DE102008060040A1

DE102008060040A1 - Vorrichtung zum Betrieb von transparenten Flächenelementen

Info

Publication number: DE102008060040A1
Application number: DE200810060040
Authority: DE
Inventors: Georg Eisenbrand; Alfred Dipl.-Ing. Ott; Jürgen Setzer; Thomas Geiges; Gerd Dipl.-Ing. Bartelt; Karl Dipl.-Ing. Preis
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: DE102008060040B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (9) zum Betrieb von transparenten Flächenelementen (2 bis 8), insbesondere Glasflächen, mit einem veränderlichen Transmissionsgrad, umfassend eine elektrische Energiequelle (9.1) mit einer Quellenspannung (U_Q), eine Übertragungsleitung (9.2) und Mittel zur Umwandlung der Quellenspannung (U_Q) in eine Betriebsspannung (U_B) der transparenten Flächenelemente (2 bis 8). Dabei umfassen die Mittel einen Wandler (9.3) mit einer integrierten Steuereinheit (9.31), mittels welchem die Quellenspannung (U_Q) in eine Wechselspannung (U_AC) umwandelbar ist, die geringer als die Betriebsspannung (U_B) ist, und unmittelbar an jedem transparenten Flächenelement (2 bis 8) jeweils ein diesem Flächenelement (2 bis 8) zugeordneter Transformator (9.4 bis 9.10), anhand dessen aus der Wechselspannung (U_AC) die Betriebsspannung (U_B) erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb von transparenten Flächenelementen, insbesondere Glasflächen, mit einem veränderlichen Transmissionsgrad, umfassend eine elektrische Energiequelle mit einer Quellenspannung, eine Übertragungsleitung und Mittel zur Umwandlung der Quellenspannung in eine Betriebsspannung der transparenten Flächenelemente.
Aus der US 2006/0158805 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur elektrischen Versorgung eines elektrotropischen Gegenstandes (im Englischen: suspended-particle-device = SPD) bekannt, wobei ein Transmissionsgrad des Gegenstandes durch Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist. Dabei ist dem elektrotropischen Gegenstand eine aus einer Quellenspannung erzeugte Niederwechselspannung oder Niedergleichspannung zuführbar, wobei zumindest ein Wandler vorgesehen ist, anhand welchem die Niederwechselspannung oder Niedergleichspannung in eine Betriebswechselspannung zum Betrieb des elektrotropischen Gegenstandes umwandelbar ist. Zur Erzeugung einer Niedergleichspannung ist beispielsweise als Energiequelle eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, vorgesehen, wobei die Niedergleichspannung, z. B. mit einer Spannungshöhe von 12 Volt, anhand einer einzelnen Übertragungsleitung von der Batterie durch das Fahrzeug zu dem elektrotropischen Gegenstand übertragbar ist. Bei mehreren elektrisch zu versorgenden elektrotropischen Gegenständen, insbesondere Fahrzeugscheiben, ist jedem Gegenstand ein Wechselrichter zur Erzeugung von dessen Betriebswechselspannung zugeordnet, wobei in jeden Wechselrichter eine Steuerschaltung integriert sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Betrieb von Glasflächen mit einem veränderlichen Transmissionsgrad anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb von transparenten Flächenelementen, insbesondere Glasflächen, mit einem veränderlichen Transmissionsgrad umfasst eine elektrische Energiequelle mit einer Quellenspannung, eine Übertragungsleitung und Mittel zur Umwandlung der Quellenspannung in eine Betriebspannung der transparenten Flächenelemente. Erfindungsgemäß umfassen die Mittel einen Wandler mit einer integrierten Steuereinheit, mittels welchem die Quellenspannung in eine Wechselspannung umwandelbar ist, die geringer als die Betriebsspannung ist, und unmittelbar an jedem transparenten Flächenelement jeweils ein diesem transparenten Flächenelement zugeordneter Transformator, anhand dessen aus der Wechselspannung die Betriebsspannung erzeugbar ist.
Aus der Verwendung des nur einen zentralen Steuergerätes zur Steuerung der elektrischen Versorgung der transparenten Flächenelemente resultiert zum einen ein einfacher elektrischer Aufbau der Vorrichtung und zum anderen stark verringerte Kosten im Vergleich zur Verwendung mehrerer Steuergeräte, insbesondere eines separaten Steuergerätes für jedes transparente Flächenelement.
Da es sich bei der elektrischen Energiequelle gemäß einer Weiterbildung der Erfindung um eine Fahrzeugbatterie handelt, ist der Wandler ein Wechselrichter, anhand dessen die Quellenspannung der Batterie, insbesondere eine 12-Volt-Quellenspannung, in die Wechselspannung, vorzugsweise eine für Menschen ungefährliche Spannung, z. B. mit einer maximalen Spannungshöhe von 40 Volt, umwandelbar ist. Dadurch ist in gewinnbringender Weise eine Vereinfachung von Sicherheitsmaßnahmen zum Berührungsschutz, d. h. zum Schutz vor einem elektrischen Schlag, erzielbar.
Aufgrund der Übertragung der elektrischen Energie von der Energiequelle zu den einzelnen Transformatoren in Form einer derartigen Wechselspannung ist keine aufwändige Hochvolt-Übertragungsleitung erforderlich, wobei sich die verwendete Übertragungsleitung aufgrund eines daraus resultierenden verringerten Isolierungsaufwandes nicht nur durch eine hervorragende Flexibilität sondern auch durch ein sehr geringes Gewicht und geringe Kosten auszeichnet.
Auch sind keine aufwändigen Maßnahmen zur elektrischen Abschirmung der Übertragungsleitung gegenüber weiteren elektrischen und/oder elektronischen Systemen des Fahrzeuges erforderlich, da aus der gewählten Wechselspannung mit geringer Spannungsamplitude eine gute elektromagnetische Verträglichkeit resultiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch ein Fahrzeug mit mehreren transparenten Flächenelementen mit veränderlichem Transmissionsgrad,
2 schematisch ein elektrisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betrieb der transparenten Flächenelemente gemäß 1; und
3 schematisch ein alternatives Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betrieb der transparenten Flächenelemente gemäß 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit mehreren transparenten Flächenelementen 2 bis 8 mit veränderlichem Transmissionsgrad. 2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 9 zum Betrieb der transparenten Flächenelemente 2 bis 8. Im Folgenden werden die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 und eine mittels dieser ausgeführte Steuerung des Transmissionsgrades der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 anhand beider 1 und 2 gemeinsam erläutert.
Bei den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 handelt es sich um Glasflächen, insbesondere um ein erstes bewegliches Glas-Schiebedach (Flächenelement 2), ein zweites festes Glas-Schiebedach (Flächenelement 3), ein rechtes und ein linkes bewegliches Seitenfenster (Flächenelement 4 und Flächenelement 8), ein rechtes und ein linkes festes Seitenfenster (Flächenelement 5 und Flächenelement 7) sowie um eine Heckscheibe (Flächenelement 6) des Fahrzeuges 1.
Die transparenten Flächenelemente 2 bis 8 weisen jeweils Mittel, insbesondere eine in die Flächenelemente 2 bis 8 eingebrachte oder auf diese aufgebrachte Folie, auf, deren Transmissionsgrad durch Anlegen einer Betriebsspannung U_B, welche eine elektrische Wechselspannung ist, einstellbar ist. Bei den Folien handelt es sich um eine so genannte Suspended-Particle-Device (= SPD), in welche lichtabsorbierende Partikel eingebracht sind, deren maximale Transparenz bei Anlegen der Betriebsspannung U_B und deren minimale Transparenz im spannungslosen Zustand erzielbar ist.
Als Energiequelle 9.1 umfasst die Vorrichtung 9 im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batterie, welche als Quellenspannung U_Q eine Gleichspannung von 12 Volt aufweist.
Da sich aufgrund einer sehr guten elektromagnetischen Verträglichkeit und aufgrund nicht erforderlicher Hochspannungsvorkehrungen an einer Übertragungsleitung 9.2 insbesondere eine Wechselspannung U_AC im Niederspannungsbereich zur Übertragung der elektrischen Energie von der Energiequelle 9.1 zu den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 eignet, ist unmittelbar nach der Energiequelle 9.1 ein Wandler 9.3, bei dem es sich um einen Wechselrichter handelt, angeordnet.
Mittels des Wandlers 9.3 ist die Quellenspannung U_Q in die Wechselspannung U_AC umwandelbar, wobei die Wechselspannung U_AC vorzugsweise eine maximale Spannungshöhe von 50 Volt aufweist. Der als Wechselrichter ausgebildete Wandler 9.3 weist zusätzlich nicht näher dargestellte Mittel, z. B. Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller und/oder Transformatoren, zur Einstellung des Spannungsniveaus bzw. der Spannungshöhe der Wechselspannung U_AC auf.
Dabei ist beispielsweise auch eine Wechselspannung U_AC mit einer maximalen effektiven Spannungshöhe von 5 Volt möglich, woraus der Vorteil resultiert, dass die Wechselspannung U_AC direkt aus der Quellenspannung U_Q erzeugbar ist, ohne vorherige Erhöhung des Spannungsniveaus. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Wandlers.
Die Wechselspannung U_AC ist weiterhin durch eine elektrische Frequenz im Bereich von mehreren Hertz bis mehreren Kilohertz, vorzugsweise von 50 bis 500 Hertz, gekennzeichnet, um eine geringe Leistungsaufnahme der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 mit veränderlichem Transmissionsgrad zu erzielen.
Besonders vorteilhaft ist, dass eine zentrale Steuereinheit 9.31 mit dem Wandler 9.3 gekoppelt oder in diesen integriert ist, anhand derer die Umwandlung der Quellenspannung U_Q in die Wechselspannung U_AC für alle transparenten Flächenelemente 2 bis 8 steuerbar ist. Der Wandler 9.3 und die Steuereinheit 9.31 sind vorzugsweise in einem Metallgehäuse angeordnet und besitzen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit eine kurze Masseanbindung an die Karosserie des Fahrzeuges 1.
Da die jeweils in oder an den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 angeordneten Folien eine höhere Betriebsspannung U_B als die übertragene Wechselspannung U_AC benötigen, beispielsweise 120 oder 140 Volt, ist unmittelbar an jedem transparenten Flächenelement 2 bis 8 jeweils ein diesem Flächenelement 2 bis 8 zugeordneter Transformator 9.4 bis 9.10 angeordnet, anhand dessen aus der Wechselspannung U_AC die Betriebsspannung U_B erzeug bar ist.
Da die Transformatoren 9.4 bis 9.10 ein festes Übersetzungsverhältnis aufweisen, erfolgt die Steuerung des Transmissionsgrades, d. h. der Betriebsspannung U_B, durch Einstellung der Spannungshöhe und der Frequenz der Wechselspannung U_AC mittels des Wandlers 9.3 und der Steuereinheit 9.31, so dass alle transparenten Flächenelemente 2 bis 8 den gleichen Transmissionsgrad aufweisen.
Um den Transmissionsgrad der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 in Stufen oder stufenlos zu steuern, ist im Fahrzeuginnenraum eine nicht näher dargestellte Bedieneinheit angeordnet, wobei anhand der Bedieneinheit der Wandler 9.3 und/oder die Steuereinheit 9.31 derart steuerbar sind, dass der Transmissionsgrad der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 steuer- und einstellbar ist. Zu diesem Zweck ist die Bedieneinheit direkt oder über einen Datenbus, beispielsweise einen CAN-Bus, mit der Steuereinheit 9.31 verbunden.
Gemäß des Blockschaltbildes in 2 sind alternativ dem rechten beweglichen und dem rechten festen Seitenfenster (Flächenelement 4 und Flächenelement 5) nur ein Transformator 9.6 und dem linken beweglichen und dem linken festen Seitenfenster (Flächenelement 7 und Flächenelement 8) nur ein Transformator 9.8 zugeordnet, so dass für diese Seitenfenster einer Fahrzeugtür nur ein Transformator 9.6 bzw. 9.8 eingesetzt wird. Diese Alternative kann gewählt werden, sofern die Verkabelung U_B2 bzw. U_B5 zu den Flächenelementen (4, 5, 7, 8) dies zulässt.
Um die Transformatoren 9.4 bis 9.10 möglichst kleinbauend ausführen zu können, eignen sich insbesondere Frequenzen der Wechselspannung U_AC und der Betriebsspannung U_B im Bereich von einigen Hertz bis mehreren Kilohertz, insbesondere von 50 bis 500 Hertz, da aufgrund einer hohen elektrischen Kapazität der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 der Betriebsstrom und somit die notwendige elektrische Leistung bei einer Erhöhung der Frequenz ansteigt.
Die Transformatoren 9.4 bis 9.10 sind vorzugsweise in einem Gehäuse, beispielsweise einem Kunststoffgehäuse oder Metallgehäuse, angeordnet, wobei das Gehäuse staub- und flüssigkeitsdicht ausgebildet ist. Weiterhin sind die Blechpakete der Transformatoren 9.4 bis 9.10 aus möglichst dünnen Blechen, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,2 mm, gebildet, so dass bei der Frequenz von beispielsweise ca. 500 Hz Verluste minimierbar sind. Auch ist eine elektrische Leistung der Transformatoren 9.4 bis 9.10 an die Größe der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 angepasst, da mit steigender Größe der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 die notwendige Leistung zur Änderung des Transparenzgrades steigt.
Dabei sind die Transformatoren 9.4 bis 9.10 unmittelbar an den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 mittels kraft-, stoff- und/oder formschlüssiger Verbindungstechniken befestigt.
Diese kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindung ist beispielsweise mittels einer direkten Verklebung, Aufvulkanisierung, einem Verguss und/oder einem Anspritzen der Transformatoren 9.4 bis 9.10 auf den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 erzeugbar, wobei die transparenten Flächenelemente 2 bis 8 und die Transformatoren 9.4 bis 9.10 jeweils zueinander korrespondierende, nicht näher dargestellte elektrische Anschlusselemente aufweisen, welche insbesondere sich gegenüberliegend angeordnet sind.
Alternativ bilden die an den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 und den Transformatoren 9.4 bis 9.10 angeordneten elektrischen Anschlusselemente Befestigungsmittel zur Befestigung der Transformatoren 9.4 bis 9.10 an den transparenten Flächenelementen 2 bis 8. Hierbei sind die Anschlusselemente vorzugsweise als metallische Druckknöpfe ausgebildet, welche sich einerseits zur Übertragung der elektrischen Energie und anderseits zu einer Befestigung der Transformatoren 9.4 bis 9.10 an den transparenten Flächenelementen 2 bis 8 eignen. Die zur Bildung eines Druckknopfes erforderlichen und zueinander korrespondierenden Druckknopfhälften sind vorzugsweise auf die Transformatoren 9.4 bis 9.10 und die transparenten Flächenelemente 2 bis 8 aufgeklebt und/oder in diese integriert.
3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung 9 zum Betrieb der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 in einer stark vereinfachten Darstellung, wobei mittels der im Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung 9 die Transmissionsgrade der transparenten Flächenelemente 2 bis 8 separat steuerbar sind.
Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung 9 mehrere Wandler 9.11 bis 9.15 mit jeweils einer Steuereinheit 9.21 bis 9.25, die jeweils mittels der bereits beschriebenen Bedieneinheit steuerbar sind, so dass Quellenspannung U_Q derart in Wechselspannungen U_AC1 bis U_AC5 mit verschiedenen Spannungshöhen und/oder Frequenzen umwandelbar sind, das für die Flächenelemente 2 bis 8 aufgrund der daraus folgenden Betriebsspannungen U_B1 bis U_B5 mit unterschiedlichen Spannungshöhen und/oder Frequenzen eine getrennte Steuerung des Transmissionsgrades möglich ist.
Vorzugsweise sind die Wandler 9.11 bis 9.15 und die Steuereinheiten 9.21 bis 9.25 in einem Steuergerät 9.3 integriert. Auch die Steuereinheiten 9.21 bis 9.25 können in einer Steuereinheit 9.31 zusammengefasst sein.
Dem rechten beweglichen und dem rechten festen Seitenfenster (Flächenelement 4 und Flächenelement 5) sind dabei wiederum nur ein Transformator 9.6 und dem linken beweglichen und dem linken festen Seitenfenster (Flächenelement 7 und Flächenelement 8) nur ein Transformator 9.8 zugeordnet, so dass für diese Seitenfenster einer Fahrzeugtür der gleichen Transmissionsgrad einstellbar ist.
Alternativ zu der dargestellten Vorrichtung 9 ist es in nicht näher dargestellter Weise ebenfalls möglich, jedem der Flächenelemente 2 bis 8 jeweils einen Wandler mit integrierter Steuereinheit und jeweils einen Transformator zuzuordnen, so dass der Transmissionsgrad für jedes der Flächenelemente 2 bis 8 separat einstellbar ist.
Zusammenfassend ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Weiterbildung dieser möglich, den Transmissionsgrad effektiv, d. h. mit geringen Verlusten, und kostengünstig zu steuern. Weiterhin sind die zu übertragenden Spannungen, insbesondere die Wechselspannung U_AC, gering, so dass keine aufwändigen Schutzmaßnahmen erforderlich sind.

1: Fahrzeug
2 bis 8: Flächenelement
9: Vorrichtung
9.1: Energiequelle
9.2: Übertragungsleitung
9.3: Wandler
9.31: Steuereinheit
9.4 bis 9.10: Transformator
9.11 bis 9.15: Wandler
9.21 bis 9.25: Steuereinheit
U_AC: Wechselspannung
U_B: Betriebsspannung
U_AC1 bis U_AC5: Wechselspannung
U_B1 bis U_B5: Betriebsspannung
U_Q: Quellenspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0158805 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (9) zum Betrieb von transparenten Flächenelementen (2 bis 8), insbesondere Glasflächen, mit einem veränderlichen Transmissionsgrad, umfassend eine elektrische Energiequelle (9.1) mit einer Quellenspannung (U_Q), eine Übertragungsleitung (9.2) und Mittel zur Umwandlung der Quellenspannung (U_Q) in eine Betriebsspannung (U_B) der transparenten Flächenelemente (2 bis 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Wandler (9.3) mit einer integrierten Steuereinheit (9.31) aufweisen, mittels welchem die Quellenspannung (U_Q) in eine Wechselspannung (U_AC) umwandelbar ist, die geringer als die Betriebsspannung (U_B) ist, und die Mittel unmittelbar am transparenten Flächenelement (2 bis 8) ein diesem Flächenelement (2 bis 8) zugeordneter Transformator (9.4 bis 9.10) umfassen, anhand dessen aus der Wechselspannung (U_AC) die Betriebsspannung (U_B) erzeugbar ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Transformator (9.4 bis 9.10) mittels einer stoff-, kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an jeweils einem transparenten Flächenelement (2 bis 8) befestigt ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den transparenten Flächenelementen (2 bis 8) und den Transformatoren (9.4 bis 9.10) jeweils zueinander korrespondierende elektrische Anschlusselemente angeordnet sind.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an den transparenten Flächenelementen (2 bis 8) und den Transformatoren (9.4 bis 9.10) angeordneten elektrischen Anschlusselemente Befestigungsmittel zur Befestigung der Transformatoren (9.4 bis 9.10) an den transparenten Flächenelementen (2 bis 8) bilden.
Vorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (9.3) ein Wechselrichter ist.
Vorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bedieneinheit vorgesehen ist, anhand derer die Betriebsspannung (U_B) derart einstellbar ist, dass der Transmissionsgrad steuerbar ist.
Vorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass transparenten Flächenelemente (2 bis 8) in einem Fahrzeug (1) angeordnet sind.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (9.1) eine Batterie des Fahrzeuges (1) ist.