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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Sicherheitsabschaltanordnung, einen Spannungsregler mit einer solchen Sicherheitsabschaltanordnung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz, mit einer solchen Anordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren, können zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug verwendet werden. Üblicherweise werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet, welche meistens mit elektrischer Erregung ausgestattet sind. Da solche Generatoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Kraftfahrzeug-Gleichspannungs-Bordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Dazu können Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden oder Halbleiterschaltern verwendet werden.
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Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung des Generators gesteuert bzw. geregelt werden, d.h. Stellgröße für die Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom, also der Strom, der durch die Läuferwicklung des Generators fließt und das Erregerfeld erzeugt. Realisiert wird dies üblicherweise mittels einer Schalteinheit eines Spannungsreglers (Feldregler), die beispielsweise zumindest einen Schalttransistor umfassen kann. Die Schalteinheit kann den Erregerstrom ein- und ausschalten. Der Erregerstrom bzw. ein Erregerstrom-Takt-Verhältnis kann dabei derart verändert werden, dass sich die Ausgangsspannung des Generators auf gewünschte Werte einstellt.
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Im Fehlerfall, z.B. bei einem Defekt des Spannungsreglers, kann die Generatorspannung und damit die Bordnetzspannung zu hoch werden, was unerwünschte Fehlfunktionen von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz verursachen kann. Beispielsweise können manche Komponenten im Bordnetz zum Eigenschutz ihre Funktion einschränken oder sich ganz abschalten. Sogar Schäden von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz können entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Sicherheitsabschaltanordnung, ein Spannungsregler mit einer solchen Sicherheitsabschaltanordnung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Verhindern bzw. Reduzieren von Überspannungsfällen in Bordnetzen und schlägt hierzu vor, bei einer zu hohen Ausgangsspannung am Gleichrichter zum einen die Läuferwicklung über einen ersten Abschaltpfad zu entregen, insbesondere schnellzuentregen, und zum anderen einen Reglerausgang, an den die Läuferwicklung angeschlossen ist, über einen zweiten Abschaltpfad kurzzuschließen - und damit auch die Läuferwicklung kurzzuschließen und stromlos zu schalten. Damit werden zwei verschiedene, insbesondere redundante Abschaltpfade bzw. Abschaltvorkehrungen vorgesehen, die sich insbesondere auch als eigenständige Sicherheitsabschalteinrichtungen realisieren und gemeinsam als Sicherheitsabschaltanordnung, aber prinzipiell auch alleine - in einem Spannungsregler oder einer Generatoreinheit verwenden lassen. Zum grundsätzlichen Betrieb der Generatoreinheit - und damit dem Anlegen einer Erregerspannung an die Läuferwicklung der elektrischen Maschine - kommt insbesondere die Verwendung eines (herkömmlichen) Spannungsreglers in Betracht.
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Für die Entregung sowie das Kurzschließen kommt dann die Verwendung jeweils einer speziellen Sicherheitsabschalteinrichtung in Betracht, die in den Spannungsregler integriert sein kann, insbesondere aber als Zusatz an einen herkömmlichen Spannungsregler bzw. dort die eigentliche Regelschaltungseinrichtung angeschlossen werden kann. Dabei kann es sich insbesondere um zwei an sich getrennte Sicherheitsabschalteinrichtungen handeln, die aber besonders vorteilhaft zusammen verwendet werden bzw. in einer gemeinsamen Sicherheitsabschaltanordnung kombiniert sein können.
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Eine Entregung erfolgt dabei insbesondere dadurch, dass der in der Erregerwicklung vorhandene Strom über eine Diode, z.B. eine Zenerdiode oder auch eine oder mehrere herkömmliche Dioden, geführt wird. Die eine oder mehreren Dioden werden zur Entregung zusätzlich in den Freilaufpfad der Erregerwicklung zugeschaltet. Hierzu kann die Diode parallel zu einem Schalter im Strompfad der Erregerwicklung geschaltet sein, der bei regulärem Betrieb geschlossen bzw. leitend geschaltet ist. Die Diode ist so außer Funktion. Bei zu hoher Ausgangsspannung - dies kann z.B. mittels einer Spannungsmesseinrichtung bestimmt werden - wird dieser Schalter dann nichtleitend geschaltet bzw. geöffnet. Der Strom fließt dann über die Diode, wo er rascher abgebaut (bzw. in Wärme umgewandelt) wird.
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Das Kurzschließen des Erregeranschlusses bedeutet insbesondere, dass die daran angelegte Spannung (z.B. Bordnetz- bzw. Batteriespannung) von der Erregerwicklung weggenommen wird. Hierzu wird, wie erwähnt, der Erregerausgang des verwendeten Spannungsreglers, über den normalerweise die Erregerspannung an die Erregerwicklung angelegt wird, auf Masse gelegt bzw. kurzgeschlossen. Hierzu kann bei zu hoher Ausgangsspannung - dies kann z.B. mittels einer Spannungsmesseinrichtung bestimmt werden - z.B. ein zur Läuferwicklung parallel geschalteter Schalter leitend geschaltet bzw. geschlossen werden. Je nach Konfiguration wird dies auch ein Kurzschließen der Erregerwicklung bedeuten. Durch dieses Kurzschließen wird der Spannungsregler in der Regel irreversibel geschädigt, da er nicht für eine solche Stromstärke ausgelegt ist; er wird damit sozusagen geopfert. Vorzugsweise wird jedoch anstelle des Spannungsreglers ein zusätzliches Sicherungselement, wie eine Schmelzsicherung, zerstört, die im Strompfad des Spannungsreglers angeordnet ist. Jedenfalls soll das Kurzschließen letztlich zum Stromlosschalten der Erregerwicklung führen.
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Sowohl die Entregung als auch das Kurzschließen erfolgen dabei dann, wenn die Ausgangsspannung einen jeweiligen vorbestimmten Sicherheitsschwellwert für mehr als eine vorbestimmte, jeweilige Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet. Für die Entregung können ein erster Sicherheitsschwellwert und eine erste Sicherheitszeit verwendet werden, für das Stromlosschalten ein zweiter Sicherheitsschwellwert und eine zweite Sicherheitszeit. Diese Sicherheitszeiten können dabei beide gleich oder auch unterschiedlich sein. Dies gilt ebenso für die Sicherheitsschwellwerte.
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Die beiden Abschaltpfade werden dabei bevorzugt nacheinander aktiviert, d.h. es wird eine kaskadierte Abschaltung vorgesehen. Hierzu kann die zweite Sicherheitszeit länger als die erste Sicherheitszeit gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn auch der zweite Sicherheitsschwellwert höher als der erste Sicherheitsschwellwert gewählt wird.
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Insbesondere die erste Sicherheitszeit kann auch null betragen, d.h. die Entregung wird sofort bei einer Überspannung ausgelöst, kann aber auch z.B. bis zu 100 ms betragen. Die zweite Sicherheitszeit liegt bevorzugt bei Zeiten unter 1 s, z.B. zwischen 100 ms und 500 ms. Die Sicherheitszeiten können insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange diese welchen Überspannungen standhalten. Der erste Sicherheitsschwellwert wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Nenn-Bordnetzspannung vorgebeben und kann beispielsweise von ca. 110% bis ca. 150% der Nenn-Bordnetzspannung betragen. Bei einer Nennspannung von 12 V kann der erste Sicherheitsschwellwert z.B. zwischen 15,0 V und 16,7 V liegen. Der zweite Sicherheitsschwellwert liegt dann z.B. zwischen 0,3 V und 1,0 V höher als der erste Sicherheitsschwellwert. Beide können insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange diese welchen Überspannungen standhalten.
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Ein besonderer Vorteil dieser kaskadierten Auslösung ist, dass die Entregung, die zuerst durchgeführt wird, reversibel ist. Erst das Stromlosschalten ist aufgrund der damit hervorgerufenen Schädigung des Spannungsreglers bzw. einer Schmelzsicherung irreversibel. Dadurch wird für mehrfache Fehler eine hohe Safety-Integrität (Sicherheitsintegrität) erlangt, z.B. ASIL C oder ASIL D. Die Kaskadierung kann darüber hinaus mit weiteren Schaltern und zusätzlichen Redundanzen erhöht werden.
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Vorzugsweise werden für die beiden Schalter bzw. Leistungsschalter für die Entregung bzw. das Stromlosschalten, insbesondere aber auch für die dabei nötigen Ansteuerungen bzw. Ansteuerschaltungen aufgrund von möglichen „common cause“-Fehlern (Fehler mit gemeinsamer Ursache) mit unterschiedlichen Technologien und/oder Bauteilherstellern ausgestattet. Wenngleich grundsätzlich für beide Schalter bzw. Abschaltpfade eine (gemeinsame) Spannungsmesseinrichtung in Betracht kommt, so ist es besonders bevorzugt, zwei verschiedene zu verwenden, um die Redundanz zu erhöhen.
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Die Ansteuerungen der beiden Schalter sind vorteilhafterweise derartig konzipiert, dass sie im ausgeschalteten Zustand des Generators (Generator dreht nicht) einen sehr geringen Ruhestrom aufweisen. Dazu ist die Ansteuerung für den Schalter zum Stromlosschalten ‚high aktiv‘ und für den Schalter zur Entregung ‚low aktiv‘ konzipiert. Um die unabhängig redundanten Schaltungsteile zudem gegen Verpolung für die höhere Safety-Integrität abzusichern, kann zusätzlich ein Verpolelement wie z.B. eine Diode verwendet werden, das zwischen den positiven Eingangsanschluss und die wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung geschaltet ist.
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Zusammenfassend ist damit ein besonderer Schutz des Bordnetzes bzw. von dessen Verbrauchern vor Überspannung aufgrund einer durch eine Fehlfunktion des Generators hervorgerufenen Überspannung möglich. Der Generator kann in einen definierten Zustand überführt werden, in dem keine Überspannung mehr möglich ist. Dies erlaubt damit den Einsatz des Generators in sicherheitsrelevanten Bordnetzen und die Realisierung hoher Sicherheitsintegritätsanforderungen durch die mehrfach redundante Kaskadierung. Durch Variation der Anzahl ergibt sich ein Baukasten für unterschiedliche Sicherheitsintegritätsanforderungen. Zudem werden eine Reduzierung des Ruhestroms sowie die Erfüllung der Generatorfunktion auch im Falle von Fremdstart mit mehr als 20 V erreicht.
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Ein Kurzschlussschutz der internen Regelschaltung sowie der unabhängig redundanten Schaltungsteile kann durch das bereits erwähnte zusätzliche Sicherungselement, wie eine Schmelzsicherung, erreicht werden. Ein Verpolschutz der unabhängig redundanten Schaltungsteile kann mittels einer Diode erreicht werden und erhöht die Safety-Integrität weiter. Die Erfindung bietet dabei den weiteren Vorteil, dass eine Funktionalität zur Sicherheitsabschaltung, insbesondere in Form der Sicherheitsabschalteinrichtungen, nachgerüstet werden kann. Eine bisherige Regelschaltungseinrichtung, z.B. in Form von ICs bzw. ASICs, muss nicht modifiziert werden. Dies ermöglicht die Realisierung eines Sicherheitsbaukastens, aus welchem je nach Sicherheitsanforderungen die geeigneten Produkte kombiniert werden können. Mit anderen Worten bietet die Erfindung den Vorteil, dass in bzw. für Spannungsregler eine Sicherheitsabschaltung individuell bei Bedarf bereitgestellt werden kann.
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Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass beispielsweise eine Massenproduktion von einheitlichen Sicherheitsabschalteinrichtung erfolgen kann, welche dann beliebig zu Spannungsreglern hinzugefügt werden können.
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Vorzugsweise wird eine von dem Gleichrichter bereitgestellte Bordnetz- oder Ausgangsspannung als die Erregerspannung an die Läuferwicklung angelegt. Dann kann durch die Überwachung der Höhe der Erregerspannung zugleich die Bordnetzspannung überwacht werden. Diese Ausführungsform lässt sich sehr leicht umsetzen, da die Erregerspannung üblicherweise der Bordnetzspannung entspricht.
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Vorzugsweise wird die Erreger- bzw. Ausgangsspannung auch zur Energieversorgung der Sicherheitsabschaltanordnung bzw. der Sicherheitsabschalteinrichtungen verwendet. Somit ist keine separate Versorgung notwendig, was insbesondere die Robustheit gegenüber Störungen im Bordnetz verbessert und das Risiko für einen Kurzschluss zwischen Versorgungspotential (B+) und Masse reduziert.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes mit einer Sicherheitsabschaltanordnung mit zwei Sicherheitsabschalteinrichtungen.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes 10, insbesondere eines (Kraft-) Fahrzeugs, mit einer Spannungsquelle 11 und Verbrauchern bzw. Batterie 1.
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Die Spannungsquelle 11 weist eine elektrische Maschine bzw. einen Generator mit einem Ständer 12, einem dem Ständer nachgeschalteten Gleichrichter 14, einem Läufer mit Läuferwicklung 16, der insbesondere von einem Motor des Fahrzeugs angetrieben werden kann, und einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers 20 (auch als Feldregler bezeichnet) zur Vorgabe eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung 16 bzw. zur Regelung einer Generatorspannung auf. Der Spannungsregler 20 dient zum Regeln der Generatorspannung zwischen den Anschlüssen B+ und Masse auf einen Sollwert, z.B. ca. 14-15 V bei einem sog. 12 V-Bordnetz mit 12 V Nennspannung. Bei der Generatorspannung handelt es sich somit um die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators bzw. die Bordnetzspannung.
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Der Spannungsregler 20 weist die eigentliche Regelschaltungseinrichtung 22, welche beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC (engl.: Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt sein kann, und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherheitsabschaltanordnung 24 auf, welche zwei Sicherheitsabschalteinrichtungen 24.1 und 24.2 für zwei Abschaltpfade umfasst. Der Spannungsregler 20, die Regelschaltungseinrichtung 22 sowie die Sicherheitsabschaltanordnung 24 sind jeweils durch umlaufende gestrichelte Linien kenntlich gemacht. Die beiden Sicherheitsabschalteinrichtungen sind vorzugsweise schaltungstechnisch und bauteiletechnisch getrennt, können aber gleichwohl z.B. auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein.
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Die Regelschaltungseinrichtung 22 weist einen Schalter 22c auf, z.B. einen Halbleiterschalter wie z.B. MOSFET, IGBT oder Thyristor, mittels welchem der durch die Läuferwicklung 16 fließende Strom geschaltet werden kann, und ferner eine Diode 22a für den Freilauf des Erregerstroms. Die Diode 22a kann auch als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Zudem ist ein Kommunikationsanschluss 20b vorgesehen, um z.B. eine Sollspannung vorgeben zu können.
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Der Spannungsregler 20 ist über einen ersten Anschluss 16a und über einen zweiten Anschluss 16b mit der Läuferwicklung 16 verbunden. Diese Anschlüsse stellen zugleich Ausgangsanschlüsse der Sicherheitsabschaltanordnung 24 dar. Es sei betont, dass die Läuferwicklung am Läufer der elektrischen Maschine und nicht innerhalb des Spannungsreglers 20 angeordnet ist.
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Die Sicherheitsabschaltanordnung 24 weist einen positiven Potentialanschluss 24a, einen Erregeranschluss 24b sowie einen negativen Potentialanschluss 24c auf, die mit entsprechenden Anschlüssen der Regelschaltungseinrichtung 22 verbunden sind (bzw. bei Nachrüstung zu verbinden sind). Der positive Potentialanschluss 24a dient zur Anbindung an B+, der negative Potentialanschluss 24c zur Anbindung an Masse und der Erregeranschluss zur Anbindung an den Erregerausgang (sog. DF) der Regelschaltungseinrichtung, um die Spannung an die Erregerwicklung anlegen zu können. Diese Anschlüsse werden beiden Sicherheitsabschalteinrichtungen 24.1 und 24.2 unabhängig voneinander zugeführt.
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Im ungestörten Betrieb des Spannungsreglers ist der Schalter 24.1d geschlossen. Die erste Spannungsmesseinrichtung 24.1a überwacht bzw. bestimmt die Ausgangsspannung an B+. Steigt diese z.B. aufgrund eines Load Dumps (Lastabwurf) oder Fehlers im Regler an und wird der erste Sicherheitsschwellwert überschritten, schaltet eine erste Ansteuerschaltung 24.1c den Schalter 24.1 d nichtleitend bzw. aus. Im regulären Fall wird aufgrund der Überspannung auch der Schalter 22c der Regelschaltungseinrichtung 22 geöffnet. Der Strom fließt aufgrund der Induktivität weiter durch die Zener-Diode 24.1e und die Freilaufdiode 22a. Aufgrund des Zenereffekts wird die Energie im Erregerkreis bzw. der Erregerwicklung 16 schneller abgebaut. Durch das schnelle Abbauen des Erregerstroms kann im Falle eines Load Dumps die Zeit der Überspannung reduziert werden. Nach dem Abklingen der Spannung wird der Schalter 24.1d wieder geschlossen, wodurch der sichere Zustand reversibel aktiviert und deaktiviert werden kann. Die Diode 24.1e könnte auch optional nicht als Zenerdiode, sondern mit einer oder mehreren Dioden ausgeführt werden, um die Fehlerrate der einzelnen Bauelemente zu reduzieren.
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Zudem ist eine unabhängige, zweite Spannungsmesseinrichtung 24.2a vorgesehen, die ebenfalls die Ausgangsspannung bestimmen kann. Wenn der zugehörige zweite Sicherheitsschwellwert überschritten ist (z.B. wenn der Spannungsregler defekt ist und der Schalter 22c nicht öffnet), wird über ein zeitliches Verzögerungsglied 24.2b, womit eine zweite Sicherheitszeit abgewartet werden kann, eine zweite Ansteuerschaltung 24.2c angesteuert, über die der zweite Schalter 24.2d geschlossen bzw. leitendgeschaltet werden kann. Wenn der Schalter 24.2d aktiv geschaltet ist, wird der Erregereingangsanschluss 24b leitend mit Masse verbunden. Dadurch fließt ein hoher Strom durch die Regelschaltungseinrichtung 22, was in aller Regel zu deren Beschädigung bzw. Zerstörung führen wird. Alternativ kann dies zum Auslösen eines Sicherungselements 20a führen. Jedenfalls kommt es in der Folge zu einer Spannungsfreiheit der Erregerwicklung 16 und damit zu einem sicheren Zustand (Spannung an B+ unterhalb des zweiten Sicherheitsschwellwerts). Gleichzeitig wird die Erregerwicklung kurzgeschlossen. Der Strom kann dann über die immer noch im Freilaufpfad vorhandene Diode 24.1 e abgebaut werden; oder, falls die Schaltung bzw. der Abschaltpfad 24.1. nicht funktioniert hätte, über einen normalen Kurzschluss.
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Wie erwähnt, ist es möglich, in die Versorgung von B+ das Sicherungselement 20a, wie z.B. eine Schmelzsicherung, einzubringen, welches im Kurzschlussfall auslöst. Dieses Sicherungselement hat den Vorteil, dass bei einem internen Kurzschluss im Regler-IC oder in den unabhängig redundanten Schaltungsteilen eine mögliche Überspannung und auch eine Zerstörung von Schaltungen verhindert werden kann.
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Der erste und zweite Sicherheitsschwellwert werden dabei insbesondere so eingestellt, dass der erste Sicherheitsschwellwert mit einem Unterschied von z.B. 0,3 V bis 1,0 V zum zweiten Sicherheitsschwellwert niedriger liegt. Der erste Sicherheitsschwellwert kann absolut im Bereich vom 15,0 V bis 16,7 V liegen. Dies hat den Vorteil, dass zuerst ein reversibler Zustand eingenommen wird und erst beim Ausfall oder Unwirksamkeit der ersten Redundanz (Schalter 24.1d bspw. durch Kurzschluss, d.h. wenn z.B. der erste Abschaltpfad 24.1 nicht funktioniert und/oder z.B. Schalter 22c defekt ist) in einen irrreversiblen Zustand übergegangen wird. Dadurch wird für mehrfache Fehler eine hohe Safety-Integrität erlangt. Die Kaskadierung kann darüber hinaus mit weiteren Schaltern und zusätzlichen Redundanzen erhöht werden.
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Die beiden Schalter - es kann sich dabei insbesondere jeweils um Leistungsschalter wie MOSFETs oder IGBTs handeln - und die Ansteuerungen der beiden Schalter werden aufgrund von möglichen „common cause“-Fehlern bevorzugt mit unterschiedlichen Technologien oder Bauteilherstellern ausgestattet. Die Ansteuerung der beiden Schalter sind z.B. derartig konzipiert, dass sie im ausgeschalteten Zustand des Generators (Generator dreht nicht) einen sehr geringen Ruhestrom aufweisen. Dazu ist die Ansteuerung für den Schalter 24.2d ‚high aktiv‘ und die Ansteuerung für den Schalter 24.1d ‚low aktiv‘ konzipiert.
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Um die unabhängig redundanten Schaltungsteile gegen Verpolung für die höhere Safety-Integrität abzusichern, kann zusätzlich ein Verpolelement mit der Diode 24.3 aufgebaut werden.
