DE3728673C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zum Erfassen der Größe einer elektrischen Last in einem Kraftfahrzeug mit einer den Laststrom führenden ersten Leitung und einer ebenfalls Strom führenden zweiten Leitung innerhalb einer Sicherungseinheit des Fahrzeugs.

Herkömmlicherweise kann der Laststrom direkt erfaßt werden durch Messen des Spannungsabfalls an einem vorgegebenen, vom Laststrom durchflossenen elektrischen Widerstand. Nachteilig daran ist der Energieverlust am Widerstand sowie die Begrenzung des maximal erfaßbaren Stromwerts auf den für den Widerstand zulässigen Maximalstromwert. Auch ergibt sich unter Umständen ein Meßfehler aufgrund der Erwärmung des Widerstands.

Zum Vermeiden dieser Nachteile ist es bekannt, einen Strom indirekt durch magnetoelektrische Wandler zu erfassen, z. B. durch Hall-Elemente, wie dies aus der DE 31 30 277 A1 bekannt ist. Hierbei wird ein die entsprechende Leitung umgreifender Magnetkern eingesetzt und das vom durch die Leitung fließenden Strom erzeugte Magnetfeld im Magnetkern gemessen. Das Meßergebnis kann jedoch durch magnetische Streufelder benachbarter Strom führender Leiter verfälscht werden. Um dem zu begegnen, wird in der DE 31 30 277 A1 vorgeschlagen, den Querschnitt des Magnetkerns im Bereich des magnetoelektrischen Wandlers wesentlich zu vergrößern. Innerhalb einer Sicherungseinheit eines Fahrzeugs ist diese Querschnittsvergrößerung jedoch bereits aus Raumgründen nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher die Detektion des Laststroms innerhalb der Sicherungseinheit mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die erste Leitung einen Abschnitt aufweist, welcher rechtwinkelig zur zweiten Leitung verläuft und daß der Abschnitt von einem mit einem magnetoelektrischen Wandler versehenen Magnetkern umringt ist. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen gerichtet.

Aufgrund des rechtwinkeligen Verlaufs des Abschnitts relativ zur zweiten Leitung, führt etwaiger Stromfluß durch die zweite Leitung keinesfalls zu einer Magnetfeldinduktion im dementsprechend senkrecht zur zweiten Leitung orientierten Magnetkern. Meßfehler sind somit vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer elektrischen Energiever­ sorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Generator, dem eine erfindungsgemäße Stromerfassungsanordnung zugeordnet ist,

Fig. 2 eine Vorderansicht, die das Innere einer Hauptsicherungseinheit darstellt, in der die Stromerfassungsanordnung von Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung der Funktion der Stromerfassungsanordnung von Fig. 2 und

Fig. 5 eine Ansicht, in Richtung des Pfeils von Fig. 4 gesehen.

Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der Schaltungsaufbau einer elektrischen Energieversorgungs­ einrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Generator dargestellt ist, die eine erfindungsgemäße Anordnung und Erfassung einer elektrischen Last (nachfolgend mit Stromerfas­ sungsanordnung bezeichnet) aufweist. Der Generator 2 ist ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator. Von der Ständerwicklung 2a des Generators 2 wird Wechselstrom in drei Phasen erzeugt und über einen Gleichrichter 3 und eine Hauptsicherungseinheit 14 an eine Batterie 4 des Kraftfahrzeugs und an eine elek­ trische Last 5 abgegeben. Eine Verbindungsstelle des Gleichrichters 3 und der Hauptsicherungseinheit 14 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluß eines Komparators 6 verbunden, der als Operationsverstärker ausgebildet ist, so daß die Ausgangsspannung V der Batterie 4 über eine Haupt­ sicherung 12 (die in Fig. 2 dargestellt ist und auf die nachfolgend Bezug genommen wird) in den invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 eingegeben wird. Mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 sind entsprechende Ausgangsanschlüsse variabler Wider­ stände 7 und 8 über einen Wählschalter 11 selektiv ver­ bunden, und der Ausgangsanschluß des Komparators 6 ist mit einer Feld- bzw. Reglerwicklung 9 verbunden. Ein Ende der variablen Widerstände 7 und 8 ist jeweils mit einer ge­ regelten Konstantspannungsenergieversorgung (nicht gezeigt) verbunden, und das andere Ende der variablen Widerstände ist geerdet. Die variablen Wider­ stände 7 und 8 können von Hand eingestellt werden, um über die Zwischenausgangsanschlüsse eine entsprechende vorbe­ stimmte eingestellte Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Komparator 6 vergleicht die Ausgangsspannung V der Batterie 4 mit einem vorbestimmten eingestellten Wert, der vom variablen Widerstand 7 oder 8 über den Wählschalter 11 selektiv zugeführt wird und erregt die Feldwicklung 9 des Generators 2, damit in der Ständerwicklung 2a ein Wechselstrom zur elektrischen Stromerzeugung erzeugt wird, wenn die Aus­ gangsspannung V den vorbestimmten eingestellten Wert überschreitet.

In der Hauptsicherungseinheit 14 ist eine Stromerfassungs­ anordnung 1 vorgesehen, die in der Lage ist, den Wert des Stroms, der einer an der Batterie 4 anliegenden elektrischen Last wie z.B. Scheinwerfern zuge­ führt wird, d.h. die Größe der elektrischen Last, zu er­ fassen und ein den erfaßten Stromwert anzeigendes Signal einer elektrischen Steuereinheit 10 zuzuführen, die nach­ folgend als "ECU" bezeichnet wird. Die ECU 10 spricht auf den zugeführten erfaßten Stromwert an, um die Stellung des Wählschalters 11 mittels eines nicht dargestellten Stell­ glieds zu ändern. Genauer, wenn die an der Batterie 4 an­ liegende elektrische Last relativ klein ist, verbindet die ECU 10 den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 7, der eine niedrigere vorbestimmte Spannung als vorbestimmten eingestellten Spannungswert zuführt, und wenn die elek­ trische Last relativ groß ist, verbindet die ECU 10 den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 8, der eine höhere vorbestimmte Spannung als vorbestimmten eingestell­ ten Spannungswert zuführt. Die ECU 10 wird mit Signalen aus verschiedenen Sensoren (nicht gezeigt) versorgt, die Be­ triebszustände der Maschine anzeigen. Wenn die ECU 10 aus den eingegebenen Signalen erkennt, daß sich die Maschine in einem Verlangsamungszustand befindet, verbindet sie ungeachtet des von der Stromerfassungsvorrichtung 1 er­ faßten Stromwertes den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 8, damit die vorbestimmte höhere Spannung an den Komparator 6 angelegt wird.

Wenn die an die Batterie 4 angelegte elektrische Last relativ klein ist, wird, wie oben beschrieben, die vorbe­ stimmte niedrigere Spannung an den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 angelegt. Dement­ sprechend wird vom Komparator 6 ein Ausgangssignal mit niedrigem Pegel erzeugt, bis die an den invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 angelegte Ausgangs­ spannung V der Batterie 4 unter die vorbestimmte niedrigere Spannung abfällt, wodurch die Stromerzeu­ gungsleistung des Generators niedrig ist. Dies hat zur Folge, daß die Entladungsmenge (-umfang) der Batterie 4 groß ist, während die wesentliche Last an der Maschine, die den Gene­ rator antreibt, klein ist. Wenn die an der Batterie 4 an­ liegende elektrische Last relativ groß ist, wird die vor­ bestimmte höhere Spannung an den nicht invertierenden Ein­ gangsanschluß des Komparators 6 angelegt, so daß die Aus­ gangsspannung V der Batterie 4 bald unter die vorbestimmte höhere Spannung abfällt und dementsprechend wird die Stromerzeugungsleistung des Generators groß.

Wenn sich die Maschine in einen Verlangsamungszustand gelangt, wird der Auswählschalter 11 auf den variablen Widerstand 8 umgeschaltet. Wenn die Ausgangsspannung V der Batterie 4 bei dieser Gelegenheit niedriger als die vor­ bestimmte höhere Spannung ist, erzeugt der Generator eine mehr elektrische Energie, um die Batterie 4 schneller zu laden. Auf diese Weise wird während der Verlangsamung der Maschine die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird in der Batterie 4 gespeichert, wodurch der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt werden kann.

In Fig. 2 ist der innere Aufbau der Hauptsicherungseinheit 14 veranschaulicht, in der die erfindungsgemäße Stromer­ fassungsanordnung 1 vorgesehen ist.

Die Stromerfassungsanordnung 1 ist auf einer Versorgungsplatine 14′ der Hauptsicherungseinheit 14 zusammen mit Hauptsicherungselementen 12 und 13 angebracht, um den Mon­ tageraum für die Teile 1, 14 herabzusetzen. Eine sich zwischen dem Generator 2 und der Batterie 4 erstreckende elektrische Leitung A, umfaßt ein sich vom Gleichrichter 3 zur Hauptsiche­ rungseinheit 14 erstreckendes Verbindungskabel 15, ein Anschlußelement 16, das Hauptsicherungselement 12, ein Anschlußelement 17 und ein zur Batterie 4 führendes Verbindungskabel 18. Beim Ausführungsbeispiel erstreckt sich zumindest der Abschnitt der Leitung A, der sich auf der Versor­ gungsschaltplatine 14′ befindet, im wesentlichen geradlinig. Ein sich zwischen dem Anschlußelement 16 und der elektrischen Last 5 erstreckende elektrische Leitung B umfaßt einen aus einem blanken Draht gebildeten und sich vom Anschluß­ element 16 rechtwinklig zum Anschlußelement 16 bzw. der elektrischen Leitung A erstreckenden Verbindungsdraht 19, das Hauptsicherungselement 13, ein Anschlußelement 20 und ein Verbindungskabel 21, das zur elektrischen Last 5 führt. Mit Ausnahme des Verbindungsdrahtes 19 erstrecken sich die übrigen Teile 13, 20, 21 der elektrischen Leitung B (erste Leitung) parallel zur elektrischen Leitung (zweite Leitung).

Um den Verbindungsdraht 19 herum sind ein Magnetkern 1a und ein magnetoelektrisches Wandlerelement 1b angeordnet, das als bekanntes Hall-Element ausgebildet ist, und der Magnet­ kern 1a und das magnetoelektrische Wandlerelement 1b bilden zusammen mit der ersten elektrischen Leitung B die Stromer­ fassungsvorrichtung 1. Das Element 1b kann stattdessen als magnetisches Reluktanzelement ausgebildet sein. Der Magnet­ kern 1a weist ein zentrales Durchgangsloch 1a′ auf, das axial in ihm ausgebildet ist und durch das sich der Ver­ bindungsdraht 19 erstreckt, und ist so angeordnet, daß sich seine Achse rechtwinklig zur zweiten elektrischen Leitung A erstreckt. Der aus ferromagnetischem Material ausgebildete Magnetkern 1a weist die Form eines Kreisrings auf, kann jedoch eine andere Form aufweisen. Ein peripherer Wand­ abschnitt des Magnetkerns 1a ist mit einem axialen Spalt 1a′′ ausgebildet, durch den das Wandlerelement 1b eingeführt ist, um die Stärke des um den Verbindungsdraht 19 herum er­ zeugten und durch den Magnetkern 1a gesammelten Magnet­ feldes zu erfassen.

Es wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 die Funktion der wie oben aufgebauten, erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung 1 erläutert.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird gemäß der Korkenzieher­ regel um den Verbindungsdraht 19 ein Magnetfeld H 1 ausge­ bildet, das sich längs einer Ebene senkrecht zu der Rich­ tung dreht, in der ein Strom I 1 in der mit der elektrischen Last 5 verbundenen ersten elektrischen Leitung B fließt, und es werden weitere Magnetfelder H 2 und H 3 um die zweite elektrische Leitung A ausgebildet und drehen sich längs einer Ebene senkrecht zu der Richtung, in der ein Strom I 2 in der zweiten elektrischen Leitung A fließt. Die Magnetfelder H 2 und H 3 haben dieselbe Stärke und verlaufen in bezug auf die Achse des Magnetkerns 1a symmetrisch. Das auf der rechten Seite der Achse des Magnetkerns 1a befindliche Magnetfeld H 3 dreht sich bei der Darstellung von Fig. 4 in der ent­ gegengesetzten Richtung zum Magnetfeld H 1, wodurch das Magnetfeld H 1 aufgehoben wird. Hingegen dreht sich das Magnetfeld H 2 in derselben Richtung wie das Magnetfeld H 1, wodurch die Stärke des letzteren erhöht wird. Es sei nun angenommen, daß die Drehrichtung des Magnetfeldes H 1 eine Richtung mit positivem Vorzeichen ist, und infolgedessen kann die gesamte Magnetfeldstärke H durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:

H = H 1 + H 2 - H 3 (1)

Da die Magnetfelder H 2 und H 3 durch denselben Strom I 2 gebildet werden, haben sie dieselbe Feldstärke, d.h. H 2=H 3. Daher kann die folgende Gleichung (2) aus der Gleichung (1) abgeleitet werden:

H = H 1 (2)

Somit entspricht die vom Magnetkern 1a erfaßte Magnet­ feldstärke lediglich der Feldstärke des durch den in der ersten elektrischen Leitung B fließenden Strom I 1 erzeugten Magnetfeldes H 1.

Wie oben beschrieben, kann das Hall-Element 1b lediglich das durch den in der ersten elektrischen Leitung B fließenden Strom I 1 erzeugte Magnetfeld erfassen, d.h. lediglich den zu er­ fassenden Stromwert, ohne daß es durch die durch den in der zweiten elektrischen Leitung A fließenden Strom I 2 erzeugten Magnetfelder beeinträchtigt wird, und somit ist es mög­ lich, den Strom I 1 genau zu erfassen.

Obwohl die elektrische Leitung B, deren Stromfluß erfaßt werden soll, in einer Weise angeordnet ist, daß sie von der anderen elektrischen Leitung A abzweigt, ist die Erfindung nicht hierauf be­ schränkt. Sie kann vielmehr auf eine Anordnung angewendet werden, bei der ein Draht, dessen Stromfluß erfaßt werden soll, parallel zu den anderen Drähten verläuft, oder auf eine Anordnung, bei der der Stromerfassungsdraht sich mit einem weiteren elektrischen Draht kreuzt.

Claims (3)

1. Anordnung zum Erfassen der Größe einer elektrischen Last in einem Kraftfahrzeug mit einer den Laststrom führenden ersten Leitung (B) und einer ebenfalls Strom führenden zweiten Leitung (A) innerhalb einer Sicherungseinheit des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (B) einen Abschnitt (19) aufweist, welcher rechtwinkelig zur zweiten Leitung (A) verläuft und
daß der Abschnitt (19) von einem mit einem magneto­ elektrischen Wandler (1b) versehenen Magnetkern (1a) umringt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Magnetkern (1a) ein Spalt (1a′′) ausgebildet ist und daß der magnetoelek­ trische Wandler (1b) ein in den Spalt (1a′′) eingeführ­ tes magnetoelektrisches Wandlerelement umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Leitung (A) ein erstes Sicherungselement (12) und die erste elektrische Leitung (B) ein zweites Sicherungs­ element (13) innerhalb der Sicherungseinheit (14) umfaßt.