DE19952334C2 - Einrichtung zur Starthilfe bei Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Einrichtung zur Realisierung eines Anschlusses eines Fahrzeugs mit Hochvoltbordnetz mittels eines konventionellen Starthilfekabels für eine Starthilfe an einem Fahrzeug mit 12 V/14 V Batterie/Bordnetz vorgeschlagen mit einem im Hochvoltbordnetz angeordneten symmetrisierenden DC/DC-Wandler und einer Schnittstelle in Form eines Batterieanschlusses für die Starthilfe, die gegenüber dem bisherigen System im wesentlichen unverändert ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Kombination einer speziellen Batterieanordnung und spezieller batteriesymmetriesierender Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler zur Lösung der Starthilfeproblematik in Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung z. B. 42 V.

Im zukünftigen 42 V Bordnetz von Kraftfahrzeugen werden 36/42 V Batterien eingesetzt werden. Wenn diese Batterien leer sind und das Fahrzeug mit einem Starthilfekabel von einem anderen Fahrzeug aus gestartet werden soll, funktioniert das alte Verfahren, nämlich das Verbinden der beiden Fahrzeugbatterien mit einem Starthilfekabel nicht mehr, da im allgemeinen davon ausgegangen werden muß, dass das hilfeleistende Fahrzeug noch mit 12/14 V Bordnetz arbeitet. Ein Verbinden der Batterien kann im ungünstigsten Fall zu einer Explosion der Batterien führen.

Die DE 195 01 925 A1 offenbart eine Schaltung, die es ermöglicht, mit dem Bordnetz eines Zugfahrzeuges die Beleuchtungs- und Signalanlage eines Hängers zu betreiben, wenn diese für eine kleinere Betriebsspannung als die des Zugfahrzeuges ausgelegt ist. Die Anpassung erfolgt mittels einer Schaltung, die eine Zerhackerschaltung umfaßt, die die Signalspannungen in Höhe der Betriebsspannung des Zugfahrzeuges periodisch mit einem derartigen Tastverhältnis so auf die zugeordneten Anschlüsse schaltet, daß Lampen des Hängers im zeitlichen Mittel ihre elektrische Nennleistung aufnehmen. Auf diese Weise werden die Lampen kurzfristig mit einer erhöhten Betriebsspannung des Zugfahrzeuges angesteuert, was aufgrund der Trägheit der Lampen möglich ist, ohne daß die Lebensdauer der Lampen beeinträchtigt wird. Mit dieser Schaltung ist allerdings keine Starthilfe bei Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung möglich.

Die DE 196 49 392 C2 offenbart ein Verbindungskabel zur Spannungserhaltung bei Kraftfahrzeugen durch externe Stromquellen. Dieses Verbindungskabel ermöglicht den Anschluß einer ausgebauten bzw. abgeklemmten Batterie an einem Spannungsversorgungsnetz. Mit diesem Kabel ist ebenfalls keine Starthilfe bei Kraftfahrzeugen mit hohen Bordnetzspannungen möglich.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß im 36/42 V Fahrzeug die Batterie aus mehreren Einzelbatterien wie z. B. 3 × 12 V oder 12 V + 24 V oder einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff aufgebaut ist. Durch z. B. Abdeckungen muß dafür gesorgt werden, daß für einen Außenstehenden nur die Masse der Batterie und der 12 V-Abgriff der Batterie(n) sichtbar ist. An diesem Anschluß/Abgriff kann ein Außenstehender mit seinem Starthilfekabel seine 12 V Batterie aus seinem KFZ für die Starthilfe anschliessen, ohne daß sich für ihn im Vergleich zu den bisherigen Systemen etwas ändert. Der batteriesymetriesierende DC/DC-Wandler im 42 V Fahrzeug entsprechend Fig. 1 bis Fig. 3 sorgt nun dafür, daß die Energie, die am 12 V Abgriff zur Verfügung gestellt wird gleichmäßig auf die anderen Batteriezellen umverteilt wird und das 42 V KFZ dann starten kann.

Auch im Betrieb, können 42 V und 12 V Verbraucher direkt an der Batterie angeschlossen werden, da die Erfindung dafür sorgt, daß der Ladezustand der Batteriezellen trotz unterschiedlicher Belastung durch die Symmetriesierung identisch bleibt.

Das Prinzip läßt sich am einfachsten und vorteilhaftesten in Systemen mit konventionellen Standard-Bleibatterien einsetzen. Die Symmetriesierung hat jedoch auch in anderen Batterietechnologien Vorteile. Der beschriebene Wandler kann auch als bidirektionaler DC/DC-Wandler für z. B. 12 V/14 V eingesetzt werden um am Ausgang einzuspeisende Energie auf die 42 V Spannung umzuformen.

Der in Fig. 4 dargestellte DC/DC Wandler/Verstärker läßt sich besonders kostengünstig und mit wenigen Bauteilen im Vergleich zu konventionellen DC/DC- Wandlern, die auf Einquadrantenbetrieb optimiert wurden und die in Foren und Diskussionsveranstaltungen der Automobilindistrie, als Stromversorgung von 12/14 V Geräten im Hochvoltbordnetz diskutiert werden, realisieren. Wandler dieser Art wurden von Bauteileherstellern wie Linear Technology Inc oder KFZ- Zulieferer wie Delphi öffentlich z. B. auf dem Bordnetzforum der Firma SICAN F + E GmbH, Hannover, vorgestellt.

Die Teilkomponenten der Erfindung sind bereits praktisch erprobt. Die Zwei/Vierquadranten DC/DC Wandler nach Fig. 4b und Fig. 4c wurde in Audio- Anwendungen bereits ausgiebig beschrieben und erprobt. Ihre Schaltungen sind im Prinzip vergleichbar mit den Ausführungen von Servoverstärkern für Motoren und rückspeisefähigen DC-DC Wandlern.

Die Erfindung ermöglicht eine sehr zuverlässige, EMV-Optimierte und kostengünstige Lösung der Aufgabe.

In Fig. 1 zeigt die Anordnung des symmetriesierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer konventionellen 12 V Batterie und einer 24 V Batterie die z. B. aus zwei 12 V Batterien in Serienschaltung aufgebaut sein kann.

Fig. 2 zeigt die Anordnung des symmetriesierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandler aus Fig. 1 und 2 als bidirektionaler DC/DC-Wandler dessen Ausgang als universeller Starthilfeanschluß benutzt wird und der gleichzeitig mit einem zusätzlichen Stützkondensator am Ausgang die 12 V/14 V Versorgung für das Bordnetz übernehmen kann, soweit dies nicht über dezentrale DC/DC-Wandler realisiert wird.

Fig. 4 zeigt die Ersatzschaltbilder des Wandlers in den Fig. 1-3 (Fig. 4a) und die kostengünstige Realisierungsmöglichkeit mit Hilfe eines selbstschwingenden Präsisions-D-Verstärkers (Fig. 4b) oder eines besonders emmissionsarmen bidirektionalen Cuk-Converters.

Die Anordnungen verhalten sich wie ein Zwei/Vierquadrantenverstärker dessen Tastverhältnis über den 1 : 2 Spannungsteiler mit den drei Widerständen R auf ca. 1 : 2 eingestellt wird. Dadurch entsteht am Ausgang eine mittlere Ausgangsspannung von 1/3 der Versorgungsspannung, im geladenen Zustand der 36 V Batterie also 12 V.

Am Beispiel des selbstschwingenden D-Verstärkers erklärt sich das Verhalten wie folgt. Sinkt die mit dem Ausgang verbundene 12 V Batterie unter 12 V erhält sie Energie über S1. Die Anordnung verhält sich wie ein Tiefsetzsteller. Ist die Spannung an der 36 V Batterieklemme kleiner als 3 × der Spannung an der 12 V Batterie, z. B. bei einer externen Starthilfe, entzieht S2 Energie über L aus dem 12 V Anschluß und pumpt Sie wie bei einem Hochsetzsteller zu dem 36 V Anschluß.

Während der Strom durch die Induktivität L gleichförmig ist, sind die Ströme an den Versorgungsspannungspunkten des Wandlers getaktet. Mit einem entsprechenden Layout können die daraus entstehenden EMV-Störungen ausreichend gedämpft werden. Die Grundschaltung muß noch durch eine Strombegrenzung ergänzt werden. Die dazugehörigen Techniken sind in der elektrischen Antriebstechnik bekannt.

Der selbstschwingende Wandler hat gegenüber den auch für diese Anwendung in fragekommenden DC-DC-Wandlern wie sie z. B. mit Bauteilen von LTC, Unitrode, Maxim, etc, . . aufgebaut werden den entscheidenden Vorteil, daß er sehr präzise ist und die im Kondensator C1 gespeicherte Fehlerspannung korrigiert. Damit ist er in der Lage die Klemmenspannung und damit den Ladezustand von Batterien im mV-Bereich präzise und mit wenig Aufwand zu korrigieren.

Durch den Abgriff für die Gegenkopplung des freischwingenden Wandlers vor der Ausgangsinduktivität, verhält sich der Wander wie eine Regelstrecke 1. Ordnung und besitzt daher eine sehr hohe Stabilität gegenüber den Wandlerkonzepten mit Mehrfachgegenkopplung und Abgriff der Istgröße am Ausgang der Filterdrossel.

Der Integrator läßt sich mit einem zusätzlichen Kondensator und Widerstand für eine Rauschformung erweitern, die den Störpegel des Wandlers auf einfacher auszufilternde höhere Frequenzen verschiebt.

Die Schaltung des Wandlers ist ausführlich in der Literatur beschrieben und auch praktisch erprobt:
1. Heinrich Kümmeke; Steuerbarer Oszillator für zahlreiche praktische Anwendungen; ELEKTRONIK 1980, Heft 1;
2. Klaus Gruppenbacher; Linearer Schaltverstärker hoher Leistung, Studienarbeit St 1773 ÜT, TH Darmstadt 1980;
3. Herbert Sax; Schalten statt Heizen, HiFi-Audio-Endstufe mit Pulsweitenmodulation; ELEKTRONIK 1988, Heft 23;
4. Michael König; Schaltregler für Wechselspannungen; ELEKTRONIK 1988, Heft 23.

Der DC/DC-Wandler kann auch als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Konverter entsprechend Fig. 4c aufgebaut werden. Der Wandler ist in US-Patent Nr. 4186437, US 4184197. 3716826 und 3923311.1 ausführlich beschrieben und ist besonders unter EMV-Aspekten für die Anwendung geeignet.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Realisierung eines Anschlusses eines Fahrzeugs mit Hochvoltbordnetz mittels eines konventionellen Starthilfekabels für eine Starthilfe an ein Fahrzeug mit 12/14 V Batterie/Bordnetz mit einem im Hochvoltbordnetz angeordneten symmetrisierenden DC/DC-Wandler und einer Schnittstelle in Form eines Batterieanschlusses für die Starthilfe, die gegenüber dem bisherigen System im wesentlichen unverändert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrisierende DC/DC-Wandler ein Zwei/Vierquadranten-DC/DC- Wandler ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler ein selbstschwingender Klasse-D- Verstärker ist, durch den die Batterieanordnung am 12/14 V und 36/42 V Anschluß unterschiedlich durch einen Verbraucher belastbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler ein bidirektionaler CUK-Konverter ist, durch den die Batterieanordnung am 12/14 V und 36/42 V Anschluß unterschiedlich durch einen Verbraucher belastbar ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Hochvoltbordnetz umfaßt:
drei identische in Serie geschaltete Batterien, oder eine Batterie mit 12 V und
eine Batterie mit 24 V oder eine 36 V Batterie mit 12 V Abgriff.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Hochvolt Batterie/Bordnetz ohne 12 V Abgriff durch Schaltung eines Stützkondensators zwischen einer Masse und einem Ausgang des DC/DC-Wandlers, an dem der 12 V Batterieanschluß zur Starthilfe anliegt, die am Stützkondensator abfallende Spannung der Versorgung des 12 V/14 V Bordnetzes dient.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler die Batterien exakt symmetrisiert, wobei durch Ladungsaustausch die Batterien auf dem gleichen Ladezustand gehalten werden.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß eine an dem Ausgang des DC/DC-Wandlers anliegende Spannung durch einen diesem nachgeschalteten integrierenden Feldverstärker, vorzugsweise einem Integrator, korrigierbar ist, um einen exakten Ladungsausgleich zwischen dem 12 V Bordnetz und dem Hochvoltbordnetz zu erreichen.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel zur internen Gegenkopplung zwischen einem Abgriff vor einem Ausgangsfilter und dem DC/DC-Wandler zur Stabilisierung eines Signals des DC/DC-Wandlers vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Mittel zur Reduzierung des Störpegels des DC/DC-Wandlers mit einer aus der Audiotechnik bekannten Rauschformung in Sigma-Delta A/D- und D/A-Wandlern enthält.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10 gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Strombegrenzungsschaltung, zum Schutz der Schaltung und zur Einhaltung von maximalen Ladeströmen der Batterie.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Steuereingang an dem DC- DC-Wandlers für einen Anschluß eines externen Lichtmaschinenreglers der Batterie, durch den zum Schutz der Einrichtung eine Überladung der Batterie durch eine externe Quelle am Starthilfeanschluß gestoppt wird.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ferner umfaßt:
eine Diagnoseschaltung mit Schnittstelle zum Fahrzeug-Bussystem um Informationen über den Batterieladezustand und die Batteriesymmetrie an einen übergeordneten Zentralrechner übermitteln zu können.