WO2001047084A1 - Verfahren und vorrichtung zum überspannungsschutz in zweispannungsbordnetzen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überspannungsschutz in zweispannungsbordnetzen Download PDF

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Torsten Zawade
Peter Konrad
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for overvoltage protection in dual voltage electrical systems.
  • Such two-voltage electrical systems are for example from the
  • Automotive technology known. Due to the increasing number of electrical consumers, a single power supply is often no longer sufficient. Furthermore, electrical consumers are used which either require a higher operating voltage and / or higher electrical powers, so that
  • Dual-voltage electrical systems have been developed which have a different voltage level of, for example, 14V and 42V. It is also known to connect these electrical systems via a DC / DC converter so that they can be supplied, for example, via a common generator.
  • the basic problem of such dual-voltage electrical systems is that the electrical consumers in the vehicle electrical system with the low voltage level must be protected against static overvoltages due to a short circuit between the two vehicle electrical systems. This can be done, for example, by designing the electrical consumers in the vehicle electrical system with the low voltage level with corresponding overvoltage protection elements that are designed for the voltage in the other vehicle electrical system.
  • a disadvantage of this procedure is that all electrical consumers that have previously been used in vehicle electrical systems with a low voltage level would have to be modified.
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device and a method by means of which the electrical consumers in the vehicle electrical system with the lower voltage level are more easily protected against overvoltages due to the other vehicle electrical system.
  • the solution to the technical problem results from the subjects with the features of claims 1 and 8. Further advantageous refinements of the invention result from the subclaims.
  • a switching element is arranged in at least one branch of the vehicle electrical system at the higher voltage level and a voltage measuring unit is arranged in the vehicle electrical system at the lower voltage level, which can switch off voltage branches in the vehicle electrical system with the higher voltage level when an overvoltage is detected via the circuit element (s) and thus the cause of can eliminate the surge.
  • the switching elements can either be arranged in all safety-uncritical branches or only in the branches where there is a serious risk of short-circuits with the other vehicle electrical system due to the wiring.
  • the voltage measuring unit can be connected to the switching elements either via control lines or a CAN bus or other bus systems.
  • On-board networks are galvanically connected to one another via a DC / DC converter, the voltage measuring unit is preferably integrated into the DC / DC converter.
  • the switching elements are preferably designed as semiconductor switching elements, in particular as MOSFETs.
  • the voltage in the vehicle electrical system is measured with the lower voltage level and when an overvoltage is detected, branches in the vehicle electrical system with the higher one are switched
  • the voltage is switched off successively until there is no more overvoltage.
  • branches that have to be protected separately such as the left and right side of the
  • Vehicle lights are switched off one after the other, with one branch being switched on again before the other is switched off, so that one branch remains ready for operation. This is because the overvoltage occurs after the first branch has been switched off
  • the invention is based on a preferred
  • the single figure shows a schematic circuit diagram of a two-voltage electrical system with surge protection.
  • the dual-voltage electrical system 1 comprises a first voltage source U1 and a second voltage source U2, U2> U1.
  • a DC / DC converter 2 is arranged between the two voltage sources U1, U2, via which the on-board networks can be connected in spite of the different voltage levels.
  • First electrical consumers R4 are arranged in the first electrical system with voltage source U1 and second electrical consumers R1-R3 are arranged in different branches in the second electrical system with voltage source U2.
  • a switching element S1 or S2 is arranged in each of the branches of the electrical consumers R1 and R2.
  • a voltage measuring unit 3 which measures the voltage in the first electrical system, is arranged in the first electrical system.
  • Voltage measuring unit 3 is connected to the control inputs of the switching elements S1 and S2.
  • the electrical consumers R3, in the branch of which no switching elements are arranged, are, for example, safety-critical consumers, such as an electrical steering system or an electrical brake, which must not be switched off. Furthermore, no switching elements have to be arranged in branches that are far away from the first electrical system due to their arrangement.
  • the voltage measuring unit 3 continuously measures the voltage in the first electrical system. If, for example, there is a short circuit between the branch of consumer R1 and that of consumer R4, the sensor detects
  • Voltage measuring unit 3 the overvoltage in the first electrical system.
  • the voltage measuring unit 3 switches the first switching element S1 so that it opens or blocks and switches off the branch of R1. In the example shown, the cause of the overvoltage has thus been eliminated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überspannungsschutz in Zweispannungsbordnetzen (1) die ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen, wobei in mindestens einem Zweig des Bordnetzes auf dem höheren Spannungsniveau ein Schaltelement (S1, S2) angeordnet ist und im Bordnetz auf dem niedrigen Spannungsniveau eine Spannungsmesseinheit (3) angeordnet ist, wobei das Schaltelement (S1, S2) durch die Spannungsmesseinheit (3) schaltbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überspannungsschutz in Zweispannungsbordnetzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überspannungsschutz in Zweispannungsbordnetzen.
Derartige Zweispannungsbordnetze sind beispielsweise aus der
Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Aufgrund der zunehmenden Anzahl von elektrischen Verbrauchern reicht oftmals eine einzige Spannungsversorgung nicht mehr aus. Des weiteren kommen elektrische Verbraucher zur Anwendung, die entweder eine höhere Betriebsspannung und/oder höhere elektrische Leistungen benötigen, so daß
Zweispannungsbordnetze entwickelt wurden, die ein unterschiedliches Spaπnungsniveau von beispielsweise 14V und 42V aufweisen. Weiter ist es bekannt, diese Bordnetze über einen DC/DC- Wandler zu verbinden, damit diese beispielsweise über einen gemeinsamen Generator versorgbar sind. Prinzipielles Problem derartiger Zweispannungsbordnetze ist, daß die elektrischen Verbraucher im Bordnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau gegen statische Überspannungen aufgrund eine Kurzschlusses zwischen den beiden Bordnetzen geschützt werden müssen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die elektrischen Verbraucher im Bordnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau mit entsprechenden Überspannungschutzelementen, die auf die Spannung im anderen Bordnetz ausgelegt sind, ausgebildet sind. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, daß somit alle elektrischen Verbraucher, die bisher in Bordnetzen mit einem niedrigen Spannungsniveau eingesetzt wurden, modifiziert werden müßten.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mittels derer einfacher die elektrischen Verbraucher in dem Bordnetz mit dem niedrigeren Spanπungsniveau vor Überspannungen aufgrund des anderen Bordnetzes geschützt sind. Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu wird in mindestens einem Zweig des Bordnetzes auf dem höheren Spannungsniveau ein Schaltelement angeordnet und im Bordnetz auf dem niedrigeren Spannungsniveau eine Spannungsmeßeinheit angeordnet, die bei Erfassung einer Überspannung über das oder die Schaitelemente Spannungszweige im Bordnetz mit dem höheren Spannungsniveau abschalten kann und somit die Ursache für die Überspannung beseitigen kann.
Die Schaltelemente können entweder in allen sicherheitsunkritischen Zweigen angeordnet werden oder nur in den Zweigen, wo aufgrund der Verdrahtung ernstlich die Gefahr von Kurzschlüssen mit dem anderen Bordnetz auftreten kann.
Die Spannungsmeßeinheit kann entweder über Steuerleitungen oder einen CAN- Bus oder andere Bussysteme mit den Schalteiementen verbunden sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der die beiden
Bordnetze über einen DC/DC- Wandler galvanisch miteinander verbunden sind, wird die Spannungsmeßeinheit vorzugsweise in den DC/DC- Wandler integriert.
Die Schaltelemente sind vorzugsweise als Haibleiterschaltelemente, insbesondere als MOS- FET's ausgebildet.
Verfahrensmäßig wird die Spannung im Bordnetz mit dem niedrigeren Spannungsniveau gemessen und bei Erfassung einer Überspannung werden über die Schaltelemente Zweige im Bordnetz mit der höheren
Spannung sukzessive abgeschaltet, bis keine Überspannung mehr auftritt. Insbesondere bei Zweigen, die getrennt voneinander abgesichert werden müssen, wie beispielsweise die linke und rechte Seite der
Fahrzeugbeleuchtung werden diese nacheinander abgeschaltet, wobei der eine Zweig erst wieder zugeschaltet wird, bevor der andere abgeschaltet wird, so daß jeweils ein Zweig betriebsbereit bleibt. Tritt nämlich nach Abschaltung des ersten Zweiges die Überspannung
weiterhin auf, so ist dieser Zweig nicht die Ursache für die Überspannung, so daß dieser wieder zugeschaltet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Schaltplan eines Zweispannungsbordnetzes mit Überspannungsschutz.
Das Zweispannungsbordnetz 1 umfaßt eine erste Spannungsquelle U1 und eine zweite Spannungsqueiie U2, wobei U2 > U1 gilt. Zwischen den beiden Spannungsquellen U1 , U2 ist ein DC/DC- Wandler 2 angeordnet, über den die Bordnetze trotz der unterschiedlichen Spannungsniveaus verbindbar sind. In dem ersten Bordnetz mit der Spannungsquelle U1 sind erste elektrische Verbraucher R4 und in dem zweiten Bordnetz mit der Spannungsquelle U2 sind zweite elektrische Verbraucher R1-R3 in verschiedenen Zweigen angeordnet. In dem Zweig der elektrischen Verbraucher R1 und R2 ist jeweils ein Schaltelement S1 bzw. S2 angeordnet. In dem ersten Bordnetz ist eine Spannungsmeßeinheit 3 angeordnet, die die Spannung im ersten Bordnetz mißt. Die
Spannungsmeßeinheit 3 ist mit den Steuereingängen der Schaltelemente S1 und S2 verbunden. Die elektrischen Verbraucher R3, in deren Zweig keine Schaltelemente angeordnet sind, sind beispielsweise sicherheitskritische Verbraucher wie eine elektrische Lenkung oder eine elektrische Bremse, die nicht abgeschaltet werden dürfen. Des weiteren müssen in Zweigen, die aufgrund ihrer Anordnung weit vom ersten Bordnetz entfernt sind, keine Schaltelemente angeordnet sein. Die Spannungsmeßeinheit 3 mißt kontinuierlich die Spannung im ersten Bordnetz. Tritt nun beispielsweise ein Kurzschluß zwischen dem Zweig des Verbrauchers R1 und dem des Verbrauchers R4 auf, so erfaßt die
Spannungsmeßeinheit 3 die Überspannung im ersten Bordnetz. Daraufhin
schaltet die Spannungsmeßeinheit 3 das erste Schaltelement S1 , so daß dieses öffnet bzw. sperrt und den Zweig von R1 abschaltet. Im dargestellten Beispiel ist somit die Ursache für die Überspannung beseitigt.
Ergibt hingegen die Messung der Spannungsmeßeinheit 3, daß noch weiter eine Überspannung auftritt, so wird das nächste Schaltelement S2 geöffnet, bis keine
Überspannung mehr auftritt. Hierbei kann zunächst das zuvor geöffnete Schaltelement S1 wieder geschlossen werden, bevor das Schaltelement S2 geöffnet wird. Diese Vorgehensweise ist insbesondere bei Verbrauchern, die
getrennt abgesichert werden müssen vorteilhaft, da jeweils einer der Verbraucher aktiv bleibt.

Claims

PATENTAN S P R ÜC H E
1. Vorrichtung zum Überspannungsschutz in Zweispannungsbordnetzen, die ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Zweig des Bordnetzes auf dem höheren Spannungsniveau ein Schaltelement (S1 ,S2) angeordnet ist und im Bordnetz auf dem niedrigen Spannungsniveau eine Spannungsmeßeinheit (3) angeordnet ist, wobei das Schaltelement
(S1.S2) durch die Spannungsmeßeinheit (3) schaltbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in allen sicherheitsunkritischen Zweigen des Bordnetzes auf dem höheren Spannungsniveau ein Schaltelement angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinheit (3) über ein Bussystem mit den Schalteiementen (S1 ,S2) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bordnetze über einen DC/DC- Wandler (2) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinheit im DC/DC- Wandler (2) integriert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S1 ,S2) als Haibleiterschaltelemente ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haibleiterschaltelemente als MOS-FE s ausgebildet sind.
8. Verfahren zum Uberspannungsschutz in Zweispannungsbordnetzen (1), die ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Messen der Spannung im Bordnetz mit dem niedrigeren
Spannungsniveau und b) sukzessives Abschalten von Spannungszweigen im Bordnetz mit dem höheren Spannungsniveau, wenn im Bordnetz mit dem niedrigeren
Spannungsniveau eine Überspannung erfaßt wird, solange bis keine
Überspannung mehr erfaßt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein abgeschalteter Spannungszweig wieder zugeschaltet wird, falls nach dessen Abschaltung weiterhin eine Überspannung erfaßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschaltete Spannungszweig wieder zugeschaltet wird, bevor der nächste Spannungszweig abgeschaltet wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Spannungszweige gleichzeitig abgeschaltet werden und sukzessive wieder zugeschaltet werden.
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