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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltkreis-Bauteil zur Stabilisierung von Kraftfahrzeugbordnetzen.
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Stand der Technik
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In modernen Kraftfahrzeug-Bordnetzen sind neben permanent laufenden Stromsystemen wie Navigations-, Sicherheits- und Infotainmentsystemen Kurzzeit-Hochlastverbraucher wie die Start-Stopp-Funktion und die elektrisch unterstützte Lenkung (EPS) eingebaut. Dadurch kommt es zum Auftreten von Lastspitzen, die zu Spannungseinbrüchen unter die Nennspannung des Bordnetzes, zumeist 12 V, führen. Diese Spannungseinbrüche haben Komforteinbußen wie flackerndes Innenlicht, Aussetzer im Infotainment und in der Telematik oder andere Systemunterbrechungen zu Folge.
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Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen, für empfindliche Verbraucher in der Bordnetzarchitektur spannungsstabilisierende Klemmen vorzusehen. Hierzu wird konventionell eine Stützbatterie eingesetzt. Auch sind konventionelle Relais zur Klemmenschaltung zusammen mit einem DC/DC-Wandler (Gleichstromwandler) als separate, aktive Leistungselektronik bekannt. Die herkömmlichen Lösungen arbeiten kontinuierlich, nehmen permanent Strom auf und weisen typische Wirkungsgradverluste von 10–20% auf. Die Nachteile dieser herkömmlichen Lösungen sind somit der für das Schaltkreis-Bauteil benötigte zusätzliche Bauraum sowie die durch die aktive Leistungselektronik bedingte Wärmeentwicklung, die zu aufwändigen Kühlmaßnahmen führt und ebenfalls zusätzlichen Bauraum beansprucht.
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Bauraumsparende Lösungen sind zudem bisher nur von Elektronikbauteilen bekannt, die zur Abwärtswandlung von Spannungsspitzen bzw. Überstromzuständen beim Ein- und Ausschalten von Stromverbrauchern eingesetzt werden. Hier ist als Beispiel die in der
EP 1 345 795 B1 offenbarte Schaltung zu nennen.
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Die
DE 198 38 003 A1 offenbart eine Schaltung zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugbordnetzes, die eine Diode und einen dazu parallel geschalteten Aufwärtswandler, der bei Auftreten einer Unterschaltung zugeschaltet werden kann, aufweist. Sofern die Eigenspannung größer oder gleich der Nennspannung ist, findet keine Wandlung statt.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltkreis-Bauteil zur Stabilisierung von Kraftfahrzeugbordnetzen zu entwickeln, welches wie herkömmliche Bausteine ansteuerbar ist, dabei jedoch leicht zu kühlen ist und nur geringen Bauraum beansprucht. Diese Aufgabe wird mit einem Schaltkreis-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Schalkreis-Bauteil zur Kraftfahrzeugbordnetzstabilisierung umfasst die Funktion eines elektronischen Relais in Kombination mit der Funktionalität einer DC/DC-Wandlerschaltung. Das Schaltkreis-Bauteil ist derart eingerichtet, um den Lastpfad zu schalten und im durchgeschalteten Zustand die Spannung im Lastpfad durch eine DC/DC-Aufwärtswandlung auf die Nennspannung zu stabilisieren.
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Die Aufwärtswandlung geschieht nicht kontinuierlich, sondern nur für den zeitlich begrenzten Fall, in dem es zum Einbruch der Bordnetzspannung, d. h. zum Einbruch der Eingangsspannung des Schaltbauteils, z. B. durch den Motorstart, kommt. Das Intervall, in dem eine aktive Aufwärtswandlung der DC/DC-Wandlerschaltung vorgenommen wird, kann über die bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Systemen notwendigerweise vorhandenen Systeme zur Batterie-Zustandserkennung und zum Energiemanagement gesteuert werden.
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Die DC/DC-Wandlerschaltung des erfindungsgemäßen Schaltkreis-Beuteils wandelt nicht abwärts, d. h. in Fällen, in denen die Bordnetzspannung (Eingangsspannung) höher als die Nennspannung ist, ist der Schaltkreis inaktiv bzw. wandlungsfrei. Durch den diskontinuierlichen, eventabhängigen Betrieb der DC/DC-Wandlerschaltung entsprechen die wirkungsgradabhängigen Verluste nur einem Bruchteil der Verluste der Systeme, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Durch die geringere Verlustleistung der DC/DC-Wandlerschaltung kann auf eine aufwändige Kühlung des Schaltkreis-Bauteils verzichtet werden. Das Schaltkreis-Bauteil lässt sich somit in seinen Abmessungen minimieren. Die Nennspannung bzw. der Durchlassbereich sind natürlich keine exakten Werte bzw. Wertbereiche, sondern sind als mit Toleranzgrenzen versehene Werte anzusehen. Eine übliche Toleranzgrenze für den Spannungsabfall über das Bauteil im durchgeschalteten Zustand ist hierbei +/–200 mV. Ebenso versteht sich, dass die Stabilisierung auf die Nennspannung so zu verstehen ist, dass die DC/DC-Wandlerschaltung die Spannung des Lastpfades auf ein um die Nennspannung liegendes Fenster stabilisiert. Dieses Fenster beträgt typischerweise +/–0,5 V.
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Der Schaltkreis stabilisiert bei einem Spannungsabfall des Bordnetzes die Spannung des Lastpfades nach dem Spannungseinbruch für eine vorbestimmte maximale Zeit. Diese zeitliche Begrenzung dient dazu, eine übermäßige Erwärmung des Schaltkreis-Bauteils zu vermeiden.
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Bei einem länger als die vorbestimmte Zeit dauernden Spannungsabfall auf einen reduzierten Spannungswert wird die Bordnetzspannung zunächst für die vorbestimmte Zeit nach Beginn des Spannungsabfalls auf die Nennspannung stabilisiert und danach auf den unterhalb der Nennspannung liegenden reduzierten Spannungswert stabilisiert. Dieses Merkmal ist insbesondere bei einem längeren Spannungseinbruch von Vorteil, wenn das Bordnetz mit Hochlast nur aus der Batterie unterstützt wird.
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Vorteilhaft ist, wenn das Schaltkreis-Bauteil bei einem weiteren Spannungsabfall unter den reduzierten Spannungswert die Bordnetzspannung für die vorbestimmte Zeit auf den reduzierten Spannungswert stabilisiert. Dies kommt beispielsweise zum Tragen, wenn eine elektrische Servolenkung (EPS) bei abgeschaltetem Motor, d. h. ohne Generatorunterstützung, aktiviert wird.
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Bevorzugt beträgt die vorbestimmte Zeit 1,5 s, was ein Wert ist, der in der Praxis der Dauer eines Startvorgangs bei modernen Start-Stopp-Systemen entspricht. Die Nennspannung beträgt bevorzugt 12 V, während der reduzierte Spannungswert bevorzugt 1 V unter der Nennspannung liegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schaltkreis-Bauteil in Sicherungs- und/oder Relaisboxen eines Kraftfahrzeugs steckbar. Dies wird durch die reduzierten Abmessungen ermöglicht und hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum notwendig ist und das erfindungsgemäße Bauteil für verschiedene Spannungsempfindliche Verbraucher verwendet werden kann.
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Das Schaltkreis-Bauteil besitzt bevorzugt Steckkontakte, die einem ISO-Mini– oder ISO-Maxirelais entsprechen. Dadurch wird maximale Kompatibilität mit vorhandenen Sicherungs- und/oder Relaisboxen in Kraftfahrzeugen gewährleistet und auch die Ansteuerung über Kontakte wie bei einem ISO-Relais ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltkreis-Bauteils der Erfindung ist ein Mikroprozessor zur Steuerung der Schaltfunktion des Relais und zur Steuerung der DC/DC-Wandler-Funktionalität. Die externe Ansteuerung der Relaisfunktion (Lastpfad an/aus) kann wie bei einem herkömmlichen Relais beispielsweise über Steuerkontakte erfolgen. Die Steuerung der DC/DC-Wandlerschaltung erfolgt bevorzugt in der Art und Weise, dass ein über eine Spannungsmessung detektierter Spannungseinbruch eine Aktivierung und eine Regelung des Wandlungsverhaltens der DC/DC-Wandlerschaltung durch den Mikroprozessor zur Folge hat. Vorteilhafterweise ist im Mikroprozessor ein Programm gespeichert, das die Spannungswerte für die Steuerung des Relais enthält und anhand dieser das Relais ansteuern kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 graphisch die Unterstützung der Bordnetzspannung bei einem kurzzeitigen Spannungseinbruch durch Lastspitzen zeigt; und
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2 die Unterstützung der Bordnetzspannung bei einem länger andauernden Spannungseinbruch zeigt, bei dem die nichtgestützte Bordnetzspannung für mehr als 1,5 s unter der Nennspannung bleibt.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Schaltkreis-Bauteil umfasst ein elektronisches Relais wie z. B. ein Halbleiterrelais (z. B. MOSFETs oder Leistungstransistoren), die mit einer DC/DC-Wandlerschaltung und mit einem Mikroprozessor für deren Ansteuerung verbunden sind.
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Im Mikroprozessor sind die Spannungswerte sowie die Steuerzeiten und Steuerungsprogramme für die Unterstützung der Bordnetzspannung bei kurzzeitigen sowie länger andauernden Lastspitzen gespeichert. Die Bauteile sind in einem Relaiswürfel mit 25 mm Seitenlänge untergebracht und von einem metallischen Gehäuse zur besseren Wärmeabfuhr umgeben. Die Steckkontakte sind Schnellsteckkontakte nach der ISO 8092-1 Norm. Das Bauteil ist in einen Steckplatz in einer Sicherungs- und Relaisbox eines Kraftfahrzeugs eingesteckt. Über diesen Steckplatz erfolgt die Versorgung und Klemmenschaltung von spannungssensitiven Verbrauchern wie Infotainment, Telematik oder Innenlicht.
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Aufgrund der im Folgenden beschriebenen Funktionsweise des Schaltkreises beträgt dessen Nennleistung 100–200 W, was für die Versorgung von spannungssensitiven Verbrauchern hinreichend ist. Durch den Einsatz von mehr als einem erfindungsgemäßem Schaltkreis-Bauteil ist die für einen Spannungszweig zur Verfügung stehende Leistung skalierbar.
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Eine ausreichende Kühlung des Schaltkreis-Bauteils kann sowohl über das metallische Gehäuse als auch über die Steckkontakte, mit der Wärmesenke des Steckplatzes (z. B. Stanzgitter), erfolgen.
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Im Normalbetrieb, wenn der Anlasser als Kurzzeithochlastverbraucher nicht aktiv ist, befindet sich die den Verbrauchern zur Verfügung gestellte Spannung des Lastpfades Uout auf der von der Batterie (bei ausgeschaltetem Motor) bzw. von der Batterie und der Lichtmaschine (bei eingeschaltetem Motor) bereitgestellten Nennspannung von 12 V bzw. 14 V. In diesem so genannten Durchlassbereich toleriert der Schaltkreis einen Spannungsabfall von typischerweise 150 mV bei Nennlast, ohne die DC/DC-Wandlerschaltung zu aktivieren. Das elektronische Relais ist somit durchgeschaltet und der Wandler nicht aktiv, d. h. ohne Taktung.
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Wenn sich das Fahrzeug z. B. beim Halten an der Ampel im gestoppten Zustand befindet, d. h. der Motor durch die Start-Stopp-Funktion ausgeschaltet ist, werden die spannungsempfindlichen Verbraucher im Lastpfad, wie z. B. das Infotainmentsystem oder das Navigationssystem, lediglich von der Batterie gespeist. Wird nun zum Anfahren das Gaspedal betätigt, startet die Start-Stopp-Funktion automatisch den Motor (1, t = 0). Hierbei kommt es zu einer kurzzeitigen Hochlastsituation, bei welcher die von der Batterie an das Bordnetz gelieferte Eingangsspannung Uin von ihrem Nennwert von 12 V beispielsweise auf 9 V abfällt. Der Mikroprozessor erkennt den Spannungsabfall und beginnt mit der Taktung der DC/DC-Wandlerschaltung, welche innerhalb von maximal 10 ms eine stabile Aufwärtswandlung auf die Nennspannung im Lastpfad eingestellt (Uout = 12 V). Diese Unterstützung der Bordnetzspannung Uout wird vom Schaltkreis für maximal 1,5 s aufrechterhalten. Kehrt die Eingangsspannung Uin innerhalb dieser Zeit auf ihren Nennwert von 12 V zurück, so wird dies vom Mikroprozessor erkannt und das Relais wieder durchgeschaltet. Auf diese Weise wird die Erwärmung des Schaltkreis-Bauteils lediglich auf die Zeit des aktiven Aufwärtswandelns begrenzt.
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In 2 ist ein Fall dargestellt, in dem ein länger andauernder Spannungsabfall eintritt. Langzeit-Spannungseinbrüche stellen in Bordnetzen mit Energiemanagement eine Ausnahmesituation dar, können aber z. B. bei beschädigter oder gealterter Batterie auftreten. Hierbei kehrt die Bordnetzspannung nicht rechtzeitig auf die Nennspannung zurück, weil sie z. B. nur aus der Batterie unterstützt wird. Bei einem solchen Langzeit-Spannungseinbruch wird, wie in 1, dieser Spannungseinbruch innerhalb von 10 ms vom Mikroprozessor über die Relaisschaltung und die DC/DC-Wandlerschaltung auf die Nennspannung von 12 V aufwärts geregelt, jedoch kehrt während der 1,5 s dauernden Aktivität des Schaltkreises die Eingangsspannung Uin nicht auf ihren Nennwert zurück. Somit wird nach den 1,5 s die Ausgangsspannung Uout vom Schalkreis auf das reduzierte Spannungsniveau von vorliegend 11 V abgesenkt, auf dem es solange verbleibt, bis die Spannung Uin wieder auf die Nennspannung von 12 V zurückkehrt (in 2 nicht mehr dargestellt). Sollte die Eingangsspannung Uin, nicht auf den Nennwert zurückkehren, sondern stattdessen einen weiteren Einbruch unter das reduzierte Niveau von 11 V erleiden, wird dies wiederum vom Mikroprozessor erkannt und die Relaisschaltung sowie die DC/DC-Wandlerschaltung zur Spannungsstützung entsprechend geschaltet, wobei hier die Spannungsstützung auf das reduzierte Niveau von 11 V erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Schaltkreis-Bauteil umfasst des Weiteren einen Kurzschlussschutz, der bei einem vom Mikroprozessor gemessenen Spannungsabfall der Ausgangsspannung Uout unter 1 V nach spätestens 10 ms den Schaltkreis abschaltet. Ebenso ist ein Überlastschutz vorgesehen, der einerseits thermisch bei Überschreiten einer Grenztemperatur bzw. elektrisch bei Abfall der Ausgangsspannung Uout unter 6 V für mehr als 2 s den Schaltkreis abschaltet.