EP0917759A1 - Vorrichtung und verfahren zum überspannungsschutz - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum überspannungsschutz

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Publication number
EP0917759A1
EP0917759A1 EP98916904A EP98916904A EP0917759A1 EP 0917759 A1 EP0917759 A1 EP 0917759A1 EP 98916904 A EP98916904 A EP 98916904A EP 98916904 A EP98916904 A EP 98916904A EP 0917759 A1 EP0917759 A1 EP 0917759A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
overvoltage protection
protection device
unit
generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98916904A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Mäckel
Peter Hille
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP0917759A1 publication Critical patent/EP0917759A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/102—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for limiting effects of transients
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors
    • H02H7/067—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors on occurrence of a load dump
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/041—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using a short-circuiting device

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device for protecting electrical systems, in particular vehicle electrical systems, against overvoltages and a method for operating the overvoltage protection device according to the preambles of the independent claims.
  • Electrical devices in mobile units, in particular vehicles are usually supplied by an electrical system, which in turn is fed by an electrical generator. If the generator releases little or no energy into the vehicle electrical system, the vehicle electrical system obtains the necessary energy from an energy store, e.g. a battery. If the generator releases more energy than is required in the vehicle electrical system or in the consumers, the energy store serves as a buffer for this. If the energy storage fails as a buffer, e.g. Corrosion of the connections or in the event of a cable break between the energy store and generator and the like can result in overvoltages in the vehicle electrical system.
  • an energy store e.g. a battery.
  • the energy store serves as a buffer for this. If the energy storage fails as a buffer, e.g. Corrosion of the connections or in the event of a cable break between the energy store and generator and the like can result in overvoltages in the vehicle electrical system.
  • Devices in particular control devices, for the internal combustion engine, for gearboxes or anti-lock braking systems, are usually constructed from discrete and / or integrated semiconductor switches which can be malfunctioned and / or even destroyed by overvoltages.
  • a measure of the occurrence of irreversible damage is the breakdown voltage of the semiconductors used, which is usually between about 50 V and 60 V in automotive applications.
  • From DE-PS 40 39 404 C2 an overvoltage protection device is known, in which a controllable switch device short-circuits the generator in the event of an overvoltage.
  • the switch device has an integrated MOSFET switch and offers the possibility of specifying switching thresholds via comparators.
  • the overvoltage protection device has a limiting device, the limiting threshold value of which lies above the nominal voltage of a voltage network.
  • a power branch with a voltage sensing unit and a control unit is connected in parallel to the voltage network.
  • Two resistors connected in series with one another are arranged in the power branch, one of which can be controlled in the sense of a reduction in resistance when the limit threshold is exceeded.
  • the power occurring in the event of a fault is recorded in the power branch.
  • a very high output is implemented in the power branch, as shot energy from the power grid at high voltage. Therefore, the protective device disclosed is only suitable for protecting a circuit against very short voltage pulses.
  • overvoltage protection device When using an overvoltage protection device in a vehicle electrical system, however, there are conflicting requirements for a high precision of the control and for low costs for the components used for this, with which excess power occurring in the event of an overvoltage can be dissipated. Overvoltages must be tolerable in a certain range, but if this range is exceeded, a protective circuit must respond reliably. However, this must never respond too early, namely in the permitted overvoltage range.
  • the invention is based on the object of specifying a method and an arrangement for overvoltage protection of a vehicle electrical system provided with an energy store in order to protect it reliably and with high precision and at the same time economically against voltage surges in the vehicle electrical system.
  • the particular advantage of the invention lies in the fact that electrical components in an on-board electrical system only have to be designed for low tolerances with regard to the dielectric strength, so that, in addition to the increased safety when operating the on-board electrical system, considerable cost savings are also possible when using semiconductor components in the on-board electrical system.
  • the small tolerances are particularly advantageous in the case of on-board electrical systems with higher voltages.
  • means are provided which make it possible to regulate the vehicle electrical system voltage to an upper permissible value and to keep it precisely at this value in the event of an overvoltage, in particular a power branch is provided for this purpose, in which at least one resistor in the sense of a resistance reduction is controllable. It is also provided that the excitation of the generator is reduced quickly in the event of an overvoltage. This can reliably prevent the on-board electrical system voltage from rising above a defined voltage threshold.
  • the upper permissible value is preferably above the vehicle electrical system voltage. This ensures that an energy store, in particular a battery in the vehicle electrical system, is burdened by an early response of the protective device or even briefly
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) will close what is an intolerable cause of danger in the vehicle. It also prevents the protective circuit from being overloaded in the event of an overvoltage.
  • the voltage is continuously regulated in the event of an overvoltage.
  • This is done by a special arrangement at the generator output, which monitors the voltage value of the vehicle electrical system voltage and examines it for the occurrence of an overvoltage.
  • the excitation of the generator is reduced very quickly, preferably more than ten times faster than in the regulation of the vehicle electrical system voltage in normal operation, it being provided that the rapid de-excitation of the generator takes precedence over the usual regulation of the vehicle electrical system voltage in the event of a fault Has normal operation, but preferably does not intervene in the regulation of the vehicle electrical system voltage in normal operation.
  • the components in the power branch are loaded only slightly in the event of a fault. This rapid de-excitation of the generator is caused by an additional voltage feedback unit that only intervenes in the regulation of the vehicle electrical system voltage in the event of an overvoltage.
  • the upper permissible threshold value in the event of an overvoltage is preferably kept constant over a wide temperature range, preferably between -20 ° C to 85 ° C, particularly preferably between - 0 ° C to 125 ° C.
  • the generator controller is preferably modified such that means for control interventions in normal operation and control interventions in the event of an overvoltage are provided separately from one another.
  • the generator regulator is preferably modified in such a way that an additional input is provided for a signal of the additional voltage feedback unit. In the event of an overvoltage, their signals are forwarded and / or processed by the generator controller in order to act at least indirectly on the excitation of the generator.
  • the feedback from the generator controller can be designed in such a way that the excitation of the generator is reduced with a significantly smaller time constant than is customary for regulating the nominal voltage value.
  • the generator controller has means which are suitable for reducing the excitation of the generator faster than 500 ms. These means preferably have at least one semiconductor switch and one free-wheeling diode.
  • means are additionally provided to limit the excitation of the generator.
  • the field winding of the generator can then advantageously be designed so that the shortest possible times for the build-up and breakdown of the field current are achieved. In the event of an overvoltage, the excess energy generated is then minimal and the electronic components of the circuit in the power branch are loaded as little as possible.
  • These means preferably have at least one current control for the excitation current.
  • the current regulation is preferably controlled by a voltage regulation, which regulates the nominal generator voltage, but limits the current setpoint.
  • the setpoint for the vehicle electrical system voltage and the provision of a threshold value for the response of the overvoltage protection device are preferably provided by the same reference unit.
  • the reference unit is particularly preferably a precision voltage source.
  • semiconductor switches with a lower breakdown voltage can be used not only on the generator, but in all electrical devices in the vehicle electrical system, which in turn means the possibility of minimizing the chip area and thus the cost of the respective component.
  • the arrangement according to the invention is very particularly advantageous in the case of on-board networks with a higher network voltage.
  • Another advantage of the invention is that the tolerance range of the vehicle electrical system voltage is reduced. It is particularly favorable for the design and / or operation of the electrical devices that the voltage in the on-board electrical system is regulated with high precision and that the maximum permissible voltage value is precisely maintained.
  • the safety margins to be provided for the component parameters, which are provided for overvoltage protection, can be significantly lower than usual.
  • FIG. 1 shows an arrangement according to the invention with power branch, voltage sensing unit, control unit and feedback unit,
  • FIG. 3 shows an arrangement according to the invention with a power branch, voltage sensing unit and control unit
  • FIG. 4 shows an arrangement according to the invention with a non-linear resistor in the power branch
  • FIG. 5 shows an arrangement according to the invention with an inverted drive signal of the driven resistor in the power branch
  • FIG. 8 shows a circuit with a current profile of the generator excitation according to the prior art
  • FIG. 9 shows a circuit with a current profile of the generator excitation with quick de-excitation
  • 10 is a schematic diagram of a generator with fast de-excitation
  • 11 shows a measurement curve for load shedding in a 42 V vehicle electrical system with surge protection according to the invention.
  • the figures relate to an arrangement for a motor vehicle electrical system, in particular an internal combustion engine, with an alternator as a generator, and an energy store, in particular a battery.
  • the invention can be advantageously applied to all electrical systems in which a generator feeds an electrical system and is not limited to vehicle electrical systems.
  • the invention is suitable for overvoltage protection of DC voltage networks, which are fed by generators, as are used both in mobile and / or in stationary systems.
  • 2 shows a graphical representation of voltages in an on-board electrical system with a nominal voltage of 42 V. Permissible voltage ranges VI to V6 are defined for different operating states. VI from 25 V to 33 V is the voltage to which the vehicle electrical system may collapse during the starting process of the internal combustion engine.
  • the battery voltage is in a permissible voltage range V2 between 33 V and 43 V. Permanent overvoltages in the vehicle electrical system are permitted in the range V3 between 43 V and a maximum of 48 V. Transient overvoltages must not exceed the V4 range between 48 V and 55 V. For voltages in the V5 range between 0V and 25 V, the vehicle electrical system is considered defective. Reverse polarity (V6) with negative voltage values is not permitted.
  • the threshold value for the response of the overvoltage protection device is advantageously not set at the lower limit of the 48 V- 55 V interval; A limiting value approximately in the middle of the interval is preferred, preferably about 52 V.
  • a limiting value approximately in the middle of the interval is preferred, preferably about 52 V.
  • the response threshold of the protective device must be as independent of temperature as possible.
  • a reference voltage which is to be supplied by a reference unit of the overvoltage protection device, must be maintained to an accuracy of at least 1% or better.
  • any excess energy that occurs in the event of an overvoltage must be dissipated from the electrical system in an economically justifiable manner. This can be achieved with the arrangement according to the invention in a wide temperature range, particularly preferably between -40 ° C. and 125 ° C.
  • FIG. 1 An arrangement according to the invention is shown in FIG. 1, in particular using a motor vehicle electrical system.
  • the on-board electrical system voltage V B is between the leads 18 and 19 on supply line 19 and serves as a common reference potential of the overvoltage protection device 20.
  • the on-board electrical system itself comprises various customary circuit components, some of which are shown in the figure, such as alternator 9 with various components 13, 14, 15 Generator regulator 10 (generator regulator), ignition lock 12, charge control lamp 11 and the like.
  • a preferred energy store 16 is a battery.
  • the voltage of the vehicle electrical system voltage V B is normally regulated via line 12 ', which connects terminal K30 to the on circuit D + connects via the ignition lock 12 and the charge control lamp 11 During normal operation, the voltage sensing unit 21 only checks whether a predetermined voltage threshold V ßmax is reached or exceeded, the power branch L and feedback unit 23 are no longer active in normal operation to regulate the Vehicle electrical system voltage involved
  • Unit 20 has, in a power branch L connected in parallel with the on-board electrical system, one or more components with preferably non-linear current-voltage characteristics, preferably with at least two resistors 24 and 25.
  • the power branch L is provided in the event of an overvoltage in excess electrical power that is harmless to the vehicle on-board electrical system in heat
  • the resistors 24, 25 in the power branch L are formed by components which have an electrical resistance. A single such component can also be formed by several components, in particular integrated components which act as a whole.
  • the electrical voltage can be linear or nonlinear depend on the current flowing through the component A component in which the electrical voltage is non-linearly dependent on the current is referred to as a non-linear resistor.
  • At least one of the resistors 24 and / or 25 preferably has one of these ge non-linear current-voltage characteristic to
  • the resistors 24 and 25 are preferably connected in series to one another.
  • the voltage sensing unit 21 is supplied with the on-board electrical system voltage VB Temperature range, in particular from -40 ° C to 125 ° C, available with 1% or higher accuracy.
  • the reference unit 35 can be of complex construction. If the vehicle electrical system voltage VB exceeds a threshold V ⁇ max set by the precision voltage source 35, for example by a voltage pulse, a signal is triggered. This signal is taken over both by the control unit 22 and by the voltage feedback unit 23.
  • the control unit 22 controls one of the two resistors 24 and / or 25 so that current can flow through it.
  • the controlled resistor is preferably formed by a controllable semiconductor component with a linear or non-linear current-voltage characteristic.
  • the control unit 22 regulates the resistance value of the controlled non-linear resistor 24 or 25 in such a way that the voltage drop across both corresponds exactly to the value for the maximum vehicle electrical system voltage V Bm ax. A current flows through the two resistors 24 and 25 and the excess electrical energy of the voltage pulse is converted into heat in the power branch L in the two resistors 24 and 25.
  • Another advantage is that semiconductor switches with a low breakdown voltage have a significantly smaller chip area than those with a high breakdown voltage.
  • the arrangement according to the invention can reduce the chip area of components, in particular the circuit breaker, which saves considerable costs.
  • This aspect of the invention proves to be particularly advantageous when using on-board electrical systems with a higher mains voltage, for example of more than 40 V, since semiconductor switches with a significantly higher breakdown voltage than 40 V are necessary for this case in the known overvoltage protection devices. If a classic limitation with suppressor diodes according to the prior art were carried out, then overvoltages with 120 V-200 V would have to be permitted in the vehicle electrical system. This is not applicable to vehicle electrical systems.
  • the feedback unit sends
  • Unit 20 has a power branch L, a voltage sensing unit 21, a control unit 22 and a feedback unit 23.
  • the vehicle electrical system voltage V B is present between the leads 18 and 19.
  • the power branch L is formed by the resistors 37 and 39, which replace the resistors 24 and 25.
  • the resistor 37 in particular a transistor, is connected in series with the linear resistor 39, the resistor 37 being controlled by the control unit 22 and connected to the supply line 18.
  • the voltage sensing unit 21 consists of a voltage divider which is formed from the ohmic series resistors 30 and 31 with a voltage divider tap K9 between the two resistors.
  • the control unit 22 consists of a series connection of a first ohmic resistor 32 with a first Zener diode 33 connected in parallel and the series connection connected therewith of a second Zener diode 34, a second ohmic resistor 36 and a reference unit 35.
  • a preferred shading of the feedback unit 23 consists of a pnp transistor 40a, the emitter of which is connected to line 18 and the base of which is connected via a resistor 40b to the connecting line between the control unit 22 and the resistor 37 of the power branch L to be controlled.
  • the collector of the transistor 40a is connected via a resistor 50b to the reference potential 19, on the one hand, and to the base of an NPN transistor 51 via a resistor 50a. Resistor 50a protects transistor 51 from excessive currents.
  • the transistor 51 with what is known as an “open collector” output is preferably selected.
  • Connection 51 ' is the connection to the generator controller 10, which is not shown separately and which is modified in such a way that it can receive a signal from the feedback unit 23 in order to reduce the generator excitation in the event of an overvoltage.
  • the emitter of transistor 51 is connected to reference potential 19.
  • the reference unit 35 is preferably formed by a precision voltage source, which preferably works according to the bandgap method. It has a load connection, a control connection and a reference connection.
  • the control connection is connected to the voltage divider tap K9 of the voltage sensing unit 21, the reference connection is connected to the reference potential 19 and the load connection is preferably connected to the gate of the MOSFET 37 via resistor 36 and Zener diode 34 or, in another preferred embodiment according to FIG. 5 , connected to the base of a transistor in an inverter unit.
  • the voltage source supplies the threshold value of the maximum permissible on-board voltage Vßmax with high precision.
  • Resistor 31 of the voltage sensing unit 21, the reference connection of the reference unit 35 of the control unit 22 and the non-driven resistor 39 in the power branch are connected to the common reference potential 19.
  • the first resistor 32 with the first Zener diode 33 connected in parallel is connected between the gate and source connection of the driven resistor 37.
  • the first zener diode; 33 serves to protect the gate of transistor 37 from overvoltages.
  • the on-board electrical system voltage at the voltage divider tap K9 exceeds the reference value V Bmax , it changes depending on the level of the overvoltage from a high-resistance to a low-resistance state. This allows current to flow through the first and second ohmic resistors 32, 36 and through the second zener diode 34.
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26)
  • the current flow through the first resistor 32 generates a voltage drop across the first resistor 32, which is used to drive the gate of the transistor 37, in particular a p-channel MOS transistor. This in turn enables a current to flow through the power branch, which causes a voltage drop across the uncontrolled resistor 39.
  • the gate-source voltage of the transistor 37 is regulated according to the invention by means of the voltage sensing unit 21 and the control unit 22 such that the voltage drop across the driven transistor 37 corresponds exactly to the difference between the maximum permissible vehicle electrical system voltage V ßma and the voltage drop across the non-driven resistor 39.
  • the upper limit of the electrical system voltage Vßmax can be set via the division ratio of the resistors 30 and 31, which form a voltage divider.
  • the precision voltage source 35 is expediently protected against overcurrent and overvoltage by the second resistor 36 and the second zener diode 34. Since the precision voltage source 35 is usually not designed for higher operating voltages, it must be ensured that the voltage which drops at the precision voltage source 35 cannot become greater than its maximum operating voltage.
  • the second resistor 36 limits the current that can flow through the precision voltage source 35. Limiting the current through the reference unit 35 is advantageous for all embodiments according to the invention, which have components as overvoltage protection in the unit 20 outside the power branch, which break down or become conductive and thus result in a large electrical current through the reference unit , preferably the precision voltage source 35, such as in particular the first and second zener diodes 33, 34 in FIGS.
  • FIG. 4 Another cheap embodiment of the invention is shown in Figure 4.
  • the arrangement is similar to that in FIG. 3, but here the non-driven, linear resistor 39 in the power branch of the unit 20 has been replaced by a non-linear resistor 38, in particular a suppressor diode and / or a zener diode. It is favorable with this arrangement that less power has to be converted in the transistor 37 than in the exemplary embodiment according to FIG. 3. This means that smaller and cheaper transistor components can advantageously be used. It is also favorable to use a Zener diode whose breakdown voltage is at least 5% greater than the vehicle electrical system voltage.
  • FIG. 1 A further preferred arrangement is shown in FIG.
  • the structure of the voltage sensing unit 21 and the precision voltage source 35 corresponds to the structure in FIGS. 3 and 4.
  • Unit 20 has a power branch L, a voltage sensing unit 21 and a control unit 22.
  • the feedback unit 23 is not shown.
  • the power branch L is formed by the resistors 43 and 44.
  • the resistor 43 in particular a transistor, is connected in series with the linear resistor 44, the resistor 43 being driven by the control unit 22.
  • the difference from the arrangements described above is that the driven resistor 43 is connected here to the feed line 19, the common reference potential of the unit 20.
  • the non-driven resistor 44 has a linear current-voltage characteristic, in particular resistor 44 is an ohmic resistor.
  • Potential shift and inversion of the control signal takes place by means of an inverting unit, which is formed in particular from a series circuit comprising a pnp transistor 40 and a resistor 41, which is placed between the leads 18 and 19.
  • the control unit 22 is slightly modified and consists of a series circuit comprising a first ohmic resistor 32, a Zener diode 34, a second ohmic resistor 36 and a reference unit 35 with a reference connection at the reference potential 19, control connection at K9 and load connection via a protective resistor 36 and a protective Zener diode 34 at the base of transistor 40.
  • the base of transistor 40 is connected to drive unit 22 between zener diode 34 and first resistor 32.
  • the gate of the controlled resistor 43 is protected with a zener diode 42, which is connected between the gate and source connection of the resistor 43, in particular an n-channel MOS transistor.
  • the source connection of the controlled MOS transistor, the resistor 41, the reference connection of the reference unit 35 and the resistor 31 are at the common reference potential 19.
  • the particular advantage of the solution is that, in particular, an n-channel MOS transistor can be used with the selected arrangement for the driven resistor 43. These devices are typically much cheaper than their complementary p-channel MOS transistor types.
  • FIG. 6 shows a preferred alternative arrangement which is similarly advantageous as the arrangement in FIG. 5.
  • the components are arranged essentially as in FIG. 4.
  • the power branch L has the resistors 43 and 45.
  • the non-driven resistor 45 like the driven resistor 43, has a non-linear current-voltage characteristic and is preferably a zener diode.
  • FIG. 6 additionally shows the voltage feedback unit 23, which preferably consists of a series circuit with an ohmic resistor 50 and an npn transistor 51.
  • the resistor 50 protects the transistor 51 from excessive currents.
  • Connection 51 ' is the connection to the generator controller 10, which is not shown separately and which is modified in such a way that it can receive a signal from the feedback unit 23 in order to reduce the generator excitation in the event of an overvoltage.
  • the emitter of the transistor 51 is connected to the reference potential 19 and to the base via the resistor 50 with the inverting unit and contacts it between the transistor 40 and the resistor 41.
  • FIG. 7 shows a measured time profile of the vehicle electrical system voltage V B between the leads 18 and 19 shown in two states.
  • Curve A shows the course of the vehicle electrical system voltage during load shedding without overvoltage protection.
  • the curve shows that the maximum permissible on-board electrical system voltage Vßmax is clearly exceeded.
  • Curve B shows the time profile of the vehicle electrical system voltage with one of the arrangements according to the invention.
  • the maximum permissible value of the vehicle electrical system voltage V max is not exceeded, but is kept constant precisely and without even briefly occurring voltage peaks. After the overvoltage situation has subsided, the value of the vehicle electrical system voltage V B drops back to the normal operating value.
  • the behavior shown is achieved with all of the arrangements according to the invention described, in particular over a wide temperature range.
  • the generator controller 10 In order to reduce the generator excitation according to the invention, the generator controller 10 must be modified. In a conventional generator controller in a conventional 12 V electrical system according to the prior art, the build-up and breakdown of the excitation current in the excitation winding 13 of the generator is controlled via a single switch.
  • FIG. 8 shows a sketch of such an arrangement in the left-hand side of the picture with a switch related to the vehicle electrical system voltage, for which a MOSFET 66 has been selected here by way of example.
  • the current curve of the generator excitation is shown on the right side of the picture.
  • Switch 66 is conductive to build up the excitation current.
  • the speed of the current rise results from the on-board electrical system voltage (12 V), the resistance and the inductance of the excitation winding 13.
  • the switch 66 is switched off, so that the current of the excitation winding 13 via Diode 69 continues to flow.
  • the time constant for the reduction of the current is determined by the series resistance of the excitation coil 13.
  • the generator For energizing and de-energizing the generator, it is usually around 500-600 ms. In the event of an overvoltage, the generator supplies power during this time. No connection is provided on the generator regulator for an overvoltage signal from any voltage feedback unit 23.
  • FIG. 9 shows a sketch of a preferred switch arrangement in a modified generator controller 10 according to the invention, with which the excitation current can be rapidly reduced in the event of an overvoltage in the left-hand side of the figure.
  • the vehicle electrical system voltage is preferably nominally 42 V.
  • Switches 66 and diode 69 are connected in parallel to an additional switch 67 and an additional diode 68.
  • the excitation winding 13 lies between the two branches in each case between switch 66 and diode 69 and between switch 67 and diode 68.
  • the excitation winding 13 is connected here to the vehicle electrical system voltage by the additional switch 67.
  • Switch 67 remains closed for regulation to nominal voltage, so that in normal operation the same time constant for current reduction results as in FIG. 8. This is advantageous for a low current ripple.
  • the increased electrical system voltage accelerates the current rise by more than a factor of 10.
  • both switches 66 and 67 are switched off, so that the current of the excitation winding 13 is reduced via the diodes 68 and 69 against the 42 V on-board electrical system voltage.
  • the current profile of the generator excitation is shown next to the schematic diagram of the controller 10. The time that can be derived from this for the current reduction is approximately 10 ms. This is around a factor 50 faster than in the example according to the prior art for a 12 V electrical system. If the generator excitation were not quickly broken down in the event of an overvoltage, this would mean a high output of the generator over a period of a few hundred milliseconds. This represents a major source of danger and, in extreme cases, leads to the destruction of the protective device.
  • the modified regulator 10 in the event of an overvoltage enables an additional path via the switch 67 to commutate the voltage out of the excitation winding 13 much faster than normal.
  • the controller 10 can also be modified in a different way, this preferably having to be done in such a way that the rapid de-excitation of the generator has a higher priority than the normal vehicle electrical system control in the event of an overvoltage.
  • the 10 shows the basic structure of a preferred generator controller 10, which is provided with an additional input RE for rapid de-excitation.
  • the feedback unit 23 is connected to this input RE and triggers the rapid de-excitation in the event of an overvoltage.
  • the control 63 of the excitation winding 13 contains switches 66, 67 for the excitation current and free-wheeling diodes 68, 69. They are controlled by a control unit 62, preferably with pulse-shaped signals.
  • the preferred embodiment additionally limits the excitation current.
  • a current control is implemented via a control circuit 64 for the switch 66, which current current value I EI is obtained from an advantageous voltage control 60, 61.
  • 60 is preferably a controller with a proportional integral characteristic, which is controlled by the difference between the setpoint V BI and the vehicle electrical system voltage VB measured at the connection K30.
  • VBI represents the input voltage value for the PI controller and is equal to the nominal electrical system voltage V B.
  • the limiter 61 limits the setpoint for the excitation current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor Überspannungen, wobei die Anlage ein von einem elektrischen Generator (9) gespeistes Bordnetz und daran angeschlossene elektrische Einrichtungen aufweist, mit einer Begrenzungseinrichtung, deren Schwellwert oberhalb der Generatornennspannung liegt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Überspannungsschutz
Die Erfindung betrifft eine Uberspannungsschutzvorrichtung zum Schutz von elektrischen Bordnetzen, insbesondere von Fahrzeugbordnetzen, gegen Überspannungen sowie ein Verfahren zum Betreiben der Uberspannungsschutzvorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Elektrische Einrichtungen in mobilen Einheiten, insbesondere Fahrzeugen, werden üblicherweise durch ein Bordnetz versorgt, welches wiederum durch einen elektrischen Generator gespeist wird. Gibt der Generator wenig oder keine Energie in das Bordnetz ab, bezieht das Bordnetz die notwendige Energie aus einem Energiespeicher, z.B. einer Batterie. Gibt der Generator mehr Energie ab, als im Bordnetz oder in den Verbrauchern benötigt wird, dient der Energiespeicher als Puffer hierfür. Fällt der Energiespeicher als Puffer aus, z.B. durch Korrosion der Anschlüsse oder bei Kabelbruch zwischen Energiespeicher und Generator und dergleichen, kann es zu Überspannungen im Bordnetz kommen.
Eine weitere mögliche Ursache für das Auftreten von Überspannungen im Bordnetz liegt vor, wenn beispielsweise während des Betriebes des Fahrzeugs induktive elektrische Verbraucher, wie z.B. Lüftermotoren oder Sitzverstellungen, vom Bordnetz weggeschaltet werden. Der Lastabwurf bewirkt eine Spannungsüberhöhung im Bordnetz mit teilweise sehr hohen Werten. Näheres dazu ist in einer Reihe von Druckschriften genannt, für die stellvertretend z.B. DIN 40839, Teil 1, genannt ist.
Derartige Spannungsspitzen bereiten erhebliche Probleme in den elektrischen Einheiten. Einrichtungen, insbesondere Steuereinrichtungen, für den Verbrennungsmotor, für Getriebe oder Antiblockiersystem, sind üblicherweise aus diskreten und/oder integrierten Halbleiterschaltern aufgebaut, die durch Überspannungen in Fehlfünktion gebracht und/oder sogar zerstört werden können. Ein Maß für das Auftreten von irreversibler Schädigung ist die Durchbruchsspannung der verwendeten Halbleiter, die bei automotiver Anwendung üblicherweise zwischen etwa 50 V und 60 V liegt. Aus der DE-PS 40 39 404 C2 ist eine Uberspannungsschutzvorrichtung bekannt, bei der im Überspannungsfall eine steuerbare Schaltereinrichtung den Generator kurzschließt. Die Schaltereinrichtung weist einen integrierten MOSFET-Schalter auf und bietet die Möglichkeit, über Komparatoren Schaltschwellen vorzugeben. Mittels dieser Anordnung wird versucht, die Überspannung im Bordnetz durch Beeinflussung der Erregerwicklung des Generators zu minimieren. Das Auftreten eines Spannungsimpulses, wenn auch mit geringerer Höhe, ist jedoch auch mit dieser Anordnung nicht zuverlässig vermeidbar. Nicht kompensierbar ist insbesondere eine etwaige unerwünschte Spannungserhöhung durch Rückspeisung durch die Verbraucher im Netz. In herkömmlichen Bordnetzen werden in den elektronischen Einrichtungen oder zentral am Generator häufig sogenannte Suppressordioden eingesetzt, welche die etwaigen Überspannungen auf einen für den jeweiligen Halbleiter unschädlichen Wert begrenzen sollen. Die Klemmspannung der Suppressordioden hängt jedoch so stark von Umgebungseinflüssen ab, insbesondere von der Temperatur und dem Innenwiderstand, daß ein weiter Toleranzbereich der Ver- sorgungsspannung des Bordnetzes akzeptiert werden muß.
Wegen der zu berücksichtigenden möglichen Spannungsspitzen sind bei derzeitig eingesetzten 12-V-Bordnetzen Halbleiterschalter mit Durchbruchspannungen von 50 Volt und mehr im Einsatz. Integrierte Halbleiter-Bauelemente, welche diese Anforderungen erfüllen, sind teuer und haben technologisch bedingt einen große Chipfläche. Eine große Chipfläche bedeutet jedoch einen hohen Preis für ein integriertes Halbleiter-Bauelement. Bei einem etwaigen beabsichtigten Einsatz höherer Bordnetzspannungen verstärkt sich dieses Größen- und Kosten-Problem wegen der steigenden Durchbruchspannungen.
Aus der DE 39 15 198 AI, von der die Erfindung ausgeht, ist eine Schutzeinrichtung zum Schutz elektrischer Anlagen gegen transiente Überspannungen, insbesondere Blitzschlag, be- kannt. Die Uberspannungsschutzvorrichtung weist eine Begrenzungseinrichtung auf, deren Begrenzungsschwellwert oberhalb der Nennspannung eines Spannungsnetzes liegt. Parallel zum Spannungsnetz ist ein Leistungszweig mit einer Spannungsfuhleinheit und einer Ansteuer- einheit angeschlossen. Im Leistungszweig sind zwei zueinander in Serie geschaltete Widerstände angeordnet, von denen eine bei Überschreiten der Begrenzungsschwelle im Sinne einer Wi- derstandsverminderung ansteuerbar ist. Dabei wird die im Fehlerfall auftretende Leistung im Leistungszweig aufgenommen. Im Fehlerfall wird im Leistungszweig eine sehr hohe Leistung umgesetzt, da über- schüssige Energie aus dem Spannungsnetz bei hoher Spannung anfällt. Daher ist die offenbarte Schutzeinrichtung nur geeignet, eine Schaltung gegen sehr kurze Spannungspulse zu schützen.
Bei einem Einsatz einer Überspannungsschutzeinrichtung in einem Fahrzeugbordnetz sind jedoch gegensätzliche Anforderungen an eine hohe Präzision der Regelung sowie an geringen Kosten für die dafür verwendeten Bauelemente zu stellen, mit denen im Überspannungsfall auftretende überschüssige Leistung abgeführt werden kann. Es müssen Überspannungen in einem bestimmten Bereich toleriert werden können, bei Überschreiten dieses Bereichs muß jedoch zuverlässig eine Schutzschaltung ansprechen. Diese darf jedoch keinesfalls zu früh, nämlich im erlaubten Überspannungsbereich, ansprechen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Überspannungsschutz eines mit einem Energiespeicher versehenen Fahrzeugbordnetzes anzugeben, um dieses zuverlässig und mit hoher Präzision und gleichzeitig wirtschaftlich vor Spannungsüberhöhungen im Bordnetz schützen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß elektrische Bauelemente in einem Bordnetz nur noch für geringe Toleranzen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit ausgelegt werden müssen, so daß hier neben der erhöhten Sicherheit beim Betreiben des Bordnetzes gleichzeitig eine erhebliche Kostenersparnis beim Einsatz von Halbleiterbauelementen im Bordnetz möglich ist. Die geringen Toleranzen sind besonders vorteilhaft bei Bordnetzen höherer Spannung.
Erfindungsgemäß werden Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, im Falle des Auftretens einer Überspannung die Bordnetzspannung auf einen oberen zulässigen Wert zu regeln und präzise auf diesem Wert zu halten, insbesondere ist dazu ein Leistungszweig vorgesehen, in dem zu- mindest ein Widerstand im Sinne einer Widerstandsverminderung ansteuerbar ist. Außerdem ist vorgesehen, im Überspannungsfall die Erregung des Generators schnell zu vermindern. Damit kann sicher verhindert werden, daß die Bordnetzspannung über eine festgelegte Spannungsschwelle hinaus ansteigt. Vorzugsweise liegt der obere zulässige Wert oberhalb der Bordnetzspannung. Damit ist sichergestellt, daß ein Energiespeicher, insbesondere eine Batterie im Bordnetz, durch ein verfrühtes Ansprechen der Schutzvorrichtung belastet oder sogar kurzge-
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) schlössen wird, was im Fahrzeug eine nicht zu tolerierende Gefahrenursache darstellt. Außerdem wird verhindert, daß im Überspannungsfall die Schutzschaltung überlastet wird.
Insbesondere wird die Spannung im Überspannungsfall kontinuierlich geregelt. Dies erfolgt durch eine besondere Anordnung am Generatorausgang, die den Spannungswert der Bordnetz- Spannung überwacht und auf das Auftreten einer Überspannung untersucht. Dabei wird insbesondere zusätzlich bei Auftreten einer Überspannung die Erregung des Generators sehr schnell vermindert, vorzugsweise mehr als zehnmal schneller als bei der Regelung der Bordnetzspannung im Normalbetrieb, wobei vorgesehen ist, daß die schnelle Entregung des Generators im Fehlerfall Vorrang vor der üblichen Regelung der Bordnetzspannung im Normalbetrieb hat, im Normalbetrieb vorzugsweise jedoch nicht in die Regelung der Bordnetzspannung eingreift. Die Bauelemente im Leistungszweig werden im Fehlerfall insgesamt nur gering belastet. Diese Schnellentregung des Generators wird durch eine zusätzliche Spannungsrückmeldeeinheit verursacht, die nur im Überspannungsfall in die Regelung der Bordnetzspannung eingreift.
Vorzugsweise wird der obere zulässige Schwellwert im Überspannungsfall über einen weiten Temperaturbereich bevorzugt zwischen -20°C bis 85°C, besonders bevorzugt zwischen - 0°C bis 125°C, konstant gehalten.
Bevorzugt ist der Generatorregler so modifiziert, daß Mittel für Regeleingriffe im Normalbetrieb und Regeleingriffe im Überspannungsfall getrennt voneinander vorgesehen sind. Bevorzugt ist der Generatorregler so modifiziert, daß ein zusätzlicher Eingang für ein Signal der zu- sätzlichen Spannungsrückmeldeeinheit vorgesehen ist. Deren Signale werden im Überspannungsfall weitergeleitet und/oder vom Generatorregler verarbeitet, um zumindest mittelbar auf die Erregung des Generators einzuwirken.
Vorteilhaft ist, daß durch die vom normalen Regelbetrieb getrennte Rückmeldung für den Fehlerfall der Generatorregler so ausgelegt werden kann, daß die Erregung des Generators mit einer deutlich kleineren Zeitkonstanten abgebaut wird, als dies für das Regeln auf den Spannungsnennwert üblich ist. Der Generatorregler weist dazu Mittel auf, die geeignet sind, die Erregung des Generators schneller als 500 ms abzubauen. Vorzugsweise weisen diese Mittel zumindest einen Halbleiterschalter und eine Freilaufdiode auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden zusätzlich Mittel vorgesehen, um die Erregung des Generators zu begrenzen. Die Erregerwicklung des Generators kann dann vorteilhaft so ausgelegt werden, daß möglichst kurze Zeiten für den Auf- und Abbau des Erregerstromes erreicht werden. Im Überspannungsfall ist die anfallende überschüssige Energie dann minimal und die elektronischen Bauelemente der Schaltung im Leistungszweig werden möglichst wenig belastet. Bevorzugt weisen diese Mittel zumindest eine Stromregelung für den Erregerstrom auf. Die Stromregelung wird vorzugsweise durch eine Spannungsregelung gesteuert, die auf die Generatornennspannung regelt, dabei jedoch den Stromsollwert begrenzt. Bevorzugt erfolgt die Bereitstellung des Sollerts für die Bordnetzspannung und die Bereitstellung eines Schwellwertes für das Ansprechen der Uberspannungsschutzvorrichtung durch dieselbe Referenzeinheit. Besonders bevorzugt ist die Referenzeinheit eine Präzisionsspannungsquelle.
Günstig ist es, die Mittel zur Schnellentregung des Generators in den Generatorregler baulich und/oder elektrisch zu integrieren. Günstig ist auch, Generatorregler und Mittel zum Überspannungsschutz in ein Steuergerät am Generator zusammenzufassen. Besonders vorteilhaft ist, daß die Erfindung nicht primär in den Erregerkreis eingreifen muß, sondern am Ausgang des Generators die Spannung im Bordnetz begrenzt. Tritt dort eine Überspannung auf, so wird diese gemäß der Erfindung in einem Leistungszweig konsumiert, welcher mindestens einen nichtlinearen Widerstand aufweist.
Ganz besonders vorteilhaft ist, daß auch Überspannungen, die durch elektrische Einheiten im Netz verursacht werden, derart begrenzt werden, so daß eine etwaige Rückspeisung nicht zur Spannungsüberhöhung führt. Dies erhöht die Sicherheit der Anordnung insgesamt. Die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit von Bauelementen für die Ansteuerung von Verbrauchern im Bordnetz können ohne Sicherheitsverlust wesentlich geringer sein. Dies ist besonders in Spannungsnetzen mit höherer Nennspannung, z.B. 42-V-Bordnetze, vorteilhaft. Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch das zuverlässige Eliminieren von Spannungsspitzen auf den Einsatz von Halbleiterschaltern mit hohen Durchbruchspannungen verzichtet werden kann. Dies erspart wiederum besonders bei Fahrzeugbordnetzen Kosten, die für höhere Spannungen als in einem üblichen 12 V-Bordnetz, insbesondere in einem 42 V- Bordnetz, vorgesehen sind, da keine teuren Hochspannungshalbleiterbauelemente eingesetzt werden müssen, deren Spannungsfestigkeit sonst ein Mehrfaches der Bordnetzspannung betragen müßte. Da die Höhe der Spannungsfestigkeit eines integrierten Halbleiterbauelements üblicherweise mit einer großen Chipfläche des Halbleiterbauelements gekoppelt ist, kann durch die erfindungsgemäße Anordnung die Chipfläche verkleinert und Bauelementkosten eingespart werden.
Besonders vorteilhaft ist, daß nicht nur am Generator, sondern bei allen elektrischen Einrich- tungen im Bordnetz insgesamt Halbleiterschalter mit geringerer Durchbruchsspannung eingesetzt werden können, was wiederum jeweils die Möglichkeit einer Minimierung der Chipfläche und damit der Kosten des jeweiligen Bauelements bedeutet. Ganz besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung bei Bordnetzen mit höherer Netzspannung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Toleranzbereich der Bordnetzspan- nung verringert wird. Besonders günstig für die Auslegung und/oder das Betreiben der elektrischen Einrichtungen ist, daß die Spannung im Bordnetz mit hoher Präzision geregelt und der maximal zulässige Spannungswert genau eingehalten wird. Die vorzusehenden Sicherheitsmargen der Bauelementparameter, welche zum Überspannungsschutz vorgesehen sind, können deutlich geringer ausfallen als üblich. Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Leistungszweig, Spannungsfühleinheit, Ansteu- ereinheit und Rückmeldeeinheit,
Fig. 2 die graphisch dargestellte Definition von Spannungsbereichen in einem 42-Volt-Bord- netz,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Leistungszweig, Spannungsfühleinheit und An- steuereinheit,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem nichtlinearen Widerstand im Leistungszweig, Fig. 5 eine erfindungsgemäße Anordnung mit invertiertem Ansteuersignal des angesteuerten Widerstands im Leistungszweig,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Anordnung einer Rückmeldeeinheit,
Fig. 7 Spannungs-Zeitkurve der Bordnetzspannung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 8 eine Schaltung mit Stromverlauf der Generatorerregung gemäß dem Stand der Technik, Fig. 9 eine Schaltung mit Stromverlauf der Generatorerregung mit Schnellentregung,
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines Generators mit Schnellentregung, Fig. 11 eine Meßkurve bei Lastabwurf in einem 42-V-Bordnetz mit erfindungsgemäßen Überspannungsschutz.
Die Figuren beziehen sich auf eine Anordnung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Lichtmaschine als Generator, sowie einem Ener- giespeicher, insbesondere einer Batterie. Die Erfindung läßt sich jedoch vorteilhaft auf alle Bordnetze anwenden, in der ein Generator ein Bordnetz speist und ist nicht auf Fahrzeugbordnetze beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung zum Überspannungsschutz von Gleichspannungsnetzen geeignet, welche durch Generatoren gespeist werden, wie sie sowohl in mobilen und/oder in stationären Anlagen verwendet werden. Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung von Spannungen in einem Bordnetz mit einer Nennspannung von 42 V. Für verschiedene Betriebszustände sind zulässige Spannungsbereiche VI bis V6 definiert. VI von 25 V bis 33 V ist die Spannung, auf die das Bordnetz während des Startvorgangs der Verbrennungskraftmaschine zusammenbrechen darf. Bei laufendem Generator liegt die Batteriespannung in einem zulässigen Spannungsbereich V2 zwischen 33 V und 43 V. Dauerhafte Überspannungen im Bordnetz sind im Bereich V3 zwischen 43 V und maximal 48 V erlaubt. Transiente Überspannungen dürfen den Bereich V4 zwischen 48 V und 55 V nicht überschreiten. Bei Spannungen im Bereich V5 zwischen 0V und 25 V wird das Bordnetz als defekt angesehen. Eine Verpolung (V6) mit negativen Spannungswerten ist nicht zulässig.
Der Schwellwert für das Ansprechen der Uberspannungsschutzvorrichtung wird vorteilhafter- weise nicht an den unteren Grenzwert des Intervalls 48 V- 55 V gelegt; günstig ist ein Begrenzungswert etwa in der Intervallmitte, bevorzugt ca. 52 V. Da dauerhafte Überspannungen bis 48 V jedoch zulässig sind, bedeutet dies, daß wegen des kleinen Bereichs V4, in dem der erfindungsgemäße Überspannungsschutz ansprechen muß, eine hohe Präzision der Schutzeinrichtung erforderlich ist. Dies heißt insbesondere, daß die Ansprechschwelle der Schutzeinrichtung möglichst temperaturunabhängig sein muß. Um eine Spannung im Bordnetz um +/- 3 V auszu- regeln, muß eine Referenzspannung, die von einer Referenzeinheit der Uberspannungsschutzvorrichtung zu liefern ist, auf mindestens 1% genau oder besser eingehalten sein. Gleichzeitig muß eine im Überspannungsfall auftretende überschüssige Energie auf wirtschaftlich vertretbare Weise aus dem Bordnetz abgeführt werden. Dies läßt sich mit der erfindungsgemäßen An- Ordnung in einem weiten Temperaturbereich erreichen, besonders bevorzugt zwischen -40°C und 125°C.
ER^ATZBLATT (REGEL 26) Eine erfindungsgemaße Anordnung ist in Figur 1 insbesondere anhand eines Kraftfahrzeugbordnetzes dargestellt Eine Einheit 20, bestehend aus mehreren Untereinheiten, insbesondere einer Spannungsfühleinheit 21, einer AnSteuereinheit 22, einer Spannungsrückmeldeeinheit 23 und einem Leistungszweig L mit Widerstands-Komponenten 24, 25, ist einem Bordnetz paral- lelgeschaltet Die Bordnetzspannung VB liegt zwischen den Zuführungen 18 und 19 an Zuleitung 19 dient als gemeinsames Referenzpotential der Uberspannungsschutzvorrichtung 20 Das Bordnetz selbst umfaßt verschiedene übliche Schaltungskomponenten, von denen einige in der Figur dargestellt sind, wie Lichtmaschine 9 mit verschiedenen Komponenten 13, 14, 15, Generatorregler 10 (Generatorregler), Zündschloß 12, Ladekontrolleuchte 11 und dergl Ein bevor- zugter Energiespeicher 16 ist eine Batterie Im Normalbetrieb erfolgt eine übliche Spannungsregelung der Bordnetzspannung VB ber die Leitung 12', welche den Anschluß K30 mit dem Anschluß D+ über das Zündschloß 12 und die Ladekontrolleuchte 11 verbindet Wahrend des Normalbetriebs wird durch die Spannungsfühleinheit 21 lediglich geprüft, ob eine vorgegebene Spannungsschwelle Vßmax erreicht oder überschritten wird, Leistungszweig L und Ruckmelde- einheit 23 sind im Normalbetrieb nicht weiter aktiv an einer Regelung der Bordnetzspannung beteiligt
Einheit 20 weist in einem dem Bordnetz parallel geschalteten Leistungszweig L eine oder mehrere Komponenten mit vorzugsweise nichtlinearer Strom-Spannungscharakteristik auf, bevorzugt mit mindestens zwei Widerstanden 24 und 25 Der Leistungszweig L ist dazu vorgesehen, im Uberspannungsfall anfallende überschüssige elektrische Leistung für das Fahrzeugbordnetz unschädlich in Warme umzusetzen Die Widerstände 24, 25 im Leistungszweig L sind durch Bauelemente, welchen einen elektrischen Widerstand aufweisen, gebildet Ein einzelnes solches Bauelement kann auch durch mehrere Komponenten gebildet sein, insbesondere integrierte Bauelemente, die insgesamt wie ein Widerstand wirken Die elektrische Spannung kann linear oder nichtlinear von dem durch das Bauelement fließenden Strom abhangen Ein Bauelement, bei dem die elektrische Spannung nichtlinear vom Strom abhangt, wird als nichtlinearer Widerstand bezeichnet Vorzugsweise weist mindestens einer der Widerstände 24 und/oder 25 eine derartige nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik auf Die Widerstände 24 und 25 sind vorzugsweise zueinander in Serie geschaltet Die Spannungsfühleinheit 21 wird mit der Bordnetzspannung VB beaufschlagt Bestandteil der Spannungsfühleinheit ist eine Referenzeinheit 35, bevorzugt eine Prazisionsspannungsquelle Diese stellt eine Spannungsreferenz zur Regelung im Uberspannungsfall auch über einen weiten Temperaturbereich, insbesondere von -40°C bis 125°C, mit 1% oder höherer Genauigkeit zur Verfügung. Die Referenzeinheit 35 kann komplex aufgebaut sein. Falls die Bordnetzspannung VB eine durch die Präzisionsspannungsquelle 35 eingestellte Schwelle Vßmax überschreitet, z.B. durch einen Spannungspuls, wird ein Signal ausgelöst. Dieses Signal wird sowohl von der An- Steuereinheit 22 wie auch von der Spannungsrückmeldeeinheit 23 übernommen. Die AnSteuereinheit 22 steuert einen der beiden Widerstände 24 und/oder 25 an, so daß durch diesen Strom fließen kann. Vorzugsweise ist der angesteuerte Widerstand durch ein steuerbares Halbleiterbauelement gebildet mit einer linearen oder nichtlinearen Strom-Spannungscharakteristik.
Dadurch entsteht an dem zweiten Widerstand, der sowohl linear als auch nichtlinear sein kann, ein Spannungsabfall entsprechend dessen Kennlinie. Die Ansteuereinheit 22 regelt den Widerstandswert des angesteuerten nichtlinearen Widerstandes 24 oder 25 derart, daß der Spannungsabfall über beiden genau dem Wert für die maximale Bordnetzspannung VBmax entspricht. Es fließt ein Strom durch die beiden Widerstände 24 und 25 und die überschüssige elektrische Energie des Spannungsimpulses wird im Leistungszweig L in den beiden Widerständen 24 und 25 in Wärme umgesetzt.
Vorteilhafterweise werden durch diese Maßnahmen etwaige Toleranzen der Bauelementparameter der Widerstände 24 und/oder 25 sowie deren Temperaturabhängigkeit ausgeglichen und brauchen daher beim Schaltungsentwurf nicht mehr berücksichtigt werden. Es wird zuverlässig verhindert, daß Spannungsspitzen in der Bordnetzspannung auftreten. Damit entfällt günsti- gerweise der Einsatz von Halbleiterschaltern mit hohen Durchbruchspannungen, welche üblicherweise entweder am Ausgang des Generators 9 und/oder als Schutz der einzelnen elektrischen Einheiten im Bordnetz vorgesehen sind.
Ein weiterer Vorteil ist, daß Halbleiterschalter mit niedriger Durchbruchspannung eine deutlich geringeren Chipfläche aufweisen als solche mit hoher Durchbruchspannung. Durch die erfin- dungsgemäße Anordnung kann die Chipfläche von Bauelementen, insbesondere der Leistungsschalter, verkleinert werden, was erhebliche Kosten einspart. Besonders bei der Verwendung von Bordnetzen mit höherer Netzspannung, z.B. von mehr als 40 V, erweist sich dieser Aspekt der Erfindung als günstig, da für diesen Fall bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen Halbleiterschalter mit wesentlich höherer Durchbruchsspannung als 40 V notwendig sind. Würde eine klassische Begrenzung mit Suppressordioden nach dem Stand der Technik durchgeführt, so müßten Überspannungen mit 120 V-200 V im Bordnetz zugelassen werden. Dies ist für Kraftfahrzeugbordnetze nicht anwendbar.
Um die Energie des Spannungsimpulses möglichst klein zu halten, sendet die Rückmeldeeinheit
23 im Falle einer Überspannung ein Signal an den Generatorregler 10, um die Ausgangsspan- nung im Generator 9 für den Zeitraum tLD, in dem der Uberspannungsfall anliegt, herunterzu- regeln. Die Belastung der Widerstände 24 und 25 bleibt daher tolerierbar klein. Sinkt die Spannung im Bordnetz wieder unter den Wert der maximal zulässigen Bordnetzspannung Vßmax ab, so geht der angesteuerte nichtlineare Widerstand wieder in einen hochohmigen Zustand über und die Rückmeldeeinheit 23 gibt ein Signal an den Generatorregler 10, daß keine Überspan- nung mehr vorliegt. Die Lichtmaschine 9 regelt wieder auf ihren Sollwert VB mit einer Regelung für den Normalbetrieb.
Zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden sich unter anderem durch den Leistungsteil der Einheit 20, welcher insbesondere aus den Widerständen
24 und 25 gebildet wird. Eine günstige Ausführung der Einheit 20 ist in Fig. 3 dargestellt. Einheit 20 weist einen Leistungszweig L, eine Spannungsfühleinheit 21, eine Ansteuereinheit 22 und eine Rückmeldeeinheit 23 auf. Die Bordnetzspannung VB liegt zwischen den Zuleitungen 18 und 19 an.
Der Leistungszweig L wird durch die Widerstände 37 und 39 gebildet, welche die Widerstände 24 und 25 ersetzen. Der Widerstand 37, insbesondere ein Transistor, ist in Serie mit dem linea- ren Widerstand 39 geschaltet, wobei der Widerstand 37 durch die Ansteuereinheit 22 angesteuert und mit Zuleitung 18 verbunden ist.
Die Spannungsfühleinheit 21 besteht aus einem Spannungsteiler, welcher aus den ohmschen Serienwiderständen 30 und 31 mit einem Spannungsteilerabgriff K9 zwischen den beiden Widerständen gebildet ist. Die Ansteuereinheit 22 besteht aus einer Serienschaltung aus einem ersten ohmschen Widerstand 32 mit einer parallel geschalteten ersten Zenerdiode 33 sowie der damit in Serie geschalteten Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode 34, einem zweiten ohmschen Widerstand 36 und einer Referenzeinheit 35. Eine bevorzugte Beschattung der Rückmeldeeinheit 23 besteht aus einem pnp-Transistor 40a, dessen Emitter mit Leitung 18 und dessen Basis über einen Widerstand 40b mit der Verbindungsleitung zwischen Ansteuereinheit 22 und dem anzusteuernden Widerstand 37 des Leistungszweigs L verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 40a ist über einen Widerstand 50b zum einem mit dem Referenzpotential 19, zum anderen über einen Widerstand 50a mit der Basis einen npn-Transistors 51 verbunden. Widerstand 50a schützt den Transistor 51 vor zu hohen Strömen. Vorzugsweise ist der Transistor 51 mit sogen, 'open-collector' -Ausgang gewählt. Anschluß 51' ist die Verbindung zum Generatorregler 10, der nicht gesondert dargestellt und welcher so modifiziert ist, daß er ein Signal der Rückmeldeeinheit 23 aufnehmen kann, um im Uberspannungsfall die Generatorerregung zu vermindern. Der Emitter des Transistors 51 ist mit dem Referenzpotential 19 verbunden.
Die Referenzeinheit 35 wird bevorzugt durch eine Präzisionsspannungsquelle gebildet, welche vorzugsweise nach dem Bandgap- Verfahren arbeitet. Sie weist einen Lastanschluß, einen Steu- eranschluß und einen Referenzanschluß auf. Der Steueranschluß ist mit dem Spannungstei- lerabgriff K9 der Spannungsfühleinheit 21 verbunden, der Referenzanschluß ist mit dem Referenzpotential 19 verbunden und der Lastanschluß ist über Widerstand 36 und Zenerdiode 34 vorzugsweise mit dem Gate des MOSFETs 37 oder, in einer anderen bevorzugten Ausführung gemäß Fig. 5, mit der Basis eines Transistors in einer Invertiereinheit verbunden. Die Spannungsquelle liefert den Schwellwert der maximal zulässigen Bordspannung Vßmax mit hoher Präzision.
Widerstand 31 der Spannungsfühleinheit 21, der Referenzanschluß der Referenzeinheit 35 der Ansteuereinheit 22 und der nichtangesteuerte Widerstand 39 im Leistungszweig sind auf das gemeinsame Referenzpotential 19 gelegt. Der erste Widerstand 32 mit der parallelgeschalteten ersten Zenerdiode 33 ist zwischen Gate- und Source- Anschluß des angesteuerten Widerstands 37 gelegt. Die erste Zenerdiode; 33 dient zum Schutz des Gates des Transistors 37 vor Überspannungen.
Übersteigt die Bordnetzspannung am Spannungsteilerabgriff K9 den Referenzwert VBmax, so geht diese abhängig von der Höhe der Überspannung von einem hochohmigen zu einem niede- rohmigeren Zustand über. Dadurch ist ein Stromfluß durch die ersten und zweiten ohmschen Widerstände 32, 36 sowie durch die zweite Zenerdiode 34 möglich.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Der Stromfluß durch den ersten Widerstand 32 erzeugt einen Spannungsabfall über dem ersten Widerstand 32, der dazu genutzt wird, das Gate des Transistors 37, insbesondere eines p- Kanal-MOS -Transistors, anzusteuern. Hierdurch wird wiederum ein Stromfluß durch den Leistungszweig ermöglicht, der einen Spannungsabfall an dem nichtangesteuerten Widerstand 39 hervorruft.
Die Gate-Source-Spannung des Transistors 37 wird mittels der Spannungsfühleinheit 21 und der Ansteuereinheit 22 erfindungsgemäß so geregelt, daß der Spannungsabfall über dem angesteuerten Transistor 37 genau der Differenz zwischen der maximal zulässigen Bordnetzspannung Vßma und dem Spannungsabfall über dem nichtangesteuerten Widerstand 39 entspricht. Die obere Grenze der Bordnetzspannung Vßmax ist über das Teilungsverhältnis der Widerstände 30 und 31, welche einen Spannungsteiler bilden, einstellbar.
Die Präzisionsspannungsquelle 35 ist zweckmäßigerweise durch den zweiten Widerstand 36 und die zweite Zenerdiode 34 vor Überstrom und Überspannung geschützt. Da die Präzisionsspannungsquelle 35 üblicherweise nicht für höhere Betriebsspannungen ausgelegt ist, muß si- chergestellt sein, daß die Spannung, welche an der Präzisionsspannungsquelle 35 abfällt, nicht größer als deren maximale Betriebsspannung werden kann. Der zweite Widerstand 36 begrenzt den Strom, welcher durch die Präzisionsspannungsquelle 35 fließen kann. Eine Begrenzung des Stromes durch die Referenzeinheit 35 ist für alle erfmdungsgemäßen Ausführungen vorteilhaft, welche Komponenten als Überspannungsschutz in der Einheit 20 außerhalb des Leistungs- zweigs aufweisen, die in den Durchbruch oder in den leitfähigen Zustand gelangen und damit zu einem großen elektrischen Strom durch die Referenzeinheit, vorzugsweise die Präzisionsspannungsquelle 35, führen können, wie insbesondere die erste und zweite Zenerdiode 33, 34 in den Figur 3 und 5 und/oder Basis-Emitter-Dioden eines Transistors, welche in den leitenden Zustand gelangen können wie in den Figuren 5 und 6 vorgesehen. Eine weitere günstige Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 dargestellt. Die Anordnung ähnelt der in Figur 3, jedoch ist hier der nichtangesteuerte, lineare Widerstand 39 im Leistungszweig der Einheit 20 durch einen nichtlinearen Widerstand 38, insbesondere eine Suppressor-Diode und/oder eine Zenerdiode, ersetzt. Günstig ist bei dieser Anordnung, daß in dem Transistor 37 weniger Leistung als im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 umgesetzt wer- den muß. Damit können vorteilhafterweise kleinere und preiswertere Transistorbauelemente eingesetzt werden. Günstig ist auch, eine Zenerdiode einzusetzen, deren Durchbruchspannung mindestens 5% größer als die Bordnetzspannung ist.
In Figur 5 ist eine weitere bevorzugte Anordnung dargestellt. Der Aufbau des Spannungsfühleinheit 21 und der Präzisionsspannungsquelle 35 entspricht dem Aufbau in den Figuren 3 und 4. Einheit 20 weist einen Leistungszweig L, eine Spannungsfühleinheit 21 und eine Ansteuereinheit 22 auf. Die Rückmeldeeinheit 23 ist nicht dargestellt. Der Leistungszweig L wird durch die Widerstände 43 und 44 gebildet. Der Widerstand 43, insbesondere ein Transistor, ist in Serie mit dem linearen Widerstand 44 geschaltet, wobei der Widerstand 43 durch die Ansteuereinheit 22 angesteuert. Der Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Anordnungen besteht darin, daß der angesteuerte Widerstand 43 hier mit der Zuleitung 19, dem gemeinsamen Referenzpotential der Einheit 20, verbunden ist.
Dies erfordert eine Potentialverschiebung und eine Invertierung des Ansteuersignais für den MOS-Transistor. Der nicht angesteuerte Widerstand 44 weist eine lineare Strom- Spannungscharakteristik auf, insbesondere ist Widerstand 44 ein ohmscher Widerstand. Poten- tialverschiebung und Invertierung des Ansteuersignais geschieht durch eine Invertiereinheit, die insbesondere aus einer Serienschaltung aus einem pnp-Transistor 40 und einem Widerstand 41 gebildet ist, welche zwischen die Zuleitungen 18 und 19 gelegt ist.
Die Ansteuereinheit 22 ist leicht modifiziert und besteht aus einer Serienschaltung aus einem ersten ohmschen Widerstand 32, einer Zenerdiode 34, einem zweiten ohmschen Widerstand 36 und einer Referenzeinheit 35 mit Referenzanschluß am Referenzpotential 19, Steueranschluß an K9 und Lastanschluß über Schutzwiderstand 36 und Schutz-Zenerdiode 34 an der Basis des Transistors 40. Die Basis des Transistors 40 ist mit der Ansteuereinheit 22 zwischen der Zenerdiode 34 und dem ersten Widerstand 32 verbunden.
Das Gate des angesteuerten Widerstands 43 ist mit einer Zenerdiode 42 geschützt, welche zwi- sehen Gate- und Source- Anschluß des Widerstands 43, insbesondere eines n-Kanal-MOS- Transistors, geschaltet ist. Der Source-Anschluß des angesteuerten MOS-Transistors, der Widerstand 41, der Referenzanschluß der Referenzeinheit 35 und der Widerstand 31 liegen auf dem gemeinsamen Referenzpotential 19. Der besondere Vorteil der Lösung liegt darin, daß mit der gewählten Anordnung für den angesteuerten Widerstand 43 insbesondere ein n-Kanal-MOS-Transistor verwendet werden kann. Diese Bauelemente sind üblicherweise wesentlich preiswerter als ihre komplementären p- Kanal-MOS-Transistortypen. In Figur 6 ist eine bevorzugte alternative Anordnung dargestellt, welche ähnlich vorteilhaft wie die Anordnung in Fig. 5 ist. Die Komponenten sind im wesentlichen wie in Figur 4 angeordnet. Der Leistungszweig L weist die Widerstände 43 und 45 auf. Der nicht angesteuerte Widerstand 45 weist hier jedoch ebenso wie der angesteuerte Widerstand 43 eine nichtlineare Strom- Spannungscharakteristik auf und ist vorzugsweise eine Zenerdiode. Figur 6 zeigt zusätzlich noch die Spannungsrückmeldeeinheit 23, welche bevorzugt aus einer Serienschaltung mit einem ohmschen Widerstand 50 und einem npn-Transistor 51 besteht. Der Widerstand 50 schützt den Transistor 51 vor zu hohen Strömen. Vorzugsweise ist hier ein Transistor 51 mit sogen. Open-collector'-Ausgang gewählt. Anschluß 51' ist die Verbindung zum Generatorregler 10, der nicht gesondert dargestellt ist und welcher so modifiziert ist, daß er ein Signal der Rückmeldeeinheit 23 aufnehmen kann, um im Uberspannungsfall die Generatorerregung zu vermindern. Der Emitter des Transistors 51 ist mit dem Referenzpotential 19 und mit der Basis über den Widerstand 50 mit der Invertiereinheit verbunden und kontaktiert diese zwischen Transistor 40 und Widerstand 41.
In Figur 7 ist ein gemessener zeitlicher Verlauf der Bordnetzspannung VB zwischen den Zuleitungen 18 und 19 in zwei Zuständen dargestellt. Kurve A zeigt den Verlauf der Bordnetzspannung bei einem Lastabwurf ohne Überspannungsschutz. Der Kurvenverlauf zeigt, daß die maximal zulässige Bordnetzspannung Vßmax deutlich überschritten wird.
Kurve B stellt den zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung mit einer der erfindungsgemäßen Anordnungen dar. Der maximal zulässige Wert der Bordnetzspannung Vßmax wird nicht über- schritten, sondern präzise und ohne auch nur kurzzeitig auftretende Spannungsspitzen konstant gehalten. Nach Abklingen des Überspannungsfalls sinkt der Wert der Bordnetzspannung VB wieder auf den normalen Betriebswert. Das gezeigte Verhalten wird mit allen der geschilderten erfindungsgemäßen Anordnungen erzielt, insbesondere über einen weiten Temperaturbereich. Um die Generatorerregung gemäß der Erfindung zu vermindern, ist der Generatorregler 10 zu modifizieren. In einem klassischen Generatorregler in einem üblichen 12-V-Bordnetz nach dem Stand der Technik wird der Auf- und Abbau des Erregerstromes in der Erregerwicklung 13 des Generators über einen einzigen Schalter gesteuert. Fig. 8 zeigt skizzenhaft in der linken Bildseite eine solche Anordnung mit einem auf die Bordnetzspannung bezogenen Schalter, für den hier beispielhaft ein MOSFET 66 gewählt ist. Gleichzeitig ist der Stromverlauf der Generatorerregung in der rechten Bildseite abgebildet. Zum Aufbau des Erregerstromes ist der Schalter 66 leitend. Die Geschwindigkeit des Stromanstiegs ergibt sich aus der Bordnetzspannung (12 V), dem Widerstand und der Induktivität der Erregerwicklung 13. Bei Erreichen der Nennspannung des Bordnetzes, aber auch im Uberspannungsfall, wird der Schalter 66 ausgeschaltet, so daß der Strom der Erregerwicklung 13 über die Diode 69 weiterfließt. Die Zeitkonstante für den Abbau des Stromes wird vom Serienwiderstand der Erregerspule 13 bestimmt. Sie liegt für das Bestromen und die Entregung des Generators üblicherweise bei etwa 500- 600 ms. Im Uberspannungsfall liefert der Generator während dieser Zeit Leistung nach. Für ein Überspannungssignal einer etwaigen Spannungsrückmeldeeinheit 23 ist kein Anschluß am Generatorregler vorgesehen.
Fig. 9 zeigt in der linken Bildseite skizzenhaft eine bevorzugte Schalteranordnung in einem modifizierten Generatorregler 10 gemäß der Erfindung, mit der im Uberspannungsfall der Erregerstrom schnell abgebaut werden kann. Die Bordnetzspannung beträgt vorzugsweise nomi- nal 42 V. Schalter 66 und Diode 69 liegen parallel zu einem zusätzlichen Schalter 67 und einer zusätzlichen Diode 68. Die Erregerwicklung 13 liegt zwischen den beiden Zweigen jeweils zwischen Schalter 66 und Diode 69 und zwischen Schalter 67und Diode 68. Die Erregerwicklung 13 wird hier durch den zusätzlichen Schalter 67 an die Bordnetzspannung angeschlossen. Für die Regelung auf Nennspannung bleibt der Schalter 67 geschlossen, so daß sich im Nor- malbetrieb die gleiche Zeitkonstante für den Stromabbau ergibt, wie in Fig. 8. Dies ist vorteilhaft für eine geringe Stromwelligkeit. Durch die erhöhte Bordnetzspannung wird der Stromanstieg um mehr als einen Faktor 10 beschleunigt.
Im Uberspannungsfall werden beide Schalter 66 und 67 ausgeschaltet, so daß der Strom der Erregerwicklung 13 über die Dioden 68 und 69 gegen die Bordnetzspannung von 42 V abge- baut wird. Der Stromverlauf der Generatorerregung ist neben der Prinzipskizze des Reglers 10 dargestellt. Die daraus entnehmbare Zeit für den Stromabbau liegt bei etwa 10 ms. Dies ist um etwa einen Faktor 50 schneller als bei dem Beispiel gemäß dem Stand der Technik bei einem 12-V- Bordnetz. Würde die Generatorerregung im Uberspannungsfall nicht schnell abgebaut, bedeutete dies eine hohe Leistungsabgabe des Generators während einer Zeit von einigen hundert Millisekunden. Dies stellt eine große Gefahrenquelle dar und führt im Extremfall zur Zerstö- rung der Schutzeinrichtung. Dieser Fehlerfall muß zuverlässig ausgeschlossen werden. Gemäß der Erfindung ermöglicht der modifizierte Regler 10 im Uberspannungsfall durch einen zusätzlichen Pfad über den Schalter 67, die Spannung wesentlich schneller als normal aus der Erregerwicklung 13 abzukommutieren. Dazu kann der Regler 10 auch in anderer Weise modifiziert sein, wobei diese bevorzugt so zu erfolgen hat, daß die Schnellentregung des Generators im Uberspannungsfall eine höhere Priorität als die normale Bordnetzregelung erhält.
In Fig. 10 ist der prinzipielle Aufbau eines bevorzugten Generatorreglers 10 dargestellt, der mit einem zusätzlichen Eingang RE für eine Schnellentregung versehen ist. Die Rückmeldeeinheit 23 ist mit diesem Eingang RE verbunden und löst im Uberspannungsfall die Schnellentregung aus. Die Ansteuerung 63 der Erregerwicklung 13 enthält Schalter 66, 67 für den Erregerstrom und Freilaufdioden 68, 69. Sie werden von einer Kontrolleinheit 62 vorzugsweise mit pulsför- migen Signalen angesteuert. Die bevorzugte Ausführungsform erlaubt neben der Schnellentregung zusätzlich eine Begrenzung des Erregerstroms.
Mit dem Strommeßsignal eines Stromsensors 70 ist über eine Ansteuerschaltung 64 für den Schalter 66 eine Stromregelung implementiert, die ihren Strom-Sollwert IEI von einer vorteil- haften Spannungsregelung 60, 61 erhält. 60 ist vorzugsweise ein Regler mit Proportionalintegral-Charakteristik, der von der Differenz des Sollwertes VBI und der am Anschluß K30 gemessenen Bordnetzspannung VB gesteuert wird. VBI stellt den Eingangs-Spannungsewrt für den PI-Regler dar und ist gleich der Bordnetznennspannung VB. Der Begrenzer 61 begrenzt den Sollwert für den Erregerstrom. Durch diese überlagerten Regelkreise wird auch in Bord- netzen höherer Spannung der Strom in der Erregerwicklung zuverlässig begrenzt.
Liegt an RE das Signal für das Auftreten einer Überspannung an, werden die Schalter 66 und 67 über die Ansteuerschaltungen 64 und 65 abgeschaltet. Fig. 11 zeigt die gemessenen Strom- und Spannungsverläufe in einem solchen Generator, der mit einer erfindungsgemäßen Uberspannungsschutzvorrichtung beschaltet ist. Der Strom im Generator IGEN wird durch den Lastabwurf schlagartig auf Null gezwungen. Die Überspannung im Bordnetz erreicht maximal 49 V. Der Erregerstrom kann durch die von der Rückmeldeeinheit 23 ausgelöste Schnellentregung innerhalb von etwa 10 ms abgebaut werden.

Claims

Patentansprüche
1. Uberspannungsschutzvorrichtung zum Schutz elektrischer Anlagen vor Überspannungen mit einer Begrenzungseinrichtung, deren Schwellwert (UBmaX) oberhalb der Nennspannung eines Spannungsnetzes liegt, und daran angeschlossene Einrichtungen, wobei parallel zum Spannungsnetz eine Einheit (20) mit mindestens einem Leistungszweig (L) parallel zum Spannungsnetz, einer Spannungsfühleinheit (21) und einer Ansteuereinheit (22) angeschlossen ist, und wobei der Leistungszweig (L) mindestens zwei zueinander in Serie ge- schaltete Widerstandskomponenten (24, 25, 37, 38, 39, 43, 44, 45) aufweist und mindestens eine Widerstandskomponente bei Überschreiten der Begrenzungsschwelle (UBmaχ) im Sinne einer Widerstandsverminderung ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (20) an der Ausgangsseite eines Generators angeschlossen ist, welcher mit einem Generatorregler (10) verbunden ist, daß die Einheit (20) Mittel aufweist, um im
Uberspannungsfall bei Überschreiten der Begrenzungsschwelle (Ußmax) die Netzspannung auf den Schwellwert (Ußmax) fest einzustellen und zu regeln, und daß eine zusätzliche Spannungsrückmeldeeinheit (23) vorgesehen ist, die im Uberspannungsfall ein Signal zur Verminderung der Generatorerregung an den Generatorregler (10) abgibt.
2. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsnetz ein Fahrzeugbordnetz mit einem Generator (9) und einem Energiespeicher (16) ist.
3. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorregler (10) so modifiziert ist, daß Mittel für Regeleingriffe im Normalbetrieb und Regeleingriffe im Uberspannungsfall fünktionell und/oder baulich getrennt voneinander vorgesehen sind.
4. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorregler (10) einen zusätzlichen Eingang (RE) aufweist, der mit der Spannungsrückmeldeeinheit (23) verbunden ist und der dazu vorgesehen ist, deren Signale im Uberspannungsfall weiterzuleiten, um zumindest mittelbar auf die Erregung des Generators einzuwirken.
5. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorregler (10) Mittel (65, 68, 67) aufweist, um eine Spannung aus einer
Erregerwicklung (13) schneller als 500 ms abzubauen.
6. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zumindest einen Schalter (67) und eine Freilaufdiode (68) aufweisen.
7. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorregler (10) Mittel (70,60, 61, 64) aufweist, um den Erregerstrom der Erregerwicklung (13) zu begrenzen.
8. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zumindest eine Spannungsregelung (60, 61) mit einer Eingangsspannung (VBI) und eine Ansteuerschaltung (64) aufweisen.
9. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bereitstellen einer Eingangsspannung (VBι) der Regelung für die Bordnetz- Nennspannung (60, 61, 64) und für das Bereitstellen eines Schwellwerts (Vßmax) der
Uberspannungsschutzvorrichtung dieselbe Referenzeinheit vorgesehen ist.
10. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Schnellentregung (65, 67, 68) in den Generatorregler (10) baulich und/oder elektrisch integriert sind.
11. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Generatorregler (10) und Mittel zum Überspannungsschutz in einem Steuergerät zusammengefaßt sind.
12. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsrückmeldeeinheit (23) einen npn-Transistor (51) aufweist, dessen Emitter mit einem Referenzpotential (19) des Spannungsnetzes und dessen Kollektor mit dem Generatorregler (10) verbunden ist.
13. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühleinheit (21) durch einen Spannungsteiler mit mindestens zwei Wi- derständen (30, 31) mit einem Spannungsteilerabgriff (K9) gebildet ist.
14. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinheit (22) eine Referenzeinheit (35) aufweist.
15. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzeinheit (35) durch eine Präzisionsspannungsquelle gebildet ist.
16. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinheit (22) aus einem ersten ohmschen Widerstand (32) mit einer parallel geschalteten ersten Zenerdiode (33) sowie einer damit in Serie geschalteten Reihenschal- tung aus einer zweiten Zenerdiode (34), einem zweiten ohmschen Widerstand (36) und der
Referenzeinheit (35) gebildet ist.
17. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Widerstandskomponente (24, 25, 37, 38, 39, 43, 44, 45) im Leistungszweig (L) eine nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik aufweisen.
18. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die angesteuerte Widerstandskomponente (24, 25, 37, 43) im Leistungszweig (L) ein steuerbares Halbleiterbauelement ist.
19. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die angesteuerte Widerstandskomponente (24, 25, 37, 43) durch einen p-Kanal-MOS-
Transistor und/oder einen n-Kanal-MOS-Transistor gebildet ist.
20. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtangesteuerte Widerstandskomponente (24, 25, 38, 39, 44, 45) durch eine
Zenerdiode und/oder eine Suppressordiode gebildet ist.
21. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, der Leistungszweig (L) eine Serienschaltung eines p-Kanal-MOS-Transistors (37) mit einem ohmschen Widerstand (39) und/oder einer Suppressordiode und/oder einer Zenerdiode (38) aufweist.
22. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die am Generatorausgang parallel zum Bordnetz (18, 19) geschaltete Einheit (20) mindestens einen Leistungszweig, eine Spannungsfühleinheit (21), eine Ansteuereinheit (22), eine Spannungsrückmeldung (23) und eine Invertiereinheit aufweist.
23. Uberspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Invertierereinheit einen pnp-Transistor (40) und einen Widerstand (41) aufweist, wobei die Transistorbasis des Transistors (40) mit der Ansteuereinheit (22) und der Widerstand (41) mit einem Referenzpotential (19) der Einheit (20) verbunden ist.
24. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinheit (22) eine Serienschaltung eines ersten Widerstands (32), einer ersten Zenerdiode (34), eines zweiten Widerstands (36) sowie einer Referenzeinheit (35) aufweist, wobei ein Steueranschluß der Referenzeinheit (35) mit dem Spannungsteileranschluß (K9), ein Referenzanschluß mit dem Referenzpotential (19) und ein Lastanschluß mit dem zweiten Widerstand (36) und die Basis des Transistors (40) mit dem ersten Wi- derstand (32) sowie der ersten Zenerdiode (34) der Invertiereinheit verbunden ist.
25. Uberspannungsschutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (43) im Leistungszweig (L) ein n-Kanal-MOSFET ist mit einer zwi- sehen Gate- und Source-Anschluß geschalteten Zenerdiode (42), wobei der Source-
Anschluß mit dem Referenzpotential (19) verbunden ist.
26. Verfahren zum Überspannungsschutz einer elektrischen Anlage, wobei die Spannung von an das Spannungsnetz angeschlossenen elektrischen Einrichtungen bei einem Schwellwert (VBmax) oberhalb der Nennspannung des Spannungsnetzes durch eine Begrenzungseinrichtung begrenzt wird und mindestens ein Leistungszweig (L) parallel zum Spannungsnetz, in welchem mindestens zwei in Serie geschaltete Widerstandskomponenten (24, 25, 37, 38,
39, 43, 44, 45) angeordnet sind, angeschlossen ist, wobei bei Überschreiten des Schwell- wertes (Vßmaχ) zumindest eine Widerstandskomponente (24, 25, 37, 43) im Sinne einer Widerstandsverminderung angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung an die Ausgangsseite eines Generators, welcher durch einen Generatorregler (10) geregelt wird, angeschlossen und die Ausgangsseite des Generators (9) abhängig von einer daran auftretenden Überspannung elektrisch belastet wird, daß die Netzspannung (VB) im Uberspannungsfall kontinuierlich geregelt und ein konstanter Spannungswert (Vßmax) eingehalten wird, und daß die Erregung des Generators (9) im Uberspannungsfall vermindert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die angesteuerte Widerstandskomponente (24, 25, 37, 43) im Leistungszweig (L) der- art angesteuert wird, daß der Spannungsabfall über der angesteuerten Widerstandskomponente gleich der Differenz zwischen dem Schwellwert (Vßmax) und dem Spannungsabfall über der dazu in Serie geschalteten Widerstandskomponente (38, 39, 44, 45) ist.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung im Uberspannungsfall über einen Temperaturbereich von -20°C bis 85°C auf einen konstante Schwellwert (Vßmax) geregelt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung im Uberspannungsfall über einen Temperaturbereich von -40°C bis 125°C auf einen konstante Schwellwert (Vßma ) geregelt wird.
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