-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Druckschrift
DE 37 02 517 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer Vielzahl von Verbrauchern aus einer gemeinsamen elektrischen Energiequelle, wobei die Schaltungsanordnung folgende Bestandteile umfasst. Sie hat für jeden der Verbraucher eine Verbraucher-Anschlussleitung, in der ein zur Bestätigung des Verbrauchers dienender Betriebszustandsschalter liegt; eine Haupt-Anschlussleitung, die die Verbindung zwischen den Verbraucher-Anschlussleitungen und der elektrischen Energiequelle herstellt und eine Sicherungseinrichtung, die die Schaltungsanordnung gegen Schäden durch zu hohe Ströme und/oder Überspannungen schützt. Die Sicherungseinrichtung umfasst ferner einen steuerbaren schnellen Schutzschalter, der in der Haupt-Anschlussleitung mit den Verbrauchern in Reihe liegt und beim Auftreten einer von der Nennspannung stark abweichenden Spannung und/oder eines zu großen Stroms zumindest kurzfristig automatisch geöffnet wird. Überdies umfasst die Sicherungseinrichtung einen Sensor, der den durch die Haupt-Anschlussleitung fließenden Strom und/oder die anliegende Spannung überwacht und dessen Ausgangssignal zur Steuerung des schnellen Schutzschalters Verwendung findet.
-
Die Druckschrift
DE 101 10 046 A1 schlägt eine Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug vor, mit zumindest einer Steueranordnung zur Ansteuerung zumindest eines Schaltmittels, über das zumindest ein elektrischer Verbraucher mit Energie versorgt werden kann. Über zumindest eine Schnittstelle tauscht die Steueranordnung Daten aus mit einem Bussystem. Es sind Stromerfassungsmittel vorgesehen, die ein Maß für den über das Schaltmittel fließenden Strom detektieren und der Steueranordnung zur Auswertung zuführen, in Abhängigkeit dessen das Schaltmittel angesteuert ist.
-
Die Druckschrift
EP 0 209 765 A1 bezieht sich auf eine elektrische Installationsverteilung mit mehreren Abgängen, die von einem gemeinsamen Eingang gespeist werden und die gegen Störungen auf der Verbraucherseite, wie Kurzschluss, Überlast und Fehlerströme durch Abschalten geschützt sind. Hierzu sind die Strompfade durch Sensoren, beispielsweise Messwandler, überwacht, die mit einer Zentralelektronik in Verbindung stehen. Eine Unterbrechung von Strömen durch elektrisch in Reihe angeordnete Schaltmittel wird in Ansteuerung durch die Zentralelektronik erzielt, wobei ein Hauptschalter mehreren Schaltmitteln in Abzweigen vorgeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Schaltmittel in den Abzweigen steuerbare Halbleiteranordnungen sind, die steuerseitig mit Steuerausgängen der Zentralelektronik in Verbindung stehen.
-
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.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
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 als Überlaststrom einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Ferner ist die Schaltungsanordnung zum Messen der Temperatur und der Bordnetzspannung im Fahrzeug und zum Abhängigmachen der Überlasterkennung von der gemessenen Temperatur und der gemessenen Bordnetzspannung derart eingerichtet, dass bei niedrigerer Temperatur und niedrigerer Bordnetzspannung der Schwellwert für den noch erlaubten Strom höher gesetzt wird.
-
Ein Vorteil der Schaltungsanordnung ist, dass die für das Abschalten des Elektromotors notwendigen Funktionen unmittelbar am Verbraucher implementiert sind.
-
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.
-
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.
-
Besonders geeignet ist die Schaltungsanordnung für Gleichstrommotoren, wo durch schnelles Schalten des Relais der Motor auch entsprechend schnell an- bzw. ausgeschaltet wird.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Strommessvorrichtung einen Bimetallstreifen. Auch mit einem solchen kann der Strom durch das Relais gemessen werden.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
-
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 einen Verbraucher, der in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit elektrischer Energie versorgt wird;
-
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Versorgung von einer Vielzahl von Verbrauchern.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Messung erfolgt über den Widerstand 13, wodurch bei erkanntem Überlastfall über die entsprechende Elektronik die Ansteuerschaltung 15 über das Relais 11 zurücksetzt wird.
-
Anstelle des Widerstands 13 oder zusätzlich zum Widerstand 13 kann die Überlasterkennung über eine magnetische Strommessung erfolgen. Dadurch wird die Verlustleistung verringert.
-
Auch ist es möglich, dass Bimetalle, wie sie heute in Sicherungselementen verwendet werden, ebenfalls für die Erkennung des Kurzschluss- oder Überlaststroms verwendet werden.
-
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.
-
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 höher gesetzt werden, weil bei niedrigeren Temperaturen und niedrigen Bordnetzspannungen die Gefahr, dass Leitungen schmelzen, geringer wird.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Bezugszeichenliste
-
- 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
