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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Stabilisierung
von Kraftfahrzeugbordnetzen.
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Stand der Technik
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In
modernen Kraftfahrzeug-Bordnetzen sind neben permanent laufenden
Stromsystemen wie Navigations-, Sicherheits- und Infotainmentsystemen Kurzzeit-Hochlastverbraucher
wie die Start-Stopp-Funktion und die elektrisch unterstützte Lenkung
(EPS) eingebaut. Dadurch kommt es zum Auftreten von Lastspitzen,
die zu Spannungseinbrüchen unter die Nennspannung des Bordnetzes,
zumeist 12 V, führen. Diese Spannungseinbrüche
haben Komforteinbußen wie flackerndes Innenlicht, Aussetzer
im Infotainment und in der Telematik oder andere Systemunterbrechungen
zu Folge.
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Aus
diesem Grund ist man dazu übergegangen, für empfindliche
Verbraucher in der Bordnetzarchitektur spannungsstabilisierende
Klemmen vorzusehen. Hierzu wird konventionell eine Stützbatterie eingesetzt.
Auch sind konventionelle Relais zur Klemmenschaltung zusammen mit
einem DC/DC-Wandler (Gleichstromwandler) als separate, aktive Leistungselektronik
bekannt. Die herkömmlichen Lösungen arbeiten kontinuierlich,
nehmen permanent Strom auf und weisen typische Wirkungsgradverluste
von 10–20% auf. Die Nachteile dieser herkömmlichen
Lösungen sind somit der für das Bauteil benötigte
zusätzliche Bauraum sowie die durch die aktive Leistungselektronik
bedingte Wärmeentwicklung, die zu aufwändigen
Kühlmaßnahmen führt und ebenfalls zusätzlichen
Bauraum beansprucht.
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Bauraumsparende
Lösungen sind zudem bisher nur von Elektronikbauteilen
bekannt, die zur Abwärtswandlung von Spannungsspitzen bzw. Überstromzuständen
beim Ein- und Ausschalten von Stromverbrauchern eingesetzt werden.
Hier ist als Beispiel die in der
EP 1 345 795 B1 offenbarte Schaltung zu nennen.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltkreisbauteil
zur Stabilisierung von Kraftfahrzeugbordnetzen zu entwickeln, welches
wie herkömmliche Bausteine ansteuerbar ist, dabei jedoch
leicht zu kühlen ist und nur geringen Bauraum beansprucht.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaltkreisbauteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Schalkreisbauteil zur Kraftfahrzeugbordnetzstabilisierung
umfasst die Funktion eines elektronischen Relais in Kombination mit
der Funktionalität einer DC/DC-Wandlerschaltung. Das Bauteil
erlaubt den Lastpfad zu schalten und im durchgeschalteten Zustand
die Spannung im Lastpfad durch eine DC/DC-Aufwärtswandlung
auf die Nennspannung zu stabilisieren.
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Die
Aufwärtswandlung geschieht nicht kontinuierlich, sondern
nur für den zeitlich begrenzten Fall, in dem es zum Einbruch
der Bordnetzspannung, d. h. zum Einbruch der Eingangsspannung des Schaltbauteils,
z. B. durch den Motorstart, kommt. Das Intervall, in dem eine aktive
Aufwärtswandlung der DC/DC-Wandlerschaltung vorgenommen
wird, kann über die bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Systemen
notwendigerweise vorhandenen Systeme zur Batterie-Zustandserkennung
und zum Energiemanagement gesteuert werden.
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Die
DC/DC-Wandlerschaltung des erfindungsgemäßen Systems
wandelt nicht abwärts, d. h. in Fällen, in denen
die Bordnetzspannung (Eingangsspannung) höher als die Nennspannung
ist, ist der Schaltkreis inaktiv bzw. wandlungsfrei. Durch den erfindungsgemäßen
diskontinuierlichen, eventabhängigen Betrieb der DC/DC-Wandlerschaltung
entsprechen die wirkungsgradabhängigen Verluste nur einem
Bruchteil der Verluste der Systeme, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind.
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Durch
die geringere Verlustleistung der erfindungsgemäßen
DC/DC-Wandlerschaltung kann auf eine aufwändige Kühlung
des Bauteils verzichtet werden. Das Bauteil lässt sich
somit in seinen Abmessungen minimieren. Die Nennspannung bzw. der Durchlassbereich
sind natürlich keine exakten Werte bzw. Wertbereiche, sondern
sind als mit Toleranzgrenzen versehene Werte anzusehen. Eine übliche Toleranzgrenze
für den Spannungsabfall über das Bauelement im
durchgeschalteten Zustand ist hierbei +/– 200 mV. Ebenso
versteht sich, dass die Stabilisierung auf die Nennspannung so zu
verstehen ist, dass die DC/DC–Wandlerschaltung die Spannung
des Lastpfades auf ein um die Nennspannung liegendes Fenster stabilisiert.
Dieses Fenster beträgt typischerweise +/– 0,5
V.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung stabilisiert der Schaltkreis bei
einem Spannungsabfall des Bordnetzes die Spannung des Lastpfades
nach dem Spannungseinbruch für eine vorbestimmte maximale Zeit.
Diese zeitliche Begrenzung dient dazu, eine übermäßige
Erwärmung des Bauteils zu vermeiden.
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Bevorzugt
wird bei einem länger als die vorbestimmte Zeit dauernden
Spannungsabfall auf einen reduzierten Spannungswert die Bordnetzspannung
zunächst für die vorbestimmte Zeit nach Beginn des
Spannungsabfalls auf die Nennspannung stabilisiert und danach auf
den unterhalb der Nennspannung liegenden reduzierten Spannungswert
stabilisiert. Dieses Merkmal ist insbesondere bei einem längeren
Spannungseinbruch von Vorteil, wenn das Bordnetz mit Hochlast nur
aus der Batterie unterstützt wird.
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Vorteilhaft
ist, wenn der Schaltkreis bei einem weiteren Spannungsabfall unter
den reduzierten Spannungswert die Bordnetzspannung für
die vorbestimmte Zeit auf den reduzierten Spannungswert stabilisiert.
Dies kommt beispielsweise zum Tragen, wenn eine elektrische Servolenkung
(EPS) bei abgeschaltetem Motor, d. h. ohne Generatorunterstützung,
aktiviert wird.
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Bevorzugt
beträgt die vorbestimmte Zeit 1,5 s, was ein Wert ist,
der in der Praxis der Dauer eines Startvorgangs bei modernen Start-Stopp-Systemen entspricht.
Die Nennspannung beträgt bevorzugt 12 V, während
der reduzierte Spannungswert bevorzugt 1 V unter der Nennspannung
liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil in Sicherungs-
und/oder Relaisboxen eines Kraftfahrzeugs steckbar. Dies wird durch
die reduzierten Abmessungen ermöglicht und hat den Vorteil, dass
kein zusätzlicher Bauraum notwendig ist und das erfindungsgemäße
Bauteil für verschiedene Spannungsempfindliche Verbraucher
verwendet werden kann.
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Das
Bauteil besitzt bevorzugt Steckkontakte, die einem ISO-Mini- oder
ISO-Maxirelais entsprechen. Dadurch wird maximale Kompatibilität
mit vorhandenen Sicherungs- und/oder Relaisboxen in Kraftfahrzeugen
gewährleistet und auch die Ansteuerung über Kontakte
wie bei einem ISO-Relais ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Bauteils der Erfindung ist ein
Mikroprozessor zur Steuerung der Schaltfunktion des Relais und zur Steuerung
der DC/DC-Wandler-Funktionalität. Die externe Ansteuerung
der Relaisfunktion (Lastpfad an/aus) kann wie bei einem herkömmlichen
Relais beispielsweise über Steuerkontakte erfolgen. Die Steuerung
der DC/DC-Wandlerschaltung erfolgt bevorzugt in der Art und Weise,
dass ein über eine Spannungsmessung detektierter Spannungseinbruch
eine Aktivierung und eine Regelung des Wandlungsverhaltens der DC/DC-Wandlerschaltung
durch den Mikroprozessor zur Folge hat. Vorteilhafterweise ist im
Mikroprozessor ein Programm gespeichert, das die Spannungswerte
für die Steuerung des Relais enthält und anhand
dieser das Relais ansteuern kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in welchen:
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1 graphisch
die Unterstützung der Bordnetzspannung bei einem kurzzeitigen
Spannungseinbruch durch Lastspitzen zeigt; und
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2 die
Unterstützung der Bordnetzspannung bei einem länger
andauernden Spannungseinbruch zeigt, bei dem die nichtgestützte
Bordnetzspannung für mehr als 1,5 s unter der Nennspannung bleibt.
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Wege zur Ausführung
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Schaltkreisbauteil umfasst ein
elektronisches Relais wie z. B. ein Halbleiterrelais (z. B. MOSFETs
oder Leistungstransistoren), die mit einer DC/DC-Wandlerschaltung
und mit einem Mikroprozessor für deren Ansteuerung verbunden
sind.
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Im
Mikroprozessor sind die Spannungswerte sowie die Steuerzeiten und
Steuerungsprogramme für die Unterstützung der Bordnetzspannung
bei kurzzeitigen sowie länger andauernden Lastspitzen gespeichert.
Die Bauteile sind in einem Relaiswürfel mit 25 mm Seitenlänge
untergebracht und von einem metallischen Gehäuse zur besseren
Wärmeabfuhr umgeben. Die Steckkontakte sind Schnellsteckkontakte
nach der ISO 8092-1 Norm. Das Bauteil ist in einen Steckplatz in
einer Sicherungs- und Relaisbox eines Kraftfahrzeugs eingesteckt. Über
diesen Steckplatz erfolgt die Versorgung und Klemmenschaltung von
spannungssensitiven Verbrauchern wie Infotainment, Telematik oder
Innenlicht.
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Aufgrund
der im Folgenden beschriebenen Funktionsweise des Schaltkreises
beträgt dessen Nennleistung 100–200W, was für
die Versorgung von spannungssensitiven Verbrauchern hinreichend
ist. Durch den Einsatz von mehr als einem erfindungsgemäßem
Bauteil ist die für einen Spannungszweig zur Verfügung
stehende Leistung skalierbar.
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Eine
ausreichende Kühlung des Bauteils kann sowohl über
das metallische Gehäuse als auch über die Steckkontakte,
mit der Wärmesenke des Steckplatzes (z. B. Stanzgitter),
erfolgen.
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Im
Normalbetrieb, wenn der Anlasser als Kurzzeithochlastverbraucher
nicht aktiv ist, befindet sich die den Verbrauchern zur Verfügung
gestellte Spannung des Lastpfades Uout auf
der von der Batterie (bei ausgeschaltetem Motor) bzw. von der Batterie und
der Lichtmaschine (bei eingeschaltetem Motor) bereitgestellten Nennspannung
von 12 V bzw. 14 V. In diesem so genannten Durchlassbereich toleriert der
Schaltkreis einen Spannungsabfall von typischerweise 150 mV bei
Nennlast, ohne die DC/DC-Wandlerschaltung zu aktivieren. Das elektronische
Relais ist somit durchgeschaltet und der Wandler nicht aktiv, d.
h. ohne Taktung.
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Wenn
sich das Fahrzeug z. B. beim Halten an der Ampel im gestoppten Zustand
befindet, d. h. der Motor durch die Start- Stopp-Funktion ausgeschaltet
ist, werden die spannungsempfindlichen Verbraucher im Lastpfad,
wie z. B. das Infotainmentsystem oder das Navigationssystem, lediglich
von der Batterie gespeist. Wird nun zum Anfahren das Gaspedal betätigt,
startet die Start-Stopp-Funktion automatisch den Motor (1,
t = 0). Hierbei kommt es zu einer kurzzeitigen Hochlastsituation,
bei welcher die von der Batterie an das Bordnetz gelieferte Eingangsspannung
Uin von ihrem Nennwert von 12 V beispielsweise
auf 9 V abfällt. Der Mikroprozessor erkennt den Spannungsabfall
und beginnt mit der Taktung der DC/DC-Wandlerschaltung, welche innerhalb von
maximal 10 ms eine stabile Aufwärtswandlung auf die Nennspannung
im Lastpfad eingestellt (Uout = 12 V). Diese
Unterstützung der Bordnetzspannung Uout wird
vom Schaltkreis für maximal 1,5 s aufrechterhalten. Kehrt
die Eingangsspannung Uin innerhalb dieser
Zeit auf ihren Nennwert von 12 V zurück, so wird dies vom
Mikroprozessor erkannt und das Relais wieder durchgeschaltet. Auf
diese Weise wird die Erwärmung des Bauteils lediglich auf
die Zeit des aktiven Aufwärtswandelns begrenzt.
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In 2 ist
ein Fall dargestellt, in dem ein länger andauernder Spannungsabfall
eintritt. Langzeit-Spannungseinbrüche stellen in Bordnetzen
mit Energiemanagement eine Ausnahmesituation dar, können
aber z. B. bei beschädigter oder gealterter Batterie auftreten.
Hierbei kehrt die Bordnetzspannung nicht rechtzeitig auf die Nennspannung
zurück, weil sie z. B. nur aus der Batterie unterstützt
wird. Bei einem solchen Langzeit-Spannungseinbruch wird, wie in 1,
dieser Spannungseinbruch innerhalb von 10 ms vom Mikroprozessor über
die Relaisschaltung und die DC/DC-Wandlerschaltung auf die Nennspannung
von 12 V aufwärts geregelt, jedoch kehrt während
der 1,5 s dauernden Aktivität des Schaltkreises die Eingangsspannung
Uin nicht auf ihren Nennwert zurück.
Somit wird nach den 1,5 s die Ausgangsspannung Uout vom
Schalkreis auf das reduzierte Spannungsniveau von vorliegend 11
V abgesenkt, auf dem es solange verbleibt, bis die Spannung Uin wieder auf die Nennspannung von 12 V zurückkehrt (in 2 nicht
mehr dargestellt). Sollte die Eingangsspannung Uin,
nicht auf den Nennwert zurückkehren, sondern stattdessen
einen weiteren Einbruch unter das reduzierte Niveau von 11 V erleiden,
wird dies wiederum vom Mikroprozessor erkannt und die Relaisschaltung
sowie die DC/DC-Wandlerschaltung zur Spannungsstützung
entsprechend geschaltet, wobei hier die Spannungsstützung
auf das reduzierte Niveau von 11 V erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil umfasst des Weiteren
einen Kurzschlussschutz, der bei einem vom Mikroprozessor gemessenen
Spannungsabfall der Ausgangsspannung Uout unter
1 V nach spätestens 10 ms den Schaltkreis abschaltet. Ebenso
ist ein Überlastschutz vorgesehen, der einerseits thermisch bei Überschreiten
einer Grenztemperatur bzw. elektrisch bei Abfall der Ausgangsspannung
Uout unter 6 V für mehr als 2 s
den Schaltkreis abschaltet.
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Der
Fachmann wird in Kenntnis der hierin enthaltenen Offenbarung weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erkennen, die ebenso
im Schutzbereich der folgenden Ansprüche liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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