DE102012015322A1

DE102012015322A1 - Fahrzeugspannungsversorgung

Info

Publication number: DE102012015322A1
Application number: DE201210015322
Authority: DE
Inventors: Alfons Graf; Wolfgang Troeger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US9302637B2; US20140035359A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Fahrzeugspannungsversorgung bereitgestellt, die eine Fahrzeugbatterie, einen Verbraucher mit zwei Spannungsversorgungsanschlüssen, eine Sicherung in einem Pfad zwischen der Fahrzeugbatterie und einem der Spannungsversorgungsanschlüsse des Verbrauchers und einen Klemmschaltungs-Transistor aufweist. Der Klemmschaltungs-Transistor ist derart schaltbar, dass der Klemmschaltungs-Transistor einen Kurzschluss zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen des Verbrauchers zum Aktivieren der Sicherung erzeugt. Ein Energiespeicher ist zum Speichern der Energie, die zum Ansteuern des Klemmschaltungs-Transistors beim Erzeugen des Kurzschlusses benötigt wird, eingerichtet und eine Aufladeschaltung ist zum Aufladen des Energiespeichers zumindest während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Kurzschluss erzeugt, eingerichtet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Anmeldung betrifft eine Fahrzeugspannungsversorgung.
Hintergrund der Erfindung
Die Elektroniken von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise mit Hilfe einer Fahrzeugbatterie versorgt, die eine Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitstellt. Die Zuleitungen von elektrischen Verbrauchern werden in der Regel über Sicherungen nahe der Batterie abgesichert. Dabei unterscheidet man prinzipiell zwei Arten: geschaltete Zuleitungen und nicht geschaltete Zuleitungen. Die geschalteten Zuleitungen werden zum Beispiel mit einem Schalter zwischen der Sicherung und der Zuleitung im Parkzustand des Fahrzeugs abgeschaltet. Nicht geschaltete Zuleitungen sind über eine Sicherung immer mit der Batterie verbunden.
Speziell bei Verbrauchern mit nicht geschalteter Spannungsversorgung besteht ein potentielles Sicherheitsproblem. Dieses Sicherheitsproblem besteht darin, dass in einem elektronischen Steuergerät (ECU) vielfältige Fehlermechanismen zu einem unkontrollierten Stromfluss im Steuergerät führen können, ohne jedoch die Sicherung auszulösen. Ein solcher unkontrollierter Stromfluss kann als Folge eine starke Temperaturerhöhung hervorrufen, die im Extremfall zum Brand des Steuergeräts und sogar zum Brand des Fahrzeugs führen kann.
Konzeptbedingt lässt sich der unkontrollierte Stromfluss in einer nicht geschalteten Versorgung nicht abschalten, selbst wenn der Fehler durch eine Elektronik erkannt würde. Mit einer vorgeschalteten Sicherung könnte die Abschaltfunktion grundsätzlich erfüllt werden. Wenn aber der unkontrollierte Stromfluss nicht groß genug ist, um die Sicherung auszulösen, kann der unkontrollierte Stromfluss trotz des Vorhandenseins der Sicherung zu Schäden führen.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Fahrzeugspannungsversorgung bereitgestellt, die eine Fahrzeugbatterie, zwei Spannungsversorgungsanschlüsse für einen Verbraucher, eine Sicherung in einem Pfad zwischen der Fahrzeugbatterie und einem der Spannungsversorgungsanschlüsse des Verbrauchers und einen Klemmschaltungs-Transistor aufweist. Der Klemmschaltungs-Transistor ist derart schaltbar, dass der Klemmschaltungs-Transistor einen Strompfad zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen des Verbrauchers zum Aktivieren der Sicherung erzeugt. Ein Energiespeicher ist zum Speichern der Energie, die zum Ansteuern des Klemmschaltungs-Transistors beim Erzeugen des Strompfades benötigt wird, eingerichtet und eine Aufladeschaltung ist zum Aufladen des Energiespeichers zumindest während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Strompfad erzeugt, eingerichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine elektrische Schaltung für eine Sicherungsabschaltung in einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Sicherungsabschaltung durch einen Kurzschlussschalter in einem Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Sicherungsabschaltung durch einen Kurzschlussschalter in einem Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem p-Kanal MOSFET als Klemmschaltungs-Transistor.
4 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Sicherungsabschaltung durch einen Kurzschlussschalter in einem Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) als Klemmschaltungs-Transistor.
5 zeigt eine Ausführungsform einer Fahrzeugspannungsversorgung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die detaillierte Beschreibung wird mit Bezug auf die beigefügten Figuren dargelegt. Die Verwendung derselben Bezugszeichen in verschiedenen Figuren gibt ähnliche oder identische Elemente beziehungsweise Funktionsblöcke an.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Sicherungsabschaltung am Beispiel einer Kühlerlüfteranwendung in einem Motorfahrzeug.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zeigt eine Batterie 2, eine als Schmelzsicherung ausgebildete Sicherung 3, einen Kühlerlüfter 18 und eine ECU 4 (Elektronische Kontroll-Einheit), die den Kühlerlüfter 18 ansteuert. Die Batterie 2 weist zwei Anschlüsse 20 und 21 auf, an denen die Batterie 2 eine Gleich-Spannung UBAT von 12 V, in anderen Ausführungsformen von 24 V oder 48 V zur Verfügung stellt. Der erste Anschluss 20 der Batterie 2 ist mit der Masse 33 verbunden, während der zweite Anschluss 21 mit einem ersten Anschluss 31 der Sicherung 3 verbunden ist. Der zweite Anschluss 32 der Sicherung 3 ist mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss 41 der ECU 4 verbunden, deren zweiter Spannungsversorgungsanschluss 42 mit der Masse 33 verbunden ist. Die ECU 4 empfängt somit an ihren Spannungsversorgungsanschlüssen 41 und 42 eine Versorgungsspannung von Ubatn, die zwischen dem zweiten Anschluss 32 der Sicherung 3 und der Masse 33 anliegt und die annähernd so groß wie die Batteriespannung UBAT ist. Die Sicherung 3 liegt somit in einem Pfad zwischen einem Spannungsversorgungsanschluss 41 des Verbrauchers, hier der ECU 4, und einem Anschluss 21 der Batterie 2. Die Anzahl der Spannungsversorgungsanschlüsse ist nicht auf zwei beschränkt. Es gibt auch Steuergeräte mit mehr Spannungsversorgungsanschlüssen.
Die ECU 4 enthält die zwei Spannungsversorgungsanschlüsse 41 und 42, eine Lüfterelektronik 5, einen Transistor 6, einen Speicherkondensator 7, einen Auslöseschalter 8, einen Ausschalt-Widerstand 9, eine Diode 10 und einen Ladewiderstand 11 und zwei Ausgangsanschlüsse 51 und 52, über die die Lüfterelektronik den Kühlerlüfter 18 antreibt.
Der Transistor 6 ist als n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet, der eine integrierte Inversediode 61 enthält. Die Drain des Transistors 6 ist mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluss 41 und die Source des Transistors 6 ist mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 verbunden. Parallel zu der Source-Drain-Strecke, die auch als Laststrecke bezeichnet werden kann, ist die Inversediode 61 geschaltet, deren Anode somit mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 verbunden ist.
Der Widerstand 11 hat einen Wert von 1 kOhm und ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss 41 und der Anode der Diode 10 vorgesehen. Die Kathode der Diode 10 ist mit einer ersten Elektrode des Kondensators 7 verbunden, dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 verbunden ist. Die Laststrecke des Schalters 8 ist zwischen der ersten Elektrode des Kondensators 7 und dem Gate des Transistors 6 vorgesehen. Der Widerstand 9 ist zwischen dem Gate des Transistors 6 und dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 vorgesehen.
Im Normalbetrieb ist der Schalter 8 geöffnet. Dadurch fließt Strom durch den Widerstand 11 und die Diode 10 in den Kondensator 7, der damit aufgeladen wird, bis die über ihm anliegende Spannung gleich der Spannung Ubatn minus der Einsatzspannung der Diode 10 ist. Wegen des Widerstands 9 ist die Gate-Source-Spannung des Transistors 6 gleich Null, womit der Transistor 6 sperrt. Der Widerstand 9 bildet eine Vorspannungsschaltung zum Ansteuern des Potentials des Steueranschlusses des Klemmschaltungs-Transistors während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Kurzschluss erzeugt.
Alternativ zum Kondensator 7 kann die Ansteuerenergie auch in einem sog. Super-Kondensator oder in einer Batterie oder in einem Akku samt Ladeelektronik gespeichert werden. Alternativ kann an den Energiespeicher auch noch eine Ladungspumpe angebracht werden, um auch bei abfallender Speicherspannung noch möglichst lange eine ausreichende Ansteuerspannung, größer als die Schwellspannung, für den Transistor 6 bereitzustellen.
Im Störfall wird der Transistor 6 über ein Sicherungsabschaltungs-Signal eingeschaltet. Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich aber nicht um ein elektrisches Signal, sondern um ein Temperatursignal. Der Schalter 8 ist als temperaturgesteuerten Schalter, z. B. als Bimetall-Schalter, ausgelegt. Dieser Schalter 8 ist in der ECU 4 derart vorgesehen, dass eine zu hohe Temperatur in der ECU 4, zum Beispiel wenn die Temperatur dort den vorbestimmten Wert von 180°C überschreitet, bewirkt, dass der Schalter 8 schließt. Weitere typische vorbestimmte Werte für die Temperatur liegen zwischen 150 und 250°. Der Temperatursensor kann beispielsweise in der Nähe des Klemmschaltungs-Transistors 6 oder in der Kühlerelektronik 5 oder an den Leistungstransistoren der Kühlelektronik 5 vorgesehen sein.
Nach dem Durchschalten des Schalters 8 liegt die Spannung des Kondensators 7 über der Gate-Source-Strecke des Transistors 6 an, womit der Transistor 6 durchschaltet. Dies bewirkt einen hohen Stromfluss durch die Laststrecke des Transistors 6, mit anderen Worten wird ein Kurzschluss oder ein Strompfad zwischen den Spannungsversorgungsanschlüssen erzeugt. Da dieser hohe Strom durch die Sicherung 3 fließt, wird diese zum Schmelzen gebracht, womit die Spannungsversorgung der ECU 4 abgeschaltet wird. Durch das Auslösen der Sicherheitsabschaltung mit Durchschalten des Transistors 6 entsteht ein definierter Kurzschluss zwischen Ubatn und Fahrzeugmasse, welcher die Sicherung 3 auslöst. Die Höhe des Kurzschlussstroms wird im Wesentlichen durch die Kabel- und Kontaktwiderstände, den Batterieinnenwiderstand, den MOSFET Widerstand des Transistors 6 und die Batteriespannung bestimmt. Typische Ströme liegen im Bereich von 200–600 A, abhängig von der Batteriespannung.
Je nach Stromfluss durch den Transistor 6 kann das Abschalten einige 100 Millisekunden, aber auch mehrere Sekunden dauern. Über den Widerstand 9 wird der Kondensator 7 langsam entladen, bis die Spannung über dem Kondensator 7 Null wird. Der Widerstand 9 und der Kondensator 7 sind so dimensioniert, dass während dieser Abschaltzeit der Transistor 6 sicher eingeschaltet bleibt. Unter Abschaltzeit wird die Zeit vom Schließen des Schalters 8 bis zum Auslösen der Sicherung 3 verstanden. Die Auslösezeit kann je nach Ausführungsform und Umgebungsbedingungen im Bereich von 100 ms bis 10 Sekunden liegen.
Der Transistor 6 bildet somit einen Klemmschaltungs-Transistor, der derart schaltbar ist, dass ein Kurzschluss zwischen den Spannungsversorgungsanschlüssen 41 und 42 erzeugbar ist. Klemmschaltungen werden im Allgemeinen auch mit dem englischen Wort „crowbar” bezeichnet. Der Kondensator 7 bildet einen Energiespeicher, in dem die Energie, hier in Form von elektrischen Ladungen, die zum Einschalten des Transistors 6 benötigt wird, gespeichert wird. Der Widerstand 11 und die Diode 10 sind in Reihe geschaltet und bilden damit eine Aufladeschaltung, durch die der Strom zum Aufladen des Kondensators 7 fließt. Dieser Strom fließt insbesondere während der Zeit, in der der Transistor nicht durchgeschaltet ist. Ob der Ladestrom für den Kondensator 7 durch die Aufladeschaltung auch fließt, wenn der Transistor 6 leitet, ist für diese Ausführungsform nicht erheblich. Die Diode 10 sorgt dafür, dass nicht Strom von dem Kondensator 7 zurück zum Spannungsversorgungsanschluss 41 fließt, was drohen würde, wenn das Potential am Spannungsversorgungsanschluss 41 absinkt. Die im Kondensator gespeicherten Ladungen sollen aber zur Verfügung stehen, um den Klemmschaltungs-Transistor 6 einzuschalten.
In einer Ausführungsform ist der Klemmschaltungs-Transistor so ausgebildet, dass er nur einmal während seiner Lebensdauer den hohen Strom zum Erzeugen des Kurzschlusses liefern muss. Wenn er Klemmschaltungs-Transistor einmal aktiv war und somit die Sicherung ausgelöst hat, sollte er ausgetauscht werden. Bei dieser Ausführungsform kann ein Transistor, der relativ wenig kostet und wenig Platzbedarf hat, verwendet werden.
Der Energiespeicher benötigt bei dieser Ausführungsform keine gesonderte Hilfsspannung, da die Ladungen aus der Fahrzeugbatterie geliefert werden. Dies erweist sich als energieeffizient, da zusätzliche Wandler für Hilfsspannungen weniger energieeffizient als ein unmittelbares Laden aus der Fahrzeugbatterie ist. Es versteht sich, dass auch beim unmittelbaren Laden der Strom durch mehrere Bauteile, wie zum Beispiel Widerstände, Schalter und Sicherungen fließen kann.
Im gerade beschriebenen Fall ergibt sich das Auslösesignal SA aus der Temperaturerhöhung in der ECU 4 mit der physikalischen Einwirkung auf einen Thermoschalter 8.
Sobald an den Spannungsversorgungsanschlüssen 41 und 42 ein Kurzschluss erzeugt wird, bricht die Versorgungsspannung Ubatn in der ECU 4, und bei schlechter Batterie sogar im gesamten Fahrzeug, auf nahezu 0 V zusammen. Dadurch könnte die Gefahr bestehen, dass die Ansteuerung des Transistors 6 nicht mehr versorgt und somit gestört wird. Insbesondere in Automobilanwendungen ist dies kritisch, da bei diesen, im Gegensatz zu vielen Industrieanwendungen, in der Regel keine unabhängige Hilfsspannung zur Verfügung steht, die die Versorgung gewährleistet. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der Transistor 6 auch bei Zusammenbruch der Versorgungsspannung Ubatn ausreichend stabil und zuverlässig angesteuert, da die Energie, die benötigt wird, um den Transistor 6 so anzusteuern, dass er den Kurzschluss auslöst, in dem Kondensator 7 gespeichert wird. Diese Energie wird während des Normalbetriebes, das heißt, wenn kein Kurzschluss ausgelöst wird, in dem Energiespeicher gespeichert. Damit steht die Energie zur Verfügung, wenn sie im Notfall, in diesem Fall, wenn die Temperatur zu hoch ist, zum Ansteuern des Transistors benötigt wird.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel, bei dem das gezielte Auslösen des Kurzschlusses durch ein elektronisches Signal erfolgt.
Die ECU 4 enthält die zwei Spannungsversorgungsanschlüsse 41 und 42, eine Lüfterelektronik 5, einen Transistor 6, einen Kondensator 7, einen Widerstand 11, einen Kondensator 13, einen Widerstand 15, einen Widerstand 16, eine Zenerdiode 17, einen Transistor 19 und einen Kondensator 12, eine Diode 10 und einen Ladewiderstand 11 und zwei Ausgangsanschlüsse 51 und 52.
Der Widerstand 11 hat einen Wert von 1 kOhm und ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss 41 und der Anode der Diode 10 vorgesehen. Die Kathode der Diode 10 ist mit einer ersten Elektrode des Kondensators 7 verbunden, dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 verbunden ist. Der Widerstand 16 ist zwischen der ersten Elektrode des Kondensators 7 und dem Gate des Transistors 6 vorgesehen. Der Transistor 19 ist ein n-Kanal-Feldeffekttransistor, dessen Source mit dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 und dessen Drain mit dem Gate des Transistors 6 verbunden ist. Der Widerstand 15 ist zwischen dem Gate des Transistors 19 und dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 vorgesehen. Der Kondensator 13 ist zwischen der Kathode der Diode 10 und dem Gate des Transistors 19 vorgesehen. Die Zenerdiode 17 ist mit ihrer Kathode mit der Kathode der Diode 10 und mit ihrer Anode mit dem Spannungsversorgungsanschluss 42 verbunden. Der Kondensator 12 ist zwischen dem Gate des Transistors 6 und dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss 42 vorgesehen. Der Widerstand 14 ist zwischen einem Ausgang 53 der Lüfterelektronik 5 und dem Gate des Transistors 19 vorgesehen. Die Lüfterelektronik 5 treibt über diesen Ausgang 53 das elektrische Signal SA.
Das Sicherungsabschaltungs-Signal SA hat im Normalzustand den Logikpegel 1. Damit herrscht ein Potential am Gate von Transistor 19, das von dem Teilerverhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 15 und 14 abhängt. Diese Widerstände sind so dimensioniert, dass, solange SA den Pegel 1 aufweist ist, der Transistor 19 eingeschaltet ist. Folglich herrscht eine Gate-Source-Spannung am Gate von Transistor 6 von 0 V, womit der Transistor 6 ausgeschaltet ist.
Währenddessen wird der Kondensator 7 über den Widerstand 11 und die Diode 10 aufgeladen.
Die Zenerdiode 17 limitiert die Spannung über dem Kondensator 7 auf z. B. maximal 20 V und schützt somit den Kondensator 7 und den Transistor 6 vor Überspannungen. Durch die Widerstände 16 und 11 fließt im Normalfall permanent Strom, sie definieren einen nominalen Arbeitsstrom, der bei anliegender Batteriespannung Vbatt immer fließt. Der Widerstand 16 muss gegenüber dem Widerstand 11 groß genug dimensioniert sein, damit die Spannung über dem Kondensator 7 groß genug werden kann.
Die Vorrichtung soll vor übermäßigem unkontrolliertem Stromfluss durch die ECU 4 schützen. Die Ursachen für den unkontrollierten Stromfluss können Metallspäne, Whiskerbildung, Verschmutzung oder Feuchtigkeit sein. Es ist auch möglich, dass Leiterplatten ungewollt leitfähig werden, Isolierungen defekt werden oder Elektromigration Fehlfunktionen auslöst. Auch können defekte Bauteile wie Kondensatoren oder MOSFETs der Auslöser für einen übermäßigen Stromfluss sein. Der übermäßige Stromfluss kann zunächst zu einer überhöhten Temperatur und als Folge zu einem Entflammen der ECU 4 führen, insbesondere, wenn die ECU 4 ein Gehäuse aus Kunststoff aufweist. Als besonders kritisch hat sich der Fall erwiesen, bei dem die Fahrzeugbatterie nicht mehr voll geladen ist und ihre Spannung beispielsweise von 12 V auf 9 V abgefallen ist. Bei Spannungen kleiner 12 V ist die Auslösung der Sicherung durch den Schalter 6 insbesondere kritisch, wenn die ECU ist schon beschädigt ist oder eine überhöhte Temperatur aufweist. Bei kleinerer Spannung fließt eventuell nicht genügend Strom um die Sicherung auszulösen und es dauert unter Umständen sehr lange.
Im Abschaltungsfall wird der Pegel des Signals SA, das von der Lüfterelektronik 5 getrieben wird, gleich 0 oder hochohmig Z. Pegel 0 bedeutet, dass die Lüfterelektonik ein Potential von Null Volt gegenüber der Masse 33 aktiv treibt, bei Pegel 1 treibt die Lüfterelektronik ein hohes Potential, das zum Beispiel so hoch wie das Potential am Spannungsversorgungsanschluss 41 ist. Bei einem Pegel hochohmig Z treibt die Lüfterlelektronik 5 das Signal SA nicht. Aufgrund der Widerstände 15 und 14 stellt sich ein Potential von 0 V am Signal SA ein.
Pegel 0 oder hochohmig Z ist in dieser Ausführungsform ein notwendiges und hinreichendes Kriterium für eine überhöhte Temperatur und den ursächlich unkontrollierten Fehlerstrom. Wird das Signal mit Pegel 0 oder mit Pegel hochohmig Z von der Lüfterelektronik 5 angesteuert, dann wird das Potential am Gate des Transistors 19 0 V, womit der Transistor 19 ausgeschaltet wird. In der Folge liegt am Gate des Transistors 6 die im Kondensator gespeicherte Spannung an. Der Transistor 6 schaltet somit vollständig durch, wodurch sich der Strom durch die Sicherung 3 erhöht, die daraufhin schmilzt und damit den Stromfluss abschaltet.
Die Entladung des Kondensators 7 findet in dieser Ausführungsform nur durch Leckströme statt, sodass die Kondensatorspannung über dem Kondensator 7 sehr lange über der Schwellspannung des Transistors 6 bleiben wird. Damit bleibt der Transistor 6 auch sehr lange eingeschaltet, auch wenn Vbatt durch den erzeugten Kurzschluss schon lange nahezu zu Null geworden ist.
Mit den Kondensatoren 12 und 13 kann das Schaltverhalten beeinflusst werden, speziell das Verhalten beim An- und Abklemmen der Batteriespannung Vbat. In diesem Fall muss das Durchschalten des Transistors 6 sicher verhindert werden, natürlich auch beim Auftreten definierter Störimpulse.
Das Sicherungsabschalt-Signal SA kann auf unterschiedliche Weise generiert werden. In einer Ausführungsform wird das Signal SA auf Low-Pegel bei einer übermäßigen Temperatur, die über einen oder mehrere Temperatursensoren im Steuergerät erfasst wird und mit Hilfe eines Schmitttriggerpegels ausgewertet wird, geschaltet. Im Folgenden wird das Schalten des SA Signals auf Low-Pegel auch als Aktivierung des SA Signals bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform werden bei der Auswertung unterschiedliche Temperaturschwellen im Fahrzustand und im Parkzustand berücksichtigt. Zusätzlich können die Temperaturschwellen von der aktuellen Umgebungstemperatur abhängig gemacht werden.
In einer alternativen Ausführungsform sinkt bei einem zu schnellen Temperaturanstieg das SA Signal auf Low-Pegel, auch wenn die Maximaltemperatur noch nicht überschritten ist. Dies bedeutet, dass nicht die absolute Temperatur, sondern die Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit über das Aktivieren des SA Signals entscheidet.
Das SA Signal wird in einer alternativen Ausführungsform aktiviert, wenn die Funktionalität des Steuergeräts nicht erfüllt ist. Eine fehlende Funktionalität ergibt sich beispielsweise daraus, dass der Lüftermotor nicht oder nicht mit der Sollgeschwindigkeit läuft.
Die Aktivierung des SA Signals wird in einer weiteren Ausführungsform aktiviert, wenn die Stromaufnahme nicht zur aktuellen Funktion des Steuergeräts, z. B. 80 A anstelle von 40 A im Normalbetrieb, oder 0,5 A anstelle von 50 μA im geparkten Ruhezustand passt.
Andere Fehlfunktionen, die zum Aktivieren des SA Signals führen, können sein:

– MOSFETs zur Ansteuerung des Lüftermotors zeigen Auffälligkeiten, z. B. deren Gatespannungen liegen nicht korrekt an.
– Die Watchdog Funktion des Mikrokontrollers hat angesprochen.
– Eine Leitfähigkeitsüberwachung von Leiterplatten zeigt Fehler an.
– Es wurden Leckströme an defekten oder heißen Bauteilen, z. B. an Halbleitern, erkannt.
– Es wurde Rauch, Licht oder ein Lichtbogen erkannt.

Es ist nicht nur möglich, dass einzelne der aufgeführten Anzeichen für Fehler zum Aktivieren des SA Signals führt. Die Aktivierung des SA Signals kann auch auf einer Auswertung einer Kombination der aufgeführten Anzeichen, oder weiterer Anzeichen, oder deren zeitliche Abfolge, beruhen.
Im Allgemeinen kann eine fehlende Funktionsfähigkeit des Verbrauchers den Klemmschaltungs-Transistor auslösen. In einer Ausführungsform weist der Verbraucher einen Transistor mit einem Steueranschluss auf. Dieser Steueranschluss wird im Normalbetrieb zum Beispiel mit Ansteuerpotentialen von 0 und 12 V betrieben. Im Falle eines Steueranschlussdurchbruchs befindet sich das Ansteuerpotential in einem Zwischenbereich, zum Beispiel bei 2 V. Das Potential am Steueranschluss wird gemessen und im Fall, dass das Potential innerhalb eines vorbestimmten Bereiches, in diesem Fall beispielsweise zwischen 1 und 8 V, liegt, das Signal SA aktiviert.
Der Transistor 6 besitzt die parasitäre inverse Diode 61 mit ebenfalls hoher Stromtragfähigkeit. Im Fall einer Verpolung von Vbat wirkt diese wie ein Kurzschluss und sorgt ebenfalls für ein Auslösen der Sicherung. Dadurch wird auch die übrige Elektronik im Steuergerät geschützt, da deren Verpolspannung durch die Diode 61 auf ca. –0,7 V begrenzt wird und nur während der kurzen Sicherungsausschaltzeit anliegt.
In einer Ausführungsform wird der Transistor 6 im Verpolfall durch eine geeignete Ansteuerschaltung parallel zur Diode eingeschaltet. Dadurch verringert sich die Schaltspannung an dem Transistor 6 und der Inversediode auf nahezu –0 V, was zu einer geringeren thermischen Belastung und günstigeren Auslegung des Transistors führt.
Gegenüber einer Lösung mit zusätzlichen Relais oder Halbleiterschalter, die zwischen der Sicherung und dem Spannungsversorgungsanschluss der Lüfterelektronik 5 vorgesehen werden und die die Versorgung der Lüfterlelektronik 5 beim Abstellen des Fahrzeugs, oder nach einer gewissen Nachlaufzeit nach dem Abstellen, von der Batterie trennen, ergeben sich durch die vorstellte Lösung geringere Kosten. Dies ist insbesondere der Fall, wenn speziell die zusätzlichen Relais oder die zusätzlichen Schalter wie beim Kühlerlüfter auf ca. 80 A Dauerstrom ausgelegt werden müssen. Über einem zusätzlichen Relais oder Halbleiterschalter fällt zudem Verlustleistung ab, da der Strom zur Versorgung des Verbrauchers durch das Relais oder den Halbleiterschalter fließt.
Bei gezeigten Ausführungsformen wird die vorhandene Sicherung 3 gezielt ausgelöst und als einmalige Notabschaltung verwendet. Dazu wird die Spannungsversorgung nach der Sicherung, optimalerweise auch direkt im Steuergerät (ECU) selbst, gezielt kurzgeschlossen, wodurch der unkontrollierte Stromfluß künstlich auf einen Wert erhöht wird, der die Sicherung nach einer kurzen Auslösezeit – abhängig von der Sicherung und den Impedanzen von Batterie, Kabelbaum und so weiter – zum Auslösen bringt und dadurch den unkontrollierten Stromflusses komplett unterbricht.
Der Transistor kann als N-Kanal MOSFET, als 2-Kanal MOSFET Transistor oder als Bipolar-Transistor ausgebildet sein. Für niedrige Batteriespannungen, beispielsweise bis 48 V werden in der Regel MOSFET Transistoren benutzt, da sie einen hohen Stromfluss bereitstellen und gleichzeitig der Gatestrom nahezu Null ist. Bei Hybridfahrzeugen mit 400 V Batteriespannung werden auch IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistoren) verwendet.
Der Transistor 6 kann ein einzelner Transistor oder als eine Parallel- oder Serienschaltung von Transistoren ausgebildet sein.
Die Ansteuerung des Transistors 6 wird so gestaltet, dass das Anlegen oder Abklemmen der Batteriespannung nicht zu einer Aktivierung des Transistors 6 führt.
Der Transistor 6 wird von der Stromtragfähigkeit und von der thermischen Belastung so ausgelegt, dass immer die Sicherung zuerst auslöst, bevor eine andere Komponente geschädigt wird, speziell auch dann wenn die Batteriespannung und damit auch der Kurzschlussstrom sinkt und die Auslösezeit sehr lange ist.
Der Transistor 6 wird so ausgelegt, dass mindestens einmal oder mehrmals eine Sicherung abgeschaltet werden kann.
In weiteren Ausführungsformen kann es sich bei der ECU 4 um eine andere ECU wie zum Beispiel um eine ECU für eine Türschließautomatikhandeln. Insbesondere ist die Vorrichtung geeignet für nicht geschaltete Zuleitungen, da diesen üblicherweise ein Schalter zwischen der Sicherung und einem Spannungsversorgungseingang des Verbrauchers fehlt.
In den in Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Transistor 6 innerhalb der ECU 4, d. h. in einem gemeinsamen Gehäuse, vorgesehen. Damit wird beim Einbau der ECU 4 im Fahrzeug gleichzeitig die Sicherungsabschaltung mit eingebaut. In anderen Ausführungsformen kann der Transistor 6 aber auch außerhalb der ECU 4 vorgesehen werden.
In weiteren Ausführungsformen kann anstelle einer Schmelzsicherung eine andere Art der Überstromschutzvorrichtung, beispielsweise eine elektronische Sicherung eingesetzt werden.
3 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Sicherungsabschaltung durch einen Kurzschlussschalter in einem Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem p-Kanal MOSFET als Klemmschaltungs-Transistor, womit sich die Polung umdreht.
4 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Sicherungsabschaltung durch einen Kurzschlussschalter in einem Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) als Klemmschaltungs-Transistor. Ein solcher ist besonders für Hybridfahrzeuge geeignet, deren Batteriespannungen bei etwa 400 V liegen.
5 zeigt eine Fahrzeugspannungsversorgung mit einer Fahrzeugbatterie 2, zwei Spannungsversorgungsanschlüssen 41 und 42 für einen Verbraucher 72 und einer Sicherung 3 in einem Pfad zwischen der Fahrzeugbatterie 2 und dem Spannungsversorgungsanschluss 41. Die Fahrzeugspannungsversorgung enthält zudem einen Klemmschaltung-Transistor 6, der zum Erzeugen eines Strompfads zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen 41 und 42 des Verbrauchers zum Aktivieren der Sicherung schaltbar ist. Ein Energiespeicher 71 ist zum Speichern der Energie, die zum Ansteuern des Klemmschaltungs-Transistors beim Erzeugen des Strompfades benötigt wird, eingerichtet. Eine Aufladeschaltung 70 dient zum Aufladen des Energiespeichers zumindest während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Strompfad erzeugt.
Obwohl die Implementierungen für Strukturmerkmale und/oder Verfahrensschritte in spezifischer Sprache beschrieben wurden, sind die Ansprüche nicht unbedingt auf die beschriebenen spezifischen Merkmale oder Schritte beschränkt. Stattdessen werden die spezifischen Merkmale und Schritte als Anschauungsformen zur Implementierung des in der Offenbarung beschriebenen Gegenstands offenbart.

Claims

Fahrzeugspannungsversorgung, enthaltend: – eine Fahrzeugbatterie, – zwei Spannungsversorgungsanschlüsse für einen Verbraucher, – eine Sicherung in einem Pfad zwischen der Fahrzeugbatterie und einem der Spannungsversorgungsanschlüsse des Verbrauchers, – einen Klemmschaltung-Transistor, der zum Erzeugen eines Strompfads zwischen den Spannungsversorgungsanschlüssen des Verbrauchers zum Aktivieren der Sicherung schaltbar ist, – ein Energiespeicher zum Speichern der Energie, die zum Ansteuern des Klemmschaltungs-Transistors beim Erzeugen des Strompfades benötigt wird, – eine Aufladeschaltung zum Aufladen des Energiespeichers zumindest während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Strompfad erzeugt.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern des Klemmschaltung-Transistors beim Erzeugen des Strompfades in Abhängigkeit einer von einem Temperatursensor erfassten Temperatur erfolgt.
Fahrzeugspannungsversorgung nach Anspruch 2, wobei der Klemmschaltungs-Transistor zum Erzeugen des Strompfades angesteuert wird, falls ein Anstieg der Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Klemmschaltungs-Transistor zum Erzeugen des Strompfades angesteuert wird, falls die Funktionsfähigkeit des Verbrauchers nicht gesichert ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach Anspruch 4, bei der der Klemmschaltungs-Transistor zum Erzeugen des Strompfades im Fall, dass an einem Steueranschluss eines Transistor des Verbrauchers ein Potential anliegt, das innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, angesteuert wird.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Klemmschaltungs-Transistor zum Erzeugen des Strompfades angesteuert wird, falls die Stromaufnahme oder die Leistungsaufnahme des Verbrauchers einen vorbestimmten Wert überschreitet oder außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Klemmschaltungs-Transistor als Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Energiespeicher einen Super-Kondensator enthält.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen des Strompfades durch ein elektrisches Signal auslösbar ist, das aktiv getrieben werden muss.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufladeschaltung eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode enthält.
Fahrzeugspannungsversorgung nach Anspruch 10, wobei die Reihenschaltung über einen der Spannungsversorgungsanschlüsse gespeist wird.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Klemmschaltungs-Transistor eine Vorspannungsschaltung zum Ansteuern des Potentials des Steueranschlusses des Klemmschaltungs-Transistors während der Zeit, in der der Klemmschaltungs-Transistor keinen Strompfad erzeugt, vorgesehen ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klemmschaltungs-Transistor als IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Diode vorgesehen ist, die invers zur Laststrecke des Klemmschaltungs-Transistors geschaltet ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klemmschaltungs-Transistor weiterhin zum Erzeugen des Strompfades angesteuert wird, falls an die Spannungsversorgungsanschlüsse eine Spannungsversorgung verpolt angeschlossen ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klemmschaltungs-Transistor zusammen mit dem Verbraucher in einem Gehäuse vorgesehen ist.
Fahrzeugspannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klemmschaltungs-Transistor als MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet ist.