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DE29919099U1 - Device for starting aid and a starting aid connection in motor vehicles with high electrical system voltage, e.g. 42/14 V vehicle electrical system, using a symmetrical clocked DC / DC converter - Google Patents

Device for starting aid and a starting aid connection in motor vehicles with high electrical system voltage, e.g. 42/14 V vehicle electrical system, using a symmetrical clocked DC / DC converter

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DE29919099U1
DE29919099U1 DE29919099U DE29919099U DE29919099U1 DE 29919099 U1 DE29919099 U1 DE 29919099U1 DE 29919099 U DE29919099 U DE 29919099U DE 29919099 U DE29919099 U DE 29919099U DE 29919099 U1 DE29919099 U1 DE 29919099U1
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Reichard Rudolf De
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REICHARD RUDOLF
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Description

GebrauchsmusteranmeldungUtility model application

Vorrichtung zur Starthilfe und einem Starthilfeanschluß bei KraftfahrzeugenDevice for jump-starting and a jump-start connection for motor vehicles

mit hoher Bordnetzspannung, z.B. 42 / 14V Bordnetz, mittels eineswith high vehicle electrical system voltage, e.g. 42 / 14V vehicle electrical system, by means of a

symmetrierenden getakteten DC/DC-Wandlerssymmetrical switched DC/DC converter

Anmelder:Applicant:

MICRU Silicon Design House GbR mbH Klinger Weg 10a
D-64853 Otzberg
MICRU Silicon Design House GbR mbH Klinger Weg 10a
D-64853 Otzberg

Aktenzeichen: File number :

Anmeldetag:Registration date:
28.10.9928.10.99

: : jtSebraifchöTiuSterannflöldöng'mfcriiidc-ä&^Ti-IO.doc Seite ivom: : jtSebraifchöTiuSterannflöldöng'mfcriiidc-ä&^Ti-IO.doc Page ivom

Vorrichtung zur Starthiifemnd* einem 'StarthNfeanschluß bei KraftfahrzeugenDevice for starting a vehicle with a starting aid connection

mit hoher Bordnetzspannung, z.B. 42 / 14V Bordnetz, mittels eineswith high vehicle electrical system voltage, e.g. 42 / 14V vehicle electrical system, by means of a

symmetrierenden getakteten DC/DC-Wandlerssymmetrical switched DC/DC converter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Starthilfe in Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung z.B. 42V durch die Kombination einer speziellen Batterieanordnung und unter Verwendung spezieller batteriesymmetrierender Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler
Im zukünftigen 42V Bordnetz von Kraftfahrzeugen werden 36/42V 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 12/14V Bordnetz arbeitet. Ein Verbinden der Batterien kann im ungünstigsten Fall zu einer Explosion der Batterien führen.
The invention relates to a device for starting motor vehicles with high on-board voltage, e.g. 42V, by combining a special battery arrangement and using special battery-symmetrical two/four-quadrant DC/DC converters
In the future 42V electrical system of motor vehicles, 36/42V batteries will be used. If these batteries are empty and the vehicle is to be started using a jumper cable from another vehicle, the old method of connecting the two vehicle batteries with a jumper cable no longer works, as it must generally be assumed that the vehicle providing assistance still has a 12/14V electrical system. In the worst case, connecting the batteries can lead to an explosion of the batteries.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß im 36/42V Fahrzeug die Batterie aus mehreren Einzelbatterien wie z.B. 3 &khgr; 12V oder 12V+24V oder einer 36V Batterie mit 12V Abgriff aufgebaut ist. Durch z.B. Abdeckungen muß dafür gesorgt werden, daß für einen Außenstehenden nur die Masse der Batterie und der 12V-Abgriff der Batterie(n) sichtbar ist. An diesem Anschluß/Abgriff kann ein Außenstehender mit seinem Starthilfekabel seine 12V Batterie aus seinem KFZ für die Starthilfe anschliessen, ohne daß sich für ihn im Vergleich zu den bisherigen Systemen etwas ändert. Der batteriesymetrierende DC/DC-Wandler im 42V Fahrzeug entsprechend Bild 1 bis Bild 3 sorgt nun dafür, daß die Energie, die am 12V Abgriff zur Verfügung gestellt wird gleichmäßig auf die anderen Batteriezellen umverteilt wird und das 42V KFZ dann starten kann.The solution to the problem is that in the 36/42V vehicle the battery is made up of several individual batteries, such as 3 x 12V or 12V+24V or a 36V battery with a 12V tap. Covers, for example, must be used to ensure that only the mass of the battery and the 12V tap of the battery(s) are visible to an outsider. An outsider can use his jumper cable to connect his 12V battery from his vehicle to this connection/tap for jump starting without anything changing for him compared to previous systems. The battery-symmetrical DC/DC converter in the 42V vehicle as shown in Figures 1 to 3 ensures that the energy made available at the 12V tap is evenly distributed to the other battery cells and the 42V vehicle can then start.

Auch im Betrieb, können 42V und 12V Verbraucher direkt an der Batterie angeschlossen werden, da die Erfindung dafür sorgt, daß der Ladezustand der Batteriezellen trotz unterschiedlicher Belastung durch die Symmetrierung identisch bleibt.Even during operation, 42V and 12V consumers can be connected directly to the battery, as the invention ensures that the charge level of the battery cells remains identical despite different loads due to the symmetrization.

Das Prinzip läßt sich am einfachsten und vorteilhaftesten in Systemen mit konventionellen Standard-Bleibatterien einsetzen. Die Symmetrierung hat jedoch auch in anderen Batterietechnologien Vorteile. Der beschriebene Wandler kann auch als bidirektionaler DC/DC-Wandler für z.B. 12V /14V eingesetzt werden um am Ausgang einzuspeisende Energie auf die 42V Spannung umzuladen.The principle is easiest and most advantageous to use in systems with conventional standard lead batteries. However, symmetrization also has advantages in other battery technologies. The converter described can also be used as a bidirectional DC/DC converter for e.g. 12V/14V to convert energy fed into the output to the 42V voltage.

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Der in Bild 4 dargestellte OG/Q^WanÜlec/Verstärkfii* 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 12/14V 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.The OG/Q^WanÜlec/Verstärkfii* shown in Figure 4 can be implemented particularly cost-effectively and with few components compared to conventional DC/DC converters which have been optimized for single-quadrant operation and which are discussed in forums and discussion events of the automotive industry as a power supply for 12/14V devices in the high-voltage vehicle network. Converters of this type have been publicly presented by component manufacturers such as Linear Technology Inc or automotive suppliers such as Delphi, for example at the vehicle network forum of the company SICAN F+E GmbH, Hanover.

Die Teilkomponenten der Erfindung sind bereits praktisch erprobt. Die Zwei/Vierquadranten DC/DC Wandler nach Bild 4b und Bild 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.The subcomponents of the invention have already been tested in practice. The two/four-quadrant DC/DC converters shown in Figure 4b and Figure 4c have already been extensively described and tested in audio applications. Their circuits are in principle comparable to the designs of servo amplifiers for motors and regenerative DC-DC converters.

Die Erfindung betrifft die Anordnung der Batterie und die Ausführung des speziellen DC/DC-Wandlers mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche entsprechend Anlage und ermöglicht eine sehr zuverlässige, EMV-Optimierte und kostengünstige Lösung der Aufgabe.The invention relates to the arrangement of the battery and the design of the special DC/DC converter with the characterizing features of the claims according to the system and enables a very reliable, EMC-optimized and cost-effective solution to the problem.

: : iGebraucrvscrfusterarirnddiäng mterubc-clci27ho.doc Seite 3 von: : iGebraucrvscrfusterarirnddiäng mterubc-clci27ho.doc Page 3 of

Blockschaltbilder und teÖhnisohe BeacJfreiburtgidfer LösungBlock diagrams and technical details BeacJfreiburggidfer solution

In Bild 1 zeigt die Anordnung des symmetrierenden 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.Figure 1 shows the arrangement of the symmetrical DC-DC converter for a system consisting of a conventional 12 V battery and a 24 V battery, which can be constructed, for example, from two 12 V batteries connected in series.

Bild 2 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff.Figure 2 shows the arrangement of the symmetrical DC-DC converter for a system consisting of a 36 V battery with a 12 V tap.

Bild 3 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandler aus Bild 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 12V/14V Versorgung für das Bordnetz übernehmen kann, soweit dies nicht über dezentrale DC/DC-Wandler realisiert wird.Figure 3 shows the arrangement of the symmetrical DC-DC converter from Figures 1 and 2 as a bidirectional DC/DC converter whose output is used as a universal jump start connection and which, at the same time, with an additional support capacitor at the output, can take over the 12V/14V supply for the on-board network, provided this is not realized via decentralized DC/DC converters.

Bild 4 zeigt die Ersatzschaltbilder des Wandlers in den Bildern 1-3 (Bild 4a) und die kostengünstige Realisierungsmöglichkeit mit Hilfe eines selbstschwingenden Präsisions-D-Verstärkers (Bild 4b) oder eines besonders emmissionsarmen bidirektionalen Cuk-Converters.Figure 4 shows the equivalent circuit diagrams of the converter in Figures 1-3 (Figure 4a) and the cost-effective implementation option using a self-oscillating precision D amplifier (Figure 4b) or a particularly low-emission bidirectional Cuk converter.

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 36V Batterie also 12V.The arrangements behave like a two/four quadrant amplifier whose duty cycle is set to approximately 1:2 via the 1:2 voltage divider with the three resistors R. This creates an average output voltage of 1/3 of the supply voltage at the output, i.e. 12V when the 36V battery is charged.

Am Beispiel des selbstschwingenden D-Verstärkers erklärt sich das Verhalten wie folgt. Sinkt die mit dem Ausgang verbundene 12V Batterie unter 12 V erhält sie Energie über S1. Die Anordnung verhält sich wie ein Tiefsetzsteller. Ist die Spannung an der 36V Batterieklemme kleiner als 3 &khgr; der Spannung an der 12V Batterie, z.B. bei einer externen Starthilfe, entzieht S2 Energie über L aus dem 12V Anschluß und pumpt Sie wie bei einem Hochsetzsteller zu dem 36V Anschluß.Using the example of the self-oscillating D amplifier, the behavior is explained as follows. If the 12V battery connected to the output falls below 12V, it receives energy via S1. The arrangement behaves like a buck converter. If the voltage at the 36V battery terminal is less than 3 x the voltage at the 12V battery, e.g. with an external jump starter, S2 draws energy from the 12V connection via L and pumps it to the 36V connection like a boost converter.

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.While the current through the inductance L is uniform, the currents at the supply voltage points of the converter are clocked. With an appropriate layout, the resulting EMC interference can be sufficiently dampened. The basic circuit must still be supplemented by a current limiter. The associated techniques are well known in electrical drive technology.

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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.The self-oscillating converter has the decisive advantage over the DC-DC converters that are also suitable for this application, such as those built with components from LTC, Unitrode, Maxim, etc., that it is very precise and corrects the error voltage stored in capacitor C1. This means that it is able to correct the terminal voltage and thus the charge level of batteries in the mV range precisely and with little effort.

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.Due to the tap for the negative feedback of the free-running converter in front of the output inductance, the converter behaves like a first-order controlled system and therefore has a very high stability compared to the converter concepts with multiple negative feedback and tapping of the actual variable at the output of the filter choke.

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.The integrator can be extended with an additional capacitor and resistor for noise shaping, which shifts the noise level of the converter to higher frequencies that are easier to filter out.

Die Schaltung des Wandlers ist ausführlich in der Literatur beschrieben und auch praktisch erprobt:The circuit of the converter is described in detail in the literature and has also been tested in practice:

1. Heinrich Kümmeke; Steuerbarer Oszillator für zahlreiche praktische Anwendungen; ELEKTRONIK 1980, Heft 11. Heinrich Kümmeke; Controllable oscillator for numerous practical applications; ELEKTRONIK 1980, Issue 1

2. Klaus Gruppenbacher; Linearer Schaltverstärker hoher Leistung, Studienarbeit St 1773 LIT, TH Darmstadt 19802. Klaus Gruppenbacher; Linear switching amplifier with high power, thesis St 1773 LIT, TH Darmstadt 1980

3. Herbert Sax; Schalten statt Heizen, HiFi-Audio-Endstufe mit Pulsweitenmodulation; ELEKTRONIK 1988, Heft 233. Herbert Sax; Switching instead of heating, HiFi audio power amplifier with pulse width modulation; ELEKTRONIK 1988, issue 23

4. Michael König; Schaltregler für Wechselspannungen;4. Michael König; switching regulators for alternating voltages;

ELEKTRONIK 1988, Heft 23
130
ELECTRONICS 1988, Issue 23
130

Der DC/DC-Wandler kann auch als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Konverter entsprechend Bild 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.The DC/DC converter can also be constructed as a two/four-quadrant Cuk converter as shown in Figure 4c. The converter is described in detail in US Patent No. 4186437, US 4184197, 3716826 and 3923311.1 and is particularly suitable for the application under EMC aspects.

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Claims (11)

1. Starthilfeanschluß in einem Fahrzeug mit Hochvoltbordnetz für ein konventionelles Starthilfekabel entsprechend Bild 1-2 für eine Starthilfe aus einem 12/14 V Batterie/Bordnetz bestehend aus drei identische in Serie geschaltete Batterien, oder einer Batterie mit 12 V und einer Batterie mit 24 V oder einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff und einem symmetrierenden Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler, wobei die physikalische Schnittstelle in Form eines Batterieanschlußes für die Starthilfe gegenüber dem bisherigen System gleich ist. 1. Jump start connection in a vehicle with a high-voltage on-board network for a conventional jump start cable as shown in Figure 1-2 for a jump start from a 12/14 V battery/on-board network consisting of three identical batteries connected in series, or a battery with 12 V and a battery with 24 V or a 36 V battery with 12 V tap and a symmetrical two/four-quadrant DC/DC converter, whereby the physical interface in the form of a battery connection for the jump start is the same as in the previous system. 2. Starthilfeanschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrierenden Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler mit den Schaltungskonzepten nach Bild 4b und Bild 4c realisiert wird, mit denen die Batterieanordnung am 12/14 V und 36/42 V Anschluß unterschiedlich durch Verbraucher belastet werden kann. 2. Starting aid connection according to claim 1, characterized in that the symmetrical two/four-quadrant DC/DC converter is realized with the circuit concepts according to Figure 4b and Figure 4c, with which the battery arrangement at the 12/14 V and 36/42 V connection can be loaded differently by consumers. 3. Starthilfeanschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines universellen Starthilfeanschlusses und gleichzeitiger 12 V Quelle für 12/14 V Verbraucher entsprechend Bild 3 der symmetrierende Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler nach den Schaltungskonzepten nach Bild 4b und Bild 4c zum Einsatz kommt. 3. Jump start connection according to claim 1, characterized in that to realize a universal jump start connection and simultaneous 12 V source for 12/14 V consumers according to Figure 3, the symmetrical two/four quadrant DC/DC converter according to the circuit concepts according to Figure 4b and Figure 4c is used. 4. Starthilfeanschluß zur Realisierung des Zwei/Vierquadranten-DC/DC- Wandlers in Anspruch 1 als selbstschwingender Klasse D Verstärker nach Bild 4b und 4c, der die Batterien exakt symmetriert und durch Ladungsaustausch die Batterien auf dem gleichen Ladezustand hält. 4. Starting aid connection for the realization of the two/four-quadrant DC/DC converter in claim 1 as a self-oscillating class D amplifier according to Figures 4b and 4c, which exactly symmetrizes the batteries and keeps the batteries at the same charge level by charge exchange. 5. Korrektur der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 1 zum exakten Ladungsausgleich mit einem integrierenden Fehlerverstärker, im einfachsten Fall ein Integrator entsprechend der Eingangsstufe in Bild 4b und Bild 4c. 5. Correction of the output voltage of the DC/DC converter according to claim 1 for exact charge compensation with an integrating error amplifier, in the simplest case an integrator corresponding to the input stage in Figure 4b and Figure 4c. 6. Stabilisierung des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 5 durch Abgriff der internen Gegenkopplung vor dem Ausgangsfilter 6. Stabilization of the DC/DC converter according to claim 5 by tapping the internal negative feedback before the output filter 7. Reduzierung des Störpegels des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 5 durch Einsatz einer aus der Audiotechnik bekannten Rauschformung in Sigma-Delta A/D- und D/A-Wandlern. 7. Reduction of the noise level of the DC/DC converter according to claim 5 by using noise shaping known from audio technology in sigma-delta A/D and D/A converters. 8. Realisierung des Zwei/Vierqadranten-Wandlers entsprechend Anspruch 1 als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Converter nach Bild 4c, entsprechend US Patent 4186437, US Patent 4184197 Patent Nr. 3716826 und 3923311.1 8. Realization of the two/four quadrant converter according to claim 1 as a two/four quadrant Cuk converter according to Figure 4c, according to US Patent 4186437, US Patent 4184197 Patent No. 3716826 and 3923311.1 9. Schutz der Anordnungen nach Anspruch 1 vor Zerstörung durch Ergänzung der Grundschaltungen in Bild 4b und Bild 4c durch eine Strombegrenzung, um maximale Ladeströme der Batterie einzuhalten und die Schaltung selbst zu schützen. 9. Protection of the arrangements according to claim 1 against destruction by supplementing the basic circuits in Figure 4b and Figure 4c with a current limiter in order to comply with maximum charging currents of the battery and to protect the circuit itself. 10. Schutz der Anordnung nach Anspruch 3 durch einen zusätzlichen Steuereingang der DC/DC-Wandler entsprechend Bild 3, mit dem ein externer Lichtmaschinenladeregler der Batterie eine Überladung der Batterie durch eine externe Quelle am Starthilfeanschluß stoppen kann. 10. Protection of the arrangement according to claim 3 by an additional control input of the DC/DC converter according to Figure 3, with which an external alternator charge controller of the battery can stop an overcharging of the battery by an external source at the jump start connection. 11. Diagnosefähigkeit der Anordnung nach Anspruch 1 durch Erweiterung der Anordnung durch eine Diagnoseschaltung mit Schnittstelle zum Fahrzeug- Bussystem um Informationen über den Batterieladezustand und Batteriesymmetrie an einen übergeordneten Zentralrecher übermitteln zu können. 11. Diagnostic capability of the arrangement according to claim 1 by extending the arrangement by a diagnostic circuit with an interface to the vehicle bus system in order to be able to transmit information about the battery charge state and battery symmetry to a higher-level central computer.
DE29919099U 1999-10-29 1999-10-29 Device for starting aid and a starting aid connection in motor vehicles with high electrical system voltage, e.g. 42/14 V vehicle electrical system, using a symmetrical clocked DC / DC converter Expired - Lifetime DE29919099U1 (en)

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