DE4435726A1 - Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit ei­ ner elektrischen Anlage mit den im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Elektrische Anlagen in Kraftfahrzeugen bestehen im allge­ meinen aus diversen Haupt- und Nebenstromkreisen, wobei diese über Hin- und Rückleiter mit einer Batterie verbun­ den sind. Um den Verkabelungsaufwand gering zu halten, sind die Rückleiter einzeln oder in Gruppen mit der Ka­ rosserie des Fahrzeugs elektrisch leitend verbunden, so daß diese letztendlich als Rückleiter fungiert. Die Hauptstromkreise sind über Schmelzsicherungen - soge­ nannte Vorsicherungen - einzeln gegen Überstrom ge­ schützt. Bekommt ein Kabel eines Hauptstromkreises bei­ spielsweise durch Quetschung oder Durchscheuern Massekon­ takt, fließt ungewünscht ein Strom über die Karosserie ab. Hat dieser Strom eine bestimmte Größe, brennt ein Schmelzeinsatz der Vorsicherung durch. Dies ist aber ab­ hängig von der Auslegung der Vorsicherungen. Es ist mög­ lich, daß ungewollte Massekontakte vorhanden sind, ohne daß der Schmelzeinsatz durchbrennt. Es kann zur Funken­ bildung kommen, was eine Gefahr, insbesondere bei Unfall­ situationen, darstellt. Hier sind Fahrzeugbrände möglich.

Die Kontaktierung der Rückleiter mit der Karosserie er­ fordert einigen Aufwand. Es werden Massebolzen mit Karos­ serieteilen verschweißt, an denen dann einzelne oder meh­ rere Rückleiter angeschlossen werden. Dabei muß eine elektrisch leitende Verbindung sicher gewährleistet sein, was durch Maßnahmen des Unterbodenschutzes oder der Lackierung oftmals erschwert ist.

Die Hin- und Rückleiter der bekannten elektrischen Anla­ gen bei Kraftfahrzeugen sind räumlich getrennt voneinan­ der angeordnet. Sie sind bei Stromfluß mit elektro-magne­ tischen Feldern umgeben, deren Ausbildung von der Größe und Richtung des Stromes abhängig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage zu schaffen, wobei diese Anlage bei Verringerung oder Konstanthaltung des zu betreibenden Aufwandes in Unfallsituationen sicher sein (Vermeidung von Fahrzeugbränden), eine variable Reaktion auf Fehler ermöglichen und eine verbesserte elektro-magnetische Ver­ träglichkeit aufweisen soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das erfindungsge­ mäße Kraftfahrzeug durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Ein­ zelheiten ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 11.

Die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs besteht aus ei­ ner Batterie, einem Generator sowie aus einer Vielzahl elektrischer Verbraucher. Die Verbraucher sind in Haupt- und Nebenstromkreisen angeordnet und werden über Hin- und Rückleiter mit der Batterie verbunden, wobei sowohl die Hinleiter als auch die Rückleiter gegenüber der Karosse­ rie des Kraftfahrzeugs isoliert verlegt sind. Zumindest ein Differenzstrommesser vergleicht den in zusammengehö­ renden Hin- und Rückleitern fließenden Strom. Dieser muß bei ordnungsgemäßem Betrieb in erster Näherung gleich groß sein. Ist dies nicht der Fall, muß Strom über einen nicht konstruktiv vorgesehenen Pfad abfließen, was einen Fehlzustand oder sogar eine Gefahr darstellt.

Der bzw. die Differenzstrommesser können mit einer Steu­ ereinrichtung verbunden sein oder einen direkten Einfluß auf die elektrische Anlage nehmen. Beispielsweise kann auf Stromkreise mit Fehlfunktion durch ein Warnsignal hingewiesen werden oder diese werden über Schwellwert­ schalter abgeschaltet.

Eine Steuereinrichtung, die mit gemessenen Differenzströ­ men beaufschlagt wird, kann variable Steuersignale gene­ rieren und ausgeben. Es ist möglich, die mit Differenz­ strömen verbundenen Gefahren zu bewerten, zu warnen bzw. abzuschalten, Fehlerspeicher zu belegen und so auch eine Diagnose zu ermöglichen. Letztlich ist es bei der vorge­ schlagenen elektrischen Anlage sogar möglich, anhand ge­ messener Differenzströme eine Fehlerquelle einzugrenzen, um sie lokalisierbar zu machen.

Vorzugsweise sollten zusammengehörende Hin- und Rücklei­ ter der Haupt- und Nebenstromkreise räumlich nebeneinan­ der im Kraftfahrzeug verlegt sein. Die entgegengesetzte Stromrichtung der Leiter hat elektro-magnetische Felder zur Folge, die sich annähernd aufheben. Somit weist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kraftfahrzeug eine beson­ ders gute elektro-magnetische Verträglichkeit auf.

Die Hauptstromkreise oder auch Nebenstromkreise können eine unterschiedliche elektrische Spannung führen. Durch die separate Führung der Hin- und Rückleiter ergeben sich hier Vorteile bei der Bereitstellung einer Steuerspannung und verschiedene Lastspannungen.

Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausbil­ dung der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeugs ist, daß trotz erhöhtem Verkabelungsaufwand gegenüber herkömm­ lichen Kraftfahrzeugen eine Aufwandseinsparung möglich ist und eine erhöhte Unfall- und Schadenssicherheit gege­ ben ist. Auf Stromkreise mit Fehlfunktion kann variabel reagiert werden. Vorsicherungen können entfallen. Es sind jetzt bereits Reaktionen möglich, wenn ein Fehlstrom fließt, der nicht das Schmelzen des Einsatzes der Siche­ rungen bewirken würde. Die eingangs erwähnten Massebolzen bzw. -anschlüsse an der Karosserie können entfallen und Hin- wie Rückleiter werden vorteilhaft gemeinsam über ei­ nen Stecker kontaktiert. Es wird eine elektronische Absi­ cherung bzw. Abschaltung von Stromkreisen möglich, der Ruhestromverbrauch ist zu senken und eine fahrzeugspezi­ fische Programmierung am Ende eines Fertigungsbandes kann erfolgen. Letzteres hat eine Vereinheitlichung von Be­ standteilen der elektrischen Anlage zur Folge, da auf un­ terschiedliche Ausstattungen nicht durch unterschiedliche Sicherungen reagiert werden muß.

Ein Differenzstrommesser kann berührungslos direkt den Differenzstrom zwischen zwei Leitern (Hin- und Rücklei­ ter) erfassen, ohne die Einzelströme zu messen. Dazu ist es möglich, beide Leiter, in denen Strom mit entgegenge­ setzter Richtung fließt, durch einen Ringkern mit Hall­ element des Differenzstrommessers zu führen. Da sich elektro-magnetische Felder bei gleicher Stromgröße annä­ hernd aufheben, ist im ordnungsgemäßen Zustand dann kein Differenzstrom meßbar.

Es ist aber auch möglich, daß der Strom im Hinleiter un­ abhängig vom Strom im Rückleiter erfaßt wird. Der Diffe­ renzstrom wird dann elektronisch durch Subtraktion gebil­ det. Zusätzlich ist es jedoch möglich, den betreffenden Stromkreis elektronisch gegen Überstrom abzusichern, wo­ durch herkömmliche Schmelzsicherungen entfallen können.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an­ hand eines Ausführungsbeispiels. Die zugehörige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus einem Schaltplan der elektrischen Anlage eines Kraft­ fahrzeuges.

An einer Batterie 1 eines Kraftfahrzeuges sind zwei Bat­ teriekabel 2, 3 angeschlossen. Die Batterie 1 ist über einen nicht in der Figur gezeigten Generator in bekannter Weise nachladbar. Ausgehend von den Batteriekabeln 2, 3 verzweigt sich die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs in mehrere Hauptstromkreise 4, 5, von denen der Haupt­ stromkreis 4 detaillierter, aber ebenfalls nicht allum­ fassend dargestellt ist. Strom fließt jeweils über einen Hinleiter (+) 6, 7 von der Batterie 1 zu den Hauptstrom­ kreisen 4, 5 und über jeweils einen Rückleiter (-) 8, 9 zurück zu der Batterie 1. Sowohl die Hinleiter 6, 7 als auch die Rückleiter 8, 9 sind zu einer Karosserie 10 des Kraftfahrzeuges elektrisch isoliert verlegt. Diese Karos­ serie 10 findet also nicht, wie allgemein üblich, als Rückleiter Verwendung, ist jedoch mit dem Masseanschluß der Batterie 1 kontaktiert.

Der Hauptstromkreis 4 untergliedert sich im Ausführungs­ beispiel in zumindest zwei parallel geschaltete Neben­ stromkreise 11, 12, wobei in der Figur angedeutet ist, daß weitere Nebenstromkreise existieren können. Die Ne­ benstromkreise 11, 12 werden ebenfalls über Hinleiter 13, 14 mit einer elektrischen Spannung versorgt und sind über Rückleiter 15, 16 an Masse (an den Rückleiter 8) ange­ schlossen.

Im Nebenstromkreis 11 sind zwei Motoren M angeordnet, die über Schalter 17, 18 zuschaltbar sind. Eine Sicherung 19 brennt in bekannter Weise durch, wenn ein Strom im Neben­ stromkreis 11 fließt, der ein vorgegebenes Maß über­ schreitet. Differenzen zwischen dem im Hinleiter 13 und Rückleiter 15 fließenden Strom werden mit Hilfe eines Differenzstrommessers 20 überwacht. Bei ordnungsgemäßer Funktion des Nebenstromkreises 11 werden annähernd keine Differenzen meßbar sein. Liegt jedoch ein Kurzschluß zur Karosserie 10 des Kraftfahrzeuges vor oder werden der Hin- oder Rückleiter 13, 15 mit anderen Kabeln kontak­ tiert, wird der Strom im Hinleiter 13 von dem im Rücklei­ ter 15 abweichen. Wird ein solcher Zustand vom Differenz­ strommesser 20 erfaßt, wird ein Signal 21 an eine Steuer­ einrichtung 22 weitergeleitet. Je nach Größe des Diffe­ renzstromes kann eine Warnlampe 23 den Fahrzeugführer auf einen Fehler hinweisen und/oder der Hauptstromkreis 4 wird über einen Schalter 24 vom Netz getrennt. In anderer Ausführung wäre es auch möglich, über einen separaten Schalter nur den Nebenstromkreis 11 vom Netz zu trennen.

Im Nebenstromkreis 12 sind vier Lampen angeordnet, die über einen Schalter 25 zu- und abschaltbar sind. Hier ist ebenfalls wieder ein Differenzstrommesser 26 vorgesehen, der hier aber den Strom im Hinleiter 14 und im Rückleiter 16 separat erfaßt, wobei dann beide Werte einer Steuer­ einrichtung 27 zugeführt werden. Eine Schmelzsicherung für den Nebenstromkreis 12 kann entfallen, da hier eine elektronische Absicherung möglich ist. Der Absolutwert des fließenden Stromes wird mit Referenzwerten verglichen und bei Fluß eines Überstromes wird der Nebenstromkreis 12 über einen Schalter 28 abgeschaltet. Zusätzlich ist es möglich auch mit anderen Sollwerten zu vergleichen und festzustellen, ob einzelne Verbraucher der jeweiligen Stromkreise 12 ordnungsgemäß funktionieren. Im Beispiel kann der Ausfall einzelner Lampen festgestellt und ange­ zeigt werden. Des weiteren wird in der Steuereinrichtung 27 der Differenzstrom zwischen Hin- und Rückleiter 14, 16 errechnet, der im Normalfall annähernd Null sein muß. Ist hier ein unzulässiger Differenzstrom erfaßt worden, kann wiederum eine Warnlampe 29 angesteuert und/oder über den Schalter 28 abgeschaltet werden.

Ein dritter Differenzstrommesser 30 überwacht den gesam­ ten Hauptstromkreis 4, in dem ein Differenzstrom zwischen dem Strom im Hinleiter 6 und dem Strom im Rückleiter 8 erfaßt wird. Ein Signal 31 wird gegebenenfalls zur Steu­ ereinrichtung 22 weitergeleitet. Diese schaltet bei Be­ darf den Hauptstromkreis 4 über den Schalter 24 ab oder steuert die Warnlampe 23 an. Eine separate Vorsicherung für den Hauptstromkreis 4 ist nicht mehr vorgesehen.

Es bestehen Signalverbindungen 32, 33 zwischen den Steu­ ereinrichtungen 22, 27 und einem elektronischen Speicher 34, der als Schreib-/Lesespeicher 34 ausgelegt ist. Im Speicher 34 sind Schwellwerte bzw. Referenzwerte enthal­ ten, auf die die Steuereinrichtungen 22, 27 bei der Be­ wertung der Meßsignale zurückgreifen. Des weiteren sind in dem Speicher 34 Fehlermeldungen ablegbar, so daß eine Diagnose der elektrischen Anlage erfolgen kann. Über eine Schnittstelle 35 sind Daten in den Speicher 34 ein­ schreib- und auslesbar. Erst beim Einlesen der Daten muß eine Spezifikation auf ein bestimmtes Fahrzeug bzw. eine bestimmte Fahrzeugausstattung erfolgen.

Wird an den Differenzstrommessern 20 oder 26 ein unzuläs­ siger Differenzstrom erfaßt, wird dieser im Normalfall auch am Differenzstrommesser 30 gemessen. Zeigt nur der Differenzstrommesser 30 einen unzulässigen Wert an, muß ein Fehler außerhalb der Nebenstromkreise 11, 12 im Hin­ leiter 6 oder im Rückleiter 8 vorliegen. Hier ist also eine Fehlereingrenzung durch Auswertung der Signale aller Differenzstrommesser 20, 26, 30 möglich.

Durch die Differenzstrommesser 20, 30 wird ausschließlich der Differenzstrom erfaßt, ohne daß Absolutwerte des fließenden Stromes gemessen werden. Zusammengehörende Hin- und Rückleiter 6, 8; 13, 15 werden derart durch ei­ nen Ringkern mit Hallelement geführt, daß der fließende Strom eine entgegengesetzte Richtung hat. Da sich die elektro-magnetischen Felder, die sich um die Leiter 6, 8; 13, 15 ausbilden, bei gleicher Stromgröße annähernd auf­ heben, wird kein Differenzstrom meßbar sein. Erst wenn bei unterschiedlicher Stromstärke auch unterschiedliche Feldausbildungen vorhanden sind, kann ein Differenzstrom berührungslos erfaßt werden. Dieses Meßprinzip ist ko­ stengünstig einsetzbar und erfordert keine funktionsver­ ändernden Eingriffe in die elektrische Anlage.

Zusammengehörende Hin- und Rückleiter 6, 8; 7, 9; 13, 15; 14, 16 sollten soweit als möglich nebeneinander paarweise im Kraftfahrzeug verlegt werden, da sich elektro-magneti­ sche Felder so im Betrieb im wesentlichen aufheben. Die Kontaktierung der gegenüber bekannten Schaltungen zusätz­ lich erforderlichen Rückleiter kann mit geringem Aufwand über Steckverbinder gemeinsam mit der Kontaktierung der Hinleiter erfolgen. Masseanschlüsse an der Karosserie 10 entfallen, was bei der Kraftfahrzeugmontage von Vorteil ist.

Die vorgeschlagene elektrische Anlage eines Kraftfahrzeu­ ges ist einfach im Aufbau und besonders störungssicher bzw. gefahrlos in der Anwendung. Bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs und eventuell entstehenden Kabelquetschun­ gen und Kurzschlüssen werden betroffene Stromkreise so­ fort abgeschaltet. Fahrzeugbrände sind sicher zu vermei­ den.

Claims (11)

1. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die aus zumindest einer Batterie (1), einem Generator sowie aus einer Vielzahl elektrischer Verbraucher besteht, wobei Komponenten der elektrischen Anlage über Hin­ leiter (6, 7, 13, 14) und Rückleiter (8, 9, 15, 16) mit der Batterie (1) in elektrisch leitender Verbin­ dung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Hinleiter (6, 7, 13, 14) als auch die Rückleiter (8, 9, 15, 16) gegenüber der Karosserie (10) des Kraft­ fahrzeugs isoliert im Kraftfahrzeug verlegt sind und in zumindest einem Stromkreis (4, 11, 12) ein Diffe­ renzstrommesser (20, 26, 30) zum Vergleich des Stro­ mes im Hinleiter (6, 13, 14) mit dem Strom im Rück­ leiter (8, 15, 16) angeordnet ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrische Anlage in mehrere, parallel geschaltete Hauptstromkreise (4, 5), die aus Neben­ stromkreisen (11, 12) bestehen, untergliedert ist, Hinleiter (6, 7) und Rückleiter (8, 9) der Haupt­ stromkreise (4, 5) einzeln oder in jeweils einem Batteriekabel (2, 3) zusammengefaßt an die Batterie (1) angeschlossen sind und Differenzstrommesser (20, 26, 30) den Strom in den beiden Batteriekabeln (2, 3) und/oder in zusammengehörenden Hinleitern (6, 7) und Rückleitern (8, 9) von Hauptstromkreisen (4, 5) und/oder in zusammengehörende Hinleitern (13, 14) und Rückleitern (15, 16) von Nebenstromkreisen (11, 12) vergleichen.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (22, 27), der durch zu­ mindest einen Differenzstrommesser (20, 26, 30) er­ mittelte Differenzstromwerte zugeführt werden, die einen Speicher (34) mit den Differenzstrommessern (20, 26, 30) zugeordneten Schwellwerten aufweist und von der Steuersignale generiert und ausgegeben wer­ den, wenn die Differenzstromwerte außerhalb eines zulässigen Bereichs liegen.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (22, 27) einen Feh­ lerspeicher (34) und eine Diagnoseschnittstelle (35) aufweist.

5. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuereinrichtung (22, 27) oder direkt von mit den Differenzstrommessern (20, 26, 30) verbundenen Schwellwertschaltern Warn­ signale ausgebbar sind.

6. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stromkreise (4, 11, 12) über die Steuereinrichtung (22, 27) oder direkt von mit den Differenzstrommessern (20, 26, 30) verbundenen Schwellwertschaltern abschaltbar sind.

7. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengehörende Hinleiter (6, 7, 13, 14) und Rückleiter (8, 9, 15, 16) der Strom­ kreise (4, 5, 11, 12) abschnittsweise zusammenlie­ gend verlegt sind, so daß sich ihre bei Stromfluß vorhandenen elektro-magnetischen Felder annähernd neutralisieren.

8. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromkreise (4, 5) eine gleiche oder unterschiedliche Spannung führen.

9. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengehörende Hinleiter (6, 13) und Rückleiter (7, 14) durch einen Ringkern mit Hallelement des Differenzstrommessers (20, 30) ge­ führt sind und nur bei unterschiedlich großen elek­ tro-magnetischen Feldern ein Differenzstrom ungleich Null erfaßt wird.

10. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der im Hinleiter (14) und Rück­ leiter (16) fließende Strom vom Differenzstrommesser (26) separat erfaßt wird und zugehörige Stromkreise (12) über die Steuereinrichtung (27) oder direkt von mit dem Differenzstrommesser (26) verbundenen Schwellwertschaltern sowohl beim Auftreten eines Überstroms als auch bei Überschreiten einer zulässi­ gen Stromdifferenz abschaltbar sind.

11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die als Absolutwert gemessene Stromstärke in einem Vergleicher mit Sollwerten verglichen wird und bei Ausfall einzelner Verbraucher Fehlermeldun­ gen ausgebbar sind.