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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, ein Modul mit einer Elektronik als Schalter und Absicherung für einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs sowie eine Befestigungsanordnung für ein Modul mit einer Elektronik als Schalter und Absicherung für einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs an dem Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Module zur Absicherung und zum Schalten elektrischer Verbraucher bekannt.
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So zeigt die Druckschrift
US 2009/0223784 A1 einen Trennschalter zur Unterbrechung einer elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Energiequelle und einem elektrischen Verbraucher.
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In der Druckschrift
DE 103 59 736 A1 wird die Funktionsweise eines Sicherungssystems für einen Laststromkreis eines Kraftfahrzeugs beschrieben.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2009 051 293 A1 eine Schaltungsanordnung zum Trennen einer Spannungsquelle von einem elektrischen Energienetz eines Fahrzeugs bekannt.
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Die
EP 2 314 482 A2 bezieht sich auf eine in ein Kraftfahrzeug integrierte Batterie und ein Hauptbatteriekabel mit elektronischen Sicherheits- und Ladezustandsüberwachungsfunktionen. Hierdurch werden physikalische Parameter, insbesondere der Verbrauch, die Spannung und die Temperatur gemessen und der Ladezustand abgeleitet.
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Aus der
DE 199 53 191 A1 ist ein elektronisches Steuergerät mit einer in einem geschlossenen Gehäuse angeordneten, mit elektronischen Bauelementen versehenen Leiterplatte bekannt. Zwischen dem Bodenteil und der Leiterplatte sind die Leistungsbauelemente angeordnet, deren durch eine Kühlplatte gebildete, von der Leiterplatte abgewandte Unterseite mit dem Bodenteil wärmeleitend verbunden ist. Dabei können die Leistungstransistoren über einen wärmeleitenden Kleber auf das metallische Bodenteil aufgebracht sein.
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Die
DE 102 02 095 A1 betrifft ein elektrisches Gerät mit einer auf einer Trägerplatte angeordneten Schaltung und mit einem elektrische Leitungen bildenden Stanzgitter in einem Gehäuse. Die Trägerplatte steht in wärmeleitender Verbindung mit dem Stanzgitter. Ein in dem Gehäuse vorhandenes Bauteil wird als Wärmesenke und als Befestigung genutzt.
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Außerdem bezieht sich die
DE 42 15 743 A1 auf einen Kabelbaum für ein Kraftfahrzeug und die
EP 0 945 959 A2 auf eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern und eine Möglichkeit zu schaffen, dass ein Schalten und Absichern elektrischer Verbraucher mit einer Elektronik möglich ist, welche insbesondere einen geringen Bauraum aufweist und ohne eine aktive Kühlung betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Modul mit einer Elektronik als Schalter und/oder Absicherung für einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist ein Modul mit einer Elektronik als Schalter und/oder Absicherung für einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs vorgesehen, welches ein Gehäuse und eine Platine mit einem Masseanschluss, einem Spannungsanschluss, einem Signalanschluss, einem Leistungsanschluss, wenigstens einer Steuereinheit und zumindest einem Leistungstransistor umfasst, wobei in dem Gehäuseboden und/oder dem Gehäusedeckel eine Aussparung zur Aufnahme eines Wärmeleitmittels eingebracht ist. Durch derartige Gestaltung einer Elektronik ist es möglich, eine kompakte Einrichtung zum Schalten und Absichern der Spannungsversorgung eines elektrischen Verbrauchers zu realisieren. Der Signalanschluss ist vorzugsweise als eine Steckverbindung für einen Datenbus vorgesehen, sodass neben der Absicherung auch die Steuerung des Leistungsschalters unabhängig von der Positionierung des Moduls im Fahrzeug möglich ist. Der Leistungsanschluss dient dazu, einen elektrischen Verbraucher wenigstens mit Spannung zu versorgen. Darüber hinaus können über den Leistungsanschluss auch Steuerdaten an den Verbraucher übermittelt werden. Es ist möglich, dass ein Modul über mehrere Schalter und/oder Absicherungen verfügt und so an einem Modul mehrere Verbraucher angeschlossen sind.
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Bei einer einfachen Ausführungsform des Moduls ist zumindest eine Steuereinheit vorgesehen, welche die elektronische Absicherung regelt. Diese Steuerung wird auch als Leistungscontroller bezeichnet. Bei einer Absicherung und/oder Schaltung mehrerer unabhängiger Verbraucher mit einem Modul ist für jeden Verbraucher ein eigener Leistungscontroller oder ein Leistungscontroller für alle Verbraucher vorgesehen. Besteht die Möglichkeit, das Modul mit einem Datenbus zu verbinden, so ist in dem Modul auch eine Steuereinheit für den Datenbus, ein sogenannter Buscontroller, vorgesehen. Der Buscontroller interpretiert die im Datenbus übermittelten Daten und gibt die relevanten Informationen an den Leistungscontroller weiter. Der Datenbus ist beispielsweise ein LIN-Bus, CAN-Bus, Flexray oder PowerLine.
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Der Buscontroller und der Leistungscontroller sind vorzugsweise Mikrocontroller und können als ein gemeinsamer Mikrocontroller realisiert sein. Für die Schaltung der Spannungsversorgung, sowohl für reguläre Schaltvorgänge als auch für Schaltvorgänge, welche der elektrischen Absicherung dienen, umfasst die Elektronik ein elektronisches Schaltelement, wie einen Leistungstransistor, vorzugsweise einen MOSFET, beispielsweise Power-FET, SMART-FET oder POWER-MOSFET. Die Erfindung kann auch mit einem anderen elektronischen Schaltelement realisiert werden. Absicherung ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung als eine Überstrom- und/oder Übertemperatur-Schutzeinrichtung zu verstehen. Diese bewahrt elektrische Verbraucher wie Leitungen oder andere Betriebsmittel vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung, die aus dem über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom resultieren würde.
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Das Wärmeleitmittel, das beispielsweise ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste sein kann, dient dazu, die Temperatur im Inneren des Controllers schnell nach außen zu führen. Das Modul ist über ein Wärmeleitmittel konduktiv temperiert. Eine konduktive Kühlung des Moduls ist hinsichtlich des Bauraums, Gewichts und der Teilezahl der konvektiven Kühlung in der Leistung überlegen.
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Das Gehäuse umfasst in einer günstigen Ausführungsform zwei Teile, zwischen denen die Elektronik angeordnet ist. Diese Teile des Gehäuses sind beispielsweise ein Gehäuseboden und ein Gehäusedeckel. Dabei wird das Gehäuse von dem Masseanschluss und/oder dem Spannungsanschluss und/oder dem Signalanschluss und/oder dem Leistungsanschluss durchdrungen. Lediglich die Platine der Elektronik mit der Steuereinheit und dem Schaltelement sind vollständig im Inneren des Gehäuses angeordnet. Die Kühlung des Moduls kann konvektiv erfolgen. Hierzu hat das Gehäuse an seiner Außenseite Kühlstrukturen, welche die Oberfläche des Gehäuses extrem vergrößern.
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Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Befestigungsanordnung des Moduls an dem Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Befestigungsanordnung vorgesehen, um ein Modul mit einer Elektronik als Schalter und Absicherung mit einem Fahrzeug zu verbinden, wobei eine Befestigungseinrichtung und/oder ein Massekontakt und/oder ein Versorgungskontakt des Moduls zur konduktiven Übertragung von Wärme vorgesehen beziehungsweise eingerichtet ist und das Modul mit einem Wärmeleitmittel, welches in einer Aussparung im Gehäuseboden und/oder im Gehäusedeckel angeordnet ist, an der Karosserie oder der Spannungsversorgungsleitung anliegt. Hierdurch gelingt es auf überraschend einfache Weise, in dem Modul entstehende Wärmeenergie aus dem Modul abzuführen und ein Modul bereitzustellen, welches bei niedrigem Gewicht und geringen Abmaßen eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
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Die genannte Befestigungsanordnung hat wenigstens eine Befestigungseinrichtung zur mechanischen Lagesicherung des Moduls an der Karosserie des Fahrzeugs. Diese Befestigungseinrichtung ist mittelbar und/oder unmittelbar mit der Karosserie des Fahrzeugs verbunden. Weiterhin umfasst die Befestigungsanordnung wenigstens einen Massekontakt, mittels dessen eine elektrische Verbindung der Elektronik mit einer Masse möglich ist. Die Masse, auch Massepotential genannt, ist beispielsweise die Karosserie oder der Rahmen des Fahrzeugs. Auch ein anderes leitfähiges Teil, welches sich über das gesamte Fahrzeug erstreckt, kann als Masse und zugleich als Rückleiter für das Bordnetz dienen. Eine andere, im Fahrzeugbau herstellerübergreifend verwendete Bezeichnung für die Masse ist „Klemme 31“.
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Weiterhin hat die Befestigungsanordnung wenigstens einen Versorgungskontakt, über welchen das Modul, insbesondere die Elektronik, elektrisch mit einer Spannungsversorgungsleitung des Fahrzeugs verbunden ist. Die Spannungsversorgungsleitung kann als Kabel und der Anschluss an das Modul dann als Steckerverbindung realisiert sein. Als besonders vorteilhaft erwiesen hat sich die Ausgestaltung der Spannungsversorgungsleitung als eine starre Spannungs- oder Stromschiene, auch Flachleitersystem genannt. Die Spannungsschiene ermöglicht es, das Modul mechanisch zu tragen. Dazu wird das Modul mittels einer Klemm- und/oder Schraubverbindung an der Spannungsversorgungsleitung fixiert. Die Spannungsversorgungsleitung kann als Kabel oder als Spannungsschiene ausgeführt verzweigt sein. Die Spannungsversorgungsleitung wird im Fahrzeugbau herstellerübergreifend auch „Klemme 30“ oder Dauerplus genannt. Ist die Spannungsversorgungsleitung mit der dauerhaften Spannungsquelle des Fahrzeugs, wie einer Batterie oder einem Akkumulator verbunden, so ist an der Spannungsversorgungsleitung auch dann elektrische Leistung verfügbar, wenn die Zündung ausgeschaltet und der Zündschlüssel gezogen ist. Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung ist nicht auf Dauerplus festgelegt, auch andere Energieversorgungspotentiale wie beispielsweise Wechselstrom sind möglich.
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Die elektrische Energie der Spannungsversorgungsleitung wird durch das Modul über den Leistungskontakt an den einzelnen Verbraucher oder eine gemeinsam geschaltete und abgesicherte Gruppe von Verbrauchern weitergeleitet. Der Leistungskontakt ist dabei bevorzugt als Steckverbindung ausgeführt und kann darüber hinaus Einrichtungen zur Übermittlung von Daten umfassen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist die Ausgestaltung von Massekontakt und/oder Versorgungskontakt als Befestigungseinrichtung. Hierdurch wird einerseits die Wärmeübertragung von dem Modul an die Masse oder die Spannungsversorgungsleitung ermöglicht, was die Leistungsfähigkeit des Moduls gegenüber vergleichbaren Einrichtungen aus dem Stand der Technik verbessert. Andererseits kann auf eine zusätzliche Befestigung des Moduls verzichtet werden, was Gewicht und Montageaufwand reduziert. Der Massekontakt und/oder der Versorgungskontakt sind insofern zur Wärmeleitung geeignet, da sie aus einem Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, dessen Volumen systembedingt sehr groß ist und so schnell viel Wärmeenergie aufnehmen kann, ohne hierdurch nachteilig beeinflusst zu werden.
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Die Übertragung von Wärmeenergie aus dem Modul an die Karosserie oder die Spannungsversorgungsleitung kann über ein Wärmeleitmittel erfolgen. Das Wärmeleitmittel, beispielsweise ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste, ist bevorzugt in einer Aussparung des Gehäusebodens und/oder des Gehäusedeckels angeordnet. Das Wärmeleitmittel ermöglicht eine andere Form der Befestigung des Moduls an dem Fahrzeug. Hierzu ist das Wärmeleitmittel als Befestigungseinrichtung, insbesondere als eine Klebeverbindung, ausgeführt.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mit einem Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Fahrzeug mit einer Karosserie, einer Vorderachse und einer Hinterachse vorgesehen, bei dem an der Karosserie zwischen der Vorderachse und der Hinterachse, elektrisch von der Karosserie getrennt, eine Spannungsversorgungsleitung angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Karosserie wenigstens einen Massebolzen. Die Elektronik zur Schaltung und Absicherung eines elektrischen Verbrauchers ist mit der Spannungsversorgungsleitung und dem Massebolzen elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß ist bei dem Fahrzeug das Modul an dem Massebolzen und/oder der Spannungsversorgungsleitung zur mechanischen Lagesicherung und zur Abführung von Wärmeenergie aus dem Modul festgelegt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Fahrzeug mehrere Module, welche zur Wärmeübertragung, zur mechanischen Lagesicherung und zur Übertragung elektrischer Energie an der als Spannungsschiene ausgeführten Spannungsversorgungsleitung festgelegt sind. Die Module sind dabei über wenigstens einen Abschnitt der Spannungsversorgungsleitung in deren Längsrichtung verteilt.
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Der elektrische Verbraucher im Fahrzeug ist erfindungsgemäß mit der Masse des Fahrzeugs verbunden und mit nur einer Leitung über das Modul an die Spannungsversorgungsleitung angeschlossen. Es können, zum Beispiel zum Anschluss eines stärkeren Verbrauchers, mehrere Ausgänge eines oder mehrerer Module parallel geschaltet werden.
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Das Fahrzeug, vorzugsweise ein Personenkraftfahrzeug, weist weiterhin einen Datenbus auf. Die Erfindung kann grundsätzlich bei allen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Als zweckmäßig hat sich jedoch der Einsatz bei Straßenfahrzeugen herausgestellt, wobei die Vorteile der Erfindung bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen besonders günstig sind. Gerade bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug ist eine sehr groß dimensionierte Spannungsleitung vorgesehen, welche die Spannungsquelle im Bereich der Hinterachse mit dem Elektromotor im Bereich der Vorderachse verbindet.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit mehreren elektrischen Verbrauchern, welche elektrisch mit einer Spannungsversorgungsleitung verbunden sind;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Spannungsversorgungsleitung mit einem an der Spannungsversorgungsleitung angeordneten Modul;
- 3 eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Spannungsversorgungsleitung mit dem Modul;
- 4 eine schematische Explosionsdarstellung des in 3 gezeigten Moduls;
- 5 eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der in 2 gezeigten Spannungsversorgungsleitung in einer anderen Ansicht mit einer Ausführungsform der Anbindung von elektrischen Leitungen an das Modul.
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1 zeigt ein Fahrzeug 1, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, mit einer Karosserie 2 und einer zwischen Vorderachse 3 und Hinterachse 4 des Fahrzeugs 1 erstreckten Spannungsversorgungsleitung 5. Die Spannungsversorgungsleitung 5 ist von der Karosserie 2 elektrisch getrennt und verzweigt. Das Fahrzeug 1 hat darüber hinaus mehrere elektrische Verbraucher 6. Die Verbraucher 6 sind an der Spannungsversorgungsleitung 5 elektrisch angeschlossen. Hierzu sind an der Spannungsversorgungsleitung 5 mehrere Module 7 angeordnet. Die Verbraucher 6 sind durch Kreise angedeutet. Die Spannungsversorgungsleitung 5 ist an zumindest einem Ende mit einer Spannungsquelle 8 verbunden. Dies kann eine Batterie, ein Akkumulator oder ein Generator sein. Die Abführung von Wärmeenergie 9 aus den Modulen 7 an die Karosserie 2 ist mittels Pfeilen angedeutet.
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2 zeigt einen Ausschnitt der Karosserie 2 mit der Spannungsversorgungsleitung 5 und einem an dieser angeordneten Modul 7. Der dargestellte Ausschnitt der Karosserie 2 zeigt den Mitteltunnel 10 des Fahrzeugs 1. Die Spannungsversorgungsleitung 5 ist mittels Haltekörpern 11 elektrisch isolierend mechanisch mit der Karosserie 2 verbunden.
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Die 3 und 4 zeigen das Modul 7. Das Modul 7 hat eine Elektronik 12, die als Schalter und als Absicherung für fünf in 1 dargestellte elektrische Verbraucher 6 dient. Die Elektronik 12 ist zwischen einem Gehäuseboden 13 und einem Gehäusedeckel 14 im Inneren eines Gehäuses 15 positioniert. Die Elektronik 5 umfasst eine Platine 16, einen Masseanschluss 17, einen Spannungsanschluss 18, einen Signalanschluss 19, einen Leistungsanschluss 20, zwei Steuereinheiten 21, 23 und fünf elektronische Schaltelemente 22. Die Platine 16 trägt und/oder verbindet zumindest den Signalanschluss 19, den Leistungsanschluss 20, die Steuereinheiten 21, 23 und die Schaltelemente 22.
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Der Masseanschluss 17 ist elektrisch mit einem Massebolzen 24 der Karosserie 2 verbunden, wobei diese einen sogenannten Massekontakt 27 bilden. Zugleich ist das Modul 7 über den Masseanschluss 17 an dem Massebolzen 24 in seiner Lage mechanisch festgelegt. Der Masseanschluss 17 und der Massebolzen 24 bilden also auch eine Befestigungseinrichtung 26. Weiterhin dient die Verbindung von Masseanschluss 17 und Massebolzen 24 der Abführung von Wärmeenergie 9 aus dem Modul 7, wie in 1 mit Pfeilen angedeutet. Mittels des Spannungsanschlusses 18 ist die Elektronik 12 mit der Spannungsversorgungsleitung 5 elektrisch verbunden. Der Spannungsanschluss 18 und die Spannungsversorgungsleitung 5 bilden einen Versorgungskontakt 28. Auch über die Spannungsversorgungsleitung 5 erfolgt eine Abführung von Wärmeenergie 9 aus dem Modul 7. Weiterhin bilden der Spannungsanschluss18 und die Spannungsversorgungsleitung 5 wegen ihrer mechanischen Verbindung eine weitere Befestigungseinrichtung 26. Die auf das Modul 7 einwirkenden Kräfte werden über die Befestigungseinrichtung 26 mittelbar über die Spannungsversorgungsleitung 5 und unmittelbar über den Massebolzen 24 auf die Karosserie 2 übertragen. Der Spannungsanschluss 18 und der Masseanschluss 17 sind als Schraubverbindung ausgeführt.
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Der Signalanschluss 19 ist als Steckerverbindung ausgeführt und dient der Verbindung mit einem Datenbus. Zur Verarbeitung der Daten des Datenbusses hat die Elektronik 12 eine Steuereinheit 21 als Buscontroller. Eine weitere Steuereinheit 23, ein Leistungscontroller, dient der Steuerung der Schaltelemente 22. Jedes der Schaltelemente 22 ist einem Verbraucher 6 zugeordnet. Zur elektrischen Verbindung der Verbraucher 6 mit der Elektronik 12 weist diese einen als Steckerverbindung ausgeführten Leistungsanschluss 20 auf.
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Der Masseanschluss 17, der Spannungsanschluss 18, der Signalanschluss 19 und der Leistungsanschluss 20 durchdringen das Gehäuse 15. Als weitere Möglichkeit für die Abführung von Wärmeenergie 9 aus dem Modul 7 und die mechanische Befestigung des Moduls 7 ist in dem Gehäuseboden 13 eine Aussparung 25 zur Anordnung eines Wärmeleitmittels vorgesehen. Über das beispielsweise als Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste ausgeführte Wärmeleitmittel ist eine konduktive Temperierung des Moduls 7 möglich. Dazu liegt das Wärmeleitmittel an der Karosserie 2 oder der Spannungsversorgungsleitung 5 an.
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5 zeigt eine Ausführungsform der Anbindung von elektrischen Leitungen 29, 30, 31 an das Modul 7. Die Leitungen 29, 30, 31 sind Bestandteil eines Kabelbaums 32. In der gezeigten Ausführungsform ist an dem Massebolzen 24 neben dem Masseanschluss 17 als Massekontakt 27 des Moduls 7 noch eine von dem Modul 7 unabhängige Masseleitung 30 elektrisch angeschlossen. Eine Busleitung 29 verbindet das Modul 7 mit dem Datenbus. Eine Leistungsleitung 31 verbindet einen oder mehrere, hier nicht gezeigte Verbraucher 6 mit dem Modul 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Karosserie
- 3
- Vorderachse
- 4
- Hinterachse
- 5
- Spannungsversorgungsleitung
- 6
- Verbraucher
- 7
- Modul
- 8
- Spannungsquelle
- 9
- Abfluss von Wärmeenergie
- 10
- Mitteltunnel
- 11
- Haltekörper
- 12
- Elektronik
- 13
- Gehäuseboden
- 14
- Gehäusedeckel
- 15
- Gehäuse
- 16
- Platine
- 17
- Masseanschluss
- 18
- Spannungsanschluss
- 19
- Signalanschluss
- 20
- Leistungsanschluss
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Schaltelement
- 23
- Steuereinheit
- 24
- Massebolzen
- 25
- Aussparung
- 26
- Befestigungseinrichtung
- 27
- Massekontakt
- 28
- Versorgungskontakt
- 29
- Busleitung
- 30
- Masseleitung
- 31
- Leistungsleitung
- 32
- Kabelbaum
