 16 aus. Über diese Und-Verknüpfung 180 kann die Ausschaltanforderung über jeweilige Entkopplungselemente 276 wie beispielsweise Dioden auf die Ansteuerung 281, 282, 283 geführt werden. Durch die Diodenentkopplung wird verhindert, dass Fehler in einem Teilschaltelement bzw. Schalter 61, 62, 63 bzw. Treiber 67, 68, 69 eine Abschaltung aller anderen Schalter 61, 62, 63 (auch in anderen Kanälen) auslösen. Fehler, bei denen Einfachfehler in einem Teilschaltelement bzw. Schalter 61, 62, 63 eine Abschaltung aller anderen Schalter 61, 62, 63 verhindern, stellen auf Gesamtsystemebene einen latenten Fehler dar und können über Latentfehlerdiagnosen erkannt werden. Innerhalb eines jeden Schalters 61, 62, 63 bzw. zugehörigen Treibers 67, 68, 69 wird das Abschaltsignal (Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 180) genutzt, um die jeweiligen Schalter 61, 62, 63 (beispielsweise Mosfets oder IGBTs) in den gesperrten Zustand zu überführen.
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Nachfolgend wird in Verbindung mit 6 eine mögliche schaltungstechnische Realisierung des Blockschaltbilds gemäß 5 exemplarisch beschrieben. Über einen Eingang ist für den weiteren Versorgungspfad 250 die weitere Hilfsspannung 139 zuführbar. Die weitere Hilfsspannung 139 liegt um einen gewissen Betrag oberhalb der Versorgungsspannung Ub (wie beispielsweise die Batteriespannung Ub) und könnte beispielsweise bei 24 V (bei einer beispielhaften Batteriespannung Ub von 12V) liegen. Über diese Treiberspannung werden die insbesondere als MOSFETs ausgebildeten Schalter 61, 62, 63 angesteuert. Für das Einschalten eines (beispielhaft als npn-) MOSFET ausgeführten Schalters 61, 62, 63 muss zunächst die systemimmanente Kapazität 349 zwischen Gate und Source aufgeladen werden. Die Gatespannung (in Form der anliegenden Spannung 137, 139) muss zum Durchschalten des Schalters 61, 62, 63 zuverlässig oberhalb der Batteriespannung Ub liegen, mit der der Drain-Anschluss des Mosfets 61, 62, 63 verbunden ist.
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Das Einschalten der Ansteuerungen 281, 282, 283 unter Versorgung mit der weiteren Hilfsspannung 139 bzw. Treiberspannung erfolgt unter Verwendung des Einschaltsignals 104. Über das Einschaltsignal 104 wird die Basis eines als Transistor ausgebildeten Schaltmittels 306 gesteuert. Das Schaltmittel 306 ist zum einen mit einem RC-Glied, zum anderen mit Masse verbunden. Über das RC-Glied wird ein weiteres Schaltmittel 304 angesteuert. Das weitere Schaltmittel 304 ist ebenfalls als Transistor ausgebildet. Die Basis des weiteren Schaltmittels 304 wird über das RC-Glied von dem Schaltmittel 306 angesteuert. Wird das weitere Schaltmittel 304 über das Einschaltsignal 104 durchgesteuert, so steht prinzipiell die weitere Hilfsspannung 139, strombegrenzt (Strombegrenzung 264) am Ausgang des weiteren Schaltmittels 304 zur Verfügung und wird über die zugehörigen Kopplungselemente 274 den Ansteuerungen 281, 282, 283 der jeweiligen Schalter 61, 62, 63 zugeführt.
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Über die Batteriespannung Ub wird der aus zumindest einer Kapazität gebildete Pulsspeicher 255, im Ausführungsbeispiel zwei parallel verschaltete Kapazitäten, mit Energie versorgt. Über den Ausgang des Pulsspeichers 255 werden zum einen jeweils die Basisanschlüsse der Transistoren 301, 303 der beiden Zweige der Stromquelle angesteuert. Zum anderen wird der Ausgang mit dem Transistor 301, der der Generierung des Pulsstroms Ip dient, kontaktiert und ist somit ebenfalls mit dem Eingang des weiteren Schaltmittels 304 verbunden.
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Das Steuersignal für das Schaltmittel 301 kann über den Puffer 255, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der Versorgungsspannung U0 beziehungsweise der Batteriespannung Ub generiert werden. So liegt das eine Potenzial des Puffers 255, ausgebildet als Kondensator bzw. als Parallelschaltung zweier Kondensatoren, auf dem Versorgungspotenzial wie beispielsweise der Batteriespannung Ub. Der andere Anschluss des Puffers 255 wird über einen Widerstand mit der Basis des als Transistor ausgebildeten Schaltelements 301 und des ebenfalls als Transistor ausgeführten weiteren Schaltelements 303 kontaktiert. Der andere Anschluss des Puffers 255 ist außerdem mit dem Ausgang des Schaltelements 301, insbesondere mit dem Kollektor des Transistors des Schaltelements 301, verbunden. Der Eingang bzw. der Kollektor des als Transistor ausgebildeten Schaltmittels 301 ist mit dem weiteren Anschluss der Strombegrenzung 264 kontaktiert. Sowohl der Ausgang des Schaltmittels 301 wie auch der hiermit kontaktierte weitere Anschluss des Puffers 255 werden dem weiteren Schaltmittel 304, insbesondere als Transistor ausgebildet, besonders bevorzugt dem Emitter des Transistors 304, zugeführt.
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Das Anschlusspotenzial der weiteren Hilfsspannung 139 speist über den Versorgungszweig 250 eine als zentrale Strombegrenzung 264 dienende Konstantstromquelle. Der Pulsspeicher 255 wird langsam aufgeladen. Zunächst fließt ein sehr geringer Strom zwischen Emitter und Basis des Transistors 301 über den relativ hochohmig dimensionierten Widerstand zwischen Basis des Transistors 301 und dem Pulsspeicher 255. Damit stellt sich auch ein Spannungsabfall an dem Gegenkopplungswiderstand zwischen dem Anschluss für die Hilfsspannung 139 und dem Emitter des Transistors 301 ein. Ab einem gewissen Spannungsabfall an diesem Widerstand fließt der Strom über die Doppeldioden 345. Dadurch verringert sich der Strom an der Basis des Transistors 301. Der mit dem Basisstrom gesteuerte Kollektorstrom am Transistor, nämlich der Pulsstrom Ip (als Ausgangsstrom Ip der Pulstreiberstufe 146), reduziert sich entsprechend. Damit lässt sich eine als Strombegrenzung 264 wirkende Stromquelle 254.3 realisieren. Liegt an dem Widerstand eine Spannung von 0,7 V an, wird der Transistor 301 (und der Transistor 303) deaktiviert. Die zugehörige Schaltung der Strombegrenzung 264 könnte so dimensioniert sein, dass sich ein Maximalstrom von ca. 2,5 mA einstellt. Damit lässt sich die Rückwirkungsfreiheit auf die weitere Hilfsspannung 139 in ausreichendem Maße sicherstellen.
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Der Puffer 255 wird in Verbindung mit dem weiteren Schaltmittel 304 über die Umladung des Puffers 255 wie eine Pulsquelle betrieben zur Ansteuerung der Schaltmittel bzw. Durchschalten des Schaltmittels 301, so dass die weitere Hilfsspannung 139 sehr schnell nach der Aktivierung des Einschaltwunsches 106 den Ansteuerungen 281, 282, 283 zur Verfügung steht, um die Schalter 61, 62, 63 einzuschalten zur Sicherstellung der Versorgung des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 16. Die Kapazität des Puffers 255 ist beispielsweise das Zehnfache größer als die Sperrschichtkapazität des als MOSFETs ausgebildeten Schalters 61, 62, 63 und könnte beispielsweise in der Größenordnung von 1 ηF liegen. Die entsprechende Dimensionierung der Schaltung gestaltet sich entsprechend einfach.
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Der weitere Ausgang des weiteren Schaltmittels 304 ist elektrisch leitend jeweils mit einem Widerstand, (als mögliche weitere dezentrale weitere Strombegrenzung) 272.1,272.n sowie daran anschließend mit dem jeweiligen Koppelelement 274.1,274.n verbunden. Die weitere(n) jeweiligen Widerstände 272.1, 272.n ist/sind relativ niederohmig ausgebildet und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 250 bzw. 200 Ω. Durch die relativ niederohmige Anbindung und entsprechende Pufferung wird ein schnelles Einschalten der Schalter 61, 62, 63 ermöglicht. Die Widerstände dienen insbesondere der Symmetrierung, nicht in erster Linie als dezentrale Strombegrenzung 272.1, 272, 2, 272.n.
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Es ist eine Strommessung 262 des Pulsstroms Ip über einen Widerstand 343 vorgesehen. Im einzelnen sind die Konstantstromquelle (als Strombegrenzung 264) und die Strommessung 262 so aufgebaut, dass die weitere Hilfsspannung 139 über einen Zweig (über einen vorgeschalteten Widerstand und einen Transistor 303) als Stromspiegel des Pulsstroms Ip an die Diagnose 268 gelangt. Dieser Zweig ist so dimensioniert, dass ein gewisser Teil des fließenden Pulsstroms Ip an die Diagnose 268 geführt wird, beispielsweise je nach Dimensionierung der Widerstände beispielsweise 1/7 Ip.
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Über einen weiteren Zweig (über einen vorgeschalteten Widerstand und einen Transistor 301) gelangt der Pulsstrom Ip an das weitere Schaltmittel 304 und/oder gegebenenfalls über die Strombegrenzung 272.1, 272.2, 272.3 bzw. 272.n an das Kopplungselement 274.1, 274.2, 274.n. Die Strombegrenzung 272.1, 272.2, 272.3 bzw. 270.n ist als elektrischer Widerstand (beispielsweise in der Größenordnung von 200 Ohm) ausgebildet. Die Strombegrenzung 272.1, 272.2, 272.3 bzw. 272.n dient der Symmetrierung des Pulsstroms Ip bezüglich des Erhaltungsstroms le wie nachfolgend beschrieben.
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Über die Hilfsspannung 137 wird der Versorgungspfad 248 versorgt.
Das im Versorgungspfad 248 angeordnete Schaltmittel 300 wird gegebenenfalls über ein weiteres Schaltmittel 302 durch das Einschaltsignal 106 gesteuert bzw. aktiviert. Nach der schnellen Aktivierung der Schalter 61, 62, 63 unter Verwendung der Pulstreiberstufe 146 schaltet sich parallel auch die Erhaltungstreiberstufe 144 über eine Aktivierung des Schaltmittels 300 zu. Die Erhaltungstreiberstufe 144 wird durch die Hilfsspannung 137 gespeist. Die Hilfsspannung 137 liegt (ebenso wie die weitere Hilfsspannung 139) um einen bestimmten Betrag oberhalb der Versorgungsspannung Ub, besonders bevorzugt in der Größenordnung von 12 V oberhalb der Versorgungsspannung Ub. Über das Einschaltsignal 106 wird über den Steuereingang des Schaltelements 302, dessen Ausgangssignal das Steuersignal für das Schaltelement 300 bildet, das Schaltelement 300, insbesondere ein Transistor, aktiviert, so dass die am Eingang liegende Hilfsspannung 137 durchgeschaltet wird. Über einen am Ausgang des Schaltmittels 300 liegenden ersten Zweig wird über einen Widerstand und einen Transistor 305 der Erhaltungsstrom le (Ausgangsstrom le der Erhaltungstreiberstufe 144) eingeprägt.
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Der Erhaltungsstrom le gelangt für jede Ansteuerung 281, 282, 283 bzw. jeden Schalter 61, 62, 63 jeweils an die dezentrale Strombegrenzung 270.1, 270.2, 270.n. Die dezentrale Strombegrenzung 270.1, 270.2, 270.n ist als elektrischer Widerstand (beispielhaft in der Größenordnung von 10 k) ausgebildet. Nach der jeweils dezentralen Strombegrenzung 270.1, 270.2, 270.n gelangt der Strom le über die jeweiligen Koppelelemente 274.1, 274.2, 274.3, 274.n an die jeweilige Ansteuerung 281, 282, 283 für die zugehörigen Schalter 61, 62, 63. Wie bereits beschrieben ist das Koppelelement 174 beispielhaft aus zwei Dioden aufgebaut, die die beiden zugeführten Eingänge (der über den Ausgang des Schaltmittels 304 über die Widerstände 272.1,272.2, 272.n zugeführte anteilige Pulsstrom Ip; sowie der über die Strombegrenzung 270.1,270.2,270.n zugeführte anteilige Erhaltungsstrom le) zu einem Ausgang rückwirkungsfrei koppeln.
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Zum Zwecke der Strommessung 252 verzweigt sich der Ausgang des Schaltmittels 300 neben dem ersten Zweig, der den Transistor 305 beinhaltet, in einen weiteren Zweig, bestehend aus einem weiteren Transistor 307 und einem vorgeschalteten Widerstand. Die Basis des weiteren Transistors 307 ist mit dem Ausgang des weiteren Transistors 305 elektrisch leitend kontaktiert. Über eine entsprechende Dimensionierung der Widerstände wird ein gewisser Prozentsatz des Erhaltungsstroms le der Diagnose 268 zugeführt, beispielhaft 1/10 le. Hierzu wird der Ausgang des weiteren Transistors 307 der Diagnose 268 zugeführt. Die Schaltung dient somit als Stromspiegel. Über die Diagnose 268 kann der Stromfluss (ein Maß für Ip, le) der beiden Hilfsspannungen 137,139 gemessen werden. Bevorzugt kann die Diagnose 268 wiederum ein Koppelelement 341, bestehend aus zwei Dioden, umfassen, die die zugeführten anteiligen Ströme Ip, le zu einem einzigen Ausgang zusammenfassen zur weiteren Auswertung. Die Auswertung bzw. Erfassung der Ströme le, Ip erfolgt über den Messwiderstand 343. Dem Messwiderstand 343 ist der Ausgang des Koppelelements 341 zugeführt, Dessen anderer Anschluss ist gegen Masse verschaltet.
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Die Ansteuerungen 281, 282, 283 umfassen jeweils zumindest zwei parallele Zweige. Der Ausgang des jeweiligen Kopplungselements 274.1, 274.2, 274.n verzweigt sich in die beiden parallelen Zweige. Der erste Zweig gelangt an einen Verzweigungspunkt, über den das zugehörige Schaltmittel 61, 62, 63 mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird. An dem Verzweigungspunkt ist außerdem eine Kathode einer Zenerdiode 376 kontaktiert, während die Anode der Zenerdiode 376 gegen ein gemeinsames Bezugspotenzial 330 verschaltet ist. Der weitere Zweig der jeweiligen Ansteuerung 281, 282, 283 ist ebenfalls mit dem Ausgang des zugehörigen Kopplungselements 274.1, 274.2, 274.n verbunden, der über jeweilige Schaltmittel 321, 322, 323 ebenfalls mit dem gemeinsamen Bezugspotenzial 330 verschaltet verbunden werden kann. Die jeweiligen vorzugsweise als Transistoren ausgebildeten Schaltmittel 321, 322, 323 werden bei übereinstimmenden Ausschaltsignalen 92, 106 über eine entsprechende Ansteuerung der Basis durchgeschaltet, sodass der Ausgang der zugehörigen Kopplungselemente 274.1, 274.2, 274.n auf Bezugspotenzial 330 gezogen wird und es somit nicht zu einer entsprechenden Ansteuerung der Schaltmittel 61, 62, 63 im Sinne eines Einschaltens kommt. Die Schaltmittel 61, 62, 63 werden also abgeschaltet.
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Die Ausschaltsignale 92, 108 steuern jeweils weitere Schaltmittel 308, 310 (beispielsweise gesteuert über die Basis von als Transistoren ausgeführten Schaltmitteln 308, 310). Beispielhaft könnten auch mehrere Ausschaltsignale 108 (beispielsweise von unterschiedlichen Quellen) zusammengeführt werden und das Schaltmittel 310 ansteuern. Die Ausgangssignale der entsprechend gesteuerten Schaltmittel 308, 310 werden einer Und-Verknüpfung 180 zugeführt. Die Und-Verknüpfung 180 umfasst beispielsweise zwei weitere vorzugsweise als Transistoren ausgebildete Schaltmittel 312, 314, die in Reihe geschaltet sind und deren Schaltstrecke über eine der Hilfsspannungen 137,139, insbesondere die weitere Hilfsspannung 139, beaufschlagt werden kann. Liegen übereinstimmende Abschaltwünsche 92, 106 vor, so schalten beide Schaltmittel 312, 314 der Und-Verknüpfung 180 durch, so dass die weitere Hilfsspannung 139 bzw. Treiberspannung am Ausgang der Und-Verknüpfung 180 ansteht.
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Das Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 180 ist an ein Entkopplungselement 276, im Ausführungsbeispiel an zwei Entkopplungselemente 276, geführt. Das Entkopplungselement 276 umfasst zumindest eine Diode, die zwischen dem Ausgang der Und-Verknüpfung 180 und dem Eingang der jeweiligen Ansteuerung 281, 282, 283 in Durchlassrichtung angeordnet ist. Das Eingangssignal des Entkopplungselements 276 kann über eine weitere Diode auch der weiteren Ansteuerung 282 zugeführt sein. Das Ausgangssignal des Entkopplungselements 276 wird der Ansteuerung 281 (für den ersten Schalter 61) sowie auch der Ansteuerung 282 (für den zweiten Schalter 62) zugeführt. Über ein weiteres Entkopplungselement 276 wird das Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 180 an die Ansteuerung 283 (für den dritten Schalter 63) weitergeleitet.
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Die Ausgangssignale der jeweiligen Entkopplungselemente 276 steuern die zugehörigen Schaltmittel 321 (für die Ansteuerung 281), Schaltmittel 322 für die Ansteuerung 282 sowie Schaltmittel 323 für die Ansteuerung 283. Entsprechend sind sie jeweils mit der Basis des als Transistor ausgeführten Schaltmittels 321, 322, 323 verbunden.
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Das Ausgangssignal des Kopplungselements 274.1 ist mit der Ansteuerung 281 bzw. mit dem Transistor 321 und über einen Verzweigungspunkt sowohl mit dem ersten Schaltmittel 61 über eine Zenerdiode 376 mit dem Bezugspotenzial verbunden. Das Ausgangssignal des Kopplungselements 274.2 ist mit der Ansteuerung 282 bzw. mit dem Transistor 322 und über einen Verzweigungspunkt sowohl mit dem zweiten Schaltmittel 61 wie über eine weitere Zenerdiode 376.2 mit dem Bezugspotenzial verbunden. Das Ausgangssignal des Kopplungselements 274.n ist mit der Ansteuerung 283 bzw. mit dem Transistor 323 und über einen Verzweigungspunkt sowohl mit dem dritten bzw. n-ten Schaltmittel 63 über eine weitere Zenerdiode 376.n mit dem Bezugspotenzial verbunden. Liegen übereinstimmende Abschaltwünsche 92, 108 vor, werden die jeweiligen Schaltmittel 321, 322, 323 durchgesteuert, sodass kein Einschaltsignal mehr an die Schalter 61, 62, 63 gelangt wie oben beschrieben. Die Schalter 61, 62, 63 werden daraufhin geöffnet.
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Der Leistungsverteiler 18 ist beispielsweise in einem 12 V-Bordnetz 13 in einem Kraftfahrzeug direkt an der Schnittstelle zwischen dem nicht sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 10 und dem sicherheitsrelevanten Teilbordnetz 11, insbesondere ASIL-qualifizierten Teilbordnetz 11 angeordnet. Die Verwendung ist jedoch darauf nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019205800 A1 [0002]
- DE 102020107695 A1 [0003]