DE102004019817A1

DE102004019817A1 - Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102004019817A1
Application number: DE200410019817
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler; Konrad Aigner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-24

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen, die von einer Batterie mit einer Bordnetzspannung versorgt werden und die durch eine Pyrosicherung mit einem pyrotechnischen Schaltelement vor einer Verpolung der Batterie schützt, ist zum Schutz der elektrischen Verbraucher vor Überspannungen der Bordnetzspannung ein mit dem positivem Anschluss der Batterie verbundener Spannungskomparator zur Ansteuerung der Pyrosicherung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wie sie aus der DE 199 01 351 A1 bekannt ist.

Die von einer Batterie versorgten elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen müssen vor einer Verpolung der Batterie beim Fremdstart oder dem Einbau einer Ersatzbatterie mit vertauschter Polbelegung geschützt werden, da dies zu einer Beschädigung oder Zerstörung der elektrischen Verbraucher führen kann. Zu diesem Zweck ist bei der gattungsgemäßen DE 199 01 351 A1 eine Pyrosicherung als elektrisch steuerbarer Schalter mit einem pyrotechnischen Schaltelement und einem pyrotechnischen Zündelement vorgesehen.

Oftmals müssen die elektrischen Verbraucher in Kraftfahrzeugen jedoch außer vor Verpolungen der Batterie auch vor anderen schädlichen Einflüssen geschützt werden, wodurch zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich sind, die einen hohen Aufwand verursachen.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die elektrische Verbraucher in Kraftfahrzeugen auch vor Überspannungen geschützt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Erfindungsgemäß weist die vorgestellte Schaltungsanordnung zum Schutz der elektrischen Verbraucher vor Überspannungen der Bordnetzspannung (der Versorgungsspannung auf dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs) zur Ansteuerung der Pyrosicherung ein mit dem positivem Anschluss der Batterie (d.h. mit der Plus-Klemme der Batterie, insbesondere mit der hiervon ausgehenden Versorgungsleitung) verbundenen Spannungskomparator auf. Dieser Spannungskomparator ist insbesondere als spannungsvergleichendes Halbleiterbauelement ausgebildet, vorzugsweise als Zenerdiode, deren Kathode mit dem positivem Anschluss der Batterie (d.h. mit der Plus-Klemme der Batterie, insbesondere mit der hiervon ausgehenden Versorgungsleitung) verbunden ist. Hierdurch werden im Bordnetz insbesondere infolge einer Verpolung der Batterie beim Fremdstart (bsp. bei einem sog. Jump-Start mit der 24 V – Batterie eines Lastkraftwagens) auftretende negative Spannungen oder Überspannungen detektiert; beim Erreichen eines bestimmten Spannungsschwellwerts wird die Pyrosicherung angesteuert, die die Bordnetzleitung (Plusleitung oder Minusleitung) von der Batterie trennt.

Die Ansteuerung der Pyrosicherung erfolgt insbesondere über einen als Zenerdiode mit Reihenwiderstand (Begrenzungswiderstand) ausgebildeten Spannungskomparator. Die Zenerdiode wird bei Verpolung in Durchlassrichtung und bei Überspannung in Sperrrichtung leitend und liefert dadurch die erforderliche Zündenergie (den erforderlichen Zündstrom) für die Zündkapsel der Pyrosicherung. Zur Einstellung der Zündenergie (insbesondere des Zündstroms) für die Zündkapsel der Pyrosicherung ist die Kathode der Zenerdiode über den Begrenzungswiderstand mit dem positivem Anschluss der Batterie verbunden (d.h. mit der Plus-Klemme der Batterie, insbesondere mit der hiervon ausgehenden Versorgungsleitung).

Dieser Begrenzungswiderstand ist auf die Eigenschaften der Zündkapsel abgestimmt, wobei Begrenzungswiderstand und Zenerdiode vorzugsweise so dimensioniert sind (Widerstandswert des Begrenzungswiderstands und Durchbruchspannung der Zenerdiode), dass ein Ansprechen der Zündkapsel und damit ein Auslösen des pyrotechnischen Zündelements der Pyrosicherung oder ein Durchbruch der Zenerdiode bei einer Mindestspannung und einer Mindestzeitdauer von schädlichen Spannungseinflüssen in Form von Verpolspannung und positiven Spannungsspitzen der Bordnetzspannung auf der Versorgungsleitung erfolgt, so dass die über die Versorgungsleitung ans Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher effizient geschützt sind. Bsp. wird die Schaltungsanordnung so dimensioniert, dass eine Verpolspannung von mehr als 3 V bei einer Zeitdauer von mehr als 0.5 s nicht überschritten werden kann und (positive) Spannungsspitzen der Bordnetzspannung von mehr als 20 V über eine Zeitdauer von mehr als 1 s nicht zugelassen werden (kurzzeitige Spannungsspitzen mit einem höheren Spannungswert von bsp. über 20 V dürfen dagegen kurzzeitig auftreten, bsp. während einer Zeitdauer von weniger als 0.5 s).

Falls das pyrotechnische Schaltelement der Pyrosicherung mit dem negativen Anschluss der Batterie verbunden ist, d.h. mit der Minus-Klemme der Batterie, insbesondere mit der hiervon ausgehenden Masseleitung, kann die Pyrosicherung zusammen mit dem zur Ansteuerung vorgesehenen Spannungskomparator, (insbesondere der Zenerdiode) als einstückiges Bauteil und damit als auf einfache Weise anzubringendes und wieder zu entfernendes Austauschteil in die Masseleitung integriert werden oder an die Minus-Klemme der Batterie angebaut werden, so dass Übergangswiderstände verursachende Schraubverbindungen nicht erforderlich sind. Insbesondere kann die Pyrosicherung auch zusammen mit einer zur Bestimmung des Batteriestroms vorgesehenen Strommesseinrichtung (einem Stromsensor) in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden, wobei die Pyrosicherung vorzugsweise gleichzeitig als Messwiderstand (Shunt) für die Strommesseinrichtung (den Stromsensor) zur präzisen Ermittlung des Batteriestroms herangezogen werden kann.

Falls das pyrotechnische Schaltelement der Pyrosicherung mit dem positiven Anschluss der Batterie verbunden ist, d.h. mit der Plus-Klemme der Batterie, insbesondere mit der hiervon ausgehenden Versorgungsleitung, kann eine zusätzliche Ansteuerung der Pyrosicherung durch ein bereits im Kraftfahrzeug vorhandenes Steuersignal erfolgen, bsp. dem von einem Crashsensor erzeugten Crashsignal, über das die Auslösung der Zündkapsel und damit der Pyrosicherung gesteuert wird.

Vorteilhafterweise wird durch die vorgestellte Schaltungsanordnung auf einfache Weise ein effektiver Schutz der ans Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher insbesondere vor Verpolspannungen und vor positiven Spannungsspitzen der Bordnetzspannung erreicht.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung (1 bis 4) soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.
Hierbei zeigen
1 das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern eines Kraftfahrzeugs,
2 das Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern eines Kraftfahrzeugs,
3 das Prinzipschaltbild einer dritten Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern eines Kraftfahrzeugs,
4 das Prinzipschaltbild einer vierten Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern eines Kraftfahrzeugs.
Die Spannungsversorgung der elektrischen Verbraucher 3 eines Kraftfahrzeugs wird über das Bordnetz 4 des Kraftfahrzeugs mittels der von einem Generator 2 gespeisten Batterie 1 des Kraftfahrzeugs realisiert. Zum Zwecke einer zuverlässigen Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 3 mit der Bordnetzspannung U_B, insbesondere zum Schutz der elektrischen Verbraucher 3 vor Verpolungen der Batterie 1 (bsp. beim Einbau einer Ersatzbatterie oder bei Fremdstart) und vor Überspannungen der Bordnetzspannung U_B (der Versorgungsspannung im Bordnetz 4) ist die Schaltungsanordnung 6 mit einer Pyrosicherung 5 vorgesehen.
Gemäß der 1 weist die Pyrosicherung 5 hierzu ein bsp. in der vom negativen (-) Anschluss 13 der Batterie 1 ausgehenden Verbindungsleitung 15 (der Masseleitung) angeordnetes pyrotechnisches Schaltelement 7 und eine Zündkapsel 8 auf, die von einem bsp. als Zenerdiode 9 ausgebildeten Spannungskomparator und einem hierzu in Reihe geschalteten Begrenzungswiderstand 10 angesteuert werden. Bsp. ist das Gehäuse der Pyrosicherung 5 am negativen (-) Anschluss 13 der Batterie 1 (der Polklemme) angebracht. Die Kathode 11 der Zenerdiode 9 ist über den Begrenzungswiderstand 10 mit der vom positiven Anschluss 12 der Batterie 1 ausgehenden Versorgungsleitung 14 verbunden. Bei Verpolungen der Batterie 1, d.h. bei einer Vertauschung von positivem (+) Anschluss 12 und negativem (-) Anschluss 13 der Batterie 1, wird die im Normalfall in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode 9 leitend; der hierdurch fließende Steuerstrom bewirkt ein Auslösen der Zündkapsel 8 und als Folge hiervon ein Schalten des pyrotechnischen Schaltelements 7 und damit ein Auslösen der Pyrosicherung 5, wodurch die vom negativen Anschluss 13 der Batterie 1 ausgehende Verbindungsleitung 15 (die Masseleitung) und somit die Spannungsversorgung für alle an das Bordnetz 4 angeschlossenen elektrischen Verbraucher 1 unterbrochen wird.
Ebenso wird infolge hoher Spannungsspitzen der Bordnetzspannung U_B im Bordnetz 4 auf der Versorgungsleitung 14 bei einem Fremdstart mit einer 24 V – Batterie („Jump-start") die Durchbruchspannung der Zenerdiode 9 überschritten, so dass die Zenerdiode 9 in einen leitenden Zustand übergeht, wodurch der fließende Strom die Pyrosicherung 5 auslöst.
Über den Begrenzungswiderstand 10 kann die Ansprechempfindlichkeit der Zündkapsel 8 und damit die Auslöseschwelle der Pyrosicherung 5 eingestellt werden. Bsp. ist eine Zenerdiode 9 mit einer Durchbruchspannung (Zenerspannung) von 20 V mit einem Begrenzungswiderstand 10 vorgesehen, so dass ein Auslösen der Zündkapsel 8 und damit der Pyrosicherung 5 beim Überschreiten von Spannungswerten von mehr als 20 V über einen Mindestzeitraum von 0.5 s und bei Spannungswerten von weniger als 20 V erst nach einem längeren Zeitraum erfolgt.
Gemäß der 2 weist die Schaltungsanordnung zum Schutz der elektrischen Verbraucher 3 neben der Pyrosicherung 5 eine Strommesseinrichtung 16 auf. Diese zur Bestimmung des Batteriestroms I_B mittels eines hochpräzisen Messwiderstands (Shunts) dienende Strommesseinrichtung 16 ist in der vom negativen (-) Anschluss 13 der Batterie 1 ausgehenden Verbindungsleitung 15 (der Masseleitung) zwischen dem negativen (-) Anschluss 13 der Batterie 1 (der Polklemme) und dem pyrotechnischen Schaltelement 7 der Pyrosicherung 5 angeordnet und liefert über die Datenleitung 17 Messwerte des Batteriestroms I_B und anderer Kenngrößen wie bsp. Spannung oder Temperatur, mittels denen eine Aussage über den Zustand und damit die Funktionsfähigkeit der Batterie 1 getroffen werden kann. Die Pyrosicherung 5 und die Strommesseinrichtung 16 können hierbei in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden und damit als einstückiges Bauteil in der Masseleitung 15 integriert werden, bsp. am negativen (-) Anschluss 13 der Batterie 1 (der Polklemme) angebracht werden. Hierbei kann das pyrotechnische Schaltelement 7 der Pyrosicherung 5 gleichzeitig als Messwiderstand (Shunt) für die Strommesseinrichtung 16 herangezogen werden, d.h. zur Bestimmung des Batteriestroms ist in diesem Falle kein separater Messwiderstand in der Strommesseinrichtung 16 erforderlich.
Gemäß der 3 ist das pyrotechnische Schaltelement 7 der Pyrosicherung 5 in der vom positiven (+) Anschluss 12 der Batterie 1 ausgehenden Verbindungsleitung 14 (der Versorgungsleitung) angeordnet. In diesem Falle kann der Steuerstrom für die Zündkapsel 8 und damit das Schalten des pyrotechnischen Schaltelements 7 über das Eingangsschaltelement 18 in Abhängigkeit eines externen Schaltsignals 19 gesteuert werden. Als externes Schaltsignal 19 kann insbesondere ein im Kraftfahrzeug bereits generiertes und damit anderweitig zur Verfügung stehendes Schaltsignal herangezogen werden, bsp. das auf einen Unfall hindeutende Crashsignal eines Crashsensors.
Gemäß der 4 sind zum Einstellen der Zündenergie der Zündkapsel 8 im Falle einer Verpolung der Batterie 1 und im Falle von Überspannungen auf dem Bordnetz 4 zwei unterschiedliche Widerstände 10, 21 vorgesehen. Der mit der Zenerdiode 9 verbundene Widerstand 10 dient hierbei zum genauen Einstellen der Zündenergie der Zündkapsel 8 im Falle einer Verpolung der Batterie 1, der mit der Diode 20 verbundene Widerstand 21 dient zum genauen Einstellen der Zündenergie der Zündkapsel 8 im Falle von Überspannungen auf dem Bordnetz 4.

1: Batterie
11: Kathode der Zenerdiode
2: Generator
12: positiver Batterieanschluss
3: elektrischen Verbraucher
13: negativer Batterieanschluss
4: Bordnetz
14: Versorgungsleitung
5: Pyrosicherung
15: Masseleitung
6: Schaltungsanordnung
16: Strommesseinrichtung
7: pyrotechnisches Schaltelement
17: Datenleitung
8: Zündkapsel
18: Eingangsschaltelement
9: Zenerdiode
19: Crashsignal
10: Begrenzungswiderstand
20: Diode
21: Widerstand
U_B: Bordnetzspannung
I_B: Batteriestrom

Claims

Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern (3) in Kraftfahrzeugen, die von einer Batterie (1) mit einer Bordnetzspannung (U_B) versorgt werden und die durch eine Pyrosicherung (5) mit einem pyrotechnischen Schaltelement (7) vor einer Verpolung der Batterie (1) geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrosicherung (5) zum Schutz der elektrischen Verbraucher (3) vor Überspannungen der Bordnetzspannung (U_B) von einem mit dem positivem Anschluss (12) der Batterie (1) verbundenen Spannungskomparator (9) angesteuert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungskomparator (9) eine Zenerdiode ist, deren Kathode (11) mit dem positivem Anschluss (12) der Batterie (1) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (11) der Zenerdiode (9) über einen Begrenzungswiderstand (10) mit dem positivem Anschluss (12) der Batterie (1) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungswiderstand (10) so dimensioniert ist, dass ein Auslösen der Pyrosicherung (5) bei einer Verpolspannung von mehr als 3 V und einer Mindestdauer von 0.5 s erfolgt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (9) so dimensioniert ist, dass ein Auslösen der Pyrosicherung (5) bei einer Bordnetzspannung (U_B) von mehr als 20 V und einer Mindestdauer von 1 s erfolgt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Schaltelement (7) der Pyrosicherung (5) mit dem negativen Anschluss (13) der Batterie (1) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrosicherung (5) als einstückiges Bauteil in die vom negativen Anschluss (13) der Batterie (1) ausgehende Masseleitung (14) integriert ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrosicherung (5) als einstückiges Bauteil an die negative Polklemme der Batterie (1) angebaut ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrosicherung (5) und eine zur Bestimmung des Batteriestroms (I_B) vorgesehene Strommesseinrichtung (16) in einem gemeinsam Gehäuse integriert sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Schaltelement (7) der Pyrosicherung (5) der Messwiderstand für die Strommesseinrichtung (16) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Schaltelement (7) der Pyrosicherung (5) mit dem positiven Anschluss (12) der Batterie (1) verbun den ist, und dass die Ansteuerung des pyrotechnischen Schaltelements durch ein externes Steuersignal (19) erfolgt.