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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für sicherheitsrelevante Systeme, welches dazu ausgelegt ist, im Fehlerfall eines Energiebordnetzes sicherheitsrelevante Systeme eines Fahrzeuges für eine Überbrückungszeit weiter zu betreiben.
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Zukünftige Fahrerassistenzsysteme, abgekürzt als FAS, oder ein hochautomatisiertes Fahren, abgekürzt als HAF, setzen eine sichere und verlässliche Stromversorgung von sicherheitsrelevanten Steuergeräten voraus. Dies macht ein Vorsehen von redundanten und fehlertoleranten Architekturen notwendig und schafft einen Bedarf für darauf ausgerichtete Steuergeräte, bspw. zur Stromverteilung in Energienetzen. Die Entwicklung betrifft multiple und unabhängige Batterien bzw. Energiequellen, smarte und fehlertolerante Stromverteilungskonzepte, vielfältige Absicherungen, Sicherheitsschalter und elektrische Sicherungen, und modulare Bauweisen, um entsprechend angepasste Fahrzeuge mit den Sicherungsmaßnahmen auszustatten. Darüber hinaus sind auch erweiterte Diagnostiken notwendig, um die vorgenannten Steuergeräte gemäß des automotiven Sicherheits-Integritäts-Levels, als ASIL abgekürzt, bzw. der Norm ISO WD 26262 bewerten und zertifizieren zu können.
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Ein fehlertolerantes Batteriespeichersystem wird von der Druckschrift
DE 10 2018 100 746 A1 vorgestellt, welches zwei Energiespeichereinheiten aufweist. Die beiden Energiespeichereinheiten können entweder gemeinsam oder mittels einer Quertrenn-Schaltvorrichtung einzeln ohne die jeweilig andere mit einem Bordnetz verbunden werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2017 104 958 A1 stellt ein Batteriespeichersystem zur elektrischen Versorgung wenigstens einer Fahrzeugfunktion vor, die redundant über zwei Versorgungszweige mit dem Batteriespeichersystem verbunden ist. Da die beiden Versorgungszweige schaltungstechnisch getrennt werden können, kann im Falle eines Fehlers in einem der beiden Versorgungszweige der jeweils andere einen weiteren Betrieb gewährleisten.
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Bei einer fehlertoleranten Auslegung des Batteriespeichersystems ist zu beachten, dass die Energiespeichereinheiten selbst einen Schutz benötigen, um sie vor Kurzschlüssen im Bordnetz zu bewahren. Insbesondere moderne Lithium-Ionen-Batterien, bspw. LiFePO4, sind mit einer zusätzlichen Abschaltvorrichtung versehen, um bspw. bei Überlastung oder Überhitzung eine Abschaltung der Energiespeichereinheiten gezielt durchführen zu können. Traditionelle Techniken, wie sie bspw. Schütze darstellen, erweisen sich dabei durch ihr Gewicht und ihren Platzbedarf bei redundantem Vorsehen mehrerer Zweige von Energiespeichereinheiten als nachteilig.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem für sicherheitsrelevante Systeme vorzuschlagen, welches dazu ausgelegt ist, im Fehlerfall eines Energiebordnetzes sicherheitsrelevante Systeme eines Fahrzeuges weiter zu betreiben. Dabei soll es platz- und gewichtssparend ausgelegt sein. Ferner soll ein Energiebordnetz beansprucht werden, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Batteriesystem für ein sicherheitsrelevantes System eines Fahrzeuges vorgeschlagen, wobei das sicherheitsrelevante System mindestens einen Verbraucher umfasst und über das Batteriesystem mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden ist. Das Batteriesystem umfasst eine Batteriemanagementeinheit, eine Energiespeichereinheit mit einer Schmelzsicherung, einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, und seriell miteinander verbunden einen ersten MOSFET-Schalter und einen zweiten MOSFET-Schalter. Der erste MOSFET-Schalter ist mit dem ersten Anschluss verbunden und der zweite MOSFET-Schalter ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. Die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter und zweitem MOSFET-Schalter ist mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu konfiguriert, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System und die Energiespeichereinheit auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der Schritte „Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz“ und „Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands“ umfasst.
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Der Batteriezustand betrifft den Zustand der Energiespeichereinheit des Batteriesystems. Der mindestens eine Verbraucher des sicherheitsrelevanten Systems ist bspw. durch ein FAS oder HAF zur automatisierten Längs- und Querführung des Fahrzeugs gebildet.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird ein eigener Energiebordnetzzweig, der auch redundant ausgelegt sein kann, realisiert. In einer zeitlich begrenzten Notlaufsituation wird somit vorteilhaft eine singuläre und autarke Energieversorgung gewährleistet. Auf diese Weise werden auch in einem Fehlerfall sicherheitsrelevante Systeme versorgt, die bspw. für eine automatisierte Längs- und Querführung des Fahrzeugs notwendig sind.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem realisiert durch die zweiseitige Beschaltung der Energiespeichereinheit einerseits eine Fehlerisolation zum restlichen Bordnetz, d. h. nur der dem restlichen Bordnetz zugewandte Schalter wird im Fehlerfall betätigt. Andererseits wird eine Freischaltung der Energiespeichereinheit ermöglicht, indem beide Schalter betätigt werden.
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Der erste MOSFET-Schalter und der zweite MOSFET-Schalter sind bspw. über ihre jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbunden, wobei dann der Drain-Anschluss des ersten MOSFET-Schalters mit dem ersten Anschluss des Batteriesystems und der Drain-Anschluss des zweiten MOSFET-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Batteriesystems verbunden ist. Es ist aber auch möglich, dass die beiden MOSFET-Schalter über ihre jeweiligen Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist der Source-Anschluss des ersten MOSFET-Schalters mit dem ersten Anschluss des Batteriesystems und der Source-Anschluss des zweiten MOSFET-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Batteriesystems verbunden.
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In Anbetracht einer Fehlerisolation im Bordnetz, zum Beispiel bei einem Kurzschluss, um Unterspannung zu vermeiden, verfügen die erfingungsgemäß angeordneten MOSFETs über die notwendigen Reaktionszeiten und Schaltzeiten, um Schäden an anderen im Bordnetz angeordneten elektronischen Bauteilen zu vermeiden. Dieser wesentliche technologische Vorteil zeichnet die MOSFETs vorteilhaft gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten elektro-mechanischen Schützen aus.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem entspricht vorteilhaft den Anforderungen des automotiven Sicherheits-Integritäts-Levels (ASIL). Zudem ist es auch in Bordnetzen nicht automatisierter Fahrzeuge vorteilhaft einsetzbar, da es auch hier hohe ASIL-Anforderungen bspw. an eine elektronisch-unterstütze Lenkung oder an ein elektronisches Bremssystem gibt. Das erfindungsgemäße Batteriesystem trennt solche sicherheitsrelevanten Systeme im Fehlerfall mittels Seggregation („Freischalten“) vom fehlerbehafteten Bordnetz und hält somit vorteilhaft die Stromversorgung dieser sicherheitsrelevanten Systeme aufrecht.
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Die Stromversorgung des Bordnetzes stellt eine Hauptenergiespeichereinheit des Fahrzeuges dar. Es ist denkbar, dass einzelne Versorgungszweige zusätzliche Energiespeichereinheiten, die als Zwischenenergiespeichereinheiten ausgelegt sind, aufweisen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dediziert als Notfallenergieversorgung sicherheitsrelevanter Systeme bei Ausfall aller anderen Energiespeichereinheiten oder Ausfall von elektrischen Verbindungen zu allen anderen Energiespeichereinheiten ausgelegt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist das Batteriesystem zwischen der Energiespeichereinheit und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter auf. Der dritte MOSFET-Schalter ist bidirektional ausgestaltet, d. h. zwei MOSFET-Schalter sind mit ihrem jeweiligen Source-Anschluss oder mit ihrem jeweiligen Drain-Anschluss miteinander verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist weiter dazu konfiguriert, den dritten MOSFET-Schalter zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters wahlweise einen weiteren Schritt „Öffnen des dritten MOSFET-Schalters“ umfasst. Damit wird vorteilhaft bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands die Energiespeichereinheit geschützt und weiterhin eine Stromversorgung des sicherheitsrelevanten Systems über das Bordnetz aufrechterhalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind der erste MOSFET-Schalter vom Verarmungstyp und der zweite MOSFET-Schalter vom Anreicherungstyp. Der zweite MOSFET-Schalter ist damit ohne einer an seinem Gate anliegender Spannung „normal“ geöffnet und trennt damit vorteilhaft sicherheitshalber bei Ausfall einer Ansteuerung des Gates das Bordnetz ab. Der erste MOSFET-Schalter ist hingegen „normal“ geschlossen, und sorgt damit vorteilhaft bei Ausfall einer Ansteuerung seines Gates für eine Notfallstromversorgung des sicherheitsrelevanten Systems durch die Energiespeichereinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die Energiespeichereinheit mit Lithium-Ionen-Zellen gebildet. Durch die MOSFET-Schalter des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird vorteilhaft eine Schutzbeschaltung realisiert, die bei unzulässigen Batteriezuständen die Lithium-Ionen-Zellen freischaltet. Solche unzulässigen Zustände werden durch die Batteriemanagementeinheit festgestellt.
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In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist ein unzulässiger Batteriezustand der Energiespeichereinheit durch mindestens ein Kriterium gemäß folgender Liste gebildet: Überlastung, Überspannung, Unterspannung, überhöhte Batterietemperatur, Tiefentladung. Der jeweilige Batteriezustand wird von der Batteriemanagementeinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems überwacht. Dies umfasst natürlich auch zulässige Batteriezustände, wie bspw. einen Ladezustand mit anteiligen Werten, einer Batterietemperatur oder ein Lebensalter. Bei einem niedrigen Ladezustand kann die Batteriemanagementeinheit bspw. eine Aufladung der Energiespeichereinheit über das Bordnetz veranlassen. Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem ist eine solche vorteilhaft die Sicherheit des sicherheitsrelevanten Systems gewährleistende Maßnahme auch in einem laufenden Betrieb, bspw. während einer Fahrt des Fahrzeugs oder einer Aufladung der Hauptenergiespeichereinheit an einer Ladesäule, durchführbar.
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In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zwischen der gemeinsamen Verbindung der MOSFET-Schalter und Masse eine Schottky-Diode geschaltet. Die Schottky-Diode verbessert die Funktion der MOSFET-Schalter, insbesondere unter Berücksichtigung eines Lawineneffektes, da vorteilhaft ein Freilaufpfad in dem MOSFET-Schalter befördert wird und die mit dem Lawineneffekt einhergehende Dissipationsenergie reduziert wird. Damit werden weiter vorteilhaft nicht primäre Spannungsspitzen geglättet. Eine Diagnostik zur erfindungsgemäß angeordneten Schottky-Diode misst bspw. eine Absenkung der Dissipationsenergie um 57% zu einer Anordnung ohne Schottky-Diode.
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In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zwischen den jeweiligen mit den Anschlüssen des Batteriesystems verbundenen Anschlüssen der MOSFET-Schalter und einer jeweiligen Masse eine jeweilige Supressor-Diode angeordnet. Gemeinsam mit der Schottky-Diode werden vorteilhaft die MOSFET-Schalter vor höheren Spannungsspitzen geschützt, indem die Dissipationsenergie weiter reduziert wird. So ergibt bspw. die Diagnostik zu einer Minimierung einer Clamping-Spannung, welche genau während des Schaltmoments auftritt, dass bei Reduzierung einer Höhe der Clamping-Spannung oder auch bei Reduzierung einer Zeitdauer des Schaltmoments entsprechend weniger Energie in die MOSFET-Schalter eingetragen wird.
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Ferner wird ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs beansprucht, welches ein Bordnetz, mindestens ein sicherheitsrelevantes System, und mindestens ein Batteriesystem umfasst. Das sicherheitsrelevante System umfasst mindestens einen Verbraucher und ist über das Batteriesystem mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden. Das Batteriesystem umfasst eine Batteriemanagementeinheit, eine Energiespeichereinheit mit einer Schmelzsicherung, einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, und seriell miteinander verbunden einen ersten MOSFET-Schalter und einen zweiten MOSFET-Schalter. Der erste MOSFET-Schalter ist mit dem ersten Anschluss verbunden und der zweite MOSFET-Schalter ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. Die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter und zweitem MOSFET-Schalter ist mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu konfiguriert, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System und die Energiespeichereinheit auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der Schritte „Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz“ und „Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands“ umfasst.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiebordnetzes weist das Batteriesystem zwischen der Energiespeichereinheit und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter, welcher bidirektional ausgestaltet ist, auf. Die Batteriemanagementeinheit ist weiter dazu konfiguriert, den dritten MOSFET-Schalter zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters wahlweise einen weiteren Schritt „Öffnen des dritten MOSFET-Schalters“ umfasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiebordnetzes weist das mindestens eine sicherheitsrelevante System eine redundante Energieversorgung auf. Dies bedeutet, dass der im sicherheitsrelevanten System angeordnete Verbraucher noch über eine zusätzliche Verbindung mit dem Bordnetz oder zusätzlichen angeordneten Energiespeichereinheiten verfügt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt ein Schaltschema zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
- 2 zeigt ein Schaltschema zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
- 3 zeigt schematisch bidirektionale MOSFET-Schalter in noch weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
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In 1 wird ein Schaltschema 100 zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 110 gezeigt. Das Batteriesystem weist eine Batteriemanagementeinheit 115, eine Energiespeichereinheit 111 mit einer Schmelzsicherung 112, einen ersten Anschluss 102, einen zweiten Anschluss 103, einen ersten MOSFET-Schalter 113 und einen zweiten MOSFET-Schalter 114 auf. An dem ersten Anschluss 102 ist ein sicherheitsrelevantes System 101 angeschlossen, welches bspw. für ein autonomes Fahrmanöver notwendig ist.
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An dem zweiten Anschluss 103 ist das Batteriesystem 110 mit einem restlichen Bordnetz verbunden.
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In 2 wird ein Schaltschema 200 zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 110 gezeigt. Zwischen der Energiespeichereinheit 111 und der Schmelzsicherung 112 ist zusätzlich ein dritter MOSFET-Schalter 216 angeordnet. Der dritte MOSFET-Schalter 216 ist ein bidirektionaler Schalter und weist zwei an ihrem Source-Anschluss miteinander verbundene MOSFETs auf. Bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustandes, bspw. bei zu hoher Betriebstemperatur der durch Lithium-Ionen-Zellen gebildeten Energiespeichereinheit 111, wird der bidirektionale MOSFET-Schalter 216 geöffnet, während bei geschlossenem ersten MOSFET-Schalter 113 und geschlossenem zweiten MOSFET-Schalter 114 das sicherheitsrelevante System 101 weiter über das Bordnetz versorgt wird.
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In 3 werden schematisch bidirektionale MOSFET-Schalter 310, 320, 330 in noch weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems gezeigt. Das Schaltschema 310 zeigt zwei an ihrem Source-Anschluss miteinander verbundene MOSFET-Schalter 303, 304, jeweilig mit ihrer intrinsisch vorhandenen Freilaufdiode 301 und ihrem Gate-Anschluss 302. Der MOSFET-Schalter 303 ist als Verarmungstyp ausgelegt, welcher ohne Spannung am Gate-Anschluss 302 geschlossen ist. Der MOSFET-Schalter 304 ist als Anreicherungstyp ausgelegt, welcher ohne Spannung am Gate-Anschluss 302 geöffnet ist. Im Schaltschema 320 ist am gemeinsamen Source-Anschluss der beiden MOSFET-Schalter 303, 304 eine Schottky-Diode 321 angeschlossen, Bei dem Schaltschema 330 sind zusätzlich an die jeweiligen Drain-Anschlüsse der beiden MOSFET-Schalter 303, 304 eine jeweilige TVS- bzw. Supressor-Diode 331 angeschlossen. Weitere Ausgestaltungen sind denkbar, bei denen die bidirektionen MOSFET-Schalter 310, 320, 330 bspw. über ihre jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind. In diesem Fall würde analog zum Schaltschema 320 eine jeweilige Schottky-Diode „außen“ an den jeweiligen Source-Anschlüssen angeordnet werden. Gleichfalls würde analog zum Schaltschema 330 eine Supressor-Diode nach „innen“ an den gemeinsamen Drain-Anschluss verlegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltschema zum Batteriesystem
- 101
- Sicherheitsrelevantes System
- 102
- Anschluss zum sicherheitsrelevanten System
- 103
- Anschluss Bordnetz
- 110
- Batteriesystem
- 111
- Batterie
- 112
- Schmelzsicherung
- 113
- Erster MOSFET-Schalter
- 114
- Zweiter MOSFET-Schalter
- 115
- Batteriemanagementeinheit
- 200
- Schaltschema weiterer Batterieschalter
- 216
- Batterieschalter
- 301
- Freilaufdiode
- 302
- Gate-Anschluss
- 303
- Verarmungstyp-MOSFET („normally close“ depletion type)
- 304
- Anreicherungstyp-MOSFET („normally open“ enhancement type)
- 310
- Bidirektionaler MOSFET-Schalter
- 320
- Bidirektionaler MOSFET-Schalter mit Schottky-Diode
- 321
- Schottky-Diode
- 330
- Bidirektionaler MOSFET mit Schottky- und Supressor-Diode
- 331
- Supressor-Diode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018100746 A1 [0003]
- DE 102017104958 A1 [0004]