DE102019135050A1

DE102019135050A1 - Reverse polarity protection circuit

Info

Publication number: DE102019135050A1
Application number: DE102019135050.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Neiss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Schutzschaltung (1) zum Schutz einer ersten elektrischen Gleichstromvorrichtung vor der Herstellung einer verpolten elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Gleichstromvorrichtung mit einer zweiten Gleichstromvorrichtung, mit Kontakten (K1-K4), Schaltern (S1, S2) und einer Steuereinheit (10).Protective circuit (1) for protecting a first electrical direct current device from the establishment of a reverse polarity electrically conductive connection between the first direct current device and a second direct current device, with contacts (K1-K4), switches (S1, S2) and a control unit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz einer ersten elektrischen Gleichstromvorrichtung vor der Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Gleichstromvorrichtung mit einer zweiten Gleichstromvorrichtung.The invention relates to a protective circuit for protecting a first electrical direct current device before an electrically conductive connection is established between the first direct current device and a second direct current device.

Moderne elektrische Gleichstromvorrichtungen verfügen häufig über eine Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung einer weiteren oder äußeren anderen elektrischen Gleichstromvorrichtung, die eine Spannungsquelle oder Spannungssenke sein kann.Modern electrical direct current devices often have the option of making electrical contact with a further or external other electrical direct current device, which can be a voltage source or voltage sink.

Die erste Gleichstromvorrichtung kann etwa Bestandteil einer stationären Einrichtung wie eines Stromaggregats oder eines Fortbewegungsmittels wie eines Bootes oder eines Schienenfahrzeugs sein. Auch das Bordnetz eines verbrennungsmotorischen Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs umfasst üblicherweise eine solche elektrische Gleichstromvorrichtung, um im Bedarfsfalle eine leitende Verbindung mit der weiteren Gleichstromvorrichtung, wie etwa einer äußeren Gleichspannungsquelle oder Gleichspannungssenke herzustellen. Das Fremdstarten des Fahrzeugbordnetzes als erster Gleichstromvorrichtung mittels einer Fremdstartbatterie als zweiter, äußerer Gleichstromvorrichtung ist ein Beispiel für die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Gleichstromvorrichtung mit einer zweiten Gleichstromvorrichtung.The first direct current device can be part of a stationary device such as a generator or a means of locomotion such as a boat or a rail vehicle. The on-board network of an internal combustion engine motor vehicle or an electric vehicle usually also includes such an electrical direct current device in order to establish a conductive connection to the further direct current device, such as an external direct voltage source or direct voltage sink, if necessary. The external starting of the vehicle electrical system as the first direct current device by means of an external starting battery as the second, external direct current device is an example of the production of an electrically conductive connection between the first direct current device and a second direct current device.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in der weiteren Beschreibung beispielhaft die Elektrik eines Fahrzeugs als eine erste elektrische Gleichstromvorrichtung im Sinne des vorliegenden Dokuments angenommen. Die Elektrik bzw. das Bordnetz eines Fahrzeugs ist nur schwer von außen zugänglich untergebracht. So sind etwa Klemmen einer elektrischen Maschine oder Pole einer Batterie als Beispiel für eine zweite elektrische Gleichstromvorrichtung für eine Bedienperson von außen üblicherweise nur mit erheblichem technischen und zeitlichen Aufwand erreichbar.Without restricting the generality, in the further description the electrics of a vehicle are assumed as a first electrical direct current device in the sense of the present document by way of example. The electrics or the on-board network of a vehicle are only accessible with difficulty from the outside. For example, terminals of an electrical machine or poles of a battery, as an example of a second electrical direct current device, can usually only be reached by an operator from outside with considerable technical and time expenditure.

Deshalb wird ein Fremdstartpol, der auch als Fremdstartstützpunkt bezeichnet wird, meist leicht zugänglich beispielsweise im Motorraum des Fahrzeugs verbaut. Der Fremdstartpol ermöglicht einen schnellen elektrischen Zugang zum Bordnetz für den Fall, dass die Stromversorgung infolge einer defekten oder tiefentladenen Batterie oder aus anderen Gründen unterbrochen ist und ein Fremdstart oder eine Fremdladung an einer äußeren Spannungs- und Stromquelle erforderlich ist. Auch einem anderen Verbraucher wie einem Fahrzeug oder einer externen Spannungs- und Stromsenke kann über den Fremdstartpol elektrische Energie aus dem eigenen Bordnetz gespendet werden, falls dort ein derartiges Problem auftritt.For this reason, a jump start pole, which is also referred to as a jump start support point, is usually installed in an easily accessible manner, for example in the engine compartment of the vehicle. The jump start pole enables quick electrical access to the on-board network in the event that the power supply is interrupted due to a defective or deeply discharged battery or for other reasons and a jump start or charge at an external voltage and current source is required. Another consumer, such as a vehicle or an external voltage and current sink, can also be supplied with electrical energy from its own on-board network via the external start pole if such a problem occurs there.

Wird beispielsweise ein Fremdstart eines Fahrzeugs unter Beteiligung eines Fremdfahrzeugs mit Starthilfekabeln durchgeführt, sollten unabhängig davon, welches der beiden Fahrzeuge als Empfänger der elektrischen Leistung und welches der beiden Fahrzeuge als Spender der elektrischen Leistung fungiert, zunächst die beiden höheren Potentiale mit einem Starthilfekabel miteinander verbunden werden, d.h. die Pluspole der beiden Batterien oder die Fremdstartstützpunkte der beiden Fahrzeuge oder der Pluspol einer Batterie mit dem Fremdstartpol des anderen Fahrzeugs.For example, if a vehicle is jump-started with the help of a third-party vehicle with jump-start cables, regardless of which of the two vehicles acts as the receiver of the electrical power and which of the two vehicles acts as the donor of the electrical power, the two higher potentials should first be connected with a jump-start cable , ie the positive terminals of the two batteries or the jump start points of the two vehicles or the positive terminal of one battery with the jump start terminal of the other vehicle.

In einem zweiten Schritt werden die Massen der beiden Fahrzeuge mit einem Starthilfekabel miteinander verbunden, das bedeutet die Minuspole der beiden Batterien oder ein Massestützpunkt eines Fahrzeugs mit einem Massestützpunkt des anderen Fahrzeugs oder der Minuspol einer Batterie mit einem Massestützpunkt des anderen Fahrzeugs. Unter Massestützpunkt wird in diesem Zusammenhang ein elektrisches Bauteil des Fahrzeugs verstanden, das leitend mit der Masse des Fahrzeugs verbunden ist.In a second step, the masses of the two vehicles are connected to each other with a jump start cable, i.e. the negative poles of the two batteries or a ground support point of one vehicle with a ground support point of the other vehicle or the negative pole of a battery with a ground support point of the other vehicle. In this context, a ground support point is understood to mean an electrical component of the vehicle that is conductively connected to the ground of the vehicle.

In der Praxis kommt es jedoch häufig zur Verpolung. Dies bedeutet, dass nicht das höhere Potential des Spenders mit dem höheren Potential des Empfängers verbunden wird, sondern das höhere Potential des Spenders mit der Masse des Empfängers. Demzufolge wird die Masse des Spenders mit dem höheren Potential des Empfängers verbunden. Eine solche Verpolung ereignet sich meist durch Unachtsamkeit oder mangelnde Erfahrung der Bedienperson, da ein Fremdstart oder eine Fremdladung einen besonderen Betriebszustand des Fahrzeugs und einen Ausnahmefall darstellen.In practice, however, the polarity is often reversed. This means that it is not the higher potential of the donor that is connected to the higher potential of the recipient, but the higher potential of the donor to the mass of the recipient. As a result, the mass of the donor is connected to the higher potential of the recipient. Such polarity reversal usually occurs due to carelessness or a lack of experience on the part of the operator, since external start or external charging represent a special operating state of the vehicle and an exceptional case.

Massive Schäden an elektrischen Bauteilen insbesondere auf Seiten des Empfängers sind im Verpolungsfall die Folge. Deshalb ist im Stand der Technik beispielsweise eine Maßnahme beschrieben, die Schäden im Verpolungsfall begrenzen soll.If the polarity is reversed, massive damage to electrical components, especially on the receiver side, is the result. For this reason, a measure is described in the prior art, for example, which is intended to limit damage in the event of reverse polarity.

Das Dokument DE 100 47 791 A1 betrifft etwa einen Verpolschutz für einen Fremdstartpol in einem Kraftfahrzeug, wobei zwischen einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und dem Fremdstartpol ein Schaltelement angeordnet ist, dem eine Einrichtung zur Erfassung der Polarität der an dem Fremdstartpol anliegenden Spannung zugeordnet ist, wobei das ansonsten offene Schaltelement bei richtiger Verpolung über die Einrichtung zur Erfassung der Polarität schließbar ist.The document DE 100 47 791 A1 relates, for example, to polarity reversal protection for a jump start pole in a motor vehicle, a switching element being arranged between an on-board network of the motor vehicle and the jump start pole, to which a device for detecting the polarity of the voltage applied to the jump start pole is assigned, the otherwise open switching element over with correct polarity reversal the device for detecting the polarity can be closed.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schutzschaltung zum Schutz einer ersten elektrischen Gleichstromvorrichtung vor der Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Gleichstromvorrichtung mit einer zweiten Gleichstromvorrichtung bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved protection circuit for protecting a first DC electrical device from the To provide an electrically conductive connection between the first direct current device and a second direct current device.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schutzschaltung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a protective circuit according to claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention emerge from the dependent claims.

Erfindungsgemäß weist die Schutzschaltung einen ersten und einen zweiten Kontakt auf, über die sie mit der ersten Gleichstromvorrichtung elektrisch leitend verbindbar ist, sowie einen dritten und einen vierten Kontakt auf, über die sie mit der zweiten Gleichstromvorrichtung elektrisch leitend verbindbar ist. Weiterhin hat die Schutzschaltung einen ersten Schalter, durch den der zweite Kontakt mit dem vierten Kontakt elektrisch leitend verbindbar ist, und einen zweiten Schalter, durch den der erste Kontakt mit dem dritten Kontakt elektrisch leitend verbindbar ist, sowie eine Steuereinheit aufweist, die zum Schalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters eingerichtet ist. Dazu ist der Steuereinheit jeweils eine Diagnoseleitung zu den jeweils vier Kontakten zugeordnet, um eine Spannung Usch zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt sowie eine Spannung Uext zwischen dem dritten Kontakt und dem vierten Kontakt zu ermitteln. Die elektrische Versorgung der Steuereinheit kann über die Spannung Uext und/oder über die Spannung U_sch erfolgen. Es ist auch eine Versorgung über eine eigens hierfür vorgesehen Energiequelle wie beispielsweise eine Consumerbatterie möglich.According to the invention, the protective circuit has a first and a second contact via which it can be electrically connected to the first direct current device, and a third and a fourth contact via which it can be electrically connected to the second direct current device. Furthermore, the protective circuit has a first switch, through which the second contact can be electrically connected to the fourth contact, and a second switch, through which the first contact can be electrically connected to the third contact, as well as a control unit which is used to switch the first switch and the second switch is set up. For this purpose, the control unit is assigned a diagnostic line to each of the four contacts in order to determine a voltage Usch between the first contact and the second contact and a voltage Uext between the third contact and the fourth contact. The electrical supply of the control unit can take place via the voltage Uext and / or via the voltage U _sch . It is also possible to use a power source specifically provided for this purpose, such as a consumer battery.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter der Spannungsermittlung nicht notwendigerweise die Messung eines Wertes der Spannung (in Volt) zu verstehen, sondern vielmehr kann sich die Spannungsermittlung in der Detektion der Polarität der Spannung, d.h. in der Ermittlung des „Vorzeichens“ der Spannung, erschöpfen.In the context of the present invention, voltage determination does not necessarily mean the measurement of a value of the voltage (in volts), but rather the voltage determination can be exhausted in the detection of the polarity of the voltage, ie in the determination of the "sign" of the voltage .

Die Spannungsermittlung kann jeweils durch die Messung des Potentialabfalls an einem Messwiderstand erfolgen. Die Steuereinheit ist also sowohl zum Messen des Potentialabfalls Usch und des Potentialabfalls Uext als auch zum Stellen der Schalter eingerichtet. Bevorzugt sind die beiden Schalter in einer Grundstellung geöffnet. In Abhängigkeit der gemessenen Potentialabfälle können also durch das Schalten der beiden Schaltern auf „ein“, d.h. in die geschlossene Stellung, der erste und der dritte Kontakte sowie der zweite und der vierte Kontakt miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Dadurch kann die Schaltung zum Schützen sowohl vor Verpolung als auch zum Schützen vor Kurzschlüssen zwischen und innerhalb der beiden Gleichstromvorrichtungen eingesetzt werden, falls diese miteinander in Verbindung gebracht werden.The voltage can be determined by measuring the potential drop across a measuring resistor. The control unit is thus set up both for measuring the potential drop Usch and the potential drop Uext and for setting the switches. The two switches are preferably open in a basic position. Depending on the measured potential drops, by switching the two switches to "on", i.e. in the closed position, the first and third contacts as well as the second and fourth contacts can be connected to one another in an electrically conductive manner. As a result, the circuit can be used both for protection against polarity reversal and for protection against short circuits between and within the two direct current devices, if these are brought into connection with one another.

Nach einer Ausführung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, bei positiv gepolter Spannung Uext den ersten Schalter und den zweiten Schalter zu schließen, wobei bei positiv gepolter Spannung Uext der dritte Kontakt auf einen höheren elektrischen Potential liegt als der vierte Kontakt.According to one embodiment of the invention, the control unit is set up to close the first switch and the second switch when the voltage Uext is positive, the third contact being at a higher electrical potential than the fourth contact when the voltage Uext is positive.

Bei dieser Ausführung wird die Spannung Uext auf ihre Polarität überprüft und nur bei einer bestimmten Polrichtung wird die Schutzschaltung geschaltet. Denn falls die zweite Gleichstromvorrichtung so mit der Schutzschaltung in Verbindung gebracht wird, dass der dritte Kontakt auf einem niedrigeren Potential liegt als der vierte Kontakt, bleiben die beiden Schalter geöffnet. Nur bei umgekehrter Polrichtung werden die beiden Schalter geschlossen. Somit besteht ein Verpolschutz bezüglich der Spannung Uext.In this version, the voltage Uext is checked for its polarity and the protective circuit is only switched for a certain polarity direction. This is because if the second direct current device is connected to the protective circuit in such a way that the third contact is at a lower potential than the fourth contact, the two switches remain open. The two switches are only closed if the polarity is reversed. There is thus a reverse polarity protection with regard to the voltage Uext.

Gemäß einer weiteren Variante ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, bei positiv gepolter Spannung Uext und bei positiv gepolter Spannung U_sch den ersten Schalter und den zweiten Schalter zu schließen, wobei bei positiv gepolter Spannung Uext der dritte Kontakt auf einem höheren elektrischen Potential liegt als der vierte Kontakt und bei positiv gepolter Spannung Usch der erste Kontakt auf einem höheren elektrischen Potential liegt als der zweite Kontakt.According to a further variant, the control unit is set up _{to close the first switch and the second switch when the voltage Uext is positive and the voltage U sch is} positive, the third contact being at a higher electrical potential than the fourth when the voltage Uext is positive Contact and with a positive voltage Usch the first contact is at a higher electrical potential than the second contact.

Bei dieser Variante wird nicht nur die Spannung Uext sondern auch die Spannung U_sch auf eine vorgegebene Polrichtung überprüft. Nur falls beide Polrichtungen die richtige Polarität aufweisen und polgleich sind werden die beiden Schalter geschlossen.In this variant, not only the voltage Uext but also the voltage U _{sch is} checked for a specified pole direction. The two switches are only closed if both polarity directions have the correct polarity and have the same polarity.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Schutzschaltung eingerichtet, mit den Fremdstartpolen eines Kraftfahrzeugs verbunden zu werden, wobei der erste Kontakt mit einem positiven Fremdstartpol und er zweite Kontakt mit einem negativen Fremdstartpol des Kraftfahrzeugs verbindbar ist.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the protective circuit is set up to be connected to the jump start poles of a motor vehicle, the first contact being connectable to a positive jump start pole and the second contact being connectable to a negative jump start pole of the motor vehicle.

Nach dieser Variante ist das Bordnetz des Kraftfahrzeugs die erste Gleichstromvorrichtung. Eine fahrzeugexterne Spannungsquelle, z.B. eine Fremdstartbatterie, fungiert als zweite Gleichstromvorrichtung und stellt die die Spannung Uext bereit. Nur wenn auch der dritte Kontakt potentialhöher liegt als der vierte Kontakt ist die Fremdstartbatterie polgleich an das Fahrzeug angeschlossen. In diesem Fall werden die beiden Schalter geschlossen und ein Fremdstart ist möglich.According to this variant, the vehicle electrical system is the first direct current device. A voltage source external to the vehicle, e.g. a jump start battery, acts as a second direct current device and provides the voltage Uext. Only if the third contact is also higher in potential than the fourth contact is the jump start battery connected to the vehicle with the same polarity. In this case, the two switches are closed and a jump start is possible.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Kontakte der Schutzschaltung jeweils mit einer Kontaktierhilfe versehen sind.Another variant of the invention provides that the contacts of the protective circuit are each provided with a contacting aid.

Die Kontaktierhilfen können als Kontaktklemmen ausgebildet sein. Auf diese Weise ist die Schutzschaltung in ein Set von Starterkabeln zum Fremdstarten eines Kraftfahrzeugs integriert. Nur bei jeweils richtig gepoltem Anschließen der ersten und der zweiten Gleichstromvorrichtung ist ein Fremdstart möglich. Auch ein Kurzschluss wird unterbunden, der bspw. dann entsteht, wenn der dritte Kontakt und der erste Kontakt innerhalb einer der Gleichstromvorrichtungen (anstatt an den beiden) mit den jeweiligen Kontaktierhilfen kontaktiert werden.The contacting aids can be designed as contact clamps. In this way, the protective circuit is integrated into a set of starter cables for external starting of a motor vehicle. A jump start is only possible if the first and second direct current devices are connected with the correct polarity. A short circuit is also prevented, which occurs, for example, when the third contact and the first contact within one of the direct current devices (instead of the two) are contacted with the respective contacting aids.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:

Um ein Fahrzeug mit leerer Batterie zu starten, wird oft auf die Starthilfe durch ein anderes Fahrzeug zurückgegriffen. Bei diesem Vorgang wird das Bordnetz mit der leeren und teilentleerten Fahrzeugbatterie des Empfängerfahrzeugs mit einer externen Energiequelle, meist mit der geladenen oder teilgeladenen Fahrzeugbatterie über das Bordnetz eines Spenderfahrzeugs, verbunden. Die Batterie des Empfängerfahrzeugs ist dabei sehr häufig nur teilentladen, d.h. der Ladezustand der Batterie reicht nicht mehr aus, um den Starter des Fahrzeugs mit ausreichender elektrischer Leistung zu versorgen, so dass dieser den Motor hochzudrehen in der Lage ist. Nur weil die Batterie unterhalb dieser Startfähigkeitsgrenze ist, bedeutet dies jedoch nicht, dass die Batterie des Empfängerfahrzeugs spannungslos wäre.

The invention is based on the considerations set out below:

To start a vehicle with an empty battery, jump start assistance from another vehicle is often used. During this process, the on-board network with the empty and partially discharged vehicle battery of the recipient vehicle is connected to an external energy source, usually with the charged or partially charged vehicle battery via the on-board network of a donor vehicle. The battery of the receiving vehicle is very often only partially discharged, ie the state of charge of the battery is no longer sufficient to supply the starter of the vehicle with sufficient electrical power so that it is able to rev up the engine. However, just because the battery is below this startability limit does not mean that the battery of the receiving vehicle is dead.

Bei der Starthilfe wird die Batterie des Empfängerfahrzeugs überbrückt und das Empfängerfahrzeug kann gestartet werden. Essentiell bei diesem Vorgang ist der Anschluss von Starthilfekabeln. Werden die Kabel falsch angeschlossen, entsteht eine Verpolung, durch welche elektrische Komponenten beschädigt oder zerstört werden können.With jump start, the battery of the recipient vehicle is bridged and the recipient vehicle can be started. The connection of jump leads is essential in this process. If the cables are connected incorrectly, polarity reversal occurs, which can damage or destroy electrical components.

Alternativ wird das Empfängerfahrzeug durch Einsatz der Starthilfekabel nicht gestartet, sondern es wird die Batterie im Empfängerfahrzeug geladen. Werden dabei die Kabel falsch angeschlossen, werden nicht nur elektrische Komponenten beschädigt oder zerstört, sondern es könnte die Batterie im Empfängerfahrzeug verpolt geladen werden. Der eigentliche Pluspol wäre dann in Minuspol und umgekehrt.Alternatively, the receiver vehicle is not started by using the jump starter cable, but the battery in the receiver vehicle is charged. If the cables are connected incorrectly, not only will electrical components be damaged or destroyed, but the battery in the receiving vehicle could be charged with reverse polarity. The actual positive pole would then be in the negative pole and vice versa.

Der Anschluss von Starthilfekabeln kann direkt an den jeweiligen Batterien von Spenderfahrzeug und Empfängerfahrzeug erfolgen. Da aber aufgrund der Bauraumsituation in modernen Fahrzeugen die Batterien in nicht zugänglichen Bereiche des Fahrzeuges positioniert werden, sind separate Fremdstartpole oder Fremdstartstützpunkte (FSSP) notwendig. Diese Stützpunkte befinden sich meist leicht zugänglich im Motorraum des Fahrzeuges und sind polrichtig mit der Fahrzeugbatterie verbunden.Jump start cables can be connected directly to the respective batteries of the donor vehicle and the recipient vehicle. However, since the batteries are positioned in inaccessible areas of the vehicle due to the installation space situation in modern vehicles, separate jump start poles or jump start support points (FSSP) are necessary. These support points are usually easily accessible in the engine compartment of the vehicle and are connected to the vehicle battery with the correct polarity.

Beschädigungen durch Verpolung sind v.a. bei sicherheitsrelevanten Systemen kritisch. Ein solches System ist etwa die elektromechanische Lenkung. Eine Beschädigung dieser Baugruppe ist durch den Fahrzeugnutzer nicht sofort ersichtlich und könnte ohne Verpolschutz unter ungünstigen Umständen zu einem Ausfall des Lenksystems führen. Deshalb kann je sicherheitsrelevanter Baugruppen ein eigenständiger Verpolschutz eingesetzt werden, was jedoch zu erhöhten Kosten führt.Damage caused by polarity reversal is particularly critical in safety-relevant systems. Electromechanical steering is one such system. Damage to this assembly is not immediately apparent to the vehicle user and, without reverse polarity protection, could, under unfavorable circumstances, lead to failure of the steering system. Therefore, an independent polarity reversal protection can be used for each safety-relevant assembly, but this leads to increased costs.

Weitere Schutzmöglichkeiten ergeben sich aus dem Stand der Technik, siehe etwa DE 100 47 791 A1 . Es wird beschrieben, zwischen dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges und den Fremdstartpolen ein Schaltelement anzuordnen, welches als zentraler Verpolschutz dient. Durch dieses Schaltelement kann auf den jeweiligen lokalen Verpolschutz verzichtet werden. Wird eine richtige Polung erkannt, wird das Schaltelement geschlossen und der Strom freigegeben. Wird eine Verpolung erkannt, bleibt das Schaltelement geöffnet und der Strom wird blockiert. Ein ähnliches System ist auch im Dokument DE 102011080182 A1 beschrieben. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass Änderungen am Bordnetz vorgenommen werden müssen.Further protection options result from the state of the art, see for example DE 100 47 791 A1 . It is described to arrange a switching element between the electrical system of the motor vehicle and the jump start poles, which serves as a central polarity reversal protection. This switching element makes it possible to dispense with the respective local polarity reversal protection. If correct polarity is recognized, the switching element is closed and the current is released. If polarity reversal is detected, the switching element remains open and the current is blocked. A similar system is also in the document DE 102011080182 A1 described. The disadvantage of these systems is that changes have to be made to the on-board network.

Eine alternative Möglichkeit für einen zentralen Verpolschutz, kann der Schrift DE 102009058729 A1 entnommen werden. Das beschriebene System schützt im Verpolungsfall sowohl das elektrische Bordnetz als auch den internen Energiespeicher vor Beschädigungen. An alternative possibility for a central reverse polarity protection can be the font DE 102009058729 A1 can be removed. In the event of polarity reversal, the system described protects both the electrical system and the internal energy storage device from damage.

Das primäre Ziel dieses Ansatzes ist es, die Verbindung zu der falsch angeschlossenen externen Stromquelle so zu kappen, dass das interne Bordnetz weiter intakt bleibt. Dafür wird ein Trennschalter genutzt, welcher zwischen dem FSSP und dem Batteriepol angeordnet wird. Die Aktivierung des Trennschalters erfolgt über eine Diode und einen Gasantrieb. Erfolgt ein Anschluss einer externen Stromquelle mit falscher Polung, fließt Strom durch die Diode und zündet einen Gasgenerator. Durch die dabei freigesetzte thermische Energie wird die elektrische Verbindung zu der externen Stromquelle gekappt. Der Stand der Technik offenbart den Nachteil, dass das System nur einmalig nutzbar ist.The primary goal of this approach is to cut the connection to the incorrectly connected external power source in such a way that the internal on-board network remains intact. A circuit breaker is used for this, which is arranged between the FSSP and the battery pole. The disconnector is activated via a diode and a gas drive. If an external power source is connected with incorrect polarity, current flows through the diode and ignites a gas generator. The thermal energy released in the process cuts the electrical connection to the external power source. The prior art discloses the disadvantage that the system can only be used once.

Es wird nun ein erfindungsgemäßer, zentraler und präventiver Verpolschutz vorgeschlagen, welcher unabhängig von einem bestimmten Fahrzeug eingesetzt werden kann, indem der auf die Fremdstartstützpunkte aufgesetzt werden kann und in eine Starthilfekabel-Set integriert sein kann.A central and preventive reverse polarity protection according to the invention is now proposed which can be used independently of a specific vehicle by being able to be placed on the external starting support points and being integrated into a jump starter cable set.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, benötigt die hier beschriebene Verpolschutzschaltung keine Änderungen im Bordnetz des Fahrzeuges und kann auch mehrfach genutzt werden. Der Verpolschutz wird als eigenständiges Bauteil ausgeführt, welches auf Fremdstartpole aufgesteckt werden oder in Starthilfekabel-Set integriert werden kann. Die Verpolschutzschaltung umfasst eine Logik, Schalter und Fremdstartkontakte, die die üblichen Fremdstartpole ersetzen.In contrast to the prior art, the polarity reversal protection circuit described here does not require any changes in the vehicle's electrical system and can also be used multiple times. The Reverse polarity protection is designed as an independent component, which can be attached to external start poles or integrated into a jump starter cable set. The polarity reversal protection circuit includes logic, switches and jump start contacts that replace the usual jump start poles.

Wird die erfindungsgemäße Verpolschutzschaltung verwendet, erfolgt der Anschluss der Starthilfekabel an den Fremdstartkontakten der Verpolschutzschaltung. Über die bauteilinternen Schalter kann der Stromkreis zwischen den beiden Fremdstartkontakten geöffnet oder geschlossen werden. Ist ein Schalter im geöffneten Zustand, erfolgt kein Stromfluss zwischen den beiden Fremdstartkontakten. Werden beide Schalter und somit der Stromkreis geschlossen, kann ein Strom zwischen den Fremdstartkontakten fließen und somit das Fahrzeug fremdgestartet werden. In seiner Grundstellung ist mindestens ein Schalter geöffnet, wodurch kein Strom fließen kann.If the reverse polarity protection circuit according to the invention is used, the jump starter cables are connected to the jump start contacts of the reverse polarity protection circuit. The circuit between the two jump start contacts can be opened or closed using the component-internal switch. If a switch is in the open state, there is no current flow between the two jump start contacts. If both switches and thus the circuit are closed, a current can flow between the jump start contacts and the vehicle can be jump started. In its basic position, at least one switch is open, which means that no current can flow.

Die Stellung der Schalter und somit der Stromfluss wird durch die Logikeinheit bestimmt. Über diese Logikeinheit erfolgt eine Polaritätserkennung der anliegenden Spannung erkannt und auf Basis dieser Polarität kann der Stromfluss freigegeben oder gesperrt werden. Wird eine korrekte Polarität erkannt, wird der jeweilige Schalter geschlossen und der Strom freigegeben. The position of the switches and thus the flow of current is determined by the logic unit. This logic unit is used to detect the polarity of the applied voltage and, based on this polarity, the flow of current can be enabled or blocked. If the correct polarity is recognized, the respective switch is closed and the current is released.

Wird jedoch eine Verpolung erkannt, bleibt der Schalter geöffnet und der Stromkreis unterbrochen. Die Bestimmung der Polarität kann dabei über verschiedene Arten erfolgen.However, if reverse polarity is detected, the switch remains open and the circuit is interrupted. The polarity can be determined in different ways.

Besonders vorteilhaft an der Verpolschutzschaltung ist, dass diese leicht nachrüstbar ist. Da der Verpolschutzschaltung als eigenständiges Bauteil ausgeführt ist, welche nur auf die Fremdstartpole aufgesteckt werden kann, ist der Einsatz bei jedem beliebigen kompatiblen Fahrzeug möglich, wobei sich die Kompatibilität auf die Lage der Fremdstartpole bezieht. Damit kann das System auch dann genutzt werden, falls bei der Fahrzeugentwicklung des betreffenden Modells kein Verpolschutz vorgesehen wurde (wie z.B. bei Oldtimern).A particular advantage of the polarity reversal protection circuit is that it can be easily retrofitted. Since the polarity reversal protection circuit is designed as an independent component, which can only be plugged onto the jump-start poles, it can be used in any compatible vehicle, whereby the compatibility relates to the position of the jump-start poles. This means that the system can also be used if no polarity reversal protection was provided during the vehicle development of the relevant model (such as for classic cars).

Das System kann ein falsch angeschlossenes Bordnetz des Spenderfahrzeugs oder auch nur eine falsch angeschlossene externe Batterie als Spenderbatterie erkennen.The system can detect an incorrectly connected on-board network of the donor vehicle or just an incorrectly connected external battery as a donor battery.

Die Verpolschutzschaltung ist besonders interessant, die sie einen einfachen und zugleich zentralen Verpolschutz, der „von außen“ funktioniert, darstellt. Es sind keine Anpassungen am Bordnetz notwendig und die Verpolschutzschaltung ist nachrüstbar.The reverse polarity protection circuit is particularly interesting because it represents a simple and at the same time central reverse polarity protection that works “from the outside”. No adjustments to the on-board network are necessary and the reverse polarity protection circuit can be retrofitted.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch

1 Verpolschutzschaltung
2 Verpolschutzschaltung, kontaktiert mit einem Fahrzeugbordnetz
3 Verpolschutzschaltung mit Kontaktierhilfen, einsetzbar als Starthilfekabel-Set

A preferred exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and developments of the invention. In detail show schematically

1 Reverse polarity protection circuit
2 Reverse polarity protection circuit, contacted with a vehicle electrical system
3 Reverse polarity protection circuit with contacting aids, can be used as a jump starter cable set

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren beziehen sich auf gleiche technische Gegenstände.The same reference symbols in the figures relate to the same technical objects.

Die 1 zeigt eine Verpolschutzschaltung (1) für Gleichstromvorrichtungen. An den Kontaktstellen K1 und K2 kann die Verpolschutzschaltung an eine erste Gleichstromvorrichtung angeschlossen werden. An den Kontaktstellen K3 und K4 kann die Verpolschutzschaltung an eine zweite Gleichstromvorrichtung angeschlossen werden. Bezweckt wird mit der Verpolschutzschaltung, dass die beiden Gleichstromvorrichtungen polgleich miteinander in Verbindung gebracht werden und die Verpolschutzschaltung polrichtig mit der ersten oder zweiten Gleichstromvorrichtung elektrisch in Verbindung gebracht werden. Zu diesem Zweck ist die Verpolschutzschaltung mit einer Steuereinrichtung (10) versehen, die dazu eingerichtet ist, über Diagnoseleitungen D1-D4 zu den jeweiligen Kontakten K1-K4 den Spannungsabfall Usch und den Spannungsabfall Uext zu messen. Dazu werden jeweils hohe Messwiderstände eingesetzt, an denen anhand des Ohm'schen Gesetzes bei niedriger Stromstärke, d.h. niedrigem elektrischen Leistungsabfall die Spannungen Usch und Uext ermittelbar sind. Weiterhin weist die Verpolschutzschaltung einen Schalter S1 und einen Schalter S2 auf, die grundsätzlich geöffnet sind. Wird der Schalter S1 geschaltet, werden die Kontakt K1 und K3 elektrisch leitend miteinander verbunden. Wird der Schalter S2 geschaltet, werden die Kontakte K2 und K4 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Steuereinheit (10) ist dazu eingerichtet, bei einer vorgebbaren Polrichtung der Spannung U_sch die Schalter S1 und S2 zu schalten, sofern die externe Spannung Uext die gleiche Polrichtung aufweist. Im Ausführungsbeispiel der 1 schalten die beiden Schalter nur dann, wenn das elektrische Potential von K1 oberhalb des elektrischen Potentials von K2 liegt und das elektrische Potential von K3 oberhalb des elektrischen Potentials von K4 liegt. Bei der Messung der Steuereinheit korreliert die Polrichtung mit der Richtung des Stromflusses.The 1 shows a reverse polarity protection circuit ( 1 ) for DC devices. At the contact points K1 and K2 the polarity reversal protection circuit can be connected to a first DC device. At the contact points K3 and K4 the polarity reversal protection circuit can be connected to a second DC device. The purpose of the polarity reversal protection circuit is that the two direct current devices are connected to one another with the same polarity and that the polarity reversal protection circuit is electrically connected to the first or second direct current device with the correct polarity. For this purpose, the polarity reversal protection circuit is equipped with a control device ( 10 ), which is set up for this, via diagnostic lines D1-D4 to the respective contacts K1-K4 measure the voltage drop Usch and the voltage drop Uext. For this purpose, high measuring resistors are used in each case, at which the voltages Usch and Uext can be determined using Ohm's law at low current strength, ie low electrical power drop. The polarity reversal protection circuit also has a switch S1 and a switch S2 which are basically open. Will the switch S1 switched, the contact K1 and K3 electrically connected to each other. Will the switch S2 switched, the contacts are switched K2 and K4 electrically connected to each other. The control unit ( 10 ) is set up to switch the switch when the polarity direction of the voltage U _{sch can be predetermined} S1 and S2 to switch, provided that the external voltage Uext has the same polarity. In the embodiment of 1 switch the two switches only when the electrical potential of K1 above the electrical potential of K2 and the electrical potential of K3 above the electrical potential of K4 lies. When measuring the control unit, the pole direction correlates with the direction of the current flow.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Verpolschutzschaltung aus 2 mit einem Fahrzeugbordnetz als erster Gleichstromvorrichtung verbunden ist. Das Fahrzeugbordnetz weist einen elektrischen Energiespeicher (2) auf (z.B. eine Starterbatterie), die derart gepolt verbaut ist, dass der Minuspol (-) auf Masse (8) liegt und der Pluspol (+) parallel mit Verbrauchern (3) und einem Pluspol eines Generators (4) verschaltet ist. Weiterhin weist das Bordnetz zwei Fremdstartpole auf, die auch als Fremdstartstützpunkte bezeichnet werden, wobei der negative Fremdstartpol (7) auf Masse geschaltet ist und der positive Fremdstartpol (5) mit der positiven Polarität des Energiespeichers (2) verbunden ist. Wenn der Energiespeicher so weit entladen bzw. nur noch so weit teilgeladen ist, dass der Ladezustand unterhalb der Startfähigkeitsgrenze liegt, kann das Fahrzeug nicht mehr gestartet werden; dann ist Starthilfe erforderlich. Der Energiespeicher kann im Extremfall sogar nicht nur tiefentladen, sondern spannungslos sein. Die Verpolschutzschaltung stellt sicher, dass die Schalter S1 und S2 nur dann schalten, wenn die Kontakte K1 und K2 mit den Fremdstartpolen (5) und (7) verbunden sind, d.h. K1 mit (5) und K2 mit (7). Die Starthilfe erfolgt mit einer externen Spannungsquelle, z.B. einem anderen Fahrzeug oder einer externen Fremdstartbatterie, die polrichtig an die Verpolschutzschaltung angeschlossen sein muss, d.h. deren positiver Pol an Kontakt K3 und deren negativer Pol an den Kontakt K4. Nur wenn zwischen K1 und K2 ein positives Potential (K1 potentialhöher als K2) und ebenso zwischen K3 und K4 anliegt, ist die Fremdstartbatterie polrichtig an der Verpolschutzschaltung und die Verpolschutzschaltung polrichtig an dem Fahrzeugbordnetz angeschlossen und die Schalter S1 und S2 schalten, wodurch ein Fremdstarten ermöglicht wird. 2 shows an embodiment in which the polarity reversal protection circuit from 2 is connected to a vehicle electrical system as the first direct current device. The vehicle electrical system has a electrical energy storage ( 2 ) to (e.g. a starter battery), which is installed polarized in such a way that the negative pole (-) to ground ( 8th ) and the positive pole (+) parallel with consumers ( 3 ) and a positive pole of a generator ( 4th ) is interconnected. Furthermore, the on-board network has two foreign start poles, which are also referred to as foreign start support points, with the negative foreign start pole ( 7th ) is connected to ground and the positive jump start pole ( 5 ) with the positive polarity of the energy store ( 2 ) connected is. If the energy storage device is discharged so far or only partially charged so far that the state of charge is below the startability limit, the vehicle can no longer be started; then jump start is required. In extreme cases, the energy storage device can not only be deeply discharged, but also without voltage. The reverse polarity protection circuit ensures that the switches S1 and S2 only switch when the contacts K1 and K2 with the jump start poles ( 5 ) and ( 7th ) are connected, ie K1 With ( 5 ) and K2 With ( 7th ). The jump start is carried out with an external voltage source, e.g. another vehicle or an external external starter battery, which must be connected to the polarity reversal protection circuit, ie its positive pole to the contact K3 and their negative pole to the contact K4 . Only if between K1 and K2 a positive potential ( K1 potential higher than K2 ) and also between K3 and K4 is present, the jump start battery is connected with the correct polarity to the polarity reversal protection circuit and the polarity reversal protection circuit is connected to the vehicle electrical system and the switches S1 and S2 switch, which enables jump-starting.

Nach einer weiteren Ausführungsform nach 3 sind die Kontakte K1-K4 der Verpolschutzschaltung aus 1 jeweils mit Kontaktierhilfen Z1-Z4 in Form von Klemmen versehen, d.h. die Verpolschutzschaltung ist in ein Starthilfekabel-Set integriert. Es sind bei dieser Ausführungsform ausgehend von einer Starthilfe-Situation wie zu 2 beschrieben die Klemmen Z1 und Z3 für die elektrische Verbindung von „Plus zu Plus“ und die Klemmen Z2 und Z4 für die elektrische Verbindung von „Minus zu Minus“ bestimmt. Die Verpolschutzschaltung stellt sicher, dass die Schalter S1 und S2 nur dann schalten, wenn die Klemmen Z1 und Z2 mit den polrichtig mit dem Empfängerbordnetz verbunden sind, d.h. Z1 mit der positiven Polarität und Z2 mit der negativen Polarität. Die Starthilfe erfolgt mit einer externen Spannungsquelle, z.B. einem anderen Fahrzeug oder einer externen Fremdstartbatterie, die ebenso polrichtig an die Verpolschutzschaltung angeschlossen sein muss, d.h. deren positiver Pol an Klemme Z3 und deren negativer Pol an der Klemme Z4. Nur wenn zwischen K1 und K2 ein positives Potential (K1 potentialhöher als K2) und ebenso zwischen K3 und K4 anliegt, ist die Fremdstartbatterie polrichtig an der Verpolschutzschaltung und die Verpolschutzschaltung polrichtig an dem Empfängerbordnetz angeschlossen und die Schalter S1 und S2 schalten, wodurch ein Fremdstarten ermöglicht wird. Zudem ist die Verpolschutzschaltung sensitiv auf den Verschaltungsfehler eines Kurzschlusses, d.h. wenn etwa die Klemme Z3 am positiven Potential der Fremdstartbatterie anliegt und die Klemme Z1 am negativen Potential der Fremdstartbatterie anliegt und die Klemme Z2 an der positiven Polarität des Empfängerbordnetzes und/oder die Klemme Z4 an der negativen Polarität des Empfängerbordnetzes. Dann ermittelt die Steuereinheit der Verpolschutzschaltung keinen Spannungsabfall zwischen K3 und K4 und/oder zwischen K1 und K2 und die Schalter S1 und S2 werden nicht geschaltet.According to a further embodiment 3 are the contacts K1-K4 the polarity reversal protection circuit off 1 each with contact aids Z1-Z4 provided in the form of terminals, ie the polarity reversal protection circuit is integrated in a jump starter cable set. In this embodiment, proceeding from a start-up situation, such as to 2 described the terminals Z1 and Z3 for the electrical connection from "plus to plus" and the terminals Z2 and Z4 intended for the electrical connection from "minus to minus". The reverse polarity protection circuit ensures that the switches S1 and S2 only switch when the terminals Z1 and Z2 with the correct polarity connected to the receiver on-board network, ie Z1 with the positive polarity and Z2 with the negative polarity. The jump start is carried out with an external voltage source, e.g. another vehicle or an external external starter battery, which must also be connected to the polarity reversal protection circuit, ie its positive pole to the terminal Z3 and its negative pole on the terminal Z4 . Only if between K1 and K2 a positive potential ( K1 potential higher than K2 ) and also between K3 and K4 is present, the jump start battery is connected with the correct polarity to the polarity reversal protection circuit and the polarity reversal protection circuit is connected to the receiver on-board network and the switches S1 and S2 switch, which enables jump-starting. In addition, the polarity reversal protection circuit is sensitive to the connection fault of a short circuit, ie if the terminal is, for example Z3 is applied to the positive potential of the jump start battery and the terminal Z1 is applied to the negative potential of the jump start battery and the terminal Z2 on the positive polarity of the receiver electrical system and / or the terminal Z4 on the negative polarity of the receiving electrical system. Then the control unit of the polarity reversal protection circuit does not determine any voltage drop between K3 and K4 and / or between K1 and K2 and the switches S1 and S2 are not switched.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 10047791 A1 [0010, 0029]
DE 102011080182 A1 [0029]
DE 102009058729 A1 [0030]

Claims

Protective circuit (1) for protecting a first electrical direct current device from the establishment of a reverse polarity electrically conductive connection between the first direct current device and a second direct current device, characterized in that - the protective circuit has a first contact (K1) and a second contact (K2), wherein the protective circuit can be electrically connected to the first direct current device via the first contact (K1) and the second contact (K2), - the protective circuit has a third contact (K3) and a fourth contact (K4), the protective circuit via the third contact (K3) and the fourth contact (K4) can be electrically connected to the second direct current device, - the protective circuit has a first switch (S1) through which the second contact can be electrically connected to the fourth contact, - the protective circuit has a second switch (S2), through which the first contact with the third contact can be connected in an electrically conductive manner, - the protective circuit has a control unit (10) which is set up to switch the first switch and the second switch, - the control unit has a first diagnostic line (D1) to the first contact, a second diagnostic line (D2) to the second contact, a third diagnostic line (D3) is assigned to the third contact and a fourth diagnostic line (D4) is assigned to the fourth contact, the control unit is set up to determine a voltage Usch between the first contact and the second contact, and the control unit is set up is to determine a voltage Uext between the third contact and the fourth contact.

Protection circuit according to Claim 1 , characterized in that - the control unit is set up to close the first switch and the second switch when the voltage Uext is positive, - the third contact is at a higher electrical potential than the fourth contact when the voltage Uext is positive.

Protection circuit according to Claim 1 , characterized in that - the control unit is set up to close the first switch and the second switch when the voltage Uext is positive and the voltage Usch is positive, - the third contact is at a higher electrical potential than when the voltage Uext is positive the fourth contact and, in the case of a positive voltage U _sch, the first contact is at a higher electrical potential than the second contact.

Protection circuit according to Claim 2 , characterized in that - the protective circuit is set up to be connected to the jump start poles of a motor vehicle, - wherein the first contact can be connected to a positive jump start pole and the second contact can be connected to a negative jump start pole.

Protection circuit according to Claim 3 , characterized in that - the first contact with a first contacting aid (Z1), the second contact with a second contacting aid (Z2), the third contact with a third contacting aid (Z3) and the fourth contact with a fourth contacting aid (Z4) electrically is conductively connected.