WO2009037043A2 - Lade- und trennschaltung - Google Patents

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WO2009037043A2
WO2009037043A2 PCT/EP2008/060012 EP2008060012W WO2009037043A2 WO 2009037043 A2 WO2009037043 A2 WO 2009037043A2 EP 2008060012 W EP2008060012 W EP 2008060012W WO 2009037043 A2 WO2009037043 A2 WO 2009037043A2
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Antonios Katirtzidis
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/1423—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a charging and / or disconnecting circuit, in particular for a 12V energy storage including consumers of a vehicle electrical system.
  • the sensitive consumers including an additional one, are to be used
  • one battery only has to supply the starter and the other battery supplies the rest of the electrical system.
  • the two batteries are over
  • Control unit charged or decoupled Such a solution is known from DE 101 00 889 A1.
  • the starter battery is connected in parallel with a battery of a few amps / hour. Their job is to protect one or more otherwise disturbed consumers.
  • a switch is arranged in the positive line between the two batteries, the at least two Comprises MOSFET transistors. This approach is known from FR 2 869 469 A.
  • the object of the invention is to be seen to realize by simple means a charging and / or separation circuit, which is used in particular in a vehicle electrical system. That is, the circuit should disconnect the sensitive consumers including their energy storage from the rest of the electrical system during the starting process of the internal combustion engine. Once the boot process is complete, the original state is restored, i. the consumers and their energy storage are again from the generator or the
  • a circuit with only a few components is used, which is connected in an advantageous manner. It comprises in a particularly advantageous manner only three diodes, a resistor and a fuse.
  • a load-break switch is still used, which is designed as a relay or semiconductor switch, etc. It is controlled in an advantageous manner as a function of the operating strategy.
  • FIGS. 1 and 2 show two exemplary embodiments of the invention. Two variants are to be distinguished, namely the basic circuit and the extended circuit.
  • the basic circuit is shown in Figure 1, the extended Circuit in Figure 2.
  • the extended circuit differs in only one point from the basic circuit, namely by the additional switch "Sl".
  • FIG. 1 shows a first example of a vehicle electrical system with a generator G, a starter S, an AGM starter battery Bl and a consumer V1.
  • the charge and / or isolation circuit according to the invention comprises three diodes Dl, D2, D3, a resistor Rl and a fuse Fl.
  • an AGM backup battery B2 and a consumer V2 are shown in FIG.
  • Consumers V2 are voltage-sensitive consumers such as combined navigation and radio devices.
  • the function of the components can be described as follows:
  • the fuse Fl has the task in the event of a fault to protect the outgoing from her consumer V2 from excessive currents.
  • the resistor Rl has the task to limit the charging current of the additional energy storage or the backup battery B2.
  • Support battery B2 is, for example, a 12 V AGM backup battery.
  • AGM active gas
  • gel technology the limitation of the charging current is important to prevent so-called “boiling of the battery” due to high charging current.
  • the resistor Rl is also used to limit the charging current.
  • a depleted capacitor would use any available current in a very short time for charging and thus in turn trigger a voltage drop in the electrical system.
  • the diode Dl has the task to pass the charging current of the additional energy storage or the backup battery B2 only in one direction. It should therefore be prevented from flowing back into the rest of the electrical system. This would be e.g. the case when the engine is stationary and thus the generator does not generate electricity to provide the electrical system with sufficient energy.
  • the task of the diode D2 is to ensure that the current of the additional energy store or of the backup battery B2 actually supplies only the consumers intended for this purpose. - A -
  • the diode D3 has the task in the case of a depleted additional energy storage B2, to ensure that the connected loads are not disturbed and the charge limit of the additional energy storage is not canceled.
  • FIG. 2 shows an expanded circuit as a second exemplary embodiment.
  • This variant of the invention consists of the same components as described above. These components also fulfill the same tasks.
  • a switch Sl which can be designed as a cut-off relay or semiconductor switch.
  • the main task of the switch Sl is to separate the additional energy storage device B2 including the connected sensitive consumer V2 from the rest of the electrical system in certain situations.
  • the switch S1 can be actuated via a control signal, which is supplied for example by one of a control unit, or in response to applied voltages.
  • the switch S1 can be opened at the following events:
  • the switch Sl is opened at each startup of the engine and closed again after completion of the process.
  • the trigger could be the terminal 50 signal, which corresponds to the voltage prevailing there, or the triggers for an automatic restart in a start / stop vehicle, which are then present in the Stari / Stop coordinator.
  • a loss of the terminal 50 signal, a message from the engine control unit, the DF signal from the generator or the start / stop coordinator could be used.
  • the switch Sl is opened in a start / stop vehicle during the whole stop phase of the internal combustion engine. This would make sense to relieve the starter battery Bl and thus to extend the stop phase or to allow more stop phases.
  • the Stari / stop coordinator used in such start / stop vehicles would thus take control of the switch S1.
  • the charging / disconnecting circuit according to the invention can be used, for example, in all start / stop systems in modern motor vehicles, in which a voltage dip of the vehicle electrical system is to be expected during the starting process of the internal combustion engine. Another field of application are all conventional motor vehicles, where you have sensitive electrical
  • Another field of use are all motor vehicles, in which by switching on a high-current consumer, even when the generator is running a voltage dip in the vehicle electrical system is expected.
  • Such an electrical load could be, for example, a purely electric power steering for large vehicles.

Abstract

Es wird eine Lade- und/oder Trennschaltung, insbesondere für Fahrzeugbordnetze, mit einem ersten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeicher mit wenigstens einem zugeordneten Verbraucher vorgeschlagen, wobei die Lade- und/oder Trennschaltung zwischen den beiden Energiespeichern liegt und wenigstens drei Dioden aufweist. In einer Ausgestaltung ist zusätzlich noch ein Schalter vorhanden, der ansteuerbar ist und bei bestimmten Situationen geöffnet oder wieder geschlossen wird.

Description

Beschreibung
Titel
Lade- und Trennschaltung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lade- und/oder Trennschaltung, insbesondere für einen 12V Energiespeicher inklusive Verbraucher eines Fahrzeugbordnetzes. Dabei sollen erfindungsgemäß während des Startvorgangs des Verbrennungsmo- tors des Fahrzeugs die empfindlichen Verbraucher inklusive eines zusätzlichen
Energiespeichers vom restlichen Bordnetz getrennt werden.
Heute wird beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeug ein Spannungseinbruch im elektrischen Bordnetz in den Kombiinstrumenten und Multimediaanlagen sichtbar. Es kann sogar zum rebooten einzelner Geräte kommen. Der Spannungseinbruch ist auf den kurzzeitigen hohen Strom der Startereinheit von mehreren 100 Ampere zurück zu führen, der in der Startphase allein von der Starterbatterie bereitgestellt wird. Besonders vor dem Hintergrund wachsender Nachfrage an automatischen Stari/Stopp-Systemen in der Kraftfahr- zeugtechnik ist es wichtig den Spannungseinbruch von empfindlichen Geräten fern zu halten. Erste technische Lösungsansätze sind Zwei- Batterien- Bord netze. Hierbei sind zwei bekannte Ansätze zu unterscheiden.
Im ersten Fall hat die eine Batterie nur den Starter zu versorgen und die andere Batterie versorgt das restliche Bordnetz. Die beiden Batterien werden über ein
Steuergerät geladen bzw. entkoppelt. Eine solche Lösung ist aus der DE 101 00 889 A 1 bekannt. Im anderen Fall wird der Starterbatterie eine Batterie mit wenigen Ampere/Stunden parallel geschaltet. Deren Aufgabe ist es, einen oder mehrere andernfalls gestörte Verbraucher zu schützen. Dazu ist in der Plusleitung zwischen den beiden Batterien ein Schalter angeordnet, der wenigstens zwei MOSFET-Transistoren umfasst. Dieser Ansatz ist aus der FR 2 869 469 A bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, mit einfachen Mitteln eine Lade- und/oder Trennschaltung zu realisieren, die insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz eingesetzt wird. Das heißt die Schaltung soll während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors die empfindlichen Verbraucher inklusive ihres Energiespeichers vom restlichen Bordnetz trennen. Sobald der Startvorgang abgeschlossen ist, wird wieder der ursprüngliche Zustand hergestellt, d.h. die Verbraucher und ihr Energiespeicher werden wieder vom Generator bzw. der
Starterbatterie versorgt. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen das Anspruchs 1.
Die Vorteile der Erfindung werden erzielt, indem eine Schaltung mit nur wenigen Bauteilen eingesetzt wird, die in vorteilhafter Weise verschaltet wird. Sie umfasst in besonders vorteilhafter Weise nur drei Dioden, einen Widerstand und eine Sicherung. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird noch ein Lasttrennschalter eingesetzt, der als Relais oder Halbleiterschalter usw. ausgestaltet ist. Er wird in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Bedienstrategie angesteuert.
In besonders vorteilhafter Weise wird dadurch ermöglicht, bei dem zusätzlich zur Starterbatterie benötigte Energiespeicher in der eingesetzten Technologie unabhängig zu sein. Möglich sind dabei sowohl AG M-/Gel- Batterien als auch Double- Layer-Capacitor. Auch die Speichergröße ist für die Funktionsfähigkeit der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung nicht relevant und somit in vorteilhafter Weise an die erforderlichen Gegebenheiten anpassbar. Die Erfindung ermöglicht es, elektrische Verbraucher die empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, zuverlässig zu schützen.
Offenbarung der Erfindung
In den Figuren 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Dabei sind zwei Varianten zu unterscheiden, nämlich die Grundschaltung und die erweiterte Schaltung. Die Grundschaltung ist in Figur 1 dargestellt, die erweiterte Schaltung in Figur 2. Die erweiterte Schaltung unterscheidet sich in nur einem Punkt von der Grundschaltung, nämlich durch den zusätzlichen Schalter „Sl".
In Figur 1 ist ein erstes Beispiel für ein Bordnetz mit einem Generator G, einem Starter S, einer AGM-Starterbatterie Bl und einem Verbraucher Vl dargestellt.
Die erfindungsgemäße Lade- und/oder Trennschaltung umfasst drei Dioden Dl, D2, D3, einen Widerstand Rl und eine Sicherung Fl. Zusätzlich sind in der Figur 1 eine AGM-Stützbatterie B2 und ein Verbraucher V2 dargestellt. Verbraucher V2 sind spannungsempfindliche Verbraucher wie beispielsweise kombinierte Navi- gations- und Radio-Geräte.
Die Funktion der Bauteile lässt sich wie folgt beschreiben: Die Sicherung Fl hat die Aufgabe im Fehlerfall die von ihr abgehenden Verbraucher V2 vor zu hohen Strömen zu schützen. Der Widerstand Rl hat die Aufgabe den Ladestrom des zusätzlichen Energiespeichers bzw. der Stützbatterie B2 zu begrenzen. Die
Stützbatterie B2 ist beispielsweise eine 12 V AGM Stützbatterie. Bei Blei-Säure Batterien, sowohl der AGM-Technologie als auch der Gel-Technologie, ist die Begrenzung des Ladestromes wichtig um ein so genanntes "Kochen der Batterie" durch zu hohen Ladestrom zu verhindern.
Für den Fall das der zusätzliche Energiespeicher ein Kondensator ist, dient der Widerstand Rl ebenfalls dazu den Ladestrom zu begrenzen. Allerdings aus anderen Gründen, ein entleerter Kondensator würde jeglichen verfügbaren Strom in kürzester Zeit zum Laden nutzen und somit seinerseits einen Spannungsein- bruch im Bordnetz auslösen.
Die Diode Dl hat die Aufgabe den Ladestrom des zusätzlichen Energiespeichers bzw. der Stützbatterie B2 nur in eine Richtung durchzulassen. Es soll somit der Stromrückfluss in das Restbordnetz verhindert werden. Dies wäre z.B. der Fall, wenn der Verbrennungsmotor steht und somit der Generator keinen Strom erzeugt, um das Bordnetz ausreichend mit Energie zu versorgen.
Die Diode D2 hat die Aufgabe zu gewährleisten, dass der Strom des zusätzlichen Energiespeichers bzw. der Stützbatterie B2 auch tatsächlich nur die dafür vorge- sehenen Verbraucher versorgt. - A -
Die Diode D3 hat die Aufgabe im Falle eines entleerten zusätzlichen Energiespeichers B2, dafür zu sorgen, dass die angeschlossen Verbraucher nicht gestört werden und die Ladungsbegrenzung des zusätzlichen Energiespeichers nicht aufgehoben wird.
In Figur 2 ist eine erweiterte Schaltung als zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese Variante der Erfindung besteht aus den gleichen Bauteilen wie zuvor beschrieben. Auch erfüllen diese Bauteile die gleichen Aufgaben. Hinzu kommt lediglich ein Schalter Sl, der als Trennrelais oder Halbleiterschalter ausgeführt sein kann. Die Hauptaufgabe des Schalters Sl besteht dabei darin den zusätzlichen Energiespeicher B2 inklusive der daran angeschlossenen empfindlichen Verbraucher V2 vom restlichen Bordnetz in bestimmten Situationen abzutrennen. Der Schalter Sl kann über ein Steuersignal, das beispielsweise von einem von einem Steuergerät geliefert wird, betätigt werden oder in Abhängigkeit von anliegenden Spannungen.
Im einzelnen kann der Schalter Sl bei folgenden Ereignissen geöffnet werden:
Der Schalter Sl wird bei jedem Startvorgang des Verbrennungsmotors geöffnet und nach Abschluss des Vorgangs wieder geschlossen. Als Auslöser könnte man das Klemme-50-Signal, das der dort herrschenden Spannung entspricht, nehmen oder in einem Start/Stopp- Fahrzeug die Auslöser für einen automatischen Wiederstart, die dann im Stari/Stopp- Koordinator vorliegen. Um den Schalter Sl wieder zu schließen, könnte ein Wegfall des Klemme-50-Signals, eine Nachricht vom Motorsteuergerät, das DF-Signal vom Generator oder der Start/Stopp- Koordinator genutzt werden.
Der Schalter Sl wird in einem Start/Stopp- Fahrzeug während der ganzen Stopp- Phase des Verbrennungsmotors geöffnet. Das würde Sinn machen, um die Starterbatterie Bl zu entlasten und somit die Stopp- Phase zu verlängern bzw. mehr Stopp-Phasen zu erlauben. Der Stari/Stopp- Koordinator, der in solchen Start/Stopp- Fahrzeugen zum Einsatz kommt, würde somit die Steuerung des Schalters Sl übernehmen. Die erfindungsgemäße Lade/Trennschaltung kann beispielsweise in allen Start/Stopp-Systeme in modernen Kraftfahrzeugen, bei denen während des Startvorganges des Verbrennungsmotors ein Spannungseinbruch des Fahrzeugbordnetzes zu erwarten ist, eingesetzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet sind alle konventionelle Kraftfahrzeuge, bei denen man empfindliche elektrische
Verbraucher während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors vom Fahrzeugbordnetz trennen möchte, um sie vor dem zu erwartenden Spannungseinbruch zu schützen.
Ein weiteres Einsatzgebiet sind alle Kraftfahrzeuge, bei denen durch Zuschalten eines Hochstromverbraucher selbst bei laufendem Generator ein Spannungseinbruch im Fahrzeugbordnetz zu erwarten ist. Ein solcher elektrischer Verbraucher könnte beispielsweise eine rein elektrische Lenkkraftunterstützung für Großkraftfahrzeuge sein.

Claims

Ansprüche
1. Lade- und/oder Trennschaltung, insbesondere für Fahrzeugbordnetze, mit einem ersten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeicher mit wenigstens einem zugeordneten Verbraucher, wobei die Lade- und/oder Trenn- Schaltung zwischen den beiden Energiespeichern liegt, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens drei für eine Stromrichtung leitende und eine Stromrichtung sperrende Bauteile (Dl, D2, D3) aufweist.
2. Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Bauteile (Dl, D2, D3) Dioden sind.
3.
3. Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden der Dioden (Dl, D2) mit dem Plus-Anschluss des Energiespeichers (Bl) in Verbindung stehen, dass die Kathode der Diode (Dl) mit dem Plus-Anschluss des Energiespeichers (B2) und der Anode der
Diode (D3) verbunden ist und die Kathode der Diode (D2) mit dem Verbraucher (V2) und der Kathode der Diode (D3) verbunden ist.
4. Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Energiespeicher (Bl) und den
Dioden (Dl) und (D2) eine Sicherung (Fl) liegt.
5. Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sicherung (Fl) und der Diode(Dl) ein Widerstand (Rl) liegt.
6. Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Widerstand (Rl) und der Sicherung (Fl) ein Schalter (Sl) liegt.
7. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (Sl) bei vorgebbaren Ereignissen geöffnet wird.
8. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (Sl) durch Zuführen eines Ansteuersignales von einem Steuergerät oder durch Zuführen oder Abschalten einer Spannung geöffnet wird.
9. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (Sl) bei jedem Startvorgang des Verbrennungsmotors geöffnet wird und nach Abschluss des Vorgangs wieder geschlossen wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Auslöser das Klemme-50-Signal, das der dort herrschenden Spannung entspricht, dient.
11. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stari/Stopp-
Fahrzeug als Auslöser für einen automatischen Wiederstart Informationen dienen, die im Start/Stopp- Koordinator vorliegen.
12. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schließung des
Schalters (Sl) ein Wegfall des Klemme-50-Signals, eine Nachricht vom Motorsteuergerät, das DF-Signal vom Generator oder der Start/Stopp- Koordinator genutzt wird.
13. Verfahren zum Betreiben einer Lade- und/oder Trennschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (Sl) in einem Start/Stopp- Fahrzeug während der ganzen Stopp- Phase des Verbrennungsmotors geöffnet bleibt, wobei der Stari/Stopp- Koordinator die Steuerung des Schalters (Sl) übernimmt.
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