DE10003731A1 - Elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher. Zwischen der Batterie und dem Verbraucher ist ein elektronischer Schalter vorgesehen. Dieser wird von einer Schaltersteuereinheit angesteuert, deren Ausgangssignal zum Ein- und Ausschalten des Schalters vorgesehen ist. Die Schaltersteuereinheit weist einen verbraucherseitig angeordneten Spannungsdetektor auf und schaltet den elektronischen Schalter bei einem verbraucherseitigen Spannungsabfall automatisch zum Verbinden der Batterie mit dem Verbraucher ein.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrich­ tung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ geben ist.

Aus der DE 195 48 612 A1 ist bereits ein elektronischer Schalter zum zeitweiligen Verbinden wenigstens zweier An­ schlüsse mit wenigstens zwei elektrisch steuerbaren Schaltelementen bekannt, die in einer Leitung zwischen den beiden Anschlüssen angeordnet sind. Dabei ist wenig­ stens eines der elektrisch steuerbaren Schaltelemente ein Feldeffekttransistor oder ein anderes bidirektionales Bauelement mit externer oder integrierter Überlastab­ schaltung. Ein derartiger elektronischer Schalter kann im Zusammenhang mit einem Fahrzeug-Bordnetz verwendet wer­ den, wobei der elektronische Schalter zum zeitweiligen Verbinden wählbarer Verbraucher und/oder einer Batterie mit einem Generator und/oder mehrerer Batterien dient. Weiterhin kann ein derartiger Schalter zum zeitweiligen Verbinden mehrerer Anschlüsse in einem mehrkreisigen Fahrzeug-Bordnetz dienen, wobei das mehrkreisige Bordnetz wenigstens zwei Batterien umfaßt.

Ferner wurden bereits Zweispannungs-Bordnetze für Kraft­ fahrzeuge vorgeschlagen, welche ein 42-V-Netz für Hochleistungsverbraucher und ein 14-V-Bordnetz für Verbraucher geringeren Leistungsbedarfs aufweisen. Diese Netze werden jeweils von einer Batterie (36 V bzw. 12 V) als Energiespeicher gepuffert. Die Speisung des 42-V-Net­ zes erfolgt durch einen 42-V-Generator. Die Energiever­ sorgung des 14-V-Netzes erfolgt unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers aus dem 42-V-Netz. Eine Realisie­ rungsform sieht vor, zwischen dem 42-V-Bordnetz und dem 14-V-Bordnetz zwei parallel zueinander angeordnete Gleichspannungswandler einzusetzen. Einer dieser Gleich­ spannungswandler ist als bidirektionaler Wandler ausge­ führt. Er kann demzufolge als Tiefsetzsteller und als Hochsetzsteller arbeiten, um einen Energieaustausch zwi­ schen den Speichern vornehmen zu können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektronische Schaltvorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Tot­ zeit bzw. der hieraus resultierende Spannungseinbruch auf der Verbraucherseite gering ist. Dies ist auf die Verwen­ dung einer analogen Spannungsdetektierung auf der Ver­ braucherseite zurückzuführen, die mittels eines analogen Komparators durchgeführt werden kann. Eine eventuelle mi­ krocomputergesteuerte Spannungsmessung bzw. -auswertung, die mittels eines ggf. ohnehin vorhandenen Mikrocomputers erfolgen könnte, würde demgegenüber mit wesentlich länge­ ren Reaktionszeiten des Systems verbunden sein. Die Spannungsauswertung über Mikrocomputer ist ebenfalls möglich, um den Batterieschalter einzuschalten. Die Mikrocomputer-Auswertung stellt eine redundante Variante dar, die nur langsamer bzw. zeitverzögert gegenüber dem Komparator reagiert. Ein Einschalten des Schalters zur Verbindung der Batterie mit dem Verbraucher zum Auffangen von Spannungseinbrüchen auf der Verbraucherseite würde im Vergleich zur beanspruchten analogen Spannungsdetektion verzögert erfolgen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, in der Schaltersteuerein­ heit zusätzlich zum analogen Spannungsdetektor eine An­ steuerlogik vorzusehen, um zusätzliche Schaltmöglichkei­ ten bezüglich des elektronischen Schalters zu haben. Wird beispielsweise von einem externen Bordnetz-Management­ system ein erhöhter verbraucherseitiger Leistungsbedarf signalisiert, dann besteht die Möglichkeit, diesem erhöh­ ten Leistungsbedarf durch ein frühzeitiges Einschalten des elektronischen Schalters gerecht zu werden, ohne daß erst auf eine Reaktion des analogen Spannungsdetektors gewartet werden muß.

Die Ansteuerlogik kann in vorteilhafter Weise von einem Mikrocomputer angesteuert werden. Dieser steht weiterhin mit zusätzlichen Strom- und Spannungsmessern und auch dem analogen Spannungsdetektor in Verbindung, um von den ge­ nannten Baugruppen Informationen zu beziehen und diese ggf. auch zu steuern. Die im Mikrocomputer gesammelten Informationen können über einen Bus auch an das Bordnetz- Managementsystem weitergeleitet werden, um beispielsweise den Gesamtenergieverbrauch des Kraftfahrzeug-Bordnetzes oder den Batteriezustand zu berechnen.

In vorteilhafter Weise ist ferner parallel zum elektroni­ schen Schalter ein Relais vorgesehen, über welches die Standby-Versorgung des Bordnetzes erfolgt. Dies hat zur Folge, daß bei abgestelltem Fahrzeug der Ruhestrombedarf reduziert ist.

Ferner wird durch die Verwendung eines elektronischen Schalters ein verschleißfreies Schalten erreicht, bei welchem kein Prellen auftritt und auch geringere EMV-Pro­ bleme bestehen als bei der. Verwendung mechanischer Schal­ ter. Gegenüber letzteren ist auch der notwendige Platzbe­ darf reduziert.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der guten Inte­ grierbarkeit von Meß- und Detektiereinrichtungen für Strom und Spannung in das Gehäuse des Schalters und der Möglichkeit der Integration des Schalters in einen Gleichspannungswandler. Eine derartige Integration ist mit einer Kostenreduzierung verbunden, die auf die ge­ meinsame Nutzung des Mikrocomputers, des Busses, des Ge­ häuses, etc. zurückzuführen ist.

Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren bei­ spielhaft näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Block­ schaltbild einer elektronischen Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbrau­ cher. Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Zweispannungs-Bordnetzes, bei welchem eine elektronische Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann.

Beschreibung

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektroni­ schen Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher. Dabei handelt es sich bei der Batterie 1 um eine 12-V-Batterie, die zur Pufferung bzw. zum Auffangen von Spannungseinbrüchen eines 12-V- Verbrauchers 2 vorgesehen ist, beispielsweise des 12-V- Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Diesem 12-V-Bordnetz ge­ hören Verbraucher geringeren Leistungsbedarfs an, wie eine Uhr, ein Radio, eine Schließeinrichtung, Speicherbausteine und Steuergeräte, die auch im Standby- Betrieb mit Energie versorgt werden müssen.

Im Signalweg zwischen der Batterie 1 und dem Verbraucher 2 ist eine elektronische Schaltvorrichtung 3 vorgesehen, deren Baugruppen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Weiterhin steht die elektronische Schaltvorrichtung 3 über einen CAN-Bus mit einem externen Bordnetz-Manage­ mentsystem 4 in Verbindung.

Der Schaltvorrichtung gehört ein elektronischer Schalter an, der aus zwei in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekt­ transistoren oder PROFET's 5, 6 besteht. Eine derartige Reihenschaltung zweier MOS-Feldeffekttransistoren zur Bildung eines bidirektionalen, überlastgeschützten Schal­ ters ist in der eingangs genannten DE 195 46 612 be­ schrieben.

Die Ansteuerung des Schalters 5, 6 erfolgt durch eine Schaltersteuereinheit, der ein analoger Spannungsdetektor 7, eine Ansteuerlogik 8 und ein Mikrocomputer 9 angehö­ ren.

Der analoge Spannungsdetektor 7 weist einen als Schmitt- Tigger realisierten Komparator auf, welcher mit seinem ersten Eingang mit dem Verbraucher bzw. dem 12-V-Bordnetz 2 verbunden ist und von dort einen Spannungsistwert ab­ leitet. Dem zweiten Eingang des Komparators wird ein er­ ster Referenzspannungswert zugeführt, welcher entweder fest vorgegeben ist und/oder vom Mikrocomputer 9 zur Ver­ fügung gestellt wird.

Der Komparator erzeugt an seinem Ausgang stets dann ein Einschaltsignal, wenn der Spannungsistwert unter den er­ sten Referenzspannungswert absinkt. Dieses Einschalt­ signal wird über die Ansteuerlogik 8 an den Schalter 5, 6 weitergeleitet, so daß dieser zur Verbindung der Batterie 1 mit dem 12-V-Bordnetz 2 einschaltet, um den Spannungs­ abfall im 12-V-Bordnetz 2 auszugleichen.

In vorteilhafter Weise weist der Komparator einen weite­ ren Eingang auf, an welchem ein zweiter Referenzspann­ nungswert anliegt. Dieser ist größer gewählt als der er­ ste Referenzspannungswert. Steigt der vom 12-V-Bordnetz 2 abgeleitete Spannungsistwert über diesen zweiten Refe­ renzspannungswert an, dann erzeugt der Komparator ein Ausschaltsignal. Dieses wird über die Ansteuerlogik 8 an den Schalter 5, 6 weitergeleitet, so daß dieser ausge­ schaltet wird und einen Stromrückfluß in die Batterie vermeidet.

Die vom Komparator erzeugten Schaltsignale werden auch zum Zwecke einer Systemzustandserkennung und für Diagno­ sezwecke dem Mikrocomputer 9 zugeführt. Dieser leitet die genannte Informationen über den Schaltzustand über den CAN-Bus an das übergeordnete Bordnetz-Managementsystem 4 weiter.

Weiterhin ist der Mikrocomputer 9 zur Erzeugung eines Re­ set-Signals für den Komparator vorgesehen. Dies geschieht dann, wenn die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Grenz­ wert erreicht hat, bei welchem sichergestellt ist, daß ein nicht gezeichneter, zur Versorgung des 12-V-Bordnet­ zes vorgesehener Gleichspannungswandler hinreichend Ener­ gie für das 12-V-Bordnetz liefert. Als Kriterium für die Erkennung dieses Zustands kann das Ergebnis einer Strom­ messung verwendet werden, die mittels eines Strommesser 10 durchgeführt wird. Fließt bei eingeschaltetem, d. h. durchlässigem Schalter kein Strom mehr durch den Schal­ ter, dann wird die vom Gleichspannungswandler gelieferte Energie als ausreichend angesehen und das genannte Reset- Signal erzeugt.

Die genannte Strommessung erfolgt bei einer Verwendung von PROFET's als Schalter direkt im Schalter, da bei PRO- FET's bereits eine Strommessung integriert ist. Bei Ver­ wendung von MOSFET's als Schalter kann die Strommessung diskret über eine Shuntmessung oder über Stromwandler er­ folgen. Informationen über den Stromwert und die Richtung des Stromflusses werden dem Mikrocomputer 9 zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Weiterhin weist die gezeigte elektronische Schaltvorrich­ tung einen Spannungsmesser 11 zur Messung der Batterie­ spannung und einen Spannungsmesser 12 zur Messung der Bordnetzspannung auf. Die Ausgangssignale der beiden Spannungsmesser 11 und 12 werden ebenfalls dem Mikrocom­ puter 9 zugeführt.

Der Mikrocomputer leitet die ihm zugeführten Informatio­ nen über den CAN-Bus an das externe Bordnetz-Management­ system 4 weiter, in welchem die bereits genannte Gesamt­ energieverbrauchsermittlung und die Berechnung des Batte­ riezustandes erfolgt.

Parallel zum elektronischen Schalter 5, 6 ist ein Relais 13 geschaltet, über welches das 12-V-Bordnetz 2 im Standby-Betrieb, d. h. bei abgestelltem Fahrzeug, versorgt wird. Das Relais ist als Öffner realisiert, der bei deak­ tivertem bzw. stromlosem Mikrocomputer 9 leitend geschal­ tet ist und bei aktiviertem, d. h. stromversorgtem Mikro­ computer 9 sperrt. Vorzugsweise handelt es sich beim Re­ lais 13 um ein Relais mit Wechselkontakt, welches aus­ gangsseitig ein Statusmeldesignal zur Verfügung stellt. Auch dieses wird dem Mikrocomputer 9 zugeführt bzw. kann vom Mikrocomputer 9 zu Diagnosezwecken abgerufen werden. Das Relais kann als Kleinrelais ausgeführt sein, da durch dieses lediglich der Strom für die Standby-Versorgung der Steuergeräte fließt und nur geringe Leistungen für andere Bauteile benötigt werden, wie Schließeinrichtungen, eine Uhr oder einen Audiosignalspeicher bzw. ein Autoradio. Die beschriebene Standby-Stromversorgung über das Relais 13 ist im Vergleich zu bekannten Lösungen mit einer Reduzierung des Ruhestrombedarfs im Kraftfahrzeug verbunden.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Zweispan­ nungs-Bordnetzes, bei welchem eine elektronische Schalt­ vorrichtung verwendet werden kann, wie sie oben im Zusam­ menhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde.

Das dargestellte Zweispannungs-Bordnetz weist ein 42-V- Bordnetz B1 und ein 12-V-Bordnetz B2 auf. Das 42-V-Bordnetz B1 wird von einem Generator G mit Energie versorgt. Er dient zur Speisung des Starters S und anderer Hoch­ lastverbraucher H des Kraftfahrzeugs. Zur Pufferung ist eine 36-V-Batterie vorgesehen.

Das 12-V-Bordnetz B2, welches zur Speisung von Verbrau­ chern mit niedrigem Leistungsbedarf dient, wird über ei­ nen ersten Gleichspannungswandler G1, der unidirektional arbeitet, mit Energie versorgt. Ein zweiter Gleichspan­ nungswandler G2, der bidirektional arbeitet, speist eine 12-V-Batterie. Diese ist vom 12-V-Bordntz B2 durch einen Batterie-Schalter S getrennt. Dieser Batterieschalter S ist vorzugsweise eine elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbrau­ cher, wie sie oben anhand der Fig. 1 beschrieben wurde.

Die 12-V-Batterie wird nur dann mit dem 12-V-Bordnetz B2 verbunden, wenn die Leistung des unidirektionalen Gleich­ spannungswandlers G1 nicht mehr zur bedarfsgerechten Energieversorgung des 12-V-Bordnetzes B2 ausreicht und wenn Standby-Betrieb vorliegt, d. h. wenn das Fahrzeug ab­ gestellt ist.

Der Vorteil dieses Konzeptes besteht insbesondere darin, daß das 12-V-Bordnetz B2 nicht mit den Schwankungen der Batterieladespannung beaufschlagt wird. Die Folge davon ist, daß eine konstantere 12-V-Bordnetzspannung geliefert wird als bei anderen Konzepten, bei denen die 12-V-Batte­ rie unmittelbar zur Pufferung des 12-V-Bordnetzes dient.

Claims (22)

1. Elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Ver­ binden einer Batterie mit einem Verbraucher, mit einem zwischen der Batterie und dem Verbraucher angeordneten elektronischen Schalter und einer Schaltersteuereinheit, deren Ausgangssignal zum Ein- und Ausschalten des Schal­ ters vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuereinheit einen verbraucherseitig angeordne­ ten Spannungsdetektor (7) aufweist und den elektronischen Schalter (5, 6) bei einem verbraucherseitigen Spannungsab­ fall automatisch zum Verbinden der Batterie (1) mit dem Verbraucher (2) einschaltet.

2. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spannungsdetektor (7) einen Komparator aufweist, dessen erstem Eingang ein verbrau­ cherseitiger Istspannungswert und dessen anderem Eingang ein erster Referenzspannungswert zugeführt sind, und daß die Schaltersteuereinheit bei einem Absinken des Istspan­ nungswertes unter den ersten Referenzspannungswert auto­ matisch ein Einschaltsignal für den Schalter (5, 6) er­ zeugt.

3. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Komparator einen weiteren Eingang für einen zweiten Referenzspannungswert aufweist, der größer ist als der erste Referenzspannungswert, und daß der Spannungsdetektor bei einem Ansteigen des Ist­ spannungswertes über den zweiten Referenzspannungswert ein Ausschaltsignal für den Schalter (5, 6) erzeugt.

4. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Referenzspan­ nungswert fest vorgegeben ist.

5. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mikrocomputer (9) zur Einstellung des ersten Referenzspannungswertes aufweist.

6. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuereinheit eine Ansteuerlogik (8) aufweist.

7. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik (8) zwischen dem Spannungsdetektor (7) und dem elektronischen Schalter (5, 6) angeordnet ist.

8. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mikrocomputer (9) aufweist, der ausgangsseitig mit der Ansteuerlogik (8) verbunden ist und der Ansteuerlogik ein vom Lei­ stungsbedarf des Verbrauchers abhängiges Einschaltsteuer­ signal zuführt.

9. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ braucher (2) das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ist.

10. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (2) das 12- Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ist.

11. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (9) über einen Bus mit einem Bordnetz-Mana­ gementsystem (4) des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

12. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bus zur Übertragung von In­ formationen über das Vorliegen erhöhten Leistungsbedarfs vom Bordnetz-Managementsystem (4) zum Mikrocomputer (9) dient.

13. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus zur Übertragung von Informationen über den Schaltzustand des elektroni­ schen Schalters (5, 6) vom Mikrocomputer (9) an das Bord­ netz-Managementsystem (4) dient.

14. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der An­ sprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikro­ computer (9) zur Erzeugung eines Reset-Signals für den Spannungsdetektor (7) dient.

15. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Strommesser (10) zur Messung des durch den Schalter (5, 6) fließenden Stromes aufweist und der Strommesser ausgangsseitig mit dem Mikrocomputer (9) verbunden ist.

16. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten, batterieseitig angeordneten Spannungsmesser (11) und einen zweiten, verbraucherseitig angeordneten Spannungsmesser (12) aufweist und beide Spannungsmesser ausgangsseitig mit dem Mikrocomputer (9) verbunden sind.

17. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus zur Übertragung von Informationen über den gemessenen Strom und/oder die gemessenen Spannungen vom Mikrocomputer (9) zum Bordnetz- Managementsystem (4) dient.

18. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein parallel zum elektronischen Schalter angeordnetes Re­ lais (13) aufweist.

19. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 18, da­ durch gekennzeichnet, daß im Standby-Betrieb über das Re­ lais (13) die Versorgung des Verbrauchers (2) erfolgt.

20. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (13) ein Öff­ ner ist, über welchen bei deaktiviertem Mikrocomputer (9) die Batterie (1) mit dem Verbraucher (2) verbunden ist, und welcher bei aktiviertem Mikrocomputer sperrt.

21. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (13) ein Relais mit Wechselkontakt ist und ausgangsseitig ein Statusmeldesignal zur Verfügung stellt.

22. Verwendung einer elektronischen Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 in einem Zweispannungs- Bordnetz in einem Kraftfahrzeug, wobei

• - das erste Bordnetz ein 42-V-Bordnetz ist,
• - die Batterie eine 12-V-Batterie ist und über einen ersten Gleichspannungswandler aus dem 42-V-Bordnetz geladen wird,
• - das zweite Bordnetz ein 12-V-Bordnetz ist und über einen zweiten Gleichspannungswandler aus dem 42-V- Bordnetz geladen wird, und
• - die elektronische Schaltvorrichtung zwischen der Bat­ terie und dem 12-V-Bordnetz angeordnet ist.