DE19702116C2 - Schutzvorrichtung gegen Falschpolung im elektrischen Bordnetz eines Fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen Falschpo­ lung im elektrischen Bordnetz eines Fahrzeuges mit einer Bat­ terie, deren zwei Ausgangspole zwei Stromleitungen mit unter­ schiedlichen Potentialen beaufschlagen, wobei in die ein er­ stes Potential führende Stromleitung in Reihenschaltung ein Schaltkontakt eines elektromagnetischen Relais eingefügt ist, welches einen ferromagnetischen Kreis mit einem Kern und/oder einem Joch, eine Spulenwicklung sowie einem den Schaltkontakt betätigenden Anker aufweist, und wobei von der der Batterie abgewandten Seite des Schaltkontaktes ein niederohmiger Ne­ benschlußzweig über eine Diode an die das zweite Potential führende Stromleitung geführt ist.

Bei Kraftfahrzeugen ist es in bestimmten Störungssituationen wünschenswert, das Bordnetz möglichst in unmittelbarer Nähe der Batterie schlagartig abzuschalten. Ein solcher Fall ist etwa die Verpolung bei einer Starthilfe, wobei also eine Fremdbatterie durch eine Vertauschung der Starthilfekabel mit falscher Polung an die Ausgänge der Bordbatterie angeschlos­ sen wird. Abgesehen von der Schädigung der Bordbatterie kön­ nen in diesem Fall die elektronischen Systeme des Bordnetzes zerstört werden.

Um diese Gefahr zu vermeiden, ist es bisher üblich, die elek­ tronischen Systeme in dem Fahrzeug durch Reihendioden oder Gleichrichterbrücken zu schützen, wie dies auch bei anderen Geräten weithin praktiziert wird. Das hat aber den Nachteil, daß über jede der Reihendioden während des normalen Betriebes eine Leistung umgesetzt wird. Gerade im Fahrzeug ist aber ein solcher zusätzlicher Leistungsverbrauch besonders uner­ wünscht. Außerdem bedeutet diese Einzelabsicherung bei der Vielzahl von elektronischen Systemen in modernen Fahrzeugen auch einen erheblichen Aufwand an Bauelementen und Schal­ tungstechnik.

Für die Sicherung gegen andere Störfälle, insbesondere gegen Kurzschlüsse im Bordnetz, sind bereits verschiedene Maßnahmen bekannt. So ist aus der DE 41 10 240 C1 eine Einrichtung zur Absicherung eines Hauptstrompfades in einem Kraftfahrzeug be­ kannt. Hierbei wird eine Kurzschlußsituation durch verschie­ dene Fühler und Vergleichsmittel festgestellt und zur Tren­ nung des Stromkreises ausgewertet. Als Abschaltmittel werden dort beispielsweise eine Sprengkapsel oder ein elektromagne­ tischer Aktuator genannt, ohne daß auf die Konstruktion und die Funktion eines derartigen Aktuators näher eingegangen wird.

Für andere Anwendungszwecke sind jedoch Lasttrennschalter in Form von Überstrom-Auslösern mit einem Elektromagnetsystem bekannt, beispielsweise aus der EP 0 322 987 B1.

Aus DE-AS 22 36 846 ist eine Schaltungsanordnung zur Verhin­ derung einer Falschpolung an den Eingangsanschlüssen eines Gleichstromverbrauchers bekannt, welche eine Polumschaltungs­ einrichtung und eine nachgeschaltete Einschalteinrichtung aufweist. Der serielle Kontakt eines der Einschalteinrichtung zugeordneten elektromagnetisches Relais wird verwendet, um eine Eingangsspannung falscher Polarität vom zu schützenden Gleichstromverbraucher fernzuhalten. Die Erregerwicklung ist dabei zusammen mit einer Diode in einem Nebenschlußzweig an­ geordnet. Der durch die Diode und die Erregerwicklung des Re­ lais der Einschalteinrichtung gebildete Nebenschlußzweig ist jedoch auch in ungestörtem Betriebszustand stromdurchflossen, was bei Anwendung einer derartigen Schaltungsanordnung in Kraftfahrzeugen zu einer unnötigen Belastung der Batterie führen würde.

In DE-OS 15 38 584 ist ein Primärrelais zum Schutz elektri­ scher Anlagen beschrieben, welches aus einem einen Primärlei­ ter umfassenden Anregesystem, einem Kontaktsystem und einer Isolierstange besteht, welche zwischen dem Anregesystem und dem Kontaktsystem angeordnet ist. Das unter Hochspannung ste­ hende Anregesystem und die als Wirkverbindung dienende Iso­ lierstange sowie das Kontaktsystem bilden dabei eine kon­ struktive Einheit, indem zwischen Anregesystem und Kontaktsy­ stem parallel zur Isolierstange ein Isolierträger angeordnet ist. Ferner weist das Kontaktsystem eine verstellbare Feder zur Einstellung des Ansprechstroms auf. Außerdem ist aus der Entgegenhaltung DE-OS 15 38 584 bekannt, den Primärleiter mit einem gutleitenden Blechstreifen auszustatten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzvorrich­ tung zu schaffen, mit der das Bordnetz eines Fahrzeuges auf einfache Weise effektiv gegen eine Falschpolung am Batterie­ anschluß geschützt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß in ei­ nem Normalzustand die Diode in Sperrichtung geschaltet und der Schaltkontakt geschlossen ist, daß die Spulenwicklung von dem Kern bzw. Joch umschlossen ist, daß der Nebenschlußzweig einen Stromleiter aus hochleitfähigem Material aufweist, wel­ cher zwischen dem Kern bzw. Joch und der Spulenwicklung oder nur außen am Kern bzw. Joch im wesentlichen senkrecht zur Achse der Spulenwicklung vorbeigeführt ist, und daß das Re­ lais sowohl durch den Nebenschlußzweig als auch durch einen Fühler für einen außerordentlichen Zustand, beispielsweise für Kurzschluß oder Aufprallbeschleunigung, über eine ent­ sprechende, die Erregung der Spulenwicklung steuernde Auswer­ teschaltung auslösbar ist.

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung nutzt also einen elek­ tromagnetischen Trennschalter, der beim Ansprechen über einen im Stromkreis angeordneten Kontakt diesen Stromkreis unter­ bricht. Durch eine einfache schaltungstechnische Maßnahme, nämlich durch einen über die Diode nur bei Falschpolung be­ aufschlagten Nebenschlußzweig, wird dieser Magnetschalter zur Auslösung gebracht, wobei der hohe Kurzschlußstrom bei ent­ sprechender räumlicher Anordnung, d. h. einer Kopplung, eine genügend hohe Erregung in dem Magnetkreis erzeugt, um den An­ ker anzuziehen und den Kontakt zu öffnen. Der Nebenschluß­ zweig bildet dabei nur eine einzige oder nur eine halbe Win­ dung, indem er zwischen Joch und Spule oder auch nur außen am Joch etwa senkrecht zu dessen Längsrichtung vorbeigeführt wird. Diese Auslösung des Magnetsystems mit dem falsch gepol­ ten Kurzschlußstrom erfolgt ohne Mitwirkung der Spulenwick­ lung, so daß für diesen Zweck grundsätzlich auch ein Magnet­ system ohne Wicklung verwendet werden könnte.

Für die praktische Anwendung ist es jedoch vorteilhaft, ein Elektromagnetsystem zu verwenden, welches auch im normalen Betrieb über eine Spulenwicklung auslöst, beispielsweise zur Batterieabtrennung bei Störungsfällen, wie etwa bei einem (richtig gepoltem) Kurzschlußstrom oder bei einem Unfall mit einem Aufprall-Beschleunigungssensor.

In einer bevorzugten Anwendung wird die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung mit einem Batterietrennschalter verbunden, der räumlich im Bereich der Batterie angeordnet ist und ein Elektromagnetsystem mit einer Spule und einem Joch aufweist. In diesem Fall kann der Nebenschlußzweig in Form eines Blech­ streifens aus gutleitendem Metall zwischen Wicklung und Joch hindurchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt eine Bordbatterie 1, deren Pluspol an ei­ ne Laststromleitung 2 und deren Minuspol im Regelfall an eine Masseleitung 3 angeschlossen ist. In dem dargestellten Bei­ spiel führen diese beiden Stromleitungen durch eine schema­ tisch dargestellte Trennschaltereinheit, an deren Ausgang die Bordnetzklemmen 5 und 6 angeordnet sind. In dem Bordnetz sind beispielsweise auch elektronische Systeme angeschaltet, die in jedem Fall gegen eine Falschpolung des Bordnetzes ge­ schützt werden müssen. Die Gefahr einer Falschpolung tritt insbesondere dann auf, wenn entweder die Bordbatterie 1 beim Einbau falsch angeschlossen wird oder wenn zur Unterstützung einer schwachen Bordbatterie eine zusätzliche Fremdbatterie 7 über Starthilfekabel 8 mit falscher Polung angeschlossen wird.

In der Trennschaltereinheit 4 ist ein schematisch dargestell­ tes Elektromagnetsystem 9 angeordnet, welches eine Spule 10, ein U-förmiges Joch 11 und einen Hubanker 12 aufweist. Der Anker 12 betätigt einen Ruhekontakt 13, der also beim Anzie­ hen des Ankers 12 geöffnet wird und damit die Stromleitung 2 unterbricht. Die mechanische Kopplung zwischen dem Anker 12 und dem Trennkontakt 13 ist nur schematisch angedeutet. Tat­ sächlich ist diese Kopplung so gestaltet, daß der Kontakt nach dem Auslösen öffnet und geöffnet bleibt, auch wenn der Anker wieder in seine Ruheposition zurückkehrt. Der Kontakt 13 kann dann erst wieder von Hand über ein Betätigungselement 14 geschlossen werden. Derartige Überstromauslöser sind für Stromnetze bekannt, so daß der Fachmann eine entsprechende Konstruktion aus dem Stand der Technik wählen kann. Anstelle des Hubankermagnetsystems könnte auch ein anderes Relais- Magnetsystem, beispielsweise mit einem Klappanker, verwendet werden.

Zur normalen Auslösung des Magnetsystems 9 wird der Spule 10 über die Spulenanschlüsse 15 ein Erregersignal zugeführt, das von einer Steuereinrichtung 16 kommt. Diese Steuereinrichtung 16 kann beliebige Signale auswerten, beispielsweise das Si­ gnal eines Stromsensors 17 oder eines Aufprall- Beschleunigungssensors 18. Für die vorliegende Erfindung ist allerdings der spezielle Aufbau und die spezielle Ansteuerung des Magnetsystems 9 nicht von Bedeutung. Wichtig ist allein das Vorhandensein eines Magnetsystems mit einem Eisenkreis, der hier beispielsweise durch das Joch 11 und den Anker 12 gebildet ist.

Gemäß der Erfindung wird nun zwischen dem Laststromleiter 2, und zwar von einem Abgriffspunkt 19 an der von der Batterie abgewandten Seite des Kontaktes 13, eine Nebenschlußleitung 20 zum Masseleiter 3, also beispielsweise dem Anschlußpunkt 21, geführt. Diese Nebenschlußleitung 20 wird beispielsweise in Form eines gut leitenden Blechstreifens 22 durch den fer­ romagnetischen Kreis 11, 12 hindurch oder an diesem nahe vor­ beigeführt, so daß er den ferromagnetischen Kreis annähernd senkrecht kreuzt. Außerdem ist in den Nebenschlußkreis 20 ei­ ne Diode 23 angeordnet, welche bezüglich der normal eingebau­ ten Bordbatterie 1 in Sperrichtung geschaltet ist.

Der Nebenschlußkreis erhält durch die Diode 23 nur bei Falschpolung der Fremdbatterie 7 einen hohen Kurzschlußstrom, der über den Leiter 20 in dem ferromagnetischen Kreis des Jo­ ches 11 und des Ankers 12 einen Magnetfluß induziert, der das Magnetsystem 9 zum Ansprechen bringt. Der Anker 12 wird also angezogen und öffnet den Kontakt 13.

Durch diese Schutzschaltung über den Nebenschluß 20 und die Diode 23 entspricht bei Falschpolung die Spannung im Bordnetz lediglich dem Spannungsabfall über der Diode und liegt somit bei etwa -1 Volt. Diese Spannung liegt auch nur sehr kurze Zeit an, da, wie beschrieben, der über die Diode fließende Kurzschlußstrom innerhalb weniger Millisekunden das Magnetsy­ stem auslöst und den Kontakt 13 öffnet.

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung hat den Vorteil, daß im Vergleich zu den bisherigen Schutzschaltungen mit Reihen­ dioden nicht mehr jedes einzelne elektronische System gegen Verpolung geschützt werden muß. Außerdem entfällt auch der mit jeder Reihendiode verbundene Leistungsumsatz. Durch die direkte Nutzung des Kurzschlußstromes in dem Magnetsystem ist das System unabhängig von einer zusätzlichen Elektronik, und es benötigt auch keine Energiespeicher zur Auslösung. Über­ dies erfordert das System nur eine einzige Diode und, falls ein Elektromagnetsystem als Trennschalter ohnehin vorhanden ist, lediglich den Leiter für den Nebenschluß. Es ist also vom schaltungstechnischen Aufwand auch sehr preiswert und wirtschaftlich.

Claims (2)

1. Schutzvorrichtung gegen Falschpolung im elektrischen Bord­ netz eines Fahrzeuges mit einer Batterie (1), deren zwei Aus­ gangspole zwei Stromleitungen (2, 3) mit unterschiedlichen Po­ tentialen beaufschlagen, wobei in die ein erstes Potential führende Stromleitung (2) in Reihenschaltung ein Schaltkon­ takt (13) eines elektromagnetischen Relais (9) eingefügt ist, welches einen ferromagnetischen Kreis mit einem Kern und/oder einem Joch (11), eine Spulenwicklung (10) sowie einem den Schaltkontakt (13) betätigenden Anker (12) aufweist, und wo­ bei von der der Batterie (1) abgewandten Seite des Schaltkon­ taktes (13) ein niederohmiger Nebenschlußzweig (20) über eine Diode (23) an die das zweite Potential führende Stromleitung (3) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Normalzustand die Diode (23) in Sperrichtung geschaltet und der Schaltkontakt (13) geschlossen ist, daß die Spulenwick­ lung (10) von dem Kern bzw. Joch (11) umschlossen ist, daß der Nebenschlußzweig (20, 22) einen Stromleiter (22) aus hochleitfähigem Material aufweist, welcher zwischen dem Kern bzw. Joch (11) und der Spulenwicklung (10) oder nur außen am Kern bzw. Joch (11) im wesentlichen senkrecht zur Achse der Spulenwicklung (10) vorbeigeführt ist, und daß das Relais (9) sowohl durch den Nebenschlußzweig (20, 22) als auch durch ei­ nen Fühler (17, 18) für einen außerordentlichen Zustand, bei­ spielsweise für Kurzschluß oder Aufprallbeschleunigung, über eine entsprechende die Erregung der Spulenwicklung (10) steu­ ernde Auswerteschaltung (16) auslösbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (11) die Spulenwicklung (10) U-förmig umschließt und daß der Stromleiter (22) des Nebenschlußkreises durch einen Blech­ streifen gebildet ist, welcher zwischen der Spulenwicklung (10) und dem Joch (11) hindurchgeführt ist.