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Die Erfindung betrifft einen Versorgungsnetzausgang und ein Verfahren zum Betreiben eines Versorgungsnetzes, insbesondere eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Ein Versorgungsnetz ist ein elektrisches Netz bzw. Netzwerk mit typischerweise mehreren Verbrauchern und Versorgungsquellen, das die Energieversorgung der in dem Netzwerk vorhandenen Verbraucher sicherstellt. In Kraftfahrzeugen wird das Versorgungsnetz auch als Energiebordnetz oder nur Bordnetz bezeichnet.
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Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, z. B. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung sichergestellt ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Ein Versorgungsnetzausgang ist nunmehr eine elektrische Schaltung mit mindestens einem Pfad, in dem wiederum mindestens ein Schalter angeordnet ist. Der Versorgungsnetzausgang wiederum ist in einem Versorgungsnetz vorgesehen oder mit einem solchen verbunden und dient zur Versorgung einer Komponente, in einem Kraftfahrzeug bspw. der Lenkung. Über den mindestens einen Schalter kann dann die Energieversorgung der Komponente gesteuert werden.
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In Kraftfahrzeugen mit elektrisch unterstützten oder rein elektrisch aufgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen, wie bspw. der Lenkung oder Bremse, bestehen hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit dieser Funktionen während der Fahrt. Bzgl. der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 können solche Funktionen mit einer Verfügbarkeit nach Einstufung ASIL C oder D klassifiziert sein. Zu beachten ist, dass auch ASIL-Anforderungen an die ASIL-Metriken bei ASIL A und ASIL B eine Redundanz, wie diese hierin beschrieben ist, erfordern könnten. In jedem Fall ist das vorgestellte Verfahren nicht auf die genannten Anforderungen beschränkt.
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ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ist eine Schlüsselkomponente der ISO 26262. Der ASIL-Level wird jeweils zu Beginn eines Entwicklungsprozesses bestimmt. Hierzu werden die Systemfunktionen analysiert und in Bezug zu möglichen Risiken gestellt. ASIL-A hat die geringste Risikostufe, ASIL-D die höchste Risikostufe.
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Diese Einstufungsklasse erfordert eine redundante Versorgung über zwei unabhängige Pfade. Die Pfade müssen schaltbar sein, um auf die Weise eine Sicherungsfunktion darzustellen, die Überströme durch Kurzschluss im Kabel oder in der Last abschaltet. Bei einer vollständigen Redundanz muss jeder der beiden Versorgungspfade in der Lage sein, den gesamten Laststrom im Fehlerfall eines einzelnen Pfades ohne Einschränkung zu übernehmen. Dies bedeutet jedoch eine Verdoppelung der notwendigen Schaltelemente, was zu deutlich erhöhten Kosten führt.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 043 402 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz von an ein Bordnetz angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung, bei dem vorgesehen ist, die Überspannung einer energievernichtenden Last zuzuführen, die die Überspannung abbaut. Die energievernichtende Last kann bspw. als Starter ausgebildet sein.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 201 581 A1 ist ein Verfahren zum Trennen eines Bordnetzes von einem Gleichspannungswandler bekannt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, eine Versorgungsspannung mit einem Gleichspannungswandler in eine Bordnetzspannung umzurichten, eine Sperrspannung an zumindest einem der Halbleitergleichrichterelemente zu ermitteln und einen Trennschalter zum Abkoppeln des Bordnetzes vom Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von dem Wert der ermittelten Sperrspannung anzusteuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Versorgungsnetzausgang gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Der beschriebene Versorgungsnetzausgang, der auch als Versorgungsnetzwerkausgang bezeichnet werden kann, ist für einen Nennstrom ausgelegt und umfasst n Schalter, die zum Führen des Nennstroms ausreichend sind. Dies bedeutet, dass die n Schalter so dimensioniert sind, dass diese den Nennstrom führen können. Die n Schalter sind für die Lastanforderungen bzw. das Lastprofil ausreichend. Es ist nunmehr ein zusätzlicher Schalter vorgesehen, so dass insgesamt n + 1 Schalter vorgesehen sind, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei jedem Schalter ein Treiber zugeordnet ist, und wobei gilt: n ≥ 2. Typischerweise sind die n + 1 Schalter alle gleich dimensioniert, d. h. diese können alle den gleichen Strom führen. Von Bedeutung ist, dass der zusätzliche Schalter so dimensioniert ist, dass dieser den Ausfall eines jeden der anderen Schalter kompensieren kann.
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Der beschriebene Versorgungsnetzausgang und das vorgestellte Verfahren verwirklichen somit die Darstellung einer Redundanz für den Fehlerfall mit reduzierter Bauteilanzahl.
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Ist für die Versorgung einer Last die Verwendung von n parallelen Schaltelementen, wie bspw. MOSFETs, erforderlich, so kann durch die Ergänzung eines weiteren Schaltelements und ggf. Pfades n+1 eine Redundanz sichergestellt werden. Fällt von den n+1 Schaltelementen bzw. Pfaden ein Schaltelement bzw. Pfad aus, so ist die verbleibende Anzahl der Schaltelemente bzw. Pfade n immer noch ausreichend bzw. geeignet, den vollen Strom der Last ohne Einschränkung zu führen.
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Das beschriebene Verfahren dient zum Betreiben eines Versorgungsnetzes, wobei ein Versorgungsnetzausgang der hierin beschriebenen Art zum Einsatz kommt. Bei dem Verfahren ist nunmehr vorgesehen, den zusätzlichen Schalter dafür zu nutzen, bei Ausfall eines der anderen Schalter den sicheren Betrieb zu gewährleisten.
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Mit dem vorgestellten Verfahren und dem hierin beschriebenen Versorgungsnetz wird eine Kosteneinsparung durch eine verringerte Bauteilanzahl im Vergleich zu einer kompletten Verdoppelung einer Versorgungseinrichtung erzielt. Dies wird in Ausgestaltung dadurch erreicht, dass lediglich ein einzelner weiterer Schaltpfad hinzugefügt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den jeweiligen Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- 1 zeigt einen Versorgungsnetzausgang nach dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Versorgungsnetzausgangs.
- 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Versorgungsnetzausgangs.
- 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Versorgungsnetzausgangs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt Versorgungsnetzausgang, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser Versorgungsnetzausgang 10 ist mit einem sicheren Versorgungsnetz 12 nach ASIL C/D und einem sicheren Ausgang 14 nach ASIL C/D verbunden. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Strommesseinrichtung 16, die in Reihe zu einem ersten Pfad 20 und einem zweiten Pfad 22 geschaltet ist. In dem ersten Pfad 20 ist eine erste MOSFET-Gruppe T1 24 mit zwei MOSFETs und in dem zweiten Pfad 22 ist eine zweite MOSFET-Gruppe T2 26 vorgesehen. Der ersten MOSFET-Gruppe T1 24 ist ein erster Gate-Treiber 30 zugeordnet. Entsprechend ist der zweiten MOSFET-Gruppe T2 26 ein zweiter Gate-Treiber 32 zugeordnet. Zu beachten ist, dass die Lastanforderung des Versorgungsnetzausgangs alleine durch einen der beiden Pfade 20 oder 24 eingehalten werden kann. Dies bedeutet, dass die jeweils zwei MOSFETs in jeder der beiden MOSFET-Gruppen 24 bzw. 26 so ausgelegt sind, dass diese den Nennstrom der an dem Ausgang 14 angeschlossenen Komponente führen könnte.
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Beim dem Versorgungsnetzausgang 10 erfolgt nunmehr die Versorgung einer sicherheitsrelevanten Last über eine der beiden vollständig unabhängigen Pfade 20 und 22, hier im Beispiel über MOSFET-Gruppen T1 24 oder T2 26. Jede Gruppe kann den vollen Nenn- bzw. Laststrom führen.
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Weiterhin ist zu beachten, dass, um robust gegenüber Einfachfehlern zu sein, die Schalteransteuerung, d. h. die Gate-Treiber 30 und 32, sowie deren Versorgung und deren Ansteuersignal unabhängig voneinander ausgeführt sein sollte.
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Zur Vermeidung schlafender Fehler muss die Funktionsfähigkeit beider Pfade T1/T2 diagnostiziert werden, z. B. durch eine Strommessung in beiden Pfaden T1/T2 oder eine Plausibilisierung der aktiven Anzahl an MOSFETs durch die Drain-/Source-Spannung.
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Unter einem schlafenden Fehler ist ein Fehler zu verstehen, der für sich alleine keine merkbare Beeinträchtigung des Versorgungsnetzausgangs bedingt. Lediglich, wenn ein weiterer Fehler hinzukommt, kann dies zu einer Beeinträchtigung und sogar zu einem Ausfall des Versorgungsnetzausgangs führen.
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Es zeigt sich jedoch, dass der gezeigte redundante Aufbau mit einer Anzahl von Schaltern, in diesem Fall MOSFETs, die doppelt so hoch ist wie die Anzahl der unter Berücksichtigung der Lastanforderung eigentlich erforderlichen Schalter, sehr aufwändig ist. Es wurde folgendes erkannt:
- Sind wie bei dem vorstehenden Beispiel n = 2 Schalter bzw. MOSFETs zur Führung des Nenn- bzw. Versorgungsstroms erforderlich, so kann eine optimierte Redundanz bereits mit n + 1 = 3 Schalter bzw. MOSFETs, anstelle von 4 Schalter bzw. MOSFETs, wie dies in 1 dargestellt ist, erreicht werden. Beim Einzelausfall eines Pfades stehen dann immer noch 2 Pfade zur sicheren Versorgung bereit.
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Die Aufteilung der Schalter bzw. MOSFETs in jeweils eigene Pfade stellt ein Merkmal von Ausführungen des vorgestellten Versorgungsnetzausgangs und des beschriebenen Verfahrens dar.
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2 zeigt hierzu eine Ausführung des vorgestellten Versorgungsnetzausgangs, der insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Dieser Versorgungsnetzausgang 50 ist zwischen einem sicheren Versorgungsnetz 52 nach ASIL C/D und einem sicheren Ausgang 54 vorgesehen. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Strommesseinrichtung 56, einen ersten Pfad 58, einen zweiten Pfad 60 und einen dritten Pfad 62.
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In dem ersten Pfad 58 ist ein erster Schalter 70, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem zweiten Pfad 60 ist ein zweiter Schalter 72, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem dritten Pfad 62 ist ein dritter Schalter 74, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. Dem ersten Schalter 70 ist ein erster Treiber 80, dem zweiten Schalter 72 ein zweiter Schalter 82 und dem dritten Schalter 74 ein dritter Treiber 84 zugeordnet. Zu beachten ist, dass wenn der erste Schalter 70 und der zweite Schalter 72 in einem einzigen Pfad angeordnet sind, bei Ausfall dieses Pfades der verbleibende Schalter ggf. den vollen Strom nicht tragen kann.
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Da bei der gezeigten Ausführungsform die Schalteransteuerung, deren Versorgung und deren Ansteuersignale so voneinander unabhängig bzw. rückwirkungsfrei sind, ist der Versorgungsnetzausgang sicher gegenüber Einzelfehlern. Der gezeigte Aufbau bringt mit sich, dass durch einen Einzelfehler maximal ein Pfad 58, 60 bzw. 62, der auch als Versorgungspfad bezeichnet werden kann, betroffen ist. Schlafende Fehler können hier in jedem Pfad diagnostiziert werden.
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Im Vergleich zur herkömmlichen Lösung steht hier ein erhöhter Aufwand auf Ansteuer- und Diagnoseseite einer größeren Ersparnis auf Seiten der Schalter, die bspw. als Leistungsschalter ausgebildet sind, gegenüber.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines Versorgungsnetzausgangs 100 mit drei unabhängigen Pfaden. Die Darstellung zeigt den Versorgungsnetzausgang 100, der zwischen einem sicheren Versorgungsnetz 102 nach ASIL C/D und einem sicheren Ausgang 104 vorgesehen ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Strommesseinrichtung 106, einen ersten Pfad 108, einen zweiten Pfad 110 und einen dritten Pfad 112.
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In dem ersten Pfad 108 ist ein erster Schalter 120, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem zweiten Pfad 110 ist ein zweiter Schalter 122, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem dritten Pfad 112 ist ein dritter Schalter 124, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. Dem ersten Schalter 120 ist ein erster Treiber 130, dem zweiten Schalter 122 ein zweiter Treiber 132 und dem dritten Schalter 124 ein dritter Treiber 134 zugeordnet.
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Der erste Treiber 130, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen ersten Versorgungseingang 140 und einen ersten Ansteuersignaleingang 142. Der zweite Treiber 132, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen zweiten Versorgungseingang 144 und einen zweiten Ansteuersignaleingang 146. Der dritte Treiber 134, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen dritten Versorgungseingang 148 und einen dritten Ansteuersignaleingang 150.
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Es erfolgt somit die Ansteuerung der Schalter 120, 122, 124 durch jeweils drei unabhängige Gate-Treiber 130, 132, 134, Versorgungen V1..V3 und Ansteuersignale S1..S3.
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Es wurde erkannt, dass die Anzahl an Spannungsversorgungen und Ansteuersignalen reduziert werden kann, wenn der dritte Pfad aus einer Kombination der ersten beiden Pfade bereitgestellt wird, siehe hierzu 4. Dies wird hier beispielhaft durch eine ODER-Funktion mittels Dioden gezeigt.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines Versorgungsnetzausgangs 200 wiederum mit drei Pfaden, wobei nur zwei unabhängige Ansteuersignale und Versorgungen gegeben sind. Die Darstellung zeigt den Versorgungsnetzausgang 200, der zwischen einem sicheren Versorgungsnetz 202 nach ASIL C/D und einem sicheren Ausgang 204 angeordnet ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Strommesseinrichtung 206, einen ersten Pfad 208, einen zweiten Pfad 210 und einen dritten Pfad 212.
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In dem ersten Pfad 208 ist ein erster Schalter 220, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem zweiten Pfad 210 ist ein zweiter Schalter 222, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. In dem dritten Pfad 212 ist ein dritter Schalter 224, in diesem Fall ein MOSFET, vorgesehen. Dem ersten Schalter 220 ist ein erster Treiber 230, dem zweiten Schalter 222 ein zweiter Treiber 232 und dem dritten Schalter 224 ein dritter Treiber 234 zugeordnet.
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Der erste Treiber 230, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen ersten Versorgungseingang 240 und einen ersten Ansteuersignaleingang 242. Der zweite Treiber 232, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen zweiten Versorgungseingang 244 und einen zweiten Ansteuersignaleingang 246. Der dritte Treiber 234, der hier als Gate-Treiber ausgebildet ist, verfügt über einen dritten Versorgungseingang 248 und einen dritten Ansteuersignaleingang 250.
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Am ersten Versorgungseingang 240 liegt das Signal V1 an. Am ersten Ansteuersignaleingang 242 liegt das Signal S1 an. Am zweiten Versorgungseingang 244 liegt das Signal V2 an. Am zweiten Ansteuersignaleingang 246 liegt das Signal S2 an. Am dritten Versorgungseingang 248 liegt eine Kombination aus V1 (Bezugsziffer 260) und V2 (Bezugsziffer 262) an. Am dritten Ansteuersignaleingang 250 liegt eine Kombination aus S1 (Bezugsziffer 270) und S2 (Bezugsziffer 272) an.
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Zweckmäßig hierbei ist eine Strombegrenzungseinrichtung, wie bspw. mit Widerständen R1 280, R2 282, R3 284 und R4 286, die dafür sorgt, dass ein Fehler im dritten Pfad 212 nicht die Ansteuerung des ersten oder zweiten Pfades 208 oder 210 beeinträchtigen kann. Die Ansteuersignale und Spannungsversorgungen müssen so ausgelegt sein, dass sie durch die ggf. vorhandenen Fehlerströme durch R1 bis R4 unbeeinflusst bleiben.
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Zur Sicherstellung der Verfügbarkeit des Redundanzpfades kann eine Überprüfung bzw. Diagnose durchgeführt werden. Diese kann z. B. über die Plausibilisierung der Drain-Source-Spannungsmessung bei bekanntem Strom, bspw. eine Strommessung über Shunt, mittels der Einschaltwiderstände der n+1 MOSFETs erfolgen. Die Diagnoseeinrichtung sollte den Ausfall eines einzelnen Pfads erkennen können und diesen melden, da nun keine Redundanz mehr im Versorgungsnetzausgang 200 vorgehalten ist. Dadurch muß eine entsprechende Reaktion im Versorgungsnetzausgang 200 ausgelöst werden, wie bspw. eine Warnmeldung, ein Steuergerät-Defekt-Eintrag oder eine Ansteuerung eines sicheren Fahrzeugzustands.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043402 A1 [0008]
- DE 102014201581 A1 [0009]