汽车电气系统以及具有汽车电气系统的汽车的制作方法

本发明涉及一种汽车电气系统以及一种具有汽车电气系统的汽车。

背景技术：

电驱动汽车、所谓的electricvehicle(ev),即混动汽车(ehv)、

电池电动汽车(bev)以及燃料电池汽车(fcv)，其份额在未来将快速上升。在电动汽车中，通过安装在汽车内的电能供应装置为电驱动马达、也称作牵引马达供电。在此，用于牵引马达的电能可来自发电机或者来自电能存储装置、例如蓄电池。通过合适的电路连接，例如通过dc/dc转换器或ac/dc转换器，将能量供应装置电气连接到牵引马达上。此连接设计可以是根据本发明的开关系统的一部分。

电动汽车的接受程度完全决定性地取决于此种电动汽车的可靠性。用户很难容忍驱动出现故障。如果电动汽车用作自动运行的汽车，那么此问题则更加严重。自动驾驶汽车的趋势是不断的并且在故障可靠性方面导致其他问题。

技术实现要素：

由此，本发明的目的在于，提供一种汽车电气系统，其满足提高的可靠性需求，尤其针对故障可靠性方面。

为了实现此目的，提出了一种根据权利要求1的汽车电气系统以及一种根据权利要求15的汽车。

汽车电气系统具有至少两个电气并联布置的主线束。在此，主线束可优选承载能量存储器的高压侧电势。主线束也可分别以绝缘体环绕。在主线束中可布置两个彼此绝缘的单根导线，尤其低压侧(接地)导线和高压侧导线。下文中所述的主线束以及横向线束的线路布置优选涉及高压导线。主线束优选彼此电器并联延伸并分别将两个彼此独立运行的电气系统能量供应装置相连。

主线束在至少两个区域内彼此电气短路。在此，可构造主线束之间的直接连接。由此连接开始可分支出分别通向两个电气系统能量供应装置其中之一的一个电极的连接导线。两个主线束因此都与两个电气系统能量供应装置、优选等电势地相连。

因此，主线束构成了与电气系统能量供应装置的两个冗余的连接。已经显示，由此能够显著提高故障可靠性。通过主线束与电气系统能量供应装置相连的每个负载都因此冗余地由两个电气系统能量供应装置提供电能。两个电气系统能量供应装置其中之一的故障或者一个主线束的损坏可通过另一电气系统能量供应装置或者另一主线束补偿。

此外，通过两个主线束还实现了，在正常运行时降低负载与电气系统能量供应装置之间的损耗功率，因为电流通过两个主线束引导并因此相对于只有唯一导线的情况降低了导线电阻。另一方面，在损耗功率相等的情况下，可相对于唯一导线的情况减小每个主线束的导线截面。

已经证实，冗余、提高的可靠性需求以及缺陷保险都是关键的。对于故障可靠性尤其重要的是，能够将缺陷源、例如可能存在的短路与汽车电气系统分开，而不妨碍汽车的继续运行。为此，在汽车电气系统中设置汽车电气系统开关电路，通过其将负载分别与一个主线束相连。主线束在其延伸范围内优选机械地、但尤其可电气开关地分别通过至少一个汽车电气系统开关电路中断。在此，汽车电气系统开关电路可以是沿着主线束以及在主线束与负载之间的可开关连接。

为此提出，在至少两个主线束中尤其可开关地中断相应主线束地布置至少一个汽车电气系统开关电路，其中，该汽车电气系统开关电路具有至少三个开关。

根据本发明，在第一主线束接口与共同的结点之间设置第一开关。在第二主线束接口与共同的结点之间设置第二开关。共同的结点可以是与两个分别与一个能量供应装置相连的开关的输出处电气短路的导线。开关可布置得使它们能够在输入侧分别与相应的电气系统能量供应装置相连。在开关的输出侧，它们通过共同的结点彼此短路。

由此共同的结点开始，延伸出到负载的电气连接。在此在共同的结点与负载之间延伸的导线中设置第三开关。在此，负载优选能够连接到负载接口上，负载接口可布置在第三开关的输出侧。

开关能够通过相应的控制指令接通和断开。在正常情况下，能量供应装置其中之一用于负载的运行。通过第二能量供应装置冗余地设计负载的能量供应。为了排除两个能量供应装置之间的寄生电流，为每个能量供应装置分别设置一个开关。为此可以避免平衡电流在能量供应装置之间流动。

此外，由于安全技术原因，需要使能量供应装置能够从负载上断开。由此，根据本发明设置第三开关，其位于共同的结点与用于负载的接口之间。

在运行中，冗余的开关系统工作，为了负载的无电流连接而通常使得第三开关打开。

本发明中的负载例如为牵引马达、用于转向的伺服马达、刹车设备或其他关于可靠性的负载。根据本发明，通过第一对开关实现对负载的双通道能量供应。

也可为自动运行的汽车装备根据本发明的电气系统。由于驾驶的自动性，尤其对传动系或其他对安全关键的负载的故障保护特别重要。驾驶员在自动驾驶中不再参与驾驶过程，关键负载、例如驱动装置、刹车系统等的缺陷可能由于汽车引导员的监控缺失而导致严重的交通事故风险。这值得避免。优选必须冗余地保险传动系以及其他对安全关键的负载。这例如包括转向装置、尤其用于转向装置的伺服马达，或者刹车设备，以及所有在故障时可能导致危及安全的状况的其他负载。

借助根据本发明的开关系统能够显著地提高负载的故障可靠性。通过将多个开关巧妙地布置在能量供应装置与负载之间而提高了故障可靠性。

在每个开关上可设置状态传感器，其监测相应开关的状态。因此，在无电流连接的情况下可在第三开关上监测其是否实际打开。由此确保负载与能量供应装置断开。

但是，如果确定了尽管在打开指令下开关也没有正确打开，例如尤其其被粘住或焊住，那么，控制指令则可打开第一和第二开关。由此同样使能量供应装置与负载分开。由此得出的开关设计在负载从能量供应装置分开的情形下提供了冗余。

在行驶运行时，第三开关通常总是闭合。此外，能量供应装置中的至少一个与负载电气相连。为此，借助开关指令闭合第一或者第二开关。因此，能量从其中一个能量供应装置通过相应的开关流到负载。如果确定了应闭合的开关没有闭合、或者负载与能量供应装置之间的电流失效，尽管负载应仍旧运行，这例如当与负载相连的能量供应装置损坏时出现，那么，则可产生用于另一开关的控制信号，借助此控制信号将另一开关闭合并使负载通过另一能量供应装置供应电能。这促使故障可靠性显著提高，因为负载能够总是与两个能量供应装置其中之一相连。

也可以在运行中闭合位于结点与相应能量供应装置之间的两个开关。由此，实现了能量供应装置之间的平衡电流。例如，第一能量供应装置可具有发电机。此发电机可通过选择性的转换器、如ac/dc转换器或者dc/dc转换器以及开关系统为第二能量供应装置、例如蓄电池充电。

通过两个主线束也能够补偿一整个电气系统开关电路的、以及额外的一个电气系统能量供应装置的故障。在此情况下，供应电流能够通过例如整个第二主线束流到第一主线束上的负载，并接着通过第一主线束的其余部分流到负载。

根据一个实施例提出，主线束的至少其中之一由至少三个导线区段构成，其中，至少其中一个导线区段位于两个汽车电气系统开关电路之间。

导线区段为位于汽车电气系统开关网络之间的、分别彼此分离的部件。导线区段区段式地构成主线束。

在此，每个导线区段可例如构造为绝缘的单芯或双芯导线。导线区段可优选分别与汽车电气系统开关电路的主线束接口相连。电流优选从电气系统能量存储器通过两个主线束之间的第一短路区域流到第一汽车电气系统开关电路，并且从那分别通过一个导线区段流到下一汽车电气系统开关电路，直至两个主线束之间的第二短路区域，并从那在必要时流到第二电气系统能量存储器。但是，根据开关状态，电流优选仅从一个电气系统能量存储器通过导线区段流到负载。

为了能够冗余地供应所有分别通过汽车电气系统开关电路连接到主线束上的负载，提出使主线束在其各个远侧末端区域中彼此短路连接。此电气短路可尤其通过使主线束的导体彼此机械相连实现。在此连接区域中，可布置通向电气系统能量存储器的通道。主线束之间的短路也可直接构造在用于电气系统能量存储器的连接件中。此种连接件可优选为电池电极端子。

主线束的各个远侧末端可优选为柔性的导线、尤其基础导线。其可以从两个主线束优选引导至电池电极端子的压接接口或其他连接件，并在那共同地彼此以及与连接件机械并电气相连。

在汽车电气系统开关电路的各个主线束接口之间可将导线区段构造为圆导体或扁平导体。导线区段可由铝材或铜材制成。导线区段可由具有由铜材或铝材制成的电缆芯线的电缆以及绝缘体构成。电缆芯线优选由实心材料构成，但也可在一些导体区段内由具有多个绞合的线的多股绞合导体构成。

导体区段可以在其各个远侧末端上设置连接件，借助此连接件，能够将导体区段连接到汽车电气系统开关电路的主导线接口上。连接件可尤其为用于将导线区段螺钉连接到相应接口上的连接架。

根据一个实施例提出，至少一个汽车电气系统开关电路在横向导线接口与共同的结点之间具有至少一个第四开关。如前所述，主线束在至少两个区域内彼此短路连接。由这些区域开始，主线束分别与相应的电气系统能量供应装置相连。但是，为了保证进一步提高的故障可靠性，主线束也可在其延伸中至少再一次地彼此相连。为此可设置横向导线，其能够可电气开关地通过第四开关与一个或多个主线束相连。

因此，通过横向导线能够在两个主线束之间在其延伸范围内建立可电气开关的连接。此连接促使即便在多个汽车电气系统开关电路失灵的情况下也能够确保对未连接到此处的负载的供应。电流可通过第一、第二和第四开关通过相应主线束的合适的接通而“迂回”至负载。

为了控制相应的开关，需要识别控制输入值。此控制输入值可例如直接在各个主线束和/或汽车电气系统开关电路处通过设置在其中或其上的传感器测量。例如，可通过合适的传感器测量温度、电流强度和/或电压。如果在负载处出现短路，例如对应于此负载的汽车电气系统开关电路内的电压则直接失效，这可通过合适的传感器测得。那么，即便没有外部干涉也可直接打开第三开关。也可以使中央控制单元获取传感器数值并由此确定汽车电气系统的状态并合适地控制开关。

除了上述数值以外，也可以获取负载的状态以及用于负载的预期值。用于负载的预期值可参数化并例如给出负载的额定电流强度是多高。如果超过此电流强度，则可断定负载运行缺陷。

此外，可例如获取电气系统能量供应装置的充电状态、汽车状态或碰撞信号并例如在中央计算机内处理。根据汽车状态可能有利的是，从能量供应装置上取下一些负载或者提高对其他负载的冗余。为此，可例如通过打开相应汽车电气系统开关电路的第三开关而将一些负载从汽车电气系统上断开，或者可以有针对性地通过闭合第四开关而在主线束之间建立横向连接，从而提高一些负载的供应可靠性。

为了使主线束彼此相连，设置横向线束。根据一个实施例，横向线束连接在相应汽车电气系统开关电路的横向线束接口上。此接口可同样通过合适的连接端子实施。横向线束可根据结构空间需求由圆形导线或扁平导线柔性地或刚性地构造。

根据一个实施例提出，主线束和横向线束构成至少局部的、优选全面交织的配电网络。如前所述，主线束之间的横向连接可通过横向线束构成。横向连接可通过第四开关进行开关。主线束能够分别在汽车电气系统开关电路处通过第一和第二开关中断。通过合适地打开和闭合第一、第二和第四开关，能够在汽车电气系统内部接通任意路径，从而能够单独地调节电气系统能量供应装置与负载之间的连接。那么，则可谈及交织的配电网络。

根据一个实施例提出，至少其中一个导线区段和/或至少其中一个横向线束构造为尤其由铜材或铝材制成的、尤其由实心材料的一条扁平导线构成的扁平导线。

根据一个实施例提出，开关能够分别单独控制。在此，可以使每一个汽车电气系统开关电路与具有控制权的独立控制电路相连。也可考虑，使至少两个、优选所有汽车电气系统开关电路通过总线彼此相连。总线优选同样以交织的结构构造并构造为交织的环形。总线在此优选与中央控制计算机相连，并且通过总线可以单独地控制每个汽车电气系统开关电路或每一个设置在其中的开关。来自汽车电气系统开关电路的传感器以及布置在主线束上的传感器的传感信号同样能够通过总线传导。

也可以使信号通过汽车电气系统本身传输。为此提出，至少其中一个主线束与通信装置相连，其中，通信装置将用于至少其中一个开关的开关指令发送至主线束。优选两个主线束均与通信装置相连，从而也同电气供应一样冗余地建立通信。通过主线束可例如借助脉冲宽度调制、尤其以电力线通信(powerlinecommunication)的方式进行相应汽车电气系统开关电路的控制。传感信号和汽车电气系统开关电路的状态也可相应地通过汽车电气系统传输至通信装置或者从通信装置传输。

根据一个实施例提出，至少其中一个电气系统能量供应装置构造为能量存储器，尤其构造为电池或蓄电池。另一方面，也可以使至少其中一个电气系统能量供应装置构造为dc/dc转换器或发电机。尤其至少两个电气系统能量供应装置可彼此不同。

负载接口优选设置用于通过唯一的能量线缆连接负载。尤其可以使负载接口分别与刚好一个负载相连。

就此而言需要说明，汽车电气系统开关电路可具有至少两个或甚至更多的第三开关。通过汽车电气系统开关电路能够使两个或更多的负载分别单独地通过第三开关可开关地分别与一个主线束相连。

开关优选构造为半导体开关或继电器，尤其所谓的profet。第一和第二开关以及可能存在的第四开关的电流承载能力优选高于第三开关的电流承载能力。通过第一和第二开关以及可能存在的第四开关，电流尤其流向多个布置在电气系统内的负载，并且电流通过第三开关仅流向所连接的负载。因此提出，第一和第二开关的电流承载能力高于第三开关的电流承载能力。

根据一个实施例提出，汽车电气系统开关电路构建在一个共同的壳体内。就此而言提出，开关布置在同一壳体内，并且在壳体上设置用于主导线接口、负载接口以及可能存在的用于横向导线接口的电气触点。在壳体内可以安装开关以及电子控制装置。壳体可相对于电气系统的其余部分封装开关系统。通过相应的接口、例如接触片，导线能够连接到相应的能量供应装置或者负载。

还提出将开关布置在同一电路板上的至少局部。在此情况下，优选可以使电子元件、例如半导体元件、尤其半导体开关布置在电路板上，并通过合适的控制电子装置控制。由此，在紧凑的组件上实现了整个的冗余的开关系统，其优选能够安装、尤其铸造在同一壳体中。

开关优选能够可逆地开关并因此不同于仅能一次性开关的传统保险装置。开关能够经常地接通和断开，由此确保在汽车寿命内冗余的开关系统的开关运行。

根据一个实施例，如前所述，开关为半导体元件。其能够尤其为晶体管、优选mosfet。但是，也可将开关设计为继电器或接触器。

开关具有100a以上的、尤其200a以上的、优选高于300a的电流承载能力。开关能够可靠地开关100a以上的、优选200a以上的、尤其300a以上的电流，而不受到持久的损伤。开关也可由多个半导体开关的级联构成。多个半导体开关也可彼此并联，从而每单个开关的开关功率更低。

也可有利的是，开关设计得具有不同的开关性能和/或电流承载能力。那么，第一和第二开关可以是相同的结构形式，第三开关可例如在电流承载能力和/或开关性能方面设计得更低。能量供应装置之间的平衡电流也可直至300a，用于负载的工作电流可例如仅为10至50a。相应地，两个第一开关设计用于300a的电流承载能力，第三开关设计用于仅50a的。

根据一个实施例提出，半导体开关连接得使其体二极管反向地连接到第一和第二开关上。也就是说，两个体二极管的电流方向相反。尤其二极管的电流方向或者从结点远离、或者指向结点。这排除了通过二极管从第一能量供应装置到第二能量供应装置以及反之的电流。

从结点开始，开关系统通过第三开关以及优选唯一的能量线缆与负载相连。在结点或第三开关与负载之间也可还设置用于负载的控制电子装置，其根据本发明看作属于负载。能量线缆在此优选由铜材或铝材构成。能量线缆尤其为屏蔽的能量线缆。优选能量线缆构造为双芯线缆，其中，接地回路也在线缆中提供，而不是像通常那样通过车身实现。

根据一个实施例提出，接地回路从负载通过开关系统至相应的能量供应装置实现。在此，主线束优选为双芯的并尤其为屏蔽的。开关系统除了开关以外还优选具有用于接地回路的电流路径，从而双芯的主线束也能够连接到开关系统上。尤其供电以及接地回路也在壳体内实现。

供电侧、即高压侧，优选设置开关，并且在接地回路内、即低压侧进行开关系统的电触点之间的短路，尤其壳体的电触点之间的短路。此短路优选通过壳体内的导线实现。壳体在此优选同样为屏蔽的并尤其与能量线缆的屏蔽装置电气短路。由此，确保了开关系统的贯穿的屏蔽。

同样提出，开关或开关系统布置在高压侧，即具有能量供应装置的正电势。另一方面也可有利的是，开关或开关系统在低压侧与能量供应装置相连。这可尤其具有以下优点，即用于开关、尤其半导体开关的工作电压无须还额外地高于能量供应装置的电势。在连接到高压侧的情况下，12v的电气系统电压时，开关处的电压必须高于此，即例如为17或24v，与此不同，在低压侧连接的情况下，用于开关的供电电压仅须为5v或12v。

附图说明

下面根据示出了实施例的附图进一步阐述本发明。附图中示出：

图1根据一个实施例的根据本发明的汽车电气系统；

图2根据一个实施例的根据本发明的汽车电气系统开关电路；

图3根据另一实施例的根据本发明的汽车电气系统；

具体实施方式

图1示出了具有两个彼此电气并联的主线束4,6的汽车电气系统2。主线束4,6分别在其远侧末端4a，6a以及4b,6b的区域中直接彼此相连。由连接处8a,b开始，主线束4,6通过优选柔性的线缆10a,10b分别与用作电气系统能量供应装置的电池12a,12b电气相连。

在此，柔性的线缆10a,10b在高压侧分别与相应的电池12a,12b相连。

主线束4,6通过汽车电气系统开关电路中断。在汽车电气系统开关电路14上连接有负载16。这些负载16可例如为启动器、液压生成器、制动力放大器、方向盘助力器、驾驶辅助系统或类似装置。可见，在汽车电气系统开关电路14中可连接一个或多个负载16。

此外，在图1中可见，主线束4,6构成闭环并因此具有相等的电势。通过两个主线束4,6实现了负载16的冗余运行。两个电池12a,12b的高压侧电势都分别等于各个负载16的电势。在一个主线束4,6故障的情况下，总是有至少其中一个电池12a,12b的电势提供给负载16，从而显著地提高了故障安全性。

如下文中仍会说明的那样，汽车电气系统开关电路14具有可选择性切换的开关。在运行时，可例如出现主线束4例如在汽车电气系统开关电路14a的区域内中断。在此情况下，主线束4a则仍旧通过主线束6与电池12a相连，并且也直接与电池12b相连，并且负载仍旧得到电能供应。即便在例如在汽车电气系统开关电路14c的区域内出现额外故障的情况下，仍旧或者通过电池12a、或者通过电池12b保证为剩余的负载供应电能。也就是说，即便沿着主线束4,6出现多处故障，仍旧保持为多个负载16供应电能。

图2以示意图示出了汽车电气系统开关电路14。汽车电气系统开关电路14具有两个主线束接口18a,18b。此外，汽车电气系统开关电路14还具有一个或多个负载接口20a,20b。最后，可以在汽车电气系统开关电路14上设置横向线束接口22。

主线束接口18a,18b通过第一开关24a和第二开关24b与共同的结点26相连。从共同的结点26开始，可以向负载接口20a,b分支出第三开关24c。此外，还可以由共同的结点26向横向导线接口22分支出第四开关24d。

在汽车电气系统开关电路14的壳体28内部可设置通信装置30，其至少与主导线接口18a,b以及必要时与横向导线接口22持续相连，并因此由其实现通信。

此外，在汽车电气系统开关电路14内设置未示出的处理器，其与通信装置30以及与各个开关24有效连接。通过通信装置30，微处理器可接收错误并在必要时单独地打开或闭合各个开关24中的每个。此外，处理器访问未示出的传感器，从而获取例如汽车电器系统开关电路14内的开关24的开关状态、电压、温度、电流或类似信息。借助获取的传感数值，传感器可自动地打开或闭合开关24，或者将获取的数值通过通信装置30发送。

开关24优选为继电器或主导体开关，尤其mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管)或者profet。

图3示出了一种汽车电器系统2的相比于图1略有改变的设计方案。首先可见，电气系统能量供应装置12a在此不再构造为电池，而是例如为发电机。此外，出于清晰性考虑，在图3中，汽车电气系统开关电路14之间仅示出了导线区段32。导线区段32优选在导线横截面以及导线轮廓方面与主线束4,6在连接处8a,8b区域内的区段一致。

此外可见，在两个汽车电气系统开关电路14之间分别布置横向线束24。横向线束34能够选择性地通过第四开关24d与主线束4,6相连。通过横向线束34实现了全面交织的配电网络，从而确保以最大的可能性使连接在汽车电气系统开关电路14上的各个负载中的每个与两个电气系统能量供应装置12a,12b都相连。在横向线束34内部也可设置汽车电气系统开关电路14，并且在必要时在那同样连接负载16。

当然，也可在汽车内彼此并联地敷设多于两个的主线束4,6，但是，出于清晰性考虑，在图1和3中仅示出了两条主线束4,6。如果设置多于两个主线束，则可以在每两个主线束之间选择性地设置横向线束。横向线束可以在空间上彼此分离，例如其中一个在汽车的前部、例如在发动机舱内或上，并且另一个在汽车的后部、例如在后座内/上或者在行李箱内/上。通过有针对性地闭合或打开开关24，可以随意地开关汽车电气系统开关电路14与电气系统能量供应装置12a,12b之间的连接，并因此建立导线路径，从而绕过主线束4,6内部可能出现的错误或中断。由此，极大地提高了汽车电气系统2的选择可靠性，这在电动汽车和自动驾驶领域内尤其关键。

附图标记说明

2汽车电气系统

4,6主线束

4a,b远侧末端

6a,b远侧末端

8a,b连接处

10a,b柔性线缆

12a,b电池

14汽车电气系统开关电路

16负载

18a,b主线束接口

20a,b负载接口

22横向线束接口

24开关

26结点

28壳体

30通信单元

32导线区段

34横向线束