DE68921773T2

DE68921773T2 - Kraftfahrzeugversorgungsschaltung mit zwei Betriebsspannungen.

Info

Publication number: DE68921773T2
Application number: DE68921773T
Authority: DE
Inventors: Gerd Sauer
Original assignee: Vegla Vereinigte Glaswerke GmbH
Current assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1988-01-20
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2009-01-18
Also published as: US4985671A; DE3844607A1; CA1308768C; DE68921773D1; DE3844607C3; KR890011725A; EP0325520B1; EP0325520A3; JPH01274625A; KR0141598B1; JP3145378B2; ES2070918T3; ATE120143T1; EP0325520A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug mit zwei unterschiedlichen Verbraucherspannungen, nämlich der üblichen Bordnetz- Gleichspannung und einer dieser gegenüber höheren Gleichspannung, beispielsweise zum Betrieb einer Heizscheibe mit einem Dünnschicht-Heizwiderstand, mit einem Generator und einem Spannungsregler.
Die übliche Stromversorgungsschaltung für Kraftfahrzeuge umfaßt einen Drehstromgenerator aus einem gleichstromdurchflossenen Rotor und einer im Stator angeordneten Dreiphasen-Wicklung. Die beim Drehen des Rotors erzeugte Dreiphasenspannung wird in einer Gleichrichterbrücke zu pulsierender Gleichspannung umgewandelt und dem Bordnetz zugeführt. Für den Betrieb ist eine Spannungsregelung auf die maximale Ladespannung von 14,2 V für die Batterie erforderlich. Diese Spannungsregelung erfolgt durch den Spannungsregler, durch den der Erregerstrom im Rotor periodisch abgeschaltet wird.
Für bestimmte elektrische Verbraucher, beispielsweise für Dünnfilm-Heizscheiben, reicht die übliche Bordnetzspannung von 12 V nicht aus. Sie benötigen eine Spannung von 50 V oder mehr, um die gewünschte Wirkung zu entfalten. Da die übrigen Verbraucher jedoch mit der Bordnetzspannung von 12 V versorgt werden müssen, ist man gezwungen, zwei unterschiedliche Spannungsnetze vorzusehen.
Eine mögliche Methode zur Schaffung zweier unterschiedlicher Spannungen ist insbesondere in der Patentanmeldung EP-A-0246976 beschrieben. Sie besteht darin, für den Betrieb der Neizscheibe den Generator vom Bordnetz zu trennen und ihn auf die für die Heizscheibe erforderliche höhere Spannung einzuregeln, wobei das Bordnetz während dieser Zeit von der Batterie gespeist wird. Bei dieser Schaltung muß jedoch während der Einschaltzeit der Heizscheibe die Batterie die Bordnetzversorgung voll übernehmen, so daß sie sich schnell entlädt. Da das Fahrzeug bei ausgefallener Bordspannung nicht mehr fahrbereit ist, muß eine aufwendige Überwachungschaltung für den Ladezustand der Batterie vorgesehen werden. Dadurch wird die Schaltung verhältnismäßig teuer. Außerdem wird durch die schnelle Entladung der Batterie deren Lebensdauer verkürzt.
Eine andere mögliche Methode zur Erzeugung der beiden unterschiedlichen Spannungen besteht darin, die für den Betrieb der Heizscheibe erforderliche höhere Spannung aus der Bordnetzspannung zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird ein Gleichspannungswandler benötigt, wobei zunächst die Bordnetzgleichspannung in eine Wechselspannung umgeformt, diese auf den höheren Spannungspegel transformiert und anschließend wieder gleichgerichtet wird. Aufwärtsumformer dieser Art haben jedoch einen schlechten Wirkungsgrad, insbesondere wegen des hohen Spannungsabfalls am Halbleiterschalter auf der Primärseite. Wegen der hohen Leistung, die bei Heizscheiben zu übertragen ist, sind Umformer dieser Art außerdem grob und teuer.
Eine andere Methode ist in der Patentanmeldung GB 2087173 A beschrieben. In diesem Fall wird während des Betriebs der Heizscheibe durch Hintereinanderschaltung der Heizscheibe und des Bordnetzes die Bordnetzspannung aus der höheren Spannung abgeleitet. Diese Methode erfordert zum Abschalten der Heizscheibe die Verwendung einer Schaltvorrichtung, die für die hohen Ströme beim Ausschalten ausreichend stark ausgelegt ist.
Eine weitere Methode, die in der US-PS 4.606.528 beschrieben ist, beschreibt eine Schaltung zur Erzeugung zweier Spannungen. Diese Schaltung erfordert jedoch zwei Regler, wodurch sie aufwendig wird.
Schließlich ist ein weiteres Verfahren zur Erzeugung zweier Spannungen in der Patentschrift US 4.692.684 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine Schaltung, bei der der Wechselstromgenerator mit einem Transformator verbunden ist. Auf diese Weise erhält man zwei Wechselspannungen. Um jedoch zwei Gleichspannungen zu erhalten, müssen zwei Gleichrichter vorhanden sein, was die Schaltung kompliziert und verteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Methode zur gleichzeitigen Erzeugung der Bordnetzspannung und einer dieser gegenüber höheren Spannung für den Betrieb einer Dünnfilm-Heizscheibe durch den Generator zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Generator für eine gegenüber der Bordnetzspannung höhere Spannung ausgelegt ist, die wenigstens der für den Betrieb der Heizscheibe erforderlichen Spannung entspricht, daß ein Umschalter den Ausgang des Generators mit der Vorrichtung und mit dem Eingang eines Gleichspannungskonverters verbindet, wenn die höhere Spannung erforderlich ist, und daß gleichzeitig der Regler infolge der Positionsänderung eines Kontaktes des mit dem Eingang des Reglers verbundenen Umschalters auf ein höheres Spannungsniveau geregelt und die übliche Bordnetzspannung durch den Konverter auf den erforderlichen Wert heruntergeregelt wird, und daß, wenn die höhere Spannung nicht erforderlich ist, die Vorrichtung durch Änderung der Position des Umschalters abgeschaltet und der Regler durch die Änderung der Position des Kontaktes dazu veranlaßt wird, die Spannung des Generators auf die Bordnetzspannung zu regeln, und der Generator unmittelbar das Bordnetz versorgt.
Durch die Erfindung wird sichergestellt, daß die Batterie sich während des Betriebs der Vorrichtung, etwa einer Heizscheibe, nicht entlädt. Und da der Wandler als Abwärtswandler arbeitet, sind die Anforderungen an die Schaltelemente einerseits und die elektrischen Verluste im Halbleiterschalter andererseits nicht so hoch wie bei einem weiter oben erwähnten Aufwärtswandler; und entsprechend günstiger verhalten sich die Kosten.
Die beschriebene Schaltung und Weiterbildungen dieser Schaltung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Von den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 das Bockschaltbild für eine elektrische Stromversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Spannungskonverters;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Spannungskonverters;
Fig. 4 das Blockschaltbild für eine elektrische Stromversorungsschaltung nach dem Stand der Technik, und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine zusätzliche Sicherheitsschaltung.
Die in Fig. 1 dargestellte Stromversorgungsschaltung umfaßt den mit einer Gleichrichterbrücke versehenen Drehstromgenerator 1, den Regler 2, den Umschalter 3a, 3b, die Batterie 4, die schematisch als Widerstand dargestellten Verbraucher 5 des Bordnetzes, den Spannungskonverter 6 und die schematisch als Widerstand dargestellte Heizscheibe 7.
In dem dargestellten Zustand ist die Heizscheibe 7 nicht eingeschaltet. Die von dem Generator 1 gelieferte und von dem Regler 2 auf die Bordnetzspannung begrenzte Gleichspannung versorgt über den Kontakt des Umschalters 3b unmittelbar die Verbraucher 5 des Bordnetzes und die Batterie 4. Zum Einschalten der Heizscheibe 7 werden die Umschalter 3a und 3b jeweils in ihre andere Endstellung gebracht, in der durch den Umschalter 3b die Verbindung zu den Verbrauchern 5 des Bordnetzes und zur Batterie 4 unterbrochen und die Ausgangsspannung des Generators 1 über die Leitung 8 unmittelbar an die Heizscheibe 7 angelegt wird. Gleichzeitig wird über den Schalter 3a der Regler 2 auf ein höheres Spannungsniveau von beispielsweise 50 V eingestellt, so daß an der Heizscheibe 7 die gewünschte Leistung zur Verfügung steht. Zur Versorgung des Bordnetzes wird gleichzeitig der Spannungskonverter 6 aktiviert, der aus der über die Leitung 8 zugeführten Generator- Gleichspannung eine Gleichspannung von 12 bis 14 V erzeugt, die über die Leitung 9 an den Verbrauchern 5 und an der Batterie 4 anliegt.
Die Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 als Block 6 gezeichneten Wandler in Form eines Eintaktschaltreglers 6'. Am Eingang 10 liegt die Generatorspannung von etwa 50 V an. Der Transistor 12 wird durch den Taktgeber 11 auf die Spule 14 durchgeschaltet, bis am Ausgang 17 eine Spannung von 14 V erscheint. Dieser Wert wird über die Leitung 18 an den Taktgeber 11 zurückgeführt, der wiederum den Transistor 12 ausschaltet. Das durch den Stromfluß in der Spule 14 entstandene Magnetfeld bricht jetzt zusammen und erzeugt dabei über die Diode 13 einen Strom zum Ausgang 17. Die Ausgangsspannung wird mit abfallendem Magnetfeld geringer. Das veranlaßt den Taktgeber 11, wieder den Transistor 12 einzuschalten. Um die Stromstöße des Schalters vom Eingang und vom Ausgang fernzuhalten, sind die energiespeichernden Kondensatoren 15 und 16 vorgesehen. Die Schaltfrequenz des Schalters wird vom Taktgeber 11 vorgegeben. Sie bestimmt die Dimensionierung der Bauteile 14, 15 und 16. Um die Bauteile möglichst klein zu halten, sollte die Schaltfrequenz über 10 kHz liegen. Die getaktete Leistung wird einer Drehstromwicklung entnommen, die eine symetrische Belastung verlangt. Auch aus diesem Grunde sollte die Schaltfrequenz möglichst hoch sein. Sie sollte mindestens um den Faktor 5 über der Komitutierungsfrequenz liegen.
Fig. 3 stellt einen Gegentaktwandler 6" dar, der alternativ für den Eintaktwandler 6' aus Fig. 2 eingesetzt werden kann. Er besteht aus einem Taktgeber 19 und den beiden Schalttransistoren 20 und 21, die abwechselnd leitend und nichtleitend sind. Die Transistoren sind mit einem Transformator 22 verbunden, der auf der Primärseite eine Mittelanzapfung besitzt, die mit dem Eingang 27 des Wandlers verbunden ist. Dadurch, daß abwechselnd die obere und die untere Hälfte der Spule vom Strom durchflossen wird, entsteht in dem Transformator ein Wechselfeld, das über die Sekundärwicklung ausgekoppelt wird. Die beiden Dioden 23 und 24 richten die Wechselspannung gleich. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 22 stellt sich ein Spannungsverhältnis zwischen dem Eingang 27 und dem Ausgang 28 ein. Die Speicherkondensatoren 25 und 26 verhindern, daß Stromschaltstöße aus dem Wandler nach außen dringen. Für die Schaltfrequenz gilt das gleiche wie für den anhand der Fig. 2 beschriebenen Eintaktwandler.
Fig. 4 veranschaulicht eine Schaltung nach dem Stand der Technik. In dieser Fig. 4 ist die Heizscheibe 30, die als Widerstand dargestellt ist, im eingeschalteten Zustand mit dem Bordnetz, dessen Verbraucher 31 insgesamt als Widerstand dargestellt sind, in Serie geschaltet. Das Schaltbild zeigt den Schaltzustand, in dem die Heizscheibe ausgeschaltet ist. In diesem Zustand wird die Heizscheibe durch den geschlossenen Schalter 32 überbrückt, so daß der Generator 33, der durch den Regler 34 auf die Bordnetzspannung geregelt wird, unmittelbar mit dem Bordnetz, das heißt mit den Verbrauchern 31 und der Batterie 35 verbunden ist. Die Umschaltung auf den Heizbetrieb erfolgt durch den Tippschalter 36. Dieser bewirkt, daß einerseits der Schalter 32 geöffnet wird, so daß die Heizscheibe 30 nun unmittelbar als Vorwiderstand für die vom Bordnetz abhängigen Verbraucher 31 dient, und daß andererseits anschließend der Regler 34 umgeschaltet wird, so daß die Generatorspannung nunmehr auf die erforderliche höhere Spannung hochgeregelt wird.
Es empfiehlt sich, die Stromversorgungsschaltung durch zusätzliche Überwachungselemente zu vervollständigen, um für das System unter allen Umständen einen sicheren Betriebszustand zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Überwachungselemente können grundsätzlich sowohl bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform als auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform eingesetzt werden. Diese Überwachungselemente sind in Fig. 5 dargestellt, die nicht unmittelbar die Erfindung darstellt, da sie eine Kombination dieser Elemente mit dem Stand der Technik entsprechend Fig. 4 zeigt.
Beispielsweise empfiehlt es sich, wegen der hohen Heizleistung der Heizscheibe die Heizzeit zu begrenzen, um eine Überhitzung der Heizscheibe zu vermeiden. Die zum Abtauen des Feuchtigkeitsbelages erforderliche Heizzeit beträgt erfahrungsgemäß maximal 5 Minuten. Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt kann diese Zeit jedoch zu lang sein, so daß die Heizscheibe zu heiß wird. Deshalb wird die Einschaltzeit oder Betriebszeit der Heizscheibe von einer Zeitdauer von etwa 5 Minuten bei Null Grad Celsius oder tieferen Temperaturen mit steigender Temperatur stetig reduziert, und zwar derart, daß sie bei einer Temperatur von etwa 25 Grad Celsius bis auf 1 Minute, und bei einer Temperatur von etwa 30 Grad Celsius bis auf Null reduziert wird. Von einer Temperatur von etwa 30 Grad Celsius ab sollte also der Heizbetrieb der Heizscheibe nicht mehr möglich sein. Als Führungsgröße für diese Regelung wählt man zweckmäßigerweise eine repräsentative Temperatur im Innern des Fahrzeugs.
Ferner kann es zweckmäßig sein, eine Überspannungsbegrenzung vorzusehen. Denn beim Bruch der Heizscheibe oder eines Kabels können gefährliche Überspannungen auftreten. Zum Zweck der Spannungsbegrenzung wird zweckmäßigerweise die Ausgangsspannung des Generators auf den Regler zurückgeführt. Wenn eine Spannung auftritt, die höher ist als eine vorgewählte Spannung von z.B. 80 V, dann unterbricht das Reglersystem den Heizbetrieb und schaltet auf Normalbetrieb um.
Des weiteren wird zweckmäßigerweise eine Strombegrenzung während des Umschaltvorgangs vorgesehen. Hochleistungslichtmaschinen können nämlich über 100 A an das Bordnetz abgeben. Dieser Strom muß von dem Schalter übertragen werden. Damit der Schalter nicht zu groß und zu teuer wird, wird die Generatorspannung während des Ein- und Ausschaltens der Heizscheibe kurzzeitig abgesenkt.
Ein Lösungsbeispiel für eine Stromversorgungsschaltung mit einer Sicherheitsschaltung, die diese genannten Anforderungen erfüllt, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Regler 40 steuert den Generator 41 über die Leitung 42 auf konstante Bordnetzspannung B+, mit der die Batterie 35 und die Verbraucher 31 versorgt werden. Er besitzt einen zusätzlichen Eingang 43, über den die Felderregung des Generators 41 abgeschaltet werden kann. Gesteuert wird der Eingang 43 von einem Zeitschalter 44, der beim Umschalten des Lastschalters 45 kurzzeitig den Regler 40 zum Regeln auf eine niedrigere Spannung zwingt. Der Zeitschalter 44 seinerseits wird angesteuert durch den Hauptzeitgeber 46. Der Hauptzeitgeber 46 wird von Hand durch den Tippschalter 47 ein- oder ausgeschaltet. Ein im Hauptzeitgeber 46 integrierter Temperaturfühler gibt die Einschaltdauer vor, die zwischen Null und 5 Minuten beträgt. Der Hauptzeitgeber 46 öffnet den Lastschalter 45 und ermöglicht damit den Fluß des Generatorstroms durch die Heizscheibe 30. Der Hauptzeitgeber 46 besitzt einen Prioritätseingang 48 für das Abschalten. Dieser Eingang 48 ist mit einem Schwellwertschalter 49 verbunden. Dem Eingang 50 des Schwellwertschalters 49 wird die Generatorspannung G+ zugeführt. Übersteigt die Generatorspannung G+ eine Sicherheitschwelle von etwa 80 V, dann gibt der Schwellwertschalter 49 einen Steuerimpuls an den Eingang 48 des Hauptzeitgebers 46 ab, was zur sofortigen Unterbrechung des Heizbetriebs der Heizscheibe 30 führt.

Claims

1. Elektrische Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug, mit zwei verschiedenen Verbraucherspannungen, nämlich der üblichen Bordnetz- Gleichspannung und einer dieser gegenüber höheren Gleichspannung zur Stromversorgung einer Vorrichtung (7), beispielsweise einer Heizscheibe mit einem Dünnschicht-Heizwiderstand, mit einem für eine höhere, wenigstens der für den Betrieb der Vorrichtung (7) erforderlichen Spannung entsprechende Spannung ausgelegten Generator (1), dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (3) den Ausgang des Generators (1) mit der Vorrichtung (7) und mit dem Eingang eines Gleichspannungskonverters (6) verbindet, wenn die höhere Spannung erforderlich ist, und daß gleichzeitig der Regler (2) infolge der Positionsänderung eines Kontaktes (3a) des mit dem Eingang des Reglers (2) verbundenen Umschalters (3) auf ein höheres Spannungsniveau geregelt und die übliche Bordnetzspannung durch den Konverter (6) auf den erforderlichen Wert heruntergeregelt wird, und daß, falls die höhere Spannung nicht erforderlich ist, die Vorrichtung (7) durch Änderung der Position des Umschalters (3) abgeschaltet und der Regler (2) durch die Änderung der Position des Kontaktes (3a) dazu veranlaßt wird, die Spannung des Generators (1) auf die Bordnetzspannung zu regeln, wobei der Generator unmittelbar das Bordnetz (5) versorgt.

2. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungskonverter ein getakteter Durchflußwandler (6') verwendet wird.

3. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungskonverter ein transformierender Gegentaktwandler (6") verwendet wird.

4. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Spannungskonverters (6) wenigstens fünfmal so hoch ist wie die höchste Kommutierungsfrequenz des Generators.

5. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach einem der voraufgehenden Ansprüche, wobei die höhere Spannung für eine Heizscheibe verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Überhitzung der Heizscheibe (7,31) die Einschaltzeit der Heizscheibe mit Hilfe einer Zeitbegrenzungsschaltung (46) begrenzt wird.

6. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbegrenzungsschaltung (46) von einem die Temperatur des Fahrzeugs in der Nähe der Windschutzscheibe erfassenden Temperaturfühler angesteuert und die Einschaltzeit der Heizscheibe (7,31) auf einen Wert von etwa 5 Minuten bei 0ºC bis auf etwa 1 Minute bei etwa 25ºC begrenzt wird.

7. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von zu hohen Spannungen bei einem Fehler in dem die höhere Spannung verwendenden System eine Spannungsbegrenzungsschaltung (49) vorgesehen ist.

8. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsbegrenzung die Ausgangsspannung des Generators auf den Regler (2,40) zurückgeführt und bei Auftreten einer zu hohen Spannung von beispielsweise mehr als 80 Volt der Regler (2,40) den Heizbetrieb unterbricht und auf Normalbetrieb umschaltet.

9. Elektrische Stromversorgungsschaltung nach einem der voraufgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strombegrenzungsschaltung (44), durch die während des Ein- und Ausschaltens des die höhere Spannung verwendeten Systems die Spannung des Generators (1,41) kurzzeitig abgesenkt wird.