-
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Kurzschlussschutz in einem Zweispannungsstromnetz für Kraftfahrzeuge.
-
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.
-
Die Erfindung bezieht sich im einzelnen auf Zweispannungsstromnetze beispielsweise in der Ausführung mit 42 Volt/14 Volt.
-
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.
-
Die Erfindung kommt bei Kraftfahrzeugstromnetzen zur Anwendung, die durch einen herkömmlichen Wechselstromgenerator gespeist werden. Außerdem findet sie auch bei Anlassergeneratoren Anwendung.
-
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 27 82 355 A1 beschriebene elektrische Maschine verwiesen werden.
-
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 28 07 231 A1 verwiesen werden.
-
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.
-
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 28 31 272 A1 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.
-
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.
-
In der
DE 199 61 435 A1 ist im Falle eines Kurzschlusses vorgesehen, die Verbraucher nacheinander vom Hochspannungsstromnetz abzuschalten. Außerdem ist bei einem Kurzschluss die Batterie mit niedrigerer Spannung nicht geschützt.
-
In diesen Fällen haben diese Schutzvorkehrungen gegen Kurzschlüsse den Verlust eines Teils der Fahrzeugfunktionen zur Folge, sobald sie abgeschaltet oder vom Stromnetz getrennt werden.
-
Das Patentdokument
DE 100 28 748 A1 offenbart ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niederspannungsbordnetz und mit einem Höherspannungsbordnetz. Bei dem Energieversorgungssystem ist der Minusanschluss oder der Plusanschluss des Höherspannungsnetzes über eine zentrale Sammelleitung jeweils mit dem Minusanschluss oder der Plusanschluss des Niederspannungsbordnetzes verbunden. Die Sammelleitung weist einen Schalter auf der geöffnet wird, sobald die Spannung des Niederspannungsbordnetzes eine bestimmte Spannungsschwelle überschreitet. Der Schaltzustand eines DC/DC-Wandlers, der zwischen dem Höherspannungsnetz und dem Niederspannungsbordnetz vorgesehen ist, wird beim Überschreiten der Spannungsschwelle nicht variiert.
-
Durch das Patentdokument
DE 199 44 833 A1 wird ein Mehrspannungsbordnetzvorgestellt das über diverse Mittel zum Kurzschlussschutz aufweist, die die Gefahr des Auftretens eines Kurzschlusses verringern und/oder die Auswirkungen vermindern. Zur Verminderung der Auswirkungen ist unter anderem vorgesehen, dass wenigstens eine der Batterieklemmen als intelligente Batterieklemme ausgestaltet ist und insbesondere eine Überspannungsabschaltung umfasst. Eine Änderung des Schaltzustandes des DC/DC-Wandler ist bei Überspannung ist hingegen nicht vorgesehen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile in einfacher und wirtschaftlicher Weise zu beseitigen.
-
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,
- – der Benutzer über das Vorliegen eines Kurzschlusses über ein Informationsmittel unterrichtet wird
anschließend
- – der DC/DC-Umformer abgeschaltet wird,
- – die Massen der Niederspannungs- und Hochspannungsstromnetze getrennt werden.
-
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, wobei
- – der Benutzer mit einer Informationsvorrichtung auf das Vorliegen eines Kurzschlusses hingewiesen wird,
- – alle elektrischen Niederspannungsanlagen mit einer gemeinsamen Masse (C) verbunden sind, dass alle elektrischen Hochspannungsanlagen mit einer anderen gemeinsamen Masse (D) verbunden sind und dass ein Schalter (8) die besagten gemeinsamen Massen (C, D) der Hoch- und Niederspannungsstromnetze (A, B) miteinander verbindet,
- – der Schalter (8) so gestaltet ist, dass er einen Öffnungsbefehl von einem Elektronikgehäuse (9) erhält, wenn ein Kurzschluss erfasst wird, um die beiden Massen (C, D) zu trennen,
- – der DC/DC-Umformer (8) so gestaltet ist, dass er einen Abschaltbefehl vom Elektronikgehäuse (9) erhält, wenn ein Kurzschluss erfasst wird.
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.
-
Diese Vorrichtung kann vorteilhafterweise durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale ergänzt werden:
- – Im Hinblick auf eine Kostensenkung besteht der Schalter aus einem Leistungsrelais.
- – Eine Amplitudenbegrenzerdiode ist zwischen der Masse des Niederspannungsstromkreises und der Plusklemme der Niederspannungsbatterie geschaltet, um den Niederspannungsstromkreis beim Vorliegen eines Kurzschlusses zu schützen.
-
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:
-
1 ein Schaltbild zur Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
-
Wie in 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.
-
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.
-
Die 42 Volt-Batterie kann einen Ladestrom 12 erhalten oder, im Falle eines entsprechenden Bedarfs der Verbraucher, einen Strom 12 abgeben.
-
Ein DC/DC-Umformer 4 erhält zur Stromversorgung des Sekundaerstromnetzes 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.
-
An dieses Sekundaerstromnetz B ist eine 12 Volt-Batterie 7 angeschlossen, die einen Ladestrom erhalten oder Energie abgeben kann, um die Niederspannungsverbraucher 5 zu speisen.
-
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.
-
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.
-
Auf diese Weise werden die Massen der beiden Stromnetze über einen Schalter getrennt.
-
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.
-
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.
-
Der Schalter 8 ist normalerweise geschlossen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Es ist zu beachten, dass die Sicherheitsfunktionen, insbesondere die Bremsfunktion, im Kurzschlussfall nicht deaktiviert werden, da alle elektrischen Anlagen weiterhin benutzbar sind.
-
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.
-
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.
