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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der an ein Bordnetz
eines Kraftfahrzeuges angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Über
das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges werden eine Vielzahl von Steuergeräten
mit Energie versorgt. Jedes dieser Steuergeräte weist dabei
einen Schutz vor auftretenden Überspannungen bei einem
plötzlichem Lastabfall (sogenannter Load-Dump-Schutz) auf.
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Ein
plötzlicher Lastabfall tritt beispielsweise auf, wenn ein
Batteriekabel abfällt oder mehrere Hochleistungsverbraucher
gleichzeitig abgeschaltet werden. Dabei muss die im Generator (Lichtmaschine)
gespeicherte Energie möglichst schnell abgebaut werden,
um zu verhindern, dass ein Generatorregler oder die angeschlossenen
Steuergeräte beschädigt oder zerstört
werden.
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Aus
der
DE 60 2004
004 669 T2 ist eine Steuereinrichtung für einen
Alternoanlasser, insbesondere für ein Kraftfahrzeug bekannt,
welcher mit einer Batterie und einem Bordnetz verbunden ist. Der
Anlassergenerator weist einerseits eine Brücke von Leistungstransistoren
und andererseits eine elektronische Steuer- und Kontrolleinheit
mit Ansteuervorrichtungen zur Ansteuerung des Leistungstransistoren
auf. Eine Schutzvorrichtung ist zum Schutz gegen Überspannungen
einer Ansteuervorrichtung eines Leistungstransistorpaares eines Stranges
zugeordnet und so gestaltet, dass sie wenigstens einen der genannten
Leis tungstransistoren des Stranges durchschaltet, wenn das Potential
der Plusleitung einen bestimmten Wert überschreitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schutz von an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges
angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung anzugeben, welches
bei verminderten Kosten für die Entwicklung und Herstellung
von Schutzschaltungen zuverlässig funktionieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz von an ein
Bordnetz angeschlossenen Einrichtungen eines Kraftfahrzeuges vor Überspannungen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein
sehr effektiver, zentraler Überspannungsschutz für
das gesamte an der Lichtmaschine angeschlossene Fahrzeugbordnetz
realisiert wird. Dadurch dass die Überspannung einer energievernichtenden
Last zugeführt wird, welche die Überspannung abbaut,
kann auf die Vielzahl von Schutzschaltungen für jedes einzelne
Steuergerät verzichtet werden, was eine sehr kostengünstige
Realisierung zu Folge hat.
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Vorteilhafterweise
wird die energievernichtende Last bei Überschreitung eines
vorgegebenen Spannungsschwellwertes zum Abbau der Überspannung
eingeschaltet. Dadurch wird der Energieverbrauch der Last selbst
auf ein Minimum reduziert, da sie nur angeschaltet wird, wenn es
benötigt wird.
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In
einer Weiterbildung wird lediglich die Differenz zwischen der Überspannung
und des Spannungsschwellwertes von der energievernichtenden Last
abgebaut. Damit wird gewährleistet, dass allen am Bordnetz angeschlossenen
Verbrauchern ausreichend Energie für ihren normalen Betrieb
zur Verfügung steht.
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Eine
besonders effiziente Lösung wird erzielt, wenn die energievernichtende
Last ein Starter ist, welcher schon im Kraftfahrzeug vorhanden ist.
Damit kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden.
Der Starter, welcher während der Fahrt des Fahrzeuges nicht
benötigt wird, erhält somit eine zusätzliche
Funktion, wodurch eine kostengünstige Realisierung erzielt
wird.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung existiert eine Vorrichtung
zum Schutz der an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges angeschlossenen
Einrichtungen vor einer Überspannung, welche bei einem
plötzlichen Lastabfall eine Batteriespannung überschreitet.
Bei einer Vorrichtung, welche bei verminderten Kosten für
die Entwicklung und Herstellung von Schutzschaltungen zuverlässig
funktioniert, sind Mittel vorhanden, die die Überspannung
einer energievernichtenden Last zuführen, welche die Überspannung
abbaut. Mittels dieser Vorrichtung ist nur ein einziges Element
notwendig, welches alle an das Kraftfahrzeugbordnetz angeschlossenen
Einrichtungen zentral und zuverlässig vor einer Überspannung
schützt.
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In
einer Ausgestaltung ist das Mittel als eine Schutzschaltung ausgebildet,
welche zwischen der Fahrzeugbatterie und der energievernichtenden
Last angeordnet ist und welche bei Erreichen eines Spannungsschwellwertes
aktiv geschaltet ist. Durch die Einführung des Spannungsschwellwertes
wird gewährleistet, dass eine Überspannung sicher
als Load-Dump-Zustand erkannt wird. Die Schutzschaltung wird also
nur aktiviert, wenn eine Überspannung auf dem Bordnetz
anliegt.
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In
einer Weiterbildung schaltet die aktiv geschaltete Schutzschaltung
die energievernichtende Last an. Durch diese stromsparende Lösung
wird eine zusätzliche kontinuierliche Belastung des Bordnetzes
mit weiteren Bauteilen vermieden.
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In
einer besonders einfachen schaltungstechnischen Ausgestaltung weist
die Schutzschaltung einen Schalter auf, der bei Erreichen des Spannungsschwellwertes
leitend wird und die energievernichtende Last bestromt.
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Vorteilhafterweise
ist der Schalter mit dem Mittelabgriff einer Reihenschaltung aus
einer Zenerdiode und einem Widerstand verbunden, welche die am Bordnetz
anliegende Spannung an den Schalter weiterleiten.
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Um
zu verhindern, dass beim Anlegen einer Spannung mit einer falschen
Polarität ein Schaden entsteht, ist am Eingang der Schutzschaltung
ein Verpolschutz angeordnet.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung
ist die energievernichtende Last als Anlasser ausgebildet. Damit
wird auf ein an sich im Kraftfahrzeug schon vorhandenes Bauteil
zurückgegriffen. Auf zusätzliche Bauteile kann
somit verzichtet werden. Die Überspannung wird dem Starter
als Impulsenergie zugeführt, wodurch dieser bestromt und
die Überspannung abgebaut wird.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren
näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1:
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2:
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schutzschaltung
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3:
eine Schaltung zur Simulation des erfindungsgemäßen
Verfahrens
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4:
Stromspannungsverhältnisse bei der erfindungsgemäßen
Schaltung nach 3 bei einem Load-Dump-Impuls
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Gleiche
Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
ein Start-Stop-Motorsteuergerät 1, welches eine
Eingangsschaltung 2 aufweist. Die Eingangsschaltung 2 ist
einerseits über eine Batterieplusleitung 3 mit
einer Fahrzeugbatterie 4 und andererseits mit einem Anlasser 5 des
Fahrzeuges verbunden. Der Anlasser 5 führt über
eine Masseleitung 6 an die Karosseriemasse des Kraftfahrzeuges,
an welcher ebenfalls die Batterie 4 anliegt. Die Batterie 4 steht
darüber hinaus mit einem nicht weiter dargestellten Generator
(Lichtmaschine) in Verbindung, welcher während der Fahrt
des Kraftfahrzeuges die Batterie auf einem stetigen Niveau ihrer
Batteriespannung hält.
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Die
Batterieplusleitung 3 kann auch als Bordnetzleitung bezeichnet
werden, welche eine Vielzahl von nicht weiter dargestellten Steuergeräten
des Kraftfahrzeuges mit Energie versorgt.
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Die
Eingangsschaltung 2 des Start-Stop-Motorsteuergerätes 1 soll
nun anhand von 2 näher erläutert
werden. Die Anode einer Diode 7 ist mit der Batterieplusspannung 3 am
Eingang des Start-Stop-Motorsteuergerätes 1 verbunden.
Die Kathode der Diode 7 führt auf eine Zenerdiode 8,
deren Anode in Reihe zu einem ersten Widerstand 9 liegt.
Des weiteren ist der Mittelabgriff zwischen der Zenerdiode 8 und
dem ersten Widerstand 9 mit einem Widerstandsteiler, bestehend
aus einem zweiten Widerstand 11 und einem dritten Widerstand 12,
verbunden. Der zweite Widerstand 11 liegt dabei am Gate
eines MOSFET-Transistors 10, wobei der dritte Widerstand 12 das
Gate mit der Source des MOSFET-Transistors 10 verbindet.
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Tritt
ein Überspannungsimpuls auf der Batterieplusleitung 3 auf,
was beispielsweise dadurch passieren kann, dass ein Verbindungskabel
zwischen der Batterie 4 und der Lichtmaschine abreißt,
trifft dieser Überspannungsimpuls auf die Eingangsschaltung 2 des
Start-Stop-Motorsteuergerätes 1. Die Diode 7 stellt
dabei einen Verpolschutz dar, welcher verhindert, dass eine Spannung
mit der falschen Polarität am Steuergerät 1 anliegt.
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Mittels
der Eingangsschaltung
2 wird die Spannung an dem Versorgungsspannungsanschluss
13 des Steuergerätes
1 aktiv
auf einen Spannungswert V
C geklemmt, welcher
aus der Formel 1 ersichtlich ist.
wobei
- Ubr
- – Durchbruchspannung
der Zenerdiode 8
- Uth
- – Schwellspannung
des MOSFET-Transistors 10
- K
- – Steilheit
des MOSFET-Transistors 10
- RST
- – Gesamtwiderstand
des Starter (enthält Starter und seine Zuleitung) darstellen.
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Das
bedeutet, dass die Eingangsschaltung 2 erst bei Überschreiten
einer entsprechenden Spannung VC aktiv geschaltet
wird. Die Spannung VC wurde im vorliegenden
Fall mit 26 V gewählt, kann aber je nach Anwendungsfall
angepasst werden.
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Überschreitet
also der Überspannungsimpuls die Spannung VC,
wird bei einer Überschreitung der Durchbruchsspannung der
Zenerdiode 8 diese leitend, wodurch der erste Widerstand 9 bestromt
wird. Erreicht der Spannungsabfall am ersten Widerstand 8 die
Schwellspannung des MOSFET-Transistors 10, wird auch der
MOSFET-Transistor 10 leitend. Dadurch wird der Starter 5 bestromt.
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Die
Impulsenergie der Überspannung wird auf diese Weise in
einen resultierenden Starterstrom umgewandelt, der nun dem Starter 5 zugeführt
wird, wodurch die Impulsenergie der Überspannung vernichtet wird.
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Dabei
kann es zwar zu einem kurzzeitigen Andrehen des im Starter enthaltenen
Elektromotors kommen, dies ist aber unkritisch, da in diesem Fall
keine mechanische Kopplung des Starterritzels zum Zahnkranz des
Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges besteht. Somit wird die Impulsenergie
der Überspannung zuverlässig vernichtet, ohne
das Auswirkungen auf den normalen Betrieb des Kraftfahrzeuges auftreten.
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Der
Widerstandsteiler 11, 12 unterbindet eine Fehleinschaltung
des MOSFET-Transistors 10. Darüber hinaus wird
durch diesen Widerstandsteiler 11, 12 in Abhängigkeit
von der Stromtragfähigkeit der Batterieminusleitung 6,
welche eine Masse-Zuleitung des Start-Stop-Motorsteuergerätes 1 darstellt,
die Funktion der Eingangsschaltung 2 auch dann ermöglicht,
wenn ein steuergeräteinterner Abriss der Karosseriemassenzuleitung 17 erfolgt.
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Zur
Simulation der erfindungsgemäßen Lösung
wird ein Blockschaltbild gemäß 3 herangezogen, welches
zwischen der Batterie 4 und der Eingangsschaltung 2 eine
Load-Dump-Nachbildung 14 aufweist, an welche sich eine
Darstellung der Steuergeräte-Plus-Zuleitung 15 anschließt,
welche an die Eingangsschaltung 2 führt, die Bestandteil
des Start-Stop-Motorsteuergerätes 1 ist.
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Zwischen
der Eingangsschaltung 2 und einer Nachbildung des Starters 5 ist
eine Starter-Plus-Zuleitung 16 abgebildet. Eine Steuergerätemasse-Zuleitung
wird durch den Block 17 dargestellt.
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Eine
solche Simulationsschaltung ermöglicht den Nachweis der
Wirkungsweise der Schutzschaltung 2 im Zusammenspiel mit
dem Starter 5, wie es in 4 dargestellt
ist. In 4 sind über der Zeitachse
verschiedene Ordinaten aufgetragen. Dabei zeigt Ordinate 1 die
Spannung des Load-Dump-Impulses, die im angeführten Beispiel
zwischen 158 V und 160 V liegt. Die Werte für die Batteriespannung
und die Bordnetzspannung sind auf der Ordinate 2 zwischen
10 V und 50 V abgebildet, während die Ordinate 3 den
Starterstrom zwischen 0 und 80 A darstellt.
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Die
einzelnen Graphen der 4 beschreiben den Verlauf der
Strom-Spannungsverhältnisse bei Auftreten eines Überspannungsimpulses
bei dem schon beschriebenen Leitungsabriss zwischen Batterie 4 und der
Lichtmaschine. Die Batteriespannung, welche durch den Graph A dargestellt
ist, verbleibt über den gesamten Betrachtungszeitraum konstant
bei 14 V. Die durch Graph B gekennzeichnete Bordnetzspannung weist nun
aber plötzlich eine Spitze auf, welche kurzzeitig von 14
V auf ungefähr 43 V ansteigt. Auf Grund der beschriebenen
Funktionsweise der Eingangsschaltung 2 läuft der
Starterstrom (Graph C) von 0 A auf 62 A hoch, auf welchem Niveau
er sich dann auch einstellt. Dadurch sinkt die Bordnetzspannung
(Graph B) auf 26 V ab, wo sie stagniert. Der Load-Dump-Impuls sinkt
kontinuierlich und wird somit kompensiert (Graph D).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 602004004669
T2 [0004]
