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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum
Kurzschlußschutz in einem Zweispannungsstromnetz für
Kraftfahrzeuge.
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Der ansteigende Bedarf an elektrischer Energie bei den neuen
elektrischen Bordanlagen bringt es mit sich, daß das traditionelle
System zur Energieerzeugung mit 14 Volt ausgehend von einer 12 Volt-
Batterie an seine Grenzen stößt. Die elektrische Energie, die im
Fahrzeug verfügbar sein muß, nimmt ständig zu. Eine Lösung besteht
darin, von einer Netzspannung von 14 Volt zu einer Netzspannung von
42 Volt ausgehend von einer 36 Volt-Batterie überzugehen. Dieser
Übergang kann jedoch nicht ohne Anpassung erfolgen. Denn
zahlreiche Verbraucher müssen weiterhin mit einer 14 Volt-Spannung
gespeist werden, wie beispielsweise die Signalleuchten mit Glühfäden.
Es besteht daher die Notwendigkeit, daß die 2 elektrischen Bordnetze,
und zwar ein 14 Volt- und ein 42 Volt-Netz, in ein und demselben
Kraftfahrzeug nebeneinander existieren.
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Die Erfindung bezieht sich im einzelnen auf Zweispannungsstromnetze
beispielsweise in der Ausführung mit 42 Volt/14 Volt.
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Der Wechselstromgenerator, der die Energie im Stromnetz des
Kraftfahrzeugs liefert, wandelt die mechanische Energie in elektrische
Energie um, wenn der Anker durch den Ständer gebildet wird, um als
elektrischer Generator zu arbeiten. Wenn der Anker durch den Läufer
gebildet wird, bildet dieser Wechselstromgenerator einen Elektromotor,
wobei er elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der
Wechselstromgenerator kann daher reversibel betrieben werden, wobei
sein Läufer in bestimmten Situationen, wie vorstehend dargelegt, als
Anker dienen kann, um einen Anlassergenerator für ein Kraftfahrzeug
zu bilden, der das Anlassen des Motors des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Die Erfindung kommt bei Kraftfahrzeugstromnetzen zur Anwendung,
die durch einen herkömmlichen Wechselstromgenerator gespeist
werden. Außerdem findet sie auch bei Anlassergeneratoren
Anwendung.
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Dieser Anlassergenerator kann in die Kupplung integriert sein und
somit axial drehfest mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des
Kraftfahrzeugs verbunden sein. In diesem Zusammenhang kann zum
Beispiel auf die in der FR 2,782,355 beschriebene elektrische
Maschine verwiesen werden.
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Dieser Anlassergenerator kann auch von der Kurbelwelle getrennt sein.
In diesem Fall besteht diese elektrische Maschine aus einem
herkömmlichen Wechselstromgenerator, der mit dem drehfest mit einer
Ausgangswelle des Verbrennungsmotors verbundenen Treibriemen
drehfest verbunden ist. Zu weiteren Einzelheiten kann auf die
FR 2,807,231 verwiesen werden.
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Kraftfahrzeuge sind während ihres Betriebs ständigen Vibrationen
ausgesetzt. Diese Vibrationen können im Anschluß an eine Abnutzung
des Isolators des Leitungsdrahts zu Kurzschlüssen zwischen zwei
Leitungsdrähten mit unterschiedlichen Spannungen oder zwischen
einem Leitungsdraht und einem leitenden Teil des Fahrzeugs führen.
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Im Fahrzeug werden verschiedene Arten von Vorrichtungen zur
Erfassung von Kurzschlüssen eingesetzt. So ermöglichen
Vorrichtungen auf der Grundlage einer Messung des Spannungsabfalls
im Hochspannungsnetz oder auf der Grundlage der Messung eines
Spannungsanstiegs im Niederspannungsnetz die Erfassung von
Kurzschlüssen zwischen Elementen mit unterschiedlichen
Spannungen. Ferner beschreibt die am 14. September 2001
eingereichte Patentanmeldung FR 01 11958 ein anderes Verfahren zur
Kurzschlußerfassung, das darin besteht, die Ströme zu messen, die in
jedem der Stränge des Hochspannungsstromnetzes fließen, an den die
elektrische Maschine, die Hochspannungsbatterie,
Hochspannungsstromverbraucher und ein DC/DC-Umformer
angeschlossen sind, bei dem der Massenstrom aller
Hochspannungsverbraucher gemessen wird, die an einen einzigen
Punkt angeschlossen sind, wobei davon ausgegangen wird, daß ein
Kurzschluß vorliegt, wenn die Summe der Ströme ungleich null ist.
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Nach der Erfassung eines Kurzschlusses sind mehrere Maßnahmen
möglich, um das Fahrzeug und die an das Bordnetz angeschlossenen
Verbraucher zu schützen. So kann man die Batterie sowie den
Wechselstromgenerator abschalten. Wenn sich der Kurzschluß
lokalisieren läßt, kann außerdem der defekte Verbraucher abgeschaltet
werden. Grundsätzlich bestehen die Schutzvorkehrungen gegen
Kurzschlüsse aus getrennten Schutzsystemen. Dieser Schutz kann
zwar aus einer einfachen Sicherung bestehen; diese Vorrichtung weist
jedoch den Nachteil auf, daß sie langsam und unzuverlässig arbeitet.
Des weiteren ist die Abschaltung der Batterien, des
Wechselstromgenerators oder bestimmter Verbraucher ebenfalls
schwierig auszuführen und auch recht unzuverlässig.
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In der DE-A-199 61 435 ist im Falle eines Kurzschlusses vorgesehen,
die Verbraucher nacheinander vom Hochspannungsstromnetz
abzuschalten. Außerdem ist bei einem Kurzschluß die Batterie mit
niedrigerer Spannung nicht geschützt.
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In allen Fällen haben diese Schutzvorkehrungen gegen Kurzschlüsse
den Verlust eines Teils der Fahrzeugfunktionen zur Folge, sobald sie
abgeschaltet oder vom Stromnetz getrennt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile in
einfacher und wirtschaftlicher Weise zu beseitigen.
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Sie hat ein Verfahren zum Kurzschlußschutz in einem
Kraftfahrzeugstromnetz zum Gegenstand, das ein
Zweispannungsstromnetz umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß:
- - das Vorliegen eines zwischen einem Hochspannungsleiter und einem
Niederspannungsleiter auftretenden Kurzschlusses erfaßt wird,
anschließend
- - der DC/DC-Umformer abgeschaltet wird,
- - die Massen der Niederspannungs- und Hochspannungsstromnetze
getrennt werden.
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Nach einem anderen Merkmal wird der Benutzer über das Vorliegen
eines Kurzschlusses über ein Informationsmittel unterrichtet, um ihn
darauf hinzuweisen, daß ihm eine begrenzte Autonomie für die
Nutzung der elektrischen Anlagen verleibt.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
Kurzschlußschutz in einem Kraftfahrzeugstromnetz mit einem
Zweispannungsstromnetz, umfassend ein Hochspannungsstromnetz,
ein Niederspannungsstromnetz, einen zwischen den beiden
Stromnetzen geschalteten DC/DC-Umformer und eine Vorrichtung zur
Kurzschlußerfassung, dadurch gekennzeichnet, daß alle elektrischen
Niederspannungsanlagen mit einer gemeinsamen Masse verbunden
sind, daß alle elektrischen Hochspannungsanlagen mit einer anderen
gemeinsamen Masse verbunden sind und daß ein Schalter die
besagten gemeinsamen Massen der Hoch- und
Niederspannungsstromnetze miteinander verbindet.
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Dank der Erfindung können die beiden Stromnetze im Kurzschlußfall
ohne Verlust eines Teils der Fahrzeugfunktionen, insbesondere der
Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs, wie etwa der Bremsfunktion,
unabhängig betrieben werden. Im Vergleich zur DE-A-199 61 435 wird
außerdem im Kurzschlußfall die Niederspannungsbatterie geschützt.
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Diese Vorrichtung kann vorteilhafterweise durch eines oder mehrere
der folgenden Merkmale ergänzt werden:
- - Im Hinblick auf eine Kostensenkung besteht der Schalter aus einem
Leistungsrelais.
- - Der Schalter ist so gestaltet, daß er einen Öffnungsbefehl von einem
Elektronikgehäuse erhält, wenn ein Kurzschluß erfaßt wird, um die
beiden Massen zu trennen.
- - Der DC/DC-Umformer ist so gestaltet, daß er einen Abschaltbefehl
vom Elektronikgehäuse erhält, wenn ein Kurzschluß erfaßt wird.
- - Eine Amplitudenbegrenzerdiode ist zwischen der Masse des
Niederspannungsstromkreises und der Plusklemme der
Niederspannungsbatterie geschaltet, um den
Niederspannungsstromkreis beim Vorliegen eines Kurzschlusses zu
schützen.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung, die nur als Beispiel und unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung angeführt wird. Darin zeigt
im einzelnen:
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Fig. 1 ein Schaltbild zur Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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Wie in Fig. 1 veranschaulicht, ist eine elektrische Maschine 2 in der
Ausführung als Wechselstromgenerator oder als Anlassergenerator an
ein Stromnetz A in der Ausführung mit 42 Volt angeschlossen. An
dieses Stromnetz sind insbesondere eine 36 Volt-Batterie, mit einer
Spannung von 42 Volt betriebene Verbraucher 3 und ein DC/DC-
Umformer 4 angeschlossen. Als Beispiel ohne einschränkende
Wirkung können die 42 Volt-Verbraucher aus einer Zusatzvorrichtung
zur Beheizung des Fahrgastraums, aus Scheibenwischermotoren, aus
einer Vorrichtung zur Steuerung von Magnetventilen, aus einer
elektrischen Servolenkung usw. bestehen.
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Je nachdem, ob sie im Generatorbetrieb oder im
Anlassergeneratorbetrieb arbeitet, liefert oder erhält die elektrische
Maschine an das bzw. vom Stromnetz A einen Strom mit der
Stromstärke 11.
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Die 42 Volt-Batterie kann einen Ladestrom 12 erhalten oder, im Falle
eines entsprechenden Bedarfs der Verbraucher, einen Strom 12
abgeben.
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Ein DC/DC-Umformer 4 erhält zur Stromversorgung des
Sekundärstromnetzes B mit 14 Volt einen Strom 13, der sowohl die
Speisung des DC/DC-Umformers als auch die Abgabe des
erforderlichen Stroms an das 14 Volt-Niederspannungsstromnetz B
ermöglicht.
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An dieses Sekundärstromnetz B ist eine 12 Volt-Batterie 7
angeschlossen, die einen Ladestrom erhalten oder Energie abgeben
kann, um die Niederspannungsverbraucher 5 zu speisen.
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Diese Niederspannungsbatterie kann außerdem Energie an das
Hochspannungsnetz über den DC/DC-Umformer abgeben, der in
diesem Fall einen Strom T3 an das Hochspannungsnetz A liefert.
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Erfindungsgemäß sind die Massen der Hoch- und
Niederspannungsanlagen mit der gemeinsamen Masse C verbunden,
die vorteilhafterweise fest mit dem Fahrgestell des Kraftfahrzeugs
verbunden ist. Dabei sind im einzelnen die Niederspannungsanlagen
erfindungsgemäß direkt mit der Masse C verbunden, während die
Hochspannungsanlagen mit ebendieser Masse C über einen Schalter 8
verbunden sind, der zwischen der Masse C und der an die
Minusklemme der Hochspannungsbatterie 1 angeschlossenen
isolierten Masse D des Hochspannungsnetzes angeordnet ist.
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Auf diese Weise werden die Massen der beiden Stromnetze über einen
Schalter getrennt.
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Der Schalter besteht beispielsweise aus einem herkömmlichen
Leistungsrelais, das Ströme von wenigstens 100 A durchleiten kann.
Diese Schalterart ist wirtschaftlich, wobei davon auszugehen, ist, daß
der Schalter 8 nicht häufig arbeitet. Dieser Schalter ist über ein
elektrisches Verbindungsmittel 10 an ein herkömmliches
Elektronikgehäuse beispielsweise in der Ausführung als
Kontrollgehäuse für die Fahrgastraumfunktionen oder aber an ein
Elektronikgehäuse angeschlossen, das für die Regelung der
Hochspannungsbatterie zuständig ist. Das elektrische
Verbindungsmittel 10 besteht vorteilhafterweise aus einer einfachen
Drahtverbindung.
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Der DC/DC-Umformer 4 ist ebenfalls an das Elektronikgehäuse über
ein Kommunikationsmittel 11 angeschlossen, das vorteilhafterweise
aus einer Protokollverbindung des Typs CAN oder LIN bestehen kann,
das in herkömmlicher Weise in Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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Der Schalter 8 ist normalerweise geschlossen.
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Wenn der Kurzschluß zwischen zwei Leitern mit unterschiedlicher
Spannung, entweder durch die Analyse der Spannungsänderung oder
durch die Analyse der Strombilanz, erfaßt wird, wird beispielsweise
über das Elektronikgehäuse 9 der DC/DC-Umformer abgeschaltet,
woraufhin der Schalter 8 geöffnet wird, um die beiden Massen C und D
zu trennen. Im Anschluß an die Trennung der beiden Massen tritt eine
Äquipotentialspannung im Kurzschlußbereich auf. Der Kurzschlußstrom
wird dann sehr schwach, so daß jedes Erhitzungsrisiko, das einen
Brand zur Folge haben könnte, ausgeschlossen wird. Das
Elektronikgehäuse 9 kann die Vorrichtung zur Kurzschlußerfassung
enthalten.
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Es ist zu beachten, daß bei den elektronischen Vorrichtungen, die zu
den beiden Stromnetzen gehören, keine Gefahr einer Beschädigung
infolge einer Spannungsänderung besteht. Darüber hinaus wird der
Umformer im Falle eines Kurzschlusses geschont.
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Das Öffnen des Schalters 8 und die Abschaltung des DC/DC-
Umformers 4 müssen natürlich nahezu gleichzeitig stattfinden, sobald
die Kurzschlußerfassung erfolgt ist. Je nach Fall kann der Umformer
auch nach dem Öffnen des Schalters abgeschaltet werden.
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Eine Amplitudenbegrenzerdiode 6, hier eine Zener-Diode, die zwischen
der Masse und der Speisespannung B des Niederspannungsnetzes
geschaltet ist, ermöglicht den Schutz der Niederspannungsverbraucher
vor dem Öffnen des Schalters 8.
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Nach dem Öffnen des Schalters 8 kann der Benutzer alle elektrischen
Anlagen benutzen, die an jedes der beiden Stromnetze A und B
angeschlossen sind. Denn der DC/DC-Umformer ist zwar nicht mehr
aktiv, aber die beiden Stromnetze können unabhängig arbeiten. Das
Hochspannungsstromnetz wird weiterhin durch den
Wechselstromgenerator 2 gespeist. Das Niederspannungsstromnetz
wird durch die Niederspannungsbatterie 7 gespeist.
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Es ist zu beachten, daß die Sicherheitsfunktionen, insbesondere die
Bremsfunktion, im Kurzschlußfall nicht deaktiviert werden, da alle
elektrischen Anlagen weiterhin benutzbar sind.
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Der Benutzer wird vorteilhafterweise durch ein Informationsmittel oder
eine Informationsvorrichtung auf das Vorliegen eines Kurzschlusses
zwischen zwei Leitern mit unterschiedlichen Spannungen hingewiesen.
Dadurch weiß er, daß ihm eine bestimmte Autonomie zur Benutzung
dieser elektrischen Anlagen verbleibt, wobei diese Autonomie im
Zusammenhang mit der Niederspannungsbatterie auf die
Restlademenge der Niederspannungsbatterie 7 begrenzt ist. Die
Warnvorrichtung kann beispielsweise aus einer Anzeigeleuchte am
Armaturenbrett des Fahrzeugs oder aus jedem anderen akustischen
oder visuellen Mittel bestehen. Diese Vorrichtung kann durch das
Elektronikgehäuse 9 über eine CAN- oder LIN-Multiplexnachricht
gesteuert werden.
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Die Hochspannungsverbraucher werden in der Regel durch
Niederspannungssteuervorrichtungen gesteuert. Diese
Niederspannungssteuervorrichtungen werden vorteilhafterweise über
Optokoppler gesteuert, die es ermöglichen, die Steuervorrichtungen
gegenüber der Masse zu isolieren. Wenn daher der Schalter 8 geöffnet
ist, besteht die Möglichkeit, diese Steuervorrichtungen vom isolierten
Niederspannungsstromnetz B aus zu steuern.