机动车车载电网开关、机动车车载电网和用于运行机动车车载电网开关的方法与流程

1.本发明涉及一种机动车车载电网开关、一种具有这种开关的机动车车载电网以及一种用于运行机动车车载电网开关的方法。


背景技术：

2.汽车驾驶的越来越自动化和自主化导致对电负载的更高的安全要求。安全要求也在传动系的越来越多的电气化中起到越来越重要的作用。
3.安全关键的负载，如制动系统、转向系统、光学的和/或基于雷达的环境传感器(lidar)、控制单元等必须持久稳定地被供给电能，以便能够实现安全的自动化和/或自主驾驶。
4.为此已经提出，设置至少两个车载电网供能装置。这些车载电网供能装置可以冗余地为安全关键的负载供应电能。在此，车载电网供能装置例如能够是常规的铅酸电池、锂离子电池、燃料电池等。车载电网供能装置也可以是发电机，其例如在内燃机中作为发电机使用。
5.尽管通过两个车载电网供能装置冗余地为安全关键的负载供电，但是在车载电网中的电压骤降(spannungseinbruch)的情况下仍可能出现问题，所述车载电网连接在车载电网供能装置之一上。尽管与冗余的第二车载电网供能装置连接，在车载电网供能装置之一上的电压骤降仍然导致在安全关键的负载上的电压骤降。要求到极限值以下、例如9v以下的电压骤降仅允许出现确定的时间、例如仅最多0.5ms，此后电压必须再次位于极限值以上、例如所述的9v以上。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种机动车车载电网开关，其能够确保车载电网供能装置与安全关键的负载的稳定的连接。
7.该目的通过根据权利要求1的机动车车载电网开关、根据权利要求14的机动车车载电网以及根据权利要求15的方法来实现。
8.根据本发明的机动车车载电网开关包括至少两个输入端。输入端可以作为连接片、压接连接端、连接螺栓、连接旗片、焊接旗片或类似物构造。输入端可以被引导到共同的壳体中。输入端可以由铝或铝合金以及铜或铜合金构成。
9.根据本发明在输入端上可以分别连接两个车载电网供能装置中的一个。车载电网供能装置可以如开头已经阐述的那样构造。车载电网供能装置在此优选分别与输入端和其他负载并联连接。可能的是，车载电网供能装置专门用于一个或多个安全关键的负载并且通过本发明的机动车车载电网开关与所述一个或多个安全关键的负载连接。然而也可能的是，车载电网供能装置中的至少一个为其他的特别是非安全关键的负载供电。因此，在输入端上能够专门地电接触车载电网供能装置和/或电接触车载电网供能装置和其他负载。
10.车载电网供能装置可以是电池、蓄电池、超级电容器、发电机、燃料电池或类似物。在电池或蓄电池中尤其使用铅酸电池或锂离子电池。车载电网供能装置中的至少一个可以直接通过电缆与输入端短接。车载电网供能装置中的至少一个可以通过ac/dc整流器或通过dc/dc变流器与输入端中的一个连接。
11.此外，在机动车车载电网开关上可以设置用于机动车的负载、尤其是安全关键的负载的输出端。在机械方面，输出端可以根据上述针对输入端的描述来构造。输出端也可以被引导到共同的壳体中。
12.在输出端上可以连接一个或多个负载、尤其是安全关键的负载。负载例如可以是开头所述的负载。安全关键的负载需要高于极限值的输入电压，例如大于9v，并且设计用于在确定的时间、例如最大0.5ms内承受低于该极限值的电压骤降。在电压骤降到极限值以下较长时间的情况下，可能导致安全关键的负载发生功能故障。在自动/自主驾驶中，这种功能故障是不可接受的并且是不允许的。
13.在机动车车载电网开关内，两个开关可以例如通过共同的壳体包围，尤其是也浇注在共同的壳体中，尤其是作为集成电路设置。开关用于在机动车车载电网开关的各一个输入端和共同的节点之间的相应的电连接的切换。
14.第一开关可以被布置在第一输入端和共同的节点之间。除了第一开关之外，第二开关可以被布置在输入端中的第二个和共同的节点之间。
15.开关中的至少一个例如是常开开关，其在施加相应的控制电压时关闭。然而，开关中的至少一个也可以是常闭开关，其通过施加电压而断开。
16.开关在相应的输入端和共同的节点之间建立相应的电连接。共同的节点连接到输出端。在输出端处可以接入共同的节点的电势。
17.在正常运行中，电能通过第一和/或第二开关从相应的车载电网供能装置流到节点，从那里通过输出端流到至少一个负载。在此，电能通常从相对于接地端具有较高电势的车载电网供能装置流到至少一个负载。
18.通过在正常运行中闭合的开关能够在车载电网供能装置之间出现补偿电流。恰好这些补偿电流在车载电网供能装置之一侧出现故障的情况下是关键的并且必须被阻止，如下面还要描述的那样。为了特别快速的响应特性以及小结构的构型以及为了在故障情况下确保必要的能量而提出，开关被构造为半导体开关并且分别以其体二极管在导通方向朝向共同的节点接通。这意味着，在负载被动符号规定系统(verbraucher-lsystem)中，电能可以从相应的车载电网供能装置通过体二极管流到共同的节点。特别地，从输入端朝向共同的节点方向的电流流动方向是可能的。因为两个体二极管分别在导通方向上连接至共同的节点，所以在负载被动符号规定系统中不可能有电流从节点经过体二极管流至输入端。因此，这些体二极管在开关断开时使两个车载电网供能装置相互绝缘。在开关闭合时，电流直接流过开关并且仅有不关键的一小部分流过体二极管。在开关打开时，必要时电流在电流流动方向上从输入端经过体二极管流到共同的节点，其中在此例如0.7v的电压降是可能的。
19.为了保护安全关键的负载而提出，借助监控电路监控第一输入端上的第一电压和第二输入端上的第二电压和/或共同的节点上的电压。在此，监控电路尤其测量在第一和/或第二输入端和/或共同的节点处相对于接地端的电势。当下文谈及电压测量时，则可以在
所述点中的至少一个点上测量所述电压测量。
20.根据本发明的机动车车载电网开关尤其连接在电池正极上、即高侧上，使得能够通过监控电路检测相对于接地端的正电势。如前面已经阐述的那样，对于安全关键的负载，高于极限值、例如9v的电压几乎是强制性必需的。在过长的时间内低于该极限值的电压骤降导致这些负载的功能故障。
21.这两个车载电网供能装置通过机动车车载电网开关以车载电网电压(其例如是12v、24v或48v)供给所述至少一个负载，其中，其他电压路径同样是可能的。两个车载电网供能装置的电压尤其是几乎相同。
22.在正常运行中，开关闭合。通过闭合的开关，电流可以从输入端流到输出端，从输出端流到输入端，以及在输入端之间流动。开关提供输入端和输出端之间的近乎短路。这导致在两个车载电网供能装置之一的电压过低的情况下，补偿电流从具有较高电压的车载电网供能装置流向具有较低电压的车载电网供电装置。这种补偿电流附加于从较高电压的车载电网供能装置到负载的电流流动。只要具有较低电压的车载电网供能装置的电势足够高，这就不是关键的。
23.在车载电网供能装置之一或与其连接的车载电网的临界电压骤降、例如低于极限值、例如9v时，出现经由闭合的开关的补偿电流，所述补偿电流能够引起原本没有出现故障的车载电网供能装置和车载电网上的相应的电压骤降。因此，尽管车载电网供能装置之一正确地起工作，但补偿电流仍导致输出端上的电压骤降。
24.为了防止这种情况而提出，根据所监控的电压中的至少一个的数值来引起用于同时断开两个开关的断开信号。也就是说，在故障情况下，当在两个输入端之一侧上出现电压骤降时，两个开关直接并且同时断开。
25.这种电压骤降的检测是简单且快速的。例如仅需要在共同的节点处测量电势。在非常短的时间内可以进行简单的电压测量。通过快速的反应时间、也就是快速测量电压骤降，能够引起所述开关的快速的断开。
26.探测到电压骤降与断开开关之间的反应时间尤其低于对于负载来说临界的极限值，在该极限值期间电压允许下降到极限值以下。该时间例如小于0.5ms。也就是说，利用根据本发明的电路能够将低于该极限值的电压骤降限制到一个时长上，该时长短于对于该负载最大允许的时长。
27.通过断开两个开关，在常规电路中同样中断负载的能量供应。这一点根据本发明通过如下方式防止，即反向连接的体二极管在通向共同节点的导通中继续实现能量供给。此外，从车载电网供能装置和其中不存在故障的车载电网中，电流仍旧从输入端经由体二极管流到共同的节点和输出端或负载。然而，通过相应的其他体二极管防止了补偿电流。
28.通过本发明的电路实现了，在出现故障的时刻，两个车载电网供能装置相互分离并且防止补偿电流，其中同时确保了在输出端上负载以基本上稳定的电压进行能量供给。
29.通过经由体二极管确保的具有基本上稳定的电压的能量供给可以随后检查，在两个车载电网中的哪个车载电网中实际出现了故障。这种检查可能比简单地测量电压电平花费更长时间。但是因为负载保持被以基本上稳定的电压供给能量，所以也可以为此使用更长的时间。
30.一旦确定了两个车载电网中的哪个或者两个车载电网供能装置中的哪个产生了
电压骤降，则又可以闭合相应另一个开关或者与车载电网供能装置的相应的另一个连接并且通过功能正常的车载电网供能装置给负载供应具有稳定电压的能量。
31.通过闭合开关减轻体二极管的负担。体二极管被设计为仅在一定时间内承载高工作电流。通过体二极管出现0.7v的电压损耗并且损耗功率导致开关发热。因此，必须闭合开关，以便防止开关或体二极管的损坏。
32.根据一个实施例建议，监控电路在电压中的至少一个低于极限值时引起断开信号。如已经阐述的那样，根据本发明的机动车车载电网开关优选地连接电池的高侧，从而故障由电压骤降引起。可以例如直接在节点处探测到在极限值以下、例如9v以下的该电压骤降。如果探测到电压骤降，则发出断开信号，从而直接阻断补偿电流。
33.根据一个实施例建议，监控电路在输入端中的至少一个上短路时引起断开信号。电压骤降的可能原因可能是短路。在短路时，电压非常快速地以一个陡峭的边沿骤降。通过短路，不仅流动有连接在出现短路的车载电网上的能量供应电流，而且流动有在机动车车载电网开关的另一侧上与功能正常的车载电网连接的车载电网供能装置的电流，其中，该电流以补偿电流的形式流过两个开关。短路也使负载短接，从而使该负载不再被供给能量和/或基本上稳定的电压。
34.通过在探测到短路之后立即同时断开多个开关，防止该补偿电流并且负载不再“看到”短路。功能正常的车载电网的车载电网供能装置也不再“看到”短路，因为体二极管朝短路方向接通到截止方向。
35.根据一个实施例提出，监控电路将电压中的至少一个与比较电势、尤其与接地电势进行比较。监控电路测量相对于接地电势的电压。当输入端中的一个上出现电压骤降时，该电压骤降也在另一输入端和节点上出现，因为这两个输入端通过闭合的开关和节点相互短路。为了防止补偿电流，这些开关被直接断开。
36.根据一个实施例提出，监控电路直接在产生断开信号之后检查在第一输入端上的车载电网的至少一部分和在第二输入端上的车载电网的至少一部分的相应的状态，并且根据检查产生用于恰好一个、优选仅第一开关或仅第二开关的闭合信号。仅对两个开关中的恰好一个产生闭合信号。对连接在输入端上的开关产生闭合信号，在该输入端上车载电网是无故障的。位于有故障的车载电网所位于的输入端上的开关保持断开。
37.根据一个实施例提出，监控电路检查在第一输入端处的车载电网的部分和在第二输入端处的车载电网的部分上的电网阻抗和/或电压和/或脉冲响应。在此例如可以测量在第一输入端和/或在第二输入端和/或节点处的电压。附加地可以测量在第一输入端和/或在第二输入端和/或节点处的电流以及电流流动方向。测量值可以通过ad转换器数字化并在处理器中处理。根据该处理，监视电路可以输出闭合信号。
38.为了避免误解，要注意的是，在第一输入端上的车载电网的部分和在第二输入端上的车载电网的部分分别应理解为，其至少包括输入端与相应的车载电网供能装置的连接。此外，也可以理解为与至少一个、优选多个另外的负载的连接，所述另外的负载连接在相应的车载电网供能装置上。车载电网的一部分因此可以由车载电网供能装置和/或连接在其上的负载形成。
39.根据一个实施例提出，半导体开关的尺寸设计为，使得在开关断开之后在相应的体二极管上的电压降小于1v，优选小于0.7v。此外，在开关断开时电流仍旧在导通方向上通
过体二极管从功能正常的车载电网供能装置流向负载。该电流引起体二极管上的优选1v，尤其0.7v或更小的电压降。然而，该电压降对于安全关键的负载是不重要的，因为车载电网供能装置的电压减去通过体二极管的电压降大于针对负载、尤其是安全关键的负载的最小电压。
40.根据一个实施例提出，监控电路在断开信号之后的100ms、优选40ms内引起闭合信号。监控电路因此具有40至100ms之间的时间，检查两个输入端侧的两个车载电网的两部分并且确定在哪一侧上出现导致电压骤降的故障、尤其是短路。如果检测到出现故障的确切的一侧，则通过闭合开关将相应的另一侧与负载连接。
41.根据一个实施例提出，在开关断开之后，输出端通过相应的体二极管与第一和第二输入端导电连接，并且体二极管实现了从相应的输入端到输出端的电流。如已经阐述的那样，能够实现在负载被动符号规定系统中从车载电网供能装置到输出端的电流。然而，体二极管阻断从负载被动符号规定系统中的较高电势到较低电势的电流。这防止了功能正常的车载电网与有故障并且引起电压骤降的车载电网之间的补偿电流。因为在电压骤降的时刻还不清楚两个车载电网中的哪个引起了电压骤降，所以两个开关都断开。然而，通过体二极管确保了以基本上稳定的电压在输出端保持负载的供能。
42.根据一个实施例提出，在开关断开之后，输出端通过相应的体二极管与第一和第二输入端导电连接，然而体二极管阻断从输出端至相应的输入端的电流。因此，从共同的节点到输入端的通过体二极管的电流也被阻断。
43.根据一个实施例提出，半导体开关中的至少一个以可变的开关特征曲线来导通，尤其是该开关特征曲线与输出端上的负荷有关。在此，半导体开关的开关特性、尤其是与电流和/或电压的相关性可以根据软件来调节。例如在起动时具有高的起动电流并且在正常运行中需要更小的电流的动态负载也可以可变地得到保护，其方式是灵活地定义所述开关特性曲线，例如多少电流流动多长时间(di/dt)。
44.如开头已经阐述的那样，根据一个实施例，上面所提及的安全关键的负载可以连接在输出端上。正是对于安全关键的负载，以冗余的方式和方法确保了持续的电流供应。
45.根据一个实施例提出，将输出端与共同的节点短路。在车载电网开关中，在共同的节点和输出端之间优选不设置其他的结构元件。
46.另一方面是一种机动车车载电网，具有如之前所描述的机动车车载电网开关，具有与第一输入端连接的第一车载电网供能装置、与第二输入端连接的第二车载电网供能装置和与输出端连接的安全关键的负载。
47.另一方面是一种用于运行如前所述的机动车车载电网开关的方法。在此，监控至少一个电压。这尤其也可以理解为，监控在共同的节点上的电压。在开关闭合的情况下，在输入端和共同的节点上的电压几乎相同并且仅仅通过相应的开关上的电压降来区分，其中所述电压降位于几个100mv的范围中。根据电压中的至少一个的数值，两个开关同时断开。
48.替代电压的数值或附加地，电压的变化速度也可以是关键的和/或考虑电压的微分。例如，在微分下降超过负极限值时，可以推断出电压的快速骤降，其由故障引起并且可以导致开关断开。
49.在同时断开开关之后，可以通过体二极管进行供电，因为这些体二极管在导通方向上将车载电网供能装置的相应电势与输出端连接起来。具有较高电势的车载电网供能装
置引起经由体二极管至负载的电流。在其上出现电压骤降的那个车载电网供能装置具有较小的电势并且没有电流从该车载电网供能装置起经由体二极管在导通方向上流到共同的节点和负载。因为体二极管在截止方向上运行，所以功能正常的车载电网供能装置无法"看见"有故障的车载电网供能装置并且没有补偿电流流动。在同时断开开关之后，检查两个车载电网供能装置的电状态。
50.根据检查，将其中未出现故障的车载电网和车载电网供能装置通过开关与共同的节点和输出端连接。出现故障的车载电网供能装置和车载电网经由断开的开关与负载和另一车载电网供能装置保持分离。
附图说明
51.下面借助示出实施例的附图进一步阐述本发明。在附图中：
52.图1示出了根据一个实施例的框图；
53.图2a、2b示出了在共同的节点上的电压曲线；
54.图3a-3f示出了根据实施例的机动车车载电网开关的开关状态。
具体实施方式
55.图1示出了在机动车车载电网中的机动车车载电网开关2。机动车车载电网开关2具有两个开关4、6。第一开关4通过输入接触部10与第一车载电网供能装置16连接。第二开关6通过输入接触部8与第二车载电网供能装置20连接。开关4、6在机动车车载电网开关2内通过共同的节点12相互短接。节点12与输出接触部14连接。
56.输入接触部8、10以及输出接触部14可以构造为连接片、连接旗片、插接接触部、压接接触部、连接螺栓、焊接片、钎焊旗片或类似物。
57.第一车载电网供能装置16例如是dc/dc转换器，所述dc/dc转换器在其高侧电势16a上与输入接触部10连接。
58.第二车载电网供能装置20例如是电池，所述电池以其b+电势20a与输入接触部8连接并且以其b-接触部20b与接地端22连接。
59.第二车载电网供能装置20例如对车载电网24供电。第一车载电网供能装置16同样可以为车载电网供电，然而这未示出。
60.负载25连接在输出接触部14上。负载25例如是安全关键的负载。
61.机动车车载电网开关2中的开关4、6分别包括开关元件4b、6b以及体二极管4a、6a。开关4、6例如是半导体开关，尤其是大功率半导体开关，例如mosfet、igbt等。
62.在图1中可以看出，体二极管4a、6a在导通方向上分别从输入接触部8、10朝共同的节点12的方向接通。
63.开关元件4b、6b可以经由开关信号(未示出)来控制。这种控制例如可以通过监控电路26进行。开关4a、4b可以是例如常开的(no)并且断开信号可以是开关信号电平的下降。开关元件4b、6b也可以是常闭的(nc)，并且断开信号可以是开关信号电平的上升。
64.监控电路26通过感测导线26a连接到共同的节点12并且可以例如测量共同的节点12相对于接地端22的电势。此外，监控电路26借助感测导线26b、26c与在车载电网供能装置16、20上的相应的车载电网连接。通过感测导线26b、c可以确定相应的车载电网的状态，例
如阻抗、脉冲响应、相对于接地端的电阻等。
65.借助于所示出的机动车车载电网开关2能够实现的是，即使在故障情况下，也冗余地并且持久地将安全关键的负载25与车载电网供能装置16、20中的至少一个连接。
66.这种故障情况在图2a中示出。图2a示例性地并且纯示意性地示出在共同的节点12处的电压曲线28。正常情况下，在共同的节点12上存在额定电压32。在正常情况下，开关元件4b、6b闭合。额定电压32由两个车载电网供能装置16、20之一的相应较高的电势得出。
67.在故障的情况下，电压28中的边沿30陡峭地下降。这例如可以在时刻36进行。通过陡峭地下降的边沿30，电压28低于下极限值34。在常规的电路中，这持续到时刻38，直至有故障的车载电网供能装置16、20从共同的节点分离。在此，时刻38例如可以位于时刻36之后40至100ms。时刻36、38的间隔超过对于安全关键的负载的到极限值34以下的电压骤降的最大允许的时长，例如0.5ms。
68.由于低于下极限值34超过0.5ms，不再能够排除安全关键的负载25的故障。
69.一种根据本发明的机动车车载电网开关2提供了补救，在该机动车车载电网开关中可以实现根据图2b的电压曲线40。图2b将结合图3a至3f说明。
70.在图3a中可看出，开关元件4b、6b闭合。这是正常状态。额定电压32从车载电网供能装置16、20经由开关元件4b、6b和共同的节点12流向负载25。
71.在图3b中示出，从输入接触部8、10出发，在两个车载电网供能装置16、20之一的侧上可能出现故障、例如短路42、44。在这种情况下，电压40的边沿30陡峭地下降。通过监控电路26可以检测该陡峭的边沿30。该检测可非常快速地在时刻36之后的时刻37处结束。在这种情况下，两个开关元件4b、6b通过监控电路26直接断开。时刻37尤其是在时刻36之后最大0.5ms处。因为不知道出现了短路42、44中的哪个，所以首先将两个开关元件4a、6a断开一次。
72.图3c示出一个示例，其中在车载电网供能装置20侧出现短路42。在两个开关元件4b、6b如图3c所示通过监控电路26断开之后，电流46仍然可以从车载电网供能装置16的正极16a经由体二极管4a流向负载25。这在图2b中示出。在此可以看出，在下降的边沿30之后在时刻37电压40再次稳定。电压40比额定电压32低0.7至1v,这是由通过体二极管4a的电压降导致的。
73.在时间36、38之间的时间段中，监控电路26可以通过在车载电网供能装置16、20的相应的车载电网中的感测导线26b、26c测量并且检查故障位于何处。
74.在图3d中示出了故障在车载电网供能装置20侧被感测到。在这种情况下，开关元件4b闭合。如在图3d中可以看出的，通过开关元件4b实现电流48。
75.在图2b中可以看出，在时刻38、也就是说当确定了故障位于何处时导致电压40上升到额定电压32。在图2b中可以看出，在任何时候电压都不下降到极限值34以下。
76.图3e示出了一种情况，在该情况中在车载电网供能装置16一侧出现短路44。该短路44也导致下降的边沿30并且直接断开开关元件4b、6b。因为车载电网供能装置20如以前一样无故障地工作，所以如在图3e中示出的那样导致通过体二极管6a的电流46。电压曲线对应于图2b。
77.如针对图3c所描述的那样，借助于监控电路26在两个车载电网中在输入接触部8、10那一侧测量并且检查故障位于哪一侧上。
78.如果故障位于车载电网供能装置16一侧，则如图3f中所示，开关元件6b可以再次闭合。这是时刻38。
79.电流48从车载电网供能装置20经由开关元件6b直至负载25。在此也确保了在任何时候电压都不下降到极限值34以下。
80.借助所示出的装置实现了如此设计冗余的车载电网供能装置，从而避免电压骤降到对于安全关键的负载的临界极限值以下。