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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Bordnetz, welches eine Bordspannungssteckdose umfasst, an die ein externer elektrischer Verbraucher anschließbar ist.
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Gewöhnlich werden Bordspannungssteckdosen als Zigarettenanzünder bezeichnet. Der Begriff des Zigarettenanzünders ist insoweit irreführend, als dass der eigentliche Zigarettenanzünder als ein Stecker für eine Buchse ausgeführt ist, wobei unter dem Begriff des Anzünders häufig die Buchse und nicht der eigentliche Anzünder betrachtet wird.
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Im Folgenden wird die Buchse des Zigarettenanzünders als Bordspannungssteckdose (BSSD) bezeichnet. Dies ist ein geeigneter Begriff, da der eigentliche Zigarettenanzünder von dem Nutzer der BSSD entfernt wird, um diesen durch einen Stecker eines externen, elektrischen Verbrauchers, z. B. durch den Stecker eines Handventilators oder eines mobilen Navigationsgerätes zu ersetzen.
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Die Schrift
DE 199 36 701 A1 beschreibt ein Verfahren zum kontrollierten Betrieb einer Sicherung, die einen Überstrom eines elektrischen Verbrauchers in einem Fahrzeug sichert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem Bordnetz, welches eine Bordspannungssteckdose umfasst, an die ein externer, elektrischer Verbraucher anschließbar ist, zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeug eine Steckdosenleitung, welche der Bordspannungssteckdose zur elektrischen Versorgung zugeordnet ist und welche ein Schaltelement aufweist, wobei das Fahrzeug eine Steuereinheit umfasst, welche das Schaltelement in Abhängigkeit von einem Spannungsvergleicher schaltet und/oder das Schaltelement in Abhängigkeit von einem Grenzwertvergleicher schaltet.
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Das Schaltelement und die Steuereinheit dienen als eine reversible elektrische Sicherung der Steckdosenleitung. Dies ist gegenüber einer irreversiblen Schmelzsicherung vorteilhaft. Die elektrische Sicherung der Steckdosenleitung ist insbesondere wichtig, da ein beliebiger externer Verbraucher ein mit der elektrischen Auslegung des Fahrzeugs in Bezug auf die Stromtragfähigkeit und die Spannungsstabilität möglicherweise unverträgliches Verhalten zeigt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verbindet die Steckdosenleitung die Bordspannungssteckdose mit einem Leistungsausgang einer Spannungsquelle des Bordnetzes elektrisch und der Spannungsvergleicher ermittelt bei einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher die Spannungsdifferenz an dem Leistungsausgang und an der Bordspannungssteckdose.
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Der Spannungsvergleicher detektiert also das Maß des Spannungsabfalls an der Steckdosenleitung infolge einer elektrischen Last (z. B. in Form des elektrischen Verbrauchers).
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Grenzwertvergleicher bei einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher die Spannung an dem Leistungsausgang mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht.
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Der Grenzwertvergleicher ermittelt den Spannungsabfall an der Spannungsquelle infolge der Aufnahme der elektrischen Leistung durch den externen elektrischen Verbraucher.
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Bevorzugt ist das Schaltelement als Öffner ausgeführt, der von der Steuereinheit betätigt wird, wenn die ermittelte Potentialdifferenz einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
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Die elektrische Versorgung des externen Verbrauchers wird demnach unterbrochen, wenn der Spannungsabfall an der Steckdosenleitung einen Grenzwert überschreitet. Dies kann auf eine zu hohe Stromaufnahme des Verbrauchers hindeuten. Somit wird die Steckdosenleitung vor einer Überhitzung geschützt.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung betätigt die Steuereinheit das Schaltelement bei einer Unterschreitung des vorgegebenen Grenzwerts durch die Spannung an dem Leistungsausgang.
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Dadurch ist gewährleistet, dass eine Mindestspannung im Bordnetz, die durch den Grenzwert gegeben ist, durch das Betreiben des externen Verbrauchers nicht sichergestellt ist. Falls die Spannung nicht stabil aufrechterhaltbar ist, kommt es zur Unterbrechung der Spannungsversorgung des externen elektrischen Verbrauchers.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein Generator und/oder eine Batterie die Spannungsquelle des Fahrzeugs bilden, der Spannungsquelle ein Stromverteiler zugeordnet ist und der Stromverteiler die Steuereinheit umfasst.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
An einen Zigarettenanzünder in einem Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik kann ein Fahrzeugnutzer einen elektrischen Verbraucher anschließen, z. B. ein mobiles Navigationsgerät. Der elektrische Verbraucher ist hinsichtlich seiner Leistungswerte willkürlich wählbar. Zum Schutz der potentialführenden Leitung umfasst diese eine Schmelzsicherung.
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Es wird eine verbesserte Lösung vorgeschlagen, die einerseits die potentialführende Leitung vor einer Überlast und die Batterie vor einer Überentladung schützt und zur Stabilisierung des elektrischen Fahrzeugbordnetzes beiträgt.
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Die Lösung umfasst eine logische, komparative Schaltung, die während der Nutzung des Zigarettenanzünders die Bordnetzspannungslage am Zigarettenanzünder und den Spannungsabfall an der Zuleitung des Zigarettenanzünders überwacht. Bei einer kritischen Spannungslage oder bei einem kritischen Spannungsabfall wird ein Schaltelement in der Zuleitung geöffnet und es wird der Fluss elektrischer Leistung unterbrochen.
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Der Schalter wird bei unkritischer Spannungslage und bei unkritischem Spannungsabfall geschlossen.
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Auf diese Weise wird auf die Integration einer irreversibel arbeitenden Sicherung verzichtet. Neben dem Funktionsumfang der Sicherung, d. h. dem Überstromschutz, wird auch ohne einen Batteriesensor der Erhalt einer Mindestspannung und Stabilität im Bordnetz sichergestellt.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen beschreiben gleiche technische Merkmale. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 Schema einer Schutzschaltung für eine Bordspannungssteckdose
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2 Ausführungsform einer Schutzschaltung mit zwei Microcontrollern
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3 Ausführungsform einer Schutzschaltung mit einem Microcontrollern und einer Freilaufdiode
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4 Ausführungsform einer Schutzschaltung mit Operationsverstärkern
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1 zeigt einen schematischen Ausschnitt eines Bordnetzes eines Fahrzeugs bei einer beispielhaften Nennspannungslage von 14 Volt. Das Bordnetz umfasst eine Spannungsquelle (1). Die Spannungsquelle weist einen Leistungsausgang (2) auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Leistungsausgang als eine Klemme eines Vorstromvorteilers einer Bordnetzbatterie ausgeführt sein, d. h. die Spannungsquelle umfasst in diesem Fall die Bordnetzbatterie und den Vorstromverteiler. Das Potential des Leistungsausgangs liegt auf dem Potential der dem Fachmann bekannten Klemme 30, d. h. auf dem positiven Potential der Batterie oder auf dem positiven Potential eines Ausgangs eines Fahrzeuggenerators.
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Das Fahrzeug umfasst zudem eine Bordspannungssteckdose (3, BSSD. Diese ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Buchse eines Zigarettenanzünders ausgeführt und ermöglicht dem Fahrzeugnutzer, einen fahrzeugexternen Verbraucher (5) wie ein mobiles Navigationsgerät, etc. in Form eines Steckers an die BSSD anzuschließen, um eine elektrische Energieversorgung des Verbrauchers sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist eine Stecker-Buchse-Verbindung mit Hilfe von zwei elektrischen Kontakten herzustellen.
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Die BSSD ist über eine Steckdosenleitung (4) an den Leistungsausgang angebunden. Ferner verfügt die BSSD über eine Masseleitung (8), welche die BSSD elektrisch mit einem Massebezugspunkt im Fahrzeug, z. B. einem Massebolzen verbindet.
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Die herzustellende Stecker-Buchse-Verbindung ist auf alternative Weisen ausführbar. Zum Beispiel kann der potentialführende Buchsenkontakt (7a) der BSSD und der potentialführende Steckerkontakt (7b) des Verbrauchers als Stift-Feder-Kontakt bzw. der masseführende Buchsenkontakt (6a) und der masseführende Steckerkontakt (6b) als Ring-Feder-Kontakt ausgeführt sein.
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In der Steckdosenleitung ist ein Schaltelement (9) befindlich. Das Schaltelement kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Öffner oder als Schließer fungieren. In diesem Ausführungsbeispiel dient das Schaltelement als Öffner. Durch das Schaltelement ist also die leitende Verbindung zwischen dem Leistungsausgang und der BSSD unterbrechbar. Ein einem Default-Zustand ist das Schaltelement geschlossen und stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungsausgang und der BSSD her.
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Das Schaltelement ist als monostabiles Relais, bistabiles Relais oder als ein Halbleiterschalter, z. B. als MOSFET, ausgeführt.
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Die Steuerung des Schaltelements erfolgt durch eine Steuereinheit (10). In Wechselwirkung mit zwei weiteren Einheiten, einem Spannungsvergleicher (11), der auch als Komparator bezeichnet wird, und einem Schwellwertmesser (12) dient die Steuereinheit zur Leistungs- und Spannungsüberwachung an der BSSD.
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In 1 sind Messleitungen oder Signalleitungen in gepunkteter Darstellung gezeigt. Leitungen für den Fluss von elektrischer Leistung sind in durchgezogener Darstellung gezeigt.
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Der Komparator ermittelt die Spannungslage am Leistungsausgang sowie die Spannungslage am potentialführenden Buchsenkontakt. Falls die Differenzspannung zwischen Leistungsausgang und potentialführendem Buchsenkontakt einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet, gibt der Komparator ein Signal an die Steuereinheit aus. Dieses Signal wird als Komparatorsignal bezeichnet.
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Der Schwellwertmesser ermittelt die Spannungslage am potentialführenden Buchsenkontakt. Falls die Spannung einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, gibt der Schwellwertmesser ein Signal an die Steuereinheit aus. Dieses Signal wird als Schwellwertsignal bezeichnet.
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Falls an der Steuereinheit zu einem Zeitpunkt das Komparatorsignal und das Schwellwertsignal anliegen, hält die Steuereinheit das Schaltelement geschlossen, d. h. ermöglicht den Leistungsfluss von der Spannungsquelle zur BSSD. Andernfalls öffnet die Steuereinheit das Schaltelement und unterbricht den Leistungsfluss.
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Durch den Grenzwert ist die Höhe des maximalen Spannungsabfalls über der Steckdosenleitung vorgebbar. Beispielhaft kann bei einer BSSD mit einer Nennleistung von 200 Watt und bei einem maximal zulässigen Strom von 16 Ampere ein Grenzwert von 1 Volt angegeben werden. Auf diese Weise kann bei einem bestimmten Leitungswiderstand der Steckdosenleitung implizit der maximal über die Steckdosenleitung fließende Strom des Verbrauchers vorgegeben werden. Auf diese Weise fungiert der Komparator in Wechselwirkung mit der Steuereinheit als schaltbare Leitungssicherung der Steckdosenleitung vor einer zu hohen Stromdichte und damit vor einer Erwärmung.
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Durch den Schwellwert ist eine Mindestspannung an dem potentialführenden Kontakt der BSSD selbst unter Last durch den Verbraucher einstellbar. Dadurch ist sichergestellt, dass die Bordnetzspannung den Schwellwert nicht unterschreitet, um das Bordnetz bei einer stabilen Spannungslage zu halten.
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Falls zu einem Zeitpunkt, der auf den Zeitpunkt folgt, zu dem nicht beide Signale an der Steuereinheit anlagen, beide Signal an der Steuereinheit anliegen, schließt die Steuereinheit den Öffner.
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Gegenüber einer einfachen Schmelzsicherung am Leistungsausgang hat die Überwachungsschaltung mehrere Vorteile. Zum einen ist die Unterbrechung der Steckdosenleitung reversibel. Zum anderen ist neben einem Überstromschutz ein Unterspannungsschutz im Bordnetz umsetzbar.
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2 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der in 1 schematisch dargestellten Überwachungsschaltung, welche auf einer Verwendung von Microcontrollern beruht. Eine Spannungsquelle (1') umfasst einen ersten Microcontroller (11'), der über eine Datenleitung, z. B. über eine Kommunikationsleitung eines Fahrzeugdatenbusses wie etwa einen LIN-Bus Informationen mit einem zweiten Microcontroller (10', 12') austauscht. Der erste Microcontroller führt die Funktion des Spannungsvergleichers aus, der zweite Microcontroller vereint die Funktionalitäten der Steuereinheit und des Schwellwertmessers. Das Schaltelement ist als Relais (9') ausgeführt. Die Spannungsmessung erfolgt zeitdiskret mit einer vorgebbaren Wiederholrate durch den ersten Microcontroller direkt am Leistungsausgang (2) und durch den zweiten Microcontroller am potentialführenden Buchsenkontakt (7a). Zum Schalten des Relais bestromt der zweite Microcontroller die Spule des öffnenden Relais.
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Eine weitere konkrete Ausgestaltung der Überwachungsschaltung zeigt 3. Dabei weist eine Spannungsquelle (1'') einen Microcontroller (10'', 11'', 12'') auf, der die Funktion der Steuereinheit, des Spannungsvergleichers und des Schwellwertmessers vereint. Zu diesem Zweck erfolgt die Spannungsmessung zeitdiskret mit einer vorgebbaren Wiederholrate direkt am Leistungsausgang (2) und am potentialführenden Buchsenkontakt (7a). Zum Schalten des Relais kann die Spule über den Leistungsausgang bestromt werden. Der Spule ist hierzu eine Freilaufdiode (13) parallel geschaltet. – Der Microcontroller senkt zum Schalten des Relais das Potential ab. – Die Freilaufdiode dient dabei als Überspannungsschutz, die beim Schalten von induktiven Gleichspannungslasten auftritt.
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4 zeigt eine nächste Ausgestaltung der Überwachungsschaltung. In dieser Ausführungsform verfügt die Spannungsquelle (11 über den Leistungsausgang (2) und einen Spannungsabgriff am Leistungsausgang für eine Operationsverstärkerschaltung (10''', 11''', 12'''). Die Operationsverstärkerschaltung schaltet das Relais (9''), dessen Spule mit der Freilaufdiode (13) in Sperrrichtung parallel geschaltet ist. Die Operationsverstärkerschaltung besteht im Wesentlichen aus zwei Operationsverstärkern (14a, 15a) in der in der Prinzipschaltung gem. 4 gezeigten Polung. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker sind jeweils auf die Basis von zwei Transistoren (14b, 15b) geschaltet und fungieren als Ausgabe des Spannungsvergleichers bzw. Grenzwertvergleichers. Die Schaltung kombiniert den Aspekt der Abschaltung bei Unterspannung (Grenzwertvergleicher) durch den Operationsverstärker (15a) mit dem Aspekt der Abschaltung bei zu hoher Differenzspannung (Spannungsvergleicher) durch den Operationsverstärker (14a). Die den Operationsverstärkern vorgeschalteten Kapazitäten fungieren als Filter für hochfrequente Störungen. Aufgrund des Schaltungsaufbaus, dass beide Operationsverstärker mit den jeweiligen Transistoren in den Schaltstrang des Relais integriert sind, wird eine UND-Beziehung zwischen den Schaltstufen der beiden Operationsverstärker sichergestellt. Dies bedeutet, dass das Relais geschlossen ist, d. h. keiner der beiden Transistoren schaltet und ein Leistungsfluss über die Buchsenkontakte ist ermöglicht, solange die Differenzspannung zwischen den Potentialen (2) und (2a) einen vorgebbaren Schwellwert (von z. B. 1 Volt) unterschreitet und die absolute Spannung am potentialführenden Buchsenkontakt (7a) einen vorgebbaren Grenzwert (z. B. 11 Volt) überschreitet. Die Vorgabe eines bestimmten Schwellwerts bzw. Grenzwerts erfolgt über die Dimensionierung der Operationsverstärker (14a, 15a) bzw. über die den Operationsverstärkern parallel bzw. nach- bzw. vorgeschalteten Widerständen. Die Diode (16) dient dem Verpolschutz des Stecker-Buchse-Systems und ist optional. Die Spannungsmessung erfolgt gemäß der Ausführung in 4 kontinuierlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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