本发明涉及机动车中的安全相关系统的供电系统。
背景技术：
现代车辆在车载电气系统中配备有100多个控制装置、1000多个插头连接器和多达4km的电缆。出于这个原因，就故障可能性而言，车载电气系统及其组件构成相当大的风险。此外，新功能正被引入车辆中，在发生故障时对乘客和环境造成更大的危害。因此，尤其是安全相关的车辆功能必须从功能安全性的角度来看待，即在概念和开发阶段已经考虑到故障对车辆功能的影响。自动驾驶系统是与功能安全性相关的功能，在未来的安全概念中必须给予特别关注。
停车功能中的自动转向等部分自动功能在今天的道路交通中已经存在。这些功能被设计为故障安全功能。这意味着，在发生故障(失效)后，假定“关闭”(安全)状态，并通过视觉/听觉仪器通知驾驶员。因此，当今对这种功能的功能安全性的考虑通常在控制装置的连接器上结束，因为电源的中断或故障直接导致安全“关闭”状态。因此，不需要在将各部件连接在一起的电源级别上的安全概念。
另一方面，自动驾驶系统必须设计为“故障运行”，其中故障状态转换到安全“开启”状态。电源(供电线路)或通讯(总线)在该功能上的故障可能会导致对乘客和周围人员的直接危害。直到车辆在安全的地方停下来，或者直到驾驶员能够接管对车辆的控制，这个安全“开启”或“接通”状态必须以适当的安全模式进行维护和执行，直到车辆被带至安全地点，或直到驾驶员接替对车辆的控制。
汽车制造商(oem)将高度自动驾驶(如转向和制动)的重要功能归类于最高安全等级(asild)，这是由于其可能的破坏性影响和乘员的低故障可控性。在这方面，实施分类考虑到故障的严重性以及对用户或环境的危害(严重性)、发生(暴露)的可能性(即故障与运行状况的相互作用)和对故障的控制(可控性)。这被称为asil分类，其分为asil(汽车安全完整性等级)a到d的四个等级，其中asild是在要求的故障概率小于10-8/小时情况下的最高安全等级。
在根据asild的损害和风险分析评估以及asil分类的背景下，oem正在开发车载电气系统的安全电源的安全架构。所采取的方法可以总结如下：
1.聚集冗余电力供给
2.提供功能重叠的大量传感器，使得单个传感器可以失效，但其功能由其他传感器接管。
由此产生的挑战是例如确保传感器的故障不会导致连锁反应而造成大量传感器的故障。因此应当可以将故障限制在没有干扰的冗余电源上。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是利用最简单的可能的结构方法来创建车载电气系统架构，使电源低成本地对安全相关负载可用，同时满足最高的安全等级(asild)。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求、说明书和附图中具体指出本发明的有利的进一步发展。
根据本发明的用于机动车中的安全相关系统的供电系统包括两个供电路径，每个供电路径经由供电点耦合或能够耦合到安全相关负载。为此，第一供电路径具有用于第一电压源或电流源的第一连接点以及用于安全相关负载的第一供电点。第二供电路径具有用于第二电压源或电流源的第二连接点以及用于安全相关负载的第二供电点。安全相关负载是安全等级为asild的耗电器或安全相关系统。第一连接点和第一供电点经由第一熔断器电耦合。第二连接点和第二供电点经由第二电子断路器电耦合。两个供电路径电耦合。这里两个断路元件布置在第一供电点和第二供电路径之间，以及两个断路元件同样布置在第二供电点和第一供电路径之间。每个断路元件都配置成隔离故障。此处的断路元件设计成至少符合asilb。在两个供电路径之间布置有构造为电子断路器的断路元件，其方式使得通过该断路元件耦合的两个供电路径能够在电子断路器致动时被隔离。
断开可以理解为意味着解耦。第二熔断器承担断路元件的任务或用作第二供电点与第一供电路径之间的断路元件。因此，第二熔断器设计成将第一供电路径解耦。换句话说，根据本发明的解决方案在第二供电路径中使用电子保护装置(熔断器)，其允许与过电流隔离而没有干扰。因此，给出了安全措施的多样性。另外，在供电路径之间使用电子断路器。
有利地，asild供电系统可以通过所描述的分解而构造有asilb部件。不需要第二个12v电池，这在安装空间、重量和成本方面是有利的。此外，第一供电路径的基本架构可以用于具有和不具有自动的安全相关的驾驶功能的车辆，并且其可以通过第二供电路径和配备有自动的安全相关的驾驶功能的车辆的两个供电路径的耦合进行模块化地补充。
此外，相应的断路元件可以包括至少一个mosfet和用于mosfet的控制装置。有利地，这里涉及的mosfet是增强型n通道mosfet；即它们在未致动状态下自锁，并且当致动时它们是导电的。控制装置连接到mosfet的栅极。mosfet也可以被理解为功率mosfet或dmosfet(双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)。dmosfet的特性，即无法阻止反向(vds<0)，通过有目的地使用经由供电路径中的漏极耦合的两个mosfet或通过两个相对的断路元件来抵消。
因此，断路元件可以设置在第一供电路径和第二供电路径之间，作为沿两个方向作用的第二断路元件并且实施为反串联mosfet开关。两个供电路径经由mosfet开关的供电路径耦合。
如果第一供电路径以传统的方式构造并且例如所连接的负载由熔断式断路器保护，则第一断路元件可以有利地布置在第二断路元件和第一供电路径之间，与第二断路元件串联。然后，第一断路元件和第二断路元件允许第一供电线路中的故障与第二供电路径冗余地隔离。
作为任选的替代方案或附加到布置在两个供电路径之间并且与第二断路元件串联的第一断路元件，第一熔断器实施为电子断路器，作为第一供电点与第二供电路径之间的断路元件。这也允许无干扰的隔离。第一熔断器的技术设计与第二熔断器的技术设计不同。技术设计的多样性导致冗余是不均匀的。
此外，在任选实施例中，第一熔断器包括至少一个mosfet和至少一个致动器，所述至少一个致动器不同于所述至少一个mosfet和第二熔断器的至少一个致动器。以这种方式，容易形成不均匀的冗余。
有利的是，第一电压源是第一电池并且附加地或替代地具有第一标称电压的发电机。标称电压通常为12v，工作时具有相应的容差范围。在这种情况下，铅电池或锂离子电池是合适的例子。这里的术语“电池”应理解为诸如机动车中常用电池的蓄电池。在一个实施例中，第一电池用于启动并且作为备用电池，并且在正常操作中，能量由发电机提供。当然，在纯电动车辆中，系统仅由电池供电。在这种情况下，dc/dc转换器也可以耦合到高电压存储装置并且可以用作第一电压源。
还有利的是，第二电压源可以是具有与第一标称电压不同的第二标称电压的第二电池。在这种情况下，第二标称电压大于第一标称电压。在优选实施例中，第二标称电压位于48v或高电压范围内，例如大于400v，大约480v或大于900v。第二电压源通过dc/dc转换器耦合到第二连接点，以设定对应于第一标称电压的电压水平。
在特定实施例中，dc/dc转换器具有至少两个部分转换器。第一部分转换器耦合到第一供电路径，而第二部分转换器耦合到第二供电路径。这里的部分转换器的每个单独的相包括用作断路元件的相关断。通过这种方式，可以隔离供电路径中的故障而不受干扰。为了在分解的意义上产生冗余，第一部分转换器可以经由第一断路元件耦合到第一供电路径。在此，第一断路元件——如第一部分转换器——符合对应于asilb的安全等级。
此外，可以在第二供电路径中提供备用电池。备用电池有利地具有标称电压，其对应于公差范围内的第一标称电压。备用电池优选为钛酸锂电池。
多个断路元件可以有利地布置在具有共同壳体的组件中。这种组件例如可以包括第二连接点、到第一供电路径的耦合点以及多个第二供电点。在替代实施例中，多个第二熔断器被组合成一个组件。这样的组件具有简化安装的优点。因此，在具有大量的用于保护多个安全相关负载的并联等效断路元件的情况下，控制装置可以配置成致动并联布置的多个断路元件的多个mosfet。结果，可以减少所需的控制装置的数量。在特定情况下，释放可以更快，因为可以获得关于整个系统的更多信息。
附图说明
下面参考附图解释本发明的有利实施例。在附图中：
图1示出了用于一个或多个安全相关负载的供电系统的示意图；
图2示出了用于一个或多个安全相关负载的供电系统的示意图，其中两个供电路径通过双向和单向熔断器耦合；
图3示出具有通过双向熔断器耦合的两个供电路径的供电系统的示意图，其中一个或多个安全相关负载通过电子熔断器耦合；
图4示出了根据图2所示实施例的供电系统的示意图，其具有五相dc/dc转换器；以及
图5示出了用于一个或多个安全相关负载的供电系统的示意图，其中dc/dc转换器被分成多个部分转换器。
附图仅仅是示意性表示，并且仅用于解释本发明。相同或相似的元件设置成始终使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的用于一个或多个安全相关负载102的供电系统100的实施例的示意图。起动器电池104和发电机106并联布置以供给第一供电路径rima。辅助加热器作为负载112经由具有多个熔断式断路器110的第一电流分配器108电连接。第一电流分配器108耦合到第二电流分配器108，该第二电流分配器108通过第一供电点114耦合到安全相关负载102。第二供电路径rimb与其相邻布置，并由备用电池116供电。第二供电点118通过电流分配器108和电流分配器108的熔断式断路器110耦合，并且安全相关负载102通过作为冗余电源的第二供电点耦合。第一供电路径rima和第二供电路径rimb经由dc/dc转换器122耦合。
为了说明，三个故障120被显示为具有相关的锯齿状箭头和形状内有数字的八边形。如下面将更详细地解释的那样，不能无干扰地隔离短路。
换言之，图1示出了根据常规布局实施的双电源结构的概念的示例。根据asild的(功能安全)功能102(例如转向)——这是可用性的关键——在两个通道内部构造有两个致动器(未示出)，以便能够提供所需的安全等级。对应于内部双通道结构，为外部电源提供两个供电端子(114，118)。对于冗余电源，它们将由两个独立的源进行供给。这种布置有两个缺点。
1.两个供电路径rima、rimb的独立性对于冗余电源是至关重要的。因此，两个路径之间的dc/dc转换器122必须根据asild来实施，这需要相当大的努力和花费。
2.在两个供电路径rima、rimb中仅通过熔断式断路器110提供防止过载的保护。这些熔断器有系统限制，它们只能非常缓慢地断开负载。使熔断器断开所需的电流非常高，以至于在车载电气系统的阻抗(电池的内部电阻，熔断器的电阻，电缆和底盘接地反馈)上出现相当大的电压降，以致车载电气系统中的其他耗电器102、112进入过压复位。
结果，辅助加热器112中的短路120(1)引起上部供电线路rima上的电压骤降。功能安全功能102(转向)然后可以经由下部供电端子118向自己供给稳定的电压，只要dc/dc转换器122可靠地断开第二供电路径rimb即可。因此，符合asild的“稳定电压供电”的技术安全性要求一比一地转移到转换器的必要性能上。
点3的短路120是至关重要的。由于熔断器110的迟滞，小备用电池116和dc/dc转换器122不能保持电压。所有传感器1至n：1121、1122、112n同时发生故障，导致自动驾驶功能失效。
安全相关负载102(功能安全功能)的两个输入端114、118的问题也可能导致两个供电路径rima和rimb的完全失效。例如，制动器的故障会同时导致转向故障。这里很明显，供电线路a和b的布局缺乏多样性。
图2示出了在本发明的第一实施例中用于一个或多个安全相关负载102的供电系统200的示意图，其包括经由双向熔断器m2和单向熔断器m1耦接的两个供电路径rima、rimb。熔断器m1、m2也被称为断路元件m1、m2。第一供电路径rima主要对应于图1所示的实施例。
第一供电路径rima通过第一连接点230耦合到第一电压源104。第二供电路径rimb经由dc/dc转换器222和第二连接点232被供给。第二供电路径rimb中的电流分配器208具有电子熔断器m3、m4作为断路元件m3、m4。一个电子熔断器m4被耦合到第二供电点118以供给安全相关负载102。第二安全相关负载202经由耦合元件234连接。耦合元件234具有电连接到第一供电路径rima的电流分配器108的熔断式断路器110的附加的第一供电点214，和电连接到第二供电路径rimb的电子熔断器m3的附加的第二供电点218。耦合元件234的输出端电连接到安全相关负载202。两个附加供电点214、218经由二极管236电连接到耦合元件234的输出端。安全相关负载202可以经由耦合元件234被供给，其只有一个供电终端。
上部供电路径(rima)是具有熔断式断路器110的常规馈送分支。其可以是也用于没有自动驾驶功能的车辆中的常规车载电气系统的一部分。下部供电路径rimb是为了功能安全功能102、202供电而添加的车载电气系统的一部分。其使用电子保护装置208来避免在rimb和rima上过载时以电压骤降的形式出现的干扰。
辅助加热器的正常车载电气系统功能中的短路120(1)导致上部供电路径(rima)的电压降。其经由两个独立的asilb模块与下部供电路径(rimb)隔离。首先，m1闭合，然后m2，作为反串联mosfet开关可以在两个方向都闭合。
下部电源的标记为(3)的短路120，即经由第二供电路径rimb和第二供电点118的短路120通过断路元件m4被无干扰地隔离。存在另一个附加的回退级别，其存在以确保断路元件m4不是唯一被赋予安全级别asild的模块。这个附加的级别在断路元件m4发生故障并且不能断开的情况下由断路元件m2来构成隔离。因此，上部供电路径rima通过断路元件m4与标识为(3)的短路120以及根据需要通过断路元件m2隔离。重要的是为每个功能安全相关负载102、202在下部/第二供电路径rimb中提供特定的电子保护装置m3，m4。
断路元件m1、m2和m3、m4是独立的，但它们是也有利地集成到模块238中。在(2.)和(3.)处短路的上部功能安全功能102完全失效的情况不会导致供电的完全失效，因为第二供电路径rimb是经由断路元件m4隔离的并且因此第二供电路径rimb可以向另一功能安全功能202供电。因此，给出供电的多样性。
如上所述，安全相关负载102经由通过起动器电池104(即第一电源104)耦合到第一供电路径rima的第一供电点114被供给；并经由通过高压电池或48v电池216(即，第二电源216)耦合到第二供电路径rimb的第二供电点118被供给。供电路径rima、rimb和连接其上的两个电源104、216都相互独立。第一供电路径rima和与其耦合的第一供电点114由熔断式断路器110保护。第二供电路径rimb和与其耦合的第二供电点118由单向电子熔断器m3、m4保护。这里保护的冗余的不均匀性初看就很清楚，此处通过传统的熔断器110而不是半导体熔断器m3、m4或者mosfet240来实施。
为了在下面描述并在图3中示出的实施例中实现冗余的相对不均匀性，电子熔断器m5、m6的设计应与电子熔断器m3、m4不同。这是指在电子熔断器m3、m4、m5、m6内使用的电子部件的选择，以及在开发期间使用的设计工具。
断路元件m1和m2可以有利地经由电池电压进行控制。在上部/第一供电路径rima上的短路120(即，例如，标识为(1)或(2)的短路)导致电池104中的电压骤降。下部/第二供电路径rimb上的短路120(即，例如标识为(3)的短路120)也导致电池104中的电压降，如果它没有经由断路元件m3或m4断开的话。因此，例如，当电池电压下降到低于11v时使断路元件m1和m2开路总是导致隔离第一供电路径rima或第二供电路径rimb上的电压降。
任选地，如图1所示，例如在具有内燃机的车辆中，可以设置发电机，该发电机与起动器电池104并联布置，并且一方面向第一供电路径rima供电，另一方面为起动器电池104充电。此处设置由外部电压源供给的任选充电装置(这里也未示出)用于电动车或插电式混合动力车。
断路元件m1、m2、m3、m4每个都包括mosfet240和控制装置242。控制装置242连接到mosfet240的栅极g(也称为栅极端子g)。mosfet240是自锁n通道mosfet240。
断路元件m2包括至少两个mosfet240，其由于排列而实施为反串联mosfet开关。结果是在两个方向上起作用的第二断路元件m2。为此，第二断路元件m2的两个mosfet240的两个源极s直接导电地互连。
两个断路元件m1、m2的mosfet开关240的供电路径位于两个供电路径rima、rimb之间。因此，第一断路元件m1的mosfet240的源极s被耦合到第一供电路径rima，相同的mosfet240的漏极d被电连接到第二断路元件m2的mosfet240中的一个的漏极d。第二断路元件m2的第二mosfet240的漏极d耦合到第二供电路径rimb。
电熔断器m3、m4的mosfet240以这样的方式布置，即源极s指向负载102、112、202和漏极d相应地指向电压源，即在这种情况下是高电压或48v电池216。
在其余的附图中，为了便于易读，将省略附图标记240、242。
图3示出具有经由双向熔断器m2耦合的两个供电路径rima、rimb的供电系统200的示意图，根据本发明的一个实施例，其中一个或多个安全相关负载102、202各自经由电子熔断器m3、m4耦合。图3中所示的实施例对应于图2中所示的实施例，不同之处在于如图2所示的具有熔断式断路器110的电流分配器108已被具有电子熔断器m5、m6、m7、m8的电流分配器108代替。因此，由于电子熔断器m5、m6、m7、m8可承担断路元件m5、m6、m7、m8的任务，所以可省略单向电子熔断器m1。电子熔断器m5、m6、m7、m8是单向的。
两个具有mosfet的电子熔断器m7、m8的一个特殊性质是一个控制单元配置成用于致动两个mosfet。因此，一个控制单元连接到两个mosfet的栅极。
图3所示的实施例中示出的两个供电路径rima和rimb具有不均匀的冗余。第一供电路径rima中的电子熔断器m5、m6与第二供电路径rimb中的电子熔断器m3、m4不同。因此，在两个供电路径rima和rimb上为电子熔断器使用不等同的mosfet和致动器，以实现asild级别的所需分解。
换句话说，图3示出了专门用于电子保护m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8的变型。短路120和伴随的电压降分别通过专用于特定路径的电子熔断器m3、m4、m5、m6、m7、m8被隔离(在asilb中的第一模块)。作为第二模块(asilb)，开关m2可断开相应的另一供电路径rima、rimb以防止电压降的扩散。
图4示出了根据图2所示实施例的供电系统200的示意图，其根据本发明的实施方式具有五相dc/dc转换器422。该图是来自图2的实施例的略微减小的版本，其中dc/dc转换器422实施为五相dc/dc转换器。
换句话说，图4示出了集成的dc/dc转换器422，其包括根据图2的智能保护和开关功能。因此，作为单个单元，转换器是对常规车载电网的适当添加以增强车载供电网络的可用性相关的功能安全功能102。模块的适当独立性必须在结构概念上得到保证。
图5示出了根据本发明实施例的用于一个或多个安全相关负载102的供电系统200的示意图，其中dc/dc转换器522被细分成部分转换器550、552。图5示出了集成dc/dc转换器522被细分为两个部分转换器550、552以向两个路径rima和rimb供电。由于这里仅有一部分转换器容量(相4和相5)可用于向冗余路径rimb供电，根据最大功率请求，备用电池554(这里是钛酸锂电池554)必须保持可用。在这种布置中，m1、m3、m4、550、552还分别有两个断路元件，其能够中断供电路径rima、rimb上的故障，这些断路元件对于上部/第一供电路径rima是电子熔断器m1和第一部分转换器550的相(关断)1至3，并且对于下部/第二供电路径rimb是特定的电子熔断器m3、m4、……以及用于第二部分转换器552的相4和相5的相关断。
附图标记列表
100供电系统
102安全相关负载
104起动器电池
106发电机
108电流分配器
110熔断式断路器
112负载；耗电器(辅助加热器，传感器，……)
114第一供电点
116备用电池，第一电源
118第二供电点
120故障；短路
122直流电压转换器；dc/dc转换器
rima第一供电路径
rimb第二供电路径
200供电系统
202安全相关负载
208电流分配器，电子电路开关盒，电子熔断器
214第一供电点
216高压电池，48v电池，第二电源
218第二供电点
222直流电压转换器；dc/dc转换器
m1断路元件；单向电子熔断器
m2断路元件；双向电子熔断器
m3、m4断路元件；电子熔断器(单向)
230第一连接点
232第二连接点
234耦合元件
236二极管
238模块，组件
240mosfet，自锁n通道mosfet
242控制装置，控制单元
d漏极，漏极端子
s源极，源极端子
g栅极，栅极端子
308电流分配器
m5、m6、m7、m8电子熔断器；断路元件
422直流电压转换器；dc/dc转换器
522直流电压转换器；dc/dc转换器
550第一部分转换器
552第二部分转换器
554备用电池，钛酸锂电池