Titel

Trennschalter

Die Erfindung betrifft einen Trennschalter mit bidirektionaler Klemmung, der insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Überprüfen eines Trennschalter, insbesondere eines Trennschalters der hierin beschriebenen Art.

Stand der Technik

Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, z. B. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das

Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung sichergestellt ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.

In Kraftfahrzeugen mit elektrisch unterstützten oder rein elektrisch ausgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen, wie bspw. die Lenkung oder Bremse, bestehen hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit dieser Funktionen während der Fahrt. Unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 können solche Funktionen mit einer Verfügbarkeit nach Einstufung ASIL C oder D klassifiziert sein.

ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ist eine Schlüsselkomponente der ISO 26262. Der ASIL-Level wird jeweils zu Beginn eines Entwicklungsprozesses bestimmt. Hierzu werden die Systemfunktionen analysiert und in Bezug zu möglichen Risiken gestellt. ASIL-A hat die geringste Risikostufe, ASIL-D die höchste Risikostufe.

In Abhängigkeit von der Versorgungsarchitektur des Bordnetzes erfordert dies eine elektrische Trenneinrichtung zur Entkopplung von hochzuverlässigen Teilversorgungsnetzen, bspw. ASIL C oder D, hier genannt Kl. 30_1, und herkömmlichen Teilversorgungsnetzen, Einstufung z. B. QM, hier genannt Kl. 30_0. QM ist eine Einstufung unterhalb von ASIL A und bedeutet, dass nur herkömmliche Qualitätsmaßnahmen vorgenommen werden. Im Falle von Kurzschlüssen oder Überströmen im Bordnetzteil Kl. 30_0 wird dieser vom hochzuverlässigen Bordnetzteil Kl. 30_1 über einen Trennschalter abgetrennt, um Funktionen, wie bspw. die Lenkung oder die Bremse, mit einer Versorgung aus Kl. 30_1 ungestört aufrecht zu erhalten. Das Sicherheitsziel für den Trennschalter lautet hier„sicher Trennen“.

Die Druckschrift DE 10 2008 043 402 Al beschreibt ein Verfahren zum Schutz von an ein Bordnetz angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung, bei dem vorgesehen ist, die Überspannung einer energievernichtenden Last zuzuführen, die die Überspannung abbaut. Die energievernichtende Last kann bspw. als Starter ausgebildet sein.

Aus der Druckschrift DE 10 2014 201 581 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines Bordnetzes von einem Gleichspannungswandler bekannt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, eine Versorgungsspannung mit einem

Gleichspannungswandler in eine Bordnetzspannung umzurichten, eine Sperrspannung an zumindest einem der Halbleitergleichrichterelemente zu ermitteln und einen Trennschalter zum Abkoppeln des Bordnetzes vom Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von dem Wert der ermittelten Sperrspannung anzusteuern.

Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden ein Trennschalter nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.

Der vorgestellte Trennschalter mit bidirektionaler Klemmung weist einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad auf, wobei in dem ersten Strompfad eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite

Trennschalterelementgruppe angeordnet sind und in dem zweiten Strompfad eine dritte Trennschalterelementgruppe und eine vierte

Trennschalterelementgruppe angeordnet sind. Dabei ist jede der

Trennschalterelementgruppen in Ausgestaltung getrennt bzw. gesondert anzusteuern. Dies bedeutet, dass jede Trennschalterelementgruppe unabhängig von den anderen Trennschalterelementgruppen angesteuert werden kann. Grundsätzlich ist es ausreichend, eine gemeinsame Ansteuerung jedes Pfades vorzusehen.

Von Bedeutung ist, dass die Trennschalterelementgruppen, die typischerweise eine Reihe von Trennschalterelementen, wie bspw. Halbleiterschalter, z. B. MOSFETs, aufweisen, so zueinander angeordnet sind, dass ein Sperren eines Stromflusses in beide Richtungen ermöglicht ist.

Es wird somit eine vereinfachte Struktur des Trennschalters mit

Klemmelementen, wie bspw. Freilaufdioden und Zenerdiode, vorgestellt, die bei einer Abschaltung in beiden Stromrichtungen wirkt und daher nur einmal erforderlich ist. Daneben soll eine Diagnose der Trennschalterelemente auf Sperrfähigkeit zu Beginn eines Fahrzyklus oder sogar im Betrieb durchgeführt werden können.

Dabei ist in Ausgestaltung die Aufteilung des Trennschalters in zwei parallele Strompfade mit Gruppen von Trennschalterelementen, wie bspw. MOSFET- Gruppen, vorgesehen, die ohnehin zur Führung des Gesamtstromes erforderlich sind. Durch Vertauschung der MOSFET-Anordnung in beiden Gruppen ergibt sich die Möglichkeit, zum einen eine gemeinsame Überspannungsklemmung für beide Stromrichtungen vorzusehen und zum anderen einen gemeinsamen Freilaufpfad bereitzustellen. Weiterhin kann auch im Betrieb jeweils eine MOSFET-Gruppe kurzzeitig ausgeschaltet werden, um die Elemente zu überprüfen.

Das vorgestellte Verfahren zum Überprüfen eines Trennschalters kann insbesondere mit einem Trennschalter der hierin beschriebenen Art durchgeführt werden. Dieses Verfahren kann auch als ein Verfahren zum Durchführen einer Diagnose bei einem Trennschalter, bei dem in mindestens einen Strompfad eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe vorgesehen sind, bezeichnet werden. Dabei wird ein Widerstand zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen geschaltet und anschließend das Potential zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen überwacht. Alternativ kann auch eine Stromquelle oder eine Stromsenke verwendet werden. Kann das Potential mit dem Widerstand nicht angehoben, im Falle eines Pullup- Widerstands, oder gesenkt, im Falle eines Pulldown-Widerstands, werden, so ist zumindest eines der Trennschalterelemente defekt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den jeweiligen Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Ausführung eines Trennschalters.

Figur 2 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Trennschalters.

Figur 3 zeigt den Trennschalter aus Figur 3 mit einer Veranschaulichung der Stromflüsse.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Trennschalters. Ausführungsformen der Erfindung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen

schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die

Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Ausführung eines Trennschalters, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist und der auf einem Trennschalter basiert, der zum Schutz von hochzuverlässigen Teilbordnetzen bislang eingesetzt wird. Die Darstellung zeigt den Trennschalter 10, der zwischen einem herkömmlichen Bordnetz, das hier durch eine Klemme Kl. 30_0 12 dargestellt ist und eine QM- Einstufung hat, und einem sicherheitsrelevanten Bordnetz, das hier durch eine Klemme Kl. 30_1 14 dargestellt ist und eine Energiequelle, wie bspw. eine Batterie umfasst, angeordnet. Sicherheitsrelevante Verbraucher, wie bspw. eine Lenkung oder eine Bremse, sind an Kl. 30_1 14 angeschlossen.

Die Darstellung weist als Trennschalterelementgruppen eine erste

Transistorengruppe T1 20 und eine zweite Transistorengruppe T2 22 auf, die in einer back-to-back-Anordnung zueinander angeordnet sind. Die Darstellung zeigt auch jeweils die Body-Dioden der Transistoren der beiden Transistorengruppen 20 und 22. Zum Ansteuern der ersten Transitorengruppe T1 20 sind erste Gate- Treiber 24 und zum Ansteuern der zweiten Transistorengruppe 22 sind zweite Gate-Treiber 26 vorgesehen. Weiterhin sind zur Spannungsbegrenzung parallel zu der ersten Transistorengruppe T1 20 eine erste Zenerdiode D1 28 und parallel zu der zweiten Transistorengruppe T2 22 eine zweite Zenerdiode 30 vorgesehen.

Der Trennschalter 10 kann in beide Richtungen sperren. Besteht an der Klemme Kl. 30_0 12 ein Kurzschluss, kann der Stromfluss mittels der ersten

Transistorengruppe T1 20 unterbunden werden. Ein Stromfluss in die

Gegenrichtung kann mittels der zweiten Transistorengruppe T2 22 unterbunden werden, um die Body-Dioden in der ersten Transistorengruppe T1 20 gegen unkontrollierten Stromfluss zu schützen. Zu beachten ist, dass die Überspannungsklemmung mit den Zenerdioden D1/D2 28/30 nicht massebezogen ist und daher ungewollte Überspannungen in

Abhängigkeit des Versorgungsspannungniveaus erzeugen kann.

Durch eine Überspannungsklemmung wird die beim Abschalten der MOSFETs entstehende Überspannung begrenzt und damit werden die MOSFETs und die angeschlossenen Verbraucher vor schädlichen Spannungen geschützt. Durch eine Klemmung bzw. einen Freilauf wird beim Abschalten der MOSFETs eine entstehende negative Spannung begrenzt und es werden die MOSFETs bzw. Verbraucher geschützt.

Die Darstellung zeigt weiterhin einen Pullup-Widerstand 40, der eine Diagnose bzw. ein Überprüfen der Transistoren der Gruppen 20 und 22, die als Schalter dienen und bspw. als MOSFETs ausgebildet sind, ermöglicht.

Komponenten 42 und 44 dienen der Spannungsmessung am Knoten, wobei grundsätzlich nur eine der beiden Komponenten 42, 44 hierfür erforderlich ist. Komponente 46 dient der Strommessung, die z. B. ein Trennen des Schalters bei Überstrom auslösen kann.

Eine Diagnose durch Abschalten im Betrieb durch Abschalten der Transistoren bzw. MOSFETs und Messung der Trennfähigkeit ist jedoch nicht möglich, da hierbei der Hauptstrompfad unterbrochen wird.

Figur 2 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Trennschalters, die insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Klemme Kl.30_0 52 und eine Klemme Kl.30_1 54, zwischen denen der Trennschalter 50 angeordnet ist. Der Trennschalter 50 ist wiederum in zwei parallele Strompfade 56 und 58 unterteilt. Im ersten Strompfad 56 sind als

Trennschalterelementgruppen eine erste Transistorgruppe T1 60 und eine zweite Transistorgruppe T2 62 vorgesehen. Entsprechend sind im zweiten Strompfad 58 als Trennschalterelementgruppen eine dritte Transistorgruppe T3 64 und eine vierte Transistorgruppe T4 66 vorgesehen. Die erste Transistorgruppe T1 60 und die zweite Transistorgruppe T2 62 sind in einer front-to-front-Anordnung zueinander vorgesehen. Die dritte Transistorgruppe T3 64 und die vierte Transistorgruppe T4 66 sind in einer back-to-back-Anordnung zueinander vorgesehen.

Zwischen der ersten Transistorgruppe T1 60 und der zweiten Transistorgruppe T2 62 sind eine Zenerdiode D1 70 zum Schutz vor Überspannungen und ein Pullup-Widerstand 72 angeschlossen. Zwischen der dritten Transistorgruppe T3 64 und der vierten Transistorgruppe T4 66 sind eine Freilaufdiode D2 74, die zum Begrenzen der Spannung dient, und ein Pulldown-Widerstand 76 angeschlossen. Der Pullup-Widerstand 72 ermöglicht eine Überprüfung der

Trennschalterelemente in T1 60 und T2 62 sowie eine Überprüfung der Funktion der Zenerdiode D1 70. Der Pulldown-Widerstand 76 ermöglicht eine Überprüfung der Trennschalterelemente in T3 64 und T4 66 sowie eine Überprüfung der Funktion der Freilaufdiode 74.

Die Klemmung bei dem gezeigten Trennschalter 50 kann massebezogen erfolgen und setzt unabhängig von der momentanen Versorgungsspannung ein. Die Klemmspannung ist dabei nicht vom Niveau der Potentiale Kl. 30_0/_1 52/54 abhängig.

Wird der Trennschalter 50 geöffnet und die in den Zuleitungsinduktivitäten gespeicherte Energie abgebaut, so sind die Klemmelemente D1 70 und D2 74 in beide Stromrichtungen wirksam. Die Zenerdiode D1 70 begrenzt bei einem Stromfluss in den Trennschaltern 50 durch die Body-Diode von T1 60 oder T2 62 Überspannungen. Anstelle der Zenerdiode D1 70 kann die Klemmung allgemein als Klemmschaltung für positive Überspannungen realisiert sein. Die

Freilaufdiode D2 74 stellt einen Freilaufpfad für Ströme aus dem Trennschalter 50 durch die Body-Dioden von T3 64 und T4 66 bereit und kann mittels einer Diode oder einer Schaltung mit Diodenfunktion realisiert werden.

Durch eine Aufteilung des Strompfads in die beiden Strompfade 56, 58 durch T1/T2 (60/62) und T3/T4 (64/66) entsteht die Möglichkeit der Diagnose im

Betrieb. Hierzu wird ein Teilpfad zur Diagnose abgeschaltet, während der andere Pfad für eine kurze Zeit den gesamten Strom übernimmt. Die Darstellung zeigt weiterhin ein Netz ProtGND 80, das eine verpolgeschützte Masse darstellt, falls in mindestens einem der beiden Bordnetze eine

Verpolungsmöglichkeit mit auftretenden negativen Spannungen besteht.

Komponente 90 dient der Messung des Drain-Source-Spannungsabfalls der MOSFETs. Komponente 92 dient der Strommessung durch den Shunt.

Figur 3 zeigt den Trennschalter 50 aus Figur 2, wobei ein Beispiel des

Stromflusses bei der Abschaltung eines hohen Stromes von Kl. 30_1 nach Kl. 30_0 mit Klemmvorgängen aufgrund der Zuleitungsinduktivitäten kenntlich gemacht ist.

Das Diagnosekonzept ist wie folgt:

Die Diagnose eines Pfads T 1/T2 60/62 oder T3/T4 64/66 sowie der

Klemmstrukturen kann nur im abgeschalteten Zustand des Pfads erfolgen.

T1/T2 60/62 werden durch Anlegen einer positiven Spannung über den Pullup- Widerstand 72 nach V auf Sperrfähigkeit geprüft. Hierbei sollte V deutlich oberhalb von Kl. 30_0 52 und Kl. 30_1 54 liegen. Die Diagnosespannung wird nach oben durch die Zenerspannung von D1 70 begrenzt. Damit ist die

Sperrfähigkeit der MOSFETs und gleichzeitig die Funktionsfähigkeit von D1 70 überprüfbar.

Analog können T3 64 und T4 66 durch Anlegen einer negativen Spannung über den Pulldown-Widerstand 76 nach V auf Sperrfähigkeit überprüft werden. Eine Begrenzung der Diagnosespannung durch D2 74 auf ca. 0,7..1 ,0 V unterhalb von ProtGND 80 zeigt auch die Leitfähigkeit von D2 74 an.

Eine Diagnose auf Leitfähigkeit der MOSFETs ist für ein Sicherheitsziel "sicher Trennen" nicht erforderlich, kann aber durch Plausibilisierung des Drain-Source- Spannungsabfalls bei bekanntem Strom erfolgen. Mit Unterbrechung

ausgefallene MOSFETs erhöhen dabei den Drain-Source-Spannungsabfall. Für diese Funktion sind die Elemente 90 und 92 erforderlich. Die Klemmelemente D1 70 und D2 74 sind stellvertretend gezeichnet und können in der Anwendung mehrere Elemente in Serie oder Schalter enthalten. Dies kann insbesondere aufgrund der ASIL-Einstufung und Vermeidung von Einfachfehlern sowie Diagnoseanforderungen notwendig sein.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Trennschalters 100 mit zwei redundanten Trennelementen. Die Darstellung zeigt eine Klemme Kl.30_0 102 und eine Klemme Kl.30_1 104, zwischen denen der Trennschalter 100 angeordnet ist. Der Trennschalter 100 ist wiederum in zwei parallele Strompfade 106 und 108 unterteilt. Im ersten Strompfad 106 sind als

Trennschalterelementgruppen eine erste Transistorgruppe T1 110 und eine zweite Transistorgruppe T2 112 vorgesehen. Entsprechend sind im zweiten Strompfad 108 als Trennschalterelementgruppen eine dritte Transistorgruppe T3 114 und eine vierte Transistorgruppe T4 116 vorgesehen.

Zusätzlich ist in dem ersten Strompfad 106 eine fünfte Transistorgruppe T5 120 und im zweiten Strompfad 108 eine sechste Transistorgruppe T6 122

vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Pullup-Widerstand 130, eine Zenerdiode D1 132, einen ersten Widerstand R1 134, einen zweiten Widerstand R2 136, einen Pulldown-Widerstand 140, eine Freilaufdiode 142, einen dritten Widerstand R3 144 und einen vierten Widerstand R4 146.

Je nach Anforderungen an die Kennzahlen der Metriken zur funktionalen

Sicherheit kann eine redundante Ausführung der Trennelemente notwendig sein. In der Topologie äußert sich dies durch die zusätzlichen MOSFETs T5 120 und T6 122. Durch Einfügen der MOSFETs T5 120 und T6 122 stehen nun jeweils zwei MOSFET-Gruppen zum Abschalten eines Stromflusses von Kl. 30_1 nach Kl. 30_0 redundant zur Verfügung, nämlich T1 110 / T5 120 und T4 116 / T6 122. Ein Kurzschluss in einer der MOSFET-Gruppen führt also noch nicht als

Einzelfehler zum Verlust der Sicherheitsrelevanten Trennfunktion.

Um auch hier die Diagnose aller relevanten MOSFETs durchführen zu können, wurde das Diagnosenetzwerk aus R1..R4 ergänzt. Werden diese Widerstände z. B. mit gleichen Werten ausgeführt, ergibt sich im Diagnosezustand, d. h. Schalter im Pfad AUS, am neuen Meßpunkt zwischen T1/T5 und T4/T6 jeweils die halbe Differenzspannung der Prüfspannung über T1/T5 und T4/T6. Damit kann auch die Trennfähigkeit der zusätzlichen redundanten MOSFETs in Sperrrichtung überprüft werden. Das Diagnosenetzwerk kann grundsätzlich durch eine Spannungsmesseinrichtung gegeben sein.