DE10055531B4

DE10055531B4 - Elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung in Kraftfahrzeugen, deren Verwendung und Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgung

Info

Publication number: DE10055531B4
Application number: DE10055531A
Authority: DE
Inventors: Jochen Burgdorf; Rüdiger Meyer; Oliver König
Original assignee: Continental AG; Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental AG; Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: DE10055531A1

Abstract

Elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug mit einem Generator (2) und mindestens einer wie- deraufladbaren Starterbatterie (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens ein Teilnetz (6) umfaßt, das eine niedrigere Spannung aufweist als ein weiteres Teilnetz mit höherer Spannung (5), so daß für Verbraucher (3, 4) unterschiedliche Versorgungsspannungen bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator im Betrieb die Spannung eines Teilnetzes hat und mindestens zwei zusätzliche Bordnetzbatterien (7, 8, 9) vorgesehen sind, die mittels elektronischer Schaltelemente (12...18), insbesondere Halbleiterschalter, veränderlich zueinander angeordnet werden können, so daß in mindestens einer ersten Schalterkonfiguration die Bordnetzbatterien mit dem Generator verbunden sind und in einer weiteren Schalterkonfiguration mindestens zwei der Bordnetzbatterien in Reihe geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, deren Verwendung zur Spannungsversorgung einer elektromechanischen oder elektrohydraulischen Bremsanlage oder einer elektromechanischen Lenkung für Kraftfahrzeuge, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 8.
In heutigen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind zur Versorgung der elektrischen Verbraucher Bordnetze mit einer Spannung im Bereich von etwa 12–14 V üblich. Die im elektrischen Bordnetz vorhandenen Komponenten, wie Starter, Generatoren, Energiespeicher und Verbraucher, sind für dieses Spannungsniveau optimiert.
Aus Krafthand/Elektro-Praxis, ”Bordnetzspannung 12 V–Starter 24V”, Heft 17, Seiten 21–22, 6. Sept. 1980, geht eine Schaltungsanordnung hervor, mit welcher zwei im Fahrbetrieb parallel geschaltete Batterien beim Starten eines Dieselmotors, unter Verwendung eines Batterieumschaltrelais, in Reihe geschaltet werden um mit den resultierenden 24 V eine ausreichende Leistungsabgabe zu erreichen.
Im Zuge der Entwicklung neuartiger elektrischer Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, wie beispielsweise elektromechanische Bremssysteme, wird zunehmend vom üblichen 12/14 V Netz auf ein Bordnetz mit einer Spannung von etwa 36 bis 42 V übergegangen, da auf diese Weise die erforderlichen Ströme um das 3fache gesenkt werden können. Hierdurch ergeben sich vor allem größere Leistungsreserven und geringere ohmsche Verluste.
Da es nicht wirtschaftlich erscheint, bestehende Verbraucher für das 12/14 V Netz mit vergleichsweise niedrigem Leistungsbedarf, wie etwa Glühlampen, sofort bei Verfügbarkeit eines Spannungsnetzes mit einer Spannung von etwa 36 bis 42 V neu zu entwickeln, sind bereits Bordnetze vorgeschlagen worden, die neben einem 36/42 V Netz zusätzlich ein 12/14 V Teilnetz bereitstellen. Entsprechende Schaltungsanordnungen gehen aus der DE 198 46 319 C1 und der DE 197 55 050 A1 hervor. Die hieraus bekannten Einrichtungen zur Stromversorgung verwenden einen 42 V Generator zum Laden einer 36 V Batterie. Die Spannung zum Laden einer weiteren 12 V Batterie für das Teilnetz wird über einen Gleichspannungswandler erzeugt. Auf Grund des zur Transformierung der Spannung benötigten Gleichspannungswandlers sind diese Lösungen allerdings nicht ausreichend kostengünstig zu realisieren. Zudem sind aufgrund der durch das Wandlerprinzip verursachten elektrischen Störungen aufwendige Entstörmaßnahmen am Wandler und bei den Verbrauchern notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die in bekannten Anordnungen bestehenden Nachteile von Bordnetzen für hohe Spannungen mit einem Teilnetz auf niedrigerem Spannungsniveau zu vermeiden und für elektrische Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, insbesondere elektromechanische Bremsensysteme, wirtschaftlich einsetzbar zu machen.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 8 und eine Verwendung nach Anspruch 11 gelöst.
Erfindungsgemäß wird daher eine elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug mit einem Generator und min- destens einer wiederaufladbaren Starterbatterie vorgeschlagen, wobei die Schaltungsanordnung mindestens ein Teilnetz umfaßt, das eine niedrigere Spannung aufweist, als ein Netz mit höherer Spannung, so daß Verbraucher mit unterschiedlicher Versorgungsspannung verlustarm betrieben werden können, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Generator im Betrieb das Spannungsniveau eines Teilnetzes hat und mindestens zwei zusätzliche Bordnetzbatterien vorgesehen sind, die mittels elektronischer Schaltelemente, welche vorzugsweise Relais, oder Halbleiterschalter, wie insbesondere Transistoren oder Feldeffekttransistoren (FET), sind, parallel oder in Reihe zueinander verschaltet werden können, so daß in einer ersten Schalterkonfiguration die Bordnetzbatterien durch den Generator geladen werden können und in einer weiteren Schalterkonfiguration mindestens zwei Bordnetzbatterien in Reihe geschaltet sind, so daß gleichzeitig ein Netz mit höherer Spannung und ein oder mehrere Teilnetze zur Versorgung unterschiedlicher Verbraucher entstehen.
Erfindungsgemäß einsetzbare Bordnetzbatterien sind beispielsweise Blei/Säure-Batterien mit einer Nennspannung von 12 V. Es ist aber auch möglich, Batteriezellen mit anderer Nennspannung, wie etwa 6 V, 4 V oder 2 V (je nach elektrochemischem Potential einer Elementar-Batteriezelle), aber auch Batterien eines anderen Typs einzusetzen.
Bevorzugt sind die Schaltelemente mit einer Steuerungseinrichtung verbunden, mit der sich eine Reihenschaltung der Bordnetzbatterien erreichen läßt. In der Reihenschaltung addieren sich die Nennspannungen der Bordnetzbatterien zur Nennspannung des Netzes mit höherer Spannung. In der Schalterkonfiguration für die Reihenschaltung steht an einem Versorgungsanschluß für die Hochspannungsverbraucher die maximal mögliche Spannung, von z. B. 36 V zur Verfügung.
Als Hochspannungsverbraucher lassen sich beispielsweise ganz allgemein über Signalleitungen angesteuerte elektrische Aktuatoren an die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung anschließen, wie eine elektrische Lenkung mit elektrischer Ansteuerung (steer-by-wire) oder elektromechanische Bremsen oder elektrohydraulische Bremsen.
Zum Laden der Bordnetzbatterien können diese gemäß der Erfindung getrennt voneinander oder in Parallelschaltung mit dem Generator bzw. mit der Starterbatterie verbunden werden.
Hierdurch lassen sich vorteilhafterweise ungleichmäßige Ladezustande der Batterien, die zu unerwünschten Ausgleichsstromen fuhren würden, vermeiden.
Zur Uberwachung ungleicher Ladezustände der Bordnetzbatterien ist daher in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Steuerungseinrichtung mit einer Einrichtung zur Uberwachung des Ladezustandes der Bordnetzbatterien ausgestattet.
Bevorzugt wird die Steuerungseinrichtung von einem Teilnetz versorgt. Hierdurch ist auch in der Konfiguration des Ladens eine Ansteuerung der Schaltelemente gewährleistet.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kein Gleichspannungswandler zur Erzeugung von Batteriespannungen vorgesehen. Ein Laden der Batterien erfolgt im wesentlichen durch elektrisches Verbinden der Bordnetzbatterien mit der Spannungsquelle.
Die Erfindung hat unter anderem den Vorteil, daß aufgrund der Arbeitsweise ohne einen Gleichspannungswandler einige typische Nachteile, wie Leistungsverlust, elektromagnetische abgestrahlte oder auf die Leitungen aufgepragte elektrische Storungen und höhere Kosten, vermieden werden. Weiterhin ist vorteilhaft, daß bei Ausfall eines Batterieelements der Bordnetzbatterien durch die ubrigen in Reihe geschalteten Batterieelemente ein Notbetrieb mit etwas geringerer Versorgungsspannung der Hochlast-Verbraucher immer noch bewerkstelligt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der weiter oben beschriebenen Vorrichtung. Zum Zwecke des Ladens werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einzelne Bordnetzbatterien individuell oder auch mehrere gleichzeitig parallel an das Bordnetz geschaltet.
Bevorzugt wird eine Reihenschaltung nur dann herbeigefuhrt, wenn eine Energieanforderung eines Hochspannungsverbrauchers, insbesondere bei Aktivierung einer Bremse, die durch die Vorrichtung versorgt wird, vorliegt. Zur Überwachung der Energieanforderung der Hochspannungsbraucher ist daher die Steuerungseinrichtung bevorzugt mit einer Überwachungsschaltung ausgestattet, die eine Bremsenaktivierung überwacht. Eine Aktivierung der Bremsen kann auch von der Betatigung des Bremspedals abhangig gemacht werden oder von einem Aktivierungssignal, welches durch ein elektronisches Bremsensteuerungssystem (Antiblockiersysteme, Gierratenregelung etc.) wegen eines bevorstehenden Bremseneingriffs ohne Fahrerwunsch erzeugt sein kann.
Die Erfindung betrifft schließlich auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer elektromechanischen oder elektrohydraulischen Bremsanlage oder einer elektromechanischen Lenkung für Kraftfahrzeuge.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung.
Nachfolgend wird die erfindungsgemaße elektronische Schaltungsanordnung anhand eines in der Figur dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erlautert.
Es zeigt
1 ein Schaltbild fur eine elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung gemaß der Erfindung.
Gemaß der Schaltungsanordnung in 1 bilden ein Generator 2 und eine parallel hierzu geschaltete Starterbatterie 1 eine Generator/Starterbatterie-Einheit 10 mit einem positiven Schaltungsknoten 19 und einem negativen Knoten 20. Die Einheit 10 erzeugt eine mittlere Spannung von etwa 14 V.
Der Knoten 19 ist jeweils mit einem der ersten Anschluß der Schalter 12, 15, 17 (z. B. Halbleiterschalter) verbunden. Die Steuerungsanschlüsse der Schalter 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 sind nicht gezeichnet. Auch wurde auf eine Darstellung der Verbindungen der Steuerungsanschlüsse mit einer Steuerungseinrichtung 11 zur verbesserten Übersicht der Figur verzichtet.
Von den Schaltern 12, 15, 17 führen die in der Figur unten angeordneten Schalteranschlüsse zu den Pluspolen der Bordnetzbatterien 7, 8, 9, deren Nennspannung 12 V beträgt. Der negative Pol der Batterie 7 ist zum negativen Knoten 20 geführt. Die Batterien 8 und 9 sind über weitere Schalter 14, 18 and den Knoten 20 geführt.
Der untere Anschluß des Schalters 12 verläuft zu einer Klemme für 12 bis 14 V Teilnetz 6. An Klemme 6 ist beispielhaft der 12 V Verbraucher 3 dargestellt, wobei dieser auch die mit einer Spannung von 12 V versorgte Steuerung 11 umfaßt. Eine weitere Verbindung besteht zwischen dem unteren Anschluß von Schalter 12 zum oberen Anschluß von Schalter 14 uber Schalter 13.
Des weiteren ist der untere Anschluß von Schalter 15 über Schalter 16 schaltbar mit dem oberen Anschluß von Schalter 18 verbunden.
An der Klemme des Netzes mit der hohen Summenspannung von 36 V 5 kann ein elektromechanisches Bremssystem als Verbraucher 4 angeschlossen werden.
Die in 1a schematisch dargestellten Schaltpositionen der Schaltelemente 12 bis 18 zeigen eine typische Schalterkonfiguration, bei der die sich Spannungen der 3 Bordnetzbatterien durch Reihenschaltung zur Bereitstellung des Netzes mit hoherer Spannung addieren. Hierzu sind die Schalter 13 und 16 leitend (geschlossen); die Schalter 12, 14, 15, 17 und 18 sind hochohmig (geöffnet).
Eine Konfiguration der Schalter zum Laden aller Bordnetzbatterien zeigt 1b. Hier sind die Schalter 12, 14, 15, 17 und 18 geschlossen; die Schalter 13 und 16 sind geöffnet. Durch zusatzliches Öffnen einzelner Schalter 12, 15 oder 17 kann für jedes zugeordnete Batterieelement 7, 8, 9 individuell die Ladedauer eingestellt werden.

Claims

Elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug mit einem Generator (2) und mindestens einer wie- deraufladbaren Starterbatterie (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens ein Teilnetz (6) umfaßt, das eine niedrigere Spannung aufweist als ein weiteres Teilnetz mit höherer Spannung (5), so daß für Verbraucher (3, 4) unterschiedliche Versorgungsspannungen bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator im Betrieb die Spannung eines Teilnetzes hat und mindestens zwei zusätzliche Bordnetzbatterien (7, 8, 9) vorgesehen sind, die mittels elektronischer Schaltelemente (12...18), insbesondere Halbleiterschalter, veränderlich zueinander angeordnet werden können, so daß in mindestens einer ersten Schalterkonfiguration die Bordnetzbatterien mit dem Generator verbunden sind und in einer weiteren Schalterkonfiguration mindestens zwei der Bordnetzbatterien in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente mit einer Steuerungseinrichtung (11) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung genau ein Teilnetz mit einer Spannung von etwa 12 V bis 14 V und genau ein Teilnetz mit höherer Spannung mit einer Spannung von etwa 36 V bis 42 V zur Versorgung von Verbrauchern bereitstellen kann.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 3 Bordnetzbatterien, insbesondere mit einer Nennspannung von jeweils etwa 12 V, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß 7 Schaltelemente zum Umschalten der Bordnetzbatterien vorgesehen sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung derart ausge- legt ist, dass die Steuerungseinrichtung durch ein Teilnetz versorgt wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung keinen Gleich- spannungswandler zur Erzeugung von Batteriespannungen umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden der Bordnetzbatterien diese einzeln individuell oder mehrere gleichzeitig parallel an das Bordnetz geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich bei einer Energieanforderung eines Verbrauchers (3), insbesondere bei Aktivierung einer Bremse, die durch die Vorrichtung versorgt wird, eine Reihenschaltung der Bordnetzbatterien erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladezustand der Bordnetzbatterien überwacht wird und in Abhängigkeit des individuellen Ladezustands die Bordnetzbatterien unabhängig voneinander zum Wiederaufladen mit einer Generator/Starterbatterie-Einheit (10) elektrisch verbunden werden.
Verwendung der Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Spannungsversorgung einer elektromechanischen oder elektrohydraulischen Bremsanlage oder einer elektromechanischen Lenkung für Kraftfahrzeuge.