DE10149282A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung, insbesondere für digitale Schaltungen, in einem Kraftfahrzeug aus einer höheren Eingangsspannung von mehr als 12 Volt, insbesondere 42 Volt Bordnetzspannung, bei dem aus der Bordnetzspannung in einem Normalbetrieb mittels eines DC/DC-Konverters (5) eine Zwischenspannung in Höhe zwischen Bordnetzspannung und Versorgungsspannung erzeugt wird und aus der Zwischenspannung mittels wenigstens eines Linearreglers (9, 9', 9'') die Versorgungsspannung erzeugt wird, wobei in einem Parkbetrieb der DC/DC-Konverter (5) ausgeschaltet und mittels einer Bypass-Schaltung (11) überbrückt wird, so dass die Versorgungsspannung durch den wenigstens einen Linearregler (9, 9', 9'') direkt erzeugt wird, sowie eine Spannungsversorgungsschaltung hierfür.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Spannungsversorgungsschaltung hierfür.
  • Derartige Spannungsversorgungsschaltungen bzw. Spannungs- oder Stromversorgungsmodule finden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik Anwendung.
  • Durch die Umstellung der Bordnetzspannung von 12 Volt auf 42 Volt in zukünftigen Personenkraftwagen entsteht bei gleichzeitigem Erfordernis der Spannungsversorgung von Steuergeräten, also digitaler Schaltungstechnik mit bekannter Spannung, wie beispielsweise 5 Volt, 3,3 Volt oder auch 2,5 Volt, eine Reihe von Problemen.
  • Beispielsweise scheiden die in einer 12 Volt- Bordnetzarchitektur verwendeten linearen Festspannungsregler zur Erzeugung einer bisher üblichen Versorgungsspannung von 5 Volt aufgrund der bei zukünftigen Personenkraftwagen auftretenden wesentlich höheren Spannungsdifferenz und der daraus resultierenden Verlustleistung in dem Linearregler aus, da diese dann nicht mehr ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen auskämen, welche nachteiligerweise erhebliche Mehrkosten verursachen würden. Ebenso kommt der Einsatz von speziellen teuren, hierfür optimierten Linearreglern aus Kostengründen nicht in Frage.
  • Zudem besteht in der Fahrzeugtechnik die Forderung, dass manche digitalen Schaltungen bzw. Steuergeräte, wie beispielsweise das für die Zentralverriegelung, Fernbedienung usw. zuständige Steuergerät, auch im Tagbetrieb, in der das Fahrzeug unter Umständen für längere Zeit abgestellt ist, funktionieren müssen. Diesem Umstand wird durch einen Ruhemodus einzelner Steuergeräte, die zumindest zyklisch aktiv bleiben müssen, mit komplettem Abschalten anderer Steuergeräte, welche nicht benötigt werden, Rechnung getragen. Der Ruhestrom in einem solchen Betriebsmodus (Parkbetrieb) liegt im µA- Bereich, beispielsweise etwa 100 µA im Unterschied zu einem Normalbetrieb im mA-Bereich, beispielsweise ca. 200 mA.
  • In der EP 0 805 540 A1 wird deshalb zur Verminderung der Wärmeverlustleistung an Linearreglern vorgeschlagen, einen Gleichstromkonverter (DC/DC-Konverter) den Linearreglern vorzuschalten und auf diese Weise den Stromverbrauch der Batterie sowie die (Wärme-)Verlustleistung zu verringern.
  • Nachteilig bei dieser in einer herkömmlichen 12 Volt- Bordnetzarchitektur eingesetzten Schaltung bleibt jedoch bei einem Einsatz in einem Bordnetz mit höheren Spannung, wie beispielsweise 42 Volt, dass hierdurch die Ruhestromanforderung in einem Parkbetrieb zumindest ohne Einsatz von unerwünschten kostenintensiven Spezialbauteilen oder Kühlmaßnahmen nicht erfüllt werden kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung im ersten Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Spannungsversorgungsschaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, welche auf kostengünstige und einfache Weise auch die Ruhestromanforderung in einem Parkbetrieb bzw. Ruhemodus erfüllen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einer Spannungsversorgungsschaltung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Indem erfindungsgemäß in einem Ruhemodus die Versorgungs- bzw. Ausgangsspannung für digitale Schaltungen, insbesondere in Höhe von 5 Volt, 3,3 Volt und 2,5 Volt oder weniger, allein durch einen oder mehrere Linearregler erfolgt, kann die Anforderung an einen sehr geringen Ruhestrom in µA-Bereich erfüllt werden, da die Verlustleistung eines Linearreglers auch bei größerer Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangs- bzw. Versorgungsspannung bei geringem Versorgungsstrom im µA-Bereich bleibt und somit nur unwesentlich den bereits durch das Steuergerät im Ruhemodus erzeugten bzw. verbrauchten Ruhestrom zu einem Gesamtruhestrom erhöht.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch ein Überbrücken, beispielsweise mittels einer Bypassschaltung, insbesondere ein Beipasstransistor, des dem Linearregler bzw. den Linearreglern vorgeschalteten Konverters bewerkstelligt, wobei vorteilhafterweise zur weiteren Verringerung des Stromverbrauchs der Konverter in diesem Modus abgeschaltet werden kann.
  • Für das Überbrücken sowie das Ab- und Einschalten des Konverters existieren verschiedenste Realisierungsmöglichkeiten, wie beispielsweise Kopplung mit dem Zündschloss oder einem hierfür zuständigen Steuergerät oder anderen eventuell miteinander verknüpften Ereignissen, durch welche sich ein Ruhemodus bzw. Parkbetrieb von einem Normalbetrieb unterscheiden lässt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aktivieren, sowie das Deaktivieren des Bypasses und eventuell zusätzlich das zugehörige Ab- bzw. Einschalten des Konverters durch einen Laststromschwellwertschalter, welcher bei einem Überschreiten eines vordefinierten Schwellwertes des Laststroms im Ausgangs- bzw. Versorgungskreis oder einem hierzu proportionalen Wert - beispielsweise Laststromschwellwert im Zwischenkreis bzw. Ablegern hiervon - den Konverter ein und den Bypass ausschaltet und beim Unterschreiten des Schwellwertes (Parkbetrieb) den Bypass ein- und den Konverter ausschaltet.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerung des Bypasses und des Konverters von einem Mikro- Kontroller übernommen, an welchen Ereignisse wie "Steuergerät geht in Ruhemodus", "Motor wird abgestellt", "Stromregler zwischen Batterie und Lichtmaschine schaltet auf Batteriebetrieb" usw. als Signal herangeführt werden, so dass die Steuerung des Bypasses und des Konverters von einem Ereignis allein oder in bestimmter Verknüpfung (mittels entsprechender Software) abhängt.
  • In der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird diese Steuerung durch einen Wakeup-ASIC übernommen, der dieselben Aufgaben in gleicher Weise, wie vorstehend für den Mikro-Kontroller beschrieben, übernehmen kann, aber im Unterschied zum Mikrokontroller bzw. Mikroprozessor direkt an der Bordnetzspannung statt an der Versorgungsspannung des Spannungsmoduls im Ruhemodus hängt und demzufolge einen Ruhemodus sogar durch komplettes Abschalten nicht nur des Konverters sondern auch der Linearregler bewerkstelligen kann.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können aus der durch den Konverter erzeugten Zwischenspannung mittels mehrerer Linearregler unterschiedliche Versorgungsspannungen erzeugt werden, um beispielsweise unterschiedliche Schaltungsgruppen eines Steuergerätes mit unterschiedlichen Eingangsspannungen entsprechend zu versorgen. Hierbei kann den Linearreglern eine Logikschaltung nachgeschaltet werden, die die Ausgangsspannungen bzw. Versorgungsspannungen überwacht und beim Eintreten bestimmter Fehler ein Resetsignal erzeugt und je nach Anforderungen des verwendeten Mikro-Kontrollers eine oder alle Ausgangsspannungen abschaltet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 ein Diagramm einer ersten Ausführungsform einer Spannungsversorgungsschaltung nach der Erfindung;
  • Fig. 2 ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Spannungsversorgungsschaltung nach der Erfindung;
  • Fig. 3 ein Diagramm einer dritten Ausführungsform einer Spannungsversorgungsschaltung nach der Erfindung und
  • Fig. 4 ein Diagramm der Ausführungsformen einer Spannungsversorgungsschaltung nach Fig. 1, 2 und 3 mit einer nachgeschalteten Reset-Logikeinheit.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Spannungsversorgungsschaltung, die selbstverständlich auch als Stromversorgungsschaltung aufgefasst werden kann, weist eine Batterie 1, beispielsweise eine Autobatterie, welche eine Spannung von 36 Volt liefert, auf, wobei wie in einem Kraftfahrzeug üblich das Zuschalten bzw. Regeln zwischen der Batteriespannung bzw. Batterieversorgung und der Versorgung durch die Lichtmaschine üblicherweise mittels eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Reglers erfolgt.
  • Aus dieser resultierenden Spannung bzw. dem fließenden Strom IR werden nachfolgend mittels eines EMC-Filters 3 leitungsgebundene Störungen herausgefiltert, und einem nachgeschalteten Gleichstrom-Konverter 5, im Folgenden. DC/DC-Konverter genannt, zugeführt.
  • Ausgangsseitig ist der DC/DC-Konverter 5 über einen Messwiderstand (Shunt) 7 mit dem Eingang 9a eines linearen Festspannungsreglers 9, im Folgenden Linearregler genannt, verbunden, an dessen Ausgang 9b die gewünschte Versorgungsspannung für eine Digitalschaltung, beispielsweise ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug in entsprechender Höhe beispielsweise 5 Volt, 3,3 Volt, 2,5 Volt usw., erzeugt wird.
  • Wie Fig. 1 ersichtlich, sind Eingang 5a und Ausgang 5b des DC/DC-Konverters 5 über eine ein- und ausschaltbare Bypassschaltung 11 verbunden. Das Steuern bzw. das Ein- und Ausschalten des Bypasses 11, sowie das Ein- und Ausschalten des DC/DC-Konverters 5 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Stromschwellwertschalters 13, welcher ausgangsseitig (13b, 13b') mit den Schalt- bzw. Steuereingängen 11c, 5c der Bypassschaltung 11 und des DC/DC-Konverters 5 verbunden ist und welche eingangsseitig (13a) am Shunt 7 die dort entstehende Messspannung abgreift.
  • Weiterhin ist am Linearregler 9 ein Steuereingang 9c zum Ein- und Ausschalten des Linearreglers angedeutet, über welchen beim Eintreten bestimmter Fehler über ein entsprechendes Steuersignal eines Mikro-Kontrollers, beispielsweise über den Mikro-Kontroller des Steuergerätes, die Versorgungsspannung über ein Ausschalten des Linearreglers abgeschaltet werden kann.
  • Befindet sich die Schaltung nach Fig. 1 im Normalbetrieb, so ist die Bypassschaltung bzw. der Bypassschalter 11 ausgeschaltet und der DC/DC-Konverter 5 demzufolge nicht überbrückt. Weiterhin wird über den eingeschalteten DC/DC- Konverter 5 eine Zwischen(kreis-)spannung erzeugt, welche an dem Eingang 9a des Linearreglers 9 anliegt und aus der die Versorgungsspannung am Ausgang 9b des Linearreglers erzeugt wird.
  • Geht nun ein in der Zeichnung nicht dargestelltes, an diesem Ausgang hängendes Steuergerät von einem Normalbetrieb mit einem Stromverbrauch im mA-Bereich, beispielsweise 200 mA, in einen Ruhemodus über, so sinkt der ausgangsseitige Strom der Spannversorgungsschaltung auf den entsprechend benötigten Ruhestrom des Steuergeräts im µA-Bereich, beispielsweise 100 µA. Dieser Stromabfall wird von dem Stromschwellwertschalter über die Abgriffe 7a, 7b am Shunt 7 festgestellt, worauf bei Unterschreiten eines vordefinierten Schwellwertes, welcher in der Höhe zwischen Strom im Normalbetrieb und Ruhestrom liegt, beispielsweise 5 mA, die Bypassschaltung 11 eingeschaltet und zusätzlich der DC/DC-Konverter 5 abgeschaltet wird.
  • Durch diese Maßnahme wird in diesem Modus mit geringem Stromverbrauch die benötigte Ausgangsspannung bzw. Versorgungsspannung bei geringem Ruhestrom durch Überbrückung des DC/DC- Konverters 5 allein durch den Linearregler 9 erzeugt, der bei diesem geringen Stromverbrauch ohne zusätzliche Kühlung auskommt. Durch die Abschaltung des DC/DC--Konverters 5, welcher im Leerlauf im Vergleich zu einem Linearregler eine um den Faktor 10 höher liegende Stromaufnahme aufweist, entsteht ein wesentlich geringerer Ruhestromanteil durch die Spannungsversorgungsschaltung, so dass die Ruhestromanforderung, bei der im Parkbetrieb ohne laufende Lichtmaschine die Batterie belastet wird, erfüllt werden kann.
  • Auf diese Weise kann auch nach einem längeren Stehen eines Fahrzeuges von mehreren Tagen oder Wochen durch die geringe Entladung der Batterie infolge des verminderten Ruhestroms die Funktion eines in diesem Modus zumindest zyklisch notwenig aktiven Steuergeräts, wie beispielsweise für die Zentralverriegelung, Türöffnung, Fernbedienung usw. gewährleistet werden.
  • Die Schaltungen in Fig. 2 und Fig. 3 unterscheiden sich von der Schaltung nach Fig. 1 nur durch die Verwendung einer anderen Steuereinrichtung, nämlich die Verwendung eines Mikro- Kontrollers 17 oder eines Wakeup-ASICs 15 anstelle eines Stromschwellwertschalter 13. Hierbei werden sowohl dem Mikro- Kontroller 17 als auch dem Wakeup-ASIC 15 über nicht dargestellte Eingänge ein oder mehrere Signale zugeführt., so dass dort Ereignisse in Signalform wie "Tür öffnen", "Drücken einer Fernbedienung", "Betätigung des Zylinderschlosses", "Zustand des Reglers zwischen Lichtmaschine und Batterie" usw., aus denen sich allein oder in bestimmter Verknüpfung miteinander Unterschiede zwischen Normalbetrieb und Ruhemodus bzw. Parkbetrieb eines Fahrzeuges herleiten lassen, vorhanden sind.
  • Entscheidet der Mikro-Kontroller 17 oder der Wakeup-ASIC 15, dass ein Übergang von einem in den anderen Zustand erfolgt ist, schaltet er, ebenso wie vorstehend für den Schwellwertschalter 13 geschildert, den Bypassschalter 11 über Ausgang 17b bzw. 15b ein und den DC/DC-Konverter 5 über Ausgang 17b' bzw. 15b' aus (Parkbetrieb) oder den Bypassschalter 11 aus und den DC/DC-Konverter ein (Normalbetrieb.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, kann in der Ausführungsform mit einem Wakeup-ASIC 15 als Steuereinrichtung zusätzlich im Ruhemodus der Linearregler 9 über Ausgang 15b'' abgeschaltet werden, da der Wakeup-ASIC 15 im Unterschied zu dem Mikro- Kontroller 17 oder dem Stromwertschalter 13 seine Betriebsspannung direkt vom Bordnetz, also Batterie und Lichtmaschine, bezieht und demzufolge keinerlei Ausgangsspannung am Linearregler 9 hierfür nötig ist.
  • In Fig. 3 sind zum einen die vorstehenden unterschiedlichen Ausführungsformen mit Stromschwellwertschalter 13, Mikro- Prozessor 17 und Wakeup-ASIC 15 dargestellt, wobei hierbei die Möglichkeit aufgezeigt wird, dass nicht nur ein Linearregler 9 sondern mehrere, beispielsweise drei Linearregler 9, 9', 9'' dem Konverter nachgeschaltet sind, die aus einer Zwischenkreisspannung des Konverters 5 unterschiedliche Ausgangsspannungen, beispielsweise für unterschiedliche Schaltungsgruppen eines Steuergerätes, erzeugen.
  • Zum Zweck der Betriebssicherheit können diese Ausgänge 9b, 9', 9b" weiterhin über eine Reset-Logikschaltung 19 mit einem Mikro-Kontroller verbunden sein (beispielsweise mit dem Mikro-Kontroller des Steuergerätes), so dass bei Eintreten bestimmter Fehler die Ausgangs- bzw. Versorgungsspannung eines oder mehrerer Linearregler 9, 9', 9" beispielsweise über ein Abschalten des entsprechenden Linearreglers 9, 9', 9" oder die gesamte Schaltung über ein Abschalten des Bypassschalters 11 und ein Abschalten des Konverters 15 ausgeschaltet werden kann.
  • Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen zeigen, wie aus einer zukünftigen Bordnetzspannung von mehr als 12 Volt, beispielsweise 42 Volt, eine Versorgungsspannung für Digitalschaltungen, insbesondere 5 Volt, 3,3 Volt oder 2,5 Volt, erzeugt werden kann, wobei trotzdem die Ruhestromanforderung für einen langzeitigen Parkbetrieb (Ruhemodus) erfüllt bleibt, ohne dass spezielle kostenintensive Bauteile oder Kühlmaßnahmen Verwendung finden.
  • Selbstverständlich sind eine Eingangsspannung von 42 Volt sowie eine Batteriespannung von 36 Volt nur als absolute Werte zu verstehen, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass übliche Spannungen eines 42 Volt Bordnetzes auch ohne Berücksichtigung von EMV in einem (Toleranz-)Bereich zwischen 18 Volt und 58 Volt liegen können.
  • Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Schaltung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur in der Fahrzeugtechnik, sondern auf beliebigen Gebieten angewendet werden, bei denen beispielsweise aufgrund einer autarken Stromversorgung oder aus Kostengründen das Erfordernis eines besonders geringen Stromverbrauchs im Ruhemodus gegeben ist. Wie in Fig. 4 dargestellt, können bei jeder der Ausführungsformen unterschiedliche Ausgangsspannungen durch Verwendung einer entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Linearregler erzeugt werden, so dass je nach Anforderung (erforderliche Eingangsspannung der zu betreibenden Geräte, insbesondere Steuergeräte) die gewünschte Versorgungsspannung erzeugt werden kann. Selbstverständlich ist die im Ausführungsbeispiel dargestellte Anzahl von drei Linearreglern nur beispielhaft anzusehen, so dass eine beliebige Anzahl von Linearreglern dem DC/DC- Konverter nachgeschaltet sein kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Versorgungsspannung, insbesondere für digitale Schaltungen, in einem Kraftfahrzeug aus einer höheren Eingangsspannung von mehr als 12 Volt, insbesondere 42 Volt Bordnetzspannung,
a) bei dem aus der Bordnetzspannung in einem Normalbetrieb mittels eines DC/DC-Konverters (5) eine Zwischenspannung in Höhe zwischen Bordnetzspannung und Versorgungsspannung erzeugt wird und
b) aus der Zwischenspannung mittels wenigstens eines Linearreglers (9, 9', 9") die Versorgungsspannung erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
1. in einem Parkbetrieb der DC/DC--Konverter (5) ausgeschaltet und mittels einer Bypass-Schaltung (11) überbrückt wird, so dass die Versorgungsspannung durch den wenigstens einen Linearregler (9, 9', 9") direkt erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen Normal- und Parkbetrieb mittels einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit des versorgungsspannungsseitig fließenden Laststroms erfolgt.
3. Verfahren nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung mehrerer Linearregler (9, 9', 9") unterschiedliche Versorgungsspannungen erzeugt werden.
4. Spannungsversorgungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahren, mit wenigstens einem Linearregler (9, 9', 9") und einem dem wenigstens einen Linearregler (9, 9', 9") vorgeschalteten DC/DC-Konverter (5), um aus einer Spannung von mehr als 12 Volt, insbesondere 42 Volt Bordnetzspannung, über eine Zwischenspannung eine niedrigere Versorgungsspannung, insbesondere für digitale Schaltungen, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungsschaltung eine Bypass-Schaltung (11) aufweist, um in einem Parkbetrieb den Konverter (5) zu überbrücken.
5. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Konverter steuerbar ausgebildet ist, um bei ausgeschalteter Bypass-Schaltung (11) eingeschaltet und bei eingeschalteter Bypass-Schaltung (11) ausgeschaltet zu werden.
6. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungsschaltung eine Steuereinrichtung aufweist, um die Bypass-Schaltung und vorzugsweise zusätzlich den DC/DC-Konverter (5) in Abhängigkeit des versorgungsspannungsseitig fließenden Laststroms zu steuern.
7. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als Stromschwellwertschalter (13) ausgebildet ist.
8. Spannungsversorgungsschaltung nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als Mikrokontroller (17) ausgebildet ist.
9. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als Wakeup- ASIC (1 5) ausgebildet ist.
10. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Linearregler einen Reset-Ausgang aufweist, welcher bei Unterschreiten eines Spannungsschwellwertes ein Reset- Signal ausgibt.
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