DE102007026165A1 - Switchgear for electrically connecting standby current consumers e.g. radio, of motor vehicle, has switch contacts switchable successively or simultaneously by turning switch e.g. gear shift drum, about rotational axis - Google Patents

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Abstract

The switchgear has an electric motor-driven switch e.g. gear shift drum (29), with multiple switching conditions, where different standby current consumers (1-4) e.g. radio, are connectable with or separable from an electrical energy source individually, commonly or in preset groups during the switching conditions, respectively. Multiple switch contacts are arranged in parallel in an axial direction, where the switch contacts are switchable successively or simultaneously by the turning of the switch about a rotational axis.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum elektrischen Verbinden mehrerer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einer elektrischen Energiequelle.The The present invention relates to a switching device for electrical Connecting a plurality of consumers of a motor vehicle with at least an electrical energy source.

Stand der TechnikState of the art

Dem Kraftfahrzeugbordnetz kommt in Zukunft wachsende Bedeutung zu. Durch die zunehmende Nutzung der Energierückgewinnung zur Kraftstoffeinsparung z. B. bei Start-Stop und Rekuperation, muss das Bordnetz zusätzlichen Anforderungen gerecht werden. Zusätzlich sollen die Batterieausfälle, die nach einer ADAC-Statistik bis zu 30% der Fahrzeugausfälle ausmachen, deutlich verringert werden. Lösungen mit UltraCap, wie diese in den DE 10213105.8 , WO 02/080334 A3 , EP 1410482 , DE 10250488.1 , DE 10305939.3 und DE 10313081.0 beschrieben sind, bieten hierfür eine Basis.The motor vehicle electrical system will become increasingly important in the future. Due to the increasing use of energy recovery for fuel economy z. B. at start-stop and recuperation, the electrical system must meet additional requirements. In addition, the battery failures, which account for up to 30% of vehicle failures according to ADAC statistics, should be significantly reduced. Solutions with UltraCap, like these in the DE 10213105.8 . WO 02/080334 A3 . EP 1410482 . DE 10250488.1 . DE 10305939.3 and DE 10313081.0 are described, provide a basis for this.

Im Augustheft der Zeitschrift „Autmomobil-elektronik" des Verlages „moderne industrie" sind weitere Gründe für Batterieausfälle beschrieben, sowie das Batteriemanagement und der Ein satz von UltraCap's (UCap). Ein guter Ansatz zur Reduzierung der Batterieausfälle durch Einsatz eines Batteriesensors und Abschaltung von Verbrauchern ist im Audi A6 (Baujahr 2006) realisiert. Zudem ist ein Steuergerät für Energie- und Ruhestrommanagement (ERM) beschrieben.in the August issue of the magazine "Autmomobil-elektronik" of the Publishing house "modern industry" are other reasons for battery failures, as well as the battery management and the use of UltraCap's (UCap). A good approach to reducing the Battery failures by using a battery sensor and Shutdown of consumers is realized in the Audi A6 (built in 2006). In addition, a control unit for energy and quiescent current management (ERM) described.

Eine weitere Problematik ist die Abschaltung von Batterie oder UltraCap als Energiespeicher bei einem Crash. Bekannt sind hier Batterietrennschalter. Eine in sich geschlossene Gesamtlösung für Energie-, Power- und Ruhestrommanagement ist jedoch noch nicht bekannt. Z. B. sind bei der Anwendung von UCap und weiterer Verbesserung vom Bordnetz Powerschalter und zusätzliche Abschaltpfade notwendig. Die Anwendung von Leistungshalbleitern ist wegen der relativ hohen Widerstände bzw. Verlustleistung und der Leckströme, insbesondere bei schadhaften Halbleitern, welche wiederum die Batterie entleeren, kritisch.A Another problem is the shutdown of battery or UltraCap as energy storage in a crash. Battery disconnectors are known here. A self-contained total solution for energy, Power and quiescent power management is not yet known. Z. B. are in the application of UCap and further improvement of the electrical system Power switch and additional shutdown paths necessary. The application of power semiconductors is because of the relatively high Resistances or power losses and the leakage currents, especially with defective semiconductors, which in turn the battery empty, critical.

Das zukünftige Bordnetzkonzept mit Power-, Energie-, Ruhestrom- und Signalmanagement muss folgende Aufgaben erfüllen:The future wiring system concept with power, energy, quiescent current and signal management must fulfill the following tasks:

Energiemanagement:Energy management:

  • a. bedarfsgerechte unda. needs-based and
  • b. situationsgerechte Steuerung der Generatorleistungb. Situational control of generator power

  • zu a. abhängig von Verbraucherlast, Batterieladung, Ausgleich der Leckströme bei mehreren Speichern, z. B. UCap von Batterieto a. depending on load, battery charge, compensation the leakage currents at several memories, z. B. UCap from battery
  • zu b. Rekuperation in entsprechendem Speicher, Steuerung der Generatorleistung bei Beschleunigung oder Energieeinspeisung und Energierückspeisung bei und nach Rekuperation, ggf. Anhebung der Generatorspannung.to b. Recuperation in appropriate memory, control of Generator power during acceleration or energy supply and Energy recovery during and after recuperation, if necessary increase the generator voltage.
  • Ziel: min. KraftstoffverbrauchGoal: min. fuel consumption

Powermanagement:Power Management:

  • • Leistungsverteilung in einzelne Strompfade und deren Absicherung gegen Kurzschluss;• Power distribution in individual Current paths and their protection against short circuits;
  • • Leistungsverteilung im Mehrspannungsbordnetz;• power distribution in the multi-voltage electrical system;
  • • Starten des Fahrzeugs;• starting the vehicle;
  • • Schaltung der Bordnetzkomponenten bei Ausfall wie Generator oder Batterie z. B. zur Sicherstellung der Funktion der Anzeigen oder Bremse;• Circuit of the vehicle electrical system components in case of failure such as Generator or battery z. B. to ensure the function of Indicators or brakes;
  • • Fremdstart;• third party start;
  • • Verpolschutz;• polarity reversal protection;
  • • Abschaltung der Strompfade bei Crash;• Shutdown of the current paths in the event of a crash;
  • • Absicherung Bordnetz gegen Impulsbelastung und Überspannung;• Protection of on-board network against impulse load and overvoltage;
  • • min. el. Verluste und min. Kabelsatzgewicht.• min. el. losses and min. Harness weight.

  • Ziel: fehlersichere Schaltung ohne BrandgefahrTarget: fail-safe circuit without risk of fire

Ruhestrommanagement:Current Management:

  • • Batteriezustandserkennung, z. B. SOC (Ladung), SOC (Zellenzustand);• Battery condition detection, eg. B. SOC (charge), SOC (cell state);
  • • Überwachung der Strompfade auf Ruhestrom und Abschaltung bei Überschreitung der Grenzwerte;• Monitoring the current paths to quiescent current and Shutdown if limit values are exceeded;
  • • zeitliche Überwachung der Ruhestromverbraucher;• temporal monitoring of quiescent consumers;
  • • Erkennung von Fehlbedienung und entsprechende Abschaltung;• detection of incorrect operation and corresponding shutdown;
  • • stufenweise Abschaltung von Ruhestromverbrauchern.• Gradual shutdown of closed circuit loads.

  • Ziel: Min. Batterieausfall Standzeit Fahrzeug größer 6 Monate mit Startfähigkeit. Nach dem Stand der Technik sind Einzelbereiche von o. g. bereits gelöst, jedoch kein ganzheitliches Konzept, hierzu gehört auch ein Mehrspannungsbordnetz.Target: Min. Battery failure Service life Vehicle greater 6 Months with starting ability. According to the prior art Individual areas of o. G. already solved, but not holistic Concept, which also includes a multi-voltage vehicle electrical system.

Signal- oder Kommunikationsmanagement:Signal or communication management:

  • • Stand der Technik ist die Vernetzung von Steuergeräten mit CAN, LIN und MOST Busprotokoll;• The state of the art is networking of control units with CAN, LIN and MOST bus protocol;
  • • Neuerdings kommt FlexRay für höhere Geschwindigkeiten und Fehlersicherheit zum Einsatz.• Recently FlexRay comes for higher Speeds and error safety are used.

  • Ziel: Reduzierung des Kabelsatzes und Varianten-Darstellung hoch komplexer Funktionen.Goal: Reduction of the cable set and variant representation highly complex functions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltvorrichtung für ein Bordnetz mit den zuvor beschriebenen Anforderungen bereitzustellen.task The present invention is a switching device for to provide an electrical system with the requirements described above.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.These Task is with a switching device with the features of the claim 1 solved. Further advantageous embodiments of the switching device according to claim 1 result from the features the dependent claims.

Durch den vorteilhaften Einsatz eines elektromotorisch betriebenen Schalters, insbesondere in Form einer Schaltwalze, kann eine zentrale elektronische Steuerung für das Power-, Energie- und Ruhestrommanagement die Zu- und Abschaltung von Ruhestrom, Normal- und Notfahrverbraucher, des Starters und Generators, sowie des elektrischen Energiespeichers durch Ansteuerung des Antriebs des Schalters vornehmen. Der Einsatz des Schalters ermöglicht das Schalten hoher Ströme bei kleinem Kontaktwiderstand. Zudem ist eine hohe Zuverlässigkeit des Schalters gegeben. Die Schaltkontakte des Schalters sind vorteilhaft bistabil ausgebildet, so dass lediglich zwei stabile Schaltzustände für jeden Schaltkontakt existieren. Die Zu- und Abschaltung von Generator, Starter und Energiespeicher erfolgt mit hoher Flexibilität für die Konzeption des Bordnetzes.By the advantageous use of an electromotive operated switch, in particular in the form of a shift drum, can be a central electronic Control for power, energy and quiescent power management the connection and disconnection of closed circuit, normal and emergency vehicles, the starter and generator, as well as the electrical energy storage by controlling the drive of the switch. The use of the switch enables the switching of high currents with small contact resistance. In addition, a high reliability given the switch. The switching contacts of the switch are advantageous bistable, so that only two stable switching states exist for each switching contact. The connection and disconnection of Generator, starter and energy storage takes place with high flexibility for the design of the electrical system.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung kann vorteilhaft in ein Bordnetz der Zukunft eingesetzt werden, wobei der Schalter mit seinem mindestens einen Antrieb in einem Modul angeordnet wer den kann. In diesem Modul kann zudem die Steuerelektronik angeordnet werden, wodurch sich vorteilhaft kurze Signalwege und eine kompakte und kostengünstige Bauweise ergibt. Die Steuerelektronik kann zudem mit Hilfe eines Batteriesensors die Ladung der Batterie überwachen.The Switching device according to the invention can be advantageous be used in a wiring system of the future, with the switch arranged with his at least one drive in a module who the can. In addition, the control electronics can be arranged in this module be, resulting in advantageous short signal paths and a compact and low cost construction results. The control electronics can also monitor the battery charge using a battery sensor.

In dieses Modul können die notwendigen Sicherungen integriert werden.In This module can integrate the necessary fuses become.

Die Schaltvorrichtung kann für ein 1-Spannungsbordnetz sowie für ein Mehrspannungs-Bordnetz verwendet werden.The Switching device can be used for a 1-voltage electrical system as well be used for a multi-voltage electrical system.

Ebenso kann die Schaltvorrichtung zusammen mit weiterer Bordelektronik, wie z. B. DC/DC-Konverter, in einem Modul zusammen angeordnet werden.As well can the switching device together with other on-board electronics, such as B. DC / DC converter, are arranged together in a module.

Das die Schaltvorrichtung aufweisende Modul kann zudem das zentrales Gateway aufweisen.The the switching device having module can also be the central Gateway have.

Beim Bordnetz ist zudem ein Verpolschutz für Fremdstart und Batterieanschluss und damit zentraler Verpolschutz für das gesamte Bordnetz und Elektronik vorzusehen.At the Electrical system is also a reverse polarity protection for Fremdstart and Battery connection and thus central reverse polarity protection for to provide the entire electrical system and electronics.

Das vorbeschriebene Modul kann vorteilhaft direkt am Energiespeicher angebaut bzw. angeordnet werden.The The above-described module can advantageously directly on the energy storage be grown or arranged.

Das vorbeschriebene Konzept mit Power- und Energiemanagement hat folgende Vorteile:

  • • weniger Batterieausfälle durch Abschaltung der Batterie im Normalbetrieb, Energiespeicherung und Ausgleich über Ucap;
  • • sichereres und schnelles Starten mit höherer Spannung;
  • • zentrales Ruhestrommanagement, zentrale Steuerung des Bordnetzes über PSM mit kleinen Ruheströmen und bistabilen Schalterfunktionen;
  • • Gewichtsreduzierung durch kleinere Batterie und im Leitungssatz, teilweise Entfall von Sicherungsdosen;
  • • erhöhte Sicherheit gegen Brandgefahr durch Abschalten der Energiespeicher z. B. bei Crash;
  • • Kostenreduzierung durch Entfall der Relais und Vorsicherungsdosen, Verringerung des Leitungssatzes und zentraler Verpolschutz. Die Verpolschutzmaßnahmen in den vielen Steuergeräten und Komponenten entfallen. Alle Schalter und Steuerfunktionen werden zentral im PSM erledigt;
  • • Funktionen von Start-Stop, Rekuperation und besseren Wirkungsgrad im Generator und gesamten Energiemanagement bringen erhebliche Kraftstoffverbrauchsreduzierung;
  • • höhere Zuverlässigkeit durch redundante Funktionen bei den Schaltern und Betätigung.
The above-described concept with power and energy management has the following advantages:
  • • less battery failure due to battery shutdown during normal operation, energy storage and balancing via Ucap;
  • • safer and faster starting with higher voltage;
  • • Central quiescent power management, central control of the vehicle electrical system via PSM with small quiescent currents and bistable switch functions;
  • • Reduced weight due to smaller battery and in the wiring harness, partial elimination of fuse boxes;
  • • increased safety against fire hazard by switching off the energy storage z. In crash;
  • • Reduced costs by eliminating the relays and fuses, reducing the wiring harness and central reverse polarity protection. The reverse polarity protection measures in the many control units and components are eliminated. All switches and control functions are done centrally in the PSM;
  • • Functions of start-stop, recuperation and better efficiency in the generator and overall energy management bring significant fuel consumption reduction;
  • • higher reliability due to redundant functions at the switches and actuation.

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen mögliche Ausgestaltungen von Bordnetzen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung näher erläutert.following become possible designs based on drawings from on-board networks using the invention Switching device explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 Aufbau eines Powerschaltmoduls (PMS) mit integrierter erfindungsgemäßer Schaltvorrichtung und Steuereinrichtung; 1 Structure of a power switching module (PMS) with integrated switching device and control device according to the invention;

2 mögliche Ausgestaltung der Kontaktbetätigung der Schaltvorrichtung; 2 possible embodiment of the contact operation of the switching device;

3 räumliche Anordnung des Moduls am Energiespeicher; 3 spatial arrangement of the module at the energy storage;

4 ein 1-Spannungsbordnetz mit Powerschaltmodul; 4 a 1-voltage on-board network with power switch module;

5 ein 2-Spannungsbordnetz mit Powerschaltmodul und drei Energiespeichern; 5 a 2-voltage on-board network with power switching module and three energy storage units;

6 ein 2-Spannungsbordnetz mit zwei Energiespeichern und Starteranordnung über Mosfet. 6 a 2-voltage on-board network with two energy storage units and starter arrangement via mosfet.

Die 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Powerschaltmoduls (PSM) für ein 1-Spannungsbordnetz, welches Anschlüsse für die nachfolgend aufgeführten Verbraucher aufweist:The 1 1 shows a possible embodiment of a power switching module (PSM) for a 1-voltage on-board network, which has connections for the consumers listed below:

1–41-4
Ruhestromverbraucher wie z. B. Radio, Standheizung, Telefon, el. DiebstahlwarnungQuiescent current loads such as Radio, heater, telephone, el. Theft warning
55
Anschluss Hecksicherungsdoseconnection Rear fuse box
66
Klasse 15 Verbraucher z. B. aktiviert über Zündschloss Hier bietet es sich an, die entsprechenden Sicherungen der Klasse 15 Verbraucher 6a6e in den PSM zu integrieren, ebenso die Ausgänge für 8, 9 und 18 und 19class 15 Consumer z. Activated via ignition lock Here it makes sense to use the corresponding fuses of the class 15 consumer 6a - 6e to integrate into the PSM, as well as the outputs for 8, 9 and 18 and 19
77
Starter und Generatorstarter and generator
88th
Bremssystemebraking systems
99
Motorlüftermotor fan
1010
Reserve-PinReserve Pin
1111
PTC-HeizungPTC heater
1212
FrontsicherungsdoseFront fuse box
1313
Lichtsensorlight sensor
1414
Türkontaktdoor contact
1515
ZündschlossIgnition lock
1616
Temparatursensor von BatterieTemparatursensor from battery
1717
Busanschluss z. B. auch für Generatorreglerbus connection z. B. also for generator controller
1818
FrontsicherungsdoseFront fuse box
1919
HecksicherungsdoseRear fuse box

In dieser Darstellung ist die gesamte Schaltung in einem Modul PSM zusammen gefasst, und die Schaltkontakte Si werden über eine zentrale Schaltwalze 29 betätigt, welche von den Antrieben 30, 30a angetrieben ist. Es ist selbstverständlich möglich mehr als eine Schaltwalze 29 im Modul vorzusehen. Ebenso ist es möglich, dass mehr als ein Modul PSM im Kraftfahrzeug angeordnet ist, wobei jedes Modul einen elektromotorisch betriebenen Schalter aufweist. Zusätzlich zur Schaltwalze können auch Relais oder Leistungshalbleiter vorgesehen verwendet werden.In this representation, the entire circuit is combined in a module PSM, and the switching contacts S i are via a central shift drum 29 pressed, which of the drives 30 . 30a is driven. It is of course possible more than a shift drum 29 to be provided in the module. It is also possible that more than one module PSM is arranged in the motor vehicle, each module having an electric motor-operated switch. In addition to the shift drum, it is also possible to use relays or power semiconductors.

Der Ausgang 5 ist mit der Hecksicherungsdose 18 und 12 mit der Frontsicherungsdose 19 und Anschluss 20 ist mit dem Fremdstartstützpunkt verbunden. Dieser ist über Schalter SF mit dem Bordnetz und der Verpolschutzdiode 21 mit der el. Schaltung 22 verbunden. Damit ist der PSM über den Fremdstarteingang verpolgeschützt. Bekanntlich können hier im Service Fehlbedienungen auftreten, die großen Schaden anrichten. Deshalb sind alle Steuergeräte und Komponenten verpolgeschützt. Dasselbe gilt für den Batterieanschluss 23, der über Schalter SB vom Bordnetz und über die Verpolschutzdiode 21a von der elektrischen Schaltung getrennt ist. Bei einem Konzept mit UCap 24 ist die Batterie 25 vorzugsweise im hinteren Teil des Fahrzeugs untergebracht. Zur Batterieüberwachung ist vorzugsweise ein Temperatursensor 16a mit der Batterie integriert. Der Generator speist über Leitung 7 das Bordnetz und den UCap 24 als Energiespeicher. An diese Leitung 7 ist die Hauptversorgungsleitung 26 angeschlossen, welche über übliche Shunts und den Schaltern S1–S11 alle Verbraucher über entsprechende Strompfade anschließt. Der Shunt bietet sich zur Stromüberwachung an, so dass bei unplausiblem Strom über die Schalter der entsprechende Ausgang abgeschaltet werden kann, was z. B. bei Kurzschluss oder Crash, aber auch zur Überwachung des Ruhestroms von Bedeutung ist.The output 5 is with the rear fuse 18 and 12 with the front fuse box 19 and connection 20 is connected to the jump start point. This is via switch S F with the electrical system and the polarity reversal protection diode 21 with the el. circuit 22 connected. This means that the PSM is protected against reverse polarity via the external start input. As you know, this service can cause incorrect operation, causing a lot of damage. Therefore, all control units and components are protected against reverse polarity. The same applies to the battery connection 23 , the switch S B from the electrical system and the reverse polarity protection diode 21a is disconnected from the electrical circuit. In a concept with UCap 24 is the battery 25 preferably housed in the rear of the vehicle. For battery monitoring is preferably a temperature sensor 16a integrated with the battery. The generator feeds via wire 7 the electrical system and the UCap 24 as energy storage. To this line 7 is the main supply line 26 connected, which connects via conventional shunts and the switches S1-S11 all consumers via appropriate current paths. The shunt is suitable for current monitoring, so that in the event of an implausible current via the switches, the corresponding output can be switched off, which is eg. B. in case of short circuit or crash, but also for monitoring the quiescent current of importance.

Die Funktion von Generatorbatterie, UCap und DC/DC-Konverter 28 wird in 4 erklärt. Die Schaltkontakte werden über die Schaltwalze 29 betätigt, welche vorzugsweise über 2 redundante Elektromotoren 30, 30a angetrieben ist, die über einen Positionsgeber 31 in die gewünschte Position geregelt werden können. Diese Aufgabe übernimmt die elektrische Schaltung 22, welche abhängig von den Bordnetzsignalen 1517, und Signalen die über die Busleitung eingespeist werden, die entsprechende Schalterkombination ansteuert.The function of generator battery, UCap and DC / DC converter 28 is in 4 explained. The switching contacts are via the shift drum 29 operated, which preferably has 2 redundant electric motors 30 . 30a is driven by a position sensor 31 can be controlled in the desired position. This task is performed by the electrical circuit 22 , which depends on the electrical system signals 15 - 17 , and signals which are fed via the bus, the corresponding switch combination drives.

Die elektrische Schaltung 20 übernimmt alle Schaltfunktionen für Energie-, Power- und Ruhestrommanagement.The electrical circuit 20 assumes all switching functions for energy, power and quiescent current management.

Für Energiemanagement:For energy management:

  • • Steuerung der Generatorleistung und -spannung;• Generator power control and tension;
  • • Erfassung der Verbraucherlast;• recording the load of the consumer;
  • • Batterieladung;• battery charge;
  • • Rekuperation in entsprechenden Speicher.• Recuperation in appropriate memory.

Für Powermanagement:For power management:

  • • Überwachung der einzelnen Strompfade und ggf. Abschaltung bei Kurzschluss 3;• Monitoring of the individual current paths and, if necessary, switching off in the event of a short circuit 3 ;
  • • Bereitstellung der entsprechenden Schalterstellung zum Starten;• Provision of the appropriate switch position to start;
  • • dto.bei Fremdstart;• dto.bei Fremdstart;
  • • Verpolschutz;• polarity reversal protection;
  • • Abschaltung der Strompfade bei Crash.• Shutdown of the current paths in case of a crash.

Für Ruhestrom (abgestelltes Fahrzeug):For closed-circuit current (parked vehicle):

  • • Batteriezustandserkennung;• battery condition detection;
  • • Überwachung der Strompfade und ggf. Abschaltung bei unplausiblem Strom;• Monitoring of the current paths and, if necessary, shutdown with implausible electricity;
  • • zeitliche Überwachung und ggf. Abschaltung der Ruhestandsverbraucher;• temporal monitoring and, if necessary, shutdown the retirement consumer;
  • • Erkennung von Fehlbedienung z. B. Parklicht und entsprechende Abschaltung;• Detection of incorrect operation z. B. parking light and corresponding shutdown;
  • • stufenweise Abschaltung.• gradual shutdown.

Darüber hinaus umfasst die Schaltung 20 eine Sicherheitsschaltung für gravierende Bordnetzausfälle z. B. bei a.) Batterie- und b.) Generatorausfall zur Sicherheit des Fahrers und des Fahrzeugs.In addition, the circuit includes 20 a safety circuit for serious electrical system failures z. B. a.) Battery and b.) Generator failure for the safety of the driver and the vehicle.

Bei einem Batterieausfall stellt die Sicherheitsschaltung sicher, dass die Aktivierung der Gangsperre oder Parkierbremse vor Motorabstellung erfolgt. Zudem werden entsprechende Hinweise auf Anzeigen und Display dem Fahrer mitgeteilt.In the event of a battery failure, the safety circuit ensures that the gear lock or parking brake is activated before engine shutdown he follows. In addition, corresponding instructions on displays and display are communicated to the driver.

Bei einem Generatorausfall stellt die Sicherheitsschaltung sicher, dass die Funktionssicherheit der Anzeigen gewährleistet ist. Zudem werden Bedienungshinweise vor Abstellen des Motors über die Anzeigen ausgegeben. Sofern die Batterie fast leer ist, muss noch genügend Stromreserve vorhanden sein, dass bei automatischer Motorabstellung noch eine genügend große Stromreserve für Gangsperre und Parkierbremse vorhanden ist.at a generator failure, the safety circuit ensures that the functional safety of the displays is ensured. In addition, operating instructions before stopping the engine over the ads are issued. If the battery is almost empty, must still enough power reserve be present, that with automatic Engine shutdown still a sufficiently large power reserve for gear lock and parking brake is present.

Für die oben aufgeführten Funktionen kommuniziert die elektrische Schaltung 20 über die Busleitung 17 mit anderen Systemen wie z. B. Anzeigeninstrument, Motorsteuerung, Bremse, Diebstahlwarnung, Keyless-Go-Systemen. Zur Minimierung des Ruhestromverbrauchs bietet sich an, die Systeme Zugangs- und Fahrberechtigung und Diebstahlwarnung zu integrieren, damit nur noch ein Ruhestromverbraucher bei längerer Fahrzeugstilllegung übrig bleibt. Damit bleibt die Batterie über viele Monate aktiv.The electrical circuitry communicates for the functions listed above 20 over the bus line 17 with other systems such. For example, display instrument, engine control, brake, anti-theft alarm, keyless go systems. To minimize the quiescent current consumption, it is advisable to integrate the systems access and driving authorization and theft warning, so that only one quiescent current consumer remains during prolonged vehicle suspension. This keeps the battery active for many months.

Das Powerschaltmodul PSM wird vorzugsweise an den Energiespeicher angebaut, z. B. UCap 24, über den das Power- und Energiemanagement abläuft, z. B. entspr. 3, angeordnet. Das Powerschaltmodul PSM ersetzt hierbei eine Vielzahl von Relais oder Leistungshalbleitern und Bordnetzsteuergeräte, wie sie heute eingesetzt werden. Für die Abschaltung von Ruhestromverbrauchern oder auch bei Crash sind bistabile Relais oder Schalter notwendig, um das Bordnetz oder die Batterie zu sichern. Die elektrische Schaltung 22 übernimmt die bistabile Abschaltung der Verbraucher bei Crash, Kurzschluss oder Ruhestromverbraucher in Abhängigkeit des Ladungszustandes der Batterie.The power switching module PSM is preferably attached to the energy storage, z. B. UCap 24 , over which the power and energy management runs, z. B. entspr. 3 arranged. The power switching module PSM replaces a variety of relays or power semiconductors and onboard power supply control units, as they are used today. For the shutdown of quiescent consumers or in a crash bistable relays or switches are necessary to secure the electrical system or the battery. The electrical circuit 22 assumes the bistable shutdown of the consumer in the event of a crash, short circuit or closed-circuit load depending on the state of charge of the battery.

Die einzelnen Strompfade sind mit der el. Schaltung verbunden deren Steuerleitungen 44 mit Pfeilen gekennzeichnet sind. Üblicherweise wird nach der Batterie eine sog. Vorsicherungsdose eingeschaltet, welche die Hauptverbraucher Sicherungskasten und Leistungsverbraucher wie Motorlüfter (800 W) und PTC-Heizung (1500 W) absichert. Diese ist aufwändig und benötigt viel Einbauvolumen, was nunmehr im Powerschaltmodul PSM integriert ist, mit dem zusätzlichen Vorteil der individuellen Zu- und Abschaltung. Über die Leistungsschalter SB und SK können die Energiespeicher 24 und 25 vom Bordnetz getrennt werden, was die Brandgefahr insbesondere bei Crash reduziert. Diese Powerschalter werden heute als separate Batterietrennschalter verwendet, sind aber aufwändig. Z. B. kann über Strompfad 11 ein leistungsstarker PCT geschaltet werden, der konventionell über ein Relais oder Hochstromsicherung abgesichert ist. Über das Powerschaltmodul PSM ist dies mit geringem Aufwand möglich. Es ist vorteilhaft, in die elektrische Schaltung 22 die Funktion der Fernbedienung mit Antenne 32 oder keyless entry zu integrieren, da diese Funktion bei den Ruhestromabschaltungen 14 zuletzt abgeschaltet werden soll, sofern der Ladezustand der Batterie sehr gering ist. Durch beschriebene Integrationen im Powerschaltmodul PSM können sehr viele Leitungen eingespart werden, wodurch nicht nur die Ausfallrate verringert, sondern auch Kosten und Gewicht eingespart werden. In dem Schaltmodul sind somit ganzheitlich alle wesentlichen Funktionen des Power-, Energie- und Ruhestrommanagements zusammen gefasst.The individual current paths are connected to the el. Circuit whose control lines 44 marked with arrows. Usually, a so-called. Vorsicherungungsdose is turned on after the battery, which protects the main consumer fuse box and power consumers such as motor fan (800 W) and PTC heating (1500 W). This is complex and requires a lot of installation space, which is now integrated in the power switching module PSM, with the added advantage of individual connection and disconnection. About the power switch S B and S K , the energy storage 24 and 25 be separated from the electrical system, which reduces the risk of fire, especially in a crash. These power switches are now used as separate battery disconnectors, but are expensive. For example, over current path 11 a powerful PCT, which is conventionally protected by a relay or high current fuse. This is possible with little effort via the power switching module PSM. It is beneficial in the electrical circuit 22 the function of the remote control with antenna 32 or keyless entry, as this feature is used in quiescent shutdowns 1 - 4 should be switched off last, if the state of charge of the battery is very low. Through described integrations in the power switching module PSM very many lines can be saved, which not only reduces the failure rate, but also costs and weight can be saved. In the switching module thus all the essential functions of power, energy and quiescent power management are holistically summarized.

Da diese Schaltung die zentrale Schaltzentrale für das gesamte Bordnetz darstellt, ist es zweckmäßig hier auch das zentrale Gateway zu integrieren. Weiterhin ist es, insbesondere für kleinere Fahrzeuge, vorteilhaft, die Funktionen der Fahrzeuggrundschaltungen im Powerschaltmodul PSM zu integrieren. Hierbei sind die Funktionen für Scheibenwischer, Licht, Heizung Kombiinstrument (hier die Master-Rechnerfunktionen, bei denen die ausgelagerten Anzeigen und Instrumente Slaves darstellen) zu nennen.There this circuit is the central control center for the entire On-board network represents, it is useful here too to integrate the central gateway. It is still, in particular for smaller vehicles, beneficial to the functions of To integrate basic vehicle circuits in the power switching module PSM. Here are the functions for windscreen wipers, light, Heating instrument cluster (here the master computer functions, at where the outsourced displays and instruments are slaves) to call.

Die 2 zeigt die Anordnung der Schaltwalzen 29, 29a, welche über entsprechende Nocken 29n die Übertragungshebel mit der Kontaktfeder 34 anheben und damit den Kontakt 35 von der Auflage 36 abhebt. Damit der Kontakt eine schnelle Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit erfährt, wird hier ein im Gehäuse 41 befestigter Permanentmagnet 37 mit Gegenpol 38 an der Kontaktfeder 34 im Gehäuse 41 eingesetzt, welcher die Kontaktkraft bestimmt. Über den Permanentmagnet entsteht der bekannte Schnappeffekt sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen. Durch den geringen Abstand des P-Magnet zum Kontakt trägt dessen Magnetfeld zu einer Verringerung der Lichtbogenbildung bei. Auf der linken Seite ist ein Hochstromkontakt z. B. für 1000 A gezeichnet, der trotz geringem Übergangswiderstand eine Erwärmung erfährt, die über die Mäanderfeder 39 abgeführt wird und fallweise mit einem isolierten Kühlkörper 40 verbunden werden kann. Auf der rechten Bildhälfte ist ein Normalkontakt < 50 A gezeichnet. Zur Verringerung des Motorantriebsmomentes kann im Übertragungshebel eine Rolle 42 vorgesehen werden. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und kleiner Verlustleistung und damit geringerer Erwärmung sind die Kontakte redundant ausgebildet, was bei diesem Konzept einen geringen Mehraufwand durch Stanzgitter bedeutet, so dass konsequent die Ansteuerung der E-Motore, die parallel geschalteten Motore 30, 30a mit separatem oder gemeinsamem Getriebe bis zum Kontakt alles redundant gestaltet ist, was eine vernachlässigbare kleine Ausfallrate von < 10–10 ppm ergeben kann. Vergleichsweise liegt ein Relais mit el. Anschluss und Ansteuerung im Bereich von 10 ppm. Mit kleiner Leistung von einigen W lässt sich eine Umdrehung mit z. B. 10 Schaltstellungen in 0,3 s bewältigen.The 2 shows the arrangement of the shift rollers 29 . 29a , which have corresponding cams 29n the transmission levers with the contact spring 34 raise and thus the contact 35 from the edition 36 takes off. So that the contact experiences a fast opening and closing speed, here is a in the housing 41 attached permanent magnet 37 with opposite pole 38 on the contact spring 34 in the case 41 used, which determines the contact force. About the permanent magnet is the well-known snap effect both when opening and closing. Due to the small distance between the P-magnet and the contact, its magnetic field contributes to a reduction of arcing. On the left side is a high current contact z. B. drawn for 1000 A, which undergoes a warming despite low contact resistance, over the meandering spring 39 is discharged and occasionally with an insulated heat sink 40 can be connected. On the right half of the picture a normal contact <50 A is drawn. To reduce the engine drive torque may be in the transmission lever a role 42 be provided. To increase the reliability and low power loss and thus less heating, the contacts are redundant, which means in this concept, a small overhead through stamped grid, so consistently the control of the electric motors, the parallel motors 30 . 30a with a separate or shared transmission to contact everything is designed redundantly, which can give a negligible small failure rate of <10 -10 ppm. By comparison, a relay with el. Connection and control is in the range of 10 ppm. With low power of some W can be a revolution with z. B. cope with 10 switching positions in 0.3 s.

Die 3 zeigt den Anbau an den Speicher vorzugsweise UCap. Die Abmessungen B × H sind an der Batterie orientiert, da die Anordnung von PSM und UCap vorzugsweise an Stelle der Batterie im entsprechenden Raum eingesetzt wird. Die Länge L ist relativ gering. Seitlich sind die el. Anschlüsse 7 und 7a gut zugänglich für Starter und Generator hier im Vergleich zu 1 getrennt vorgesehen. Unten nach hinten gerichtet ist die Anschlussleitung 23a zur Batterie mit relativ kleinem Querschnitt verlegt. Oben ist der Fremdstartstützpunkt 20 und der +Anschluss 24a vom UCap vorgesehen. Ebenfalls oben sind zwei Stecker vorgesehen für Power und Signal, Leitungen entsprechend den Ausgängen 1–17 entsprechend 1. Alternativ zur Unterbringung im Batterieraum kann auch der Beifahrerfußraum oder Kofferraum verwendet werden, da auch hier die Entfernung zum Starter und Generator noch gering ist.The 3 shows the attachment to the memory preferably UCap. The dimensions B × H are oriented to the battery, since the arrangement of PSM and UCap is preferably used instead of the battery in the corresponding space. The length L is relatively small. On the side are the el. Connections 7 and 7a well accessible for starter and generator here compared to 1 provided separately. The cable is directed down to the rear 23a laid to the battery with a relatively small cross-section. Above is the foreign launch base 20 and the + connection 24a provided by UCap. Also above two plugs are provided for power and signal, corresponding to the outputs 1-17 accordingly 1 , As an alternative to housing in the battery compartment, the passenger footwell or trunk can also be used, since the distance to the starter and generator is still low here as well.

Das zukünftige Bordnetz muss für Power und Energiemanagement gerüstet sein, da neben einer Reduzierung der Batterieausfälle Möglichkeiten der Verbrauchsersparnis durch verbesserten Generatorwirkungsgrad, Start-Stop (S-S) und Rekuperation (Rek.) im Vordergrund stehen. Dementsprechend soll der PSM in der Lage sein, viele Konzepte des Power- und Energiemanagements zu realisieren.The future wiring system needs for power and energy management Be prepared, in addition to a reduction in battery failure Possibilities of Consumption Savings by Improved Generator efficiency, start-stop (S-S) and recuperation (Rek.) stand in the foreground. Accordingly, the PSM should be able be to realize many concepts of power and energy management.

Die 3a zeigt eine zukunftsorientierte Anordnung von UCap und PSM zusammen mit einem neuen elektromotorischen Bremskraftverstärker mit Druckmodulation für ABS und ESP, wie er in PCT/EP2006/003647 beschrieben ist. Hier sind die Einbauabmessungen des kleinen Elektromotors 48 z. B. mit 80 mm Durchmesser viel kleiner als von einem Vakuum-Bremskraftverstärker 52 mit 200 bis 250 mm Durchmesser. Bei der beschriebenen neuen Lösung ist in Verlängerung des Motors der Tandem-Hauptzylinder 49 angeordnet, an dessen Seiten der Ventilblock 50 und das Steuergerät 51 für BKV und ESP angeordnet sind. Der frei werdende Raum lässt sich gut für die in Reihe geschalteten UCap-Zellen 56 nutzen, an die seitlich das PSM mit integrierten Sicherungen, entsprechend 1, angebaut ist. Weiterhin kann der freie Raum noch für zusätzliche Steuergeräte 55 mit Stecker 55a z. B. aus dem Body-Bereich oder der passiven Sicherheit genutzt werden. Von dieser Position ist der Abstand zum Generator und Stator sehr klein, so dass nur relativ kleine Querschnitte und damit ein kleines Kabelsatzgewicht notwendig ist. Da der Einbauraum im Motorraum äußerst knapp ist für E/E-Komponenten, was auch oft zur aufwändigen Verlagerung der Batterie mit dicken Leitungen in den Kofferraum führt, ist diese Anordnung von großem Vorteil. Wenn das Starten des Motors über den vorgenannten Energiespeicher erledigt wird, so hat die Batterie nur noch Funktionen mit niedrigen Strömen wie z. B. Notfahren bei Ausfall Generator, Ruhestrom oder Aufladen des UCap. Dann sind die Kabelquerschnitte klein und der Aufwand klein, so dass die Unterbringung im Fahrzeugheck nicht mehr nachteilig in Kosten ist und die Vorteile des zusätzlichen Gewichts auf der Hinterachse voll wirksam sind.The 3a shows a forward - looking arrangement of UCap and PSM together with a new electromotive brake booster with pressure modulation for ABS and ESP, as found in PCT / EP2006 / 003647 is described. Here are the installation dimensions of the small electric motor 48 z. B. with 80 mm diameter much smaller than a vacuum brake booster 52 with 200 to 250 mm diameter. In the described new solution is in extension of the engine of the tandem master cylinder 49 arranged on the sides of the valve block 50 and the controller 51 arranged for BKV and ESP. The freed-up space works well for the UCap cells connected in series 56 use, to the side of the PSM with integrated fuses, accordingly 1 , is grown. Furthermore, the free space can still be used for additional controllers 55 with plug 55a z. B. from the body area or passive safety. From this position, the distance to the generator and stator is very small, so that only relatively small cross sections and thus a small cable harness weight is necessary. Since the installation space in the engine compartment is extremely scarce for E / E components, which often leads to the complex displacement of the battery with thick lines in the trunk, this arrangement is a great advantage. If the starting of the engine via the aforementioned energy storage is done, the battery has only functions with low currents such. B. Emergency in case of generator failure, quiescent current or charging the UCap. Then the cable cross-sections are small and the effort is small, so that the accommodation in the rear of the vehicle is no longer disadvantageous in cost and the benefits of additional weight on the rear axle are fully effective.

Die 4 zeigt ein Konzept, welches vorwiegend für Start-Stop-Funktion und Minimierung der Batterieausfälle gestaltet ist. Dieses ist auch in 1 bereits ausgeführt und teilweise beschrieben. Dick umrandet ist der Funktionsinhalt des PSM. Um die Belastung der Batterie, insbesondere bei starken Belastungsschwankungen auch durch starke Stromimpulse, gering zu halten, ist die Batterie im Normalfall über den Schalter SB vom Bordnetz getrennt. Ein leistungsstarker Generator versorgt Kreis I über die Leitung 26, indem ein UCap 24 die starken Belastungen abdeckt. Gestartet wird ebenfalls über den UCap. Bei längerem Stillstand lädt ein kleiner DC/DC-Konverter 28 den UCap 24 aus der Batterie 25 auf z. B. 20 V auf, der den Startvorgang insbesondere bei tiefen Temperaturen durch höhere Drehzahl schneller und sicherer gestaltet. Dieser DC/DC-Konverter gleicht auch den Leckstrom des UCap aus bis zu einer Batterieentladung von ca. 10%, danach wird er abgeschaltet, um eine tiefentladene, d. h. nicht mehr ladbare Batterie zu vermeiden. Der DC/DC-Konverter wird vom PSM gesteuert. Durch Starten durch den UCap wird die Batterie nicht mehr durch die hohen Startströme belastet, was zur Folge hat, dass die Lebensdauer erheblich verlängert wird und auch ein Starten bei kleiner Restkapazität noch möglich ist, da ja nur eine kleine Stromstärke zum Aufladen des UCap über den DC/DC-Konverter notwendig ist. Bei der konventionellen Dimensionierung ist ei ne Batterie bei einer Kapazität < 40% bei tiefen Temperaturen nicht mehr startfähig. Die Batterie wird gebraucht beim Fahrzeugstillstand zur Versorgung der Ruhestromverbraucher und zum Notfahren bei Ausfall des Generators oder bei kurzzeitig starker Belastung z. B. durch PTC-Heizung. Dementsprechend muss die Kapazität bemessen werden, was es ermöglicht, die Batterie um mehr als 50% zu reduzieren, was eine erhebliche Bauraum- und Gewichtsreduzierung bedeutet. Dieses Konzept ist auch für Rekuperation geeignet. Da aber für eine effektive Rekuperation mehr als 5 kW notwendig sind, ist dann sowohl der Generator als auch der UCap durch hohe Ströme im Kosten-Nutzen nicht optimal dimensioniert.The 4 shows a concept that is designed primarily for start-stop function and minimizing battery failures. This is also in 1 already executed and partially described. Outlined in thick is the functional content of the PSM. In order to keep the load on the battery low, especially in the case of heavy load fluctuations, even by strong current pulses, the battery is normally disconnected from the vehicle electrical system via the switch SB. A powerful generator supplies circuit I over the line 26 by adding a UCap 24 covering the heavy loads. The start is also via the UCap. At longer standstill, a small DC / DC converter charges 28 the UCap 24 from the battery 25 on z. B. 20 V, which makes the starting process faster and safer, especially at low temperatures by higher speed. This DC / DC converter also equalizes the leakage current of the UCap up to a battery discharge of about 10%, after which it is switched off to avoid a deeply discharged, ie no longer chargeable battery. The DC / DC converter is controlled by the PSM. By starting through the UCap, the battery is no longer burdened by the high starting currents, which has the consequence that the life is considerably extended and even starting at low residual capacity is still possible, since only a small amount of current to charge the UCap on the DC / DC converter is necessary. With conventional dimensioning, a battery with a capacity of <40% at low temperatures is no longer bootable. The battery is used when the vehicle is stationary to supply the quiescent load and for emergency driving in case of failure of the generator or short-term heavy load z. B. by PTC heating. Accordingly, the capacity must be sized, which makes it possible to reduce the battery by more than 50%, which means a considerable space and weight reduction. This concept is also suitable for recuperation. However, since more than 5 kW are necessary for effective recuperation, both the generator and the UCap are not optimally dimensioned by high currents in terms of cost-benefit.

Zum Aufladen der Batterie wird der Schalter SB geschlossen und damit mit dem Generator verbunden. Die Batterieüberwachung vorzugsweise SOC (state of change) und SOH (state of health) übernimmt ein Batteriesensor 43, welcher in Verbindung mit dem in 1 beschriebenen Temperatursensor den richtigen Ladezustand ermittelt, indem die Bilanz der Lade- und Entladeströme erfasst wird und entsprechend die fehlende Ladung zur vollen Kapazität ergänzt wird. Der Temperatursensor kann auch entfallen, da Lade- und Entladeströme gering sind und damit auch die Eigenerwärmung. Damit hat die Batterie beim Einbau im Heckteil ungefähr Außentemperatur. Dadurch ist die Batterie immer voll geladen, was erheblich in die Lebensdauer eingeht. Der PSM versorgt dann, wie in 1 beschrieben, die Ruhestrom- und 14-V-Normalverbraucher des Bordnetzes, welche über einen BUS mit dem PSM kommunizieren. Die Schalter S sind hier nur prinzipiell dargestellt. Dieses Konzept ermöglicht neben einer Reduzierung der Batteriegröße auch eine Reduzierung des Gewichts der Leitungen, da z. B. die Batterieleitung nur für die Leistung der Notfahrverbraucher < 50 A und nicht 1000 A bemessen werden muss. Außerdem kann die Starterleitung kleiner dimensioniert werden, da eine höhere Spannung und ein kleinerer Innenwiderstand des UCap im Vergleich zur Batterie genutzt werden kann. Außerdem kann die Batteriegröße erheblich reduziert werden, da diese nicht mehr zum Starten und im wesentlichen nur zum seltenen Notfahren und zur Versorgung der Ruhestromverbraucher eingesetzt werden. Durch die Konzentration des Ruhestrommanagements auf ein Gerät, dem PSM, kann der Ruhestromverbrauch ebenso reduziert werden. Es wird dadurch trotz kleinerer Batterie die Startfähigkeit von bisher einigen Monaten Fahrzeugstillstand um Faktoren verbessert. Die gestrichelten Linien zeigen Mess- und Steuerleitungen 44 für den PSM, im wesentlichen Spannung und Strom und beim Generator die Steuerung des Spannungsreglers. Im Gegensatz zum konventionellen Bordnetz, bei dem die obere Spannungsgrenze durch die Batterie bestimmt wird, kann hier mit höherer Spannung z. B. 16 V gefahren werden, was bei Rekuperation genutzt werden kann. Hier wird dann der Generator nach Aufladen des UCap anschließend abgeschaltet, bis die Spannung auf z. B. 10 V abfällt. Voraussetzung hierfür ist die Spannungsregelung von spannungsempfindlichen Komponenten wie z. B. Glühlampen, was bereits beim Fahrlicht der Fall ist. Die gestrichelt gezeichneten Linien stellen vorwiegend Spannungs- oder auch Strommesspunkte dar, die von der el. Schaltung 22 verarbeitet werden.To charge the battery, the switch S B is closed and thus connected to the generator. The battery monitoring preferably SOC (state of change) and SOH (state of health) takes over a battery sensor 43 , which in conjunction with the in 1 temperature sensor determined the correct state of charge by the balance of the charging and discharging currents is detected and, accordingly, the missing charge is added to the full capacity. The temperature sensor can also be omitted, since charge and discharge currents are low and thus the self-heating. Thus, the battery has approximately outside temperature when installed in the tail section. As a result, the battery is always fully charged, which significantly affects the life. The PSM then supplies, as in 1 described, the quiescent and 14-V normal consumers of the electrical system, which communicate via a bus with the PSM. The switches S are shown here in principle only. This concept allows in addition to a reduction in battery size and a reduction in the weight of the lines, since z. B. the battery line only for the performance of Notfahrverbraucher <50 A and not 1000 A must be measured. In addition, the starter line can be made smaller, as a higher voltage and a lower internal resistance of the UCap compared to the battery can be used. In addition, the battery size can be significantly reduced because they are no longer used for starting and essentially only for rare emergency driving and to supply the quiescent consumers. By focusing the quiescent power management on one device, the PSM, the quiescent current consumption can also be reduced. In spite of the smaller battery, the startability of vehicle standstill that has been up to now several months has been improved by factors. The dashed lines show measuring and control lines 44 for the PSM, essentially voltage and current and in the generator the voltage regulator control. In contrast to the conventional electrical system, in which the upper voltage limit is determined by the battery, with higher voltage z. B. 16 V are driven, which can be used in recuperation. Here then the generator is switched off after charging the UCap, until the voltage on z. B. 10 V drops. Prerequisite for this is the voltage regulation of voltage-sensitive components such. B. incandescent, which is already the case with the headlights. The dashed lines represent predominantly voltage or current measuring points that of the el. Circuit 22 are processed.

Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein 2-Spannungsbordnetz, welches z. B. in WO 02/080334 A3 in ähnlicher Form beschrieben ist. Hier speist vorzugsweise ein freilaufender Generator in einem Spannungsbereich von 14 bis 50 V das Bordnetz II, an dem über Schalter S die Hochleistungsverbraucher wie Heizungen und EC-Motore angeschlossen sind. Das Bordnetz I wird über einen bidirektionalen DC/DC-Konverter 28 versorgt, der im Normalfall z. B. 500 W und kurzzeitig 1000 W überträgt. Sollten kurzzeitig noch höhere Leistungen benötigt werden, so kann über Schalter SB und SR die Batterie zugeschaltet werden. Auch hier ist, wie in 4 beschrieben, im Normalfall die Batterie nicht an das Bordnetz angeschlossen.The 5 shows an embodiment of a 2-voltage electrical system, which z. In WO 02/080334 A3 is described in a similar form. Here, preferably, a freewheeling generator in a voltage range of 14 to 50 V feeds the vehicle electrical system II, to which the high-performance consumers such as heaters and EC motors are connected via switch S. The vehicle electrical system I is connected via a bidirectional DC / DC converter 28 supplied, which normally z. B. 500 W and temporarily 1000 W transmits. If even higher power levels are required for a short time, the battery can be switched on via switches S B and S R. Again, as in 4 normally, the battery is not connected to the electrical system.

Beim Bremsen und Rekuperation wird die Generatorspannung bis auf ca. 60 V freigegeben und dementsprechend wird der UCap 24a als Energiespeicher geladen und anschließend bei abgeschaltetem Generator bis auf ca. 20 V entladen. Diese Spannungsschwankung ertragen die beschriebenen Hochleistungsverbraucher, da z. B. EC-Motore ohnehin stromgeregelt arbeiten. Der zweite UCap 24 ist zum Starten eingeschaltet und wird über den DC/DC-Konverter 28 nach Schließen der Schalter SB, SR, SA und SC auf ca. 20 V aufgeladen und auch der Leckstrom des UCap 24 aus der Batterie 25 ausgeglichen. Zum Starten sind die Schalter SC und SA geschlossen und SK zum UCap offen, wenn dieser eine zu hohe Spannung hat. Wie in 4 hat die Batterie 25 dieselbe Aufgabe. Ruhestromverbraucher werden über Schließen von SB, SR und S versorgt, ebenso beim Notfahren bei ausgefallenem Generator. Der Kreis II wird hier zunächst vom UCap 24a versorgt und bei Erreichen der unteren Spannungsgrenze von z. B. 20 V über den DC/DC-Konverter 28. Wenn die Batterie im hinteren Fahrzeugteil untergebracht ist, ist eine Absicherung der Batterieleitung gegen Kurzschluss durch die Sicherung 45 sinnvoll. Es genügt hier z. B. eine 50 A Sicherung und mit kleinem Leitungsquerschnitt, da die Stromversorgung nur wie in 4 beschrieben für Grenzfälle gebraucht wird. Für die Hochstromschalter im PSM ist, wie auch in 4 und 6 wichtig, dass diese im wesentlichen lastfrei schalten. Dies ist über die Vernetzung der Verbraucher über Bus zum PSM einfach realisierbar, da ein Zu- oder Abschalten erst nach Schalten der PSM-Schalter erfolgt. Zur Entlastung der Schalter z. B. SC und SA kann auch kurzzeitig ein Mosfet 46 parallel geschaltet werden. Dieses 2-Spannungsbordnetz hat Vorteile im Generatorwirkungsgrad, beim sog. freilaufenden Generator kann z. B. ein 2,5 kW Generatorgröße ohne weiteres bei 50 V 8 kW leisten, ohne wesentliche Mehrkosten und Gewicht. Weiterhin arbeiten die EC-Motore bei 24 V vorzugsweise mit besserem Wirkungsgrad und haben ein höheres Leistungs-Gewichts-Verhältnis mit zusätzlicher Einsparung an Leitungssatzgewicht. Anstelle der 42 V können auch höhere Spannungen abhängig vom ges. Spannungsbereich ein gesetzt werden. Weiterhin ist die Batterie entlastet vom Starten und stark zyklischer Beanspruchung und hat somit geringe Ausfälle. Der Vorteil des 2. UCap 24 liegt auch entsprechend der kleineren Kapazität im Vergleich zu UCap 24a im kl. Leckstrom.During braking and recuperation, the generator voltage is released up to approx. 60 V and accordingly the UCap 24a charged as energy storage and then discharged with the generator off to about 20 volts. This voltage fluctuation endure the high-performance consumers described, since z. B. EC motors anyway operate current-controlled. The second UCap 24 is switched on for starting and is via the DC / DC converter 28 after closing the switches S B , S R , S A and S C charged to about 20 V and also the leakage current of the UCap 24 from the battery 25 balanced. To start the switches S C and S A are closed and S K open to the UCap, if this has too high a voltage. As in 4 has the battery 25 the same task. Quiescent current consumers are supplied by closing S B , S R and S, as well as during emergency driving when the generator fails. The circle II is here first of UCap 24a supplied and upon reaching the lower voltage limit of z. B. 20 V via the DC / DC converter 28 , If the battery is located in the rear part of the vehicle, the battery line is protected against short-circuiting by the fuse 45 meaningful. It is sufficient here z. B. a 50 A fuse and with a small cable cross-section, since the power supply only as in 4 described is needed for borderline cases. For the high current switch in the PSM is, as well as in 4 and 6 important that these switch substantially load-free. This can be easily realized via the networking of the consumers via the bus to the PSM, as switching on or off takes place only after switching the PSM switches. To relieve the switch z. B. S C and S A can also be a mosfet for a short time 46 be switched in parallel. This 2-voltage electrical system has advantages in generator efficiency, the so-called freewheeling generator can, for. B. a 2.5 kW generator size easily at 50 V 8 kW afford, without significant additional costs and weight. Furthermore, the EC motors preferably operate at 24V with better efficiency and have a higher power to weight ratio with additional power line weight savings. Instead of the 42 V can also higher voltages depending on the ges. Voltage range can be set. Furthermore, the battery is relieved of starting and heavily cyclic loading and thus has low failures. The advantage of the 2nd UCap 24 is also equal to the smaller capacity compared to UCap 24a in the kl. Leakage current.

Bei Verzicht auf Funktionen z. B. SF entsprechendem Verpolschutz oder Sicherheit z. B. SK, SB sind diese Leistungsschalter nicht notwendig.For renouncement of functions z. B. S F corresponding reverse polarity protection or security z. B. S K , S B , these circuit breakers are not necessary.

Die 6 zeigt ebenfalls ein 2-Spannungsbordnetz, jedoch nur mit einem UCap 24 im Kreis II. Die Funktion von DC/DC-Konverter 28 und Schalter entsprechen 5. Der Unterschied liegt in der Ansteuerung des 12V-Starters vom Bordnetz II, d. h. UCap über Mosfet 47 im PWM-Betrieb.The 6 also shows a 2-voltage on-board network, but only with a UCap 24 in circle II. The function of DC / DC converter 28 and switch correspond 5 , The difference lies in the control of the 12V starter from the electrical system II, ie UCap via Mosfet 47 in PWM mode.

Dadurch kann der Starter unabhängig von der entsprechenden Versorgungsspannung immer mit entsprechendem Strom angesteuert werden.Thereby The starter can be independent of the corresponding supply voltage always be driven with the appropriate current.

Damit bieten sich eine Reihe von Potenzialen, den Anlasser zu vereinfachen.In order to There are a number of potentials to simplify the starter.

Eine weitere Alternative zum PWM-Betrieb des 12V-Starters ist ein 24V-Starter, der kurzzeitig ähnlich dem Jump-Start des 12V-Starters mit doppelter Spannung – hier mit 48 V – betrieben werden kann, sofern der Speicher voll ist. Damit sind kleinere Querschnitte für den Anlasser notwendig.A another alternative to the PWM operation of the 12V starter is a 24V starter, briefly similar to the jump start of the 12V starter with double voltage - here with 48 V - operated can be, if the memory is full. These are smaller cross sections necessary for the starter.

Dieses Konzept hat alle Merkmale und Vorteile von 5, ist jedoch einfacher und kostengünstiger. An Stelle von separatem Starter und Generator kann auch ein integrierter Startergenerator (ISG) eingesetzt werden, wobei hier der Mosfet 47 nicht notwendig ist, da die Steuerung im nicht gezeichneten Pulswechselrichter erfolgt.This concept has all the features and benefits of 5 but is easier and cheaper. Instead of a separate starter and generator can also be an integrated starter generator (ISG) are used, in which case the Mosfet 47 is not necessary because the controller is not shown in the pulse inverter.

Die Anwendung des Schaltungskonzepts erfordert für die vielen Funktionen für das Energie-, Power- und Ruhestrommanagements, welche insbesondere mit dem Powerschaltmodul sehr kostengünstig, hoch Zuverlässigkeit bei kleinen elektrischen Verlusten dargestellt werden können.The Application of the circuit concept requires for the many Functions for energy, power and quiescent power management, which is very cost-effective, especially with the power switching module, High reliability with low electrical losses can be represented.

Als Erweiterung kann auch ähnlich 5 ein gestrichelt gezeichneter zweiter UCap 24a eingesetzt werden, welcher bei längerem Fahrzeugstillstand nur zum Starten eingesetzt wird. In diesem Fall wird nur dieser im Leckstrom ausgeglichen, der wegen der erheblich kleineren Kapazität auch klein ist, da der Leckstrom im wesentlichen abhängt von der Spannung und Kapazität. Auch bei Fremdstart ist dieser über den DC/DC schneller aufgeladen. Ein Vorteil gegenüber der Ausführungsform gemäß 5 ist derselbe Spannungsbereich, so dass dessen Energiespeicherung voll zur Rekuperation genutzt werden kann.As an extension can also be similar 5 a dashed second UCap 24a can be used, which is used during prolonged vehicle standstill only for starting. In this case, only this is compensated in the leakage current, which is also small because of the significantly smaller capacity, since the leakage current depends essentially on the voltage and capacity. Even with a third party start this is faster charged via the DC / DC. An advantage over the embodiment according to 5 is the same voltage range, so that its energy storage can be fully used for recuperation.

1–41-4
Ruhestromverbraucher wie z. B. Radio, Standheizung, Telefon, el. DiebstahlwarnungQuiescent current consumers such as Radio, heater, telephone, el. Theft warning
55
Anschluss Hecksicherungsdoseconnection Rear fuse box
66
Klasse 15 Verbraucher, z. B. aktiviert über Zündschlossclass 15 Consumers, eg. B. activated via ignition
7, 7a7, 7a
Starter und Generatorstarter and generator
88th
Bremssystemebraking systems
99
Motorlüftermotor fan
1010
EinrückrelaisEngaging relay
1111
PTC-HeizungPTC heater
1212
FrontsicherungsdoseFront fuse box
1313
Lichtsensorlight sensor
1414
Türkontaktdoor contact
1515
ZündschlossIgnition lock
16, 16a16 16a
Temperatursensor von Batterietemperature sensor from battery
1717
Busanschluss, z. B. auch für GeneratorreglerBus connection, z. B. also for generator controller
1818
HecksicherungsdoseRear fuse box
1919
FrontsicherungsdoseFront fuse box
2020
FremdstartstützpunktForeign launch base
21, 21a21 21a
Verpolschutzdiodereverse polarity protection
2222
el. Schaltungel. circuit
23, 23a23 23a
Batterieanschluss und el. Anschlussbattery terminal and el. connection
24, 24a24 24a
UCap und el. Anschlussucap and el. connection
2525
Batteriebattery
2626
HauptversorgungsleitungMain supply line
2727
Shuntsshunts
2828
DC/DC-KonverterDC / DC converter
2929
Schaltwalzeshift drum
30, 30a30 30a
E-MotoreElectric motors
3131
Positionsgeberlocator
3232
Funkantenneradio antenna
3333
Übertragungshebeltransmission lever
3434
Kontaktfedercontact spring
3535
KontaktContact
3636
Ausgang 1–12output 1-12
3737
Magnetmagnet
3838
Gegenpol/AnkerAntithesis / Anchor
3939
Wärmeabfuhrheat dissipation
4040
Kühlkörperheatsink
4141
Gehäusecasing
42, 42a42 42a
Steckerplug
4343
Batteriesensorbattery sensor
4444
Mess- und Steuerleitungenmeasurement and control lines
4545
HochstromsicherungHigh-current fuse
4646
MosfetMOSFET
4747
StartermosfetStartermosfet
4848
Elektromotorelectric motor
4949
Tandem-HauptzylinderTandem master cylinder
5050
Ventilblockmanifold
5151
Steuergerät für BKV und ESPcontrol unit for BKV and ESP
5252
Umrisskontur von Vakuum-Bremskraftverstärker (BKV)outline contour of vacuum brake booster (BKV)
5353
PSMPSM
5454
Sicherungenfuses
5555
Body Steuergerätebody ECUs
55a55a
Steckerplug
5656
Zelle von Energiespeicher, z. B. UCapcell of energy storage, z. B. UCap

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Claims (24)

Schaltvorrichtung zum elektrischen Verbinden mehrerer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einer elektrischen Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Schalter aufweist, wobei der Schalter mehrere Schaltstellungen hat, und bei den verschiedenen Schaltstellungen jeweils verschiedene Verbraucher einzeln, zusammen oder in vorgegebenen Gruppen mit der mindestens einen Energiequelle verbindbar oder von dieser trennbar sind.Switching device for electrically connecting a plurality of consumers of a motor vehicle with at least one electrical energy source, characterized in that the switching device comprises at least one electric motor-driven switch, wherein the switch has a plurality of switching positions, and at the various switching positions each different consumers individually, together or in predetermined groups the at least one energy source are connectable or separable from this. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter eine Schaltwalze ist.Switching device according to Claim 1, characterized that the switch is a shift drum. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen der Schaltwalze um ihre Rotationsachse mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Schaltkontakte nacheinander oder gleichzeitig schaltbar sind.Switching device according to Claim 2, characterized that by turning the shift drum about its axis of rotation more in the axial direction juxtaposed switching contacts in succession or simultaneously switchable. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als Hochstromschalter ausgebildet ist.Switching device according to claim 2 or 3, characterized in that the switch is designed as a high-current switch is. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter Führungskurven, insbesondere Nockenscheiben aufweist, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Führungskurven insbesondere Nocken aufweisen, die Schaltkontakte verstellen.Switching device according to one of the claims 2 to 4, characterized in that the switch guiding curves, in particular cams, which in the axial direction next to each other are arranged, wherein the guide curves in particular cams have, adjust the switching contacts. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltkontakt ein Rad oder Rolle aufweist, die auf der Führungskurve abrollt.Switching device according to Claim 5, characterized in that at least one switching contact has a wheel or roller which rolls on the guide curve. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Führungskurve um ihren Umfang verteilt mehr als einen radialen Vorsprung, insbesondere in Form einer Nocke, aufweist, die mit einem oder zwei Schaltkontakten zusammenwirken und diese je nach Verdrehwinkel der Führungskurve bzw. Nockenscheibe verstellen.Switching device according to Claim 5, characterized that each guide curve is distributed more than its circumference a radial projection, in particular in the form of a cam, which interact with one or two switch contacts and these depending on the angle of rotation of the guide cam or cam disk adjust. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung zusätzliche Relais und/oder Halbleiterschalter aufweist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device additional Relay and / or semiconductor switch has. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens eine Steuereinheit aufweist, die in Abhängigkeit vom Fahrzeugzustand den Schalter unter Ansteuerung des mindestens einen Antriebes verstellt.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device at least one Control unit which, depending on the vehicle condition the Adjusted switch under control of at least one drive. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens zwei parallel angeordnete redundante Schalter zumindest für die hohen Ströme aufweist, die jeweils von einem Antrieb antreibbar sind.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device at least two parallel arranged redundant switch at least for which has high currents, each from a drive are drivable. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung an dem Energiespeicher angeordnet ist, der für das Power- und Energiemanagement zuständig ist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device to the energy storage arranged for power and energy management responsible is. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung in einem Modul angeordnet ist, wobei der Schalter folgende Schaltfunktionen erfüllt: • Strompfade nach außen zu den Verbrauchern bzw. Gruppen • Ruhestromverbraucher, die in mehreren Stufen = Schalterstellungen in Abhängigkeit von SOC des Speichers abgeschaltet werden • nach innen Schaltung von DC/DC zum Laden • nach innen Abtrennung der Speicher • nach innen Parallelschaltung DC/DC bei Ausfall (SA) • Fremdstart • Steuerung der Schalterfunktionen von zentraler SteuerungSwitching device according to one of the preceding Claims, characterized in that the switching device is arranged in a module, wherein the switch following switching functions Fulfills: • Current paths to the outside to the consumers or groups • closed-circuit consumers, in several stages = switch positions depending be turned off by SOC of the memory • inside Switching DC / DC for charging • inside separation the memory • inward parallel connection DC / DC in case of failure (SA) • Jumpstart • Control the switch functions of central control Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul Sicherungen für die einzelnen Verbraucher bzw. Gruppen von Verbrauchern aufweist.Switching device according to Claim 12, characterized that the module fuses for individual consumers or groups of consumers. Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung den Strom der einzelnen Pfade für Kurzschlusserkennung, Ruhestrom, Batterieladung und -entladung und/oder Verpolung überwacht.Switching device according to claim 12 or 13, characterized characterized in that the control means the flow of the individual Paths for short-circuit detection, quiescent current, battery charge and discharge and / or reverse polarity monitored. Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Spannung zur Ermittlung der Spannungslage der Speicher, des Generators und/oder die Spannungslage des Bordnetzes überwacht.Switching device according to claim 12, 13 or 14, characterized in that the control means the voltage for determining the voltage level of the memory, the generator and / or monitors the voltage level of the vehicle electrical system. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung und Überwachung zur Auswertung des Fahrzeugzustandes „Fahrt", „Stillstand" oder „Crash" erfolgt.Switching device according to one of claims 12 to 15, characterized in that a central control and monitoring for the evaluation of the vehicle condition "drive", "standstill" or "crash" occurs. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit über einen Kommunikationsbus ruhestromrelevante Signale wie. z. B. Türkontakt, Lichtsensor, Zündschloss übermittelt werden.Switching device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the control unit via a communication bus quiescent current relevant signals such. z. B. door contact, Light sensor, ignition switch are transmitted. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Ladung (SOC) und Betriebssicherheit (SOH) der Speicher, insbesondere der Batterie überwacht und deren Zustand berechnet.Switching device according to one of the claims 12 to 17, characterized in that the control unit monitors the charge (SOC) and operational safety (SOH) of the memory, in particular the battery and calculates its state. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bestimmte oder einzelne Strompfade in Abhängigkeit der Ladung der Energiespeicher und des Fahrzeugzustandes abschaltet.Switching device according to one of claims 12 to 18, characterized in that the control unit certain or individual current paths depending on the charge of the Energy storage and vehicle condition turns off. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in Abhängigkeit eines Bordnetzausfalls, Maßnahmen einleitet, die nach Prioritäten geordnet sind, wobei folgende Maßnahmen sichergestellt sein müssen: 1. Sicherstellung der Funktion der Anzeige(n) (Display) zur Darstellung eines Fehlers, einer Gefährdung und optional die Anzeige hierzu gehöriger Bedienhinweise; 2. Abschaltung Motorfunktion (Ausnahme bei Beschleunigung) bei kleinem SOC bei Ausfall Generator; 3. Abschaltung Motorfunktion, wenn Getriebesperre oder/und Funktion der Feststellbremse aktiviert.Switching device according to one of claims 12 to 19, characterized in that the control unit in dependence of an electrical system failure, initiates action according to priorities ordered, whereby the following measures are ensured have to be: 1. Ensuring the function of the display (s) (Display) to display a fault, a hazard and optionally the display associated therewith operating instructions; Second Shutdown Motor function (exception when accelerating) with low power SOC at failure generator; 3. Shutdown motor function when Gear lock or / and function of the parking brake activated. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung zusammen mit einem zentralen Gateway in einem Modul bzw. zu einer Einheit zusammengefaßt ist.Switching device according to one of the preceding Claims, characterized in that the switching device together with a central gateway in a module or to a Unit is summarized. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung in einem 2-Spannungs-Bordnetz mit bidirektionalem DC/DC-Konverter für 14V-Bordnetz angeordnet ist.Switching device according to one of the preceding Claims, characterized in that the switching device in a 2-voltage on-board network with bidirectional DC / DC converter is arranged for 14V electrical system. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung im Bereich eines Energiespeichers angeordnet ist, wobei die einzelnen Zellen des Energiespeichers um den Umfang eines elektromotorischen Bremskraftverstärkers (3a) angeordnet sind.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device is arranged in the region of an energy store, wherein the individual cells of the energy store around the circumference of an electromotive brake booster ( 3a ) are arranged. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz einen ersten und einen zweiten UCap aufweist, wobei die UCaps stark unterschiedliche Kapazität aufweisen, wobei der kleinere UCap zum Starten eingeschaltet wird, wenn der größere UCap bei längerem Fahrzeugstillstand erheblich unter der Nennspannung zum Starten liegt.Switching device according to one of the preceding Claims, characterized in that the electrical system a first and a second UCap, the UCaps strongly different Have capacity, with the smaller UCap for starting is turned on when the larger UCap at prolonged vehicle standstill significantly below the rated voltage to start.
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