DE19951095A1 - Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen Netzes - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen Netzes, insbesondere eine Batterie enthaltendes Bordnetz von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Booten und dgl. gegen Verpolung, Kurzschluss und/oder Überspannung, mit einem im Falle eines Ansprechens auslösenden, schalterartigem Trennelement im Anschlussbereich des Bordnetzes, ist dadurch gekennzeichnet, dass das eine Trennelement mindestens zwei zugeordnete, voneinander unabhängig und jeweils für sich eine Abschaltung des Bordnetzes über das Trennelement bewirkende Auslöseeinheiten aufweist, die auf unterschiedliche Ansteuerungen ansprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen Netzes, insbesondere eine Batterie enthaltendes Bordnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei vorzugsweise ein pyrotechnisches Trennelement die Netzabschaltung von einer Energiequelle bewirkt, die üblicherweise eine Batterie sein kann.

Aus der DE 197 49 896 A1 ist ein pyrotechnischer Sicherheitsschalter für den Batteriestromkreis eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei in einer Leitungsverbindung eine elektrothermisch durchtrennbare Sicherungsstrecke mit definierter Ansprechcharakteristik angeordnet ist, die durch die Zündung eines pyroelektrischen Treibsatzes mechanisch und elektrisch durchgetrennt wird.

Es ist ferner bekannt (DE 44 06 730 A1), zwischen der Batterie und dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges die Stromversorgung des Bordnetzes dadurch selbsttätig zu unterbrechen, dass bei einem Aufprall eine pyrotechnische Einrichtung gezündet wird, die einen Schalter in seine Öffnungsstellung überführt.

In ähnlicher Weise wird bei der DE 44 25 307 A1 eine mit einer Batteriekabelklemme eine Baueinheit bildende pyrotechnische Treibladung bei anormal großer Beschleunigung des Kraftfahrzeuges gezündet und so die Verbindung zwischen der Batterie und den elektrischen Verbrauchern aufgetrennt.

Schließlich ist es auch bekannt (DE 196 20 204 A1), die Anschlusseinrichtung für eine Batterieklemme bei einem KFZ- Bordnetz so auszubilden, dass an der Batterieklemme ein Hülsenkörper angeordnet ist, in den ein mit einem weiterführendem elektrischen Leiterdraht verbundener Steckkontakt eingeführt wird. Ferner ist im Bereich von Hülsenkörper und Steckkontakt eine von aussen zündbare pyrotechnische Zündpille so gelagert, dass bei einer Explosion der Steckkontakt durch den Explosionsdruck aus dem Hülsenkörper herausgedrückt wird.

Durch alle diese Einrichtungen gelingt es, die elektrische Verbindung zwischen einer Fahrzeugbatterie und dem Bordnetz aufzutrennen, hauptsächlich zu dem Zweck, um im Falle eines Unfalls das Bordnetz stromlos zu machen.

Üblicherweise kann eine solche pyrotechnische Treibladung so aufgebaut sein (DE 297 00 594 U1), dass der durchzutrennende elektrische Leiter innerhalb eines Schaltergehäuses angeordnet ist und von einer pyroelektrischen Treibladung durchtrennt wird, wobei nach der Trennung sich bildende Leiterenden innerhalb des geschlossenen Schaltergehäuses verbleiben.

Probleme bei Bordnetzen von fahrbaren Einheiten entstehen ferner auch dadurch, dass beim Nehmen oder Geben von Fremdstarthilfe Verpolungen oder Kurzschlüsse auftreten können, wobei schließlich auch ein erhebliches Risiko gegen die Einwirkung von Überspannungen besteht, wenn aufgrund des Einsatzes höherer Bordnetzspannungen (Fremdstart eines Fahrzeuges mit 14 V Bordnetz durch ein Fahrzeug mit 42 V Bordnetz) erhebliche Schäden an den elektronischen Bauelementen im Fahrzeug mit 14 V Bordnetz zu erwarten sind.

Um daher eine sichere Fremdstarthilfe bei Bordnetzen von beweglichen Einheiten zu gewährleisten, ist es vor allen Dingen erforderlich, sowohl die bordnetzeigene Batterie als auch das Bordnetz selbst gegen Verpolung zu schützen, sowohl für den Fall, dass eine Fremdstarthilfe von einem gegebenen Fahrzeug geleistet wird, oder dass dieses Fahrzeug Fremdstarthilfe in Anspruch nehmen muss, weil die eigene Bordnetzbatterie für einen Startversuch nicht mehr über die erforderliche Kapazität verfügt, beispielsweise also zu stark entladen ist.

Da bei in einem Kraftfahrzeug angeordneten handelsüblichen Batterien ein mechanischer Schutz gegen Verpolung nicht realisierbar ist und eine Verpolung an sich grundsätzlich auch nicht bei einem Starthilfeversuch ausgeschlossen werden kann, die beispielsweise durch Unachtsamkeit einer Bedienungsperson verursacht wird, besteht ferner ein Trend zur Absicherung einzelner Leitungen innerhalb eines Fahrzeugs, d. h. es werden beispielsweise Bauelemente oder einzelne Baugruppen, die besonders empfindlich auf eine Verpolung reagieren, durch in Reihe geschaltete Dioden gegen Verpolschäden geschützt. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass bei höheren Strömen die Verlustleistung der Schutzdioden stark ansteigt.

In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt (DE 39 30 896 A1), Reihenschaltungen von zu schützenden Elementen mit invers geschalteten MOSFET's vorzusehen, wodurch sich geringere Verlustleistungen ergeben. Eine solche Lösung ist allerdings sehr kostspielig.

Bekannt ist ferner (DE 29 19 022 A1) ein Generatorsystem und/oder Verbraucher gegen eine Beschädigung durch ein Anschließen einer falsch gepolten Spannungsquelle, nämlich Batterie oder dergleichen, dadurch zu schützen, dass eine Einrichtung zur Erkennung der Falschpolung vorgesehen ist, die aus einer Serienschaltung eines Verpolschutzrelais und einer Verpolschutzdiode besteht. Das Relais benötigt im eingeschalteten Zustand jedoch eine relativ hohe Ansteuerleistung und weist zudem einen relativ hohen Einschaltwiderstand auf, so dass im Startfall mit einer Verschlechterung der Systemeigenschaften zu rechnen ist. Ausserdem besteht bei einem Relais beim Abschalten von hohen Strömen die Gefahr des Verschweissens der Schaltkontakte.

Schließlich weist eine weitere bekannte Schaltungsanordnung (DE 197 19 919 A1) zum Schutz von Verbrauchern vor Verpolungsschäden in einem Bordnetz ein Begrenzungselement und eine Auslöseeinheit auf, wobei das Begrenzungselement parallel zum Bordnetz geschaltet ist und bei falsch gepolter Spannung die Bordnetzspannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, der für sonstige elektronische Einheiten noch nicht schädlich ist. Durch diese Begrenzung baut sich ferner eine Spannung am Begrenzungselement auf, die dazu benutzt wird, einen Schalter zu öffnen.

Weitere bekannte Verpolschutzanordnungen, die jedoch im vorliegenden Zusammenhang keine größere Bedeutung haben und auf die daher auch nicht näher eingegangen wird, lassen sich ferner den folgenden Veröffentlichungen entnehmen: DE 42 31 970 C2, DE 30 30 700 A1, DE 33 13 051 A1, DE 34 08 657 A1, DE 196 03 117 A1.

Grundsätzlich ist der Einsatz bestimmter Bauelemente in modernen Bordnetzen, insbesondere von Elektrolytkondensatoren oder Halbleiter-Leistungsschalter auf MOSFET-Basis in Kraftfahrzeugbordnetzen durch die Gefahr der Verpolung eingeschränkt. Bei einem Elektrolytkondensator kann eine solche Verpolung zur explosionsartigen Zerstörung des Kondensators mit den entsprechenden Folgeschäden führen, bei Halbleiterschaltern hingegen kann es im Verpolungsfall zu einem hohen Stromfluss über die Rückwärtsdiode der üblichen MOS-Transistoren kommen, was zu einer Zerstörung der Schalter und/oder zu einem ungewollten Einschalten von Verbrauchern führen kann. Besonders kritisch sind hier Brückenschaltungen.

Andererseits werden sowohl Elektrolytkondensatoren als auch Halbleiterelemente zunehmend im Bordnetzbereich von Fahrzeugen eingesetzt, wobei insbesondere bei Elektromotoren, die über Pulsweitenmodulationen geregelt werden, die hohen Schaltfreuqenzen mit Hilfe von Halbleiterschaltern erzeugt werden. Der Einsatz von Elektrolytkondensatoren dient dem Vermeiden von Rückwirkungen auf das Bordnetz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen, üblicherweise mit einer Batterie ausgerüsteten Netzes, vorzugsweise Bordnetz von Kraftfahrzeugen, zu schaffen, die neben einem wirksamen Verpolschutz noch weitere Funktionalitäten wie Überspannungsschutz und Leitungsabsicherung integriert und sicherstellt, dass in einem Bordnetz auch durch von Benutzern verursachten Fehlbedienungen keine Schäden entstehen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, dass auf jegliche, ein Bordnetz und dessen Komponenten schädigende Einflüsse von aussen wie Verpolung, Überspannung oder Kurzschluss sicher und zuverlässig durch Abtrennung des Bordnetzes, also Auftrennung der Verbindung zwischen dem Bordnetz und der es speisenden Batterie bzw. auf Fremdbatterie reagiert wird, wobei das eine vorhandene Trennelement so ausgebildet ist, dass auf unterschiedliche Einflüsse zurückzuführende Störungen gleichermaßen mit der Abschaltung des Bordnetzes reagiert werden kann. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau der Trenneinrichtung erheblich, er ist ferner auch kostengünstig.

Ausserdem ist der Austausch des die Abtrennung bewirkenden Trennelements, welches vorzugsweise ein pyrotechnisches Trennelement ist, vereinfacht, desgleichen eine eventuelle Reparatur oder ein Rücksetzen in den Ursprungszustand. Letzeres kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn es sich bei dem Trennelement um den einem Relais zugeordneten Schalter handelt, wobei das Relais mindestens eine weitere Wicklung enthält und daher von mehreren unterschiedlichen, einen Schadensfall oder eine Störung erfassenden Quellen angesteuert werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen Bord­ netzes und in

Fig. 2 eine Realisierungsform der Sicherheitsschaltung der Fig. 1 mit Angabe diskreter Bauelemente, während die

Fig. 3 eine Ausführungsform eines möglichen Trenn­ elements auf pyrotechnischer Basis im Querschnitt zeigt.

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, neben dem Verpolschutz noch weitere Funktionalitäten wie Überspannungsschutz und Leitungsabsicherung dadurch zu integrieren, dass in einem das Bordnetz von der Stromversorgung über Batterie oder Fremdbatterie im Störungsfall abschaltendem Trennelement mindestens zwei Auslöseeinheiten zusammengefasst sind, die von unterschiedlichen Einflussgrößen über Sensoren oder unmittelbar aus dem Netz angesteuert werden und in der Lage sind, jede für sich und unabhängig von der anderen die Auslösung, also die Netzabtrennung, zu veranlassen.

In Fig. 1, wie im übrigen auch in Fig. 2, sind lediglich die sicherheitsrelevanten Komponenten der Sicherungsvorrichtung für ein elektrisches Netz, insbesondere Bordnetz dargestellt, wobei die weiterführenden Leitungen A, B zum eigentlichen Bordnetz und seinen mindestens teilweise jedenfalls empfindlich auf Störeinflüsse reagierenden Komponenten führen.

Die Bordnetz Minusleitung B ist mit dem Minusanschluss 12 einer Versorgungsbatterie 10 direkt durchverbunden; die Bordnetz Plusleitung A liegt über ein schaltbares bzw. schaltendes Trennelement 17 am Plusanschluss 11 der Batterie 10, wobei in diesem Bereich noch ein Fremdspannungsstützpunkt 11a, falls gewünscht, definiert werden kann, der der Anschaltung einer fremden Hilfsbatterie, beispielsweise eines Fremdfahrzeugs dient, wenn die eigene Batterie ausgefallen oder sonstwie entladen ist.

Das die Leitungsverbindung vom Pluspol der Batterie zur Bordnetzplusleitung A in einem Schadens- oder Störungsfall unterbrechende Trennelement 17 ist bevorzugt als pyrotechnisches Zündelement ausgebildet, so wie es als bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 gezeigt ist. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.

Es ist aber auch möglich, das schaltenden oder schaltbare Trennelement 17 als Schalter eines mindestens eine Doppelwicklung aufweisenden Hochstromtrennrelais auszubilden, welches dann, wie auch das pyrotechische Zündelement 35 entsprechend Fig. 3 unabhängig von mindestens zwei verschiedenen Quellen zur Öffnung angesteuert wird.

In entsprechender Weise kann das Trennelement auch von einem motorisch angetriebenen Schaltkontakt gebildet sein, wobei der Antriebsmotor über zwei Wicklungen verfügt, die jede für sich in der Lage ist, den Motor so anzutreiben, daß Unterbrechungen über ein solches Schaltkontakt-Trennelement separat möglich sind.

Zur Ansteuerung des Trennelements 17 ist ein erstes aktiv wirkendes Auslöseelement 3 vorgesehen, welches, für den angenommenen Fall der Ausbildung des Trennelements 17 als pyrotechnisches Zündelement, mit einem Zünddraht 33 in Reihe geschaltet ist und auf Verpoleinflüsse, wenn gewünscht auch entsprechend empfindlich reagiert und so die Öffnung des Trennelements 17 bewirkt; ein zweites aktives Auslöseelement 4 umfasst eine zweite, zugeordnete Zündwicklung 34 für den Fall eines pyrotechnischen Zündelements 35 als Trennelement 17 und wird im Störungs- oder Schadensfall gesondert über eine eigene Ansteuerung 11 so angesteuert, dass über den Zünddraht 34 die Abtrennung des Bordnetzes erfolgt, auch unabhängig von dem ersten aktiv wirkenden Auslöseelement 3 und auch dann, wenn dieses gar nicht angesprochen hat - umgekehrt gilt dies auch für das erste aktiv wirkende Auslöseelement 3, welches eine Abtrennung des Bordnetzes durch Ansteuerung des Trennelements 17 bewirken kann, auch wenn das zweite aktive Auslöseelement 4 nicht reagiert.

In der Ausführungsform der Fig. 2 handelt es sich bei dem ersten aktiv wirkenden Auslöseelement 3 um eine Zenerdiode 21 in Reihe mit dem Zünddraht 33; das zweite aktive Auslöseelement 4 ist ein Transistor 10, der bei entsprechender Ansteuerung durchschaltet und den Zünddraht 34 in Reihe mit seiner Kollektorstrecke zur Auslösung des pyrotechnischen Zündelements 35 bringt. Die Ansteuerung 11 könnte beispielsweise auch ein geeigneter, auf Extrembeschleunigung reagierender Unfallsensor sein.

Da beide Auslöseelemente sowohl auf gleiche als auch auf unterschiedliche Störungsfälle reagieren und ansprechen können, ist eine mögliche Grundfunktion wie folgt, wobei man zunächst aus der Darstellung der Fig. 3 erkennt, dass die beiden Zünddrähte 33, 34 in der gleichen pyrotechnischen Mischung 30 eingebettet sind, die mit dem durchzutrennenden Leiter 31 in einem alle Komponenten aufnehmenden Gehäuse 32 angeordnet ist, wobei sich in dem Gehäuse noch ein Hohlraum 33 befindet, der bei Durchtrennung nach pyrotechnischer Zündung über den Zünddraht 33 und/oder den Zünddraht 34 das Leiterstück aufnimmt.

Für eine Auslösung im Betrieb als Sicherung kann der Standardzünddraht 34 in konventioneller 2 Ohm Technik aufgebaut sein, d. h. er weist einen Widerstand von ca. 2 Ohm auf und benötigt einen Auslösestrom von etwa 2 Ampere, der problemlos von dem Transistorelement 10 zur Verfügung gestellt werden kann, wenn dieses an seinem Ansteuereingang 11 aufgrund einer Störung angesteuert wird.

Für die bisher angegeben Daten sowie auch für folgende Daten, die, wie sich versteht, mit Bezug auf die Erfindung nicht einschränkend wirken, sondern lediglich der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels im einzelnen dienen, ist ein Spannungsabfall am Zünddraht von etwa 4 V erforderlich, der bei durchgeschaltetem Transistor 10 mit Sicherheit aufgebracht werden kann, etwa im Falle einer Überspannung oder bei drohendem, von entsprechenden Sensoren erfasster Unfallgefahr. Insofern dient das zweite aktive Auslöseelement 4 in der Form des Transistors 10 als Sicherung für den allgemeinen Auslösefall, der jedoch einen Verpolfall nicht immer mit Sicherheit erkennen kann, da im Falle einer Verpolung der Spannungsabfall für die genannte Auslösung des Zünddrahtes 34 nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Hier setzt das erste aktiv wirkende Auslöseelement 3, in der bevorzugten Form einer Zenerdiode 21 ein, wobei dieser Schaltkreis aus Zenerdiode 21 mit zugeordnetem Zünddraht 33 so ausgelegt ist, dass auch bei einem Spannungsabfall von < 2 V, üblicherweise < 1,3 V noch eine ausreichende Erwärmung zum Zünden des pyrotechnischen Treibmittels erzeugt werden kann. Dabei setzt im Falle einer Verpolung zunächst ein Verpolschutzelement 1 ein, welches als übliche Verpolschutzdiode 24 ausgebildet sein kann und als Begrenzungselement im Verpolungsfall eine solche Spannung von < 2 V im Bordnetz noch zulässt, ohne dass, aufgrund der dann umgekehrten Polung, ein Schaden auftritt. Da andererseits im Verpolungsfall ausreichend Strom zur Verfügung steht und der Zündstrom hier nicht direkt aktiv geschaltet werden muss, stellt der erhöhte Strombedarf keine Limitierung dar.

Es ist daher möglich, über diese Komponente 21, 33 auch im Verpolungsfall sicher abzuschalten, und zwar durch eine entsprechende Auslegung des Zünddrahts 33. Im Verpolungsfall wird der Zünddraht 33 über die Zehnerdiode 21 entsprechend auch sehr hoch bestromt, da die Diode dann leitend ist und aufgrund des Verhaltens der Verpolschutzdiode 24 im Bordnetz eine (verpolte) Spannung etwa zwischen 1,3 V-2 V zur Verfügung steht. Um den Zünder über den Schaltkreis 21, 33 bei -1 V mit Sicherheit auslösen zu lassen, ist davon auszugehen, dass über der Zehnerdiode 21 zunächst 0,7 V abfallen, wenn diese leitend wird. Dadurch stehen für die Zündeinheit, also den Zünddraht 33 lediglich noch 0,3 V zur Verfügung, so dass, um die gleiche elektrische Leistung für die Zündung wie der reguläre Zünder zu erzeugen, der Widerstand des Zünddrahtes einen Wert von 0,01 Ohm nicht überschreiten darf, bei, wie schon erwähnt, entsprechend unbegrenzt zur Verfügung stehendem Strom.

Der Verpolungsfall kann auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sein, beispielsweise allein schon dadurch, dass die eigene Batterie 10 fehlerhaft, nämlich verpolt angeschlossen wird oder auch dadurch, dass bei eigener erschöpfter Batterie Hilfsenergie aus einer Fremdbatterie für einen Anlassvorgang zur Verfügung gestellt und in diesem Falle verpolt wird.

Schließlich ist auch noch der Störungsfall einer Überspannung zu berücksichtigen, der dann entstehen würde, wenn zwar polgerecht angeschlossen wird, jedoch mit einer weit überhöhten Spannung von beispielsweise 42 V (bei einem 12 V Bordnetz) ausgeholfen wird.

Auch dieser Fall lässt sich über den Zündzweig aus den Elementen 21 und 33 beherrschen und so eine Beschädigung elektronischer Bauelemente im Bordnetz vermeiden, da bei einer solchen Überspannung die Zehnerdiode 21 durchbricht und der Zünddraht 33 ebenfalls auslöst.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen Netzes, insbesondere eine Batterie enthaltendes Bordnetz von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Booten und dgl. gegen Verpolung, Kurzschluss und/oder Überspannung, mit einem im Falle eines Ansprechens auslösenden, schalterartigem Trennelement im Anschlussbereich des Bordnetzes, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Trennelement (17) mindestens zwei zugeordnete, voneinander unabhängig und jeweils für sich eine Abschaltung des Bordnetzes über das Trennelement (17) bewirkende Auslöseeinheiten (3, 33; 4, 34) aufweist, die auf unterschiedliche Ansteuerungen ansprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes aktiv wirkendes Auslöseelement (3) in Reihe mit einem Auslösewiderstand (33) für das Trennelement (17) und ein zweites aktives Auslöseelement (4) in Reihe mit einem weiteren Auslösewiderstand (34) für das Trennelement (17) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste aktiv wirkende Auslöseelement (3) eine Zenerdiode (21) mit einem in Reihe geschalteten, sehr niederohmigen Zünddraht (33) ist, welches auf Verpolung und Überspannungen anspricht und dass das zweite aktive Auslöseelement (4) ein Transistor oder sonstiges Halbleiterschaltelement in Reihe mit einem weiteren Zünddraht (34) für das Trennelement (17) ist, welches selbst als pyrotechnisches, zwei Zünddrähte (33, 34) aufweisendes Zündelements (35) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Bordnetzleitungen (A, B) ein Verpolschutzelement (1) in Form einer Verpolschutzdiode (24) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (17) der Schalter eines Hochstromtrennrelais ist, dessen beide Wicklungen den Reihenwiderständen zum ersten aktiv wirkenden Auslöseelement (3) und zum zweiten aktiven Auslöseelement (4) entsprechend ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (17) ein motorisch angetriebener Schaltkontakt ist, dessen Antriebsmotor zwei den Reihenwiderständen zu den Auslöseelementen (3, 4) entsprechende Wicklungen aufweist.