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1. Feld der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzsystem gegen Kurzschlüsse in einer
elektrischen Stromverteilungsarchitektur, die mindestens eine erste
Batterie B1 auf einem ersten Spannungspegel und eine zweite Batterie
B2 auf einem zweiten, höheren
Spannungspegel umfasst. Beide Batterien oder Stromquellen B1 und
B2 sind ausgerüstet
mit einer automatischen Trennvorrichtung und vorgesehen für eine differenzierte
elektrische Stromversorgung für jeweilige
Netzwerksektoren, die mit korrespondierenden Stromverteilungseinheiten
zu den Lasten ausgerüstet
sind, wobei jede durch einen jeweiligen Mikroprozessor gesteuert
wird, und wobei es möglich
ist, die erste Batterie B1 und der Sektor oder die Sektoren, die
sie versorgt, über
einen Gleichspannungswandler zeitweise von der zweiten Batterie
B2 auf einem höheren
Spannungspegel zu versorgen, die mit einem Stromgenerator verbunden
ist. Der Gleichspannungswandler kann ein Einwegwandler oder ein Zweiwegwandler
sein.
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Die
Erfindung ist anwendbar auf elektrische Stromverteilungsnetzwerke
und/oder -architekturen mit Teilen oder Sektoren auf zwei Spannungspegeln, insbesondere
in der Nutzung im Feld der Automobile, was als „Duale Spannung" bekannt ist und
im Folgenden als DV bezeichnet wird.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Verwirklichung des Systems,
das eine Reihe von Schutzprozessen gegen Kurzschlüsse umfasst,
die von den Stromverteilungseinheiten ausgeführt werden, die auf gesteuerte
Weise arbeiten und allgemein von einem zentralisierten Kurzschlusserkennungszentrum
gesteuert werden. Die Kurzschlussschutzprozeduren umfassen im Wesentlichen
einen Erkennungsprozess mittels einer Aktion an den verschiedenen
Netzwerklasten, insbesondere an den Stromlasten, die dazu neigen,
in der Kurzschlusssituation betroffen zu sein.
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Zusätzlich fällt die
Erfindung in die elektrischen Stromverteilungsarchitekturen, die
auf der Basis von Stromsektorisierung verwirklicht werden, das entsprechend
dem Prinzip in dem Netzwerk definiert ist, z.B. existiert in einer
Reihe von Bereichen, die in einem Fahrzeug installiert sind, in
jedem von ihnen ein intelligenter Knoten (Stromverteilungseinheit
oder Kasten mit einer Verwaltungs-Mikrosteuerung), der die Lasten
und Schalter lokal steuert, Schutzvorrichtungen und/oder Sensoren,
die damit assoziiert sind, wobei die intelligenten Knoten ausgelegt
sind, Information über
einen Multiplex-Datenbus zu senden und zu empfangen, der eine große Reduktion
nicht nur der Anzahl der Kabel sondern auch ihrer Länge ermöglicht,
nicht zu vergessen die Verringerung der Anzahl der Kabel, die von
einem Bereich zum anderen gehen, ein Parameter, der großen Einfluss
auf die Leichtigkeit des Zusammenbaus der Verdrahtung und der Minimierung
des Risikos von Kurzschlüssen aufgrund
der angewandten physischen Schutzvorkehrungen hat.
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2. Hintergrund der Erfindung
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DV-Systeme
und insbesondere die in Fahrzeugen verwirklichten DV-Systeme umfassen
typisch ein erstes Netzwerk mit 14V, das verwendet wird, um Lasten
niedriger Anforderung zu bedienen, und das selbst von einer Batterie
B1 oder von einem zweiten Netzwerk mit einer höheren Spannung, typisch 42
V, über
einen elektrischen Einweg- oder Zweiweg-Gleichspannungswandler versorgt wird.
Seinerseits wird das zweite 42-V-Netzwerk verwendet, um Lasten hoher
Anforderung zu bedienen, wie den Anlasser, das Heizsystem, die elektromagnetische
Ventilsteuerung, Motoren wie jene der Fensteröffnungsmechanismen, Positionseinstellungen,
Ventilatoren u.s.w., und es wird von einem Generator G (der Lichtmaschine
des Fahrzeugs) oder von einer zweiten Batterie B2 versorgt.
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DV-Systeme
insbesondere für
Fahrzeuge werden in zahlreichen Patentdokumenten und Patentanmeldungsdokumenten
beschrieben, wobei es möglich
ist, die folgenden zu erwähnen:
US 5334926 ,
US 6232674 ,
EP 337155 ,
EP 539982 ,
EP 1033804 , WO 99/22434 und WO 00/76812.
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Aufgrund
der Koexistenz beider Leistungsnetzwerke auf unterschiedlichen Spannungspegeln kommt
ein neues Problem mit Bezug auf die Sicherheit des Systems hinsichtlich
der gewöhnlichen
Kurzschlüsse
einer positiven Spannung nach Masse hinzu. Dieses Problem betrifft
die Möglichkeit,
dass in dem erläuterten
Beispiel des Automobilsektors einige mögliche Kurzschlüsse zwischen
der Spannung von +14 V und der Spannung von +42 V vor kommen. Die traditionellen,
bisher eingesetzten Schutzansätze können nicht
vollständig
die Sicherheit in DV-Architekturen sicherstellen, wobei die Konsequenzen
sehr viel gefährlicher
sein können
mit dem Risiko einer Explosion der Batterie B1 auf einem niedrigeren
Spannungspegel und/oder eines Feuers in einem Teil des betroffenen
Netzwerks, das zu Ausbreitung neigt.
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Es
gibt im Wesentlichen zwei Typen von Schutz gegen Kurzschlüsse in DV-Architekturen.
Der erste und ökonomischere
Typ ist ein mechanischer Typ und betrifft den Schutz der Verdrahtung
des Netzwerks selbst und seinen Entwurf und die Wegeführung. Die
mechanische Isolation kann somit im Umfang der Komponenten (Sicherungen
nahe den Batterien, Anordnung von zwei Batterien an durch einen
Abstand getrennten Punkten, unterschiedlich gestalteten und versiegelten
Anschlüssen,
Kappen für geschraubte
Anschlüsse,
u.s.w.) intensiviert werden, und hinsichtlich der Verteilungsleitungen
selbst kann mit einer geeigneten Dimensionierung der Kabel und im
Fall der Automobile einer Trennung der Reichweiten auf unterschiedlichen
Spannungspegeln besonders in den Bereichen entwickelt werden, die
dazu neigen, einen Einschlag, z.B. einen Stoß, aufzunehmen.
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Die
zweite Klasse des Schutzes ist (elektrisch) aktiv und basiert auf
einigen Strommessungen an unterschiedlichen Punkten des Netzwerks,
die zu erfassen ermöglichen,
wann ein Ausfall auftritt. Die Erfindung fällt innerhalb dieses zweiten
Felds und hat den Vorteil der Verwendung einiger elektronischen Module,
die hauptsächlich
der Batterie auf einem niedrigeren Spannungspegel zugeordnet sind,
die eine wichtige Rolle spielen, weil sie alle Dienste zum Netzwerk
auf einem höheren
Spannungspegel (in dem angeführten
Beispiel dem Netzwerk mit 42 V) steuern und Kommunikation mit dem
Rest des Systems einrichten, um einige geeignete Parameter zu senden/zu
empfangen, die einige potentielle Kurzschlusssituationen betreffen.
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Die
Patentanmeldung PCT ES00/00393 vom Anmelder selbst legt eine modulare
Vorrichtung offen, die an eine Batterie anschließbar ist, für die Überwachung ihres Zustands und
Schutzes, die eine Reihe von elektronischen Modulen umfasst, einschließlich eines
ersten Moduls BD, der auf eine Abtrennung der Leistungsversorgung
der Batterie angewandt wird, eines zweiten Moduls BM, der für eine dynamische
Messung des Ladungszustands (SOC, state of charge) und des Gesundheitszustands (SOH,
state of health) angewandt wird, ent sprechend der Technologie auf
der Basis der Bestimmung der elektrochemischen Impedanz der Batterie,
die in der spanischen Patentanmeldung P200003143, ebenfalls von
dem Anmelder selbst, offengelegt ist, und eines dritten Moduls LCM,
der für
eine Steuerung und Verwaltung der Lasten der Batterie bestimmt ist.
Aber die modulare Vorrichtung ist weder ausgerüstet noch vorgesehen für die in
dieser Erfindung gezeigte Verfahrenstechnik.
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Andere
interessierende Dokumente mit Bezug auf das Feld der Erfindung sind
die Patente
US 159257 ,
US 6281631 und WO 98/54811.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Während eines
Kurzschlusses zwischen Energieversorgungsquellen oder Batterien
fließt
Strom von der Batterie B2 auf einem höheren Spannungspegel über den
Pfad des Kurzschlusses zu der Batterie B1. Der Widerstand der betroffenen
Kabel liegt gewöhnlich
zwischen 50 und 300 mΩ,
so dass die Ströme
im Bereich von 480 A und 80 A liegen (möglicher Weise sogar niedriger,
abhängig
von den parallel geschalteten physikalischen Elementen). Dieser übermäßige Strom
kann einige der Sicherungen auslösen,
so dass es möglich
ist, dass der Kurzschluss dann verschwindet oder dass er Kabel verschmoren läßt oder
dass er sogar die Explosion der Batterie B1 auf niedrigerem Spannungspegel
verursacht.
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Die
für die
Identifizierung eines Kurzschlusses bei Vermeidung einer Verwechselung
mit einem übermäßigen Strom
anderer Natur erforderlichen Schritte sind nach der Erfindung die
folgenden Schritte:
- 1) ein Alarmieren, der
vom Zustand des Gleichspannungswandlers abgeleitet wird,
- 2) ein konstantes Erfassen der Spannung an den Polen der Batterie
B1 auf niedrigerem Spannungspegel,
- 3) Veränderungen
des Stroms in der Batterie B1 auf niedrigerem Spannungspegel.
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Alle
oben genannten Bedingungen müssen erfüllt sein
und ihre Reihenfolge ist zwingend, um die minimalen und notwendigen
Bedingungen für
die Identifizierung eines Kurzschlusses zu erreichen.
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Entsprechend
der typischen Struktur und Funktionalität stoppt ein Gleichspannungswandler den
Wandlerprozess, wenn die Spannungen an seinem Eingang und seinem
Ausgang außerhalb
eines bestimmten voreingestellten Bereichs liegen. Der Wandler erkennt
konstant (mittels einer analogen Verdrahtung für mindestens 2 ms), ob die
Spannung am Eingang im Bereich von 30 V bis 58 V (Spezifikation
der Spannung der 42-V-Stromversorgungsquelle) und ob die Spannung
am Ausgang zwischen 9V und 21 V (empfohlene Spannung für die Spezifikation der
14-V-Stromversorgungsquelle) liegt. Ein Modul SMM für die Kurzschlussüberwachung,
der vorzugsweise einer Batterie B1 auf niedrigerem Spannungspegel
zugeordnet ist, wird vorteilhafter Weise über eine direkte Verbindung
(um Verzögerungen
zu vermeiden, die sich aus einem gemeinsamen Kommunikationsnetzwerk
ableiten) über
die abnormale Situation informiert. Ein spezifischer Spannungssensor
für die
Stromversorgungsquelle B2 auf dem höheren Spannungspegel wird aufgrund
der Nutzung des Merkmals des Gleichspannungswandlers als nicht erforderlich
angesehen.
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Sobald
mittels der von dem Gleichspannungswandler gelieferten Information
erkannt wird, dass eine Veränderung
der Spannungswerte in beiden Gleichspannungsquellen aufgetreten
ist, wird das Erfassen einer redundanten Spannung so nahe wie möglich an
der Spannungsversorgungsquelle B1 auf dem niedrigeren Spannungspegel über eine
spezifizierte Zeitspanne vorgeschlagen, die eine Situation mit konstantem übermäßigen Strom
klar identifiziert. Eine Kenntnis des Lasten ist notwendig, um diese
Zeit zu bestimmen (eine Zeit von etwa 1 ms wird vorgeschlagen).
Der Modul SMM wird diese Information prüfen und den Kurzschlusserfassungsprozess vervollständigen.
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Fall
der Gleichspannungswandler abgetrennt wird, ist es nicht mehr möglich, ein
Laden der Stromversorgungsquelle oder Batterie B1 auf niedrigerem
Spannungspegel durchzuführen.
Deshalb ist dies dann, wenn der Modul SMM eine Veränderung des
Stroms in der Last der Stromversorgungsquelle B1 erfasst, ein sicheres
Anzeichen dafür,
dass ein Kurzschluss aufgetreten ist (die Genauigkeit der Erfassung
dieses Stroms ist unwichtig, da zu verifizieren ausreichend ist,
dass ein bestimmtes Ausmaß des
Stromladens der Quelle existiert).
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Wenn
alle obigen Bedingungen von dem SMM erfasst worden sind, dann wird
damit fortgesetzt, die Mikrosteuerungen der verschiedenen Stromverteilungseinheiten
der Architektur darüber (mittels
z.B. einer vorrangigen Unterbrechung) zu informieren, so dass sie
einen Kurzschlussschutz durchführen,
der im Wesentlichen das Abtrennen der Lasten und/oder einer Inspektion
derjenigen Abtrennungen, die Anomalitäten zeigen, und schließlich das Abtrennen
der Batterie B2 auf dem höheren
Spannungspegel und selbst das Abtrennen der Batterie B1 umfasst.
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Im
Folgenden wird die Erfindung wie auch verschiedene Varianten des
angeführten
Kurzschlussschutzprozesses mit Bezug auf einige Zeichnungen in größerem Detail
nur beispielsweise beschrieben, die eine Vorgehensweise der Verwirklichung
erläutern.
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US-A-6
232 674 legt eine Steuerungsvorrichtung für ein elektrisches Fahrzeugsystem
mit mindestens zwei Batterien offen, die zwischen der Steuerung
liegt, und ein Versorgungsnetzwerkelement, einen bustauglichen Mikrocomputer,
einem Gleichspannungswandler und eine kurzschlusssichere Endstufe
umfasst.
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WO-A-01/21445
(Präambel
von Anspruch 1) betrifft eine Mehrspannungsverdrahtung mit zwei Batterien
auf unterschiedlichen Spannungen, die über einen Gleichspannungswandler
verschaltet sind, und einem zugeordneten SLV auf der Basis einer
Mikrosteuerung, die einer Programmschleife gehorcht, um den Taktzyklus
des Stroms durch die Batterie auf höherem Pegel zu überwachen,
um einen übermäßigen Strom
zu erkennen und Schäden
aufgrund eines Kurzschlusses durch Abtrennen der Batterie von der
Versorgungsquelle zu vermeiden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm des von der Erfindung vorgeschlagenen
betrieblichen Prinzips, das zusätzlich
jene grundsätzlichen
Teile des Systems und Verfahrens zeigt, d.h. den Gleichspannungswandler,
die Batterien B1, B2, die Licht maschine G, den Kurzschlussüberwachungsmodul SMM,
die Stromverteilungseinheiten PDU und das Kommunikationsnetzwerk
N.
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2 ist
eine Darstellung, auf gleiche Weise vereinfacht, die ein Stromverteilungssystem
zeigt, das zwei Batterien B1, B2 und drei Stromverteilungseinheiten
oder Kästen
umfasst, die in unterschiedlichen Bereichen liegen, z.B. in dem
vorderen Abschnitt FPDU, in dem hinteren Abschnitt RPDU und in dem
mittleren Abschnitt MPDU eines Automobils. Die ersten zwei Stromverteilungseinheiten
umfassen ein erstes Teil, das die Lasten regelt, und ein zweites Teil,
das für
Lasten vorgesehen ist, die von dem Netzwerk mit einem niedrigeren
Spannungspegel versorgt werden, während die dritte Stromverteilungseinheit
nur für
Lasten auf dem niedrigeren Spannungspegel vorgesehen ist. Jede der
Stromverteilungseinheiten umfasst zur Steuerung eine Mikrosteuerung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt
eine elektrische Stromverteilungsarchitektur auf zwei Spannungspegeln,
die mindestens eine erste Batterie B1 auf einem ersten 12-V-Spannungspegel
und eine zweite Batterie B2 auf einem zweiten, höheren 36-V-Spannungspegel umfasst,
wobei beide mit einer automatischen Abtrennungsvorrichtung ausgerüstet und
dafür vorgesehen
sind, elektrischen Strom an jeweilige Netzwerksektoren zu verteilen,
die mit Einheiten für
die Verteilung von Strom an die Lasten versehen sind, wobei die
Einheiten schematisch dargestellt werden durch eine einzelne PDU-Einheit
oder -Vorrichtung, die durch eine korrespondierende Mikrosteuerung gesteuert
werden. Wie zu sehen ist, kann die erste Batterie B1 und der sie
versorgende Sektor oder Sektoren wiederum über einen Gleichspannungswandler DC/DC
von der zweiten Batterie B2 versorgt werden, während die zweite Batterie B2
und ein zugeordnetes Netzwerk mit einem Generator G wie etwa der
Lichtmaschine des Automobils verbunden ist.
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Nach
der Erfindung hat die erste Batterie B1 auf niedrigerem Spannungspegel
einen Modul SMM, der ihr zugeordnet ist und auf einer Mikrosteuerung basiert,
für die Überwachung
der Spannung und des Stroms (im Wesentlichen der Richtung des Stroms), der
an die Pole die ser Batterie angeschlossen ist, und für die permanente
Erfassung des Betriebszustands des Gleichspannungswandlers DC/DC.
Andererseits ist dieser Überwachungsmodul
der Batterie B1 wiederum über
einen Port seiner Mikrosteuerung und ein Kommunikationsnetzwerk
N verbunden mit jeder der Steuerungsmikrosteuerungen der Stromverteilungseinheiten
zu den Lasten, um im Angesicht einer von dem Überwachungsmodul auf der Basis
einiger erkannter, vorbestimmter Werte von Spannung, Strom und Zustand
des Gleichspannungswandlers DC/DC jede der Mikrosteuerungen der
Stromverteilungseinheiten zu informieren, so dass sie einen Kurzschlussschutzprozess
durchführen.
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Eingangspfeile
zum Modul SMM bezeichnen Information, die permanent Folgendes überwacht: den
Zustand des Gleichspannungswandlers DC/DC, die Spannung an den Polen
der Batterie B1 und schließlich
den Laststrom zu der Batterie B1 auf einem niedrigeren Spannungspegel.
Andererseits bezeichnet das durch gestrichelte Linien dargestellte Kommunikationsnetzwerk
N die Kommunikation zwischen dem Modul SMM und dem Gleichspannungswandler
DC/DC, den Batterien B1, B2 und den Stromverteilungseinheiten PDU.
Ausgangspfeile vom Modul SMM bezeichnet Information und/oder Kommandos,
die der Modul an die Mikrosteuerungen der Stromverteilungseinheiten
PDU sendet, wie auch die möglichen
Abtrennungskommandos an die Batterie B2 und sogar an die Batterie
B1.
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Der
Kurzschlussschutzprozess umfasst verschiedene Aktionsalternativen,
die auf der Seite der Stromverteilungseinheiten durchzuführen sind,
sobald der Modul SMM eine Unterbrechung an die Mikrosteuerungen
der korrespondierenden Einheit gesendet hat, und die im Wesentlichen
eine Abtrennung der Ladungen und/oder ihre Prüfung/Inspektion umfassen, nach
deren Ausführung
und bei fortbestehender Kurzschlusssituation der Modul SMM die Abtrennung
der Batterie B1 oder sogar der Batterie B2 anordnen kann.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung, das mittels des mit Bezug
auf 1 beschriebenen Systems angewendet wird, wird
mit Bezug auf das in 2 veranschaulichte Beispiel
beschrieben.
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Somit
werden in 2 die erste Batterie B1 auf
einem ersten 12-V-Spannungspegel und die zweite Batterie B2 auf
einem zweiten 36-V-Spannungspegel gezeigt. In diesem Beispiel sind
beide Batterien B1 und B2 ausgerüstet
mit einer korrespondierenden automatischen Abtrennungsvorrichtung SDB,
einem Überwachungsmodul
des Ladungszustands SOC und des Gesundheitszustands SOH und einem
Steuerungsknoten CN. Jede Batterie B1, B2 ist vorgesehen für eine differenzierte
Versorgung von elektrischem Strom an jeweilige Netzwerksektoren, die
mit den Stromverteilungseinheiten 10, 20 und 30 zu
den Lasten versehen sind. Die erste Batterie B1 und der oder die
Sektoren, die sie versorgt, sind in der Lage, über einen Gleichspannungswandler DC/DC
wiederum von der Batterie B2 versorgt zu werden, während die
Batterie B2 mit einem Spannungsgenerator G wie etwa der Lichtmaschine
des Fahrzeugs verbunden ist. Der Steuerungsknoten, welcher der Batterie
B1 zugeordnet ist, übernimmt
in 2 die Funktionen des Moduls SMM, die angewendet
werden auf die Erfassung des Betriebszustands des Gleichspannungswandlers
DC/DC und anschließender Überwachung,
falls der Zustand ein Anhalten des Wandlungsprozesses der Spannung und
des Stroms an den Polen der Batterie B1 ist.
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Jede
Stromverteilungseinheit 10, 20 und 30 wird
gesteuert von einer korrespondierenden Mikrosteuerung 10a, 20a bzw. 30a.
In dem dargestellten Beispiel hat die Stromverteilungseinheit 10 nur
einen Sektor MPDU, der den Lasten vorbehalten ist, die in dem mittleren
Abschnitt eines Automobils liegen, die auf einem 14-V-Spannungspegel
arbeiten und durch eine von einer Sicherung 11 geschützte Lampe 12 symbolisiert
werden. Statt dessen haben die Stromverteilungseinheiten 20 und 30,
die für
die Lasten in dem vorderen Abschnitt bzw. dem hinteren Abschnitt des
Automobils vorgesehen sind, jeweils einen Sektor FPDU, RPDU, die
für die
Versorgung der Lasten auf 14-V-Spannungspegel, symbolisiert durch
die von den Sicherungen 21, 31 geschützten Lampen 22, 32,
vorgesehen sind, und einen Sektor FPDU, RPDU für die Versorgung der Lasten 23, 33 auf
42-V-Spannungspegel, denen korrespondierende Leistungsschalter 23a, 33a für die Steuerung
der Lasten zugeordnet sind, wie etwa FET-Leistungsschalter mit Stromerfassung
oder Leistungsrelais.
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Kommunikationen
des Steuerungsknotens CN der Batterie B1, der repräsentativ
ist für
den Kurzschlussüberwachungsmodul
SMM, mit dem Knoten CN der zweiten Batterie B2 und mit den verschiedenen
Mikrosteuerungen 10a, 20a, 30a der Stromverteilungseinheiten 10, 20, 30 werden
vorzugsweise ausgeführt über ein
gewidmetes Netzwerk N, obgleich eine Teilhabe an einem Bus wie etwa
an einem CAN-Bus gleichsam verwendet werden kann.
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Das
Verfahren nach der Erfindung umfasst im Wesentlichen eine permanente Überwachung
des Zustands des Gleichspannungswandlers DC/DC, der zwischen die
zwei Batterien B1, B2 geschaltet ist, wie auch mindestens der Spannung
an den Polen der Batterie B1. Im Fall des Erkennens eines Stopps
des Wandlungsprozesses des Gleichspannungswandlers DC/DC und danach
des Auftretens eines einen bestimmten Schwellwert übersteigenden
Spannungswertes und, dass der Strom ein Ladestrom der Batterie B1
ist, informiert der Knoten CN über
das gewidmete Kommunikationsnetzwerk N oder den CAN-Bus jede der
Mikrosteuerungen 10a, 20a, 30a der Stromverteilungseinheiten 10, 20, 30,
so dass sie einen Kurzschlussschutzprozess durchführen.
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Somit
umfasst der Anfangsschritt des Verfahrens Schritte in einer geordneten
und sequentiellen Weise zum Erfassen des Zustands des Gleichspannungswandlers
DC/DC, des Erfassens der Spannung an den Polen der 12-V-Batterie
B1 und schließlich
des Erfassens eines möglichen
Ladestroms der Batterie B1 und nur im Fall, dass die vorbestimmten
Werte der zwei Spannungen und die Strommessungen (in diesem Fall
im Wesentlichen das Erfassen eines Eingabe- oder Ladestroms der Batterie
B1) innerhalb einiger voreingestellter Bereiche fallen, Schritte
zur Information der Stromverteilungseinheiten über eine möglicherweise vorliegende Kurzschlusssituation
durch Senden einer Unterbrechung an die korrespondierenden Mikrosteuerungen 10a, 20a, 30a,
um so einen Kurzschlussschutzalgorithmus oder -prozess einzuleiten.
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Nach
einer ersten Variante umfasst ein Kurzschlussschutzprozess, der
von den Stromverteilungseinheiten, im Wesentlichen jenen 20, 30,
denen Stromlasten 23, 33 zugeordnet sind, einzuleiten
ist, wenn ihre Mikrosteuerungen 20a, 30a eine
Unterbrechung erhalten, eine vollständige Abtrennung aller Stromlasten 23, 33 und
im Fall, dass kontinuierlich eine Kurzschlusssituation erkannt wird
(durch Bewerten der drei zuvor angeführten Bedingungen) durch den Überwachungsmodul
CN der Batterie B1, das Senden eines Signals über das Kommunikationsnetzwerk
N zum Abtrennen mindestens der Batterie B2 auf höherem Spannungspegel (36 V),
wobei auf die Abtrennungsvorrichtung SDB der Batterie B2 oder auf
die Mikrosteuerung des der Batterie B2 zugeordneten Steuerungsknotens
CN zugegriffen wird.
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Falls
die vollständige
Abtrennung der Lasten zu einer Beendigung der Kurzschlusssituation
führt, wie
sie von dem Überwachungsmodul
bewertet wird, dann wird fortgesetzt mit einer erneuten Zuschaltung der
Lasten 23, 33 einer jeden Stromverteilungseinheiten
eine nach dem anderen unter Erfassen der Last oder der Lasten, die
jene Kurzschlusssituation erzeugt haben, wie von dem Überwachungsmodul bewertet,
wobei diese Last oder Lasten abgetrennt bleiben, bis eine Reparatur
oder ein Ersatz erfolgt ist.
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Als
eine Option ist jedoch möglich,
vor der Durchführung
einer erneuten Zuschaltung einer jeden der Stromlasten einen vorausgehenden
Schritt durchzuführen,
der eine Spannungs- oder
Impedanzmessung am Ausgang eines jeden Leistungsschalters 23a, 33a für die Steuerung
der jeweiligen Last umfasst, und für den Fall, dass die Messwerte
einen bestimmten Schwellwert übersteigen,
wird die Ladung inaktiv gelassen.
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Der
Kurzschlussschutzprozess der vorliegenden Erfindung umfasst nach
einer anderen Variante das fortschreitende Abtrennen aller Stromlasten 23, 33,
die jeder der Stromverteilungseinheiten 23, 33 zugeordnet
sind, und Prüfen
durch den Überwachungsmodul
oder Knoten CN der Batterie B1, ob eine bestimmte Abtrennung zu
einer Beendigung der Kurzschlusssituation geführt hat. Falls das zutrifft, wird
mit der Abtrennung der betroffenen Stromlast fortgesetzt. Falls
nach einer vollständigen
Abtrennung aller Stromlasten 23, 33 einer jeden
Stromverteilungseinheit 20, 30 die Kurzschlusssituation
weiterhin von dem Knoten CN des Überwachungsmoduls
erkannt wird, wird ein Signal für
die Abtrennung mindestens der Batterie B2 auf höherem Spannungspegel über das
Kommunikationsnetzwerk N ausgesendet, wobei für die Ausführung auf die Abtrennungsvorrichtung
SDB der Batterie B2 oder auf die Mikrosteuerung eines der Batterie
B2 zugeordneten Steuerungsknotens CN zugegriffen wird.
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Eine
noch andere Möglichkeit
für den
Kurzschlussschutzprozess der vorliegenden Erfindung umfasst die Überwachung
des gegenwärtigen
Bedarfs einiger Steuerungsvorrichtungen, wie eines jeder der Lasten 23, 33 zugeordneten
Leistungsschalters 23a, 33a, die von jeder der
Stromverteilungseinheiten 20, 30 abhängen, und
die Abtrennung jener Lasten, bei denen der Bedarf einen bestimmten Schwellwert übersteigt,
und dann, wenn eine Kurzschlusssituation nach Abschluss der Überwachung aller
Stromlasten einer jeden Stromverteilungseinheit weiterhin von dem Überwachungsmodul
erkannt wird, wird ein Signal für
die Abtrennung mindestens der Batterie B2 auf höherem Spannungspegel über das
Kommunikationsnetzwerk N ausgesendet, wobei für die Ausführung auf die Abtrennungsvorrichtung SDB
der Batterie B2 oder auf die Mikrosteuerung eines der Batterie B2
zugeordneten Steuerungsknotens CN zugegriffen wird.
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Unter
der Voraussetzung, dass die Stromverteilungseinheiten 10, 20, 30 einige
jeder der Stromlasten 23, 33 zugeordneten Vorrichtungen
umfassen wie einige Schalter 23a, 33a mit Stromerfassung,
wobei die Leistungsschalter 23a, 33a von der korrespondierenden
Mikrosteuerung 20a, 30a der korrespondierenden
Stromverteilungseinheit 20, 30 gesteuert werden,
schlägt
die Erfindung in einer Anfangsphase und vor der Durchführung der
Abtrennung der Lasten eine vorgeschaltete Phase der Erfassung des
Ausgabezustands eines jeden der Schalter 23a, 33a,
insbesondere ihre Spannung oder Impedanz, vor, so dass dann, wenn
der in einem bestimmten Leistungsschalter 23a, 33a erfasste
Wert einen bestimmten Schwellwert übersteigt, eine Zuschaltung
der dem Leistungsschalter zugeordneten Last nicht mehr vorgenommen
wird. Z.B. in Fall eines Kurzschlusses zwischen der 42-V-Last und
einem 14-V-Schaltkreis wird die Ausgangsspannung des korrespondierenden,
der Last zugeordneten FET 14 V statt 0 V (Masse) sein. Dadurch kann
das System vor der Zuschaltung dieser Last über einen potentiellen Kurzschluss
informiert werden, welcher das Stromverteilungssystem beschädigen kann.
Diese Erfassung verifiziert nur Schaltkreise, die mit 14 V betrieben
werden. Diese Lösung
kann leicht verwirklicht werden, und die Genauigkeit der Messung
kann 10% betragen, weil das bloße
Erfassen der Existenz einer Spannung eine klare Anzeige eines möglichen
Fehlers in dem Schaltkreis ist. Im Fall, dass der der 14-V-Last zugeordnete
Schaltkreis abgetrennt ist, würde
das Erfassen eines Spannungspegels den Kurzschluss nicht vermeiden.
Deshalb wird eine Charakterisierung der Impedanz der Lasten vorgeschlagen,
so dass vor der Zuschaltung der Last eine Impedanz außerhalb
des Bereichs erfasst werden kann, die für das Risiko eines Kurzschlusses
bezeichnend ist.
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Wie
angezeigt wurde, wird dann, wenn unabhängig von der gewählten Aktionsvariante
nach der Ausführung
des Kurzschlussschutzprozesses durch jede der Stromverteilungseinheiten 20, 30 in
Bezug auf die betroffenen Stromlasten 23, 33 der
Knoten CN des der Batterie B1 zugeordneten Überwachungsmoduls eine Kurzschlusssituation
erfasst, mit der Abtrennung der Batterie B2 oder sogar der Batterie
B1 von ihren korrespondierenden Sektoren des Netzwerks fortgefahren,
die sie versorgen.
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Bezüglich der
Verzögerungszeit
(Zeitspanne zwischen der Erfassung und Beseitigung eines Kurzschlussereignisses)
der vorgeschlagenen Aktion sind die unterschiedlichen Schritte des
Verfahrens zu berücksichtigen:
- 1) das Erfassen von Information über einen
Zustand des Stoppens des Wandlers DC/DC zusammen mit dem Erfassen
der Spannungs- und Stromwerte an den Polen der Batterie B1 kann weniger
als 2 ms benötigen,
und das Erzeugen einer Unterbrechung zu den Mikrosteuerungen 10a, 20a, 30 der
Stromverteilungseinheiten durch die Mikrosteuerung des Knotens CN
der Batterie B1 kann angenähert
500 μs dauern.
Deshalb kann die Zeitspanne des Erfassens nahe 2,5 ms sein;
- 2) die Ausführung
eines Algorithmus des Erfassens der betroffenen Last oder des Verursachens der
Kurzschlusssituation durch jede der Stromverteilungseinheiten oder
Kästen 10a, 20a, 30a hängt im Wesentlichen
von der Programmierung der Unterbrechungen in den jeweiligen Mikrosteuerungen 10a, 20a, 30a und
von den Schaltkreisen der FET-Vorrichtungen 23a, 33a mit
Stromerfassung ab, wobei die Abschätzung zwischen 250 µs und 500 µs liegt;
und
- 3) das Abtrennen der FET-Vorrichtungen 23a, 33a benötigt ungefähr 500 µs (abhängig von
den verwendeten FET-Leistungstransistoren).
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Somit
liegt die Verzögerungszeit
im Bereich von 4 ms, höchstens
jedoch 10 ms, was eine Zeitspanne ist, die das Vermeiden eines Verschmorens von
Kabeln oder Sicherungen ermöglicht.