DE102015104275A1

DE102015104275A1 - Absicherungsvorrichtung und absicherungsverfahren für ein fahrzeug-bordnetz und damit ausgestattetes fahrzeug-bordnetz

Info

Publication number: DE102015104275A1
Application number: DE102015104275.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Immel; Anton BACHMEIER
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: DE102015104275B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Absicherungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug-Bordnetz. Die Absicherungsvorrichtung (1) weist einen Halbleiterschalter (4) auf, der in elektrischer Verbindung mit einer Spannungsquelle (2) des Fahrzeug-Bordnetzes und mit einem Verbraucher (3) des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist. Zudem ist eine Messeinrichtung (8) vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall (U_DS-On) an dem Halbleiterschalter (2) zu erfassen. Die Messeinrichtung (8) wird durch eine Konstantstromversorgungseinrichtung (18) versorgt. Zudem ist ein Komparator (13) vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des durch die Messeinrichtung (8) erfassten Spannungsabfalls (U_DS-On) eine Sperrbetätigung des Halbleiterschalters (2) zu veranlassen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überstromabsicherung und/oder Kurschlussabsicherung sowie entsprechend ausgestattetes Fahrzeug-Bordnetz.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absicherungsvorrichtung und ein Verfahren zur Überstromabsicherung und/oder Kurzschlussabsicherung eines Fahrzeug-Bordnetzes, insbesondere eines elektrischen Kraftfahrzeug-Bordnetzes. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug-Bordnetz mit einer solchen Absicherung.
Stand der Technik
Aus der Praxis sind Fahrzeug-Bordnetze bekannt, die dazu dienen, eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern beziehungsweise Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen. Zum Schalten dieser Lasten können beispielsweise Halbleiterschalter als so genannte High-Side-Schalter eingesetzt werden, die die jeweiligen Verbraucher wahlweise versorgen oder abschalten.
Des Weiteren ist aus der Praxis bekannt, dass in einem Fahrzeug-Bordnetz Überströme auftreten können, die beispielsweise durch eine Überlast oder einen elektrischen Kurzschluss verursacht werden. Bei den Kurzschlüssen können beispielsweise eine ungewünschte elektrische Verbindung zwischen einer Spannung führenden elektrischen Leitung und Masse oder eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen zwei Spannung führenden elektrischen Leitungen sporadisch oder dauerhaft sowie in unterschiedlicher Ausprägung auftreten. In jedem Fall ist es für die Funktionssicherheit eines Fahrzeugs erforderlich, das Fahrzeug-Bordnetz gegen Überströme und/oder Kurzschlüsse abzusichern.
In heutigen Fahrzeugen mit modernen Bordnetzen ist es daher üblich, einen elektrischen Strom für einen Verbraucher beziehungsweise eine Last zu erfassen beziehungsweise zu messen, um auf diese Weise Überströme erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Diese Stromerfassung erfolgt häufig durch eine so genannte Shunt-Strommessung, bei der ein Shunt als Messwiderstand in die zu messende Leitung eingebaut und der Strom dort indirekt als Spannungsabfall gemessen wird. Dieser Shunt ist häufig auf einer Platine beziehungsweise Leiterplatte angeordnet. Bei dieser Methode ist auf der so genannten High-Side häufig ein spezieller Baustein notwendig, nämlich ein so genannter High-Side-Shunt-Monotor. Diese sind meist als integrierte Schaltkreise ausgeführt und umfassen zwar zahlreiche Funktionen, sind aber einschränkend nur mit den (speziellen) Shunts anwendbar und sind dementsprechend kostenintensiv. Obwohl diese Methode zur Strommessung eine zuverlässige Erfassung des Stroms und eines eventuell auftretenden Überstroms gewährleistet, hat es sich gezeigt, dass dies mit vergleichsweise hohen (Bereitstellungs-)Kosten, zusätzlichen (Leistungs-)Verlusten innerhalb des Shunts und mit einem vergleichsweise hohen Bauvolumen auf der Platine verbunden ist. Es besteht daher der Wunsch nach einer kostengünstigeren und verlustärmeren Überstromerfassung.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Absicherungsmöglichkeit für ein Fahrzeug-Bordnetz zur Verfügung zu stellen, mit der unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine möglichst verlustarme und idealerweise vergleichsweise kostengünstige Absicherung eines Fahrzeug-Bordnetzes ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Absicherungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren angegeben.
Eine erfindungsgemäße Absicherungsvorrichtung weist einen Halbleiterschalter auf, der in elektrischer Verbindung mit einer Spannungsquelle des Fahrzeug-Bordnetzes, beispielsweise einer einzelnen oder mehreren Fahrzeugbatterien, und mit einem Verbraucher, das heißt einer Last des Fahrzeug-Bordnetzes, angeordnet ist. Beispielsweise kann der Halbleiterschalter in elektrischer Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Verbraucher des Fahrzeug-Bordnetzes oder alternativ dazu diesen auch vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Dabei kann der Halbleiterschalter beispielsweise als Feldeffekttransistor (kurz FET), vorzugsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (kurz MOSFET), besonders bevorzugt als n-Typ-MOSFET ausgebildet sein.
Des Weiteren verfügt die Absicherungsvorrichtung über eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall an dem Halbleiterschalter zu erfassen beziehungsweise zu messen. Bei beispielhafter Verwendung eines MOSFETs, insbesondere eines N-Kanal-MOSFETs als Halbleiterschalter, kann die Messeinrichtung dazu eingerichtet sein, einen Spannungsabfall an beziehungsweise über dem Drain-Source-Widerstand des MOSFETs, insbesondere im durchgeschalteten Zustand, zu erfassen beziehungsweise zu messen. Das heißt, dass sich der Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke erfassen beziehungsweise messen lässt. Eine Messeinrichtung im Sinne der Erfindung bedeutet nicht zwingend, dass die Messeinrichtung selbst ein bereits ausgewertetes Messergebnis liefert beziehungsweise ausgibt. Vielmehr kann die Messeinrichtung lediglich die eigentliche Messung durchführen, wobei die Auswertung dann in beispielsweise einer der Messeinrichtung nachgeschalteten Komponente erfolgt.
Zudem weist die Absicherungsvorrichtung eine Konstantstromversorgungseinrichtung für eine Versorgung der Messeinrichtung auf. Unter Konstantstromversorgung kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Konstantstromversorgungseinrichtung die Messeinrichtung mit einem elektrischen Strom versorgt beziehungsweise diesen dort einspeist, dessen Stromstärke innerhalb vergleichsweise geringer Toleranzen schwankt und somit im Wesentlichen konstant ist.
Außerdem verfügt die Absicherungsvorrichtung über einen Komparator, der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des durch die Messeinrichtung erfassten bzw. gemessenen Spannungsabfalls eine Sperrbetätigung des Halbleiterschalters zu veranlassen. Unter Sperrbetätigung kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass der Halbleiterschalter derart betätigt wird und in einen Schaltzustand versetzt wird, dass dieser die elektrische Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Verbrauch bzw. der Last des Fahrzeug-Bordnetzes sperrt.
Die erfindungsgemäße Absicherungsvorrichtung kann mit dieser Konfiguration den Vorteil erreichen, dass das Fahrzeug-Bordnetz oder zumindest ein Teil davon zuverlässig und vergleichsweise (zeitlich) zügig sowie einfach beziehungsweise kostengünstig gegen einen Überstrom und/oder einen Kurzschluss abgesichert werden kann. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Konfiguration möglich, dass ein vergleichsweise kostengünstiger Komparator eingesetzt werden kann. Denn durch die Konstantstromversorgung der Messeinrichtung kann das Spannungsniveau beziehungsweise die Spannungshöhe an den Eingängen des Komparators so weit abgesenkt werden, dass ein vergleichsweise kostengünstiger Komparator, beispielsweise ein Komparator ohne eine so genannte, kostenintensive Rail-to-Rail-Technologie an seinem Eingang, eingesetzt werden kann. Dadurch kann die erfindungsgemäße Absicherungsvorrichtung durch den konstanten Spannungsversatz an den Eingängen des Komparators zumindest weitgehend unabhängig von der Höhe der Spannung der Spannungsquelle beziehungsweise der Höhe der Batteriespannung sein.
Die erfindungsgemäße Absicherungsvorrichtung für das Fahrzeug-Bordnetz kann dabei insbesondere für eine Überstromabsicherung und/oder Kurzschlussabsicherung von wenigstens einer Komponente des Fahrzeug-Bordnetzes eingerichtet sein, insbesondere für die Absicherung einer einzelnen elektrischen (Verbraucher-)Leitung oder eines elektrischen Leitungsstrangs des Fahrzeug-Bordnetzes. Bei dem Fahrzeug-Bordnetz kann es sich um ein so genanntes intelligentes Bordnetz mit einem, zwei oder mehreren Stromverteilern handeln.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Messeinrichtung als Messbrückenschaltung ausgebildet ist, deren erster Zweig mit einem Drain-Anschluss des Halbleiterschalters und deren zweiter Zweig mit einem Source-Anschluss des Halbleiterschalters elektrisch verbunden ist. Funktional ermöglicht die Messbrückenschaltung eine zuverlässige Erfassung beziehungsweise Messung des Spannungsabfalls an der Drain-Source-Strecke des Halbleiterschalters. Eine solche Messbrückenschaltung lässt sich auf konstruktiv einfache Weise realisieren. Jeder der zwei Eingänge der Messbrückenschaltung, die an Drain bzw. Source angeschlossen sind, weist einen seriellen Widerstand auf, wobei der Widerstandswert des ersten Widerstands größer ist als der Widerstandswert des zweiten Widerstands. Die beiden Eingangswiderstände werden mit im Wesentlichen betragsmäßig gleichen Konstantströmen aus den Konstantstromquellen versorgt. Durch den ersten Widerstand und den zweiten Widerstand kann die Spannungshöhe beziehungsweise das Spannungsniveau an den Eingängen des Komparators (vor-)eingestellt werden. Durch die unterschiedliche Dimensionierung der beiden Eingangswiderstände kann zudem die Schaltschwelle des Komparators (vor-)eingestellt werden. Des Weiteren kann der Komparator direkt mit der Spannung der Spannungsquelle, beispielsweise mit der Batteriespannung betrieben werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Absicherungsvorrichtung sieht vor, dass die Konstantstromversorgungseinrichtung eine erste Konstantstromquelle und eine zweite Konstantstromquelle umfasst. Dadurch lässt sich eine konstruktiv besonders einfache Konstantstromversorgung der beiden Zweige der Messeinrichtung realisieren.
Zum Schutz der Konstantstromversorgungseinrichtung, insbesondere der beiden Konstantstromquellen, können Dioden als Schutzelemente beziehungsweise Schutzdioden vorgesehen sein, die dem Schutz der beiden Konstantstromquellen bei Schalten induktiver Lasten dienen. Hierzu kann für jede Konstantstromquelle jeweils eine (Schutz-)Diode vorgesehen sein, die in elektrischer Verbindung zwischen dem in Reihe geschalteten (seriellen) Eingangswiderstand der Messeinrichtung und der jeweiligen Konstantstromquelle angeordnet ist.
Hinsichtlich des konstruktiven Aufwands zur Realisierung der Absicherungsvorrichtung und deren Funktionssicherheit, insbesondere der zwei möglichst identischen Konstantstromquellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Konstantstromquelle und die zweite Konstantstromquelle jeweils einen Transistor umfassen beziehungsweise als Transistor ausgebildet sind.
Beispielsweise können die erste und die zweite Konstantstromquelle ein abgestimmtes Bipolartransistor-Paar umfassen, vorzugsweise ein npn-Bipolartransistor-Paar.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Konstantstromquelle und die zweite Konstantstromquelle zueinander identisch ausgebildet sind. Das heißt, dass beispielsweise zwei Transistoren gleichen Typs und gleicher Dimensionierung als zwei zueinander identische Konstantstromquellen zur Versorgung der Messeinrichtung eingesetzt werden können.
Alternativ dazu, ist es möglich, ein aufeinander abgestimmtes Stromquellen-Paar, insbesondere ein aufeinander abgestimmtes Transistor-Paar, vorzugsweise Bipolar-Transistor-Paar zu verwenden. Bei dieser alternativen Ausgestaltung müssen demnach keine identischen Transistoren verwendet werden, sondern es kann eine Abstimmung des Transistor-Paars vorgenommen werden.
Zur gegebenenfalls (vor-)einstellbaren und zuverlässigen Steuerung der Konstantstromversorgungseinrichtung ist es vorteilhaft, wenn für deren Steuerung eine Referenzspannungsquelle beziehungsweise eine Referenzspannung vorgesehen ist. Diese kann beispielsweise von einem Mikrocontroller oder einem anderen integrierten analogen Referenz-Schaltkreis zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise beim Einsatz eines Transistors als Konstantstromquelle lässt sich dieser durch eine Referenzspannung steuern.
Zur konstruktiv einfachen Einstellung eines Referenzstroms zur Steuerung der Konstantstromversorgungseinrichtung kann diese einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand (Emitter-Widerstände) zur Einstellung eines Referenzstroms aufweisen.
Das Fahrzeug-Bordnetz lässt sich besonders präzise und zuverlässig absichern, wenn die Absicherungsvorrichtung eine Temperaturausgleichseinrichtung aufweist. Damit lässt sich beispielsweise eine temperaturbedingte Veränderung beziehungsweise ein Temperaturdrift des Drain-Source-Widerstands des Halbleiterschalters innerhalb eines Toleranzbereichs ausgleichen beziehungsweise kompensieren.
Auf konstruktiv besonders einfache Weise lässt sich die Temperaturausgleichseinrichtung durch den Einsatz von vorzugsweisen npn-Bipolartransistoren als die Konstantstromquellen realisieren. Der Temperaturkoeffizient beziehungsweise Temperaturgang der Basis-Emitter-Dioden der beiden durch npn-Bipolartransistoren realisierten Konstantstromquellen ist negativ, wodurch die Basis-Emitter-Spannung mit steigender Temperatur näherungsweise linear abnimmt. Gleichermaßen nimmt der Referenzstrom der beiden Konstantstromquellen linear zu. Damit nimmt die Kippschwelle des Komparators mit steigender Temperatur näherungsweise linear zu. Da die Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters mit steigender Temperatur näherungsweise linear zunimmt, bleibt die Höhe des Abschaltstromes über der Temperatur näherungsweise konstant. Auf diese Weise wird eine konstruktiv einfach zu realisierende Temperaturausgleichseinrichtung ermöglicht. Idealerweise weisen die als Konstantstromquellen dienenden npn-Bipolartransistoren und der Leistungshalbleiter eine thermische Kopplung auf. Hierzu sind sie im Layout der Schaltung vorzugsweise nahe zueinander angeordnet.
Alternativ dazu kann die die Temperaturausgleichseinrichtung durch wenigstens eine Diode, vorzugsweise eine Halbleiterdiode realisiert werden, die der Konstantstromversorgungseinrichtung vorgeschaltet ist. Dabei kann die Diode beispielsweise zwischen der Referenzspannungsquelle und der Konstantstromversorgungseinrichtung angeordnet sein. Der Temperaturkoeffizient beziehungsweise Temperaturgang der als Diode(n) ausgebildeten Temperaturausgleichseinrichtung ist negativ, wodurch die Flussspannung der Diode(n) mit steigender Temperatur näherungsweise linear abnimmt. Gleichermaßen nimmt ein Referenzstrom der der Diode(n) vorgeschalteten Referenzspannungsquelle mit steigender Temperatur näherungsweise linear zu. Dagegen nimmt die Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters mit steigender Temperatur näherungsweise linear zu. Da die Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters mit steigender Temperatur näherungsweise linear zunimmt, bleibt die Höhe des Abschaltstromes über der Temperatur näherungsweise konstant.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Fahrzeug-Bordnetz oder einen Teil davon mit wenigstens einer Spannungsquelle, bei der es sich um eine oder mehrere Fahrzeugbatterien handeln kann, und mit wenigstens einem damit elektrisch verbundenen Verbraucher. Erfindungsgemäß weist das Fahrzeug-Bordnetz wenigstens eine Absicherungsvorrichtung zur Überstromabsicherung und/oder Kurzschlussabsicherung in einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungsvarianten auf.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überstromabsicherung und/oder Kurschlussabsicherung eines Fahrzeug-Bordnetzes oder eines Teils davon. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Erfassen eines Spannungsabfalls an einem Halbleiterschalter, der in elektrischer Verbindung mit einer Spannungsquelle des Fahrzeug-Bordnetzes und mit einem Verbraucher des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist, durch eine Messeinrichtung. Bei beispielhafter Verwendung eines MOSFET als der Halbleiterschalter wird mit der Messeinrichtung ein Spannungsabfall an beziehungsweise über dem Drain-Source-Widerstand des MOSFET erfasst beziehungsweise gemessen. Das heißt, dass der Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke erfasst beziehungsweise gemessen wird.
– Versorgen der Messeinrichtung durch eine Konstantstromversorgungseinrichtung. Optional kann ein Versorgen der Messeinrichtung durch eine erste Konstantstromquelle und eine zweite Konstantstromquelle als die Konstantstromversorgungseinrichtung vorgesehen sein. Weiter optional kann ein Versorgen der Messeinrichtung mit jeweils einem Transistor als die erste Konstantstromquelle und die zweite Konstantstromquelle vorgesehen sein. Zudem kann ein Versorgen der Messeinrichtung mit zwei identisch ausgebildeten Konstantstromquellen vorgesehen sein.
– Auswerten des durch die mit Konstantstrom versorgte Messeinrichtung erfassten beziehungsweise gemessenen Spannungsabfalls durch einen Komparator.
– Veranlassen einer Sperrbetätigung des Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der Auswertung durch den Komparator.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Schaltschwelle des Komparators durch zueinander unterschiedlich dimensionierte serielle Eingangswiderstände eingestellt wird. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht die Einstellung der Schaltschwelle des Komparators durch die Steuerspannung (Referenzspannung).
Vorteilhafterweise kann ein Temperaturausgleich durch eine Temperaturausgleichseinrichtung durchgeführt werden.
Zudem lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jede der vorstehenden Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Absicherungsvorrichtung einzeln oder in Kombination betreiben.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild mit dem Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Absicherungsvorrichtung, die einen Halbleiterschalter, eine Messeinrichtung, eine Konstantstromversorgungseinrichtung und einen Komparator aufweist,
2 das Grundprinzip der Absicherungsvorrichtung aus 1 in einem detaillierteren, schematisch dargestellten Schaltbild, ergänzt um einen Treiber zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, einen Mikrocontroller zur Steuerung und um ein Halteglied zur Auswertung des Ausgangssignals des Komparators, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
3 das Grundprinzip der Absicherungsvorrichtung aus 1 in einem detaillierteren, schematisch dargestellten Schaltbild, ergänzt um einen Treiber zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, einen Mikrocontroller zur Steuerung und um ein Halteglied zur Auswertung des Ausgangssignals des Komparators, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einem schematisch dargestellten Blockschaltbild das Grundprinzip einer Absicherungsvorrichtung 1. Diese dient der Überstromabsicherung und/oder Kurzschlussabsicherung eines Fahrzeug-Bordnetzes, beispielsweise dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, oder eines Nutzfahrzeugs beziehungsweise Lastkraftwagens.
Von dem Fahrzeug-Bordnetz ist hier nur der Teil dargestellt, der für die Erläuterung der Absicherungsvorrichtung 1 heranzuziehen ist, nämlich eine elektrische Spannungsquelle 2 und ein elektrischer Verbraucher 3 beziehungsweise eine elektrische Last. Diese sind durch elektrische Leitungen miteinander verbunden. Die Spannungsquelle 2 ist hier als Fahrzeugbatterie, insbesondere als 12V-Akkumulator ausgeführt, wobei das Fahrzeug-Bordnetz auch mehr als eine einzige Fahrzeugbatterie aufweisen kann. Zudem kann das Fahrzeug-Bordnetz auch für Lastkraftwagen und Nutzfahrzeuge mit 24V Bordspannung oder für Kraftfahrzeuge mit 48V Bordspannung ausgelegt sein. Bei dem Verbraucher 3 kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät, einen Sensor, eine Beleuchtungskomponente, einen Aktor etc. handeln.
Die in das Fahrzeug-Bordnetz integrierte Absicherungsvorrichtung 1 weist einen Halbleiterschalter 4 auf, der in elektrischer Verbindung zwischen der Spannungsquelle 2 und dem elektrischen Verbraucher 3 des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterschalter 4 als N-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (kurz MOSFET) ausgebildet. Demzufolge verfügt der Halbleiterschalter 4 über einen Drain-Anschluss 5, einen Source-Anschluss 6 und einen Gate-Anschluss 7. Ein solcher Halbleiterschalter 4 weist im eingeschalteten Zustand einen Drain-Source-Widerstand R_DS-On auf, an dem ein Spannungsabfall U_DS-On auftritt.
Aus 1 geht weiter hervor, dass die Absicherungsvorrichtung 1 zudem eine Messeinrichtung 8 aufweist, die hier als Messbrückenschaltung ausgeführt ist. Ein erster Zweig 9 der Messeinrichtung 8 ist mit dem Drain-Anschluss 5 des Halbleiterschalters 4 elektrisch verbunden. Ein weiterer, zweiter Zweig 10 der Messeinrichtung 8 ist mit dem Source-Anschluss 6 des Halbleiterschalters 4 elektrisch verbunden. Durch diese Schaltung ist es möglich, den Spannungsabfall U_DS-On am Halbleiterschalter 4 abzugreifen und damit zu erfassen beziehungsweise zu messen. Die Messeinrichtung 8 verfügt über einen ersten seriellen Eingangswiderstand 11 und einen zweiten seriellen Eingangswiderstand 12. Es ist anzumerken, dass der Widerstandswert des ersten Widerstands 11 höher ist als der Widerstandswert des zweiten Widerstands 12. Damit treten an dem ersten Widerstand 11 ein Spannungsabfall U_R11 und an dem zweiten Widerstand 12 ein Spannungsabfall U_R12 auf. Da die beiden Zweige mit gleichen Konstantstromquellen gespeist werden, weisen diese Spannungsabfälle unterschiedliche (Spannungs-)Werte auf.
Weiter ist in 1 zu erkennen, dass die Absicherungsvorrichtung 1 auch einen Komparator 13 aufweist, der zur Auswertung der Brückenspannung der Messeinrichtung 8 dient. Hierfür sind ein invertierender Eingang 14 des Komparators 13 mit dem ersten Widerstand 11 und ein nicht-invertierender Eingang 15 des Komparators 13 mit dem zweiten Widerstand 12 elektrisch verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 lässt sich der Komparator 13 gewissermaßen vorspannen. Im Zusammenwirken mit den Widerständen 11 und 12 lassen sich zudem die Schaltschwelle des Komparators 13 und die Spannungshöhe an den Eingängen 14 und 15 des Komparators 13 einstellen beziehungsweise vorab festlegen. Dadurch kann der Komparator 13 direkt mit der Spannung der Spannungsquelle 2 versorgt werden. Durch die konstanten Spannungsabfälle an den Eingangswiderständen 11 und 12 ist die Kippschwelle des Komparators 13 im Wesentlichen unabhängig von der Höhe der Spannung der Spannungsquelle 2. Dabei sind die Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 jeweils so gewählt, dass der Komparator 13 stets unterhalb seiner Ansteuergrenze betrieben wird.
Unter anderem lässt sich damit das Spannungsniveau beziehungsweise die Spannungshöhe an den Eingängen 14 und 15 des Komparators 13 so weit absenken, dass ein vergleichsweise kostengünstiger Komparator 13 ohne Notwendigkeit einer Rail-to-Rail-Technologie am Eingang verwendet werden kann. Zur Signalausgabe des Auswerteergebnisses verfügt der Komparator 13 über einen Ausgang 16, der dazu eingerichtet ist, eine Betätigung des Halbleiterschalters 4 zu veranlassen. Zur Versorgung des Komparators 13 mit elektrischer Energie ist eine Versorgungseinrichtung 17 vorgesehen(siehe 2). Diese ermöglicht eine Abschaltung der Versorgung des Komparators 13, um im Ruhemodus die Energieentnahme aus Spannungsquelle 2 zu unterbinden.
Des Weiteren weist die Absicherungsvorrichtung 1, wie in 1 erkennbar, eine Konstantstromversorgungseinrichtung 18 zur Versorgung der Messeinrichtung 8 mit einem im Wesentlichen konstanten elektrischen Strom auf. Diese Konstantstromversorgungseinrichtung 18 umfasst zwei spannungsgesteuerte Stromquellen 19 und 20, die mit einem Signal aus einer Referenzspannungsquelle 21 gesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel weisen beide Stromquellen 19 und 20 dieselben charakteristischen Eigenschaften auf.
2 zeigt das in 1 schematisch dargestellte und vorstehend erläuterte Grundprinzip in einem um weitere (Bau-)Elemente ergänzten, schematisch dargestellten Schaltbild Wie man aus 2 entnehmen kann, sind die beiden Konstantstromquellen 19 und 20 der Konstantstromversorgungseinrichtung 18 hier als npn-Bipolartransistor-Paar ausgeführt, das dementsprechend den ersten Transistor 19 und den zweiten Transistor 20 umfasst. Zur (An-)Steuerung des ersten Transistors 19 und des zweiten Transistors 20 dient eine Referenzspannungsquelle 21, die eine Referenzspannung U_Ref zur Verfügung stellt. Die Referenzspannungsquelle 21 ist jeweils mit einer Basis des jeweiligen Transistors 19 und 20 elektrisch verbunden. In 2 ist erkennbar, dass die Konstantstromversorgungseinrichtung 18 ferner einen dritten Widerstand 22 und einen vierten Widerstand 23 aufweist, mit denen sich ein Referenzstrom I_Ref einstellen lässt. Hierfür weisen die beiden Widerstände 22 und 23 zueinander identische Widerstandswerte auf.
Die auf diese Weise realisierten Konstantstromquellen 19 und 20 funktionieren gleichzeitig auch als eine Temperaturausgleichseinrichtung 24 zur Temperaturkompensation. Denn die Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren 19 und 20 weisen einen negativen Temperaturkoeffizient beziehungsweise Temperaturgang auf, so dass mit steigender Temperatur die Basis-Emitter-Spannung U_BE zumindest näherungsweise linear abnimmt und folglich der Referenzstrom I_Ref zunimmt, und somit auch die Kippschwelle des Komparators 13 zunimmt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine temperaturbedingte Veränderung beziehungsweise einen Temperaturdrift des Drain-Source-Widerstands R_DS-On des Halbleiterschalters 4 innerhalb eines Toleranzbereichs auszugleichen beziehungsweise zu kompensieren. Denn bei zunehmender Temperatur des Halbleiterschalters 4 nehmen dessen Drain-Source-Widerstand R_DS-On und folglich auch der Spannungsabfall U_DS-On zumindest näherungsweise linear zu. Der negative Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren 19 und 20 wirkt dem entgegen. Der Referenzstrom I_Ref berechnet sich bei dieser Konfiguration wie folgt: I_Ref = (U_Ref – U_BE)/R₂₂, wobei U_Ref die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 21, U_BE eine Schwellspannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 19 beziehungsweise 20, und R₂₂ der Widerstandswert des Widerstands 22 ist.
Zum Schutz des ersten Transistors 19 und des zweiten Transistors 20 der Konstantstromversorgungseinrichtung 18 weist die Absicherungsvorrichtung 1 des Weiteren jeweils eine erste Schutzdiode 26 und eine dazu parallel geschaltete, zweite Schutzdiode 27 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Konstantstromversorgungseinrichtung 18 und der Messeinrichtung 8 angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die Konstantstromversorgungseinrichtung 18 beispielsweise beim Abschalten induktiver Lasten wirksam vor einer Beschädigung schützen.
Es ist in 2 weiterhin erkennbar, dass der Ausgang 16 des Komparators 13 mit einem Treiber 28 (englisch Driver), insbesondere einem Gate-Treiber für den Halbleiterschalter 4 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Komparator 13 durch ein entsprechendes Signal an seinem Ausgang 16 über den Treiber 28 den Halbleiterschalter 4 zu einer das Fahrzeug-Bordnetz absichernden Abschaltung veranlasst. Insbesondere ist die Absicherungsvorrichtung 1 dazu eingerichtet, mit dem Signal des Ausgangs 16 des Komparators 13 den Treiber 28 des Halbleiterschalters 4 abzuschalten und so das Fahrzeug-Bordnetz gegen einen Überstrom und/oder Kurzschluss abzusichern. Hier ist zwischen dem Treiber 28 und dem Ausgang 16 des Komparators 13 zusätzlich ein einrastendes Halteglied 29 angeordnet, das beispielhaft durch einen NAND-Schmitt-Trigger realisiert ist, dessen Funktion weiter unten erläutert wird.
Weiter geht aus 2 hervor, dass in diesem Ausführungsbeispiel ein Mikrocontroller 30 vorgesehen ist, der zur (An-)Steuerung des Treibers 28 und zum Aktivieren des Haltegliedes 29 dient. Außerdem ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Mikrocontroller 30 die Referenzspannungsquelle 21 mit ausbildet. Der Mikrocontroller 30 weist einen ersten Signalausgang 31 zum An- und Ausschalten des Treibers 28, einen zweiten Signaleingang 32 zur Diagnose eines Überstroms und einen dritten Signalausgang 33 für ein Freigabesignal an das Halteglied 29 auf. Darüber hinaus verfügt der Mikrocontroller 30 über einen Kommunikationseingang 34, beispielsweise für einen LIN-Bus (Local Interconnect Network-Bus). Der Mikrocontroller 30 wird hier durch die Spannungsquelle 2 beziehungsweise auf geeignete Weise durch das Fahrzeug-Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt.
In 3, die ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild mit dem Grundprinzip der Absicherungsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, ist die Temperaturausgleichseinrichtung 24 der Absicherungsvorrichtung 1 gegenüber den 1 und 2 abgewandelt. Die Temperaturausgleichseinrichtung 24 ist hier in Nachbarschaft zu den beiden Transistoren 19 und 20 angeordnet. Bei der Temperaturausgleichseinrichtung 24 handelt es sich um eine Diode 25, die der Konstantstromversorgungseinrichtung 18 vorgeschaltet ist beziehungsweise zwischen dieser und der Referenzspannungsquelle 21 angeordnet ist. Die Diode 25 der Temperaturausgleichseinrichtung 24 weist einen negativen Temperaturkoeffizient beziehungsweise Temperaturgang auf, so dass mit steigender Temperatur der Diode 25 deren Flussspannung U_F zumindest näherungsweise linear abnimmt und folglich der Referenzstrom I_Ref zur (An-)Steuerung der beiden Transistoren 19 und 20 zunimmt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine temperaturbedingte Veränderung beziehungsweise einen Temperaturdrift des Drain-Source-Widerstands des Halbleiterschalters 4 innerhalb eines Toleranzbereichs auszugleichen beziehungsweise zu kompensieren. Denn bei zunehmender Temperatur des Halbleiterschalters 4 nehmen dessen Drain-Source-Widerstand R_DS-On und folglich auch der Spannungsabfall U_DS-On zumindest näherungsweise linear zu. Der negative Temperaturkoeffizient der Diode 25 wirkt dem entgegen. Der Referenzstrom I_Ref berechnet sich bei dieser Konfiguration wie folgt: I_Ref = (U_Ref – U_F25 – U_BE)/R₂₂, wobei U_Ref die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 21, U_F25 die Flussspannung der Diode 25, U_BE eine Schwellspannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 19 beziehungsweise 20, und R₂₂ der Widerstandswert des Widerstands 22 ist.
Anhand von 2, die das Grundprinzip der Absicherungsvorrichtung 1 in einem schematisch dargestellten Schaltbild zeigt, soll nachfolgend ein beispielhafter Betrieb der Absicherungsvorrichtung 1 erläutert werden.
Den Ausgangspunkt bildet der durchgeschaltete Halbleiterschalter 4, wobei ein Laststrom des Verbrauchers 3 hier mit 0A angenommen wird. Die Versorgungsspannungen der beiden Zweige 9 und 10 an den Widerständen 11 und 12 sind gleich beziehungsweise stimmen überein. Da sich, wie oben erläutert, die Widerstandswerte des ersten Widerstands 11 und des zweiten Widerstands 12 dahingehend voneinander unterscheiden, dass der Widerstandswert des ersten Widerstands 11 größer ist als der Widerstandswert des zweiten Widerstands 12 und die beiden Zweige 9 und 10 mit den gleichen konstanten elektrischen Strömen durch die Konstantstromquellen 19 und 20 gespeist werden, ist der Komparator 13 gewissermaßen vorgespannt. Insbesondere ist der invertierende Eingang 14 des Komparators 13 positiver als der nicht-invertierende Eingang 15 des Komparators 13. Die Ausgangsspannung am Ausgang 16 des Komparators 13 beträgt 0V (das Ausgangssignal ist beispielsweise „low“). Ein Stromfluss durch den Halbleiterschalter 4 erzeugt an dessen Drain-Source-Widerstand R_DS-On einen durch die Messeinrichtung 8 erfassbaren beziehungsweise messbaren Spannungsabfall U_DS-On, der nach einem Maschenumlauf zusammen mit dem Spannungsabfall U_R12 des zweiten Widerstands 12 dem Spannungsabfall U_R11 des ersten Widerstands 11 entgegen gerichtet ist. Durch dieses Zusammenwirken wird die Differenzspannung an den Eingängen 14 und 15 des Komparators 13 stetig kleiner, bis der Komparator 13 seine (vorab festgelegte) Schaltschwelle erreicht und schließlich kippt.
Das daraufhin erzeugte Ausgangssignal (beispielweise „high“) am Ausgang 16 des Komparators 13 wird dazu verwendet, den Treiber 28 des Halbleiterschalters 4 abzuschalten. Dadurch sperrt der Halbleiterschalter 4, so dass die Absicherungsvorrichtung 1 auf diese Weise auslöst und das Fahrzeug-Bordnetz so gegen einen Überstrom und/oder Kurzschluss absichert. An den Eingängen 14 und 15 des Komparators 13 liegt nun die Spannung der Spannungsquelle 2 an. Somit verbleibt der Komparator in seinem vorstehend erläuterten gekippten Zustand. Es ist anzumerken, dass die Auswertung des Ausgangssignals des Komparators 13 durch das vorstehend erläuterte Halteglied 29 zeitlich verzögert zum Signal des Gate-Anschlusses 7 des Halbleiterschalters 4 erfolgt. Diese Routine erfolgt, um den Halbleiterschalter 4 einzuschalten, weil sich beim geöffneten Leistungshalbleiter 4 der Komparator 13 bereits im gekippten Zustand befindet. Hierzu wird das Freigabesignal des dritten Signalausgangs 33 des Mikrocontrollers 30 verwendet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Überstromabsicherung und/oder Kurschlussabsicherung des Fahrzeug-Bordnetzes.
Dieses Verfahren lässt sich mit der vorstehend erläuterten Absicherungsvorrichtung 1 durchführen und sieht zumindest vor, dass der Spannungsabfall U_DS-On an dem Halbleiterschalter 4, der in elektrischer Verbindung mit der Spannungsquelle 2 des Fahrzeug-Bordnetzes und mit dem Verbraucher 3 des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist, durch die Messeinrichtung 8 erfasst wird. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Versorgen der Messeinrichtung 8 durch eine Konstantstromversorgungseinrichtung 18 erfolgt. Zum Auswerten des durch die Messeinrichtung 8 erfassten Spannungsabfalls U_DS-On an dem Halbleiterschalter 4 wird der Komparator 13 verwendet. In Abhängigkeit der Auswertung durch den Komparator 13 wird eine Sperrbetätigung des Halbleiterschalters 4 veranlasst, um das Fahrzeug-Bordnetz gegen Überströme und/oder Kurzschlüsse abzusichern.
Ausgehend von den dargestellten Ausführungsbeispielen können die erfindungsgemäße Absicherungsvorrichtung 1 und das damit durchführbare Verfahren in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden.
So ist es beispielsweise möglich, dass die beiden identisch zueinander ausgebildeten Transistoren 19 und 20 der Konstantstromversorgungseinrichtung 18 nicht identisch sind, sondern als aufeinander abgestimmtes Transistor-Paar ausgebildet sind. Es ist auch denkbar, dass anstelle des Mikrocontrollers 30 eine entsprechende analoge Schaltung vorgesehen ist, die die entsprechenden Steuerfunktionen ausführt. Des Weiteren kann das Fahrzeug-Bordnetz einen, zwei oder mehr (hier nicht dargestellte) Stromverteiler, eine Vielzahl von Verbrauchern 3 und eine Vielzahl von elektrischen Leitungen und/oder Datenleitungen aufweisen.
Wenn die Temperaturausgleichseinrichtung 24 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel als Diode(n) 25 ausgeführt ist, müssen die beiden Konstantstromquellen 19 und 20 nicht jeweils als Transistor oder Bipolartransistor ausgeführt sein, wie dies in 3 beispielhaft gezeigt ist. Vielmehr können die Konstantstromquellen 19 und 20 auf andere Weise, zum Beispiel als fertiges spannungsgesteuertes Stromquellen-IC-Paar, das heißt als Stromquellen-Paar in Form einer integrierten Schaltung oder dergleichen, ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

1: Absicherungsvorrichtung
2: Spannungsquelle
3: elektrischer Verbraucher / Last
4: Halbleiterschalter
5: Drain-Anschluss
6: Source-Anschluss
7: Gate-Anschluss
8: Messeinrichtung
9: erster Zweig
10: zweiter Zweig
11: erster Widerstand
12: zweiter Widerstand
13: Komparator
14: invertierender Eingang
15: nicht-invertierender Eingang
16: Ausgang
17: Versorgungseinrichtung
18: Konstantstromversorgungseinrichtung
19: erste Konstantstromquelle / erster Transistor
20: zweite Konstantstromquelle / zweiter Transistor
21: Referenzspannungsquelle
22: dritter Widerstand
23: vierter Widerstand
24: Temperaturausgleichseinrichtung
25: Diode (Halbleiter-Diode)
26: erste Schutzdiode
27: zweite Schutzdiode
28: Treiber
29: Halteglied
30: Mikrocontroller
31: erster Signalausgang
32: zweiter Signaleingang
33: dritter Signalausgang
34: Kommunikationseingang

Claims

Absicherungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug-Bordnetz, aufweisend: – einen Halbleiterschalter (4), der in elektrischer Verbindung mit einer Spannungsquelle (2) des Fahrzeug-Bordnetzes und mit einem Verbraucher (3) des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist, – eine Messeinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall (U_DS-On) an dem Halbleiterschalter (2) zu erfassen, – eine Konstantstromversorgungseinrichtung (18) für die Messeinrichtung (8) und – einen Komparator (13), der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des durch die Messeinrichtung (8) erfassten Spannungsabfalls (U_DS-On) eine Sperrbetätigung des Halbleiterschalters (4) zu veranlassen.
Absicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) als Messbrückenschaltung ausgebildet ist, deren erster Zweig (9) mit einem Drain-Anschluss (5) des Halbleiterschalters (4) und deren zweiter Zweig (10) mit einem Source-Anschluss (6) des Halbleiterschalters (4) elektrisch verbunden ist.
Absicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) einen ersten Widerstand (11) und einen zweiten Widerstand (12) aufweist, wobei der Widerstandswert des ersten Widerstands (11) größer ist als der Widerstandswert des zweiten Widerstands (12).
Absicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromversorgungseinrichtung (18) durch eine erste Konstantstromquelle (19) und eine zweite Konstantstromquelle (20) umfasst.
Absicherungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konstantstromquelle (19) und die zweite Konstantstromquelle (20) jeweils einen Transistor umfassen.
Absicherungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konstantstromquelle (19) und die zweite Konstantstromquelle (20) zueinander identisch ausgebildet sind.
Absicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Konstantstromversorgungseinrichtung (18) eine Referenzspannungsquelle (21) vorgesehen ist.
Absicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromversorgungseinrichtung (18) einen dritten Widerstand (22) und einen vierten Widerstand (23) zur Einstellung eines Referenzstroms (I_Ref) aufweist.
Absicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absicherungsvorrichtung (1) eine Temperaturausgleichseinrichtung (24) aufweist.
Absicherungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturausgleichseinrichtung (24) wenigstens eine Diode (25) umfasst, die der Konstantstromversorgungseinrichtung (18) vorgeschaltet ist, wobei die Diode (25) insbesondere zwischen einer Referenzspannungsquelle (21) und der Konstantstromversorgungseinrichtung (18) angeordnet ist.
Fahrzeug-Bordnetz, mit wenigstens einer Spannungsquelle (2), wenigstens einem damit elektrisch verbundenen Verbraucher (3) und mit wenigstens einer Absicherungsvorrichtung (1) zur Überstromabsicherung und/oder Kurzschlussabsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Überstromabsicherung und/oder Kurschlussabsicherung eines Fahrzeug-Bordnetzes, aufweisend: – Erfassen eines Spannungsabfalls (U_DS-On) an einem Halbleiterschalter (4), der in elektrischer Verbindung mit einer Spannungsquelle (2) des Fahrzeug-Bordnetzes und mit einem Verbraucher (3) des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet ist, durch eine Messeinrichtung (8), – Versorgen der Messeinrichtung (8) durch eine Konstantstromversorgungseinrichtung (18), – Auswerten des durch die Messeinrichtung (8) erfassten Spannungsabfalls (U_DS-On) durch einen Komparator (13) und – Veranlassen einer Sperrbetätigung des Halbleiterschalters (4) in Abhängigkeit von der Auswertung durch den Komparator (13).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltschwelle des Komparators (13) durch zueinander unterschiedlich dimensionierte Widerstände (11, 12) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturausgleich durch eine Temperaturausgleichseinrichtung (24) durchgeführt wird.