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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verbraucher für ein Fahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, das mit wenigstens einem derartigen Verbraucher ausgestattet ist.
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Aus der
DE 10 2008 027 062 A1 ist es bekannt, ein Bordnetz eines Fahrzeugs dadurch zu stabilisieren, dass elektrische Energiespeicher bzw. elektrische Verbraucher parallel geschaltet werden.
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Aus der
DE 101 42 086 A1 ist es zur Stabilisierung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei Erreichen eines kritischen Zustands des Bordnetzes, der einen drohenden Bordnetzspannungsabfall ankündigt, einen elektromotorisch angetriebenen Verbraucher einzuschalten. Kommt es dann tatsächlich zum Bordnetzspannungsabfall, fährt die Trägheit des Elektromotors dazu, dass eine dem Spannungseinbruch entgegenwirkende Induktionsspannung erzeugt wird. Des Weiteren können Spannungsspitzen durch die Tiefpasscharakteristik des Elektromotors aufgrund der Massenträgheit geglättet bzw. vermieden werden.
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Andere konventionelle Überspannungsschutzeinrichtungen können passiv oder aktiv arbeiten und durch zusätzliche, in das Bordnetz eingebundene Komponenten gebildet werden. Der Aufwand zur Realisierung derartiger Lösungen ist vergleichsweise groß und erfordert außerdem zusätzlichen Bauraum.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Verbraucher bzw. für ein damit ausgestattetes Bordnetz eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Überspannungsschutz und vorzugsweise durch einen verbesserten Berührschutz auszeichnet.
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Dieses Problem wird bei der Erfindung insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest einen elektrischen Verbraucher des Bordnetzes mit einer Sensiereinheit zum Überwachen der aktuellen Bordnetzspannung sowie einer Steuereinheit zum automatischen Einschalten einer elektrischen Last des Verbrauchers auszustatten, wobei die Steuereinheit so ausgestattet ist, dass sie die jeweilige Last dann selbsttätig einschaltet, wenn die Bordnetzspannung einen vorbestimmten Bordnetzschwellwert erreicht oder zu erreichen droht. Durch die automatische Zuschaltung der jeweiligen Last des Verbrauchers zum Bordnetz kann effektiv einer zunehmenden Bordnetzspannung entgegengewirkt werden, da die zugeschaltete Last entsprechend ihrem Energiebedarf Spannung abzieht. Durch die Ausstattung des Verbrauchers mit der Sensiereinheit und der Steuereinheit kann der Verbraucher autark und selbsttätig zu einem Überspannungsschutz des Bordnetzes beitragen, ohne dass der Verbraucher hierzu von außen, also extern angesteuert werden muss. Insoweit kann mit Hilfe eines derartigen Verbrauchers ein interner Überspannungsschutz realisiert werden. Dabei kann zur Realisierung eines derartigen autark arbeitenden Verbrauchers grundsätzlich auf einen herkömmlichen Verbraucher des Bordnetzes zurückgegriffen werden, wie zum Beispiel eine elektrische Heizungseinrichtung oder einen elektrisch betriebenen Kompressor einer Klimaanlage, der hierzu lediglich mit der Sensiereinheit und der Steuereinheit ausgestattet werden muss. Häufig besitzen vorhandene Verbraucher bereits eine Sensiereinheit, mit deren Hilfe die aktuelle Bordnetzspannung überwacht werden kann, sowie eine Steuereinheit, über welche beispielsweise über ein Bus-System der jeweilige Verbraucher zum Ein- und Ausschalten der jeweiligen Last angesteuert werden kann. In diesem Fall muss lediglich die Steuereinheit des ohnehin vorhandenen Verbrauchers entsprechend programmiert werden, um die hier vorgestellte Überspannungsschutzfunktion selbsttätig durchführen zu können. Das bedeutet, dass im Extremfall ein bereits vorhandener Verbraucher mit Steuergerät und Sensorik nur durch eine geeignete Programmsequenz modifiziert werden muss, beispielsweise im Wege eines Updates, um die hier vorgestellte Überspannungsschutzfunktion realisieren zu können.
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Im Einzelnen weist der elektrische Verbraucher zweckmäßig zwei elektrische Anschlüsse auf, mit denen der Verbraucher an das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen werden kann. Ferner enthält der Verbraucher zumindest einen Schalter, mit dessen Hilfe die jeweilige Last des Verbrauchers eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann. Mit anderen Worten, durch Betätigen des Schalters kann die jeweilige elektrische Last des Verbrauchers mit dem Bordnetz verbunden bzw. davon getrennt werden. Die Steuereinheit ist dann sowohl mit der Sensiereinheit als auch mit dem jeweiligen Schalter gekoppelt, um abhängig von der sensierten Bordnetzspannung den Schalter ansteuern zu können.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Steuereinheit das drohende Erreichen des vorgegebenen Bordnetzschwellwerts daran erkennen, dass der zeitliche Verlauf der Bordnetzspannung einen positiven Gradienten aufweist und dass die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Abstand zum Bordnetzschwellwert erreicht bzw. einen vorgegebenen Mindestabstand zum Bordnetzschwllwert unterschreitet. Mit anderen Worten, die Steuereinheit erkennt, dass sich die Bordnetzspannung von unten dem vorgegebenen Bordnetzschwellwert nähert, derart, dass ein Erreichen des Bordnetzschwellwerts zu befürchten ist. In diesem Fall kann die Steuereinheit noch vor Erreichen des Bordnetzschwellwerts die jeweilige Last zuschalten, um dem Erreichen des Bordnetzschwellwerts aktiv entgegenzutreten. Die Steuereinheit realisiert dadurch quasi eine prophylaktische Spannungsbegrenzung.
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Ein erfindungsgemäßes elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs umfasst mehrere elektrische Verbraucher, wobei zumindest ein Verbraucher der vorstehend genannten Art vorgesehen ist. Üblicherweise umfasst ein Bordnetz eine Vielzahl elektrischer Verbraucher, wobei es durchaus möglich ist, dass mehrere elektrische Verbraucher gleichzeitig eingeschaltet sind. Wird ein solcher elektrischer Verbraucher ausgeschaltet, steigt – zumindest vorübergehend – die Bordnetzspannung an. Wird durch diesen Bordnetzspannungsanstieg der vorbestimmte Bordnetzschwellwert erreicht oder droht ein Anstieg der Bordnetzspannung auf den Bordnetzschwellwert, reagiert der wenigstens eine erfindungsgemäße Verbraucher durch Zuschalten der jeweiligen elektrischen Last, was dem Spannungsaufbau entgegenwirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Bordnetzes kann zumindest eine übergeordnete Steuereinheit vorgesehen sein, die mit mehreren derartigen Verbrauchern gekoppelt ist, welche die vorbeschriebene Überspannungsschutzfunktion realisieren können. Die übergeordnete Steuereinheit kann nun den Bordnetzschwellwert der Steuereinheit des jeweiligen Verbrauchers, insbesondere bei allen derartigen Verbrauchern, vorgeben. Dabei kann die übergeordnete Steuereinheit abhängig vom Gesamtbetriebszustand des Bordnetzes den verschiedenen Verbrauchern unterschiedliche Bordnetzschwellwerte zuordnen. Ebenso kann die übergeordnete Steuereinheit den unterschiedlichen Verbrauchern verschiedene Gradienten für den Spannungsanstieg und/oder verschiedene Abstände zum Bordnetzschwellwert zuordnen. Somit kann die übergeordnete Steuereinheit beispielsweise dafür Sorge tragen, dass sämtliche derzeit nicht benötigte Verbraucher im Falle eines Spannungsanstiegs gestuft aktiv werden und nicht gleichzeitig, beispielsweise um einen zu starken Spannungsabfall durch die gleichzeitige Zuschaltung mehrerer Lasten zu vermeiden. Mit anderen Worten, mit Hilfe der übergeordneten Steuereinheit können die an sich autark arbeitenden Verbraucher koordiniert werden, um einen effektiven Überspannungsschutz im Bordnetz zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die übergeordnete Steuereinheit die Bordnetzschwellwerte von Verbrauchern mit ausgeschalteten Lasten abhängig von den Verbrauchern mit eingeschalteten Lasten variieren. Je mehr Verbraucher mit eingeschalteten Lasten am Bordnetz hängen, desto kleiner ist die Gefahr einer Überspannung beim Ausschalten eines einzelnen, kleineren Verbrauchers bzw. der zugehörigen Last. Sind dagegen nur wenige starke Lasten aktiv, besteht beim Ausschalten einer dieser Lasten eine erhöhte Gefahr für eine Überspannung. Durch eine geeignete Adaption der Bordnetzschwellwerte bzw. der Gradienten bzw. der Abstände lässt sich durch eine intelligente Programmierung der übergeordneten Steuereinheit ein regelrechtes Management zur Realisierung eines effizienten Überspannungsschutzes darstellen.
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Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher das Bordnetz mehrere derartige Verbraucher aufweist, die jeweils autark die vorbeschriebene Überspannungsschutzfunktion besitzen. Insbesondere können alle Verbraucher des Bordnetzes mit besagter Überspannungsschutzfunktion ausgestattet sein.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die übergeordnete Steuereinheit den wenigstens einen Verbraucher zum Einschalten der jeweiligen Last aktiv ansteuern. Mit anderen Worten, in diesem Fall greift die übergeordnete Steuereinheit aktiv auf wenigstens einen Verbraucher zu, um diesen aktiv zum Zuschalten der Last anzusteuern, obwohl der jeweilige Verbraucher passiv auch selbsttätig die Last zuschalten würde, falls die hierfür vorgesehenen Randbedingungen vorliegen. Durch die aktive Ansteuerung des jeweiligen Verbrauchers durch die übergeordnete Steuereinheit ist es jedoch möglich, bereits vorausschauend eine Last hinzuzuschalten, wenn an anderer Stelle des Bordnetzes eine Last vom Bordnetz genommen wird. Innerhalb des Bordnetzes kommunizieren die einzelnen Steuereinheiten üblicherweise miteinander. Insbesondere bilden die zugehörigen Steuergeräte ein Netzwerk und können beispielsweise über ein Bussystem oder ein sonstiges Datenübermittlungssystem miteinander kommunizieren. Falls also ein elektrischer Verbraucher aufgrund eines automatischen Befehls oder aufgrund eines manuellen Befehls durch den Fahrzeugführer oder einen Passagier ausgeschaltet werden soll, hat die übergeordnete Steuereinrichtung davon Kenntnis und kann zur Vermeidung eines übermäßigen Spannungsanstiegs eine geeignete Last zum Ausgleich hinzuschalten, indem die übergeordnete Steuereinheit hierzu den hierfür geeigneten Verbraucher entsprechend ansteuert. Die Gefahr einer Überspannung kann dadurch zusätzlich reduziert werden.
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Der Überspannungsschwellwert kann beispielsweise so gewählt werden, dass stets ein ausreichender Berührschutz gewährleistet ist. Beispielsweise darf zu keinem Zeitpunkt im Bordnetz eine Spannung oberhalb des für den Berührschutz vorgeschriebenen Werts herrschen, um für den Fall, dass eine Person versehentlich oder missbräuchlich ein spannungsführendes Bauteil berührt, eine ernsthafte Gesundheitsgefährdung dieser Person möglichst auszuschließen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend roch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorlegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Bordnetzes im Bereich eines Verbrauchers,
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Schwellwertanpassung durch eine übergeordnete Steuereinheit,
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3 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Überspannungsschutzfunktion bei zwei Varianten.
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Entsprechend 1 umfasst ein elektrisches Bordnetz 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Fahrzeugs, bei dem es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug handelt, mehrere elektrische Verbraucher 2, von denen in 1 jedoch nur einer dargestellt ist. Ferner umfasst das Bordnetz 1 hier eine übergeordnete Steuereinheit 3. Wie gesagt umfasst das Bordnetz 1 mehrere Verbraucher 2, wobei zumindest ein Verbraucher 2 wie der hier dargestellte Verbraucher 2 ausgestaltet ist. Vorzugsweise enthält das Bordnetz mehrere derartige Verbraucher 2. Insbesondere können alle Verbraucher 2 des Bordnetzes 1 derart ausgestaltet sein.
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Der in 1 gezeigte Verbraucher 2 besitzt zwei elektrische Anschlüsse 4, 5, mit deren Hilfe der Verbraucher 2 an stromführende Leitungen 6, 7 des Bordnetzes 1 angeschlossen werden kann. Der Verbraucher 2 weist zumindest eine elektrische Last 8 auf. Die Art der Last 8 variiert mit der Art des Verbrauchers 2. Beim Verbraucher 2 kann es sich zusätzlich um jeden beliebigen, bei einem Fahrzeug in Frage kommenden Verbraucher 2 handeln, beispielsweise um einen Klimakompressor, um eine elektrische Heizeinrichtung oder um einen Antriebsmotor, zum Beispiel einer Pumpe oder eines Gebläses und dergleichen mehr.
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Der Verbraucher 2 weist ferner eine Sensiereinheit 9 auf, mit deren Hilfe die aktuelle Bordnetzspannung U überwacht werden kann. Hierzu ist die Sensiereinheit 9 über Messleitungen 10, 11 an Anschlussleitungen 12, 13 angeschlossen, die ihrerseits mit den Anschlüssen 4, 5 und mit der jeweiligen Last 8 verbunden sind. Ferner ist zumindest ein Schalter 14 vorgesehen, der in einer der Anschlussleitungen 12, 13, hier in der positiven Anschlussleitung 12 angeordnet ist. Mit Hilfe des Schalters 14 kann die Last 8 eingeschaltet, also mit dem Bordnetz 1 verbunden und ausgeschaltet, also vom Bordnetz 1 getrennt werden.
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Der Verbraucher 2 weist außerdem eine Steuereinheit 15 auf, die einerseits über eine Signalleitung 16 mit der Sensiereinheit 9 und andererseits über eine Steuerleitung 17 mit dem Schalter 14 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 15 ist so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie den Schalter 14 zum Einschalten der jeweiligen Last 8 betätigt, falls die mit Hilfe der Sensiereinheit 9 gemessene Bordnetzspannung einen vorbestimmten Bordnetzschwellwert 18 erreicht oder – je nach Ausgestaltung und/oder Programmierung – zu erreichen droht.
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Die übergeordnete Steuereinheit 3 kann über Signal- und/oder Datenleitungen 19 mit der Steuereinheit 15 des jeweiligen Verbrauchers 2 kommunizieren. Beispielsweise sind die Verbraucher 2 und die übergeordnete Steuereinheit 3 innerhalb des Bordnetzes 1 miteinander vernetzt, um Daten bzw. Signale austauschen zu können. Hierzu kann beispielsweise ein Datenbus oder dergleichen vorgesehen sein. Sofern das Bordnetz 1 mehrere derartige Verbraucher 2 aufweist, kommuniziert die übergeordnete Steuereinheit 3 mit mehreren, vorzugsweise mit allen Steuereinheiten 15 dieser Verbraucher 2.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Diagramm kann die übergeordnete Steuereinheit 3 zu einem Zeitpunkt t1 den Bordnetzschwellwert 18 entsprechend einem Befehl 20 verändern. Dabei kann die übergeordnete Steuereinheit 3 gleichzeitig bei allen damit gekoppelten Steuereinheiten 15 den Bordnetzschwellwert 18 gleichermaßen verändern bzw. vorgeben, also allen Steuereinheiten 15 der einzelnen Verbraucher 2 den gleichen Bordnetzschwellwert 18 vorgeben. Ebenso ist es möglich, dass die übergeordnete Steuereinheit 3 unterschiedliche Bordnetzschwellwerte 18 auf die verschiedenen Steuereinheiten 15 der verschiedenen Verbraucher 2 individuell verteilt.
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Gemäß 3 kann die Steuereinheit 15 des jeweiligen Verbrauchers 2 zu einem Zeitpunkt t2, zu dem die aktuelle Bordnetzspannung 21 den Bordnetzschwellwert 18 erreicht, die Last 8 aktivieren, um einen weiteren Spannungsanstieg im Bordnetz 1 zu vermeiden. Zu einem Zeitpunkt t3 beginnt sich die Bordnetzspannung 21 nach unten, also zu kleineren Spannungswerten hin vom Bordnetzschwellwert 18 zu entfernen. Bei hinreichendem Abstand zum Bordnetzschwellwert 18 kann die an sich nicht benötigte Last 8 wieder automatisch vom Bordnetz 1 genommen werden.
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Zum Zeitpunkt t4 beginnt die Bordnetzspannung 21 mit einem Gradienten 22 anzusteigen. Das bedeutet, dass ein positiver Gradient 22 vorliegt. Zu einem Zeitpunkt t5 erreicht die Bordnetzspannung 21 von unten einen vorbestimmten Abstand 23 zum Bordnetzschwellwert 18. Hier reagiert die Steuereinheit 15 und schaltet die Last 8 zu. In der Folge wird ein weiterer Anstieg der Bordnetzspannung 21 verhindert.
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Die übergeordnete Steuereinheit 3 kennt den aktuellen Zustand des Bordnetzes 1 und kennt insbesondere die aktuellen Betriebszustände der Verbraucher 2 des Bordnetzes 1. insbesondere weiss die übergeordnete Steuereinheit 3, welche Verbraucher 2 eingeschaltete Lasten 8 aufweisen und welche Verbraucher 2 ausgeschaltete Lasten 8 aufweisen. Hierdurch kann die übergeordnete Steuereinheit 3 die Bordnetzschwellwerte 18 bei den Verbrauchern 2 mit ausgeschalteten Lasten 8 abhängig von den Verbrauchern 2 mit eingeschalteten Lasten 8 variieren, um so einen effektiven Überspannungsschutz zu koordinieren.
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Des Weiteren ist es mit Hilfe der übergeordneten Steuereinheit 3 möglich, die an sich autark und passiv arbeitenden Verbraucher 2 aktiv anzusteuern, um quasi vorausschauend ein Zuschalten der jeweiligen Last 8 zu bewirken, bevor es durch das Ausschalten einer anderen Last zu einem kritischen Bordnetzspannungsanstieg kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008027062 A1 [0002]
- DE 10142086 A1 [0003]
