WO2008052826A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung der versorgung elektrischer energieverbraucher und verfahren zum unterspannungsschutz eines bordnetzes - Google Patents

Schaltungsanordnung zur steuerung der versorgung elektrischer energieverbraucher und verfahren zum unterspannungsschutz eines bordnetzes Download PDF

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WO2008052826A1
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capacitor
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Definitions

  • Circuit arrangement for controlling the supply of electrical energy consumers
  • the invention relates to a circuit arrangement for controlling the supply of electrical energy consumers in a power supply network, such. B. in an electrical system of a vehicle, with energy from at least one energy storage device with a computing unit, a monitoring unit for monitoring the at least one energy storage to the power grid provided network voltage such that falls below a defined minimum voltage of the power supply network, an undervoltage signal is generated, and a Energy conservation means for increasing the grid voltage when the grid minimum voltage is exceeded.
  • the invention further relates to a method with which a power supply network, in particular a vehicle electrical system for a vehicle before
  • the electrical system of a vehicle in particular of a motor vehicle, consists in principle of an energy storage (battery, accumulator) and energy consumers. With the help of energy from the battery, the vehicle engine is started via the starter (consumer) and the other energy consumers are supplied with energy.
  • the battery is charged with high currents (usually 300 to 500 A in motor vehicles).
  • the load is particularly high in diesel vehicles and at temperatures below freezing.
  • Voltage sag undervoltage
  • Voltage sag has a negative effect on certain energy consumers (for example devices with microcontrollers) and should be as low as possible.
  • the voltage dip can lead to an unintentional reset (restart) of sensitive devices.
  • An unintentional reset can be the the proper functioning of such devices and, in the worst case, lead to the devices becoming temporarily unusable, which can only be eliminated by disconnecting the device from the battery voltage.
  • Supply battery is used to disconnect the battery functions "providing high power for the starting process” and "supplying the electrical system".
  • two-battery vehicle electrical systems have disadvantages. First, two batteries must be provided. An additional battery leads to higher costs and increased space and weight requirements in the vehicle. On the other hand, a wiring system
  • Control unit which separates the start memory and the starter from the rest of the electrical system and prevents the voltage drop caused by the starting process in the vehicle electrical system.
  • the electrical system control unit leads to higher costs and a significant design effort.
  • Another way to counteract voltage drops is the use of a diode, a capacitor and a comparator. These components are inserted into the electrical system in such a way that the capacitor is charged by the energy store via the diode.
  • the comparator monitors the voltage of the energy store with a defined minimum voltage (threshold voltage). If the monitored voltage falls below the threshold voltage, at least some energy consumers are turned off and energy is released from the capacitor to the other energy consumers.
  • this circuit has disadvantages.
  • the circuit arrangement is susceptible to interference.
  • the capacitor must also have a large capacity. Capacitors with high capacities require a high
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved circuit arrangement for controlling the supply of electrical energy consumers in one Power supply network, in particular in a vehicle electrical system, and provide protection against undervoltages. It is another object of the present invention to provide a simple, specializedsunan perennials and cost-effective method for protecting an electrical system against undervoltages.
  • Power supply network is connected and set up to increase the mains voltage of the power supply system (vehicle electrical system voltage) and otherwise, as long as the grid voltage does not fall below the defined minimum voltage of the power grid, no charge to the power grid and / or the at least one energy storage.
  • Undervoltage signal is the energy conservation means in the case of low voltage to increase the mains voltage at least to supply the arithmetic unit and possibly other safety-critical energy consumers connected to this, being prevented by the undervoltage protection unit, a recharge of the energy storage by the energy conservation means.
  • the invention is based on known vehicle electrical systems.
  • the extension of the known vehicle electrical system to the particular undervoltage protection unit is possible without major interference in the circuit arrangement. This makes economic sense, especially because electrical systems are widely used and needed in large numbers.
  • the undervoltage protection unit only supplies energy to the rest of the electrical system, if this is also required. In this way, energy losses in phases in which the energy storage can supply sufficient energy to supply the electrical system, - A -
  • phases in which the undervoltage protection unit acts on the vehicle electrical system represent disruptions of the normal operation of the electrical system.
  • a reduction of the influence of the undervoltage protection means on the electrical system thus leads to a higher stability of the electrical system.
  • the stress on the undervoltage protection unit is reduced, thereby increasing its service life.
  • undervoltage protection unit With regard to the undervoltage protection unit, it should be pointed out that energy losses to be avoided, which are not or only at a disproportionately large expense, are not considered as energy release in the sense of the invention.
  • the electrical system can be implemented by an undervoltage protection unit having a first diode, a capacitor and a first switch.
  • the capacitor and the first diode are arranged in the electrical system such that the capacitor can be charged by the energy store via the first diode and a discharge of the capacitor into the energy store in the event that the voltage of the capacitor by a
  • Voltage drop at the energy storage is higher than the voltage of the energy storage is prevented by the blocking effect of the diode.
  • This embodiment of the undervoltage protection unit is particularly simple and can be implemented in a variety of known vehicle electrical systems, without the existing
  • the first diode serves the purpose of preventing a discharge of the capacitor in the direction of the energy store, when the voltage of the energy store falls below the voltage of the capacitor.
  • the first switch is used to prevent the capacitor from discharging in phases where the energy storage voltage drops
  • undervoltage protection measure is not yet necessary to ensure the proper functioning of the electrical system. Unlike known under-voltage protection devices that use capacitors, the voltage of the capacitor does not follow the voltage of the energy storage but maintains its already reached voltage until the undervoltage protection unit is activated.
  • the arithmetic unit and optionally further energy consumers are supplied with energy by the energy store via a second diode.
  • the capacitor in an undervoltage case that is to say in a phase in which the undervoltage protection unit supplies energy to the vehicle electrical system, is discharged via the energy store or undesired energy consumer.
  • the energy stored in the capacitor is thus completely available to the arithmetic unit.
  • a simple arrangement of the above-described undervoltage protection unit with the additional second diode is that the first diode is connected in series with the first switch, and that the first diode and the first switch are connected in parallel to the second diode.
  • the one electrode of the first diode is connected in series with the first switch, and that the first diode and the first switch are connected in parallel to the second diode.
  • Capacitor between the first diode and the first switch and the other electrode of the capacitor to ground is characterized in particular by its simplicity, its universal applicability and its low cost.
  • a second switch is connected in parallel to the second diode, and that the first switch and the second switch are inversely switchable to each other.
  • the second diode can be bridged by the second switch in phases in which the energy supply of the electrical system is ensured by the energy storage. This reduces the energy consumption of the vehicle electrical system.
  • the inverse circuit of the first and second switches that is, the first switch is closed when the second switch is open and vice versa, can be realized by an inverter.
  • the inverter is expediently arranged between those inputs of the switches, via which the switches are switched (switching inputs).
  • the undervoltage protection unit has a step-up regulator (also called step-up converter, boost converter, step-up converter or boost converter) and a choke (inductance).
  • a choke is already off in a variety of circuits Due to the wiring interference suppression available and can be used for the undervoltage protection unit.
  • the undervoltage protection unit according to this embodiment is suitable for vehicle electrical systems, in which it is ensured that the voltage of the energy store can not fall below a certain minimum voltage (for example 3 V).
  • the step-up controller generates together with the
  • the step-up controller is controlled so that it is activated only in phases when the voltage of the energy storage device falls below the defined minimum voltage (threshold voltage). In the others
  • the step-up controller is not activated and requires no or only a small power supply.
  • an energy consumer (or even more energy consumers), which is not needed, can be switched off, if the energy storage defined
  • the arithmetic unit and / or the external energy consumer can be supplied with voltage via a switched-mode power supply and / or a linear regulator.
  • a switched-mode power supply and / or a linear regulator.
  • Linear regulator can be used.
  • the switching power supply and the linear regulator are powered by the energy storage with energy and provide very stable voltages for the computer core and other energy consumers.
  • the switching power supply and the linear regulator so-called shut-down inputs, via which these devices can be switched on and off electronically. In this way, these devices can be controlled as needed, for example, directly via the monitoring unit and switch off at a voltage drop below the defined minimum voltage and turn on again with normal power supply of the electrical system.
  • the object is further achieved by a method for undervoltage protection of a power supply network, in particular a vehicle electrical system for a vehicle, wherein the power supply network at least one energy storage to supply the power grid with energy, a computing unit, at least one energy consumer, a monitoring unit for monitoring the energy storage such that at Falling below a defined minimum voltage of the energy storage device, a signal can be sent to the power grid, and a
  • Undervoltage protection unit which is set up to increase the power supply voltage when the energy storage device falls below the defined minimum voltage, and otherwise emits no charge to the power supply network, as long as the
  • Figure 1 circuit of a vehicle electrical system with an undervoltage protection means according to the prior art
  • Figure 2 - a table with three exemplary temporal voltage curves of the energy storage and a graphical representation of the second voltage waveform
  • Figure 4 circuit of a second embodiment of the electrical system according to the invention
  • Figure 5 graphical representation of different temporal voltage waveforms of the energy storage
  • FIG. 6 - circuit of a third embodiment of the electrical system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system 1 according to the prior art.
  • an energy storage 2 for example, an accumulator
  • an internal component 3 with a computer core 4 (arithmetic unit)
  • the computer core 4 are four voltages 8, 9, 10, 11 (first to fourth voltage) exclusively available.
  • a fifth voltage 12 is the internal module 5 and the power consumer 7 jointly available.
  • a sixth voltage 13 is the power consumer 7 exclusively available.
  • the first to fourth voltages 8, 9, 10, 11 are generated as follows:
  • the energy store 2 supplies a first switched-mode power supply 14 with energy via a line 15.
  • a second diode 16 is inserted.
  • the anode of the second diode 16 is electrically connected to the energy storage device 2 and the cathode to the first switching power supply 14.
  • the first switching power supply 14 has a first controller 17 with a shut-down input 18.
  • the first controller 17 provides the first voltage 8 at its output.
  • the first voltage 8 is provided on the one hand to the computer core 4 and on the other hand serves as an input voltage for a second switching power supply 19.
  • Switching power supply 19 has two controllers 20, 21 (third and fourth controller) with shut-down inputs 22, 23. At the output of the third controller 20, the computer core 4, the second voltage 9 and the output of the fourth controller 21, the third voltage 10 is provided , The fourth voltage 11 is the output voltage of a further linear regulator 24, at the input of which the first voltage 8 is present.
  • the first switching power supply 14 further has a second controller 25 with a shut-down input 26, at the input substantially (neglecting particular the voltage drops across the line 15 and the second diode 16), the voltage of the energy storage device 2 and at the output of the fifth voltage 12 is applied.
  • the sixth voltage 13 is generated by a linear regulator 27 having a shut-down input 28, at the input of which the voltage of the energy store 2 is substantially present.
  • the energy store 2 is connected via a line 29 to a voltage divider 30.
  • the voltage divider 30 is realized by two resistors 31, 32. The tap on the voltage divider 30 takes place between the resistors 31, 32.
  • a minimum voltage for a monitoring device 33 can be defined.
  • the monitoring device 33 is here a comparator, which is designed as a differential amplifier with an operational amplifier 34.
  • the resistors 31, 32 are dimensioned so that the comparator switches at a minimum voltage of 9.0 V.
  • a line 35 leads to the linear regulator 27.
  • the line 35 is connected to the line 15 on the cathode side of the second diode 16.
  • the line 35 is connected to the one electrode of a capacitor 36.
  • the other electrode of the capacitor 36 is grounded. The capacitor 36 is turned on
  • the capacitor 36 has a capacity of 10000 ⁇ F.
  • the capacitor 36 When the energy store 2 supplies a voltage which is greater than the defined minimum voltage (in this case 9.0 V) (normal operation), the capacitor 36 is charged via the second diode 16. If the voltage of the energy store 2 falls again from a maximum reached in the meantime such that the vehicle electrical system 1 continues to be in normal operation, the voltage of the capacitor 36 follows the voltage of the energy store 2. For this purpose, it is necessary for the capacitor 36 to charge and consequently to apply energy the switching power supply 14 and the linear regulator 27 outputs.
  • the defined minimum voltage in this case 9.0 V
  • the comparator 33 switches and outputs at its output 37 a defined output signal which indicates the undervoltage case.
  • the output signal Switches off via a line 38 from the linear regulator 27, so that the sixth voltage 13 is reduced to zero.
  • the capacitor 36 can no longer discharge via the linear regulator 27. If the voltage of the capacitor 36 is greater than the voltage of the energy storage device 2 (for example, 9.0 V of the capacitor 36 against 6.0 V of the energy storage device 2), the capacitor 36 can not be discharged via the energy storage device 2 because of the second diode 16 the second diode 16 blocks in this direction. Thus, the voltage of the capacitor 36 is available for the first switching power supply 14 and can for a certain time ensure that the computer core 4 sufficient voltages 8, 9, 10, 11, 12 are provided.
  • the output 37 of the comparator 33 is connected via a line 39 to the computer core 4.
  • the computer core 4 receives via the line 39, the output signal of the comparator 33 and switches via an external reset line 40, the external power consumer 7 and an internal reset line 41, the internal module
  • the capacitor 36 is available at the onset of the undervoltage case only with the defined minimum voltage, in this case 9.0 V, even if it had previously been charged to a higher voltage, for example 12.0 V.
  • FIG. 2 shows in a table three exemplary temporal voltage profiles (pulse shapes 4 a, 4 b, 4 c) of the voltage of the energy store 2.
  • the pulse shapes 4 a, 4 b, 4 c pulse shapes 4 a, 4 b, 4 c
  • Voltage curve according to the pulse shape 4b shown graphically The voltage curves can occur, for example, during the starting phase of a vehicle.
  • the voltages U0, U1, U2, U3, U4, U5 correspond to the voltages at the times t0, t1, t2, t3, t4, t5.
  • the times ta, tb, tc represent transitional times which are necessary for the energy store 2 to be able to react to a changed voltage.
  • the voltage of the energy store 2 in the pulse shape 4b initially corresponds to the rated voltage of 12.0 V (voltages U0, U1) (times t0, tl) and then drops to the voltage 3.0 V (U2). The voltage then rises to 5.0 V (U3) and finally back to 12.0 V (U4, U5).
  • Figure 3 shows a first embodiment of the vehicle electrical system 42 according to the invention.
  • the electrical system 42 is based on the electrical system 1 according to the prior art, so that correspond to common components.
  • the vehicle electrical system 42 has an undervoltage protection means 43 with a first diode 44, a capacitor 45 and a first switch 46.
  • the anode of the first diode 44 is connected to the energy store 2, the anode of the second diode 16 and the linear regulator 27 via a
  • Line 47 connected.
  • the cathode of the first diode 44 is connected to the one electrode of the capacitor 45 and an input of the first switch 46.
  • the other electrode of the capacitor 45 is grounded.
  • the output of the first switch 46 is connected to the cathode of the second diode 16 and the switching power supply 14. In normal operation, the first switch 46 is opened, so that no charge from the
  • Capacitor 45 can flow off via the first switch 46.
  • the switching input of the first switch 46 is connected to the output of the comparator 33 and the shut-down input 26 of the regulator 25.
  • the capacitor 45 has a capacity of about 5000 ⁇ F.
  • the comparator 33 is at a
  • Diode 44 charged, for example, to the rated voltage of the energy storage 2 of 12.0 V. If the voltage of the energy storage device 2 falls again during normal operation, the charge of the capacitor 45 is maintained because the first diode 44 blocks and the first switch 46 is opened ,
  • the output signal of the comparator 33 closes the first switch 46 via its switching input.
  • the controller 25 via the shut-down input 26 from the output signal, the linear regulator 27 via the shut-down input 28, the internal module 5 via the internal reset line 41 and the power consumers 7 via the external reset line 40 is turned off.
  • the charge of the capacitor 45 is completely on the closed first switch 46 for maintaining the voltages 8, 9, 10, 11 available, because due to the second diode 16 and no charge can flow in the direction of the energy storage 2.
  • the vehicle electrical system 42 according to the invention is equipped with capacitors which have significantly lower capacitances and consequently smaller dimensions than the vehicle electrical system 1 according to the prior art, by a comparable one
  • FIG. 4 shows the vehicle electrical system 42 from FIG. 3, which has been supplemented by a second switch 48, an inverter 49 and a line 50.
  • the second switch 48 is parallel to the second diode 16. In normal operation, the second switch 48 is closed and bridges the second diode 16, so that no current flows through them and no power drops. In normal operation, the first switch 46 is open. The first switch 46 and the second switch 48 thus switch inversely to each other. The inverse circuit is achieved by the inverter 49, which the
  • Switching inputs of the first switch 46 and the second switch 48 connects to each other.
  • FIG. 5 shows the graphical representation of some time voltage profiles of the energy store 2 in the case of an undervoltage at different capacities of the
  • the thick solid line 51 shows the voltage curve of the energy store 2 without undervoltage protection means 33. It can be seen that this voltage drops within approximately 5 ms from the rated voltage 12.0 V to almost 0 V.
  • a restart of the internal component 3 and / or external component 6 is performed. This leads to disturbances in the operation of the electrical system 1, 42.
  • an undervoltage protection means 33 The times at which the reset voltage is reached can be extended considerably. For example, this time is at a reset voltage of 3.3 V, a capacitance of the capacitor 45 of 5000 uF and an input current I L of 150 mA about 300 ms (dash-dot-dot line 52), at an input current I L of 200 mA about 220 ms (thin solid line 53) and with an input current I L of 270 mA about 160 ms (dash-dot line 54).
  • a capacitor 36 with a capacitance of approximately 10,000 ⁇ F would be necessary for this purpose.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a vehicle electrical system 55 according to the invention.
  • the voltage of the energy store 2 can not fall below a minimum voltage of approximately 3.0 V.
  • a step-up regulator 56 is provided together with a throttle 57.
  • the throttle 57 is inserted into the line 15 immediately after the energy storage 2.
  • the comparator 33 is set to a defined minimum voltage of 5.0 V.
  • the step-up regulator 56 receives the output signal of the comparator 33 at its shut-down input 58.
  • the feed-back input 60 of the stepper is Up- controller 56 connected to the switching power supply 14 and the linear regulator 27.
  • the output 61 of the step-up regulator 56 is between the inductor 57 and the anode of the second diode
  • step-up controller 56 connected to the line 15 and provides in the case of low voltage, a voltage of 6.0 V, for example, so that the electrical system 55 can work smoothly. Via the shut-down input 58 of the step-up regulator 56, this is (again) deactivated by a corresponding output signal of the comparator 33 when the voltage of the energy store 2 is above the defined minimum voltage (in this case 5.0 V). In the inactive state, the step-up controller 56 does not emit energy to the on-board network 55.

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung elektrischer Energieverbraucher (7) in einem Bordnetz eines Fahrzeugs mit Energie aus mindestens einem Energiespeicher (2) mit einer Recheneinheit (4) zur Steuerung des Bordnetzes, einer Überwachungseinheit (33) zur Überwachung der von dem mindestens einen Energiespeicher (2) an das Bordnetz bereitgestellten Bordnetzspannung derart, dass bei Unterschreiten einer definierten Mindestspannung des Bordnetzes ein Unterspannungssignal generiert wird, und einem Energiehaltungsmittel zur Erhöhung der Bordnetzspannung bei Unterschreitung der Bordnetz-Mindestspannung wird beschrieben. Es ist eine Unterspannungsschutzeinheit (43) mit Schaltmitteln, die mit der Überwachungseinheit (33), dem Energieerhaltungsmittel und dem Bordnetz verbunden und eingerichtet ist, bei vorliegendem Unterspannungssignal die Bordnetzspannung zu erhöhen und ansonsten, solange die Bordnetzspannung die definierte Mindestspannung des Bordnetzes nicht unterschreitet, keine Ladung an das Bordnetz und/oder den mindestens einen Energiespeicher abgibt.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung elektrischer Energieverbraucher und
Verfahren zum Unterspannungsschutz eines Bordnetzes
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung elektrischer Energieverbraucher in einem Energieversorgungsnetz, wie z. B. in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, mit Energie aus mindestens einem Energiespeicher mit einer Recheneinheit, einer Überwachungseinheit zur Überwachung der von dem mindestens einen Energiespeicher an das Energieversorgungsnetz bereitgestellten Netzspannung derart, dass bei Unterschreiten einer definierten Mindestspannung des Energieversorgungsnetzes ein Unterspannungssignal generiert wird, und einem Energiehaltungsmittel zur Erhöhung der Netzspannung bei Unterschreitung der Netz- Mindestspannung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, mit dem ein Energieversorgungsnetz, insbesondere ein Bordnetz für ein Fahrzeug vor
Unterspannungen geschützt wird.
Das Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, besteht im Grundsatz aus einem Energiespeicher (Batterie, Akkumulator) und Energieverbrauchern. Mit Hilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den Starter (Verbraucher) gestartet und die weiteren Energieverbraucher mit Energie versorgt.
Während des Startvorganges wird die Batterie mit hohen Strömen (üblich sind 300 bis 500 A bei Kraftfahrzeugen) belastet. Die Belastung ist bei Dieselfahrzeugen und bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes besonders groß. Der damit verbundene
Spannungseinbruch (Unterspannung) wirkt sich nachteilig auf bestimmte Energieverbraucher aus (zum Beispiel Geräte mit MikroControllern) und sollte so gering wie möglich sein. Der Spannungseinbruch kann zu einem nicht beabsichtigten Reset (Neustart) empfindlicher Geräte führen. Ein unbeabsichtigter Reset kann die ordnungsgemäße Funktion solcher Geräte beeinträchtigen und die Geräte im schlimmsten Fall zur vorübergehenden Unbrauchbarkeit des Gerätes führen, die sich nur durch Trennen des Gerätes von der Batteriespannung beseitigen lässt.
In modernen Bordnetzen werden zunehmend empfindliche Geräte mit
Halbleiterschaltungen verwendet. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, Spannungseinbrüche zu vermeiden oder zu kompensieren.
Eine Möglichkeit besteht darin, so genannte Zwei-Batterien-Bordnetze einzusetzen. Bei dieser Bordnetzausführung werden zwei Batterien (ein Startspeicher und eine
Versorgungsbatterie) verwendet, um die Batteriefunktionen „Bereitstellung hoher Leistung für den Startvorgang" und „Versorgung des Bordnetzes" zu trennen. Zwei- Batterien-Bordnetze weisen jedoch Nachteile auf. Zum einen müssen zwei Batterien bereitgestellt werden. Eine zusätzliche Batterie führt zu höheren Kosten und einem erhöhten Platz- und Gewichtsbedarf in dem Fahrzeug. Zum anderen ist ein Bordnetz-
Steuergerät erforderlich, das den Startspeicher und den Starter vom übrigen Bordnetz trennt und verhindert, dass sich der vom Startvorgang verursachte Spannungseinbruch im Bordnetz auswirkt. Das Bordnetz-Steuergerät führt zu höheren Kosten und einem nicht unerheblichen Konstruktionsaufwand.
Eine weitere Möglichkeit, Spannungseinbrüchen entgegenzuwirken, besteht in der Verwendung einer Diode, eines Kondensators und eines Komparators. Diese Bauteile werden so in das Bordnetz eingefügt, dass der Kondensator von dem Energiespeicher über die Diode aufgeladen wird. Der Komparator überwacht die Spannung des Energiespeichers mit einer definierten Mindestspannung (Schwellwertspannung). Wenn die überwachte Spannung die Schwellwertspannung unterschreitet, werden zumindest einige Energieverbraucher abgeschaltet und Energie von dem Kondensator an die übrigen Energieverbraucher abgegeben. Diese Schaltungsanordnung weist jedoch Nachteile auf. Die Schaltungsanordnung ist störanfällig. Der Kondensator muss zudem eine große Kapazität besitzen. Kondensatoren mit hohen Kapazitäten benötigen einen hohen
Platzbedarf, der bei zunehmendem Umfang der Bordnetze nicht verfügbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung elektrischer Energieverbraucher in einem Energieversorgungsnetz, insbesondere in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, und Schutz vor Unterspannungen bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, störungsunanfälliges und kostengünstiges Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes vor Unterspannungen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Es wird vorgeschlagen, eine Unterspannungsschutzeinheit mit Schaltmitteln vorzusehen, die mit der Überwachungseinheit, dem Energieerhaltungsmittel und dem
Energieversorgungsnetz verbunden und eingerichtet ist, bei vorliegendem Überwachungssignal die Netzspannung des Energieversorgungsnetzes (Bordnetzspannung) zu erhöhen und ansonsten, solange die Netzspannung die definierte Mindestspannung des Energieversorgungsnetzes nicht unterschreitet, keine Ladung an das Energieversorgungsnetz und/oder den mindestens einen Energiespeicher abgibt.
Mit Hilfe der Unterspannungsschutzeinheit wird somit eine Entladung des Energieerhaltungsmittels im Normalbetrieb verhindert, so dass das Energieerhaltungsmittel entweder vollkommen deaktiviert ist oder für den Unterspannungsfall maximal möglich aufgeladen wird. In Abhängigkeit von dem
Unterspannungssignal wird das Energieerhaltungsmittel im Unterspannungsfall zur Erhöhung der Netzspannung mindestens zur Versorgung der Recheneinheit und gegebenenfalls weiterer sicherheitskritischer Energieverbraucher mit diesen verbunden, wobei durch die Unterspannungsschutzeinheit eine Rückladung des Energiespeichers durch die Energieerhaltungsmittel verhindert wird.
Die Erfindung baut im Wesentlichen auf bekannte Bordnetze auf. Die Erweiterung der bekannten Bordnetze um die besondere Unterspannungsschutzeinheit ist ohne große Eingriffe in deren Schaltungsanordnung möglich. Dies ist wirtschaftlich sinnvoll, insbesondere weil Bordnetze weit verbreitet sind und in großer Zahl benötigt werden.
Die Unterspannungsschutzeinheit gibt Energie nur dann an das übrige Bordnetz ab, wenn diese auch benötigt wird. Auf diese Weise werden Energieverluste in Phasen, in denen der Energiespeicher ausreichend Energie zur Versorgung des Bordnetzes liefern kann, - A -
weitestgehend vermieden. Phasen, in denen die Unterspannungsschutzeinheit auf das Bordnetz einwirkt, stellen Störungen des normalen Betriebes des Bordnetzes dar. Eine Reduzierung des Einwirkens des Unterspannungsschutzmittels auf das Bordnetz führt somit zu einer höheren Stabilität des Bordnetzes. Zudem wird die Beanspruchung der Unterspannungsschutzeinheit reduziert und dadurch dessen Lebensdauer erhöht.
Hinsichtlich der Unterspannungsschutzeinheit sei darauf hingewiesen, dass nicht oder nur unter unverhältnismäßig großem Aufwand zu vermeidende Energieverluste nicht als Energieabgabe im Sinne der Erfindung gelten.
Das Bordnetz kann durch eine Unterspannungsschutzeinheit ausgeführt sein, die eine erste Diode, einen Kondensator und einen ersten Schalter aufweist. Der Kondensator und die erste Diode sind in dem Bordnetz derart angeordnet, dass der Kondensator durch den Energiespeicher über die erste Diode aufladbar ist und eine Entladung des Kondensators in den Energiespeicher im Fall, dass die Spannung des Kondensators durch einen
Spannungsabfall am Energiespeicher höher als die Spannung des Energiespeichers ist, durch die Sperrwirkung der Diode verhindert wird.
Diese Ausgestaltung der Unterspannungsschutzeinheit ist besonders einfach und lässt sich bei einer Vielzahl bekannter Bordnetze realisieren, ohne in die bereits vorhandenen
Komponenten eingreifen zu müssen. Die erste Diode dient dabei dem Zweck, eine Entladung des Kondensators in Richtung auf den Energiespeicher zu verhindern, wenn die Spannung des Energiespeichers unter die Spannung des Kondensators fällt. Der erste Schalter wird verwendet, um eine Entladung des Kondensators in Phasen zu vermeiden, in denen die Spannung des Energiespeichers abfällt, eine
Unterspannungsschutzmaßnahme jedoch noch nicht erforderlich ist, um das ordnungsgemäße Funktionieren des Bordnetzes zu gewährleisten. Im Unterschied zu bekannten Unterspannungsschutzgeräten, die Kondensatoren verwenden, folgt die Spannung des Kondensators nicht der Spannung des Energiespeichers, sondern behält seine bereits erreichte Spannung bei, bis die Unterspannungsschutzeinheit aktiviert wird.
Auf diese Weise ist es möglich, Kondensatoren mit erheblich geringeren Kapazitäten als bisher zu verwenden. Die Größe eines Kondensators hängt wesentlich von dessen Kapazität ab, so dass die Unterspannungsschutzeinheit in dem erfindungsgemäßen Bordnetz mit erheblich kleineren Kondensatoren auskommt. Dies ist im Hinblick auf den zunehmenden Einsatz elektronischer Schaltungen in Bordnetzen besonders vorteilhaft.
Zweckmäßig werden die Recheneinheit und gegebenenfalls weitere Energieverbraucher durch den Energiespeicher über eine zweite Diode mit Energie versorgt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Kondensator in einem Unterspannungsfall, das heißt in einer Phase, in der die Unterspannungsschutzeinheit Energie an das Bordnetz liefert, über den Energiespeicher oder unerwünschter Energieverbraucher entladen wird. Die in dem Kondensator gespeicherte Energie steht somit vollständig der Recheneinheit zur Verfügung.
Eine einfache Anordnung der vorstehend beschriebenen Unterspannungsschutzeinheit mit der zusätzlichen zweiten Diode besteht darin, dass die erste Diode mit dem ersten Schalter in Reihe geschaltet ist, und dass die erste Diode und der erste Schalter parallel zu der zweiten Diode geschaltet sind. Zweckmäßig wird die eine Elektrode des
Kondensators zwischen die erste Diode und dem ersten Schalter und die andere Elektrode des Kondensators auf Masse gelegt. Diese Anordnung zeichnet sich insbesondere durch ihre Einfachheit, ihre universelle Einsetzbarkeit und ihre geringen Kosten aus.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorstehenden Schaltungsanordnung wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Schalter parallel zu der zweiten Diode geschaltet ist, und dass der erste Schalter und der zweite Schalter invers zueinander schaltbar sind. Durch diese Erweiterung kann die zweite Diode in Phasen, in denen die Energieversorgung des Bordnetzes durch den Energiespeicher gewährleistet ist, durch den zweiten Schalter überbrückt werden. So lässt sich der Energiebedarf des Bordnetzes reduzieren. Die inverse Schaltung des ersten und des zweiten Schalters, das heißt, der erste Schalter ist geschlossen, wenn der zweite Schalter geöffnet ist und umgekehrt, lässt sich durch einen Inverter realisieren. Der Inverter wird dabei zweckmäßig zwischen diejenigen Eingänge der Schalter angeordnet, über die die Schalter geschaltet werden (Schalteingänge).
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass die Unterspannungsschutzeinheit einen Step -Up -Regler (auch Hochsetzsteller, Boost-Converter, Step-Up-Converter oder Aufwärtswandler genannt) und eine Drossel (Induktivität) aufweist. Eine Drossel ist bei einer Vielzahl von Schaltungen bereits aus Gründen der Bordnetz- Störunterdrückung vorhanden und kann für die Unterspannungsschutzeinheit verwendet werden. Die Unterspannungsschutzeinheit gemäß dieser Ausführungsform eignet sich für Bordnetze, bei denen sichergestellt ist, dass die Spannung des Energiespeichers nicht unter eine bestimmte Mindestspannung (beispielsweise 3 V) abfallen kann. Der Step-Up-Regler erzeugt zusammen mit der
Drossel aus der Mindestspannung oder einer größeren Spannung eine höhere Spannung, die zur Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit des Bordnetzes erforderlich ist, insbesondere zur Energieversorgung der Recheneinheit. Der Step-Up-Regler wird so angesteuert, dass er nur in Phasen aktiviert ist, wenn die Spannung des Energiespeichers die definierte Mindestspannung (Schwellwertspannung) unterschreitet. In den anderen
Phasen ist der Step-Up-Regler nicht aktiviert und benötigt keine oder nur eine geringe Energieversorgung.
Zweckmäßig ist ein Energieverbraucher (oder auch mehrere Energieverbraucher), der nicht notwendig gebraucht wird, abschaltbar, wenn der Energiespeicher die definierte
Mindestspannung unterschreitet. Auf diese Weise steht die von der Unterspannungsschutzeinheit bereitgestellte Energie nahezu vollständig für die notwendigen Komponenten, insbesondere der Recheneinheit, zur Verfügung. Dadurch lassen sich zum einen die Zeiten verlängern, in denen eine Notversorgung durch die Unterspannungsschutzeinheit erforderlich ist. Zum anderen können auch größere
Spannungseinbrüche kompensiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Recheneinheit und/oder der externe Energieverbraucher über ein Schaltnetzteil und/oder einen Linearregler mit Spannung versorgbar. Selbstverständlich können auch mehrere Schaltnetzteile und/oder
Linearregler eingesetzt werden. Das Schaltnetzteil und der Linearregler werden von dem Energiespeicher mit Energie versorgt und stellen sehr stabile Spannungen für den Rechnerkern und andere Energieverbraucher bereit. Zweckmäßig weisen das Schaltnetzteil und der Linearregler so genannte Shut-Down-Eingänge auf, über die diese Geräte elektronisch ein- und ausgeschaltet werden können. Auf diese Weise lassen sich diese Geräte nach Bedarf beispielsweise direkt über die Überwachungseinheit ansteuern und bei einem Spannungseinbruch unter die definierte Mindestspannung abschalten und bei normaler Energieversorgung des Bordnetzes wieder einschalten. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Unterspannungsschutz eines Energieversorgungsnetzes, insbesondere eines Bordnetzes für ein Fahrzeug gelöst, wobei das Energieversorgungsnetz mindestens einen Energiespeicher zur Versorgung des Energieversorgungsnetzes mit Energie, eine Recheneinheit, mindestens einen Energieverbraucher, eine Überwachungseinheit zur Überwachung des Energiespeichers derart, dass bei Unterschreiten einer definierten Mindestspannung des Energiespeichers ein Signal an das Energieversorgungsnetz abgebbar ist, und eine
Unterspannungsschutzeinheit, die eingerichtet ist, die Energieversorgungsnetzspannung zu erhöhen, wenn der Energiespeicher die definierte Mindestspannung unterschreitet, und ansonsten keine Ladung an das Energieversorgungsnetz abgibt, solange der
Energiespeicher die definierte Mindestspannung nicht unterschreitet. Das Verfahren hat die Schritte:
a) Überwachen der Spannung des Energiespeichers; b) Vergleichen der überwachten Spannung mit der vorbestimmten definierten
Mindestspannung; c) Aktivieren der Unterspannungsschutzeinheit, wenn die überwachte Spannung die definierten Mindestspannung unterschreitet; und d) Deaktivieren der Unterspannungsschutzeinheit, wenn die überwachte Spannung die definierte Mindestspannung erreicht oder überschreitet.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Schaltung eines Bordnetzes mit einem Unterspannungsschutzmittel gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 - eine Tabelle mit drei beispielhaften zeitlichen Spannungsverläufen des Energiespeichers sowie eine grafische Darstellung des zweiten Spannungsverlaufs;
Figur 3 - Schaltung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes;
Figur 4 - Schaltung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes; Figur 5 - grafische Darstellung verschiedener zeitlicher Spannungsverläufe des Energiespeichers;
Figur 6 - Schaltung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes.
Figur 1 zeigt ein Bordnetz 1 gemäß dem Stand der Technik. Das Bordnetz 1 hat einen Energiespeicher 2 (beispielsweise einen Akkumulator), eine interne Komponente 3 mit einem Rechnerkern 4 (Recheneinheit) und einem internen Modul 5 und eine externe Komponente 6 mit einem Energieverbraucher 7 (beispielsweise ein CD-Laufwerk, CD =
Compact Disc).
Dem Rechnerkern 4 stehen vier Spannungen 8, 9, 10, 11 (erste bis vierte Spannung) ausschließlich zur Verfügung. Eine fünfte Spannung 12 steht dem internen Modul 5 und dem Energieverbraucher 7 gemeinsam zur Verfügung. Eine sechste Spannung 13 steht dem Energieverbraucher 7 ausschließlich zur Verfügung.
Die ersten bis vierten Spannungen 8, 9, 10, 11 werden wie folgt generiert: Der Energiespeicher 2 versorgt ein erstes Schaltnetzteil 14 über eine Leitung 15 mit Energie. In die Leitung 15 ist eine zweite Diode 16 eingesetzt. Die Anode der zweiten Diode 16 ist mit dem Energiespeicher 2 und die Kathode mit dem ersten Schaltnetzteil 14 elektrisch verbunden. Das erste Schaltnetzteil 14 hat einen ersten Regler 17 mit einem Shut-Down- Eingang 18. Der erste Regler 17 stellt an seinem Ausgang die erste Spannung 8 bereit. Die erste Spannung 8 wird einerseits dem Rechnerkern 4 bereitgestellt und dient andererseits als Eingangsspannung für ein zweites Schaltnetzteil 19. Das zweite
Schaltnetzteil 19 hat zwei Regler 20, 21 (dritter und vierter Regler) mit Shut-Down- Eingängen 22, 23. Am Ausgang des dritten Reglers 20 wird dem Rechnerkern 4 die zweite Spannung 9 und am Ausgang des vierten Reglers 21 die dritte Spannung 10 bereitgestellt. Die vierte Spannung 11 ist die Ausgangs Spannung eines weiteren Linearreglers 24, an dessen Eingang die erste Spannung 8 anliegt.
Das erste Schaltnetzteil 14 hat ferner einen zweiten Regler 25 mit einem Shut-Down- Eingang 26, an dessen Eingang im Wesentlichen (unter Vernachlässigung insbesondere der Spannungsabfälle über die Leitung 15 und der zweiten Diode 16) die Spannung des Energiespeichers 2 und an dessen Ausgang die fünfte Spannung 12 anliegt.
Die sechste Spannung 13 wird von einem Linearregler 27 mit einem Shut-Down-Eingang 28 generiert, an dessen Eingang im Wesentlichen die Spannung des Energiespeichers 2 anliegt.
Der Energiespeicher 2 ist über eine Leitung 29 mit einem Spannungsteiler 30 verbunden. Der Spannungsteiler 30 wird durch zwei Widerstände 31, 32 realisiert. Der Abgriff am Spannungsteiler 30 erfolgt zwischen den Widerständen 31, 32. Über die Dimensionierung der Widerstände 31, 32 kann eine Mindestspannung für ein Überwachungsgerät 33 definiert werden. Das Überwachungsgerät 33 ist hier ein Komparator, der als Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker 34 ausgeführt ist. Die Widerstände 31, 32 sind so dimensioniert, dass der Komparator bei einer Mindestspannung von 9,0 V schaltet.
Von der Leitung 15 führt eine Leitung 35 zum Linearregler 27. Die Leitung 35 ist mit der Leitung 15 auf der Kathodenseite der zweiten Diode 16 verbunden. Die Leitung 35 ist mit der einen Elektrode eines Kondensators 36 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators 36 liegt auf Masse. Der Kondensator 36 stellt ein
Unterspannungsschutzmittel gemäß dem Stand der Technik dar. Im vorliegenden Beispiel hat der Kondensator 36 eine Kapazität von 10000 μF.
Wenn der Energiespeicher 2 eine Spannung liefert, die größer als die definierte Mindestspannung (hier 9,0 V) ist (Normalbetrieb), wird der Kondensator 36 über die zweite Diode 16 aufgeladen. Fällt die Spannung des Energiespeichers 2 von einem zwischenzeitlich erreichten Höchstwert wieder derart ab, dass sich das Bordnetz 1 weiterhin im Normalbetrieb befindet, folgt die Spannung des Kondensators 36 der Spannung des Energiespeichers 2. Hierzu ist erforderlich, dass der Kondensator 36 Ladung und folglich Energie an das Schaltnetzteil 14 und den Linearregler 27 abgibt.
Fällt die Spannung des Energiespeichers 2 unter die definierte Mindestspannung von 9,0 V (Unterspannungsfall), schaltet der Komparator 33 und gibt an seinem Ausgang 37 ein definiertes Ausgangssignal aus, das den Unterspannungsfall anzeigt. Das Ausgangssignal schaltet über eine Leitung 38 den Linearregler 27 ab, so dass die sechste Spannung 13 auf Null reduziert wird. Der Kondensator 36 kann sich nun nicht mehr über den Linearregler 27 entladen. Ist die Spannung des Kondensators 36 größer als die Spannung des Energiespeichers 2 (beispielsweise 9,0 V des Kondensators 36 gegenüber 6,0 V des Energiespeichers 2), kann sich der Kondensator 36 aufgrund der zweiten Diode 16 nicht über den Energiespeicher 2 entladen, da die zweite Diode 16 in dieser Richtung sperrt. Somit steht die Spannung des Kondensators 36 für das erste Schaltnetzteil 14 zur Verfügung und kann für eine gewisse Zeit dafür sorgen, dass dem Rechnerkern 4 ausreichende Spannungen 8, 9, 10, 11, 12 bereitgestellt werden.
Die Zeit zur Überbrückung des Unterspannungsfalles kann zusätzlich verlängert werden. Hierzu ist der Ausgang 37 des Komparators 33 über eine Leitung 39 mit dem Rechnerkern 4 verbunden. Der Rechnerkern 4 empfängt über die Leitung 39 das Ausgangssignal des Komparators 33 und schaltet über eine externe Reset-Leitung 40 den externen Energieverbraucher 7 und über eine interne Reset-Leitung 41 das interne Modul
5 ab, so dass diese Geräte nunmehr nahezu stromlos sind und über den Regler 25 keine Energie aufnehmen. Somit steht die Ladung des Kondensators 36 nahezu vollständig für die Spannungen 8, 9, 10, 11 zur Verfügung.
Es ist aber zu erkennen, dass der Kondensator 36 bei Eintritt des Unterspannungsfalles nur mit der definierten Mindestspannung, hier also 9,0 V, zur Verfügung steht, auch wenn er zuvor bereits auf eine höhere Spannung, beispielsweise 12,0 V, aufgeladen war.
In Figur 2 sind in einer Tabelle drei beispielhafte zeitliche Spannungsverläufe (Impulsformen 4a, 4b, 4c) der Spannung des Energiespeichers 2 gezeigt. Zudem ist der
Spannungsverlauf gemäß der Impulsform 4b grafisch dargestellt. Die Spannungsverläufe können beispielsweise während der Startphase eines Fahrzeugs auftreten. Die Spannungen UO, Ul, U2, U3, U4, U5 entsprechen den Spannungen zu den Zeitpunkten tθ, tl, t2, t3, t4, t5. Die Zeiten ta, tb, tc stellen Übergangszeiten dar, die erforderlich sind, damit der Energiespeichers 2 auf eine geänderte Spannung reagieren kann.
Es ist zu erkennen, dass die Spannung des Energiespeichers 2 bei der Impulsform 4b zunächst der Nennspannung von 12,0 V (Spannungen UO, Ul) entspricht (Zeitpunkte tθ, tl) und dann auf die Spannung 3,0 V (U2) abfällt. Daraufhin steigt die Spannung auf 5,0 V (U3) und schließlich wieder auf 12,0 V (U4, U5) an.
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes 42. Das Bordnetz 42 baut auf dem Bordnetz 1 gemäß dem Stand der Technik auf, so dass sich gemeinsame Komponenten entsprechen.
Das Bordnetz 42 hat ein Unterspannungsschutzmittel 43 mit einer ersten Diode 44, einem Kondensator 45 und einem ersten Schalter 46. Die Anode der ersten Diode 44 ist mit dem Energiespeicher 2, der Anode der zweiten Diode 16 und dem Linearregler 27 über eine
Leitung 47 verbunden. Die Kathode der ersten Diode 44 ist mit der einen Elektrode des Kondensators 45 und einem Eingang des ersten Schalters 46 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators 45 liegt auf Masse. Der Ausgang des ersten Schalters 46 ist mit der Kathode der zweiten Diode 16 und dem Schaltnetzteil 14 verbunden. Im Normalbetrieb ist der erste Schalter 46 geöffnet, so dass keine Ladung von dem
Kondensator 45 über den ersten Schalter 46 abfließen kann. Der Schalteingang des ersten Schalters 46 ist mit dem Ausgang des Komparators 33 und dem Shut-Down-Eingang 26 des Reglers 25 verbunden.
Der Kondensator 45 hat eine Kapazität von ca. 5000 μF. Der Komparator 33 ist auf einen
Schaltpunkt eingestellt, der dem Reset-Spannungswert des internen Moduls 5 oder der Unterspannungsschwelle der externen Komponente 6 entspricht; dieser liegt beispielsweise bei 5,0 V.
Im Normalbetrieb wird der Kondensator 45 von dem Energiespeicher 2 über die erste
Diode 44 aufgeladen, beispielsweise auf die Nennspannung des Energiespeichers 2 von 12,0 V. Fällt die Spannung des Energiespeichers 2 innerhalb des Normalbetriebes wieder ab, bleibt die Ladung des Kondensators 45 erhalten, da die erste Diode 44 sperrt und der erste Schalter 46 geöffnet ist.
Fällt die Spannung des Energiespeichers 2 unter die definierte Mindestspannung des Komparators 33 ab, schließt das Ausgangssignal des Komparators 33 den ersten Schalter 46 über dessen Schalteingang. Darüber hinaus wird der Regler 25 über den Shut-Down- Eingang 26 von dem Ausgangssignal, der Linearregler 27 über den Shut-Down-Eingang 28, das interne Modul 5 über die interne Reset-Leitung 41 und der Energieverbraucher 7 über die externe Reset-Leitung 40 abgeschaltet. Die Ladung des Kondensators 45 steht über den geschlossenen ersten Schalter 46 vollständig zur Aufrechterhaltung der Spannungen 8, 9, 10, 11 zur Verfügung, da aufgrund der zweiten Diode 16 auch keine Ladung in Richtung auf den Energiespeicher 2 abfließen kann. Zudem steht die im
Normalbetrieb maximal erreichte Ladung des Kondensators 45 und nicht - wie beim Stand der Technik - nur Ladung zur Verfügung, die der definierten Mindestspannung entspricht. Dadurch kommt das erfindungsgemäße Bordnetz 42 mit Kondensatoren aus, die erheblich geringere Kapazitäten und folglich geringere Dimensionen aufweisen, als die Bordnetze 1 gemäß dem Stand der Technik, um einen vergleichbaren
Unterspannungsschutz zu gewährleisten.
Figur 4 zeigt das Bordnetz 42 aus Figur 3, das um einen zweiten Schalter 48, einen Inverter 49 und eine Leitung 50 ergänzt worden ist.
Der zweite Schalter 48 liegt parallel zu der zweiten Diode 16. Im Normalbetrieb ist der zweite Schalter 48 geschlossen und überbrückt die zweite Diode 16, so dass durch diese kein Strom fließt und keine Leistung abfällt. Im Normalbetrieb ist der erste Schalter 46 geöffnet. Der erste Schalter 46 und der zweite Schalter 48 schalten somit invers zueinander. Die inverse Schaltung wird durch den Inverter 49 erreicht, der die
Schalteingänge des ersten Schalters 46 und des zweiten Schalters 48 miteinander verbindet.
Figur 5 zeigt die grafische Darstellung einiger zeitlicher Spannungsverläufe des Energiespeichers 2 im Unterspannungsfall bei unterschiedlichen Kapazitäten des
Kondensators 45 und unterschiedlichen Eingangsströmen IL des Schaltnetzteils 14.
Die dicke durchgehende Linie 51 zeigt den Spannungsverlauf des Energiespeichers 2 ohne Unterspannungsschutzmittel 33. Es ist zu erkennen, dass diese Spannung innerhalb von ca. 5 ms von der Nennspannung 12,0 V auf nahezu 0 V abfällt.
Bei einer Reset-Spannung von beispielsweise 5,0 V oder 3,3 V wird ein Neustart der internen Komponente 3 und/oder externen Komponente 6 durchgeführt. Dies führt zu Störungen im Betrieb des Bordnetzes 1, 42. Mit einem Unterspannungsschutzmittel 33 können die Zeiten, bei denen die Reset-Spannung erreicht wird, erheblich verlängert werden. Beispielsweise beträgt diese Zeit bei einer Reset-Spannung von 3,3 V, einer Kapazität des Kondensators 45 von 5000 μF und einem Eingangsstrom IL von 150 mA ca. 300 ms (Strich-Punkt-Punkt-Linie 52), bei einem Eingangsstrom IL von 200 mA ca. 220 ms (dünne durchgehende Linie 53) und bei einem Eingangsstrom IL von 270 mA ca. 160 ms (Strich-Punkt-Linie 54). Bei dem Unterspannungsschutzmittel gemäß dem Stand der Technik wäre hierzu ein Kondensator 36 mit einer Kapazität von ca. 10000 μF nötig.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 55. Bei dieser Ausführungsform sei angenommen, dass die Spannung des Energiespeichers 2 nicht unter eine Mindestspannung von ca. 3,0 V abfallen kann.
Als Unterspannungsschutzmittel 43 ist ein Step-Up-Regler 56 zusammen mit einer Drossel 57 vorgesehen. Die Drossel 57 ist in die Leitung 15 unmittelbar nach dem Energiespeicher 2 eingesetzt. Der Komparator 33 ist auf eine definierte Mindestspannung von 5,0 V eingestellt. Wenn die Spannung des Energiespeichers 2 unter 5,0 V abfällt, empfängt der Step-Up-Regler 56 an seinem Shut-Down-Eingang 58 das Ausgangssignal des Komparators 33. Über eine Leitung 59 ist der Feed-Back-Eingang 60 des Step-Up- Reglers 56 mit dem Schaltnetzteil 14 und dem Linearregler 27 verbunden. Der Ausgang 61 des Step-Up-Reglers 56 ist zwischen der Drossel 57 und der Anode der zweiten Diode
16 mit der Leitung 15 verbunden und stellt im Unterspannungsfall eine Spannung von beispielsweise 6,0 V zur Verfügung, so dass das Bordnetz 55 störungsfrei arbeiten kann. Über den Shut-Down-Eingang 58 des Step-Up-Reglers 56 wird dieser durch ein entsprechendes Ausgangssignal des Komparators 33 (wieder) deaktiviert, wenn die Spannung des Energiespeichers 2 oberhalb der definierten Mindestspannung (hier 5,0 V) liegt. Im inaktiven Zustand gibt der Step-Up-Regler 56 keine Energie an das Bordnetz 55 ab.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung elektrischer
Energieverbraucher (7) in einem Bordnetz eines Fahrzeugs mit Energie aus mindestens einem Energiespeicher (2) mit einer Recheneinheit (4) zur Steuerung des Bordnetzes, einer Überwachungseinheit (33) zur Überwachung der von dem mindestens einen
Energiespeicher (2) an das Bordnetz bereitgestellten Bordnetzspannung derart, dass bei Unterschreiten einer definierten Mindestspannung des Bordnetzes ein Unterspannungssignal generiert wird, und einem Energiehaltungsmittel zur Erhöhung der Bordnetzspannung bei Unterschreitung der Bordnetz-Mindestspannung,
gekennzeichnet durch
eine Unterspannungsschutzeinheit (43) mit Schaltmitteln, die mit der Überwachungseinheit (33), dem Energieerhaltungsmittel und dem Bordnetz verbunden und eingerichtet ist, bei vorliegendem Unterspannungssignal die Bordnetzspannung zu erhöhen und ansonsten, solange die Bordnetzspannung die definierte Mindestspannung des Bordnetzes nicht unterschreitet, keine Ladung an das Bordnetz und/oder den mindestens einen Energiespeicher abgibt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Unterspannungsschutzeinheit (43) eine erste Diode (44), einen Kondensator (36) und einen ersten Schalter (46) aufweist, wobei der Kondensator (36) mit dem ersten Schalter (46) zur Erhöhung der Bordnetzspannung mit dem Bordnetz verbindbar ist und die erste Diode (44) in Leitungsrichtung zwischen Energiespeicher (2) und Kondensator (36) geschaltet ist, so dass der Kondensator (36) durch den Energiespeicher (2) über die erste
Diode (44) aufladbar ist und kein Ladungsabfluss von dem Kondensator (36) in den Energiespeicher (2) erfolgt.
3. Schaltungsanordnung nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch eine zweite
Diode (16) in Leitungsrichtung zwischen Energiespeicher (2) und Energieverbraucher (7) sowie Unterspannungsschutzeinheit (43).
4. Schaltungsanordnung nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Diode (44) mit dem ersten Schalter (46) in Reihe geschaltet ist, und dass die erste Diode (44) und der erste Schalter (46) parallel zu der zweiten Diode (16) geschaltet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode des Kondensators (36) zwischen der ersten Diode (44) und dem ersten Schalter
(46) und die andere Elektrode des Kondensators (36) auf Masse liegt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schalter (48) parallel zu der zweiten Diode (16) geschaltet ist, und dass der erste Schalter (46) und der zweite Schalter (48) invers zueinander schaltbar sind.
7. Schaltungsanordnung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterspannungsschutzeinheit (43) einen von der Überwachungseinheit (33) angesteuerten Step-Up-Regler (56) und eine Drossel (57) zwischen Energiespeicher (2) und Ausgang des Step-Up-Reglers (56) hat.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Energieverbraucher (7) abschaltbar ist, wenn der Energiespeicher (2) die definierte Mindestspannung unterschreitet.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) und/oder der mindestens eine Energieverbraucher (7) über ein Schaltnetzteil (14) und/oder einen Linearregler (27) mit Spannung versorgbar sind.
10. Verfahren zum Unterspannungsschutz eines Bordnetzes für ein Fahrzeug, wobei das Bordnetz mindestens einen Energiespeicher (2) zur Versorgung des Bordnetzes mit Energie, eine Recheneinheit (4) zur Steuerung des Bordnetzes, mindestens einen Energieverbraucher (7), eine Überwachungseinheit (33) zur Überwachung des Energiespeichers (2) derart, dass bei Unterschreiten einer definierten Mindestspannung des Energiespeichers (2) ein Unterspannungssignal an das Bordnetz abgebbar ist, und eine Unterspannungsschutzeinheit (43) hat, die eingerichtet ist, die Bordnetzspannung zu erhöhen, wenn der Energiespeicher (2) die definierte Mindestspannung unterschreitet, und ansonsten keine Ladung an das Bordnetz abgibt, solange der Energiespeicher (2) die definierte Mindestspannung nicht unterschreitet, wobei das Verfahren die Schritte hat: a) Überwachen der Spannung des Energiespeichers (2); b) Vergleichen der überwachten Spannung mit einer vorbestimmten definierten Mindestspannung; gekennzeichnet durch c) Aktivieren der Unterspannungsschutzeinheit (43), wenn die überwachte Spannung die definierte Mindestspannung unterschreitet; und d) Deaktivieren der Unterspannungsschutzeinheit (43), wenn die überwachte Spannung die definierte Mindestspannung erreicht oder überschreitet.
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