DE102007032960A1

DE102007032960A1 - Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102007032960A1
Application number: DE102007032960A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Frank Kotschenteuther; Jürgen Paul; Rolf Dr. Merte; Volker Brichzin
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2007-07-14
Filing date: 2007-07-14
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-07-15
Also published as: US20090015061A1; DE102007032960B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Schalten der Stromversorgung eines leistungstarken Verbrauchers (2) eines Kfz, mit einem Bordnetzanschluss (4) zum Anschließen an das Bordnetz eines Kfz, einem Verbraucheranschluss (5) zum Anschließen an den Verbraucher (2), einem Steuereingang (6) zum Betätigen der Schalteinrichtung (1) durch ein externes Steuersignal, einem Leistungshalbleiter (7), der als Schalter zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) angeordnet ist, und einer elektronischen Steuereinheit (8) zum Steuern des Leistungshalbleiters (7), wobei die Steuereinheit (8) zwischen dem Steuereingang (6) der Schalteinrichtung (1) und einem Steuereingang (6) des Leistungshalbleiters (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Schalten der Stromversorgung eines leistungsstarken Verbrauchers eines Kfz.
Heizeinrichtungen, beispielsweise Ansaugluftvorwärmer, von Kfz haben eine Leistung von typischerweise 1 kW und mehr, so dass sich bei üblichen Bordnetzspannungen von etwa 11 Volt Ströme in der Größenordnung von 100 Ampere ergeben. Zum Schalten der Stromversorgung von Ansaugluftvorwärmern werden üblicherweise mechanische Relais eingesetzt. Diese Relais sind jedoch recht teuer, da sie Lichtbögen standhalten müssen, die sich beim Schalten derartig hoher Ströme bilden können.
Bekannt sind auch Ansaugluftvorwärmer mit einer integrierten Elektronik, die einen Leistungshalbleiter zum Schalten der Stromversorgung enthält. Zwar können auf diese Weise die teuren mechanischen Relais vermieden werden, jedoch hat sich ge zeigt, dass damit keine wesentliche Kosteneinsparung verbunden ist, da die hitzebeständige Elektronik eines derartigen Ansaugluftvorwärmers in einem solchen Fall vergleichbare Kosten verursacht.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie kostengünstiger die Stromversorgung leistungsstarker Verbraucher eines Kfz geschaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schalteinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung hat wesentliche Vorteile:

• Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist kostengünstiger als die im Stand der Technik zum Schalten von hohen Strömen gebräuchlichen Relais. Für die elektronische Steuereinheit und den Leistungshalbleiter der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung können kostengünstige Standardelemente verwendet werden, da keine besondere Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Die Schalteinrichtung kann nämlich ebenso wie im Stand der Technik gebräuchliche Relais in einem ausreichenden Abstand von einem Wärme erzeugenden Verbraucher angeordnet werden.
• Mit einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung kann verhindert werden, dass das Bordnetz des Kfz durch einen an die Schalteinrichtung angeschlossenen Verbraucher, der in einer Anlaufphase eine seine Nennleistung weit übersteigende Bordnetzbelastung verursacht, überlastet wird. Durch Steuereingänge der Steuereinrichtung einer erfindungsgemäßen Schaltereinrichtung kann nämlich eine Laststrombegrenzung und ein Überspannungsschutz verwirklicht werden.
• Mittels Pulsweitenmodulation kann bei entsprechender Ansteuerung des Leistungshalbleiters durch die Steuereinheit der erfindungsgemäßen Schaltung eine Anlaufstrombegrenzung des Verbrauchers erreicht werden, so dass das Bordnetz überlastende Leistungsspitzen vermieden werden können. Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung ermöglicht es deshalb, die Verbraucher in einem Kfz nach den im Normalbetrieb auftretenden Nennströmen zu wählen, die häufig nur einen Bruchteil der maximal möglichen Anlaufströme von mehreren hundert Ampere betragen. Beispielsweise können auf diese Weise für das Sekundärluftsystem eines Kraftfahrzeugs Pumpen nach ihrer Nennlast gewählt werden, da beim Anlaufbetrieb auftretende Lastspitzen durch die Schaltung abgeschnitten werden können. Das Abschalten von Lastspitzen mittels Pulsweitenmodulation führt lediglich dazu, dass die Pumpe etwas langsamer anläuft, was jedoch für den späteren Betrieb unbedeutend ist. Aufwendige Pumpenkaskaden, die zur Vermeidung hoher Lastspitzen im Stand der Technik verwendet werden, können so vermieden werden.
• Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung kann mit einer Schnittstelle zum Anschluss an das Bussystem eines Fahrzeugs ausgerüstet werden. Auf diese Weise kann eine zentrale Steuereinheit des Kraftfahrzeugs Diagnosedaten von der Schalteinrichtung erhalten und diese nach Bedarf ansteuern, um den Verbraucher in Betrieb zu nehmen. Die elektronische Steuereinheit der Schalteinrichtung kann dabei alle Detailaufgaben hinsichtlich der Ansteuerung des Leistungshalbleiters und der Festlegung der Schaltintervalle zur Pulsweitenmodulation übernehmen, so dass die zentrale Fahrzeugsteuereinheit entlastet ist.
• Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung kann in ein handliches Gehäuse integriert werden und ist deshalb hervorragend zum Nachrüsten von Fahrzeugen und dem Ersetzen defekter Relais geeignet.
• In die Schalteinrichtung kann mit geringem Aufwand ein Temperaturwächter integriert werden, so dass bei einer gefährlichen Erwärmung der Verbraucher automatisch abgeschaltet werden kann. Auf diese Weise kann die Gefahr einer gefährlichen Überhitzung, die im schlimmsten Fall zu einem Fahrzeugbrand führen könnte, drastisch reduziert werden.
• Die Schalteinrichtung kann hinsichtlich Bauform und Baugröße wie herkömmliche Relais ausgeführt werden, so dass das Nachrüsten von Kraftfahrzeugen und ein Austausch gegen mechanische Relais leichtert möglich ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Die dabei beschriebenen Merkmale können einzeln und in Kombination zum Gegenstand von Ansprüchen gemacht werden.
1 zeigt eine Schaltungsskizze einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung.
Die in 1 dargestellte Schalteinrichtung 1 dient zum Schalten der Stromversorgung eines leistungsstarken Verbrauchers 2 mit einer Leistung von mindestens 500 W, insbesondere mehr als 1 kW, in einem Kfz. Derartige Verbraucher in Kfz sind in der Regel Heizeinrichtungen, beispielsweise Ansaugluftvorwärmer, oder die Pumpe eines Sekundärluftsystems, mit der in der Startphase eines Fahrzeugs Frischluft in den heißen Abgasstrom geblasen wird, um unvollständig verbrannte Benzinreste zu oxidieren und so bessere Abgaswerte zu erreichen.
Die Schalteinrichtung 1 hat ein Gehäuse 3, das einen Bordnetzanschluss 4 zum Anschließen an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, einen Verbraucheranschluss 5 zum Anschließen an den Verbraucher 2 und einen Steuereingang 6 zum Betätigen der Schalteinrichtung 1 durch ein externes Steuersignal trägt. In dem Gehäuse 3 ist ein Leistungshalbleiter 7, bevorzugt ein MOSFET, als Schalter zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 7 wird von einer in dem Gehäuse 3 angeordneten elektronischen Steuereinheit 8 gesteuert, die zwischen dem Steuereingang 6 der Schalteinrichtung 1 und einem Steuereingang des Leistungshalbleiters 7 angeordnet ist. Die Steuereinheit 8 enthält eine Treiberstufe zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters 7 und ist mit einem Steuerausgang 9 an den Steuereingang des Leistungshalbleiters 7 angeschlossen.
Im Betrieb steuert die elektronische Steuereinheit 8 durch Pulsweitenmodulation die im zeitlichen Mittel an den angeschlossenen Verbraucher 2 abgegebene Leistung, indem sie den an ihren Steuerausgang 9 Leistungshalbleiter 7 für kurze Zeitintervalle in seinen leitenden Zustand versetzt, so dass die von der Fahrzeugbatterie 10 über den Bordnetzanschluss 4 zur Verfügung gestellt Spannung an dem Verbraucher 2 anliegt.
Der Signaleingang 6 der Schalteinrichtung 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Schnittstelle zum elektronischen Bus-System des Fahrzeugs ausgebildet. Durch die Anbindung an das Bus-System eines Fahrzeugs können Leistungs- und Steuerungsdaten mit einer zentralen Steuerungseinheit (nicht dargestellt) des Fahrzeugs ausgetauscht werden. Insbesondere kann eine zentrale Steuerungseinheit des Fahrzeugs über die Bus-Anbindung nicht nur die Schalteinrichtung 1 zum Einschalten des Verbrauchers 2 betätigen, sondern auch Diagnosedaten über den Zustand der Schalteinrichtung 1 erhalten. Die Schnittstelle 6 der Schalteinrichtung 1 kann beispielsweise für ein gebräuchliches bidirektionales Bus-System wie CAN Low Speed, CAN High Speed, LIN oder ähnliches ausgelegt sein. Möglich ist es auch, die Schnittstelle 6 für ein pulsweiten moduliertes Eingangssignal oder ein digitales Schaltsignal als externes Steuerungssignal auszulegen.
Die Schalteinrichtung 1 enthält zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 einen Temperaturwächter 11, der im Betrieb einen zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 durch den Leistungshalbleiter 7 fließenden Strom beim Überschreiten einer kritischen Temperaturschwelle unterbricht. Dieser Temperaturwächter 11 kann als mechanischer Temperaturwächter oder auch als elektronischer Temperaturwächter realisiert werden.
Zur Laststromüberwachung enthält die dargestellte Schalteinrichtung 1 ein Strommessgerät 12 zum Messen der Stärke eines im Betrieb zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 durch den Leistungshalbleiter 7 fließenden Stroms. Das Strommessgerät 12 ist an einen Signaleingang 13 der Steuereinheit 8 angeschlossen. Im Betrieb werden von dem Strommessgerät 12 gelieferte Messwerte von der Steuereinheit 8 ausgewertet und bei Überschreiten eines Schwellwertes der Leistungshalbleiter 7 von der Steuereinheit 8 betätigt, um einen zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 durch den Leistungshalbleiter 7 fließenden Strom zu unterbrechen. Auf diese Weise kann eine Überlastung des Bordnetzes durch einen zu großen Laststrom vermieden werden.
Die Schalteinrichtung 1 enthält einen Masseanschluss 14, der bestimmungsgemäß mit einem Massepotential verbunden wird und intern an einen Masseeingang der Steuereinheit 8 angeschlossen ist. Die Steuereinheit 8 misst relativ zu einem an den Masseanschluss 14 anschließenden Massepotential die Stärke eines elektrischen Potentials, das von einer an den Bordnetzanschluss 4 der Schalteinrichtung 1 angeschlossenen Fahrzeugbatterie 10 zur Verfügung gestellt wird. Die Steuereinheit 8 hat hierfür einen oder mehrere Messeingänge 15, 16, 17, 18, die an eine zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 5 verlaufende Leitung 19 angeschlossen sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erster Messeingang 15 zum Erfassen eines an dem Bordnetzanschluss 4 anliegenden Spannungspotentials unmittelbar an den Bordnetzanschluss 4 angeschlossen. Weitere Messeingänge 16 sind zwischen dem Temperaturwächter 11 und dem Leistungshalbleiter 7 sowie auf der dem Verbraucheranschluss 5 zugewandten Seite des Leistungshalbleiters 7 an die Verbindungsleitung 19 angeschlossen. Die Steuereinheit 8 ist derart eingerichtet, dass sie bei einem Absinken des gemessenen Potentials unter einen Schwellwert den Leistungshalbleiter 7 betätigt, um ein zwischen dem Bordnetzanschluss 4 und dem Verbraucheranschluss 4 durch den Leistungshalbleiter 7 fließenden Strom zu unterbrechen. Auf diese Weise kann die dargestellte Schalteinrichtung 1 eine Anlaufstrombegrenzung des angeschlossenen Verbrauchers bewirken.
Stellt die Steuereinheit 8 der Schalteinrichtung 1 durch Auswertung der Strom- oder Spannungsmesswerte fest, dass der Verbraucher 2 das Bordnetz überlastet oder selbst durch eine zu hohe Bordnetzspannung überlastet wird, kann dem Verbraucher 2 durch Pulsweitenmodulation im zeitlichen Mittel eine geeignete elektrische Leistung zugeführt und so ein Schaden vermieden werden.

1: Schalteinrichtung
2: Verbraucher
3: Gehäuse
4: Bordnetzanschluss
5: Verbraucheranschluss
6: Steuereingang
7: Leistungshalbleiter
8: Steuereinheit
9: Steuerausgang
10: Fahrzeugbatterie
11: Temperaturwächter
12: Strommessgerät
13: Signaleingang
14: Masseanschluss
15: Messeingang
16: Messeingang
17: Messeingang
18: Messeingang
19: Leitung

Claims

Schalteinrichtung zum Schalten der Stromversorgung eines leistungsstarken Verbrauchers (2) eines Kfz, mit einem Bordnetzanschluss (4) zum Anschließen an das Bordnetz eines Kfz, einem Verbraucheranschluss (5) zum Anschließen an den Verbraucher (2), einem Steuereingang (6) zum Betätigen der Schalteinrichtung (1) durch ein externes Steuersignal, einem Leistungshalbleiter (7), der als Schalter zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) angeordnet ist, und einer elektronischen Steuereinheit (8) zum Steuern des Leistungshalbleiters (7), wobei die Steuereinheit (8) zwischen dem Steuereingang (6) der Schalteinrichtung (1) und einem Steuereingang (6) des Leistungshalbleiters (7) angeordnet ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Steuereinheit (8) im Betrieb durch Pulsweitenmodulation die im zeitlichen Mittel an einen angeschlossenen Verbraucher (2) abgegebene elektrische Leistung steuert.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Leistungshalbleiter (7) und die Steuereinrichtung in einem Gehäuse (3) angeordnet sind, das den Bordnetzanschluss (4), den Verbraucheranschluss (5) und den Steuereingang (6) trägt.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) ein Temperaturwächter (11) angeordnet ist, der im Betrieb einen zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) durch den Leistungshalbleiter (7) fließenden Strom bei Überschreiten einer kritischen Temperaturschwelle unterbricht.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Steuereinheit (8) mindestens einen Messeingang (15, 16, 17, 18) zum Messen der Stärke eines elektrischen Potentials aufweist, wobei der Messeingang (15, 16, 17, 18) an eine zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) verlaufende Leitung angeschlossen ist, und wobei die Steuereinheit (8) derart eingerichtet ist, dass sie bei einem Absinken des gemessenen Potentials unter einen Schwellenwert den Leistungshalbleiter (7) betätigt, um einen zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) durch den Leistungshalbleiter (7) fließenden Strom zu unterbrechen.
Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass der Messeingang oder einer der Messeingänge (15, 16, 17, 18) an die zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) verlaufende Leitung auf der dem Verbraucheranschluss (5) zugewandeten Seite des Leistungshalbleiters (7) angeschlossen ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet dass der Messeingang oder einer der Messeingänge (15, 16, 17, 18) an die zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) verlaufende Leitung auf der dem Bordnetzanschluss (4) zugewandeten Seite des Leistungshalbleiters (7) angeschlossen ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass auf beiden Seiten des Temperaturwächters (11) ein Messeingang (15, 16, 17, 18) der Steuereinheit (8) zum Erfassen eines Spannungspotentials an die zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) verlaufende Leitung angeschlossen ist.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Strommessgerät (12) zum Messen der Stärke eines im Betrieb zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) durch den Leistungshalbleiter (7) fließenden Stroms, wobei das Strommessgerät (12) an einen Signaleingang (13) der Steuereinheit (8) angeschlossen ist, im Betrieb von dem Strommessgerät (12) gelieferte Messwerte von der Steuereinheit (8) ausge wertet werden und bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Leistungshalbleiter (7) von der Steuereinheit (8) betätigt wird, um einen zwischen dem Bordnetzanschluss (4) und dem Verbraucheranschluss (5) durch den Leistungshalbleiter (7) fließenden Strom zu unterbrechen.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Signaleingang (13) der Schalteinrichtung (1) als Schnittstelle zu einem elektronischen Bussystem des Fahrzeugs ausgebildet ist.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Masseanschluss (14), der bestimmungsgemäß mit einem Massepotential verbunden wird und intern an einen Masseeingang (15, 16, 17, 18) der Steuereinheit (8) angeschlossen ist.