-
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Anschlusskontaktelement für ein Fremdstartkabel und/oder für ein fahrzeugfremdes Ladegerät.
-
In einem Kraftfahrzeug kann als ein Anschlusskontaktelement beispielsweise ein metallischer Bolzen bereitgestellt sein, an welchem für eine Starthilfe ein Starterkabel oder Fremdstartkabel angeklemmt werden kann, über welches dann das Anschlusskontaktelement mit einer Batterie eines Fremdfahrzeugs elektrisch verbunden wird. Innerhalb des zu startenden Kraftfahrzeugs ist das Anschlusskontaktelement elektrisch mit einer Plus-Leitungsanordnung des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs verbunden, sodass also die elektrische Spannung der Batterie des Fremdfahrzeugs in dem Bordnetz bereitsteht.
-
Anstelle eines Fremdstartkabels kann auch ein Ladegerät an ein solches Anschlusskontaktelement angeschlossen werden. Dies kann beispielsweise in einer Werkstatt genutzt werden, in welcher das Kraftfahrzeug repariert werden soll. Um nicht den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs für den Betrieb des Generators des Bordnetzes starten zu müssen, kann das Bordnetz mittels des Ladegeräts über das Anschlusskontaktelement mit elektrischer Energie versorgt werden.
-
Ein Problem bei der Bereitstellung eines solchen Anschlusskontaktelements, welches das Bordnetz von außen elektrisch zugänglich macht, ist die Verpolung. Wird beispielsweise mittels des Fremdstartkabels das Anschlusskontaktelement nicht mit dem Plus-Pol der Batterie des Fremdfahrzeugs, sondern mit dem Minus-Pol elektrisch verbunden und dann noch die Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs mit dem Plus-Pol der Batterie des Fremdfahrzeugs, so ergibt sich ein Kurzschluss, der zu einer Beschädigung oder Zerstörung von Komponenten des Kraftfahrzeugs führen kann.
-
Aus der
DE 10 2015 015 461 A1 ist eine Schaltung zum Steuern eines Stromes in einer Plus-Leitungsanordnung eines Kraftfahrzeugs bekannt. Mit ihr kann der Stromfluss in dem Bordnetz unterbrochen werden. Allerdings benötigt diese Schaltung eine elektrische Verbindung zwischen der Plus-Leitungsanordnung und dem Massepotential des Kraftfahrzeugs, um ein Schaltsignal umsetzen zu können. Dies erfordert in einem Kraftfahrzeug die Verlegung einer zusätzlichen Leitung von der Plus-Leitungsanordnung hin zum Massepotential.
-
Aus der
DE 10 2015 015 466 A1 ist hierzu eine Steuerung für einen Transistor bekannt, die rein zweipolig ausgestaltet ist, das heißt ihre Versorgungsspannung allein aus derjenigen Leitung beziehen kann, in welcher auch der Strom geschaltet wird. Hierzu ist allerdings ein zusätzliches Widerstandselement nötig, um einen ausreichend großen Spannungsabfall zu erhalten.
-
Die
DE 10 2009 057 084 A1 und die
DE 10 2015 007 532 B3 zeigen jeweils ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, einer Transistoranordnung und einem elektrischen Anschlusskontaktelement für ein Fremdstartkabel und/oder für ein fahrzeugfremdes Ladegerät.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug einen Verpolschutz für ein elektrisches Anschlusskontaktelement bereitzustellen, über welches ein Fremdstartkabel oder ein fahrzeugfremdes Ladegerät mit einem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden werden kann.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
-
Durch die Erfindung ist ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches das elektrische Anschlusskontaktelement für ein Fremdstartkabel und/oder für ein fahrzeugfremdes Ladegerät sowie ein elektrisches Bordnetz aufweist. Das Anschlusskontaktelement kann beispielsweise als ein Stab oder Bolzen aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgestaltet sein. Das Anschlusskontaktelement kann in einem Motorraum oder in einem Fahrzeugheck angeordnet und beispielsweise zum Anklemmen eines Fremdstartkabels oder Ladegeräts zugänglich gemacht sein. Das elektrische Bordnetz kann in an sich bekannter Weise eine Plus-Leitungsanordnung und ein Massepotential (sogenannten Fahrzeugmasse) aufweisen. Die Plus-Leitungsanordnung kann beispielsweise auf der Grundlage zumindest eines Kabels und/oder zumindest einer Stromschiene realisiert sein.
-
Das Anschlusskontaktelement ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug mit der Plus-Leitungsanordnung des Bordnetzes nicht direkt verbunden, sondern über eine Transistoranordnung, welche einen Feldeffekttransistor oder mehrere Feldeffekttransistoren aufweist. Die Transistoranordnung kann beispielsweise eine Parallelschaltung mehrerer Feldeffekttransistoren aufweisen. Hierdurch erhöht sich in vorteilhafter Weise die Stromtragfähigkeit. Es können auch zwei mit ihren Body-Dioden entgegengesetzte verschaltete Feldeffekttransistoren in der Transistoranordnung bereitgestellt sein. Hierdurch kann die Transistoranordnung auch zum vollständigen Sperren eines Stromes vorgesehen sein.
-
Die Transistoranordnung weist einen Anschluss auf, der hier als Source-Elektrode bezeichnet ist. Des Weiteren ist ein Anschluss bereitgestellt, der als Drain-Elektrode der Transistoranordnung bezeichnet ist. Die Source-Elektrode ist elektrisch mit einem jeweiligen Source-Eingang oder Source zumindest eines Feldeffekttransistors der Transistoranordnung verbunden. Die Drain-Elektrode ist mit einem jeweiligen Drain-Eingang oder Drain zumindest eines Feldeffekttransistors der Transistoranordnung verbunden. Erfindungsgemäßn ist die Source-Elektrode mit dem Anschlusskontaktelement und die Drain-Elektrode mit der Plus-Leitungsanordnung elektrisch verbunden.
-
Zum Schalten der Transistoranordnung ist eine Gateschaltung bereitgestellt, welche dazu ausgelegt ist, eine über der Transistoranordnung zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode abfallende elektrische Spannung als eine Versorgungsspannung zu empfangen. Mit anderen Worten kann die Gateschaltung betrieben werden, indem sie ihre Versorgungsspannung zweipolig empfängt. Die kann allein durch die zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode abfallende elektrische Spannung betrieben werden. Es ist somit keine Verbindung zu dem Massepotential des Bordnetzes nötig. Die Gateschaltung ist des Weiteren dazu eingerichtet, für den Fall, dass ein Spannungspotential am Anschlusskontaktelement um eine vorbestimmten Mindestbetrag größer als ein Spannungspotential an der Plus-Leitungsanordnung ist, dann an einer Gate-Elektrode der Transistoranordnung eine Durchschaltspannung zum Durchschalten der Transistoranordnung zu erzeugen. Der Mindestbetrag liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,4 Volt bis 0,7 Volt. Der Mindestbetrag beträgt insbesondere die Durchlassspannung der besagten Body-Diode. Die Gate-Elektrode der Transistoranordnung ist elektrisch mit einem jeweiligen Gate-Eingang oder Gate des zumindest einen Feldeffekttransistors der Transistoranordnung verbunden. Sobald also eine Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode größer als der Mindestbetrag ist, wird die Transistoranordnung durchgeschaltet, das heißt es wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschlusskontaktelement und der Plus-Leitungsanordnung bereitgestellt über die durchgeschaltete Transistoranordnung. Bei einer Spannung kleiner als der Mindestbetrag ist, bleibt der zumindest eine Feldeffekttransistor in einem elektrisch sperrenden Zustand.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass das Anschlusskontaktelement und die Plus-Leitungsanordnung durch die Transistoranordnung voneinander getrennt sind. Das Berühren des Anschlusskontaktelements ist somit ungefährlich. Zudem kann es keinen Stromfluss aus der Plus-Leitungsanordnung hin zu dem Anschlusskontaktelement geben, wenn es zu einer Verpolung kommt. Die Gateschaltung schaltet die Transistoranordnung nur oder erst dann durch, wenn das Spannungspotential am Anschlusskontaktelement um mindestens den besagten Mindestbetrag größer als an der Plus-Leitungsanordnung ist. Mit anderen Worten muss also eine Spannung am Anschlusskontaktelement größer als in der Plus-Leitungsanordnung sein (bezogen auf ein Massepotential des Kraftfahrzeugs), damit die Transistoranordnung durchgeschaltet wird, d.h. elektrisch leitend geschaltet wird. Somit kann es nur zu einem Stromfluss von dem Anschlusskontaktelement hin zu der Plus-Leitungsanordnung kommen. Das Anschlusskontaktelement ist somit nicht berührgefährlich, wenn dort kein Fremdstartkabel oder Ladegerät angeschlossen ist. Auch bei der besagten Verpolung sperrt die Transistoranordnung, weil dann das Spannungspotential am Anschlusskontaktelement niedriger ist als in der Plus-Leitungsanordnung.
-
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Flussrichtung zumindest einer Body-Diode der Transistoranordnung von dem Anschlusskontaktelement hin zur Plus-Leitungsanordnung ausgerichtet oder geschaltet. Hierdurch ist ein Versorgen der Plus-Leitungsanordnung mit einem elektrischen Strom über das Anschlusskontaktelement auch möglich, wenn die Transistoranordnung elektrisch sperrend geschaltet ist, also nicht durchgeschaltet ist.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Transistoranordnung auch eine Leiterplatte aufweist und die Drain-Elektrode durch eine Seite der Leiterplatte bereitgestellt ist, auf welcher durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung oder Schicht eine Flächenelektrode gebildet ist. Eine solche elektrisch leitfähige Beschichtung kann beispielsweise durch eine Kupferschicht oder eine Silberschicht oder Aluminiumschicht oder eine Schicht aus einer Metalllegierung realisiert sein. Die Leiterplatte liegt dabei insbesondere mit ihrer Flächenelektrode an einem elektrisch leitfähigen Trägerelement der Plus-Leitungsanordnung des Bordnetzes an. Mit anderen Worten umfasst die Plus-Leitungsanordnung auch ein solches Trägerelement, beispielsweise eine Platte oder ein Blech aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Durch das Anlegen der Flächenelektrode an das Trägerelement ergibt sich eine elektrische Verbindung zwischen der Drain-Elektrode und der Plus-Leitungsanordnung. Durch Einstellen der Flächengröße der Oberfläche der Flächenelektrode kann dabei ein Übergangswiderstand zwischen der Drain-Elektrode und der Plus-Leitungsanordnung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Zudem ist die Montage der Transistoranordnung an der Plus-Leitungsanordnung durch Anlegen der Flächenelektrode an das Trägerelement möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass kein zusätzliches Kabel nötig ist, um die Drain-Elektrode der Transistoranordnung mit der Plus-Leitungsanordnung zu verbinden.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Anschlusskontaktelement als ein Anschlussbolzen ausgestaltet ist, welcher an dem Trägerelement gehalten ist. Mit anderen Worten wird das Trägerelement dazu genutzt, den Anschlussbolzen im Kraftfahrzeug zu halten oder zu fixieren. Der Anschlussbolzen kann beispielsweise als eine Hülse oder als ein Stab ausgestaltet sein. Eine elektrische Isolierungseinrichtung ist hierbei zwischen dem Anschlussbolzen und dem Trägerelement angeordnet. Hierdurch bleiben der Anschlussbolzen und die Plus-Leitungsanordnung elektrisch voneinander isoliert und sind somit nur über die Transistoranordnung elektrisch verschaltet. Die Source-Elektrode der Transistoranordnung, die mit dem Anschlusskontaktelement verschaltet ist, ist an einer der besagten Seite der Leiterplatte (Drain-Elektrode) gegenüberliegenden Gegenseite der Leiterplatte durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung der Leiterplatte gebildet. Diese Beschichtung kann in derselben Weise beschaffen sein wie die Beschichtung für die besagte Flächenelektrode. Ein weiterer Vorteil ist, dass kein zusätzliches Kabel nötig ist, um die Source-Elektrode der Transistoranordnung mit dem Anschlusskontaktelement zu verbinden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Anschlussbolzen über eine Schraube mit dem Trägerelement und der Leiterplatte verschraubt. Die Schraube fixiert somit zum einen den Anschlussbolzen mechanisch an dem Trägerelement und stellt zum anderen auch die elektrische Verbindung zwischen der Source-Elektrode auf der Leiterplatte und dem Anschlussbolzen bereit. Die Leiterplatte ist somit durch die Schraube eingeklemmt. Somit ist kein Kabel zum Verbinden des Anschlussbolzens mit der Source-Elektrode notwendig. Insgesamt reicht also eine einfache zweischichtige Leiterplatte aus, um die Transistoranordnung zwischen dem Anschlusskontaktelement und der Plus-Leitungsanordnung bereitzustellen.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass in die Gateschaltung ein Schaltwandler integriert ist, welcher dazu eingerichtet ist, die besagte Versorgungspannung (die über der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode abfallende elektrische Spannung) in eine Betriebsspannung mit einem höheren Spannungswert zu wandeln als ihn die Versorgungsspannung aufweist. Mit anderen Worten wird zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode abfallende elektrische Spannung mittels des Schaltwandlers aufwärts gewandelt. Hierdurch kann die durch die Gateschaltung an der Gate-Elektrode erzeugte Durchschaltspannung auf einen Spannungswert eingestellt werden, der größer ist als der Spannungswert der Versorgungspannung. Hierdurch kann der Durchlasswiderstand der Transistorschaltung zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode reduziert werden.
-
Eine Ausführungsform sieht hierbei vor, dass ein Tastverhältnis des Schaltwandlers konstant ist. Mit anderen Worten ist der Schaltwandler bei dieser Ausführungsform ungeregelt. Hierdurch kann der Schaltwandler technisch einfach ausgestaltet sein. Das Tastverhältnis kann durch ein Taktsignal einer Taktgeberschaltung vorgegeben sein. Es kann beispielsweise der integrierte Schaltkreis NE555 dazu verwendet werden. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass durch die einfache Ausgestaltung auch ein Schaltwandler realisiert sein kann, der bereits ab einer Versorgungsspannung von 0,5 Volt oder 0,7 Volt seinen Betrieb aufnimmt oder aktiviert wird. Damit kann mittels des Schaltwandlers eine Betriebsspannung von beispielsweise mehr als 5 Volt erzeugt werden und damit die Durchschaltspannung für die Gate-Elektrode der Transistoranordnung erzeugt werden. Ein Tastverhältnis kann hierzu in einem Bereich von 1 zu 10 bis 1 zu 500 aufweisen, z.B. 1 zu 100 betragen.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass ein Energiespeicher des Schaltwandlers durch eine Induktivität bereitgestellt ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise der Schaltwandler mit einer Induktivität, einem Diodenelement und einem Feldeffekttransistor als Schaltwandler sowie der Taktgeberschaltung zum Erzeugen des Taktsignals mit dem besagten Tastverhältnis realisiert sein. Das Diodenelement kann hierbei eine Diode oder beispielsweise auch ein MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) sein. Ein Schaltwandler mit einer Induktivität weist den Vorteil auf, dass er durchgehend oder kontinuierlich die Betriebsspannung aufrecht erhalten kann, solange die Versorgungsspannung anliegt. Messungen haben ergeben, dass dies mit einem Kondensator als Energiespeicher unter den gegebenen Verhältnissen nicht möglich ist. Die Induktivität kann aus Leiterbahnen gebildet sein oder als sogenannte Multilayer-Chip-Induktivität realisiert sein.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Schaltwandler mit der Drain-Elektrode über einen Blockiertransistor verschaltet ist, wobei die Gateschaltung dazu eingerichtet ist, während des Betriebs des Schaltwandlers den Blockiertransistor elektrisch leitend geschaltet zu halten. Durch den Blockiertransistor wird ein elektrischer Stromfluss von der Drain-Elektrode hin zum Schaltwandler blockiert. Damit ist der Schaltwandler ebenfalls gegen eine Verpolung geschützt. Andererseits wird im Betrieb des Schaltwandlers durch das Durchschalten oder Elektrisch-Leitend-Schalten des Blockiertransistors der Schaltwandler mit der Drain-Elektrode elektrisch verbunden, sodass die Versorgungsspannung in der beschriebenen Weise in die Betriebsspannung gewandelt werden kann.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Gateschaltung ausschließlich eine elektrische Verbindung zu der Source-Elektrode, der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Gateschaltung um eine rein zweipolige Schaltung, die durch die elektrische Spannung, die zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode abfällt, versorgt wird und an der Gate-Elektrode die Durchschaltspannung erzeugt.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen ausgestaltet.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 2 einen schematisierten Schaltplan einer Transistoranordnung und einer Gateschaltung des Kraftfahrzeugs von 1;
- 3 einen schematisierten Schaltplan einer alternativen Transistoranordnung;
- 4 einen schematisierten Schaltplan einer weiteren Transistoranordnung;
- 5 einen schematisierten Schaltplan einer weiteren Transistoranordnung;
- 6 einen schematisierten Schaltplan einer weiteren Transistoranordnung;
- 7 einen schematisierten Schaltplan einer weiteren Transistoranordnung; und
- 8 einen schematisierten Schaltplan einer weiteren Transistoranordnung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
-
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein elektrisches Bordnetz 11 aufweisen, in welchem beispielsweise durch eine Batterie und/oder (bei laufendem Verbrennungsmotor) durch einen Generator eine Bordnetzspannung bereitgestellt werden kann. Die Bordnetzspannung kann in einem Bereich von 10 Volt bis 50 Volt liegen. Beispielsweise kann die Bordnetzspannung einen Nominalwert von 12 Volt oder 24 Volt oder 48 Volt aufweisen. Das Bordnetz 11 kann eine Plus-Leitungsanordnung 12 und eine Masse-Leitungsanordnung oder ein Massepotential 13 (Fahrzeugmasse) aufweisen. Eine andere Bezeichnung für die Plus-Leitungsanordnung 12 ist auch „Klemme 30“.
-
Zwischen der Plus-Leitungsanordnung 12 und dem Massepotential 13 kann die Bordnetzspannung bereitgestellt sein. Zwischen die Plus-Leitungsanordnung 12 und das Massepotential 13 können elektrische Verbraucher 14 geschaltet sein, die hier nur durch ein einziges Symbol repräsentiert sind.
-
Um das Bordnetz 11 beispielsweise bei ausgefallender Batterie oder für eine Wartungsbetrieb von außerhalb des Kraftfahrzeugs mit der Bordnetzspannung zu versorgen, kann das Kraftfahrzeug 10 ein Anschlusskontaktelement 15 aufweisen, das beispielsweise als ein Bolzen oder ein Stab aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgestaltet sein kann. An das Anschlusskontaktelement 15 kann beispielsweise eine Klemme oder ein Steckelement eines Fremdstartkabels oder eines Ladegeräts angeschlossen werden. Durch das Fremdstartkabel oder das Ladegerät kann dann die Betriebsspannung bereitgestellt werden.
-
Das Anschlusskontaktelement 15 kann mit einem elektrisch leitfähigen Trägerelement 16 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sein, welches wiederum Bestandteil der Plus-Leitungsanordnung 12 sein kann. Das Trägerelement 16 kann eine Platte oder ein Blech sein. Das Trägerelement 16 kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein. Das Anschlusskontaktelement 15 ist aber nicht direkt elektrisch mit dem Trägerelement 16 verbunden, sondern kann über eine Isoliereinrichtung 17 elektrisch von dem Trägerelement 16 getrennt sein.
-
Das Anschlusskontaktelement 15 kann beispielsweise mittels einer Schraube 18 mit dem Trägerelement 16 verschraubt sein. Durch die Schraube 18 kann das Anschlusskontaktelement 15 zudem elektrisch mit einer Transistoranordnung 19 verbunden sein. Die Transistoranordnung 19 stellt einen zentralen Verpolschutz dar, sodass die Verbraucher 14 selbst keinen Verpolschutz mehr benötigen.
-
Die Transistoranordnung 19 kann zumindest einen Feldeffekttransistor 20 aufweisen, der auf einer Leiterplatte 21 der Transistoranordnung 19 angeordnet sein kann. Beispielsweise kann der zumindest eine Feldeffekttransistor 20 an eine elektrisch leitfähige Beschichtung 22 der Leiterplatte 21 angelötet sein. Auch die Schraube 18 kann an der Beschichtung 22 anliegen. Die Beschichtung 22 kann beispielsweise einen Schicht aus Kupfer oder Silber oder Aluminium oder einer Metalllegierung sein. Die Leiterplatte 21 kann durch die Schraube 18 auch an das Trägerelement 16 angeklemmt oder festgeschraubt sein. Eine Seite 23 der Leiterplatte 21 kann eine weitere Beschichtung 24 aufweisen, die als Flächenelektrode 25 ausgestaltet sein kann. Mit der Flächenelektrode 25 kann die Leiterplatte 21 flächig an dem Trägerelement 16 anliegen. Hierdurch ergibt sich ein der Anlagefläche entsprechender Leitungsquerschnitt zwischen der Leiterplatte 21 und dem Trägerelement 16. Mittels Durchkontaktierungen 26 kann der zumindest eine Feldeffekttransistor 20 mit der Flächenelektrode 25 elektrisch verbunden sein.
-
Hierbei kann ein jeweiliger Drain-Eingang des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 mit der Flächenelektrode 25 elektrisch durch die Durchkontaktierungen 26 verbunden. Entsprechend stellt die Flächenelektrode 25 eine Drain-Elektrode 27 der Transistoranordnung 19 dar. Ein jeweiliger Source-Eingang des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 kann mit der Beschichtung 22 elektrisch verbunden sein, sodass die Beschichtung 22 im Bereich, in welchem auch die Schraube 18 die Beschichtung 22 berührt, eine Source-Elektrode 28 der Transistoranordnung 19 darstellt. Somit ist das Anschlusskontaktelement 15 in dem in 1 gezeigten Beispiel über die Schraube 18 mit der Source-Elektrode 28 und die Plus-Leitungsanordnung 12 über die Drain-Elektrode 27 mit der Transistoranordnung 19 verschaltet. Zum Schalten des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 kann eine Gateschaltung 29 bereitgestellt sein. Die Gateschaltung 29 kann auf die Leiterplatte 21 aufgelötet sein. Die Gateschaltung 29 kann mit einer Gate-Elektrode 32, die zu dem jeweiligen Gate des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 führt, elektrisch verbunden sein.
-
Das Trägerelement 16 kann des Weiteren über ein Anschlusselement 30, beispielsweise eine Schraube, mit dem übrigen Bordnetz 11, z.B. einem Kabel 31 der Plus-Leitungsanordnung 12, elektrisch verbunden sein. Mittels der Transistoranordnung 19 kann somit ein elektrischer Strom zwischen dem Anschlusskontaktelement 15 und der Plus-Leitungsanordnung 12 gesteuert oder kontrolliert werden.
-
2 veranschaulicht hierzu noch einmal, wie die Transistoranordnung 19 mit ihrem zumindest einem Feldeffekttransistor 20 zwischen das Anschlusskontaktelement 15 und die Plus-Leitungsanordnung 12 geschaltet sein kann. Zur besseren Orientierung sind ein Drain-Eingang D, ein Source-Eingang S und ein Gate G des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 gekennzeichnet. Der dargestellte Feldeffekttransistor 20 kann einen einzelnen Feldeffekttransistor oder eine Parallelschaltung mehrerer Feldeffekttransistoren repräsentieren. Die Source-Elektrode 28 kann in der in 1 beschriebenen Weise oder in einer alternativen Weise elektrisch mit dem Anschlusskontaktelement 15 elektrisch verbunden sein. Die Drain-Elektrode 27 ist in der in 1 beschriebenen Weise oder in einer alternativen Weise mit der Plus-Leitungsanordnung 12 elektrisch verbunden sein. Die Gate-Elektrode 32 kann mit der Gateschaltung 29 in der in 1 beschriebenen Weise oder in einer alternativen Weise elektrisch verbunden sein.
-
Eine Body-Diode 33 des jeweiligen Feldeffekttransistors 20 der Transistoranordnung 19 kann mit ihrer Flussrichtung von dem Anschlusskontaktelement 15 hin zur Plus-Leitungsanordnung 12 ausgerichtet sein. Somit kann ein Versorgungsstrom von dem Anschlusskontaktelement 15 hin zur Plus-Leitungsanordnung 12 durch die Body-Diode 33 fließen, sobald ein an dem Anschlusskontaktelement 15 angeschlossenes elektrisches Spannungspotential größer ist als das elektrische Spannungspotential der Plus-Leitungsanordnung 12. Es muss hierbei nur die Durchlassspannung der Body-Diode 33 überschritten sein, also beispielsweise 0,7 Volt. Andersherum kann bei einer Verpolung kein Strom von der Plus-Leitungsanordnung 12 durch die Body-Diode 33 hin zum Anschlusskontaktelement 15 fließen.
-
Die Gateschaltung 29 kann zum Verringern des elektrischen Widerstands des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 bei Erkennen eines Stromflusses von dem Anschlusskontaktelement 15 hin zur Plus-Leitungsanordnung 12 den zumindest einen Feldeffekttransistor 20 durchschalten, sodass der elektrische Widerstand und die zwischen der Source-Elektrode 28 und der Drain-Elektrode 27 abfallende elektrische Spannung 34 kleiner als die Durchlassspannung der Body-Diode 33 ist.
-
Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Gateschaltung 29 einen Schaltwandler 35 aufweist. Die Gateschaltung 29 kann die Spannung 34 als eine Versorgungsspannung für den Schaltwandler 35 nutzen. Sobald eine Bordnetzspannung an die Anschlusskontaktelemente 15 mit korrekter Polung angeschlossen wird, und die Body-Diode 33 einen Stromfluss hin zur Plus-Leitungsanordnung 12 zulässt, ergibt sich eine Versorgungsspannung in Form der Spannung 34 in Höhe der Durchlassspannung der Body-Diode 33. Über eine optionale Leitung 36 kann hiermit direkt eine Taktgeberschaltung 37 des Schaltwandlers 35 versorgt oder betrieben werden. Die Taktgeberschaltung 37 kann beispielsweise auf der Grundlage des bekannten integrierten Schaltkreises NE555 realisiert sein. Die Taktgeberschaltung 37 kann einen Takt oder ein Tastverhältnis 38 in einem Bereich von 1 zu 10 bis 1 zu 500 aufweisen, beispielsweise 1 zu 100. Ein von der Taktgeberschaltung 37 mit dem Tastverhältnis 38 erzeugtes Taktsignal 39 kann zum Schalten eines Transistors 40 des Schaltwandlers 35 vorgesehen sein. Das Taktsignal 39 kann an einem Gate des Transistors 40 bereitgestellt sein. Der Transistor 40 kann ein MOSFET sein. Der Schaltwandler 35 kann eine Induktivität 41 aufweisen, deren Strom in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Transistors 40 geschaltet werden kann. Der Schaltwandler 35 kann des Weiteren in der an sich bekannten Weise ein Diodenelement 42 aufweisen, das beispielsweise auf der Grundlage einer Schotkydiode oder eines MOSFET realisiert sein kann. Mittels des Schaltwandlers 40 kann eine Betriebsspannung 43 erzeugt werden, deren Spannungswert größer als der Spannungswert der Spannung 34 ist. Die Betriebsspannung 43 kann an der Gate-Elektrode 32 als eine Durchschaltspannung bereitgestellt werden. Mittels der Betriebsspannung 43 kann auch die Taktgeberschaltung 37 versorgt werden. Durch die Spannung 34 wird das Gate G des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 beaufschlagt, sodass der zumindest eine Feldeffekttransistor 20 an seinem Gate eine Durchschaltspannung erhält, durch welche der zumindest eine Feldeffekttransistor 20 durchschaltet, d.h. im elektrisch leitenden Zustand ist. Hierdurch sinkt der elektrische Widerstand zwischen der Source-Elektrode 28 und der Drain-Elektrode 27. Mit steigender Stromstärke des Storms zwischen dem Anschlusskontaktelement 15 und der Plus-Leitungsanordnung 12 steigt dann wieder die Spannung 34, wodurch auch bei konstantem Tastverhältnis 38 die Betriebsspannung 43 steigt. Hierdurch ergibt sich auch eine entsprechend steigende Durchschaltspannung an der Gate-Elektrode 32, wodurch sich der elektrische Widerstand des zumindest einen Feldeffekttransistors 20 weiter verringert. Es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein.
-
Die Taktgeberschaltung 37, das Diodenelement 42 und der Transistor 40 können durch einen integrierten Schaltkreis 44 realisiert sein. Hierdurch kann die Gateschaltung 29 durch den integrierten Schaltkreis 44 und die Induktivität 41 realisiert werden. Die Induktivität 41 kann beispielsweise als Spule oder Drossel ausgestaltet sein.
-
Insgesamt ist also durch die Gateschaltung 29 eine Induktivität 41 einerseits mit der Source-Elektrode 28 und andererseits mit dem Diodenelement 42 und dem Transistor 40 verschaltet. Das Diodenelement 42 ist mit der Gate-Elektrode 32 und der Taktgeberschaltung 37 verschaltet. Die Flussrichtung des Diodenelements 42 ist von der Induktivität 41 hin zur Gate-Elektrode 32 gerichtet. Die Taktgeberschaltung 37 kann optional direkt mit der Source-Elektrode 28 verschaltet sein. Die Taktgeberschaltung 37 kann ein Taktsignal 39 an einem Gate des Transistors 40 erzeugen. Der Transistor 40 kann mit der Drain-Elektrode 27 über einen Blockiertransistor 45 verschaltet sein. Der Blockiertransistor 45 kann im Betrieb der Taktgeberschaltung 37 beispielsweise von dieser durchgeschaltet gehalten werden. Bei deaktivierter Gateschaltung 29 blockiert der Blockiertransistor 45 einen Stromfluss von der Plus-Leitungsanordnung 12 durch den Schaltwandler 35 hindurch hin zur Source-Elektrode 28 und zum Anschlusskontaktelement 15.
-
Alternativ zu der in 2 beschriebenen Gateschaltung 29 kann auch der integrierte Schaltkreis mit der Produktbezeichnung LM74610-Q1 des Unternehmens Texas Instruments (TM) verwendet werden, wobei dieser anstelle der Induktivität 41 eine Kapazität benötigt und deshalb die Gate-Elektrode 32 nicht durchgehend im Betrieb mit einer Durchschaltspannung versorgen kann, sondern im Sekundentakt die Durchschaltspannung unterbrechen muss.
-
3 bis 8 veranschaulichen weitere Möglichkeiten und Verortungen, um eine Transistoranordnung 19 in einem Kraftfahrzeug derart zentral zu verschalten, dass lediglich die Transistoranordnung 19 als Verpolschutz nötig ist und somit die in 1 veranschaulichten Verbraucher 14 selbst keinen eigenen Verpolschutz benötigen.
-
3 veranschaulicht ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Bordnetz 11 zweiteilig ausgestaltet ist, sodass die Plus-Leitungsanordnung 12 einen ersten Teil 12a und einen zweiten Teil 12b aufweist. Durch die Transistoranordnung 19 kann in der dargestellten Weise jeder der Teile 12a und 12b separat oder getrennt oder individuell mit einem Verpolschutz versorgt oder versehen werden.
-
4 veranschaulicht das zweiteilige Bordnetz 11 von 3, wobei zusätzlich zur Transistoranordnung 19 noch ein Schutztransistor 46 bereitgestellt ist, mittels welchem eine Stromstärke eines von dem Anschlusskontaktelement 15 in die Plus-Leitungsanordnung 12 fließender elektrischer Strom gedrosselt oder blockiert werden kann. Beispielsweise kann der Schutztransistor 46 in Abhängigkeit von einem Temperatursignal eines Temperatursensors gesteuert werden. Die Body-Diode 47 des Schutztransistors 46 ist anders als die Body-Diode 33 der Feldeffekttransistoren 20 mit der Flussrichtung von der Drain-Elektrode 27 hin zum Anschlusskontaktelement 15 gerichtet.
-
5 veranschaulicht das zweiteilige Bordnetz 11, wobei die Transistoranordnung 19 mit dem Feldeffekttransistor 20 einfach ausgestaltet ist und dafür jeder Teil 12a, 12b des Bordnetzes 11 einen individuellen Schutztransistor 46 aufweist, dessen Body-Diode 47 von der Plus-Leitungsanordnung 12 hin zum Anschlusskontaktelement 15 mit der Flussrichtung ausgerichtet ist.
-
6 veranschaulicht eine Möglichkeit der Verortung der Transistoranordnung 19 bei einem Bordnetz 11, das über einen DC/DC-Wandler 48 (Gleichspannungswandler) mit einem zweiten Bordnetz 11' gekoppelt ist. Das zweite Bordnetz 11' kann beispielsweise ein Hochvoltbordnetz (mit einer Bordnetzspannung größer als 60 Volt, zum Beispiel größer als 200 Volt) oder ein 48-Volt Bordnetz sein. Das Bordnetz 11 kann dann beispielsweise ein 12-Volt-Bordnetz sein. Die Transistoranordnung 19 kann als ein Bestandteil eines Steuergeräts ausgestaltet sein, durch welches auch der DC/DC-Wandler 48 realisiert ist. Eine Drain-Elektrode 27 der Transistoranordnung 19 kann dann beispielsweise zusammen mit einem Gleichrichttransistor 49 und einem Energiepuffer 50, beispielsweise einem Kondensator, mit der Plus-Leitungsanordnung 12 in dem Steuergerät verschaltet sein. Hierdurch kann dann beispielsweise auch eine Kühleinrichtung des Steuergeräts zum Kühlen des Feldeffekttransistors 20 der Transistoranordnung 19 genutzt werden. Zudem ist kein eigenes Gehäuse für die Transistoranordnung 19 nötig. Des Weiteren dargestellt ist ein Transformator 51 des DC/DC-Wandlers 48.
-
7 veranschaulicht wie die Transistoranordnung 19 jedes der Bordnetze 11, 11' individuell mit einem Verpolschutz versorgen kann. Hierzu sind zwischen dem DC/DC-Wandler 48 und der Plus-Leitungsanordnung 12 die Feldeffekttransistoren 20 der Transistoranordnung 19 geschaltet, sodass sie über die Source-Elektrode 28 verbunden sind, an welcher auch das Anschlusskontaktelement 15 angeschlossen ist.
-
8 veranschaulicht, wie die Transistoranordnung 19 mit einem einzigen Feldeffekttransistor 20 oder mit einer einfachen Parallelschaltung aus Feldeffekttransistoren 20 sowohl das Bordnetz 11 als auch das Bordnetz 11' vor einer Verpolung am Anschlusskontaktelement 15 schützen kann. Des Weiteren kann ein einzelner Schutztransistor 46 oder einen Parallelschaltung aus Schutztransistoren 46 am Anschlusskontaktelement 15 vorgesehen sein. Ein zusätzlicher Schutztransistor 46 kann dem DC/DC-Wandler 48 vorgeschaltet sein.
-
Zusammengefasst wird also ein Aufwärtsschaltregler mit einem Wandlungsverhältnis von z.B. 1:100 eingesetzt, mindestens 1:20. Da die Anforderungen an die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad des Schaltreglers sehr gering sind, kann als Induktivität eine Multilayer-Chip-Induktivität eingesetzt werden, die kompakt und preiswert sein kann. Bevorzugt kann die Gatekapazität als Schaltregler - Ausgangskapazität benutzt werden, wodurch keine zusätzliche Kapazität erforderlich ist. Ferner kann die Schaltregler-Eingangskapazität entfallen, wenn die Anordnung sehr nahe an Drain- und Source vom MOSFET angeordnet ist. Der minimale Schaltungsaufwand besteht somit aus drei Bauelementen: MOSFET, IC, Induktivität.
-
Es ergibt sich ferner der Vorteil, dass keine separate Versorgungsspannung notwendig ist und somit weder Ruhestrom fließt, noch die automotiven Anforderungen an Pulse auf Versorgungsspannungen anzuwenden sind.
-
Bevorzugt ist die folgende Ausgestaltung vorgesehen. Zwischen einem Fremdstartbolzen und einer Klemme-30-Leitung ist ein MOSFET angeordnet. Über die Body-Diode des MOSFET fällt bei Stromfluss eine Spannung von ca. 0,7 Volt ab. Vornehmlich in einer integrierten Schaltung ist eine Logikschaltung angeordnet, welche ihrerseits verpolgeschützt ist und ab einem Wert von weniger als 0,7 Volt arbeitet. Eine externe Induktivität bildet mit einer Diode/MOSFET und einem Schalter/MOSFET einen Aufwärtsschaltregler. Der Schaltregler ist wiederum über z.B. einen MOSFET selber verpolgeschützt. In der Logikschaltung wird ein PWM-Signal erzeugt, welches die Induktivität mit Strom auflädt und anschließend über die Diode auf das Gate von entlädt. Hierdurch wird das Gate positiv aufgeladen. Sobald die Gatespannung höher ist, als die Usd, wird die Logikschaltung von der Gatespannung versorgt.
-
Die Ausgangsspannung des Schaltreglers entspricht der Gatespannung. Es wird bei einer Ugs > Uds die Logik des ICs und des Schaltreglers von der Ugs betrieben.
-
Es stellt sich bei kleinen Strömen ein automatischer Regelvorgang ein: Sobald die Ugs_threshhold überschritten wird, beginnt der MOSFET zu leiten und die Uds verringert sich. Dies geschieht solange, wie die Schaltregler Induktivität noch imstande ist, die Ugs zu erhöhen. Es stellt sich ein stationärer Zustand ein, bei dem die Uds zwar nicht minimal, aber sehr gering ist. Idealerweise < 0,1 Volt (U_min). Da der Strom gering ist, führt dieser Spannungsabfall auch nur zu geringer Verlustwärme. Es beträgt der maximale Spannungsverlust anstelle ca.0,7V nur < 0,1V. Ferner ist der Spannungsabfall bei konstantem Strom ebenfalls konstant.
-
Es endet dieser Regelvorgang bei Strömen größer als ein Schwellenwert. Sobald I*rds_on > U_min wird, ist eine maximale Ugs von z.B. 15 Volt erreicht, welche durch die Logik begrenzt wird. Bei hohen Strömen wird dadurch die minimal mögliche Verlustwärme des MOSFET erreicht. P= rds_on * I2, wobei sich der rds_on mit Ugs=15 Volt ergibt und den minimalen Durchgangswiderstand der Schaltstrecke angibt.
-
Bei einer Verpolung wird das Gate von entladen.
-
Wichtige Aspekte sind also:
- - Zweipolige ideale Diode mit Aufwärts- Schaltregler
- - Verwendung der Gate- Kapazität als Pufferkondensator
- - Versorgung des IC aus der Ugs
- - Selbstregelung der Spannungen Ugs und Uds
-
Eine bevorzugte mechanische und elektrische Ausgestaltung ergibt sich wie folgt:
-
Vorteilhaft auf Basis einer zweipoligen Anordnung wird ein Verpolschutz direkt am Fremdstartbolzen (Bolzen) angebracht. Auf einer Grundplatte (Platte) wird ein Bolzen mit einem Isolierelement angeordnet. Die Anordnung der Isolation entspricht z.B. der Isolation von Transistoren im T0220 Gehäuse gegenüber einem Kühlkörper. Auf der Rückseite wird der Bolzen durch eine PCB (Printed Circuit Board = Leiterplatte) geführt, welche dort die Isolation darstellt. Der Bolzen wird mit einer Verbindung (z.B. Schraubverbindung) elektrisch und thermisch mit der Unterseite der PCB verbunden. Die Oberseite der PCB wird elektrisch und thermisch mit der Platte verbunden. Die Verbindungen erfolgen z.B. durch den Anpressdruck. Optional werden die Verbindungen z.B. mit Lot, Leitkleber und/oder Scheiben unterstützt oder hergestellt. Einer oder mehrere MOSFETs werden so auf der Unterseite der PCB angeordnet, dass Source unmittelbar zum Bolzen geführt und Drain über Durchkontaktierungen unmittelbar zur Platte geführt wird. Dies ergibt eine bevorzugte Sandwich-Anordnung.
-
Auf der Unterseite befindet sich die Ansteuerung des/der MOSFETs. Bei zweipoliger Ansteuerung ist keine weitere elektrische Verbindung notwendig.
-
Elektrisch ist über die Body-Diode des/der MOSFETs ein Stromfluss in Richtung Bolzen -> Fahrzeug gegeben. Bei Ansteuerung als ideale Diode ist der Stromfluss Fahrzeug -> Bolzen unterbrochen. Somit ist der Stromfluss bei Verpolung oder Kurzschluss am Bolzen unterbrochen. Optional kann die Ansteuerung auch mit elektronischer Begrenzung in Richtung Fahrzeug-Bordnetz zum Bolzen realisiert werden.
-
Die Oberseite der PCB kann vollflächig mit Kupfer kaschiert sein, wodurch sich die elektrischen und thermischen Widerstände mimimieren. Die Unterseite der PCB kann einlagig geroutet werden. Dadurch ist insgesamt eine zweilagige PCB ausreichend. Durch die Anordnung kann die Leitungslänge I minimiert und die Leitungsbreite b maximiert werden. Mit der Dicke der Kupferkaschierung d, und des elektrischen Widerstandskoeffizienten von Kupfer k ergibt sich ein Leiterbahnwiderstand R=k*I/b/d. Vorteilhaft kann bei kleinem I und großem b, d vergleichsweise klein gehalten werden. Für den thermischen Widerstand gelten ähnliche Zusammenhänge.
-
Folgende weitere Aspekte sind bevorzugt:
- - Anordnung der Verbindungen von Source zum Bolzen und Drain zur Platte.
- - Konstruktive Sandwichstruktur ohne diskrete Leitungen.
- - Anordnung auf der Rückseite der Platte.
- - Minimierung der elektrischen Strompfade.
- - Minimierung des Bedarfs an leitfähigem Material wie Kupfer.
- - Thermische Anbindung an die Grundplatte und den Bolzen.
- - Kühlung über die Grundplatte und den Bolzen.
- - Entfall separater Kühlungselemente.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine konstruktive Ausführung eines zentralen Verpolschutzes in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann.
