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-
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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.
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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.
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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 V
B
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.