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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Schutz eines Mehrfachspannungsbordnetzes bei Spannungskopplung
zwischen einer Hochspannungsebene und einer Niederspannungsebene
sowie eine Anordnung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Derartige Verfahren finden beispielsweise
in der Fahrzeugtechnik in Fahrzeugen Anwendung, die bereits mit
einem 42 Volt Bordnetz ausgestattet sind und aus Kompatibilitätsgründen zusätzlich ein
12 Volt (14 Volt) Bordspannungsnetz aufweisen.
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Hierbei kann es jedoch in dem 12
Volt Bordnetz bzw. Bordspannungsnetz zu unerwünschten Überspannungen kommen, welche
beispielsweise durch Überschläge, Kurzschlüsse, Lichtbögen usw. zwischen
den beiden Bordnetzen verursacht werden. Dies kann jedoch zu Funktionsausfällen oder
gar Schädigung
der 12 Volt Komponenten führen.
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Um dies zu verhindern wird beispielsweise
in der
DE 101 13 081 vorgeschlagen,
bei Auftreten einer Überspannung
im 12/14 Volt Bordnetz die Spannung in diesem Netz durch einen Spannungsbegrenzer
auf den Niederspanungswert zu begrenzen, bis die 36 V-Batterie des
42 Volt Bordnetzes abgetrennt ist und der Generator an seinem Ausgang
auf den Spannungswert der Niederspannungebene, z. B. auf 13,5 Volt,
zurückgeregelt
ist.
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Nachteiligerweise werden hierbei
42 Volt Komponenten bzw. – Verbraucher
im 42 Volt Bordnetz nicht mehr mit der erforderlichen Spannung versorgt,
so dass dies zu Funktionsstörungen
oder gar Ausfällen
dieser Komponenten führt.
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Weiterhin ist in der
DE 199 44 833 A1 vorgeschlagen,
in einem Mehrspannungsbordnetz Mittel vorzusehen, die einen Kurzschluss
weitgehend verringern bzw. dessen Auswirkungen vermindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz eines Mehrfachspannungsbordnetzes
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 5 zu schaffen, das die Komponenten des Niederspannungsbordnetzes
bzw. der Niederspannungsebene vor Funktionsausfällen oder gar Schädigung schützt und
eine möglichst hohe
Funktionsfähigkeit
der Komponenten des Hochspannungsbordnetzes bzw. der Hochspannungsebene
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
5 gelöst.
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Nach der Erfindung wird bei einer
detektierten Überspannung
in der Niederspannungsebene die Spannung in dieser Ebene wenigstens
an entsprechenden empfindlichen Punkten (einzelne Verbraucher oder
ganze Leitungszweige) durch geeignete technische Mittel oder Aktionen
auf einen vordefinierten Wert nach oben begrenzt beispielsweise
konstant gehalten, der zwischen den Werten der Niederspannung und
der Hochspannung, insbesondere der Nennspannung der Hochspannungsebene,
liegt.
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Demzufolge bleibt die Spannungsquelle
der Hochspannungsebene mit dieser verbunden, so dass die Komponenten
der Hochspannungsebene je nach Fehlerursache nach wie vor mit der
ursprünglichen
Hochspannung oder aufgrund eines Kurzschlusses mit einer Mischspannung
unter dem Wert der Hochspannung aber jedenfalls über dem Wert der Niederspannung
versorgt werden.
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Alle oder zumindest die empfindlichen
Komponenten der Niederspannungsebene werden mit einer Spannung versorgt
die zwar höher
als die Niederspannung ist, jedoch je nach Spezifikation als begrenzte
Zielspannung so vordefiniert gewählt
werden kann, dass eine Schädigung
des oder der Verbraucher in der Niederspannungsebene nicht eintritt.
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Eine derartige Begrenzung kann beispielsweise
durch Spannungsbegrenzer wie Zenerdioden, elektronisch geregelte
Begrenzer etc. oder durch entsprechende Lastverteilung, also Hinzuschalten
von bisher nicht aktivierten Verbrauchern oder sogenannten zusätzlichen
Opferverbrauchern (ohne weitere Funktion) bei zu hoher Spannung
bzw. Abschaltung solcher Verbraucher bei zu niedriger Spannung an den
jeweiligen Leitungspunkten bzw. -strängen erreicht werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung ist der zeitliche Ablauf vom Auftreten einer Überspannung
und Dauer der Spannungsbegrenzung bzw. Spannungsbegrenzungen in
der Niederspannungsebene zeitlich, beispielsweise auf zwei bis drei
Minuten, insbesondere 150 Sekunden, begrenzt. Hierdurch kann vorteilhafterweise
als Zielspannung ein höherer
Wert gewählt
werden, da entsprechende 12 Volt Komponenten und/oder Leitungen
im Kurzzeitbetrieb sogar nach der jeweiligen Spezifikation eine höhere Spannung
aushalten können
als im Dauerbetrieb.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann
nach Auftreten und Detektieren einer Überspannung in der Niederspannungsebene
die Fehlerquelle analysiert bzw. eruiert und der Fehler eventuell sogar
behoben werden.
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Beispielsweise können die Komponenten der Hochspannungsebene,
soweit es die Funktionssicherheit des Gesamtsystems zulässt, abgeschaltet werden,
so dass die Fehlerursache, in der Regel ein Defekt in einer 42 Volt
Komponente, hierdurch beseitigt wird.
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Im Weiteren können die abgeschalteten 42 Volt
Komponenten sukzessive wieder angeschaltet werden, bis der Fehler
wieder auftritt. Die letzte Anschaltung kann zur Behebung des auf
diese Weise eruierten Fehlers rückgängig gemacht
werden, um den Fehler zu beheben bzw. nur die defekte Komponente
(oder den Leitungsstrang) abzuschalten. Hierdurch kann vorteilhafterweise
eine möglichst
große Anzahl
von Komponenten für
den weiteren Betrieb funktionsfähig
gehalten werden.
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Hierbei können selbst sicherheitsrelevante Komponenten
zumindest kurzzeitig abgeschaltet werden, da sie im Folgenden sehr
schnell wieder angeschaltet werden und eine dauerhafte Abschaltung dieser
Komponenten unterbleibt. Gleichzeitig kann hierdurch nicht nur die
Fehlerquelle eruiert, sondern sogar behoben werden, so dass zumindest
im Falle eines weniger sicherheitsrelevanten defekten Einzelverbrauchers
bzw. -komponente die Funktionssicherheit des Gesamtsystems in ausreichender
Weise gewährleistet
wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
können
in Abhängigkeit
vom aufgetretenen Fehler bzw. der Fehlerursache Routinen, wie Gesamtsystem
in einen definierten Zustand überführen, ausgeführt werden.
Beispielsweise kann bei einem Fahrzeug mit abgestelltem Motor die
elektrische Feststellbremse aktiviert werden, eine entsprechende
Fahrerinformation an den Fahrer erfolgen, o.ä. oder bei einem Fahrzeug mit
laufendem Motor ein Abtrennen der Hochspannungsquelle, Verbinden
der Niederspannungsebene mit der Hochspannungsebene usw. erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung für ein Zweispannungsbordnetz
eines Fahrzeuges und
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2 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Das in 2 als
Blockschaltbild dargestellte Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeuges
umfasst im 42 Volt Bordnetz als Spannungsquelle üblicherweise eine 36 Volt Batterie 1 bzw.
einen Akkumulator, sowie einen sich hieran anschließenden Schalter 3 um
die Batterie 1 vom Netz zu trennen bzw. hinzuzuschalten.
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Parallel zu der Batterie 1 und
dem Schalter 3 ist ein Generator 5 geschaltet,
an den sich ein Lastverteiler 10 des 42 Volt Bordnetzes
anschließt,
welcher ausgangsseitig mehrere Leitungen bzw. Leitungsstränge (wie
dargestellt beispielsweise drei Leitungen hinzu- und abschalten
kann).
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Die zu dem Lastverteiler 10 eingangsseitig führende Hauptleitung
des 42 Volt Bordnetzes ist über
einen Schalter 7, welcher im Normalfall ausgeschaltet ist,
mit dem 12 Volt Bordnetz elektrisch verbindbar. Das 12 Volt Bordnetz
umfasst in ähnlicher Weise
wie das 42 Volt Bordnetz eine 12 Volt Batterie 11 bzw.
einen Akkumulator, welche über
einen sich daran anschließenden
Schalter 9 zum 12 Volt Bordnetz hinzu- oder abschaltbar
ist.
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An diesen Schalter 9 schließt sich,
abgesehen von der Verbindungsstelle über Schalter 7 zum 42
Volt Bordnetz, eine Sicherung 13 und im Weiteren ein 12
Volt Lastverteiler 15 an. Dieser Lastverteiler 15,
an dem eingangsseitig die 12 Volt Hauptleitung anliegt, schaltet
je nach Bedarf die ausgangsseitigen Leitungen bzw. Leitungsstränge (gestrichelt
dargestellt bzw. ein Leitungsstrang ausgeführt) hinzu oder ab.
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Im Weiteren wird nur ein Leitungsstrang
detailliert beschrieben, wobei das Folgende auch für mehrere
oder alle Leitungsstränge
gelten kann.
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Wie dargestellt, wird die Hauptleitung und/oder
ein solcher Leitungsstrang an einer beliebigen oder bestimmten Stelle
bzw. Stellen durch wenigstens einen (Überspannungs-)Detektor 17 spannungsmäßig überwacht.
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Zusätzlich kann an bestimmten Stellen
für einen
ganzen Leitungsstrang oder für
einen oder mehrere Verbraucher die Spannung durch einen Spannungsbegrenzer 19,
wie beispielsweise eine Zenerdiode, einen elektronisch geregelten
Spannungsbegrenzer, oder wenigstens einen weiteren Lastverteiler 15 die
Spannung begrenzt werden, so dass ein Verbraucher 21 oder
auch mehrere Verbraucher vor schädigender Überspannung
geschützt
werden können.
Bei Bedarf ist es selbstverständlich
auch denkbar einen Strombegrenzer einzusetzen.
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Selbstverständlich ist das dargestellte
Blockschaltbild nur beispielhaft anzusehen, so dass in einem Zweispannungsbordnetz
beliebig viele Lastverteiler 10 und 15, weitere
Spannungsquellen 11 und 1, Sicherungen 13,
Generatoren 5, die Spannungsbegrenzungseinheit 19,
Detektoren 17 und Verbraucher 21 beinhaltet sein
können.
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Selbstverständlich sind zumindest der Generator 5,
die Lastverteiler 10 und 15, sowie die Detektoren 17 mit
einer Steuerung in Form eines oder mehrerer Steuergeräte beispielsweise über einen CAN-Bus
verbunden. Zusätzlich
können
selbstverständlich
auch die weiteren Elemente, wie die Spannungsbegrenzungseinheit 19,
der Verbraucher 21, die Batterien 1 und 11,
sowie die Schalter 3, 7 und 9 mit dieser
Steuerung verbunden sein.
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Im Folgenden wird das in 2 in Form eines Ablaufdiagramms
dargestellte, erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben. Tritt im 12 Volt Bordnetz, also im unteren Teil des
Schaltbilds gemäß 1 eine Überspannung auf, wird diese
mittels einer oder mehrerer Detektoren 17 detektiert.
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Hierbei wird es sich bei der Überspannung
in der Regel um einen unerwünschten
Kontakt zwischen 42 Volt und 12 Volt Bordnetz handeln, so dass sich üblicherweise
eine Zwischenspannung zwischen 18 und 28 Volt, beispielsweise 23
Volt, einstellt. Ein derartiger Fehlkontakt wird häufig durch
einen defekten 42 Volt Verbraucher oder Leitung verursacht, so dass
eine unerwünschte
leitende Verbindung zwischen dem 42 Volt Bordnetz und dem 12 Volt
Bordnetz hergestellt ist.
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Übersteigt
die Überspannung
an bestimmten Stellen eines Leitungsstranges oder vor empfindlicheren
Verbrauchern oder im gesamten Leitungsstrang die zulässige Spannung,
die sogenannte Zielspannung für
eine solche Stelle, so wird die jeweilige Spannungsbegrenzungseinheit 19 aktiv
und begrenzt die Spannung auf die maximal zulässige Zielspannung.
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Als unterstützende Maßnahme können zusätzliche bisher nicht im Betrieb
befindliche Verbraucher, beispielsweise 12 Volt Komfortverbraucher,
wie Klimaanlage, Lüftung
oder Ähnliches
hinzugeschaltet werden, die den weiteren Betrieb bzw. die Funktion des
Fahrzeuges nicht negativ beeinflussen und zur Erhöhung der
Last und damit Senkung der sich einstellenden Überspannung beitragen. Weiterhin
kann die Generatorleistung soweit reduziert (geregelt) werden, dass
sich eine geringere Spannung als die Nennspannung der Hochspannungsebene
(beispielsweise 30V bis 35V in einem 42V-Bordnetz) einstellt.
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Löst
die Sicherung 13 in der Hauptleitung des 12 Volt Bordnetzes
aufgrund der auch dort bestehenden Überspannung aus, wird die 12
Volt Batterie 11 hierdurch vom 12 Volt Bordnetz getrennt,
so dass sich auch bei einem bis dahin geöffneten Schalter 7 (zwischen
beiden Netzen) in dem 12 Volt Bordnetz bzw. in den Leitungssträngen eine
höhere Überspannung
bis hin zu 42 Volt einstellt.
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In diesem „worst case" werden in der Regel alle
Spannungsbegrenzungseinheiten 19 aktiv. Zusätzlich können wie
auch im vorstehend beschriebenen Fall als unterstützende Maßnahme zusätzliche bisher
nicht aktive 12 Volt Komfortverbraucher hinzugeschaltet werden.
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In jedem Fall, also auch bei Nichtauslösen der
Sicherung 13, beginnt die Fehlersuche bzw. die Analyse
oder das Eruieren des Fehlers, wobei alle 42 Volt Verbraucher, insbesondere
die Komfortverbraucher, welche zumindest kurzzeitig auch in Anbetracht von
Sicherheitsgründen
vom Netz genommen werden können,
abgeschaltet werden.
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Verschwindet daraufhin die Überspannung im
12 Volt Bordnetz, ist damit grundsätzlich der Fehler, nämlich ein
defekter Verbraucher der 42 Volt Verbraucher festgestellt, so dass
durch ein sukzessives Hinzuschalten der Fehler behoben bzw. minimiert werden
kann.
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Hierbei erfolgt die sukzessive Hinzuschaltung
solange, bis die Überspannung
wieder auftritt bzw. mittels wenigstens eines (Überspannungs-)Detektors 17 detektiert
wird, wobei daraufhin die letzte Hinzuschaltung rückgängig gemacht
werden kann.
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Weiterhin ist es denkbar, bei weiteren
noch nicht hinzugeschalteten 42 Volt Verbrauchern nur diesen (defekten
Verbraucher) auszulassen und die übrigen weiterhin sukzessive
hinzuzuschalten, wobei auch ein Mehrfachfehler, beispielsweise zwei
oder mehrere defekte 42 Volt Verbraucher, durch vorstehend beschriebene
Maßnahme
(Rückgängigmachen der
letzten Hinzuschaltung bei wiederum einem Auftreten einer Überspannung)
behoben werden kann.
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Tritt keinerlei Fehler während des
sukzessiven Wiederhinzuschaltens der 42 Volt Verbraucher auf, so
ist der ursprüngliche
Zustand wiederhergestellt und es ist anzunehmen, dass der Fehler
nur kurzzeitig vorhanden war oder von außen verursacht wurde.
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Ist trotz Abschaltung der während einer
auftretenden Überspannung
aktiven 42 Volt Verbraucher die Überspannung
weiterhin vorhanden, besteht zudem die Möglichkeit, einen sogenann ten
Notlaufbetrieb einzuleiten, nämlich
Trennen der 36 Volt Batterie 1 mittels Schalter 3 vom
42 Volt Bordnetz und Senken der Generatorspannung des Generators 5 über die
nicht dargestellte Steuerung auf z.B. 23 Volt oder weniger (z.B.
16 Volt). Der Notlaufbetrieb kann hierbei zeitlich derart begrenzt
sein, dass 12 Volt Verbraucher nicht dauerhaft geschädigt werden.
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Im Folgenden wird der im Normalfall
offene Schalter 7 geschlossen, so dass beide Netze miteinander
elektrisch verbunden sind. Demzufolge werden beide Netze selbst
bei einer zusätzlichen
Abschaltung der 12 Volt Batterie 11 mittels Schalter 9 vom
12 Volt Bordnetz bei laufenden Motor über den Generator 5 versorgt.
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Nach einer vorbestimmten Zeit kann
dann die 12 Volt Batterie 11 wieder hinzugeschaltet und der
Schalter 7 geöffnet
werden.
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Ist die Überspannung nicht mehr vorhanden, so
wurde diese eventuell durch einen externen Eingriff, nämlich beispielsweise
einem Jumpstart, also einem Fremdstart des Motors, verursacht.
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Tritt die Überspannung im 12 Volt Bordnetz trotz
Abschalten der 42 Volt Verbraucher dagegen bei nicht laufendem Motor
auf, so kann die 42 Volt Batterie in diesem Notlaufbetrieb mit dem
Bordnetz verbunden bleiben und das Fahrzeug möglichst schnell in einen definierten
Zustand, wie beispielsweise Feststellen der elektromechanisch gesteuerten Handbremse
bzw. Parkbremse und/oder Anzeigen von Fahrerinformation oder Ähnliches,
gebracht werden.
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Wird das Fahrzeug in einem solchen
Zustand mittels eines Startsignals gestartet (Motorstart), werden
sowohl die 36 Volt Batterie 1 als auch der Startergenerator
vom Netz getrennt (Generator 5 mittels eines zusätzlich nicht
dargestellten Schalters oder über
die Steuerung auf Null geregelt) und im Folgenden der vorstehend
erläuterte
Notlaufbetrieb bei einem Fahrzeug mit laufendem Motor eingeleitet.
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Weiterhin ist es denkbar einen erkannten Fehler
in einem Fehlerspeicher abzulegen, um diese beispielsweise auszuwerten,
zu analysieren und zu Wartungs- oder Reparaturzwecken heranzuziehen.