WO2011067143A2 - Verpolungsschutzschaltung für ein kraftfahrzeugbordnetz sowie kraftfahrzeugbordnetz mit einer verpolungsschutzschaltung - Google Patents

Verpolungsschutzschaltung für ein kraftfahrzeugbordnetz sowie kraftfahrzeugbordnetz mit einer verpolungsschutzschaltung Download PDF

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WO2011067143A2
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vehicle electrical
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Stephan Bolz
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Continental Automotive 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
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0034—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using reverse polarity correcting or protecting circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/40—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries adapted for charging from various sources, e.g. AC, DC or multivoltage

Definitions

  • Reverse polarity protection circuit for a motor vehicle electrical system and vehicle electrical system with a reverse polarity protection circuit
  • DE 196 03 117 AI discloses a reverse polarity protection circuit in which a power transistor is connected in series with the load, which is only turned on when the DC voltage source is connected with the correct polarity.
  • the correct function of the reverse polarity protection circuit presupposes that the load and thus the reverse polarity protection circuit are disconnected from the direct voltage source and thus not supplied with energy.
  • Today's motor vehicles are generally provided with a lead-acid battery for stationary supply of the 12V vehicle electrical system. These batteries are subject to operational wear and tear, which reduces their capacity over time, even when used as intended. This ultimately leads to the fact that when starting up the vehicle not enough energy to start the engine is available and the battery must be replaced, or
  • Jumpstart is required. This occurs especially often at the beginning of the cold season, since two unfavorable factors come together here.
  • the internal resistance of the battery increases with decreasing temperature (and thus the the maximum possible output current) and the other increases the required power of the starter motor because of increasing Tough ⁇ engine oil.
  • Usual method for external start, or jump start is the Ver ⁇ application of jumper cables, wherein the battery in the assisting vehicle is directly connected to the "Liegen Economicsers".
  • Usual jumper cables consist of insulating ⁇ th electrical lines on both sides fixed contactless terminals.
  • Switching regulator DCDC1 is disconnected, however, as shown in FIG. 2, on closer examination, it can be seen that in the event of reverse polarity of the vehicle electrical system Voltage the substrate diode of the power semiconductor Tr2 of the switching regulator DCDC1 becomes conductive and is destroyed as a result of then flowing ⁇ very high flow. It can not be ruled out that the circuit breaker Tri in the immediate vicinity will not be damaged as well, resulting in a current path from the (reverse polarity) vehicle electrical system to the Li-Po battery.
  • the on-board power supply and in particular the Li-Po battery and the DLC must under no circumstances be directly contactable with the connection terminals of a jumper cable.
  • This is the best by a suitable connection technology of energy storage with the electrical system and the angeordne- in th starter and an encapsulated construction of Energyspei ⁇ cher - for example by an insulating housing - to achieve.
  • the aim of the invention is the avoidance of potentially dangerous situations when jump start and jump start in a motor vehicle electrical system, which is fed from an energy source with a higher voltage than the rated voltage of the motor vehicle electrical system ⁇ network via a DC / DC converter.
  • the invention includes a reverse polarity protection circuit for a motor vehicle electrical system, which is fed from a power source with a higher voltage than the nominal voltage of the motor vehicle ⁇ net via a DC / DC converter, the Ver ⁇ polungsschut zscrien a first terminal for the positive potential of the rated voltage having the motor vehicle on-board network, a second terminal for the ground potential of the motor driving ⁇ generating on-board network and a third terminal for a Hilfspo ⁇ tential well as a switch which is connected with its first terminal to the first terminal and its second terminal to the third terminal.
  • the inventive Reverse polarity protection circuit also has a drive circuit for driving the control terminal of the switch, which is connected to the three terminals for their supply and designed such that the control terminal is only activated to turn on the switch when the Po ⁇ potential on the third Connection is higher than a reference potential.
  • the safe contacting of jumper cables is allowed in such a way that when connecting the on-board ⁇ with a jump start-performing voltage source ⁇ tiger polarity a suitable for the jump start current flow is allowed and when connected to the wrong polarity, a harmful flow of current is prevented.
  • the invention further comprises a motor vehicle electrical system, which is fed from a power source having a higher voltage than the nominal voltage of the motor vehicle electrical system via a DC / DC converter and at its terminals a fiction, ⁇ according Verpolungsschut switching has.
  • the reverse polarity protection circuit is arranged with the DC / DC converter in a housing, in particular the housing for the energy storage.
  • the drive circuit has a reference voltage generating circuit which derives a reference voltage either from the potential at the first or at the potential at the third terminal. This ensures that even with a present spoilage and thus a false potential at the third connection the reverse polarity protection circuit, the reference voltage is generated correctly due to the voltage applied to the first terminal positive potential of the vehicle electrical system voltage and the switch remains switched off.
  • the drive circuit of the Verpolungsschut zscnies in an advantageous further a comparator circuit with a first and a second input, said first input connected to the re- ference potential and the second input to the third An ⁇ is circuit-connected.
  • the second input is connected in a further advantageous development via a voltage divider and a diode to the third terminal.
  • the switch may be formed with a power transistor or a relay whose control path is controlled via a semiconductor switch.
  • the drive circuit in a preferred embodiment, a voltage doubler circuit, which is driven by an oscillator driven by the comparator circuit. Their output terminals are connected to the source and the gate terminal of the power transistor, so that at the gate of the lentilstransis ⁇ sector a relation to the source higher potential turns ⁇ provides when the oscillator circuit is controlled by the comparator circuit, if the potential on the third
  • Fig. 4 shows a circuit realization of a reverse polarity protection circuit according to the invention with a power transistor as a switch and
  • Fig. 5 shows a circuit realization of a Verpolungsschut inventive circuit with a relay as a switch.
  • Fig. 1 shows - compared to today usual - innovative motor vehicle electrical system, as it is already known for example from DE 10 2007 048 342 AI.
  • a motor vehicle ⁇ onboard 1 with a nominal voltage of 12 volts and on the other hand, an energy storage 2, on the other hand, one or more higher voltages , intended.
  • low-voltage consumers 3 and 4 and the generator 5 are arranged in the usual way.
  • the energy storage 2 1 jumper cables 7, 8 can be connected to the electrical system.
  • the energy storage 2 has in the illustrated exemplary embodiments, play on a first one of double layer capacitors formed DLC battery with high power density and a second ⁇ Li thium polymer battery Li-Po with high energy density.
  • a first bidirectional DC / DC converter DCDCl the second battery Li-Po can be charged by the generator 5 and, if necessary, support the vehicle electrical system 1.
  • the first battery DLC is connected via a first switch Sehl with a starter 6 and can be loaded via a second optionally bidirectional DC / DC converter DCDC2.
  • the first DC / DC converter DCDCl is shown in somewhat greater detail.
  • He has in a known manner two in series with the second battery Li-Po connected butterstransis ⁇ gates Tri and Tr2, whose connection node is connected via a coil LI to the motor vehicle electrical system 1.
  • the power transistors have substrate diodes, wherein in a reverse polarity, the substrate diode of the second power transistor Tr2 leads the high current of the wrongly connected voltage source and can be destroyed. Due to the üb ⁇ SHORT- construction nearby also the first cupboardtran- can damage sistor Tri.
  • a reverse polarity protection circuit according to the invention is provided with a first terminal 11 with the positive potential 12V of the electrical system 1, with a second terminal 12 with the ground terminal of the vehicle electrical system 1 and with a third terminal 13 with one first launch post SP + connected.
  • a second launch post SP- is connected to the ground terminal of the electrical system 1.
  • the reverse polarity protection circuit 9 is connected to a power transistor Tr3 whose Load path between the first 11 and the third terminal 13 is connected and a drive circuit 10 is formed.
  • the drive circuit is connected to the three terminals 11, 12, 13. Depending on the voltage at the first start post SP + and the vehicle electrical system voltage, the power transistor Tr3 is turned on or off.
  • the current through the power transistor Tr3 be construed ER - If appropriate - to Schutzzwe ⁇ CKEN.
  • the Verpolungsschut zscrien 9 connects the motor vehicle ⁇ board network 1 with the first start post SP +, if there is a sufficiently large positive voltage is detected by the power transistor Tr3 is turned on.
  • a Entla ⁇ dene, not bootable battery comprises a residual voltage of for example 5 to 11V.
  • the supply of Ans ⁇ control circuit 10 of the Verpolungsschut zscrien 9 is effected according to the detailed circuit of FIG. 4 via either a first diode Dl and the first starting post SP + from the external voltage source or via a second diode D2 from the vehicle electrical system 1.
  • a first capacitor Cl bridges any short voltage dips, so that the voltage regulator IC1 following ⁇ can generate a stable supply voltage of, for example + 5V.
  • the input IN of the voltage regulator IC1 is connected via the first capacitor C1 to the second terminal 12, which serves for the connection to the ground terminal of the vehicle electrical system 1.
  • the reference potential terminal GND of the voltage regulator IC1 is also connected to the second terminal 12.
  • the input IN of the voltage regulator IC1 is higher than the direction poled first diode Dl connected to the third terminal 13 and via the also poled in reverse direction second diode D2 to the first terminal 11.
  • the output OUT of the voltage regulator IC1 is connected via a second capacitor C2 to the second terminal 12 and provides the stable supply voltage of, for example + 5V.
  • a series switching ⁇ tion of a first resistor Rl and a second resistor R2 is connected. From the stable supply voltage of, for example, + 5V, a reference voltage Ref is generated across the voltage divider Rl, R2, which is applied to the first input (2) of a comparator circuit IC2A. For this purpose, the center tap of the voltage divider Rl, R2 is connected to the first input (2) of the comparator circuit IC2A.
  • a series circuit of a third forward-biased diode D3, a third resistor R3 and a fourth resistor R4 is connected.
  • the center tap between the third R3 and fourth resistor R4 is connected to the second input (3) of the comparator circuit IC2A.
  • the comparator circuit IC2A consequently compares the voltage divided across the third R3 and fourth resistor R4 at the start post SP + with the reference voltage Ref.
  • the third diode D3 prevents the occurrence of a negative voltage at the second input (for example in the case of reverse polarity of the jump leads) ) of the comparator IC2A.
  • the comparator circuit IC2A for example, the integrated circuit LM393 (National Semiconductor) can be used. Its output is referred to as ground switching Tran- 1 sistor executed (open collector). As long as the divided voltage at the third terminal 13 or start post Sp + is smaller by means of the resistors R3 and R4 down than the Refe ⁇ ence voltage REF, the output transistor is cherscnies of the comparisons switched IC2A, so that the resulting composites ⁇ ne input of a subsequent first Inverters IC3A has low level. As for example, the inverter IC3A tegrated in ⁇ circuit 74HC14, the input of which is designed as a Schmitt Trigger suitable.
  • the output transistor of the comparator circuit IC2A turns off and the first inverter IC3A together with the one feedback resistor R5 and a third capacitor C3 forms a Schmitt trigger oscillator with output levels of OV and 5V.
  • the subsequent second inverter IC3B inverts the signal of the first inverter
  • the body diode of the Leis ⁇ tung transistor Tr3 is first turned on.
  • the maximum current of the first switching regulator DCDC1 for example 150 A, now flows, which would considerably heat the power transistor Tr3.
  • the Os ⁇ zillatorscaria 16 is released and turned on the power transistor Tr3. Thereby, the voltage drop is reduced substantially at the Leis ⁇ tung transistor Tr3 and the remaining heating remains within an acceptable range.
  • the switching function of the reverse polarity protection can also be represented by a relay according to FIG. 5.
  • the same components are provided with the same reference numerals as in FIG. 4.
  • the power transistor Tr3 is replaced by a relay Reil , the ver ⁇ binds the third 13 and the first terminal. 11 Its control is via a fourth Transis ⁇ gate Tr4, which in turn is turned on when the output transistor of the comparator circuit IC2A is turned off.
  • the output of the comparator circuit IC2A is connected directly to the gate terminal of the fourth transistor Tr4 and via a ninth resistor R9 to the stable supply voltage of, for example, 5V. 1
  • energy storage, launch posts and reverse polarity z can be constructively combined.
  • the switching regulator DCDC1 and DCDC2 and the reverse polarity protection circuit 9 are constructed with similar and partly the same electronic components and also a common heat dissipation of the power components lends itself to.
  • such an embodiment which has a ge ⁇ similar similarity with a conventional 12V lead-acid battery. This recognition effect is very helpful because the car driver is accustomed to clamp the jumper cables to the Bat ⁇ terie.
  • Verpolungsschut z allows in connection with the start post SP +, SP- a safe jump start, or

Abstract

Eine Verpolungsschutzschaltung (9) für ein Kraftfahrzeugbordnetz (1), das aus einer Energiequelle (2) mit einer höheren Spannung als die Nennspannung (12V) des Kraftfahrzeugbordnetzes (1) über einen ersten DC/DC-Wandler (DCDC1) gespeist wird, weist einen ersten Anschluss (11) für das positive Potential der Nennspannung (12V) des Kraftfahrzeugbordnetzes (1), einen zweiten Anschluss (12) für das Massepotential des Kraftfahrzeugbordnetzes (1) und einen dritten Anschluss (13) für ein Hilf spotential auf. Sie weist ferner einen Schalter (Tr3; ReIl, Tr4) auf, der mit seiner ersten Klemme mit dem ersten Anschluss (11) und mit seiner zweiten Klemme mit dem dritten Anschluss (13) verbunden ist. Die Verpolungsschutzschaltung (9) ist mit einer Ansteuerschaltung (10) zur Ansteuerung des Steuer-Anschlusses des Schalters (Tr3; ReIl, Tr4) gebildet, die mit den drei Anschlüssen (11, 12, 13) zu ihrer Versorgung verbunden und derart ausgebildet ist, dass der Steuer- Anschluss zum Einschalten des Schalters (Tr3; ReIl, Tr4) nur angesteuert wird, wenn das Potential am dritten Anschluss höher ist als ein Referenzpotential (Ref).

Description

Beschreibung
Verpolungsschut zschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz sowie Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Verpolungsschut zschaltung
Elektronische Geräte werden häufig aus Gleichspannungsquel¬ len, beispielsweise Batterien, versorgt, weisen jedoch zunehmend Bauteile auf, die gegen eine falsche Polung der Gleich¬ spannungsquelle empfindlich sind und hierdurch zerstört wer- den können. Eine Verpolung tritt dabei zumeist bei einem
Wechsel der Gleichspannungsquelle, insbesondere der Batterie auf. Zum Schutz gegen die Auswirkungen einer Verpolung offenbart die DE 196 03 117 AI eine Verpolungsschut zschaltung, bei der in Serie zur Last ein Leistungstransistor geschaltet ist, der nur eingeschaltet wird, wenn die Gleichspannungsquelle mit der richtigen Polung angeschlossen ist. Die richtige Funktion der dortigen Verpolungsschut zschaltung setzt allerdings voraus, dass die Last und damit die Verpolungsschut z- schaltung vor einer möglichen Verpolung von der Gleichspan- nungsquelle getrennt und folglich nicht mit Energie versorgt ist .
Heutige Kraftfahrzeuge sind in der Regel mit einer Blei-Säure Batterie zur stationären Versorgung des 12V Bordnetzes verse- hen. Diese Batterien unterliegen einem betriebsbedingten Verschleiß, so dass sich - auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch - ihre Kapazität im Laufe der Zeit verringert. Dies führt letztendlich dazu, dass bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges nicht mehr genug Energie zum Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht und die Batterie ersetzt werden muss, bzw.
Starthilfe erforderlich wird. Dies tritt besonders häufig zu Beginn der kalten Jahreszeit auf, da hier zwei ungünstige Faktoren zusammentreffen. Zum Einen steigt der Innenwiderstand der Batterie mit sinkender Temperatur (und damit der maximal mögliche Abgabestrom) und zum Andern steigt auch die benötigte Leistung des Anlassermotors wegen zunehmender Zä¬ higkeit des Motoröls. Übliche Methode für Fremdstart, bzw. Starthilfe ist die Ver¬ wendung von Starthilfekabeln, wobei die Batterie des Hilfe leistenden Fahrzeuges mit der des „Liegenbleibers" direkt verbunden wird. Übliche Starthilfekabel bestehen aus isolier¬ ten elektrischen Leitungen mit beidseitig angebrachten Kon- taktklemmen.
Problematisch an dieser Methode ist die Möglichkeit, die Starthilfekabel falsch anzuschließen. Dadurch werden die Batterien verpolt miteinander verbunden. Dies kann zur Zerstö- rung der Batterie, diverser elektronischer Verbraucher oder sogar zum Brand führen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Freisetzung heißer Schwefelsäure mit der Gefahr von Personenschäden . Wird die Blei-Säure-Batterie durch ein in der Figur 1 darges¬ telltes innovatives Bordnetz mit einer Lithium-Polymer Batterie (Li-Po) und einer Gleichspannungsquelle aus Doppel¬ schicht-Kondensatoren (DLC) ersetzt, so steigert sich das Schadenspotential bei fehlerhaftem Anschluss der Starthilfe- kabel erheblich. Zum Einen ist die Leitungsdichte des DLC we¬ gen des - im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie - geringeren Innenwiderstandes wesentlich höher, zum Anderen ist die Energiedichte der Li-Po-Batterie ebenfalls wesentlich höher. Auch neigt eine beschädigte/überlastete Li-Po-Batterie zur Selbst- entzündung.
Zwar sind hier Bordnetz und Li-Po-Batterie durch einen
Schaltregler DCDC1 getrennt, jedoch zeigt sich gemäß Figur 2 bei genauerer Betrachtung, dass bei Verpolung der Bordnetz- Spannung die Substratdiode des Leistungshalbleiters Tr2 des Schaltreglers DCDC1 leitend wird und infolge des dann flie¬ ßenden sehr hohen Stromes zerstört wird. Dabei kann nicht ausgeschlossen werden, dass der in unmittelbarer Nähe befind- liehe Leistungsschalter Tri nicht auch beschädigt wird, was einen Strompfad vom (verpolten) Bordnetz zur Li-Po-Batterie zur Folge hat.
Um eine direkte Beschädigung der Li-Po-Batterie und des DLC zu vermeiden dürfen das Bordnetz und insbesondere die Li-Po- Batterie und der DLC auf keinen Fall mit den Verbindungsklemmen eines Starthilfekabels direkt kontaktierbar sein. Dies ist am günstigsten durch eine geeignete Verbindungstechnik der Energiespeicher mit dem Bordnetz und dem darin angeordne- ten Starter und eine gekapselte Konstruktion der Energiespei¬ cher - etwa durch ein isolierendes Gehäuse - zu erreichen.
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von potentiell gefährlichen Situationen bei Fremdstart und Starthilfe bei einem Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbord¬ netzes über einen DC/DC -Wandler gespeist wird.
Die Erfindung umfasst eine Verpolungsschut zschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbord¬ netzes über einen DC/DC-Wandler gespeist wird, wobei die Ver¬ polungsschut zschaltung einen ersten Anschluss für das positive Potential der Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes, einen zweiten Anschluss für das Massepotential des Kraftfahr¬ zeugbordnetzes und einen dritten Anschluss für ein Hilfspo¬ tential sowie einen Schalter aufweist, der mit seiner ersten Klemme mit dem ersten Anschluss und mit seiner zweiten Klemme mit dem dritten Anschluss verbunden ist. Die erfindungsgemäße Verpolungsschut zschaltung weist außerdem eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des Steuer-Anschlusses des Schalters auf, die mit den drei Anschlüssen zu ihrer Versorgung verbunden und derart ausgebildet ist, dass der Steuer-Anschluss zum Einschalten des Schalters nur angesteuert wird, wenn das Po¬ tential am dritten Anschluss höher ist als ein Referenzpotential.
Hierdurch ist die sichere Kontaktierung von Starthilfekabeln (-klemmen) dergestalt erlaubt, dass bei Verbindung des Bord¬ netzes mit einer Starthilfe leistenden Spannungsquelle rich¬ tiger Polarität ein für die Starthilfe geeigneter Stromfluss zugelassen wird und bei Verbindung mit falscher Polarität ein schädlicher Stromfluss verhindert wird. Zudem ist auch si- chergestellt , dass ebenfalls kein schädlicher Strom fließen kann, wenn beim Starthilfe empfangenden Kraftfahrzeug ein Kurzschluss im Bordnetz vorliegen sollte.
Die Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes über einen DC/DC- Wandler gespeist wird und an seinen Klemmen eine erfindungs¬ gemäße Verpolungsschut zschaltung aufweist. In vorteilhafter Weise ist die Verpolungsschut zschaltung mit dem DC/DC-Wandler in einem Gehäuse insbesondere dem Gehäuse für den Energiespeicher angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die AnsteuerSchaltung eine Referenzspannungserzeugungsschaltung auf, die eine Referenzspannung entweder aus dem Potential am ersten oder am Potential am dritten Anschluss ableitet. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einer vorliegenden Verpo- lung und damit einem falschen Potential am dritten Anschluss der Verpolungsschut zschaltung die Referenzspannung aufgrund des am ersten Anschluss anliegenden positiven Potentials der Bordnetzspannung korrekt erzeugt wird und der Schalter abgeschaltet bleibt.
Zum Erkennen, ob eine Verpolung vorliegt, weist die Ansteuerschaltung der Verpolungsschut zschaltung in vorteilhafter Weiterbildung eine Vergleicherschaltung mit einem ersten und einem zweiten Eingang auf, wobei der erste Eingang mit dem Re- ferenzpotential und der zweite Eingang mit dem dritten An¬ schluss verbunden ist.
Der zweite Eingang ist in weiterer vorteilhafter Weiterbildung über einen Spannungsteiler und eine Diode mit dem drit- ten Anschluss verbunden.
Der Schalter kann mit einem Leistungstransistor oder einem Relais, dessen Steuerstrecke über einen Halbleiterschalter angesteuert wird, gebildet sein.
Im Falle der Ausbildung des Schalters mit einem Leistungs¬ transistor weist die Ansteuerschaltung in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Spannungsverdopplerschaltung auf, die von einer von der Vergleicherschaltung angesteuerten Oszillator- Schaltung angesteuert wird. Deren Ausgangsanschlüsse sind mit dem Source- und dem Gateanschluss des Leistungstransistors verbunden, sodass sich am Gateanschluss des Leistungstransis¬ tors ein gegenüber dem Sourceanschluss höheres Potential ein¬ stellt, wenn die Oszillatorschaltung von der Vergleicher- Schaltung angesteuert wird, falls das Potential am dritten
Anschluss höher ist als das Referenzpotential. Leistungstran¬ sistoren benötigen zum sicheren Durchschalten eine Spannung am Gate, die gegenüber dem Sourcepotential einige Volt be¬ trägt. Wenn für die logische Vergleicherschaltung eine übli- che auf Versorgung mit 5 Volt basierende Schaltungstechnik verwendet wird, reicht deren Ausgangsspannung, die üblicherweise unter 5Volt liegt, möglicherweise nicht für eine siche¬ re Aufsteuerung des Leistungstransistors. Durch die Spannung- sverdopplerschaltung kann dies in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sichergestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit angedeuteten Starthilfekabeln,
Fig. 2 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit einem
DC/DC-Wandler,
Fig. 3 ein innovatives Kraftfahrzeugbordnetz mit erfindungsgemäßer Verpolungsschütz Schaltung,
Fig. 4 eine schaltungstechnische Realisierung einer erfindungsgemäßen Verpolungsschut zschaltung mit einem Leistungstransistor als Schalter und
Fig. 5 eine schaltungstechnische Realisierung einer erfindungsgemäßen Verpolungsschut zschaltung mit einem Relais als Schalter.
Fig. 1 zeigt ein - gegenüber heute üblichen - innovatives Kraftfahrzeugbordnetz, wie es jedoch bereits beispielsweise aus der DE 10 2007 048 342 AI bekannt ist. Statt einer Blei- Säure-Batterie, die das den Generator und den Anlasser auf¬ weisende Bordnetz stützt, ist einerseits ein Kraftfahrzeug¬ bordnetz 1 mit einer Nennspannung von 12 Volt und anderer- seits ein Energiespeicher 2, der demgegenüber eine oder mehrere höhere Spannungen aufweist, vorgesehen.
Im Kraftfahrzeugbordnetz 1 sind in üblicher Weise Niedervoltverbraucher 3 und 4 sowie der Generator 5 angeordnet. Für ei- nen Fremdstart oder zum Laden des Energiespeichers 2 können am Bordnetz 1 Starthilfekabel 7, 8 angeschlossen werden.
Der Energiespeicher 2 weist im dargestellten Ausführungsbei- spiel eine erste aus Doppelschichtkondensatoren gebildete Batterie DLC mit hoher Leistungsdichte und eine zweite Li¬ thium-Polymer-Batterie Li-Po mit hoher Energiedichte auf. Über einen ersten bidirektionalen DC/DC-Wandler DCDCl kann die zweite Batterie Li-Po durch den Generator 5 geladen wer- den und im Bedarfsfall das Bordnetz 1 stützten. Die erste Batterie DLC ist über einen ersten Schalter Sehl mit einem Starter 6 verbunden und kann über einen zweiten gegebenenfalls bidirektionalen DC/DC-Wandler DCDC2 geladen werden. In Fig. 2 ist der erste DC/DC-Wandler DCDCl etwas detaillierter dargestellt. Er weist in bekannter Weise zwei in Serie mit der zweiten Batterie Li-Po geschaltete Leistungstransis¬ toren Tri und Tr2 auf, deren Verbindungsknoten über eine Spule LI mit dem Kraftfahrzeugbordnetz 1 verbunden ist. Die Leistungstransistoren weisen Substratdioden auf, wobei bei einer Verpolung die Substratdiode des zweiten Leistungstransistors Tr2 den hohen Strom der falsch angeschlossenen Spannungsquelle führt und zerstört werden kann. Aufgrund der üb¬ licherweise baulichen Nähe kann auch der erste Leistungstran- sistor Tri beschädigt werden.
Um dies zu verhindern, ist gemäß Fig. 3 eine erfindungsgemäße Verpolungsschut zschaltung 9 mit einem ersten Anschluss 11 mit dem positiven Potential 12V des Bordnetzes 1, mit einem zwei- ten Anschluss 12 mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 und mit einem dritten Anschluss 13 mit einem ersten Startpfosten SP+ verbunden. Ein zweiter Startpfosten SP- ist mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 verbunden. Die Verpolungsschut z- schaltung 9 ist mit einem Leistungstransistor Tr3, dessen Laststrecke zwischen dem ersten 11 und dem dritten Anschluss 13 geschaltet ist und einer Ansteuerschaltung 10 gebildet. Die Ansteuerschaltung ist mit den drei Anschlüssen 11, 12, 13 verbunden. Abhängig von der Spannung am ersten Startpfosten SP+ und der Bordnetzspannung wird der Leistungstransistor Tr3 ein- oder ausgeschaltet. Gegebenenfalls kann - zu Schutzzwe¬ cken - auch der Strom durch den Leistungstransistor Tr3 er- fasst werden. Die Verpolungsschut zschaltung 9 verbindet das Kraftfahrzeug¬ bordnetz 1 mit dem ersten Startpfosten SP+, wenn dort eine hinreichend große, positive Spannung detektiert wird, indem der Leistungstransistor Tr3 eingeschaltet wird.
Um zu vermeiden, dass diese Verbindung bei einem etwaigen Kurzschluss im externen, Starthilfe leistenden Bordnetz hergestellt wird, nutzt man die Tatsache, dass auch eine entla¬ dene, nicht mehr startfähige Batterie eine Restspannung von beispielsweise 5 bis 11V aufweist. Die Versorgung der Ans¬ teuerschaltung 10 der Verpolungsschut zschaltung 9 erfolgt gemäß der detaillierten Schaltung nach Fig. 4 über wahlweise eine erste Diode Dl und den ersten Startpfosten SP+ aus der externen Spannungsquelle oder über eine zweite Diode D2 aus dem Kraftfahrzeugbordnetz 1. Ein erster Kondensator Cl überbrückt eventuelle kurze Spannungseinbrüche, so dass der nach¬ folgende Spannungsregler IC1 eine stabile Versorgungsspannung von beispielsweise +5V erzeugen kann.
Der Eingang IN des Spannungsreglers IC1 ist hierzu über den ersten Kondensator Cl mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden, der der Verbindung mit dem Masseanschluss des Bordnetzes 1 dient. Der Bezugspotentialanschluss GND des Spannungsreglers IC1 ist ebenfalls mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden. Der Eingang IN des Spannungsreglers IC1 ist über die in Sperr- richtung gepolte erste Diode Dl mit dem dritten Anschluss 13 und über die ebenfalls in Sperrrichtung gepolte zweite Diode D2 mit dem ersten Anschluss 11 verbunden. Der Ausgang OUT des Spannungsreglers IC1 ist über einen zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden und stellt die stabile Versorgungsspannung von beispielsweise +5V bereit.
Parallel zu dem zweiten Kondensator C2 ist eine Serienschal¬ tung aus einem ersten Widerstand Rl und einem zweiten Wider- stand R2 geschaltet. Aus der stabilen Versorgungsspannung von beispielsweise +5V wird über den Spannungsteiler Rl, R2 eine Referenzspannung Ref erzeugt, die an dem ersten Eingang (2) einer Vergleicherschaltung IC2A anliegt. Hierzu ist der Mittelabgriff des Spannungsteilers Rl, R2 mit dem ersten Eingang (2) der Vergleicherschaltung IC2A verbunden.
Zwischen dem dritten Anschluss 13 und dem zweiten Anschluss 12 ist eine Serienschaltung aus einer dritten in Durchlassrichtung gepolten Diode D3, einem dritten Widerstand R3 und einem vierten Widerstand R4 geschaltet. Der Mittelabgriff zwischen dem dritten R3 und vierten Widerstand R4 ist mit dem zweiten Eingang (3) der Vergleicherschaltung IC2A verbunden.
Die Vergleicherschaltung IC2A vergleicht folglich die über den dritten R3 und vierten Widerstand R4 herunter geteilte Spannung am Startpfosten SP+ mit der Referenzspannung Ref. Die dritte Diode D3 verhindert dabei - etwa im Falle einer Verpolung der Starthilfekabel - das Auftreten einer negativen Spannung am zweiten Eingang (3) der Vergleicherschaltung IC2A.
Als Vergleicherschaltung IC2A kann beispielsweise der integrierte Schaltkreis LM393 (National Semiconductor ) verwendet werden. Dessen Ausgang ist als nach Masse schaltender Tran- 1 sistor ausgeführt (open collector) . Solange die mittels der Widerstände R3 und R4 herunter geteilte Spannung am dritten Anschluss 13 bzw. Startpfosten Sp+ kleiner ist als die Refe¬ renzspannung Ref, ist der Ausgangstransistor von der Verglei- cherschaltung IC2A eingeschaltet, so dass der damit verbunde¬ ne Eingang eines nachfolgenden ersten Inverters IC3A Low Pegel hat. Als Inverter IC3A eignet sich beispielsweise der in¬ tegrierte Schaltkreis 74HC14, dessen Eingang als Schmitttrigger ausgeführt ist. Überschreitet die obige Spannung die Re- ferenzspannung Ref, so schaltet der Ausgangstransistor der Vergleicherschaltung IC2A aus und der erste Inverter IC3A bildet nun zusammen mit dem einem Rückkopplungswiderstand R5 und einem dritten Kondensator C3 einen Schmitttriggeroszillator mit Ausgangspegeln von OV und 5V. Der nachfolgende zweite Inverter IC3B invertiert das Signal des ersten Inverters
IC3A. Somit stehen an den Ausgängen der beiden Inverter IC3A und IC3B zwei gegenphasige Signale mit OV und 5V Pegeln an. Die beiden in Serie geschalteten Inverter IC3A und IC3B bilden zusammen mit ihrer Beschaltung R5, C3 eine Oszillator- Schaltung 16.
Deren Ausgangssignale werden über Strombegrenzungswiderstände R6, R7 einer Spannungsverdopplerschaltung 15 zugeführt, die wiederum in bekannter Weise aus Dioden D4 bis D7 und Konden- satoren C4 bis C7 aufgebaut ist. In der Wirkung entsteht bei laufendem Oszillatorschaltung an dem siebten Kondensator C7 am Ausgang der Spannungsverdopplerschaltung 15 eine Spannung von ca. +8V bezogen auf das Sourcepotential des Leistungs¬ transistors Tr3, welche den Leistungstransistor Tr3 einschal- tet und somit den Startpfosten SP+ mit dem Kraftfahrzeugbord¬ netz 1 verbindet. Sinkt die Spannung am Startpfosten SP+ unterhalb der Referenzspannung Ref, so wird die Oszillatorschaltung 16 durch die Vergleicherschalung IC2A angehalten, der siebte Kondensator C7 entlädt sich über einen ihm paral- lel geschalteten achten Widerstand R8 und der Leistungstransistor Tr3 sperrt.
Ergänzend soll noch der Fall, dass die Spannung am ersten Startpfosten SP+ größer ist als die Bordnetzspannung erläutert werden. Hier wird zunächst die Substratdiode des Leis¬ tungstransistors Tr3 leitend. Beim innovativen Bordnetz fließt nun der maximale Strom des ersten Schaltreglers DCDC1, beispielsweise 150A, was den Leistungstransistor Tr3 erheb- lieh erwärmen würde. Da jedoch in diesem Falle die Spannung am ersten Startpfosten SP+ hinreichend groß ist, wird die Os¬ zillatorschaltung 16 freigegeben und der Leistungstransistor Tr3 eingeschaltet. Dadurch sinkt der Spannungsabfall am Leis¬ tungstransistor Tr3 wesentlich und die verbleibende Erwärmung bleibt in einem akzeptablen Bereich.
Alternativ zur Realisierung mit einem Leistungshalbleiter lässt sich die Schaltfunktion des Verpolungsschut zes auch mit einem Relais gemäß Fig. 5 darstellen. Dort sind gleiche Bau- teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 versehen.
Die Erkennung einer Versorgung durch die Vergleicherschaltung IC2A, sowie die Erkennung einer hinreichend großen, positiven Spannung am ersten Startpfosten SP+ bzw. am dritten Anschluss erfolgt in gleicher Weise wie bei der Schaltung gemäß Fig. 4. Der Leistungstransistor Tr3 ist jedoch durch ein Relais Reil ersetzt, das den dritten 13 und den ersten Anschluss 11 ver¬ bindet. Seine Ansteuerung erfolgt über eine vierten Transis¬ tor Tr4, der seinerseits dann eingeschaltet wird, wenn der Ausgangstransistor der Vergleicherschaltung IC2A ausgeschaltet ist. Hierzu ist der Ausgang der Vergleicherschaltung IC2A direkt mit dem Gate-Anschluss des vierten Transistors Tr4 und über einen neunten Widerstand R9 mit der stabilen Versorgungsspannung von beispielsweise 5V verbunden. 1
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Energiespeicher, Startpfosten und Verpolungsschut z konstruktiv vereinigt werden. Die Schaltregler DCDC1 und DCDC2 sowie die Verpolungsschut zschaltung 9 sind mit ähnlichen und teils gleichen elektronischen Bauteilen aufgebaut und auch eine gemeinsame Entwärmung der Leistungsbauteile bietet sich an. Darüber hinaus entsteht so eine Ausgestaltung, die eine ge¬ wisse Ähnlichkeit mit einer üblichen 12V Blei-Säure-Batterie hat. Dieser Wiedererkennungseffekt ist sehr hilfreich, da der Automobilfahrer gewohnt ist, die Starthilfekabel an der Bat¬ terie anzuklemmen.
Die Verpolungsschut zeinrichtung erlaubt in Verbindung mit den Startpfosten SP+, SP- einen gefahrlosen Fremdstart, bzw.
Starthilfe zu einem anderen KFz. Die bekannten Gefahren bei falscher Handhabung mit den Starthilfekabeln sind gebannt - besonders in Hinblick auf das innovative Bordnetz. Der Verpo- lungsschutz kann mit einfachen elektronischen Bauelementen kostengünstig hergestellt werden. Eine funktionale Integrati¬ on in den Energiespeicher des innovativen Bordnetzkonzeptes bietet sich an, da dort bereits ähnliche elektronische Bau¬ teile verwendet werden. Auch wird durch die Ausgestaltung mit Startpfosten eine Ähnlichkeit zur heutigen Blei-Säure- Batterie hergestellt. Zudem ergibt sich aus diesem Konzept noch einen weiterer, ganz wesentlicher Vorteil. Derzeit werden die meisten im Kraftfahrzeug verbauten elektronischen Geräte (Steuergeräte, Radio, Navigationsgerät) am 12V Bordnetz betrieben. Wegen der Gefahr einer Verpolung der Bordnet zspan- nung - sei es durch falschen Einbau der Batterie oder durch falschen Anschluss bei Starthilfe - muss jedes einzelne die¬ ser Geräte - und sogar jeder Ein- und Ausgang davon - verpol- fest oder verpolgeschüt zt ausgeführt sein, um eine Beschädi¬ gung zu vermeiden. Dabei ist anzumerken, dass ein heutiges 1
Fahrzeug der Mittelklasse mit bis zu 50 Steuergeräten ausges¬ tattet ist. Dies lässt erahnen, welch hoher Aufwand für die sichere Beherrschung der Verpolung der Bordnetzspannung investiert wird. Mit dem hier vorgestellten Konzept kann dieser Aufwand komplett entfallen, da eine Verpolung der Bordnetzspannung wirkungsvoll verhindert wird. Die dadurch entstehen¬ de Kostenersparnis ist deutlich höher als die Kosten für den vorgestellten Verpolungsschut z .

Claims

Patentansprüche
Verpolungsschut zschaltung (9) für ein Kraftfahrzeugbordnetz (1), das aus einer Energiequelle (2) mit einer hö¬ heren Spannung als die Nennspannung (12V) des Kraftfahrzeugbordnetzes (1) über einen ersten DC/DC-Wandler
(DCDC1 ) gespeist wird, wobei
die Verpolungsschut zschaltung (9) einen ersten Anschluss
(11) für das positive Potential der Nennspannung (12V) des Kraftfahrzeugbordnetzes (1), einen zweiten Anschluss
(12) für das Massepotential des Kraftfahrzeugbordnetzes (1) und einen dritten Anschluss (13) für ein Hilfspotential aufweist,
die Verpolungsschut zschaltung (9) einen Schalter (Tr3; Reil, Tr4) aufweist, der mit seiner ersten Klemme mit dem ersten Anschluss (11) und mit seiner zweiten Klemme mit dem dritten Anschluss (13) verbunden ist,
die Verpolungsschut zschaltung (9) eine Ansteuerschaltung (10) zur Ansteuerung des Steuer-Anschlusses des Schal¬ ters (Tr3; Reil, Tr4) aufweist, die mit den drei An¬ schlüssen (11, 12, 13) zu ihrer Versorgung verbunden und derart ausgebildet ist, dass der Steuer-Anschluss zum Einschalten des Schalters (Tr3; Reil, Tr4) nur anges¬ teuert wird, wenn das Potential am dritten Anschluss hö¬ her ist als ein Referenzpotential (Ref ) .
Verpolungsschut zschaltung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (10) eine Re ferenzspannungserzeugungsschaltung (14) aufweist, die eine Referenzspannung (Ref) entweder aus dem Potential am ersten (11) oder am Potential am dritten Anschluss (13) ableitet. Verpolungsschut zschaltung (9) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschal¬ tung (10) eine Vergleicherschaltung (IC2A) mit einem ersten und einem zweiten Eingang aufweist, wobei der erste Eingang mit dem Referenzpotential (Ref) und der zweite Eingang mit dem dritten Anschluss (13) verbunden ist .
Verpolungsschut zschaltung (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang über einen Span¬ nungsteiler (R3, R4) und eine Diode (D3) mit dem dritten Anschluss (13) verbunden ist.
Verpolungsschut zschaltung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schalter mit einem Leistungstransistor (Tr3) gebildet ist, dessen Drain-Anschluss die erste Klemme, dessen Source-Anschluss die zweite Klemme und dessen Gate- Anschluss den Steuer-Anschluss bildet.
Verpolungsschut zschaltung (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (10) eine Spannungsverdopplerschaltung (15) aufweist, die von einer von der Vergleicherschaltung (IC2A) angesteuerten Oszillatorschaltung (16) angesteuert wird und deren Aus¬ gangsanschlüsse mit dem Source- und dem Gateanschluss des Leistungstransistors (Tr3) verbunden ist, sodass sich am Gateanschluss des Leistungstransistors (Tr3) ein gegenüber dem Sourceanschluss höheres Potential ein¬ stellt, wenn die Oszillatorschaltung (16) von der Vergleicherschaltung (IC2A) angesteuert wird, falls das Po¬ tential am dritten Anschluss (13) höher ist als das Re¬ ferenzpotential (Ref) . Verpolungsschut zschaltung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter mit ei¬ nem Relais (Reil) gebildet ist, dessen Laststrecke zwi¬ schen dem ersten (11) und dritten Anschluss (13) ge¬ schaltet ist und dessen Steuerstrecke (A, B) über eine Diode (Dl) mit dem dritten Anschluss (13) und über einen Halbleiterschalter (Tr4) mit dem zweiten Anschluss (12) verbunden ist, wobei der Steueranschluss des Schalters durch den Gateanschluss des Halbleiterschalters (Tr4) gebildet ist.
Kraftfahrzeugbordnetz, das aus einer Energiequelle mit einer höheren Spannung als die Nennspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes über einen DC/DC-Wandler (DCDC1) ge¬ speist wird und an seinen Klemmen eine Verpolungsschut z Schaltung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolungsschut zschaltung (9) mit dem DC/DC-Wandler (DCDC1) in einem Gehäuse angeordnet ist.
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