Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine flexibel anpassbare Architektur einer modularen Lösung von elektronischen Sicherungen (eFuse) zur Absicherung elektronischer Stromkreise, vorzugsweise in einem Fahrzeugbordnetz sowie eine Sicherungsbox, die modular mit solchen elektronischen Sicherungen bestück- bar ist. Die Erfindung betrifft neben Fahrzeuganwendungen und Bordnetzen auch andere elektronische Anwendungen, bei denen jeweils flexibel eine variable Anzahl an Stromkreisen abzusichern ist.

Im Stand der Technik sind bereits diverse Sicherungen bekannt, um Stromkreise zu trennen. Nach wie vor werden traditionell Schmelzsicherungen ver- wendet, die aber viele Nachteile mit sich bringen und jeweils auf eine bestimmte und feste Abschaltbedingung eingestellt sind, zum Beispiel ein maximal zulässiger Strom. Bei Überschreiten der zulässigen Stromstärke wird der Schmelzdraht geschmolzen und ist die Sicherung danach nicht mehr funktionsfähig.

Speziell in Kraftfahrzeugen sind elektrische Verbraucher typischerweise in einem Bordnetz angeordnet. Bei den Verbrauchern wird dabei zwischen sicherheitsrelevanten Verbrauchern und nicht sicherheitsrelevanten Verbrauchern, wie bspw. QM-Verbrauchern (QM: quality management), unterschieden. Beim Betrieb des Bordnetzes ist von Bedeutung, dass die Energieversorgung für insbesondere die sicherheitsrelevanten Verbraucher stets gesichert und gewährleistet ist. Um die Sicherheit des Bordnetzes zu gewährleisten, ist es bekannt, die Energieversorgung im Bordnetz und damit im Kraftfahrzeug zu überwachen. Grundsätzlich besteht ohnehin ein Bedarf nach Erfüllung der funktionalen Sicherheit (ISO26262).

Die Fig. 1 der DE 102020213357 A1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Basisbordnetz, welches einen Energiespeicher mit zugehörigem Batteriesensor, sowie mehrere Verbraucher, die durch einen elektronischen Lastverteiler abgesichert bzw. angesteuert werden, umfasst. Der elektronische Lastverteiler umfasst mehrere Schaltmittel, die jeweils insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher ansteuern bzw. absichern. Die Halbleiterschalter fungieren beispielsweise nach bestimmten Kriterien, wie (Überspannung, (Über)strom, Temperatur etc. als elektronische Sicherung, um den jeweiligen abgesicherten Verbraucher bei unzulässigen Betriebszuständen von der Energieversorgung zu trennen. An einem weiteren

Schaltmittel des elektronischen Lastverteilers ist beispielhaft ein weiterer Lastverteiler angeschlossen, über den weitere Verbraucher abgesichert (beispielsweise über Schmelzsicherungen) und gezielt mit Energie versorgt werden. Bei diesen Verbrauchern kann es sich beispielsweise um Beleuchtung, Scheibenwischer oder solche Verbraucher handeln, die beispielsweise nach einem Fahrzeug-Crash zum Einsatz kommen. Weiterhin umfasst der elektronische Lastverteiler ein Trennmittel, um den elektronischen Lastverteiler vom Teilbordnetz zu trennen.

Der Lastverteiler und die Schaltmittel besitzen allerdings eine feste, auf das Bordnetz abgestimmte Topologie und diese Topologie ist nicht flexibel auf andere Bordnetze übertragbar. So werden für eine Anzahl unterschiedlicher Fahrzeuge, selbst der gleichen Serie eines Herstellers eine große Anzahl an Lastverteilern und Sicherungsboxen benötigt, um auf die jeweilige Fahrzeugkonfiguration abgestimmt zu sein. Dies ist nachteilig und aufwändig.

Aus der DE 4329860 A1 ist eine Schaltung zur Steuerung unterschiedlicher elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug bekannt. Die Lösung betrifft eine Schaltungsanordnung der Steuerung unterschiedlicher elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug. Die Schaltungsanordnung ist eingangsseitig mit einer Spannungsquelle und mit Eingabeschaltern und ausgangsseitig mit den zu steuernden Verbrauchern verbunden. Jedem Verbraucher ist ein individuelles Halbleiterelement zugeordnet, das bei Auftreten eines Kurzschlusses am Halbleiterelementausgang den zugeordneten Verbraucher von der Spannungsquelle abtrennt und das bei der Beendigung des Kurzschlusses den zugeordneten Verbraucher wieder mit der Spannungsquelle verbindet. Auch für Verbraucher, die eine relativ hohe elektrische Leistung in dem Kraftfahrzeug umsetzen, wie beispielsweise eine Fahrgastraumheizung, ist ein Halbleiterelement zur Ansteuerung vorgesehen. Als Halbleiterbauelemente werden insbesondere MOSFET-Transistoren verwendet.

Die Schaltelemente und Sicherungseinrichtungen sind auch hier fest in der Schaltung verbaut, so dass eine variable Anpassung an unterschiedliche Bordnetze oder Anforderungen nicht ohne weiteres möglich ist.

Aus den Druckschriften DE 102005013440 A, JP 2007288356 und EP 1870978 A zeigen weitere alternative, aber ebenfalls unflexible Lösungen, welche jeweils statisch auf einen bestimmten Anwendungsfall abgestimmt sind.

Neben dem grundsätzlichen Bedürfnis nach mehr Variabilität und Flexibilität, besteht ein weiteres Bedürfnis darin, eine Fusebox oder Sicherungsarchitektur, insbesondere auch nach dem Einbau in einer Anwendung oder eine Fahrzeugbordnetz noch anpassen oder modifizieren zu können. Daneben wäre es wünschenswert, gewisse Verbraucher und Einrichtungen frei schalten und sperren zu können, ohne dass eine bestimmte Abschaltbedingung im Gebrauch eintritt.

So ist es bekannt, dass es bei der Fahrzeugkonfiguration einen hohen Aufwand mit sich bringt, wenn der Besteller bestimmte Komponenten im Fahrzeug benötigt, die als Zubehör oder Sonderausstattung vorgesehen sind. Einerseits kann die Konfiguration später nicht mehr geändert werden und andererseits gibt es Einrichtungen, die man ggf. abhängig vom Nutzerverhalten im Betrieb freischalten können möchte, zum Beispiel durch Zahlung einer Gebühr.

Mit den im Stand der Technik bekannten Lösungen, lassen sich solche flexible, variable und auch im Betrieb noch anpassbare Lösungen nicht in der gewünschten Weise realisieren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu überwinden und insbesondere eine kostengünstige, fallweise anpassbare und flexible Lösung vorzuschlagen, mit der eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere Sicherungskonzepte in einem Fahrzeugbordnetz realisierbar sind.

Erfindungsgemäß wird ein Set bestehend aus einer Vielzahl n elektronischen Sicherungen (S1 , S2, S3, ... , Sn) zur gesteuerten Trennung und Verbindung jeweils eines oder mehrerer elektronischen Stromkreise oder Kanäle mit einer der Sicherungen vorgeschlagen, wobei jede Sicherung ein Sicherungsgehäuse und einen Anschlusssockel mit Anschlusskontakten aufweist. Erfindungsgemäß weisen diese genau einen oder wenigstens einen Eingangskontakt und für jeden zu schaltenden Stromkreis oder Kanal entsprechend k Ausgangskontakte auf, die schaltungstechnisch über wenigstens eine in der jeweiligen Sicherung integrierte mit elektrischen Schaltelementen bestückten Leiterplatte (oder einer Trägerstruktur, die über Leitelemente/Leiterbahnen) verfügen und die jeweils schaltungstechnisch mit dem Eingangskontakt verbunden sind, wobei folgende Bedingungen gelten: n e w mit n > 4 und k e N mit k = 1 , 2 ,3 bis n.

Die Vielzahl an n elektronischen Sicherungen ist vorteilhaft in der Größenordnung von 10 bis 50, jedenfalls größer/gleich 4, da dann die Modularität in besonders effizienter Weise erzielt werden kann. Modulare Konzepte sind im Stand der Technik zwar bekannt, aber nach der vorliegenden Idee, lassen sich durch die Kombinatorik der Modularität auf Sicherungsebene (modulare elektronische Sicherung mit mehreren Kanälen) einerseits und ergänzend der Modularität auf Variantenebene (Sicherungen unterschiedlicher Ausführung) andererseits, mit einer deutlich geringeren Anzahl an bereitgestellten Varianten eine signifikant höhere Anzahl an Lösungen nach dem Baukastenprinzip realisieren. Hier sind die Mehrkanal-Vananten selbst bereits besonders vielfältig einsetzbar, da diese Lösungen neben der Modularität in einer ersten (übergeordneten) Hierarchie auch eine Modularität in untergeordneter Hierarchie (auf Sicherungsebene) ermöglichen. Das Konzept der vorliegenden Erfindung besteht damit in der Optimierung und Realisierung der folgenden Komponenten:

- modularer Aufbau von elektronischen Sicherungen (1-fach/ 2-fach/ 4- fach/ .../Mehrfach-Kanäle),

- Baukastensystem aus den modularen Sicherungen und den Varianten,

- Kombinationsmöglichkeit unterschiedlicher Leistungsklassen der bekannten Klassen der Stecksicherungen von typischerweise 1 bis 80A bzw. der Schraubsicherungen von typischerweise 80 bis 400A

- Gleichzeitig die Möglichkeit eines flexiblen, anpassungsfähigen und modularer Aufbaus elektronischer Sicherungsboxen (ePDU/ eHSB) mit der Kombination einzelner Steckmodule, Varianten und der Kombination weiterer elektrischer Module auf einer gemeinsamen Leiterplatte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anschlusskontakte als Steckkontakte, Lötkontakte oder Einpresskontakte mit einer gemeinsamen Montagerichtung oder Erstreckungsrichtung ausgebildet sind. Auf diese Weise lassen sich besonders montagefreundliche und übersichtliche Boxen realisieren, bei denen alle Sicherungen in einer Montageebene fixierbar und z.B. durch Einstecken bei Steckkontakten montierbar sind.

Eine weitere optionale Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anschlusskontakte mit einer zur Verschraubung vorgesehenen Öffnung ausgebildet sind, um diese mittels eines schraubbaren Verbindungsmittels elektrisch mit einem Stromkreis zu verbinden. Denkbar sind zum Beispiel Stromschienen oder Busbar-Anbindungen mit einer Schraublösung. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die zur Verschraubung vorgesehen Anschlusskontakte an gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Sicherungen angeordnet sind oder hervorstehen.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die oder alle Schaltelemente der elektronischen Sicherungen (S1 , S2, S3, ... , Sn) in ihren Trenn- und Schaltbedingungen individuell einstellbar, insbesondere über eine integrierte Kommunikationsschnittstelle programmierbar oder anpassbar sind.

Ein ebenfalls weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausgestaltung der Anschlüsse. Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Eingangskontakt eine Stromtragfähigkeit besitzt, die der Summe der Stromtragfähigkeiten der Steckkontakte entspricht oder zumindest 60 - 80% der Summe davon beträgt. Auf diese Weise kann z.B. ein Kanal abgeschaltet werden (Lastabwurf) und der über den Eingangskontakt fließende Strom auf die restlichen Kanäle aufgeteilt werden oder nur über einen sicherheitsrelevanten Stromkreis, d.h. einen Kanal gelenkt werden (wenn dort temporär ein höherer Strombedarf ist). Diese Funktion kann zum Beispiel dann erforderlich werden, wenn zur Bordnetzstabilität ein Stromkreis sicher versorgt werden soll, in einem anderer über die gleiche Sicherung abgesicherten Stromkreis aber kein Strom fließen muss. Diese dynamische Anpassbarkeit stellt einen besonderen Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen dar.

Eine mögliche Realisierung sieht vor, dass der Eingangskontakt geometrisch im Querschnitt gleich oder größer gestaltet ist, als die Summe der jeweiligen Querschnitte der Steckkontakte, die als Ausgänge definiert sind.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die oder alle Schaltelemente der jeweiligen elektronischen Sicherungen auch im eingebauten Zustand im bestimmungs- gemäßen Betrieb, unabhängig davon ob eine bestimmte Trenn- oder Schaltbedingung im Bordnetz eingetreten ist, individuell aktivierbar oder deaktivierbar sind.

Ebenfalls von Vorteil ist eine Lösung, bei der die Trenn- oder Schaltbedingung eines, mehrere oder aller elektronischer Schaltelemente entweder eine Stromschwelle oder eine Spannungsschwelle darstellen, wobei insbesondere eine Abschaltbedingung vorgesehen ist, um sicher zu stellen, dass die Bordnetzspannung stabil bleibt und bei einem zu hohen Spannungsabfall in einem Stromkreis oder Lastkreis, das betreffende Schaltelement in seine Trennstellung geschaltet wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Sicherungsbox ausgebildet oder aufweisend eine Vielzahl von Schnittstellen, insbesondere Anschlusssockel ausgebildet zum Verbinden mit einer Auswahl an elektronischen Sicherungen ausgewählt oder auswählbar aus dem Set der, wie zuvor beschriebenen elektronischen Sicherungen.

Weiter Vorteilhaft ist es, wenn die Sicherungsbox ausgebildet ist, eine Mischbestückung von elektronischen Sicherungen sowie weiteren, anderen herkömmlichen Sicherungstypen, wie Schmelzsicherungen, aufzunehmen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen: Fig. 1 elektronische Sicherung ausgebildet als Steckmodul 20 - 40 A, 1 -fach (d.h. für einen Absicherungskanal bzw. Stromkreis);

Fig. 2 elektronische Sicherung ausgebildet als Steckmodul 20 - 40 A, 4-fach (d.h. für 4 Absicherungskanäle bzw. Stromkreise);

Fig. 3 elektronische Sicherung ausgebildet als Steckmodul 1 - 20 A, 4-fach (d.h. für 4 Absicherungskanäle bzw. Stromkreise);

Fig. 4 elektronische Sicherung ausgebildet als Schraubmodul 40 - 400 A, 6-fach (d.h. für 6 Absicherungskanäle bzw. Stromkreise) und

Fig. 5 eine hybride Fusebox mit einer Auswahl aus dem erfindungsgemäßen Set Sn an Sicherungen.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.

Die Figur 1 zeigt eine elektronische Sicherung S1 ausgebildet als Steckmodul für 20 - 40 A, 1 -fach d.h. zur Absicherung von einem Stromkreis bzw. Kanal, der vom Eingang E über ein Schaltelement 31 auf der Leiterplatte 30 zum Ausgang A1 verläuft. Diese beispielhafte Sicherung S1 , ausgewählt aus dem Set 100 bestehend aus einer Vielzahl n elektronischen Sicherungen S1 , S2, S3, ... , Sn zur gesteuerten Trennung und Verbindung jeweils eines oder mehrerer elektronischen Stromkreise ik oder Kanäle besitz ferner ein Sicherungsgehäuse 10 und einen Anschlusssockel 20 (Stecksockel) mit den beiden Anschlusskontakten E, A1. Ferner verfügt die Sicherung S1 über eine Kommunikationsschnittstelle 50 mit mehreren Signalkontakten 51 zur Datenübertragung und Kommunikation mit der Sicherung S1. Hierzu verfügt die Sicherung S1 über entsprechende elektronische Bauelemente 33, die auf der Leiterplatte 32 angeordnet sind. Wie ferner in der Figur 1 erkennbar, besitzen die Kontakte E, A1 , 51 jeweils ein steckseitiges Kontaktende 34, welches jeweils in eine korrespondierende Kontaktbuchse 61 an einem Gegenstecksockel 60 einsteckbar ist. An dem gegenüberliegenden Ende der jeweiligen Kontakte E, A1 , 51 befinden sich leiterplattenseitige Kontaktenden 34 zur Kontaktierung mit der Leiterplatte 32. Am Anschlusssockel 20 sind ferner eckseitige Lager- und Haltemittel 22 zur Auflagerung und seitliche Halterung der Leiterplatte 32 vorgesehen. Ferner sind Kontaktlagerböcke 22 auf der der Leiterplatte 32 zugewandten Seite vorgesehen durch die die jeweiligen leiterplattenseitigen Kontaktenden 34 hindurchragen bzw. hervorstehen.

Wie ebenfalls in der Figur 1 auch gut zu erkennen ist, ist die Kontaktgeometrie auf der Steckseite der Kontakte E, A1 , 51 anders ausgebildet und bilden die flachen Kontakte E, A1 Stiftkontaktabschnitte, vorzugsweise Stiftkontaktabschnitte mit rundem oder quadratischem Querschnitt aus. Insofern wird auch eine Sicherung mit einem optimierten Kontaktdesign vorgeschlagen.

Die Leiterplatte kann durch das Konzept mit den eckseitigen Lagerböcken 22 beidseitig bestückt werden. Am oberen Ende der eckseitigen Lagerböcken 22 befinden sich L-förmige Eckwinkelabschnitte als Anschlag für die Leiterplatte 32.

In der Figur 2 ist eine elektronische Sicherung S2 ausgebildet als Steckmodul für 1 - 20 A, 4-fach d.h. zur Absicherung von vier Stromkreisen. Einer der Kontakte stellt den Eingangskontakt E dar. Ferner sind vier Ausgangskontakte A1 , A2, A3, A4 vorgesehen, die für jeden zu schaltenden Stromkreis ik (ii, i2, is, 14) oder Kanal k vorgesehen sind und schaltungstechnisch über we- nigstens eine in der Sicherung S2 integrierte mit elektronischen Schaltelementen 31 bestückten Leiterplatte 32 mit dem Eingangskontakt E verbunden sind. Ansonsten ist die Topologie der Sicherung S2 ähnlich der Topologie der Sicherung S1 aus der Figur 1 .

In der Figur 3 ist einer zur Figur 2 ähnliche Sicherung gezeigt, die allerdings für andere Stromstärken konfiguriert ist. Ansonsten weisen die Bezugszeichen auf die bereits erläuterten Merkmale hin.

Die Figur 4 zeigt eine alternative Lösung einer elektronischen Sicherung S4, deren Sicherungskonzept (somit Aufbau im Inneren des Sicherungsgehäuses 10) konzeptionell analog der Sicherungen S1 bis S3 aufgebaut ist. Der bzw. die Anschlusssockel 20 sind an den beiden gegenüberliegenden Längsseiten jeweils beidseitig aufgeteilt und mit den Anschlusskontakten E, A1 - A6 versehen, wobei die Anschlusskontakten E, A1 - A6 als Schraublösungen ausgebildet sind und daher eine Öffnung 22 ausbilden, die einer Verschraubung dient. Erkennbar ist auch, dass der Anschlussquerschnitt der Ausgangskontakte A1 und A2 bis A6 unterschiedlich ausgebildet ist. Der Summenstrom, der über den Eingangskontakt E auf alle Ausgangskontakte A1 bis A6 aufgeteilt wird, kann z.B. auch nur über den Ausgangskontakt A1 geführt werden, der hierzu ausreichend groß (analog dem Eingangskontakt E) konfiguriert wurde. Ferner verfügt die Sicherung S4 über eine Kommunikationsschnittstelle 50 mit mehreren (nicht gezeigten) Signalkontakten zur Datenübertragung und Kommunikation der Sicherung S1 mit einem externen Gerät, zum Beispiel einem Steuergerät.

In der Figur 5 ist eine hybride Fusebox 200 gezeigt, die konfiguriert wurde, um, diese einerseits mit einer Anzahl an elektronischen Sicherungen S2, S5, S6 (aus dem Set 100) zu bestücken. Ergänzend (aber nicht zwingend) können auch herkömmliche Stecksockel für Schmelzsicherungen 2 vorgesehen sein. Ferner ist optional ein elektronisches Modul M1 steckbar ausgebildet und in einen entsprechenden Stecksockel eingesteckt.

Die erfindungsgemäße Fusebox 200 kann auch als nicht hybride Lösung ausgebildet sein. Ferner kann die Erfindung bei Verteilerboxen bzw. Lastverteiler, EM-Boxen, Vorsicherungsboxen oder Haupsicherungsboxen analog verwendet werden, so dass allgemein unter dem Begriff Fusebox im Sinne der Erfindung eine Sicherungsbox verstanden wird, bei der eine Anzahl unterschiedlicher elektronischen Sicherungen Sn verwendet wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So ist das Set 100 nach dem Konzept der Erfindung nicht auf die dargestellten Varianten beschränkt, sondern kann eine Vielzahl weiterer elektronischer Sicherungen Sn umfassen, die jeweils eine andere Anzahl an Kanäle, Anschlusssockel, Größen und/oder Geometrien etc. betreffen. Entscheidend ist, dass sämtliche der elektronischen Sicherungen über die Grundfunktionen der beschriebenen elektronischen Sicherungen verfügen, zumindest einen Anschlusssockel und ein Gehäuse besitzen und der konzeptionelle Aufbau im Gehäuse, wie zuvor beschrieben, ausgebildet ist.

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