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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung
von Verbrauchern eines Kraftfahrzeugs. Bei Verbrauchern, deren Impedanz einen
hohen induktiven Anteil hat, ist es üblich, Relais zu verwenden,
die den Verbraucher an- und ausschalten.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel aus der
DE 37 02 517 A1 , im Netz
der Stromversorgung eines Kraftfahrzeugs schnelle Schutzschalter
vorzusehen. Neben diesen Schutzschaltern wird auch je zu schaltender
Komponente, z. B. je Motor und je Lampe, jeweils ein Relais vorgesehen.
Dieses Relais ist in Reihe mit dem Motor bzw. in Reihe mit der Lampe
geschaltet, um die jeweilige Komponente ein- oder auszuschalten.
Falls ein Kurzschluss auftritt, wird die Spannungsversorgung zunächst
für alle Verbraucher durch den schnellen Schutzschalter unterbrochen.
Danach werden je Verbraucher die Relais geöffnet, um anschließend
von einer zentralen Steuerung Spannungen an die einzelnen Komponenten
anzulegen. Mit Hilfe dieser Spannung wird überprüft,
ob die Komponente einen Kurzschluss verursacht.
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Die
in der
DE 37 02 517
A1 beschriebene Vorrichtung benötigt einen hohen
Abstimmungsbedarf zwischen der zentralen Steuerung und den einzelnen
Verbrauchern. Die Übertragung der Steuersignale zwischen
Verbrauchern auf einer Seite und der zentralen Steuerung auf der
anderen Seite muss über einen Bus erfolgen, was aufgrund
des seriellen Protokolls für Verzögerungen in
der Fehlererkennung und Fehlerbehebung führt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
für die Stromversorgung von mehreren Verbrauchern in einem
Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei der Kurzschlussfehler schneller behoben
werden können.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
eine Schaltungsanordnung für die Stromversorgung von mehreren
Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, wobei jeder
Verbraucher eine Reihenschaltung aus einem Elektromotor und einem
Relais enthält, wobei durch Schalten des Relais der Strom
durch den Elektromotor zumindest ein- oder ausschaltbar ist. Unter Relais
wird ein elektromagnetisch wirkender Schalter verstanden, der durch
ein Ansteuersignal schaltbar ist. Dabei ist je Verbraucher eine
Strommessvorrichtung zum Messen eines Stroms durch das Relais vorgesehen.
Zudem ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die derart zum Schalten
des Relais eingerichtet ist, dass der Strom durch den Elektromotor
unterbrochen wird, falls der in der Strommessvorrichtung gemessene
Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Ein
Vorteil der Schaltungsanordnung ist, dass die für das Abschalten
des Elektromotors notwendigen Funktionen unmittelbar am Verbraucher implementiert
sind.
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Dadurch
ist es nicht mehr notwendig, dass der Verbraucher zum Zwecke des
Abschaltens vorher mit der zentralen Steuerung kommunizieren muss.
Dies spart Zeit und führt zu einem schnelleren Abschalten
des Elektromotors. Damit wird auch die Verlustleistung im Kurzschlussfall
verringert.
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Falls
ein nicht-flüchtiger Speicher vorgesehen ist, der zum Abspeichern
der Information, dass ein Ausschalten des Relais aufgrund eines
erhöhten Stroms stattgefunden hat, eingerichtet ist, kann
diese Information zum Diagnostizieren der Fehlerursache verwendet
werden.
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Besonders
geeignet ist die Schaltungsanordnung für Gleichstrommotoren,
wo durch schnelles Schalten des Relais der Motor auch entsprechend schnell
an- bzw. ausgeschaltet wird.
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Vorzugsweise
ist je Verbraucher eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die zum Ansteuern
des Relais ausgebildet ist. Die Ansteuerschaltung und die Strommessvorrichtung
sind dabei gemeinsam auf einer Leiterplatte untergebracht. Somit
ist die Ansteuerschaltung örtlich nah am Relais angeordnet,
sodass kurze Signalwege ein schnelles Reagieren auf Überlast
bewirken.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung können
Schmelzsicherungen entfallen. Dadurch entfallen auch die entsprechenden
Kontakte und Sicherungshalter, was die Kosten für die Stromversorgung verringert
und die Qualität verbessert. Dabei ist es nicht mehr nötig,
dass eine Schmelzsicherung für den Endkunden bzw. die Werkstatt
zugänglich sein muss. Dies bedeutet eine Platzoptimierung,
da die Vorrichtung zum Ausschalten des Relais in dem entsprechenden
Verbraucher vorgesehen wird. Grundsätzlich ist aber auch
eine freie Unterbringung der Steuerschaltung und der Überstromschutzvorrichtung
möglich.
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Durch
Reduzierung der Verlustleistung werden nicht nur Kosten gespart,
sondern es ist auch möglich, die Schaltungsanordnung flexibler
unterzubringen. Es ist nicht mehr unbedingt notwendig, die Schaltungsanordnung
an einem Metall anbringen zu müssen, um die Wärmeabfuhr
zu gewährleisten, weil die Verlustleistung geringer ist.
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Das
Vorsehen der Auswerteelektronik ermöglicht ein Anpassen
der Sicherungsfunktion an die aktuellen Gegebenheiten. Je nach Dimensionierung des
Elektromotors und der entsprechenden Leistungen kann die Auswerteschaltung
entsprechend angepasst werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen
werden, dass bei schwachen Leitungen und einem schwachen Elektromotor
das Relais bereits bei geringen Schwellwerten den Elektromotor ausschaltet.
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In
einer Ausführungsform weist die Strommessschaltung einen
in Reihe mit dem Relais und dem Elektromotor geschalteten Widerstand
auf. An einem solchen Widerstand kann durch einfaches Messen der über
dem Widerstand abfallenden Spannung der Strom gemessen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich enthält die Strommessvorrichtung
eine Vorrichtung zum Messen des magnetischen Feldes eines in der
Reihenschaltung mit dem Relais befindlichen Leiters. Mit einer solchen Vorrichtung
erfolgt das Messen des Stroms stromlos und somit im wesentlichen
frei von Verlustleistung.
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In
einer weiteren Ausführungsform enthält die Strommessvorrichtung
einen Bimetallstreifen. Auch mit einem solchen kann der Strom durch
das Relais gemessen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform nutzt die Strommessvorrichtung
den Spannungsabfall am Relaiskontakt zur Messung des Kurzschlussstroms,
womit bei bekanntem Widerstand des Relaiskontakts die Spannung ohne
zusätzliche Bauelemente gemessen werden kann, was den Bauteilaufwand
und die Kosten verringert.
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Falls
die Auswerteschaltung so eingerichtet ist, dass nach dem Abschalten
des Stroms durch das Relais ein Wiedereinschalten nach einer vorbestimmten
Zeitdauer erfolgt, wird mit dem Wiedereinschalten sichergestellt,
dass bei kurzfristigen Stromspitzen der Elektromotor nicht dauerhaft
abgeschaltet bleibt sondern rechtzeitig wieder eingeschaltet wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteschaltung
so eingerichtet, dass nach dem Abschalten des Stroms durch das Relais
ein Wiedereinschalten mittels Eingriff durch den Fahrzeugbenutzer
erfolgt. Dies ist besonders für Verbraucher wichtig, deren
Fehlfunktion ein besonderes Sicherheitsrisiko darstellt.
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Falls
die Auswertevorrichtung zum Auswerten von Messgrößen
für äußere Umweltbedingungen eingerichtet
ist, kann der vorbestimmte Wert, ab dem der Strom durch den Elektromotor
unterbrochen wird, von diesen äußeren Umweltbedingungen
abhängig gemacht werden, sodass nur bei wirklicher Gefahr der
Elektromotor ausgeschaltet wird.
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Falls
die Auswerteschaltung einen Temperatursensor enthält, kann
der vorbestimmte Wert erhöht werden, da bei niedrigerer
Temperatur das Risiko des Schmelzens des Elektromotors oder der
Leitung vermindert wird. Weiterhin kann beispielsweise die Auswerteschaltung
eine Vorrichtung zum Messen der Versorgungsspannung des Fahrzeugs
enthalten. Bei höheren Versorgungsspannungen steigt das
Risiko, dass die Verlustleistung bei einem Kurzschluss Zerstörungen
anrichten. Durch Senken des vorbestimmten Wertes bei höheren
Versorgungsspannungen wird dem entgegengewirkt.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert. Dabei zeigen
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1 einen
Verbraucher, der in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit elektrischer Energie versorgt wird;
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2 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Versorgung
von einer Vielzahl von Verbrauchern.
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1 zeigt
einen Verbraucher 10, wie er von einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit elektrischer Energie versorgt wird. Der
Verbraucher 10 enthält einen Elektromotor 12,
einen Widerstand 13, ein Relais 10, einen Operationsverstärker 14 und eine
Ansteuerelektronik 15. Der Schalter 16, der Widerstand 13 und
der Elektromotor 12 sind in Reihe derart geschaltet, dass
die Reihenschaltung zwischen den Spannungsversorgungsknoten 32 und 33 angeschlossen
ist.
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Der
Spannungsversorgungsknoten 32 wird mit einem hohen Potential,
beispielsweise 12 V beaufschlagt, während der Spannungsknoten 33 auf Masse
gelegt ist. Ein erster Anschluss des Schalters 16 ist mit
dem Spannungsversorgungsknoten 32 verbunden, während
sein zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss des Widerstands 13 verbunden
ist. Der zweite Anschluss des Widerstands 13 ist seinerseits
mit einem ersten Anschluss des Elektromotors 12 verbunden,
an dessen zweitem Anschluss der zweite Spannungsversorgungsknoten 33 angeschlossen
ist.
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Bei
Schließen des Schalters 16 fließt Strom von
dem ersten Spannungsversorgungsknoten 23 durch den Schalter 16,
den Widerstand 13 und den Elektromotor 12. Der
Schalter 16 dient somit dazu, den Elektromotor ein- und
auszuschalten. Der Elektromotor wird z. B. für Fensterheber,
Schiebedächer, Sitzverstellung und Scheibenwischer verwendet. Elektromotoren
für solche Verwendungen bedürfen hoher Schaltströme,
wofür Relais besonders geeignet sind. Bei kleineren Strömen
dagegen können vorwiegend Leistungshalbleiter eingesetzt
werden, bei denen ein Kurzschlussschutz auf dem jeweiligen Chip
des Leistungshalbleiters integriert ist. Das Relais enthält
eine Relaiselektrik 110 und einen Schalter 16.
Der Ansteuerstrom durch das Relais 11 bestimmt, ob der
Schalter 16 geöffnet oder geschlossen ist. Das Relais 11 wird
von dem Ausgang der Ansteuerelektronik 15, die den Ansteuerstrom
ausgibt, angesteuert.
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Der
Widerstand 13 ist ein sogenannter Shunt-Widerstand, dessen
Widerstandswert wesentlich kleiner als 1 Ohm ist. Die Anschlüsse
des Widerstands 13 werden mit Eingängen des Operationsverstärkers 14 verbunden.
Dadurch wird die Spannung über dem Widerstand 13 erfasst
und am Ausgang des Operationsverstärkers 14 ausgegeben.
Die Spannung über den Widerstand 13 ist proportional
zu dem durch den Schalter 16 des Relais 11 fließenden Stroms.
Die Ansteuerelektronik 15 empfängt das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 14. Überschreitet
der Strom durch den Widerstand 13 und somit die Spannung über
dem Widerstand 13 einen vorgegebenen Schwellwert, so schaltet
die Ansteuerelektronik 15 das Relais 11 derart
an, dass der Schalter 16 geöffnet wird. Diese
Sicherheitsschaltung hat Vorrang vor dem Eingangssignal E1, das die Ansteuerelektronik 15 von
einer übergeordneten Steuerung empfängt. Vorzugsweise
gibt die Ansteuerelektronik 15 auch ein Signal an die übergeordnete
Steuerung aus, wenn sie auf Grund des erhöhten Stroms durch den
Widerstand 13 den Verbraucher mit Hilfe des Relais 11 abschaltet.
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Das
Relais 11 erfüllt in dieser Anordnung neben der
Funktion als Schaltelement für den Elektromotor 12 die
Funktion zum Schutz der Leitung, die üblicherweise von
einer Schmelzsicherung realisiert wird. Im Kurzschluss- oder Überlastfall
wird der Stromkreis zum Schutz der Leitung durch den Relaiskontakt
unterbrochen. In der 1 wird dargestellt, dass der
zulässige Stromverlauf sensiert wird. Anhand dieser Information
wird das Relais im Überlastfall über die Auswerteelektronik 15 abgeschaltet.
Mit Hilfe der Ansteuerelektronik 15 wird in einer bevorzugten
Ausführungsform in nicht-flüchtigen Speichern
abgespeichert, dass das Relais auf Grund des Überlastfalls
umgeschaltet wurde.
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Die
Messung erfolgt über den Widerstand 13, wodurch
bei erkanntem Überlastfall über die entsprechende
Elektronik die Ansteuerschaltung 15 über das Relais 11 zurücksetzt
wird.
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Anstelle
des Widerstands 13 oder zusätzlich zum Widerstand 13 kann
die Überlasterkennung über eine magnetische Strommessung
erfolgen. Dadurch wird die Verlustleistung verringert.
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Auch
ist es möglich, dass Bimetalle, wie sie heute in Sicherungselementen
verwendet werden, ebenfalls für die Erkennung des Kurzschluss-
oder Überlaststroms verwendet werden.
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In
dem Fall, dass auf Grund der Überlast der Schalter 16 das
Relais 11 geöffnet hat, kann ein erneuter Wiedereinschaltversuch
automatisch nach einer festgelegten Zeit erfolgen. Alternativ erfolgt
das erneute Wiedereinschalten durch ein Aktivieren durch den Bediener.
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In
einer weiteren Ausführungsform werden die Temperatur und
die Bordnetzspannung im Fahrzeug gemessen und die Überlasterkennung
wird abhängig von der gemessenen Temperatur und der gemessenen
Bordnetzspannung gemacht. Bei niedrigerer Temperatur und niedrigerer
Bordnetzspannung kann der Schwellwert für den noch erlaubten
Strom hoher gesetzt werden, weil bei niedrigeren Temperaturen und
niedrigen Bordnetzspannungen die Gefahr, dass Leitungen schmelzen,
geringer wird.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Versorgung von drei Verbrauchern 10, 20 und 30.
Die Verbraucher 20 und 30 sind baugleich zu dem
Verbraucher 10, der bereits in Bezug auf 1 beschrieben
wurde. Die Anschlüsse 32 der Verbraucher 10, 20 und 30 sind
jeweils mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 5 verbunden.
Der Minuspol der Fahrzeugbatterie 5 ist mit der Masse 33 verbunden.
Für die Spannungsversorgung der Verbraucher 10, 20 und 30 sind
keine Schmelzsicherungen für die Stromversorgung vorgesehen.
Die Funktionen der Schmelzsicherungen werden durch die Relais 11 innerhalb
der Verbraucher 10, 20 und 30 vorgenommen.
Die Ansteuerelektroniken 15 weisen jeweils Eingänge
und zwar E1 für den Verbraucher 10,
E2 beim Verbraucher 20 und E3 beim Verbraucher 30 auf. Diese
werden von einer zentralen elektronischen Steuerung 6 (ECU)
angesteuert. Vorzugsweise geben sie ihre Schaltsignale auch an die
ECU 6 aus, damit diese in einem nicht-flüchtigen
Speicher die Information über ein Ausschalten auf Grund
von Überlast speichern kann.
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Dadurch,
dass die Auswertung des Überlastfalls in den Verbrauchern 10, 20 und 30 jeweils
lokal erfolgt, bedarf es nur weniger Leitungen zwischen der zentralen
elektronischen Steuerung 6 und den Ansteuerelektroniken 15 der
jeweiligen Verbraucher. Dies verringert zum einen den notwendigen
Schaltungsaufwand zur Kommunikation zwischen diesen Komponenten.
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Zum
anderen kann innerhalb des Verbrauchers 10 im Überlastfall
schnell geschaltet werden, ohne dass es einer zeitaufwändigen
Rücksprache bei der zentralen Steuereinheit 6 bedarf.
Durch die verkürzte Reaktionszeit fließt im Kurzschlussfall
weniger Strom, sodass die dabei entstehende Verlustleistung verringert
wird. Dadurch sinkt auch die Wärmeentwicklung im Kurzschlussfall.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 5
- Fahrzeugbatterie
- 6
- zentrale
Steuerschaltung
- 10
- Verbraucher
- 11
- Relais
- 12
- Elektromotor
- 13
- Widerstand
- 14
- Operationsverstärker
- 15
- Ansteuerelektronik
- 16
- Schalter
- 20
- Verbraucher
- 30
- Verbraucher
- 110
- Relaiselektrik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3702517
A1 [0002, 0003]