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Elektronische Geräte werden häufig aus Gleichspannungsquellen, beispielsweise Batterien, versorgt, weisen jedoch zunehmend Bauteile auf, die gegen eine falsche Polung der Gleichspannungsquelle empfindlich sind und hierdurch zerstört werden können. Eine Verpolung tritt dabei zumeist bei einem Wechsel der Gleichspannungsquelle, insbesondere der Batterie auf. Zum Schutz gegen die Auswirkungen einer Verpolung offenbart die
DE 196 03 117 A1 eine Verpolungsschutzschaltung, bei der in Serie zur Last ein Leistungstransistor geschaltet ist, der nur eingeschaltet wird, wenn die Gleichspannungsquelle mit der richtigen Polung angeschlossen ist. Die richtige Funktion der dortigen Verpolungsschutzschaltung setzt allerdings voraus, dass die Last und damit die Verpolungsschutzschaltung vor einer möglichen Verpolung von der Gleichspannungsquelle getrennt und folglich nicht mit Energie versorgt ist.
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Heutige Kraftfahrzeuge sind in der Regel mit einer Blei-Säure Batterie zur stationären Versorgung des 12 V Bordnetzes versehen. Diese Batterien unterliegen einem betriebsbedingten Verschleiß, so dass sich – auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch – ihre Kapazität im Laufe der Zeit verringert. Dies führt letztendlich dazu, dass bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges nicht mehr genug Energie zum Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht und die Batterie ersetzt werden muss, bzw. Starthilfe erforderlich wird. Dies tritt besonders häufig zu Beginn der kalten Jahreszeit auf, da hier zwei ungünstige Faktoren zusammentreffen. Zum Einen steigt der Innenwiderstand der Batterie mit sinkender Temperatur (und damit der maximal mögliche Abgabestrom) und zum Andern steigt auch die benötigte Leistung des Anlassermotors wegen zunehmender Zähigkeit des Motoröls.
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Übliche Methode für Fremdstart, bzw. Starthilfe ist die Verwendung von Starthilfekabeln, wobei die Batterie des Hilfe leistenden Fahrzeuges mit der des „Liegenbleibers” direkt verbunden wird. Übliche Starthilfekabel bestehen aus isolierten elektrischen Leitungen mit beidseitig angebrachten Kontaktklemmen.
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Problematisch an dieser Methode ist die Möglichkeit, die Starthilfekabel falsch anzuschließen. Dadurch werden die Batterien verpolt miteinander verbunden. Dies kann zur Zerstörung der Batterie, diverser elektronischer Verbraucher oder sogar zum Brand führen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Freisetzung heißer Schwefelsäure mit der Gefahr von Personenschäden.
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Wird die Blei-Säure-Batterie durch ein in der 1 dargestelltes innovatives Bordnetz mit einer Lithium-Polymer Batterie (Li-Po) und einer Gleichspannungsquelle aus Doppelschicht-Kondensatoren (DLC) ersetzt, so steigert sich das Schadenspotential bei fehlerhaftem Anschluss der Starthilfekabel erheblich. Zum Einen ist die Leitungsdichte des DLC wegen des – im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie – geringeren Innenwiderstandes wesentlich höher, zum Anderen ist die Energiedichte der Li-Po-Batterie ebenfalls wesentlich höher. Auch neigt eine beschädigte/überlastete Li-Po-Batterie zur Selbstentzündung.
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Zwar sind hier Bordnetz und Li-Po-Batterie durch einen Schaltregler DCDC1 getrennt, jedoch zeigt sich gemäß 2 bei genauerer Betrachtung, dass bei Verpolung der Bordnetzspannung die Substratdiode des Leistungshalbleiters Tr2 des Schaltreglers DCDC1 leitend wird und infolge des dann fließenden sehr hohen Stromes zerstört wird. Dabei kann nicht ausgeschlossen werden, dass der in unmittelbarer Nähe befindliche Leistungsschalter Tr1 nicht auch beschädigt wird, was einen Strompfad vom (verpolten) Bordnetz zur Li-Po-Batterie zur Folge hat.
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Um eine direkte Beschädigung der Li-Po-Batterie und des DLC zu vermeiden dürfen das Bordnetz und insbesondere die Li-Po-Batterie und der DLC auf keinen Fall mit den Verbindungsklemmen eines Starthilfekabels direkt kontaktierbar sein. Dies ist am günstigsten durch eine geeignete Verbindungstechnik der Energiespeicher mit dem Bordnetz und dem darin angeordneten Starter und eine gekapselte Konstruktion der Energiespeicher – etwa durch ein isolierendes Gehäuse – zu erreichen.
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Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von potentiell gefährlichen Situationen bei Fremdstart und Starthilfe bei einem Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes über einen DC/DC-Wandler gespeist wird.
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Die Erfindung umfasst eine Verpolungsschutzschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes über einen DC/DC-Wandler gespeist wird, wobei die Verpolungsschutzschaltung einen ersten Anschluss für das positive Potential der Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes, einen zweiten Anschluss für das Massepotential des Kraftfahrzeugbordnetzes und einen dritten Anschluss für ein Hilfspotential sowie einen Schalter aufweist, der mit seiner ersten Klemme mit dem ersten Anschluss und mit seiner zweiten Klemme mit dem dritten Anschluss verbunden ist. Die erfindungsgemäße Verpolungsschutzschaltung weist außerdem eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des Steuer-Anschlusses des Schalters auf, die mit den drei Anschlüssen zu ihrer Versorgung verbunden und derart ausgebildet ist, dass der Steuer-Anschluss zum Einschalten des Schalters nur angesteuert wird, wenn das Potential am dritten Anschluss höher ist als ein Referenzpotential.
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Hierdurch ist die sichere Kontaktierung von Starthilfekabeln(-klemmen) dergestalt erlaubt, dass bei Verbindung des Bordnetzes mit einer Starthilfe leistenden Spannungsquelle richtiger Polarität ein für die Starthilfe geeigneter Stromfluss zugelassen wird und bei Verbindung mit falscher Polarität ein schädlicher Stromfluss verhindert wird. Zudem ist auch sichergestellt, dass ebenfalls kein schädlicher Strom fließen kann, wenn beim Starthilfe empfangenden Kraftfahrzeug ein Kurzschluss im Bordnetz vorliegen sollte.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes über einen DC/DC-Wandler gespeist wird und an seinen Klemmen eine erfindungsgemäße Verpolungsschutzschaltung aufweist.
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In vorteilhafter Weise ist die Verpolungsschutzschaltung mit dem DC/DC-Wandler in einem Gehäuse insbesondere dem Gehäuse für den Energiespeicher angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine Referenzspannungserzeugungsschaltung auf, die eine Referenzspannung entweder aus dem Potential am ersten oder am Potential am dritten Anschluss ableitet. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einer vorliegenden Verpolung und damit einem falschen Potential am dritten Anschluss der Verpolungsschutzschaltung die Referenzspannung aufgrund des am ersten Anschluss anliegenden positiven Potentials der Bordnetzspannung korrekt erzeugt wird und der Schalter abgeschaltet bleibt.
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Zum Erkennen, ob eine Verpolung vorliegt, weist die Ansteuerschaltung der Verpolungsschutzschaltung in vorteilhafter Weiterbildung eine Vergleicherschaltung mit einem ersten und einem zweiten Eingang auf, wobei der erste Eingang mit dem Referenzpotential und der zweite Eingang mit dem dritten Anschluss verbunden ist.
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Der zweite Eingang ist in weiterer vorteilhafter Weiterbildung über einen Spannungsteiler und eine Diode mit dem dritten Anschluss verbunden.
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Der Schalter kann mit einem Leistungstransistor oder einem Relais, dessen Steuerstrecke über einen Halbleiterschalter angesteuert wird, gebildet sein.
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Im Falle der Ausbildung des Schalters mit einem Leistungstransistor weist die Ansteuerschaltung in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Spannungsverdopplerschaltung auf, die von einer von der Vergleicherschaltung angesteuerten Oszillatorschaltung angesteuert wird. Deren Ausgangsanschlüsse sind mit dem Source- und dem Gateanschluss des Leistungstransistors verbunden, sodass sich am Gateanschluss des Leistungstransistors ein gegenüber dem Sourceanschluss höheres Potential einstellt, wenn die Oszillatorschaltung von der Vergleicherschaltung angesteuert wird, falls das Potential am dritten Anschluss höher ist als das Referenzpotential. Leistungstransistoren benötigen zum sicheren Durchschalten eine Spannung am Gate, die gegenüber dem Sourcepotential einige Volt beträgt. Wenn für die logische Vergleicherschaltung eine übliche auf Versorgung mit 5 Volt basierende Schaltungstechnik verwendet wird, reicht deren Ausgangsspannung, die üblicherweise unter 5 Volt liegt, möglicherweise nicht für eine sichere Aufsteuerung des Leistungstransistors. Durch die Spannungsverdopplerschaltung kann dies in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sichergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit angedeuteten Starthilfekabeln,
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2 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit einem DC/DC-Wandler,
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3 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit erfindungsgemäßer Verpolungsschutzschaltung,
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4 eine schaltungstechnische Realisierung einer erfindungsgemäßen Verpolungsschutzschaltung mit einem Leistungstransistor als Schalter und
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5 eine schaltungstechnische Realisierung einer erfindungsgemäßen Verpolungsschutzschaltung mit einem Relais als Schalter.
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1 zeigt ein – gegenüber heute üblichen – innovatives Kraftfahrzeugbordnetz, wie es jedoch bereits beispielsweise aus der
DE 10 2007 048 342 A1 bekannt ist. Statt einer Blei-Säure-Batterie, die das den Generator und den Anlasser aufweisende Bordnetz stützt, ist einerseits ein Kraftfahrzeugbordnetz
1 mit einer Nennspannung von 12 Volt und andererseits ein Energiespeicher
2, der demgegenüber eine oder mehrere höhere Spannungen aufweist, vorgesehen.
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Im Kraftfahrzeugbordnetz 1 sind in üblicher Weise Niedervoltverbraucher 3 und 4 sowie der Generator 5 angeordnet. Für einen Fremdstart oder zum Laden des Energiespeichers 2 können am Bordnetz 1 Starthilfekabel 7, 8 angeschlossen werden.
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Der Energiespeicher 2 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste aus Doppelschichtkondensatoren gebildete Batterie DLC mit hoher Leistungsdichte und eine zweite Lithium-Polymer-Batterie Li-Po mit hoher Energiedichte auf. Über einen ersten bidirektionalen DC/DC-Wandler DCDC1 kann die zweite Batterie Li-Po durch den Generator 5 geladen werden und im Bedarfsfall das Bordnetz 1 stützten. Die erste Batterie DLC ist über einen ersten Schalter Schi mit einem Starter 6 verbunden und kann über einen zweiten gegebenenfalls bidirektionalen DC/DC-Wandler DCDC2 geladen werden.
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In 2 ist der erste DC/DC-Wandler DCDC1 etwas detaillierter dargestellt. Er weist in bekannter Weise zwei in Serie mit der zweiten Batterie Li-Po geschaltete Leistungstransistoren Tr1 und Tr2 auf, deren Verbindungsknoten über eine Spule L1 mit dem Kraftfahrzeugbordnetz 1 verbunden ist. Die Leistungstransistoren weisen Substratdioden auf, wobei bei einer Verpolung die Substratdiode des zweiten Leistungstransistors Tr2 den hohen Strom der falsch angeschlossenen Spannungsquelle führt und zerstört werden kann. Aufgrund der üblicherweise baulichen Nähe kann auch der erste Leistungstransistor Tr1 beschädigt werden.
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Um dies zu verhindern, ist gemäß 3 eine erfindungsgemäße Verpolungsschutzschaltung 9 mit einem ersten Anschluss 11 mit dem positiven Potential 12 V des Bordnetzes 1, mit einem zweiten Anschluss 12 mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 und mit einem dritten Anschluss 13 mit einem ersten Startpfosten SP+ verbunden. Ein zweiter Startpfosten SP– ist mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 verbunden. Die Verpolungsschutzschaltung 9 ist mit einem Leistungstransistor Tr3, dessen Laststrecke zwischen dem ersten 11 und dem dritten Anschluss 13 geschaltet ist und einer Ansteuerschaltung 10 gebildet. Die Ansteuerschaltung ist mit den drei Anschlüssen 11, 12, 13 verbunden. Abhängig von der Spannung am ersten Startpfosten SP+ und der Bordnetzspannung wird der Leistungstransistor Tr3 ein- oder ausgeschaltet. Gegebenenfalls kann – zu Schutzzwecken – auch der Strom durch den Leistungstransistor Tr3 erfasst werden.
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Die Verpolungsschutzschaltung 9 verbindet das Kraftfahrzeugbordnetz 1 mit dem ersten Startpfosten SP+, wenn dort eine hinreichend große, positive Spannung detektiert wird, indem der Leistungstransistor Tr3 eingeschaltet wird.
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Um zu vermeiden, dass diese Verbindung bei einem etwaigen Kurzschluss im externen, Starthilfe leistenden Bordnetz hergestellt wird, nutzt man die Tatsache, dass auch eine entladene, nicht mehr startfähige Batterie eine Restspannung von beispielsweise 5 bis 11 V aufweist. Die Versorgung der Ansteuerschaltung 10 der Verpolungsschutzschaltung 9 erfolgt gemäß der detaillierten Schaltung nach 4 über wahlweise eine erste Diode D1 und den ersten Startpfosten SP+ aus der externen Spannungsquelle oder über eine zweite Diode D2 aus dem Kraftfahrzeugbordnetz 1. Ein erster Kondensator C1 überbrückt eventuelle kurze Spannungseinbrüche, so dass der nachfolgende Spannungsregler IC1 eine stabile Versorgungsspannung von beispielsweise +5 V erzeugen kann.
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Der Eingang IN des Spannungsreglers IC1 ist hierzu über den ersten Kondensator C1 mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden, der der Verbindung mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 dient. Der Bezugspotentialanschluss GND des Spannungsreglers IC1 ist ebenfalls mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden. Der Eingang IN des Spannungsreglers IC1 ist über die in Sperrrichtung gepolte erste Diode D1 mit dem dritten Anschluss 13 und über die ebenfalls in Sperrrichtung gepolte zweite Diode D2 mit dem ersten Anschluss 11 verbunden. Der Ausgang OUT des Spannungsreglers IC1 ist über einen zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden und stellt die stabile Versorgungsspannung von beispielsweise +5 V bereit.
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Parallel zu dem zweiten Kondensator C2 ist eine Serienschaltung aus einem ersten Widerstand R1 und einem zweiten Widerstand R2 geschaltet. Aus der stabilen Versorgungsspannung von beispielsweise +5 V wird über den Spannungsteiler R1, R2 eine Referenzspannung Ref erzeugt, die an dem ersten Eingang (2) einer Vergleicherschaltung IC2A anliegt. Hierzu ist der Mittelabgriff des Spannungsteilers R1, R2 mit dem ersten Eingang (2) der Vergleicherschaltung IC2A verbunden.
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Zwischen dem dritten Anschluss 13 und dem zweiten Anschluss 12 ist eine Serienschaltung aus einer dritten in Durchlassrichtung gepolten Diode D3, einem dritten Widerstand R3 und einem vierten Widerstand R4 geschaltet. Der Mittelabgriff zwischen dem dritten R3 und vierten Widerstand R4 ist mit dem zweiten Eingang (3) der Vergleicherschaltung IC2A verbunden.
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Die Vergleicherschaltung IC2A vergleicht folglich die über den dritten R3 und vierten Widerstand R4 herunter geteilte Spannung am Startpfosten SP+ mit der Referenzspannung Ref. Die dritte Diode D3 verhindert dabei – etwa im Falle einer Verpolung der Starthilfekabel – das Auftreten einer negativen Spannung am zweiten Eingang (3) der Vergleicherschaltung IC2A.
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Als Vergleicherschaltung IC2A kann beispielsweise der integrierte Schaltkreis LM393 (National Semiconductor) verwendet werden. Dessen Ausgang ist als nach Masse schaltender Transistor ausgeführt (open collector). Solange die mittels der Widerstände R3 und R4 herunter geteilte Spannung am dritten Anschluss 13 bzw. Startpfosten Sp+ kleiner ist als die Referenzspannung Ref, ist der Ausgangstransistor von der Vergleicherschaltung IC2A eingeschaltet, so dass der damit verbundene Eingang eines nachfolgenden ersten Inverters IC3A Low Pegel hat. Als Inverter IC3A eignet sich beispielsweise der integrierte Schaltkreis 74HC14, dessen Eingang als Schmitttrigger ausgeführt ist. Überschreitet die obige Spannung die Referenzspannung Ref, so schaltet der Ausgangstransistor der Vergleicherschaltung IC2A aus und der erste Inverter IC3A bildet nun zusammen mit dem einem Rückkopplungswiderstand R5 und einem dritten Kondensator C3 einen Schmitttriggeroszillator mit Ausgangspegeln von 0 V und 5 V. Der nachfolgende zweite Inverter IC3B invertiert das Signal des ersten Inverters IC3A. Somit stehen an den Ausgängen der beiden Inverter IC3A und IC3B zwei gegenphasige Signale mit 0 V und 5 V Pegeln an. Die beiden in Serie geschalteten Inverter IC3A und IC3B bilden zusammen mit ihrer Beschaltung R5, C3 eine Oszillatorschaltung 16.
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Deren Ausgangssignale werden über Strombegrenzungswiderstände R6, R7 einer Spannungsverdopplerschaltung 15 zugeführt, die wiederum in bekannter Weise aus Dioden D4 bis D7 und Kondensatoren C4 bis C7 aufgebaut ist. In der Wirkung entsteht bei laufendem Oszillatorschaltung an dem siebten Kondensator C7 am Ausgang der Spannungsverdopplerschaltung 15 eine Spannung von ca. +8 V bezogen auf das Sourcepotential des Leistungstransistors Tr3, welche den Leistungstransistor Tr3 einschaltet und somit den Startpfosten SP+ mit dem Kraftfahrzeugbordnetz 1 verbindet. Sinkt die Spannung am Startpfosten SP+ unterhalb der Referenzspannung Ref, so wird die Oszillatorschaltung 16 durch die Vergleicherschalung IC2A angehalten, der siebte Kondensator C7 entlädt sich über einen ihm parallel geschalteten achten Widerstand R8 und der Leistungstransistor Tr3 sperrt.
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Ergänzend soll noch der Fall, dass die Spannung am ersten Startpfosten SP+ größer ist als die Bordnetzspannung erläutert werden. Hier wird zunächst die Substratdiode des Leistungstransistors Tr3 leitend. Beim innovativen Bordnetz fließt nun der maximale Strom des ersten Schaltreglers DCDC1, beispielsweise 150 A, was den Leistungstransistor Tr3 erheblich erwärmen würde. Da jedoch in diesem Falle die Spannung am ersten Startpfosten SP+ hinreichend groß ist, wird die Oszillatorschaltung 16 freigegeben und der Leistungstransistor Tr3 eingeschaltet. Dadurch sinkt der Spannungsabfall am Leistungstransistor Tr3 wesentlich und die verbleibende Erwärmung bleibt in einem akzeptablen Bereich.
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Alternativ zur Realisierung mit einem Leistungshalbleiter lässt sich die Schaltfunktion des Verpolungsschutzes auch mit einem Relais gemäß 5 darstellen. Dort sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in 4 versehen.
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Die Erkennung einer Versorgung durch die Vergleicherschaltung IC2A, sowie die Erkennung einer hinreichend großen, positiven Spannung am ersten Startpfosten SP+ bzw. am dritten Anschluss erfolgt in gleicher Weise wie bei der Schaltung gemäß 4. Der Leistungstransistor Tr3 ist jedoch durch ein Relais Rel1 ersetzt, das den dritten 13 und den ersten Anschluss 11 verbindet. Seine Ansteuerung erfolgt über eine vierten Transistor Tr4, der seinerseits dann eingeschaltet wird, wenn der Ausgangstransistor der Vergleicherschaltung IC2A ausgeschaltet ist. Hierzu ist der Ausgang der Vergleicherschaltung IC2A direkt mit dem Gate-Anschluss des vierten Transistors Tr4 und über einen neunten Widerstand R9 mit der stabilen Versorgungsspannung von beispielsweise 5 V verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Energiespeicher, Startpfosten und Verpolungsschutz konstruktiv vereinigt werden. Die Schaltregler DCDC1 und DCDC2 sowie die Verpolungsschutzschaltung 9 sind mit ähnlichen und teils gleichen elektronischen Bauteilen aufgebaut und auch eine gemeinsame Entwärmung der Leistungsbauteile bietet sich an. Darüber hinaus entsteht so eine Ausgestaltung, die eine gewisse Ähnlichkeit mit einer üblichen 12 V Blei-Säure-Batterie hat. Dieser Wiedererkennungseffekt ist sehr hilfreich, da der Automobilfahrer gewohnt ist, die Starthilfekabel an der Batterie anzuklemmen.
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Die Verpolungsschutzeinrichtung erlaubt in Verbindung mit den Startpfosten SP+, SP– einen gefahrlosen Fremdstart, bzw. Starthilfe zu einem anderen KFz. Die bekannten Gefahren bei falscher Handhabung mit den Starthilfekabeln sind gebannt – besonders in Hinblick auf das innovative Bordnetz. Der Verpolungsschutz kann mit einfachen elektronischen Bauelementen kostengünstig hergestellt werden. Eine funktionale Integration in den Energiespeicher des innovativen Bordnetzkonzeptes bietet sich an, da dort bereits ähnliche elektronische Bauteile verwendet werden. Auch wird durch die Ausgestaltung mit Startpfosten eine Ähnlichkeit zur heutigen Blei-Säure-Batterie hergestellt. Zudem ergibt sich aus diesem Konzept noch einen weiterer, ganz wesentlicher Vorteil. Derzeit werden die meisten im Kraftfahrzeug verbauten elektronischen Geräte (Steuergeräte, Radio, Navigationsgerät) am 12 V Bordnetz betrieben. Wegen der Gefahr einer Verpolung der Bordnetzspannung – sei es durch falschen Einbau der Batterie oder durch falschen Anschluss bei Starthilfe – muss jedes einzelne dieser Geräte – und sogar jeder Ein- und Ausgang davon – verpolfest oder verpolgeschützt ausgeführt sein, um eine Beschädigung zu vermeiden. Dabei ist anzumerken, dass ein heutiges Fahrzeug der Mittelklasse mit bis zu 50 Steuergeräten ausgestattet ist. Dies lässt erahnen, welch hoher Aufwand für die sichere Beherrschung der Verpolung der Bordnetzspannung investiert wird. Mit dem hier vorgestellten Konzept kann dieser Aufwand komplett entfallen, da eine Verpolung der Bordnetzspannung wirkungsvoll verhindert wird. Die dadurch entstehende Kostenersparnis ist deutlich höher als die Kosten für den vorgestellten Verpolungsschutz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19603117 A1 [0001]
- DE 102007048342 A1 [0024]
