DE3738503C1 - Vehicle on-board electrical power supply system - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Bordnetz eines Fahrzeuges können in seltenen Fällen durch Abtrennen des Akkumulators bei laufendem Generator, z. B. durch Kabelbruch, insbesondere bei tiefentladenem Akkumulator, einzelne energiereiche Spannungsimpulse der Größenanordnung von etwa 200 V, über eine Dauer von etwa 300 ms an einem Innenwiderstand von etwa 2 Ohm ent­ stehen, die zur Zerstörung von Bauelementen in ans Bord­ netz angeschlossenen elektrischen Geräten führen können.

Zum Schutz gegen solche Überspannungen - auch gegen so­ genannte "Load-dump"-Impulse (= Schutz eines Verbrauchers vor einem auf die Batteriespannung abklingenden energie­ reichen Impuls" (DIN 40 839 T 1) - ist bereits eine gattungsgemäße Schutzschaltung bekannt (DE-OS 36 14 589), welche einen spannungsabhängigen Widerstand verwendet, um inbesondere den als Schaltelement dienenden Thyristor trotz anliegender Batteriespannung auch wieder löschen zu können. Dieser spannungsabhängige Widerstand muß jedoch relativ groß dimensioniert sein, ist entsprechend teuer und nur endliche Male belastbar.

Des weiteren ist eine Schutzschaltung bekannt (DE-OS 23 08 090), mittels welcher der Generator feldseitig über einen Thyristor kurzgeschlossen wird, sobald die Spannung des Bordnetzes einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Als nachteilig ist hierbei zu erachten, daß bereits Überspannungsimpulse geringen Energieinhaltes das Bordnetz durch Betätigen des Überspannungsschutzes empfindlich stören.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes elektri­ sches Bordnetz mit einer Schutzschaltung gegen Load-dump- Impulse so auszubilden, daß mit relativ einfachen und kostengünstigen Bauteilen für die Schutzschaltung gleich­ wohl eine hohe Lebensdauer derselben gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Bordnetz der eingangs ge­ nannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Danach ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die ohne weiteres und auch nachträglich zwischen den Polen des Bordnetzes einschaltbar ist. Sie besteht im wesentlichen aus einem Überspannungsgeber, der beim Auftreten zu hoher Spannungen ein Schaltelement ansteuert, welches daraufhin die beiden Pole des Bordnetzes nahezu kurzschließt, so daß gefährlich hohe Spannungen nicht entstehen können. Durch eine dem Schaltelement zugeordnete Ausschaltverzögerung er­ gibt sich als besonderer Vorteil, daß der energiereiche Störimpuls in kurze und ungefährliche Einzelimpulse mit längeren Pausen zerlegt wird.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Schutzschaltung und weitere, in dem Unteranspruch genannte Einzelheiten, sind in einem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel er­ läutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Schutzschaltung und

Fig. 2 ein Diagramm über den zeitlichen Verlauf eines Störimpulses und der Wirkung der Schutz­ schaltung.

In dem Schaltbild nach Fig. 1 ist links ein Generator 10 angedeutet, der, wie bei Kraftfahrzeug-Bordnetzen üblich, aus einem Drehstromgenerator mit Gleichrichter und Spannungs­ regler bestehen soll. Dessen positiver Pluspol 1 und negativer Massepol 2 bilden die beiden Pole des Bordnetzes, an welche auch der vom Generator 10 aufzuladende Akkumulator 11 angeschlossen ist. An das Bordnetz angeschlossene Ver­ braucher sind nicht dargestellt, es wird durch Pfeile lediglich auf die Lage weiterer Verbraucher hingewiesen.

Strichliert eingerahmt ist die zwischen die beiden Pole 1 und 2 des Bordnetzes geschaltete Schutzschaltung 6, die aus einem Überspannungsgeber 7, einer Ausschaltverzögerung 8 und einem Schaltelement 9 besteht, die ebenfalls durch unterbrochene Linien voneinander getrennt sind.

Der Überspannungsgeber 7 besteht aus einer Zenerdiode D 1, die vom Pluspol 1 in Sperrichtung zu einem Verbindungspunkt 3 führt, und aus einem Widerstand R 1, der zwischen dem Ver­ bindungspunkt 3 und dem Massepol 2 liegt. Die Ausschaltver­ zögerung besteht aus einer Sperrdiode D 2 in Durchlaßrichtung vom Verbindungspunkt 3 zu einem Verbindungspunkt 4, aus einem Kondensator C 1 zwischen Verbindungspunkt 4 und dem Massepol 2 sowie aus einem Entladewiderstand R 2, der vom Verbindungspunkt 4 zum Schaltelement 9 führt.

Das Schaltelement 9 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Relais Re 1, dessen Erregerwicklung zwischen dem Entladewiderstand R 2 und dem Massepol 2 liegt. Dieses Relais weist einen Arbeitskontakt 5 auf, der einerseits über einen Ableitwiderstand R 3 mit dem Pluspol 1 und andererseits über einen Überspannungsableiter ÜsAg mit dem Massepol 2 verbunden ist.

Die Funktion der Schutzschaltung ist folgende:
wird bei laufendem Generator 10 der Akkumulator 11, bei­ spielsweise durch Kabelbruch an der durch ein Kreuz be­ zeichneten Stelle vom Bordnetz getrennt, so kann infolge dieses Lastabwurfs ein sog. "Load-dump"-Impuls 12 ent­ stehen, der in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Dieser Impuls ist durch einen raschen Anstieg um etwa 200 V und einen langsameren Abfall wieder auf die Bordspanung U _Batt bei einer Gesamtdauer von ca. 300 ms gekennzeichnet. Dabei können sehr hohe Ströme entstehen, welche verschiedene Bau­ elemente am Bordnetz liegender Geräte zerstören können.

Bei normalem Betrieb ist die Zenerdiode D 1, deren Zener­ spannung etwa so hoch wie Bordspannung U _Batt ist, gesperrt und damit die Schutzschaltung 6 außer Betrieb. Erscheint nun ein derartiger "Load-dump"-Impuls 12, so fällt der die Zenerspannung übersteigende Anteil am Widerstand R 1 ab und der Kondensator C 1 wird auf etwa diese Spannung aufge­ laden. Bei steigender Spannung am Kondensator C 1 wird die Anzugspannung des Relais Re 1 - beispielsweise 24 V - über­ schritten, so daß dieses anzieht und damit die beiden Pole 1 und 2 des Bordnetzes über den Widerstand R 3 und den ÜsAg miteinander verbindet.

Der Überspannungsableiter ÜsAg ist ein gasgefülltes Bau­ element ähnlich einer Glimmlampe, mit einer Zündspannung von in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise 70 V und einer Löschspannung von etwa 12 V.

Während der Flugzeit des Relaiskontaktes 5 ist die Spannung im Bordnetz weiter angestiegen, so daß beim Schließen des Kontaktes die Zündspannung U _Z des ÜsAg weit überschritten ist und dieser sofort zündet. Damit bricht die Überspannung im Bordnetz auf einen durch die inneren Widerstände be­ stimmten Wert U _H zusammen und verharrt etwa auf diesem Wert, bis der Relaiskontakt 5 wieder öffnet. Dies geschieht in dem Moment, in welchem durch Entladung des Kondensators C 1 über R 2 und Re 1 die Haltespannung des Relais Re 1 unter­ schritten wird. Dadurch steigt die Spannung im Bordnetz wieder, der Kondensator C 1 wird wieder geladen usw.

Es entsteht also ein Spannungsverlauf, wie durch die aus­ gezogene Linie 13 in Fig. 2 dargestellt. Es entstehen aus dem Spannungsimpuls 12 einzelne kurze Impulse, deren Dach­ spannung geringer ist, als es dem "Load-dump"-Impuls zum selben Zeitpunkt entspricht, die immer niedriger werden mit immer längerer Dauer und mit immer kürzer werdenden dazwischenliegenden Pausen. Dies wiederholt sich solange, bis die Zündspannung U _Z des ÜsAg nicht mehr überschritten wird. Ab diesem Zeitpunkt fällt die Spannung proportional zu der des Störimpulses, bis die normale Bordspannung wieder erreicht ist.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel unter Ver­ wendung eines ÜsAg ist sinnvoll nur anwendbar, solange keine selbst gegen Überspannungen geschützten Verbraucher aus Bordnetz angeschlossen sind. Sind jedoch solche beispiels­ weise durch Suppressordioden geschützte Verbraucher ange­ schlossen, so kann es vorkommen, daß die Spannung auf Werte begrenzt wird, die unterhalb der Zündspannung des ÜsAg liegen, die Schutzschaltung damit unwirksam ist und die Suppressordioden durch den "Load-dump"-Impuls dennoch zer­ stört werden.

In einem solchen Fall ist die Schutzschaltung 6 ohne ÜsAg - indem der Arbeitskontakt 5 des Relais Re 1 direkt mit dem Massepol 2 des Bordnetzes verbunden wird - zu verwenden. Es ist lediglich darauf zu achten, daß trotz Begrenzung der Spannung durch Suppressor-Dioden die Anzugspannung des Relais Re 1 erreicht wird. Die Arbeitsweise dieser Schaltung entspricht, mit Ausnahme des fehlenden ÜsAg, der vorher beschriebenen Schaltung. Der Verlauf der Bordspannung für diesen Fall ist in Fig. 2 durch den mit 14 bezeichneten, gestrichelten Spannungsverlauf dargestellt.

Claims (3)

1. Elektrisches Bordnetz eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Generator, einem Akkumulator sowie einer Schutzschaltung als Überspannungsschutz gegen im Bordnetz auftretende "Load-dump"-Impulse,

• welche zwischen den Polen des Bordnetzes ange­ ordnet ist und einen Überspannungsgeber sowie ein von diesem angesteuertes, mit einer Ausschaltverzögerung zusammenwirkendes Schaltelement aufweist, welches normalerweise geöffnet ist und in geschlossenem Zustand die Pole des Bordnetzes über ein strom- und/oder spannungsbegrenzendes Element kurzschließt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Überspannungsgeber (7) aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (R 1) und einer Zenerdiode (D 1) be­ steht, wobei der eine Anschluß des Widerstandes (R 1) mit dem Massepol (2) des Bordnetzes und der andere An­ schluß mit der Anode der Zenerdiode (D 1) verbunden ist, deren Kathode mit dem zweiten Pol (1) des Bordnetzes ver­ bunden ist,
• - daß die Ausschaltverzögerung (8) aus der Reihenschaltung einer Sperrdiode (D 2) und eines Kondensators (C 1) sowie aus einem Entladewiderstand (R 2) für den Kondensator (C 1) besteht, wobei die Sperrdiode (D 2) vom Verbindungspunkt (3) zwischen Widerstand (R 1) und Zenerdiode (D 1) des Über­ spannungsgebers (7) in Durchlaßrichtung zum Kondensator (C 1) gepolt ist, der mit seinem zweiten Anschluß am Massepol (2) des Bordnetzes liegt, und daß der Entladewiderstand (R 2) zwischen dem Verbindungspunkt (4) von Sperrdiode (D 2) und Kondensator (C 1) und dem Schaltelement (9) liegt und
• - daß das Schaltelement (9) ein Relais (Re 1) aufweist, dessen Arbeitskontakt (5) in einem zwischen den beiden Polen (1, 2) des Bordnetzes liegenden Stromkreis in Reihe mit einem Ableitwiderstand (R 3) liegt.

2. Elektrisches Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Massepol (2) und der Reihenschaltung aus Arbeitskontakt (5) und Ableitwiderstand (R 3) ein Überspannungsableiter (ÜsAg) liegt.