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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Umschaltvorrichtung für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie von einem Verfahren zum Ansteuern eines Relais in einem Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 4.
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Zur Umschaltung zwischen zwei Betriebszuständen werden in Fahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen häufig Relais eingesetzt. Bei der Umschaltung können den Fahrer störende akustische Geräusche (Klicken) auftreten. Eine primäre Geräuschquelle ist die Fläche zwischen einem Anker und einem Elektromagnet. Beim Schalten schlägt der Anker auf dem Elektromagnet auf. Eine sekundäre Geräuschquelle ist beispielsweise ein nicht zur Stromführung benutzter normaler Weise offener Kontakt. Sekundäre Geräusche entstehen beim ersten Aufschlag des Kontaktes und auch während eines Prellvorgangs. Der Erregerstrom des Relais hängt von der angelegten Spannung und vom Spulenwiderstand ab. Das Relais benötigt einen minimalen Anzugsstrom, um Einschalten zu können. Wenn der Erregerstrom über diesen minimalen Anzugsstrom hinaus weiter erhöht wird, wird der Anker über ein notwendiges Maß beschleunigt. Dadurch erhöht sich das Geräusch beim Aufschlagen auf den Magneten und die Länge des Prellvorgangs am normalerweise offenen Kontakt dehnt sich aus.
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In der
WO 2007/016896 A2 wird beispielsweise ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens einem Relais in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Das mindestens eine Relais wird in einer Anziehphase mit einem erhöhten Erregerstromwert angesteuert. In einer Haltephase wird der zugehörige Strom im Erregerstromkreis auf einen niedrigeren Wert reduziert, wobei der reduzierte Stromwert ausreicht, um im Arbeitskreis den Schaltkontakt sicher geschlossen zu halten. Zum Ausgleich von Bordnetzschwankungen wird der Strom im Erregerstromkreis in der Anziehphase und in der Haltephase durch die Steuereinheit in Abhängigkeit der Bordnetzspannung auf den jeweiligen erforderlichen Wert geregelt. Das Relais wird zunächst mit einem möglichst hohen Strom angesteuert, damit das Relais möglichst schnell anzieht. Sobald das Anziehen des Relais erfolgt ist, wird über eine Mikrocomputereinheit die Spannungsversorgung des Relais auf ein Minimum reduziert, um den Kontakt im Arbeitskreis zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zum Ansteuern eines Relais in einem Fahrzeug haben demgegenüber den Vorteil, dass die Erregerspule des Relais mit einem Erregerstrom versorgt wird, dessen Wert einem Vorspannstromwert entspricht, welcher nicht ausreichend ist, um ein Anziehen des Relais zu ermöglichen, welcher die Erregerspule jedoch auf einen bestimmten Energielevel auflädt. Ausgehend von diesem Energielevel kann die Verlängerung der Schaltzeit, welche für eine leise Ansteuerung erforderlich ist, in vorteilhafter Weise reduziert im Optimalfall sogar vollständig eliminiert werden. Der angelegte Erregerstrom mit dem Vorspannstromwert in Kombination mit der Stromprofilansteuerung kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig als Schaltzeitoptimierung und Geräuschreduzierung verwendet werden.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung sind beim Schaltvorgang leise und die Schaltzeiten sind über das angelegte Stromprofil optimierbar. Somit ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eine Geräuschreduzierung an der primären Geräuschquelle, wie beispielsweise am Anker und am Magnet. Zudem ist die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung mit Standardkomponenten realisierbar und ermöglicht aufgrund des verkürzten Prellvorgangs auch eine Geräuschreduzierung an der sekundären Geräuschquelle.
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Des Weiteren können durch die direkte Erregerstromansteuerung des Relais über die einstellbare Stromquelle in vorteilhafter Weise der Einfluss der Versorgungsspannung und damit die Lautstärkenerhöhung der Schaltgeräusche bei höheren Spannungen reduziert und im Idealfall sogar nahezu vollständig eliminiert werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Umschaltvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Relais, welches eine Erregerspule und mindestens ein Schaltelement umfasst, und einer Steuereinheit zur Verfügung, welche zur Vorgabe eines veränderbaren Erregerstroms für das Relais eine einstellbare Stromquelle umfasst. Erfindungsgemäß erzeugt die Steuereinheit vor dem Aktivieren des Relais den Erregerstrom über die einstellbare Stromquelle mit einem Vorspannstromwert, welcher kleiner als ein minimaler Anzugsstromwert des Relais ist. Zum Aktivieren des Relais erzeugt die Steuereinheit den Erregerstrom über die einstellbare Stromquelle ausgehend vom Vorspannstromwert mit einem vorgegebenen Stromprofil.
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Zudem wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Relais in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei über eine einstellbare Stromquelle ein veränderbarer Erregerstrom für das Relais vorgegeben wird. Erfindungsgemäß wird das Relais vor einer Aktivierung über die einstellbare Stromquelle mit einem Erregerstrom versorgt, welcher einen Vorspannstromwert aufweist, welcher kleiner als ein minimaler Anzugsstromwert des Relais ist. Das Relais wird zur Aktivierung über die einstellbare Stromquelle ausgehend vom Vorspannstromwert mit einem Erregerstrom versorgt, dessen Verlauf einem vorgegebenen Stromprofil entspricht.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise in einem Fahrzeug zur Umschaltung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zwischen zwei Betriebszuständen eingesetzt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Umschaltvorrichtung für ein Fahrzeug und des im unabhängigen Patentanspruch 4 angegebenen Verfahrens zum Ansteuern eines Relais in einem Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Steuereinheit nach der Aktivierung des Relais den Erregerstrom mit einem Haltestromwert erzeugt, welcher größer als der minimale Anzugsstrom des Relais ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass das Relais bei optimiertem Energieverbrauch angezogen bzw. aktiviert und ein korrespondierender Laststromkreis über das mindestens eine Schaltelement geschlossen bleibt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinheit eine Auswerte- und Steuerschaltung, welche mindestens ein Ansteuersignal für die einstellbare Stromquelle erzeugt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung.
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2 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Erregerkreises der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung aus 1.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Kennlinienverlaufs der Schaltzeit einer Umschaltvorrichtung in Abhängigkeit vom Erregerstrom.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Kennlinienverlaufs des Erregerstroms bei der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung gemäß 1 und 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1 für ein Fahrzeug ein Relais 10, welches eine Erregerspule 12 und mindestens einen Schaltelement 14 aufweist, und eine Steuereinheit 20, welche zur Vorgabe eines veränderbaren Erregerstrom IE für das Relais 10 eine einstellbare Stromquelle 22 umfasst. Erfindungsgemäß erzeugt die Steuereinheit 20 vor dem Aktivieren des Relais 10 den Erregerstrom IE über die einstellbare Stromquelle 22 mit einem Vorspannstromwert, welcher kleiner als ein minimaler Anzugsstromwert Imin des Relais 10 ist. Ausgehend vom Vorspannstromwert erzeugt die Steuereinheit 20 zum Aktivieren des Relais 10 den Erregerstrom IE über die einstellbare Stromquelle 22 mit einem vorgegebenen Stromprofil. Nach der Aktivierung des Relais 10 erzeugt die Steuereinheit 20 den Erregerstrom IE mit einem Haltestromwert, welcher größer als der minimale Anzugsstromwert Imin des Relais 10 ist. Zur Erzeugung des Erregerstroms IE umfasst die Steuereinheit 20 eine Auswerte- und Steuerschaltung 24, welche mindestens ein Ansteuersignal SSteuer für die einstellbare Stromquelle 22 erzeugt.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, stellt das mindestens eine Schaltelement 14 im dargestellten Ausführungsbeispiel im unbestromten Zustand der Erregerspule 12 eine elektrische Verbindung im korrespondierenden Lastkreis zwischen den Kontaktklemmen K1 bzw. K2 und den Kontaktklemmen K5 bzw. K8 her. Im bestromten Zustand der Erregerspule 12 stellt das mindestens eine Schaltelement 14 eine elektrische Verbindung im korrespondierenden Lastkreis zwischen den Kontaktklemmen K1 bzw. K2 und den Kontaktklemmen K6 bzw. K7 her.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1 für ein Fahrzeug können beispielsweise in einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC/DC Wandler) zur Umschaltung zwischen zwei Betriebszuständen eingesetzt werden. Hierbei erfolgt eine erste Umschaltung (Öffnen des Kontakts) bei stehendem Motor, eine zweite Umschaltung (Schließen des Kontakts) erfolgt normalerweise bei laufendem Motor. Bei herkömmlichen DC/DC Wandlern können während des Umschaltvorgangs für den Fahrer störende akustische Geräusche (Klicken) auftreten. Für die Umschaltung wird normalerweise eine Spannung zwischen den Kontaktklemmen K3 und K4 verwendet. Das Relais 10 der Umschaltvorrichtung 1 ist in einem breiten Versorgungsspannungsbereich von ca. 9 bis 16 V einsetzbar.
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Die primäre Geräuschquelle ist die Fläche zwischen einem Anker und einem korrespondierenden Elektromagneten, welcher zur Erzeugung eines Magnetfelds bestromt wird und den Anker zum Umschalten des mindestens einen Schaltelements 14 anzieht. Beim Schalten schlägt der Anker auf dem Elektromagnet auf. Eine sekundäre Geräuschquelle ist ein nicht zur Stromführung benutzter Kontakt, welcher mit den Kontaktklemmen K6 bzw. K7 verbunden und normalerweise, d.h. im unbestromten Zustand geöffnet ist. Die sekundären Geräusche entstehen beim ersten Aufschlag des mindestens einen Schaltelements 14 und auch während des Prellvorgangs.
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In 2 wird die Erregerspule 12 durch einen korrespondierenden ohmschen Widerstand RCoil der Spulenwicklung und eine korrespondierende Induktivität LCoil der Spulenwicklung repräsentiert. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, hängt der Betriebsstrom bzw. Erregerstrom IE des Relais 10 von der angelegten Spannung UBat und vom ohmeschen Widerstand RCoil der Erregerspule 12 ab. Das Relais 10 benötigt einen minimalen Anzugsstromwert Imin, um Einschalten zu können. Wenn der Betriebsstrom bzw. Erregerstrom IE über diesen Anzugsstromwert Imin hinaus weiter erhöht wird, wird der Anker über das notwendige Maß beschleunigt. Dadurch erhöht sich das Geräusch beim Aufschlagen auf den Elektromagneten und die Länge des Prellvorgangs am normalerweise offenen Kontakt dehnt sich aus. Daher wird das Relais 10 der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1 anstatt mit einem Spannungssignal direkt mit einem Strombzw. einem Stromprofil angesteuert, welches von der einstellbaren Stromquelle 22 erzeugt wird. Damit kann der Einfluss der Versorgungsspannung UBat und damit die Lautstärkenerhöhung bei höheren Spannungen reduziert werden.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, ergibt sich bei der direkten Stromansteuerung des Relais 10 das Problem, dass im Betriebsbereich zwischen dem minimalen Erregerstromwert Imin und einem nominalen Erregerstromwert Inom die Schaltzeit ts stark stromabhängig ist. Das bedeutet, je niedriger der Erregerstrom IE ist, desto langsamer schaltet das Relais 10 um.
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Um das Problem der langsamen Umschaltzeit zu umgehen und trotzdem einen leisen Schaltvorgang zu ermöglichen, wird das Relais 10, wie aus 4 ersichtlich ist, ab einem ersten Zeitpunkt tVor vor einer Aktivierung zu einem Einschaltzeitpunkt tein über die einstellbare Stromquelle 22 mit einem Erregerstrom IE versorgt, welcher einen Vorspannstromwert aufweist, welcher kleiner als der minimaler Anzugsstromwert Imin des Relais 10 ist. Zur Aktivierung über die einstellbare Stromquelle 22 wird das Relais 10 zum Einschaltzeitpunkt tein ausgehend vom Vorspannstromwert mit einem Erregerstrom IE versorgt, dessen Verlauf einem vorgegebenen Stromprofil entspricht. Der Vorspannstromwert versorgt die Erregerspule 12 des Relais 10 mit einem Erregerstrom IE, dessen Wert nicht ausreichend ist, um ein Anziehen des Relais 10 zu ermöglichen. Der Vorspannstromwert lädt die Erregerspule 12 jedoch auf einen bestimmten Energielevel auf. Ausgehend von diesem Energielevel kann die Verlängerung der Schaltzeit ts, welche für ein leise Ansteuerung erforderlich ist, in vorteilhafter Weise reduziert im Optimalfall sogar vollständig eliminiert werden. Der angelegte Erregerstrom IE mit dem Vorspannstromwert in Kombination mit der Stromprofilansteuerung zwischen dem Einschaltzeitpunkt tein und einem Haltezeitpunkt tHalte kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig als Schaltzeitoptimierung und Geräuschreduzierung verwendet werden. Anstiegs- und Abfallzeiten sowie der Verlauf des Stromprofils können an verschiedene Applikationen und Anwendungsfälle angepasst werden. Nach erfolgter Aktivierung wird das Relais 10 ab dem Haltezeitpunkt tHalte über die einstellbare Stromquelle 22 mit einem Erregerstrom IE versorgt, welcher einem Haltestromwert entspricht, welcher größer als der minimale Anzugsstromwert Imin des Relais 10 ist. Der Haltestromwert ist so gewählt, dass die Aktivierung des Relais 10 bis zu einem Ausschaltzeitpunkt taus gewährleistet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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