DE10008265A1 - Elektronische Schaltvorrichtung mit einem Batterieschalter und einem Standby-Schalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher. Sie weist einen zwischen der Batterie und dem Verbraucher angeordneten Batterieschalter auf. Dieser wird von einer Schaltersteuereinheit angesteuert, deren Ausgangssignal zum Ein- und Ausschalten des Batterieschalters dient. Weiterhin enthält sie einen parallel zum Batterieschalter angeordneten Standby-Schalter, welcher vorzugsweise ein Halbleiterschalter ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrich­ tung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher, welche Schaltvorrichtung einen zwischen der Batterie und dem Verbraucher angeordneten Batterieschal­ ter und eine Schaltersteuereinheit aufweist, deren Aus­ gangssignal zum Ein- und Ausschalten des Batterieschal­ ters vorgesehen ist.

Aus der DE 195 48 612 A1 ist bereits ein elektronischer Schalter zum zeitweiligen Verbinden wenigstens zweier An­ schlüsse mit wenigstens zwei elektrisch steuerbaren Schaltelementen bekannt, die in einer Leitung zwischen den beiden Anschlüssen angeordnet sind. Dabei ist wenig­ stens eines der elektrisch steuerbaren Schaltelemente ein Feldeffekttransistor oder ein anderes bidirektionales Bauelement mit externer oder integrierter Überlastab­ schaltung. Ein derartiger elektronischer Schalter kann im Zusammenhang mit einem Fahrzeug-Bordnetz verwendet wer­ den, wobei der elektronische Schalter zum zeitweiligen Verbinden wählbarer Verbraucher und/oder einer Batterie mit einem Generator und/oder mehrerer Batterien dient. Weiterhin kann derartiger Schalter zum zeitweiligen Ver­ binden mehrerer Anschlüsse in einem mehrkreisigen Fahr­ zeug-Bordnetz dienen, wobei das mehrkreisige Bordnetz we­ nigstens zwei Batterien umfaßt.

Weiterhin wurden bereits Zweispannungs-Bordnetze für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, welche ein 42-V-Bordnetz für Hochleistungsverbraucher und ein 14-V-Bordnetz für Verbraucher geringeren Leistungsbedarfs aufweisen. Diese Netze werden jeweils von einer Batterie (36 V bzw. 12 V) als Energiespeicher gepuffert. Die Speisung des 42-V- Netzes erfolgt durch einen 42-V-Generator. Die Energie­ versorgung des 14-V-Netzes erfolgt unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers aus dem 42-V-Netz. Eine Realisie­ rungsform sieht vor, zwischen dem 42-V-Bordnetz und dem 14-V-Bordnetz zwei parallel zueinander angeordnete Gleichspannungswandler einzusetzen. Einer dieser Gleich­ spannungswandler ist als bidirektionaler Wandler ausge­ führt. Er kann demzufolge als Tiefsetzsteller und als Hochsetzsteller arbeiten, um einen Energieaustausch zwi­ schen den Speichern vornehmen zu können.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrich­ tung ist der Standby-Schalter bei ausgeschaltetem Batte­ rieschalter eingeschaltet. Er nimmt keinen Ruhestrom auf. Es ist keine Ladungspumpe erforderlich.

Durch die Verwendung eines elektronischen Schalters als Standby-Schalter wird ein verschleißfreies Schalten er­ reicht, bei welchem kein Prellen auftritt und auch gerin­ gere EMV-Probleme bestehen als bei der Verwendung mecha­ nischer Schalter. Gegenüber letzteren ist auch der not­ wendige Platzbedarf reduziert.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der guten Inte­ grierbarkeit des Standby-Schalters. Es besteht die Mög­ lichkeit, den Standby-Schalter und dessen Ansteuerlogik in Form eines einzigen integrierten Schaltkreises zu rea­ lisieren. Weiterhin kann alternativ dazu auch die gesamte Schalteinheit, die den Standby-Schalter, seine Ansteuer­ logik, den Batterieschalter und dessen Ansteuereinheit umfaßt, als eine einzige integrierte Schaltung aufgebaut sein.

Durch eine Überwachung des Spannungsabfalls über den Standby-Schalter oder eine Strommessung im Standby- Schalter kann ein erhöhter Energiebedarf detektiert wer­ den und eine automatische Zuschaltung des Batterieschal­ ters erfolgen, um den erhöhten Energiebedarf zu decken.

Bei einer Verwendung eines elektronischen Schalters als Standby-Schalter wird weiterhin im Vergleich zur Verwen­ dung eines mechanischen Schalters der Vorteil erzielt, daß im geöffneten Schaltzustand des Batterieschalters die zur Betätigung des Standby-Schalters zu erbringende An­ steuerleistung reduziert ist.

Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren bei­ spielhaft näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Block­ schaltbild einer elektronischen Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbrau­ cher. Die Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Standby-Schalter. Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Standby-Schalter. Die Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Stand­ by-Schalter. Die Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren elektronischen Schaltvorrichtung zum zeitweili­ gen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher.

Beschreibung

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektroni­ schen Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher. Dabei handelt es sich bei der Batterie 1 um eine 12 V-Batterie, die zur Pufferung bzw. zum Auffangen von Spannungseinbrüchen eines 12 V- Verbrauchers 2 vorgesehen ist, beispielsweise des 12 V- Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges. Diesem 12 V-Bordnetz 2 gehören Verbraucher an, wie eine Uhr, ein Radio, eine Schließvorrichtung, Speicherbausteine und Steuergeräte, die auch im Standby-Betrieb mit Energie versorgt werden müssen.

Im Signalweg zwischen der Batterie 1 und dem Verbraucher 2 ist eine elektronische Schaltvorrichtung 3 vorgesehen, deren Baugruppen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Weiterhin steht die elektronische Schaltvorrichtung 3 über einen CAN-Bus mit einem externen Bordnetz-Manage­ mentsystem 4 in Verbindung.

Der Schaltvorrichtung gehört ein elektronischer Batterie­ schalter an, der aus zwei in Reihe geschalteten MOS-Feld­ effekttransistoren oder PROFET's 5, 6 besteht. Eine der­ artige Reihenschaltung zweier MOS-Feldeffekttransistoren zur Bildung eines bidirektionalen, überlastgeschützten Schalters ist in der eingangs genannten DE 195 48 612 be­ schrieben.

Die Ansteuerung des Schalters 5, 6 erfolgt durch eine Schaltersteuereinheit, der eine Ansteuerlogik 7 und ein Mikrocomputer 8 angehören.

Der Mikrocomputer 8 wertet die im 12 V-Bordnetz vorlie­ gende Spannung aus und erzeugt beim Erkennen des Vorlie­ gens einer Unterspannung ein Steuersignal für die Ansteu­ erlogik 7. Diese stellt als Reaktion darauf an ihrem Aus­ gang ein Einschaltsignal für den Batterieschalter 5, 6 zur Verfügung, so daß der Spannungsabfall im Bordnetz 2 ausgeglichen werden kann. Weiterhin wird mittels des Mi­ krocomputers 8 auch eine Messung des durch den Batterie­ schalter 5, 6 fließenden Stromes durchgeführt. Erkennt der Mikrocomputer anhand der Stromflußrichtung, daß ein Stromrückfluß vom 12 V-Bordnetz 2 in die Batterie 1 er­ folgt, dann erzeugt er ein weiteres Ansteuersignal für die Ansteuerlogik 7. Diese stellt als Reaktion darauf an ihrem Ausgang ein Ausschaltsignal für den Batterieschal­ ter 5, 6 zur Verfügung.

Die genannte Strommessung erfolgt bei einer Verwendung von PROFET's als Batterieschalter direkt im Schalter, da bei PROFET's bereits eine Strommessung integriert ist. Bei Verwendung von MOSFETs als Batterieschalter kann die Strommessung über eine Shuntmessung oder über Stromwand­ ler erfolgen.

Der Mikrocomputer 8 leitet die ihm vorliegenden Informa­ tionen über den CAN-Bus an das externe Bordnetz-Manage­ mentsystem 4 weiter, in welchem eine Gesamtenergiever­ brauchsermittlung und eine Berechnung des Batteriezustan­ des erfolgen. Weiterhin kann vom Bordnetz-Management­ system 4 auch dem Mikrocomputer 8 signalisiert werden, daß ein erhöhter Leistungsbedarf vorliegt. Als Reaktion darauf erzeugt der Mikrocomputer 8 auch unabhängig vom Ergebnis der eigenen Bordnetz-Spannungsauswertung ein Steuersignal für die Ansteuerlogik 7, aufgrund dessen diese dem Batterieschalter 5, 6 ein Einschaltsignal zu­ führt.

Parallel zum Batterieschalter 5, 6 ist ein Standby-Schal­ ter 9 geschaltet, über welchen das 12 V-Bordnetz 2 im Standby-Betrieb, d. h. bei abgestelltem Fahrzeug, ausge­ schaltetem Gleichspannungswandler bzw. ausgeschaltetem Steuergerät, mit Energie versorgt wird. Der Standby- Schalter 9 ist ein Halbleiterschalter, der vorzugsweise P-Kanal-MOSFET's T1 und T2 aufweist, die in Reihe zuein­ ander angeordnet sind, wobei die Drain-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren miteinander verbunden sind. Die Feldeffekttransistoren bilden wegen der internen Bo­ dy-Dioden einen in beiden Flußrichtungen sperrenden Schalter. Die Ansteuerung der Gate-Anschlüsse der Feldef­ fekttransistoren zum Ein- und Ausschalten des Schalters 9 erfolgt durch eine Ansteuerlogik 10, der ihrerseits Steu­ ersignale vom Mikrocomputer 8 zugeführt werden.

Die Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ei­ nen Standby-Schalter. Bei diesem Ausführungsbeispiel bil­ den die beiden P-Kanal-MOSFET's T1 und T2 den Schalter, wobei die Drain-Anschlüsse der beiden Feldeffekttranisto­ ren miteinander verbunden sind. Im aktiven Zustand des Steuergerätes werden der Ansteuerlogik über die Transi­ storen T4 und T3 sowie T6 und T5 Ansteuersignale zuge­ führt, durch welche die den Schalter bildenden P-Kanal- MOSFETs T1 und T2 gesperrt werden. Ist das Steuergerät hingegen deaktiviert bzw. der Gleichspannungswandler ab­ geschaltet, dann ist auch das vom Mikrocontroller 8 ge­ lieferte Ansteuersignal Null bzw. nicht aktiv, so daß die P-Kanal-MOSFET's über die Pull-Down-Widerstände R1 und R2 aufgesteuert werden. Dabei fließt kein Querstrom, da MOSFETs leistungslos angesteuert werden. Die Drain-Gate bzw. Source-Gate-Leckströme sind dabei vernachlässigbar klein.

Das gemeinsame Source-Potential der MOSFETs T1 und T2 kann als Statussignal für den Schaltzustand des Standby- Schalters verwendet werden, da an diesem Punkt nur dann eine Spannung anliegen kann, wenn beide Transistoren T1 und T2 eingeschaltet bzw. aktiv geschaltet sind. Das ge­ nannte Statussignal wird über den Transistor T7 und den Begrenzer R11, R12, D6 dem Mikrocomputer zugeführt. Der Transistor T7, dessen Gate-Anschluß über einen Transistor T8 angesteuert wird, dient zum Abtrennen der Begrenzer­ schaltung im ausgeschalteten Zustand des Gleichspannungs­ wandlers, damit kein Ruhestrom fließt. Der Gate-Anschluß des Transistors T8 wird vom Mikrocomputer 8 aus angesteu­ ert.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ei­ nen Standby-Schalter. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren T1 und T2 miteinander verbunden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß zur Ansteuerung der Feldeffekttransistoren eine gemeinsame Ansteuerlogik verwendet werden kann.

Die Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für ei­ nen Standby-Schalter. Dieser weist nur einen Feldeffekt­ transistor T1 auf, so daß die Schalteranordnung wegen der Body-Diode nur in einer Richtung sperren kann, nämlich von der Batterieseite aus in Richtung der Verbrauchersei­ te.

Die Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren elektronischen Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbin­ den einer Batterie mit einem Verbraucher. Die in der Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen durch den Spannungsdetektor 11. Dieser ist zur Detektion der Spannung über einen der P-Kanal-MOSFET's vorgesehen. Überschreitet diese Spannung bzw. der zugehörige Strom einen vorgegebenen Schwellenwert, dann wird über die An­ steuerlogik 7 der Batterieschalter 5, 6 eingeschaltet, so daß der Energiebedarf des 12 V-Bordnetzes 2 durch Energie aus der Batterie 1 gedeckt werden kann. In einem derarti­ gen Fall kann dann auch der Standby-Schalter 9 ausge­ schaltet werden, wobei diese Ausschaltung von der Ansteu­ ereinheit 7 initiiert und von der Ansteuerlogik 10 durch Erzeugung eines geeigneten Abschaltsignals durchgeführt werden kann.

Damit dabei kein ständiger Wechsel des Schaltzustandes von Batterieschalter 5, 6 und Standby-Schalter 9 auf­ tritt, erfolgt eine Selbsthaltung des Schaltzustandes durch eine Stromdetektierung im Batterieschalter. Diese wird mittels eines Stromdetektors 12 durchgeführt, wel­ cher einen Differenzverstärker aufweist, dessen einer Eingang mit dem Feldeffekttransistor 5 und dessen anderer Eingang mit Masse verbunden ist. Zwischen den beiden Ein­ gängen des Differenzverstärkers 12 ist ein Widerstand vorgesehen. Der Ausgang des Stromdetektors 12 ist mit der Ansteuereinheit 7 für der Batterieschalter 5, 6 verbun­ den.

Unterschreitet der gemessene Strom durch den Batterie­ schalter 5, 6 einen vorgegebenen minimalen Stromwert, so wird der Standby-Schalter 9 wieder eingeschaltet, wobei dieses Wiedereinschalten von der Ansteuereinheit 7 initi­ iert und von der Ansteuerlogik 10 durch Bereitstellung eines Einschalt-Steuersignals für den Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren des Standby-Schalters durchgeführt wird. Weiterhin wird in diesem Fall der Batterieschalter 5, 6 wieder ausgeschaltet.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Standby- Schalter 9 nur für den Standby-Strom des Bordnetzes 2 ausgelegt werden muß, da bei Vorliegen eines erhöhten Strombedarfs automatisch der Batterieschalter 5, 6 einge­ schaltet bzw. aktiviert wird.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es auch mög­ lich, beim Vorliegen eines erhöhten Energiebedarfes im Standby-Betrieb den Batterieschalter 5, 6 einzuschalten und nach diesem Einschalten auch den Standby-Schalter 9 im eingeschalteten Zustand zu belassen. In diesem Falle erfolgt der Stromfluß über beide Schalter.

Claims (16)

1. Elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Ver­ binden einer Batterie mit einem Verbraucher, mit einem zwischen der Batterie und dem Verbraucher angeordneten Batterieschalter und einer Schaltersteuereinheit, deren Ausgangssignal zum Ein- und Ausschalten des Batterie­ schalters vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen parallel zum Batterieschalter (5, 6) ange­ ordneten Standby-Schalter (9) aufweist.

2. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Standby-Schalter ein Halbleiterschalter (T1, T2) ist.

3. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter zwei in Reihe zueinander angeordnete MOSFETs oder PROFET's aufweist.

4. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ansteuerlogik (10) aufweist, die zur Generierung von Ansteuersignalen zum Ein- und Ausschalten des Stand­ by-Schalters (9) vorgesehen ist.

5. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß sie einen Mikrocontroller (8) aufweist, der ausgangsseitig mit der Ansteuerlogik (10) verbunden ist und zur Erzeugung eines Ein-/Aus- Steuersignals dient.

6. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik (10) einen Ausgang für ein Statussignal für den Schaltzu­ stand des Standby-Schalters (9) aufweist, welcher Ausgang mit einem Eingang des Mikrocontrollers (8) verbunden ist.

7. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik (10) die Schaltersteuersignale für den Standby-Schalter (9) derart erzeugt, daß der Standby- Schalter bei gesperrtem Batterieschalter (5, 6) leitet und leitendem Batterieschalter (5, 6) sperrt.

8. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Detektor (11) aufweist, der zur Detektion des Span­ nungsabfalls oder zur Strommessung im Standby-Schalter (9) dient.

9. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Span­ nungsdetektor ist und einen Komparator (11) aufweist, der ausgangsseitig mit der Schaltersteuereinheit (7) für den Batterieschalter (5, 6) verbunden ist.

10. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuereinheit (7) als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Detektors (11) ein Einschaltsignal für den Batterieschalter (5, 6) zur Verfügung stellt.

11. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuerein­ heit (7) als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Detek­ tors (11) ein Ausschaltsignal für den Standby-Schalter (9) bereitstellt, welches der Ansteuerlogik zugeführt wird.

12. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Standby-Schalter (9) und die Ansteuerlogik (10) in Form eines eigenständigen integrierten Schaltkreises rea­ lisiert sind.

13. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Standby-Schalter (9), die Ansteuerlogik (10), der Batte­ rieschalter (5, 6) und die Schaltersteuereinheit (7) in Form eines eigenständigen integrierten Schaltkreises rea­ lisiert sind.

14. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis weiterhin den Mikrocontroller (8) aufweist.

15. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der An­ sprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Stromdetektor (12) aufweist, der ausgangsseitig mit der Schaltersteuereinheit (7) verbunden ist.

16. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuerein­ heit (7) als Reaktion auf ein Steuersignal des Stromde­ tektors (12) ein Abschaltsignal für den Batterieschalter (5, 6) und ein Einschaltsignal für den Standby-Schalter (9) zur Verfügung stellt.