用于向车载电网中的至少一个负载供电的方法以及车载电网与流程

文档序号:11283312阅读:356来源:国知局
用于向车载电网中的至少一个负载供电的方法以及车载电网与流程

本发明涉及一种用于向车载电网、尤其是机动车的车载电网中的至少一个冗余的负载供电的方法以及一种这样的车载电网。



背景技术:

“车载电网”在汽车的使用中是指机动车中的所有电组件的总称。由此,其中不仅包括电负载而且包括供电源、像比如电池。在机动车中要注意,电能能够如此可用,从而能够随时起动所述机动车并且在运行期间存在足够的电流供给。但是,在停止的状态中,电负载还应该能够运行适当的时间间隔,而没有损害接下来的起动。

应该注意,由于总成的电气化程度的增加以及新的驾驶功能的采用,对机动车中的电能供给件的可靠性的要求不断升高。此外,应该考虑到,将来在高度自动驾驶时驾驶之外的(fahrfremd)活动在有限的程度内应该是允许的。在这种情况下,通过驾驶员引起的传感器的、调节技术的、机械的和能量的后备层面(rückfallebene)还仅仅受限制地存在。

也被称为高度自动化的驾驶的“高度自动的驾驶”是指受协助的驾驶与自主的驾驶之间的中间步骤,其中在进行受协助的驾驶时驾驶员通过协助系统得到支持,在进行自主的驾驶时车辆自动地并且在没有驾驶员的影响下行驶。对于所述自主的驾驶来说,车辆拥有自身的智能系统,所述自身的智能系统能够预先规划并且能够至少在大多数驾驶情况中承担驾驶任务。因此,在进行高度自动的驾驶时供电件具有以往在机动车中未被认识的安全相关性。

现今的传统的、仅仅具有一个发电机和仅仅一个电池的14v-车载电网再也不能以足够的程度来满足对供电的可靠性得到提高的要求。作为示例,在这里要提到伴随着关断的燃烧马达的滑行。在滑行阶段期间,所述发电机作为能量发生器不再可用。在滑行阶段中,电池的失灵因此导致机动车中的整个供电件的失灵。出于这个原因,对于汽车制造商和供货商而言,针对滑行要对当前具有两个电池的14v-车载电网、所谓的两电池车载电网进行探讨。

已知基于14v-车载电网的、用于得到提高的可靠性的车载电网拓扑结构,对于所述车载电网拓扑结构来说实现能够扩展的(skalierbar)并且模块化的车载电网拓扑结构,用于向与安全相关的电负载供电。对于这些车载电网拓扑结构来说,所述负载被划分为具有不同的安全相关性的负载组,其中原则上为冗余的与安全相关的负载设置双通道的供电件并且为单一存在的与安全相关的负载设置了容错的供电件。

除了所述14v-车载电网的进一步开发之外,由汽车制造商计划48v/14v-车载电网的采用。这种48v/14v-车载电网除了对于高功率负载的供电之外还用作轻度混合动力系统(einstiegs-hybridisierung)。

在公开文献de19855245b4中说明了一种用于车辆车载电网中的电负载的冗余的电压供给件。在此由两个具有不同的电压的子车载电网来向所存在的负载供电,为此设置了由两个分开的电压分支构成的供电件。

由公开文献de102006010713b4公开了一种用于具有至少一个与安全相关的负载的车辆的车载电网。在此,由两个子电网、也就是初级电网和次级电网来冗余地向单一存在的与安全相关的负载供电。



技术实现要素:

面对这种背景,介绍一种具有权利要求1的特征的方法和一种按权利要求5的车载电网。实施方式由从属权利要求和说明书中产生。

所介绍的方法能够实现一个或者多个电压层级、比如12v或者48v。在此,设置了多倍的在电流方面分开的地线,以用于各个子电网,即使这些子电网具有相同的电压层级或者即使所述电压层级是不同的。此外,能够在所述子电网之间设置在电流方面分开的耦联。

所介绍的方法以及所说明的车载电网至少在一些实施方式中具有一系列优点。因此,与安全相关的子电网能够彼此独立地得到实现。此外,一个子电网中的电故障不影响另一个与安全相关的子电网。由此,比如具有自动的驾驶功能的车辆在存在车载电网故障的情况下也能够达到可靠的状态,方法是:维持用于对此来说所需要的必要的组件的供电。此外,用所介绍的车载电网能够向下述负载供电,所述负载需要多个电压层面、比如14v和48v并且在内部在电流方面(galvanisch)是分开的。

本发明的另外的优点和设计方案从说明书和附图中产生。

不言而喻,前面所提到的和下面还要解释的特征不仅能够在相应所说明的组合中而且能够在其它的组合中或者单独地使用,而不会离开本发明的范围。

附图说明

图1示出了按现有技术的车载电网的一种实施方案;

图2示出了按现有技术的车载电网的另一种实施方式;

图3以示意图示出了负载,该负载在内部冗余地构造并且需要冗余的供电;

图4示出了用于向一个具有分开的接地线的负载供电的装置的一种实施方案,更确切地说示出了由两个子电网和到两个在电流方面分开的接地线上的接头来向所述负载供电的情况;

图5示出了用于向多个具有分开的接地线的负载供电的装置的一种实施方案,更确切地说示出了由三个子电网和到三个在电流方面分开的接地线上的接头来向多个负载供电的情况;

图6示出了用于向多个具有分开的接地线的负载供电的装置的另一种实施方案,更确切地说示出了由三个子电网和到两个在电流方面分开的接地线上的接头来向多个负载供电的情况;并且

图7示出了用于向一个具有分开的接地线的负载供电的装置的一种实施方案,更确切地说示出了由两个分别具有一个电源的子电网和到两个在电流方面分开的接地线上的接头来向负载供电的情况。

本发明借助于实施方式在附图中示意性地示出并且下面参照附图进行详细描述。

具体实施方式

图1示出了用于可靠地向电负载供电的第一扩充阶段。图示示出了车载电网10,该车载电网具有基础车载电网12、第一子电网14和第二子电网16。所述基础车载电网12包括起动器s20、发电机g22、电池bb24以及具有非与安全相关的负载的负载组r326。

在所述第一子电网14中设置了第一开关sf130、第二开关sf232、第三开关sf334、负载r236、电池b1a38以及负载r1a40。在所述第二子电网16中设置了负载r1b44。

在所述车载电网10中设置了不同种类的与安全相关的负载。这些负载被划分为两类:

1.冗余的负载,所述冗余的负载双倍地存在并且能够承担相同的功能,比如两个不同的制动致动器。这些冗余的负载用r1a40和r1b44来表示。所述冗余的负载通过两个分开的车载电网通道来供电,即要么通过所述基础车载电网的电池bb24、所述基础车载电网12的发电机g22来供电,要么通过所述第一子电网14的电池b1a38来供电。作为替代方案,所述负载r1a40和r1b44也能够被合并在一个构件或者一个壳体中。这种构造可以在图3中看到;

2.此外还有下述负载,所述负载仅仅单一地存在,但是必须可靠地、也就是容错地向其供给电能。在图1中,这样的负载用r236来表示。同样要么能够由所述基础车载电网12要么能够由所述第一子电网14的电池b1a38来向这些负载供电。所述车载电网通道之间的转换借助于两个开关sf232和sf334来进行。

在正常的运行中,所述开关sf130和sf334闭合并且所述开关sf232断开。通过所述基础车载电网12来向所述负载r1a40、r1b44、r236和r326供电并且给所述电池b1a38充电。在故障情况下、比如所述基础车载电网12中的电压崩溃时,所述开关sf130和sf334断开并且sf232闭合,并且由所述电池b1a38向有待冗余地或者容错地供电的负载r1a40和r236供电。

图2示出了容错的48v/14v-车载电网的一种实施方案,该容错的48v/14v-车载电网在总体上用附图标记50来表示。图示示出了基础车载电网52、车载电网通道a54和车载电网通道b56。通过所述基础车载电网52中的直流电压转换器66来产生第一14v-子电网57和第二48v-子电网59。

所述基础车载电网52包括电机60、电池b162、负载r164、直流电压转换器66、电池b268和负载r270。所述车载电网通道a54包括耦联元件k3a80、电池b3a82和负载r3a84。所述车载电网通道b56具有耦联元件k3b90、电池b3b92以及负载r3b94。所述耦联元件k3a80和k3b90代表着所述车载电网通道a和b与具有电压48v或者14v的子电网57和59的连接。

两个用于与安全相关的冗余的负载的车载电网通道a54和b56分别不仅被耦联到所述14v-子电网57上而且被耦联到所述48v-子电网59上。由此,这些通道的多样性的能量供给在安全技术的意义上得到了保证。在子电网、也就是所述48v-子电网或者14v-子电网失灵时,通过还有功能能力的子电网继续向至少还有一个车载电网通道a或者b供给能量。功率电子的耦联元件k3a80和k3b90能够比如作为直流电压转换器或者开关来实现。

如果比如在子电网中出现干扰、比如过压,那就借助于耦联元件k3a80或者k3b90将所分配的车载电网通道a54或者b56从相应的子电网上分开。

迄今为止,在开发车载电网时重点在于,冗余地设计供电线路,以用于实现两个独立的供电。背景是iso2622对足够独立的架构元件的要求。

但是应该注意,只有在载流子又能够回流到电流源时,电流回路才闭合。因此,除了正导线之外,接地线也必须足够独立。迄今为止这一点未被考虑。

在此所描述的方法和所解释的车载电网因此旨在:也相应独立地构成所述与安全相关的子电网的接地线。

但是,在这里出现以下问题:对于现今的、车身主要由金属构成的车辆来说,车身原则上用作接地导体。这意味着,所有电负载仅仅必须用正导线来连接到电车载电网上。节省了返回到发电机或者到电池的接地线,方法是:仅仅敷设短的接地线到所处位置最近的车身部位。

这一点原则上对于两电压车载电网来说也是可能的。对于所述两电压车载电网来说定义了共同的地线,所述共同的地线通过在空间上分开的接地螺栓接头(massebolzenanschluss)来连接。在所述子电网之间的共同的地线中,故障可能从一个子电网蔓延到另一个子电网中。此外,在故障情况下组件的保险结构可能太迟或者甚至没有断开或者可能直接在供电件与地线之间出现短路。仅仅对于车辆中的高压车载电网来说已经存在两导体车载电网(2-leiterbordnetz),也就是说所述高压车载电网在电流方面与低车载电网分开,因为在所述高压车载电网中出现电压>60dc或者出现交流电压>ueff>30伏特。

所介绍的发明现在表明,各个子电网——所述子电网是低压电网——的接地线也如何能够足够独立地得到实现,以用于不让故障、比如接地偏差或者对地线的短路从一个与安全相关的子电网传递到另一个与安全相关的子电网上。为此,介绍一种用于具有一个或者大于一个的电压层级、比如12v+48v的车载电网的方案。

为各个子电网采用多倍存在的、在电流方面分开的地线,即使这些地线具有相同的电压层级或者所述电压层级是不同的。此外,能够在所述子电网之间设置在电流方面分开的耦联。

用所介绍的车载电网能够向下述负载供电,所述负载需要多个电压层次、比如14v和48并且在内部在电流方面分开。

一种用于与安全相关的冗余的负载的示例可以简化地在图3中看出,所述负载用附图标记100来表示。对于该负载来说,所有元件包括能量供给和通信都是双倍。这意味着,在一个通道失灵时另一个通道能够单独地保证可靠的运行。

图示示出了第一信号电子装置102、第二信号电子装置104、第一主控制器106、第二主控制器108、第一输出级110、第二输出级112、第一马达114和第二马达116。此外,用双箭头来表示第一通信118、第二通信120以及内部的通信122。箭头示出了到第一车载电网路径上的第一接头124和到第二车载电网路径上的第二接头126。在图示中,控制器130的和马达132的组件用边框来表示。

在图3中示出的负载100比如构造为转向系统或者制动系统,也就是所述马达132控制着与安全相关的系统。对于这个冗余地构造的负载100来说,不仅信号电子装置102或者104、主控制器106或者108、输出级或者功率输出级110或者112而且马达132都双倍地存在。也双倍地设置了到所述车载电网路径上的接头124或者126以及所述通信118或者120。由此,在其中一半中的组件或者车载电网路径或者通道失灵时,相应另一半能够冗余地承担所述功能。

所述负载100在内部包括两个组件或者部件、也就是一个在此在上面所示出的部件140和一个在下面所示出的部件142,所述每个组件或者部件都能够保证所述功能的至少一个后备层面(第一马达114和第二马达116)。每个部件140或者142都包含逻辑件(信号电子装置102或者104、主控制器106或者108)、功率件(输出级110或者112)和致动器(马达114或者116)。每个部件140或者142都拥有自身的供电件(车载电网1和车载电网2)。这两个供电件能够拥有不同的电压水平并且在内部在电流方面分开。每个部件都在网络上连接(第一通信118和第二通信120)。所述两个部件140与142之间的内部的通信122在电流方面分开。要指出,所存在的熔断保险结构没有示出。

图4示出了所述车载电网的第一种实施方式,所述车载电网在总体上用附图标记200来表示,该车载电网具有两个与安全相关的子电网、也就是子电网a202和子电网c204。

图示示出了能量源q1202、比如具有燃烧马达的车辆中的发电机,所述能量源向两个子电网202、204供电。左边的子电网a202此外包括电储存器sa208和负载v1a210和vx212。所述子电网a202的元件通过上面所示出的正导线a214和地线ma216来连接。

所述子电网c204包括电储存器sc220和负载v1c222和vz224。所述负载由耦联元件kac226通过正导线c228来供电并且通过共同的地线mc230来连接。

v1a210和v1c222是不同的负载,所述负载能够冗余地保证相同的功能。这一点典型地用于对安全来说关键的功能、比如在自动驾驶时的制动或者制动力放大。

此外设置了负载v2ac240,该负载通过两个不同的供电件、也就是正导线a214和正导线c228以及两个相应的地线ma216和mc230来供电。如在图3中所表明的那样,两个供电件在所述负载v2ac240的内部在电流方面分开。所述负载v2ac240内部的每个在电流方面分开的部件都允许相同的功能的冗余。这典型地用于关键的功能、比如用于转向或者转向辅助。

两个子电网202和204通过所述耦联元件kac226来耦联。所述耦联元件kac226是在电流方面分开的耦联元件、比如是直流电压转换器。

所述电储存器sa208和sc220是两个分开的能量存储器、像比如电池或者dlc储存器。所述两个能量存储器的电压水平能够不同、比如48v和14v或者能够相同。作为替代方案,所述电储存器sa208和sc220能够构造为比如具有310v或者400v的高压储存器。

用所示出的车载电网200的拓扑结构,所述两个子电网a202和c204能够完全彼此独立地构成。这一点借助于以下示例来解释。

示例1:

所述能量源q1206在所述正导线a214与所述地线ma216之间引起短路。在这种情况下,所述子电网a202中的电压崩溃并且所述负载v1a210和vx212的功能失灵。因为所述负载v1a210已经承担与安全相关的功能、像比如制动压力的形成,所以这种功能必须由冗余的组件、所述负载v1c222来执行。在这种情况下,将所述耦联元件kac226转换为不起作用的状态。还功能正常的子电网c204由此能够在不取决于所述子电网a202中的故障的情况下继续工作,并且所述电储存器sc220能够至少限时地向所述负载v1c222和vz224供电。

所述负载v2ac240能够在后备层面中运行,因为还总是通过所述正导线c228向其供给电能。重要的是,与安全相关的功能、像比如制动压力的形成尽管所述能量源q1206中的短路也能够可靠地得到执行。

示例2:

在所述负载vz224中出现电故障,这导致所述地线mc230的接地偏差(masseversatz)。这由所述耦联元件kac226来识别并且该耦联元件被转换为不起作用的状态。由此,所述故障对所述子电网a202没有影响。能够继续地可靠地向所述与安全相关的负载v1a210和v2ac240供电。

图5示出了所述车载电网的一种作为替代方案的实施方式,所述车载电网在总体上用附图标记300来表示。该车载电网300包括子电网a302、子电网b304和子电网c306。

所述子电网b304包括电储存器sb310和负载v1b312和vy314。所述子电网b304的元件通过正导线b316和地线mb318来连接。所述子电网a302包括电储存器sb320和负载v1a322和vx324。所述子电网a302的元件通过正导线a326和地线ma328来连接。所述子电网c306包括电储存器sc330和负载v1c332和vz334。所述子电网c306的元件通过正导线c336和地线mc338来连接。图示此外示出了耦联元件kac350、耦联元件kab352以及负载v2ac354、v3bc356和v4ab358以及能量源q1360。

所述负载v1b312相对于所述负载v1a322和/或所述负载v1c332是冗余部件,以用于保证功能、像比如制动或者制动力放大。所述负载v3bc356或者负载v4ab358像v2ac354一样是下述负载,所述负载用两个不同的供电件、也就是所述正导线b316和c336或者所述正导线a326和b316以及所述两个相应的地线、也就是mb318和mc338或者ma328和mb318来供电。两个供电件在所述负载的内部在电流方面分开。为此要参照图3。所述负载内部的每个在电流方面分开的部件保证了相同的功能的冗余。这典型地用于关键的功能。

所述子电网b304与所述子电网a302通过所述耦联元件kab352相耦联。所述耦联元件kab352就像所述耦联元件kac350一样是在电流方面分开的耦联元件、比如直流电压转换器。

所述电储存器sb310与图4中的sa和sc相类似是能量存储器、比如电池或者dlc储存器。此外,该能量存储器的电压水平能够不同的,比如是48v和14v。因为所有子电网彼此在电流方面分开,所以作为替代方案一个或者多个储存器能够构造为比如具有310v或者400v的高压储存器。

用所示出的拓扑结构,所述子电网a302、b304和c306能够完全彼此独立地来构成。作为替代方案,三电压车载电网是可行的,比如hv/48v/14v、48v/14v/14v或者48v/48v/14v。

在不取决于此的情况下,具有两个供电件的负载、也就是v3bc356、v4ab358和v2ae354能够将不同的或者相同的电压层级或者电压水平用作供电件。

功能方式与图4的示例1和2相对应。作为前面所提出的实施方案的补充,所述子电网b在故障的情况下能够继续发挥功能并且继续至少限时地向所述负载v1b312、vy314、v3bc356和v4ab358供电。

在图6中示出了所述车载电网400的另一种作为替代方案的实施方式。该车载电网400包括子电网a402、子电网b404和子电网c406。

所述子电网b404包括电储存器sb410和负载v1b412和vy414。所述子电网b404的元件通过正导线b416和地线mb418来连接。所述子电网a402包括电储存器sb420和负载v1a422和vx424。所述子电网a402的元件通过正导线a426和地线ma428来连接。所述子电网c406包括电储存器sc430和负载v1c432和vz434。所述子电网c406的元件通过正导线c436和地线mc438来连接。图示此外示出了耦联元件kac450、耦联元件452和负载v2ac454、v3bc456和v4ab458以及能量源q1460。

所述耦联元件kab452在这种情况下是没有在电流方面分开的耦联元件。该耦联元件比如构造为直流电压转换器、比如构造为降压/升压-转换器、构造为供电线的单一开关或者构造为接地线和供电线的双开关或者构造为由所提到的可行方案构成的组合。

如果所述两个地线ma428和mb418总是耦联,也就是说没有开关处于接地线中,那就能够将车身用于两个地线。作为替代方案,所述地线mb418能够通过单独的导线与所述地线ma428相连接。

应该注意,用这种拓扑结构所述子电网c406能够在完全不取决于所述子电网a402和b404的情况下构成。由此这代表着图4和5的拓扑结构之间的折衷方案。此外,全系统(vollsystem)中的三电压车载电网是可行的,比如hv/48v/14v(hv:高压、典型地~300v或者~400v仅仅用于子电网c)、48v/14v/14v或者48v/48v/14v。但是,在故障之后可能的是,仅仅一个子电网可供使用。

在前面所探讨的示例1中,所述发电机在正导线a与所述地线ma之间引起短路,对于该示例来说两个替代的应用方案是可行的:

1.所述耦联元件kab452足够早地识别故障并且如此快地使所述两个子电网a402和b404去除耦联,使得所述故障没有蔓延到所述子电网b404中。在这种情况下,所述子电网b404能够至少限时地继续向所述负载v1b412、vy414、v3bc456和v4ab458供电;

2.所述耦联元件kab452没有或者没有足够快地识别所述故障,或者所述耦联元件kab452没有足够快地使所述两个子电网a402和b404去除耦联,或者所述耦联元件kab452不能使所述子电网a402和b404去除耦联,因为比如没有开关处于接地线上。在这种情况下,仅仅所述子电网c406保持可供使用并且只能继续向所述负载v1c432、vz434、v2ac454和v3bc456供电。

图7示出了所介绍的车载电网的另一种实施方式,所述车载电网在总体上用附图标记500来表示。图示示出了子电网a502和子电网c504。

所述子电网a502包括能量源q1510、电储存器sa512以及负载v1a514和vx516。此外设置了正导线a518和地线ma520。所述子电网b504包括能量源q2530、电储存器sc532以及负载v1c534和vz536。此外设置了正导线c538和地线mc540。此外,图示示出了耦联元件kac550和负载v2ac552。

所述能量源q1510和q2530分别独立地向子电网供电,其中所述能量源q2530向所述子电网c504供电并且所述能量源q1510向所述子电网a502供电。

所述能量源q1510和q2530能够相应地比如对于具有燃烧马达的车辆来说构造为发电机、构造为用于回收的电机或者致动器、比如带有能量回收的摆动稳定机构(wankstabilisierung)或者比如对于电动车来说构造为hv-12v-转换器。

所述耦联元件kac550如在前面所解释的实施方式中那样是在电流方面分开的耦联元件、比如直流电压转换器。在这种情况下,所述耦联元件kac550能够在所述子电网a502与c504之间转移能量。此外,能够考虑另一种类似的拓扑结构,在该拓扑结构中这种耦联取消,因为每个子电网都拥有自身的能量存储器。

所述负载v2ac552如前面已经阐述的那样是一种负载,该负载用两个不同的供电件、也就是正导线a518和正导线c538并且通过两个相应的地线、也就是ma520和mc540来供电。

所述负载v1a514和v1c5134是不同的负载,所述负载能够冗余地保证相同的功能。将这样的构造典型地用于对安全来说关键的功能、比如用于制动或者制动力放大。

在没有耦联元件、像比如所述耦联元件kac550的情况下并且在没有具有冗余的供电件的负载、像比如负载v2ac552的情况下,产生了一种具有两个无能量的连接的子电网的拓扑结构。所述功能的冗余此外能够通过所述负载v1a514和v1c534来得到保证。

用这种拓扑结构,所述子电网a502和c504能够完全彼此独立地构成。两电压车载电网同样是可行的。因为每个子电网都拥有其自身的能量源,所以能够在故障之后更长时间地向负载供电。

此外,也能够考虑由前面所提到的拓扑结构所构成的组合、比如通过图4、5、6和7与额外的耦联元件、电源、能量存储器等等构成的补充方案,所述额外的耦联元件、电源、能量存储器等等能够与所描绘的子电网并联或者串联。因此,多倍的子电网、接地线、电压水平以及具有多倍的供电件的负载是可行的。

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