DE10028748A1 - Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niedrigspannungsbordnetz und mit einem Höherspannungsbordnetz - Google Patents
Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niedrigspannungsbordnetz und mit einem HöherspannungsbordnetzInfo
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Abstract
Die Erfindung ist ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niedrigspannungsbordnetz und mit einem Höherspannungsbordnetz, bei dem jeweils der Minusanschluß oder der Plusanschluß zumindest der Hochleistungsverbraucher des Höherspannungsbordnetzes über eine zentrale Sammelleitung jeweils mit dem Minusanschluß oder mit dem Plusanschluß des Niedrigspannungsbordnetzes verbunden sind und bei dem die zentrale Sammelleitung einen steuerbaren Schalter aufweist. DOLLAR A Weiterhin sind Mittel zur Messung der Spannung des Niedrigspannungsbordnetzes und/oder Mittel zur Messung des Differenzstromes zwischen dem auf der Plusleitung fließenden Strom und dem auf der Minusleitung fließenden Strom im Höherspannungsbordnetz vorgesehen. Der steuerbare Schalter wird geöffnet, wenn die Spannung des Niedrigspannungsbordnetzes eine vorgegebene Spannungsschwelle überschritten hat und/oder wenn der Differenzstrom eine vorgegebene Stromschwelle überschritten hat.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungsystem für ein Kraft
fahrzeug mit einem Niedrigspannungsbordnetz und mit einem Höherspan
nungsbordnetz.
Ein derartiges Energieversorgungssystem ist beispielsweise aus der DE 197 24 356 C1
bekannt. Hierbei entspricht die Spannungsversorgung mit 12 V
bzw. mit 14 V für Niederspannungsverbraucher dem Niedrigspannungsbord
netz und die Spannungsversorgung mit 36 V bzw. mit 42 V für Hochlei
stungsverbraucher dem Höherspannungsbordnetz. Bei einem derartigen
Energieversorgungssystem erzeugt ein Generator üblicherweise die erfor
derliche Spannung für das Höherspannungsbordnetz. Die Spannung für das
Niedrigspannungsbordnetz wird beispielsweise durch einen DC/DC-Wandler
erzeugt. Insbesondere die Beleuchtung und die elektronischen Steuergeräte
sind Teil des Niedrigspannungsbordnetzes. Bei derartigen Energieversor
gungssystemen, auch Mehrspannungsbordnetze genannt, würde ein Kurz
schluß zwischen dem Niedrigspannungsbordnetz und dem Höherspan
nungsbordnetz zum Ansteigen der Spannung auf dem Niedrigspannungs
bordnetz in der Weise führen, daß die Verbraucher des Niedrigspannungs
bordnetzes beschädigt oder zerstört werden könnten. Weiterhin ist bekannt,
daß bei derartigen Mehrspannungsbordnetzen in erhöhtem Maße elektro
magnetisch verursachte Störungen auftreten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Energieversorgungssystem in Form
eines Mehrspannungsbordnetzes im Hinblick auf Kurzschlußsicherheit und
elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch
die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird entweder mittels einer Spannungsmessung am Nied
rigspannungsbordnetz oder durch eine Differenzstrommessung im Höher
spannungsbordnetz überprüft, ob ein Kurzschluß zwischen dem Nied
rigspannungsnetz und dem Höherspannungsbordnetz auftritt. Unter dem
Begriff Kurzschluß wird ein geschlossener Stromkreis in der Weise verstan
den, daß an den dem Niedrigspannungsbordnetz zugeordneten Verbrau
chern, die Spannung des Höherspannungsbordnetzes anliegt. Für einen
derartigen Kurzschluß sind zwei Verbindungen zwischen den beiden Bord
netzen erforderlich, erstens eine Verbindung der Plusanschlüsse und zwei
tens eine Verbindung der Minusanschlüsse der beiden Bordnetze.
In einer ersten Alternative wird Kurzschluß erkannt, wenn die Spannung des
Niedrigspannungsbordnetzes einen Wert überschreitet, der über dem übli
chen Spannungswert des Niedrigspannungsbordnetzes liegt. In einer zwei
ten Alternative wird Kurzschluß erkannt, wenn ein Differenzstrom zwischen
dem auf der Plusleitung fließenden Strom und dem auf der Minusleitung flie
ßenden Strom im Höherspannungsbordnetz vorliegt; denn im fehlerfreien
Normalfall müssen die Ströme auf der Plusleitung und der Minusleitung
gleich groß sein. Jede Abweichung weist auf einen auf nicht regulären Pfa
den fließenden Strom und damit einen möglichen Leitungsschluß zwischen
dem Niedrigspannungsbordnetz und dem Höherspannungsbordnetz hin. Um
die Sicherheit der richtigen Fehlererkennung zu erhöhen, können die erste
und die zweite Alternative auch miteinander kombiniert werden.
Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist auch, daß die Komponenten des
Höherspannungsbordnetzes entweder im Hinblick auf ihren Minusanschluß
oder im Hinblick auf ihren Plusanschluß über nur eine zentrale Sammellei
tung mit dem Minusanschluß oder mit dem Plusanschluß des Niedrigspan
nungsbordnetzes verbunden sind. Diese Maßnahme hat sich als besonders
vorteilhaft im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit herausge
stellt. Somit ist im Hinblick auf einen Anschluß, vorzugsweise den Minusan
schluß, bereits absichtlich eine erste für einen Kurzschluß notwendige Ver
bindung zwischen dem Niedrigspannungsbordnetz und dem Höherspan
nungsbordnetz vorgesehen, die jedoch noch zu keinem geschlossenen
Stromkreis in der Weise führt, daß die Spannung des Höherspannungsbord
netzes an den Verbrauchern des Niedrigspannungsbordnetzes anliegt. Für
einen (totalen) Kurzschluß muß noch eine zweite Verbindung zwischen den
jeweils anderen Anschlüssen (also bei einer vorzugsweise absichtlichen
Verbindung der Minusanschlüsse auch zwischen den Plusanschlüssen) des
Niedrigspannungsbordnetzes und des Höherspannungsbordnetzes vorlie
gen. Bei Auftreten eines derartigen (totalen) Kurzschlusses durch einen
Fehler wird erfindungsgemäß die zuvor absichtlich vorgesehene erste Ver
bindung durch einen in der Sammelleitung vorgesehenen steuerbaren
Schalter getrennt. Somit können die Auswirkungen eines Kurzschlusses
wirksam vermieden werden.
Durch die Erfindung wird einerseits die elektromagnetische Verträglichkeit
eines Energieversorgungssystems in Form eines Mehrspannungsbordnetzes
erhöht und andererseits die Gefahr der Auswirkungen eines Kurzschlusses
zwischen den beiden Bordnetzen unterschiedlicher Spannung reduziert.
Besonders vorteilhaft ist bei einem derartigen Mehrspannungsbordnetz die
Verwendung eines nicht-potentialgetrennten DC/DC-Wandlers, bei dem übli
cherweise ohnehin bereits die Minus- oder Masseanschlüsse der unter
schiedlichen Bordnetze durchverbunden sind. Diese Verbindungsleitung der
Minus- oder Masseanschlüsse kann gleichzeitig als zentrale Sammelleitung
verwendet werden. Erfindungsgemäß muß der DC/DC-Wandler jedoch im
Hinblick auf den steuerbaren Schalter in der Sammelleitung modifiziert wer
den. Hierdurch wird eine besonders einfache Möglichkeit für die zentrale Ab
schaltbarkeit im Kurzschluß-Fall geschaffen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es
zeigt
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem mit einer
Spannungsüberwachung des Niedrigspannungsbordnetzes zur
Erkennung des Kurzschlusses,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem mit einer
Differenzstrommessung im Höherspannungsbordnetz zur Er
kennung des Kurzschlusses sowie
Fig. 3 und
Fig. 4 mögliche Ausführungen einer Vorrichtung zur Differenzstrom
messung.
In Fig. 1 ist ein Energieversorgungssystem in Form eines Zweispannungs-
Bordnetzes dargestellt. Das Zweispannungsbordnetz besteht aus einem
Niedrigspannungsbordnetz, z. B. von 14 Volt und aus einem Höherspan
nungsbordnetz, z. B. von 42 Volt. Das Höherspannungsbordnetz besteht aus
einem Generator 1, einem Energiespeicher 3 und elektrischen Hochlei
stungsverbrauchern 4, wie z. B. elektromagnetische Ventilsteuerungs-
Aktuatoren. Der Generator 1 erzeugt 42 Volt. Damit werden die Hochlei
stungsverbraucher 4 versorgt. Zur Pufferung der elektrischen Energie ist bei
spielsweise der Energiespeicher 3 als 36 Volt-Batterie ausgestaltet. Die Mi
nusanschlüsse der Komponenten des Höherspannungsbordnetzes, insbe
sondere der Hochleistungsverbraucher 4, sind über die Leitung 9 miteinan
der verbunden. Die Plusanschlüsse der Komponenten des Höherspan
nungsbordnetzes sind über die Leitung 2 miteinander verbunden. Das Hö
herspannungsbordnetz 1, 2, 3, 4, 9 ist über einen DC/DC-Wandler 5 mit dem
Niedrigspannungsbordnetz verbunden. Das Niedrigspannungsbordnetz be
steht insbesondere aus einem Energiespeicher 7 und aus Niederleistungs
verbrauchern 6, wie z. B. die Fahrzeugbeleuchtung und die elektronischen
Steuergeräte. Der Energiespeicher 7 ist beispielsweise eine 12 Volt-Batterie.
Die Masseanschlüsse bzw. Minusanschlüsse der Komponenten des Nied
rigspannungsbordnetzes können in üblicher Weise jeweils mit der Fahr
zeugmasse verbunden sein. Im Unterschied hierzu sind die Minusanschlüs
se der Komponenten 1, 3 und 4 des Höherspannungsbordnetzes zusam
mengefaßt und über eine zentrale Sammelleitung 16, die durch den hier
nicht-potentialgetrennten DC/DC-Wandler durchgeschleift ist, mit dem Mas
seanschluß 19 durchverbunden. Der Masseanschluß 19 ist auch den Mas
seanschlüssen der Komponenten 7, 6 des Niedrigspannungsbordnetzes zu
geordnet.
Im DC/DC-Wandler 5 ist ein steuerbarer Schalter 17 integriert, durch den die
zentrale Sammelleitung 16 bedarfsweise unterbrochen werden kann. Der
DC/DC-Wandler 5 kann beispielsweise selbst die Spannung U1 des Nied
rigspannungsbordnetzes messen und bei Überschreiten einer vorgegebenen
Spannungsschwelle den steuerbaren Schalter 17 öffnen.
Alternativ kann jedoch auch ein Batteriemanagementsteuergerät 18 vorge
sehen sein, das Teil des Niedrigspannungsbordnetzes sein kann. Ein derar
tiges Batteriemanagementsteuergerät 18 überwacht z. B. den Ladezustand,
die Spannung U1 und die Temperatur der 12 Volt-Batterie 7 und gibt dem
DC/DC-Wandler 5 die für den momentanen Zustand geeignete Ladespan
nung als Sollwert vor. Auch kann das Batteriemanagementsteuergerät 18 die
Spannung U1 überwachen und bei Überschreiten einer vorgegebenen
Spannungsschwelle dem Wandler 5 einen Befehl zum Öffnen des steuerba
ren Schalters 17 übermitteln. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Bord
netzmanagementsteuergerät 8 vorgesehen sein, das die jeweilige Ausla
stung des Bordnetzes überwacht und bei längerem Ladebilanzdefizit Maß
nahmen gegen eine drohende Batterie-Tiefentladung ergreift. Auch ein der
artiges Bordnetzmanagementsteuergerät 8 kann zur Erkennung des Anstie
ges der Spannung U1 im Niedrigspannungsbordnetz herangezogen werden.
Das Batteriemanagementsteuergerät 18 kann auch im Bordnetzmanage
mentsteuergerät 8 integriert sein.
Fig. 2 zeigt ein Energieversorgungssystem gemäß Fig. 1, erweitert um eine
Differenzstrommeßvorrichtung 11. Im übrigen sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 werden nach dem an sich bekannten
Verfahren der Fehlerstromschutzschalter (auch als FI bezeichnet) der vom
Generator 1 und der Batterie 3 ausgehende Strom I1 auf der Plusleitung 2
bzw. 2a und der zum Generator 1 bzw. zur Batterie 3 zurückkehrende Strom
I2 auf der Minusleitung 9 bzw. 9a gemessen und miteinander verglichen.
Beide Stromwerte I1 und I2 müssen im Normalfall gleich groß sein. Übersteigt
der gemessene Differenzstrom (I1 - I2) eine vorgegebene Stromschwelle, wird
Kurzschluß zwischen der Plusleitung 2 bzw. 2a des Höherspannungsbord
netzes und der Plusleitung 10 des Niedrigspannungsbordnetzes erkannt. Die
Differenzstrommeßvorrichtung 11 besteht im Wesentlichen aus einer auf
dem "Hinweg" in der Plusleitung 2 liegenden Spule 12, aus einer auf dem
"Rückweg" in der Minusleitung 9 liegenden Spule 13 sowie aus einer
Meßeinrichtung 14. Wenn von der Meßeinrichtung 14 erkannt wird, dass der
Differenzstrom (I1 - I2) eine vorgegebene Stromschwelle überschritten hat,
sendet sie ein entsprechendes Signal, ggf. über das Steuergerät 8 oder 18,
zum DC/DC-Wandler 5, der daraufhin den steuerbaren Schalter 17 öffnet.
Lediglich ergänzend werden die Details möglicher Differenzstrommeßvor
richtungen 11 in den Fig. 3 und 4 dargestellt. In Fig. 3 werden nach dem
bekannten Verfahren zwei auf einen Eisenkern 27 gewickelte, von den zu
messenden Strömen gegensinnig durchflossene Spulen 20 und 28 genutzt.
Das im Eisenkern entstehende Differenzmagnetfeld wird - wie von Strom
sensoren her bekannt - durch einen Magnetfeldsensor 21 (z. B. ein Hallsen
sor oder ein magnetoresistives Bauteil) gemessen und durch eine Elektronik
22 ausgewertet; d. h. mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Alternativ
wird in Fig. 4 ein Reedkontakt 23 benutzt, der von zwei gegensinnig strom
durchflossenen Spulen 24 und 25 umgeben ist. Der Reedkontakt 23 schaltet,
wenn das Differenzmagnetfeld die Ansprechschwelle des Reedkontakts
übersteigt. Zur Verbesserung des magnetischen Flusses kann auch zusätz
lich ein Eisenkern 26 verwendet werden. Sobald der Magnetfeldsensor 21
nach Fig. 3 ein Signal liefert, das größer als ein einstellbarer Schwellwert ist
oder sobald der Reedkontakt 23 nach Fig. 4 schaltet, wird auf einen Lei
tungsschluß 15 (vgl. Fig. 2) geschlossen.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ist, daß
die einzelnen Hochleistungsverbraucher 4 des Höherspannungsbordnetzes
nicht, wie bei Niedrigspannungsbordnetzen üblich, mit einem Anschluß auf
Karrosseriemasse gelegt sind. Sie müssen vielmehr eine eigene, die Minu
sanschlüsse zusammenfassende Rückleitung in Form der zentralen Sam
melleitung 16 aufweisen und nur über diese zentral, aber trennbar auf das
Massepotential 19 geführt werden.
Ein Fehlerstrom, der aufgrund eines Leitungsschlusses 15 seinen Weg in
das Niedrigspannungsbordnetz gefunden hat, kann als solcher detektiert
werden, weil er seinen "Rückweg" nicht über die Minusleitung 9 bzw. 9a zum
Generator 1 bzw. zur Batterie 3 nimmt, sondern durch die Verbraucher 6 des
Niedrigspannungsbordnetzes zur Masse fließt und damit die zweite Meß
stelle an der Spule 13 umgeht.
Da die Minusleitung 9a bzw. 9 nur über das Leitungsstück 16 mit dem Mas
sepotential 19 verbunden ist, kann jeder Fehlerstrom nur diesen Weg gehen.
Er muß immer durch das Leitungsstück 16 und kann erfindungsgemäß durch
den steuerbaren Schalter 17 dort abgeschaltet werden. Deshalb ist diese
einzige Verbindung zur Masse ein wesentliches Erfindungsmerkmal.
Alternativ kann der steuerbare Schalter 17 auch außerhalb des Wandlers 5
in einem separaten Gerät vorgesehen sein. Jedoch ist eine Integration des
steuerbaren Schalters in ein ohnehin vorhandenes Gerät, wie z. B. den
Wandler 5 oder die Steuergeräte 8 oder 18, einem separaten Gerät vorzu
ziehen.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß ein Leitungsschluß zwischen der
Plusleitung 2 des Höherspannungsbordnetzes und der Fahrzeugmasse 19
ebenfalls einen Fehlerstrom über den Pfad 19, 16 zur Folge hat, wobei je
doch die Verbraucher 6 des Niedrigspannungsbordnetzes umgangen wer
den. Für diesen Fall kann eine Sicherungseinrichtung z. B. eine Schmelzsi
cherung zum Abschalten des Kurzschlusses führen. Auch ein (zusätzlicher)
Leitungsschluß zwischen der Minusleitung 9 bzw. 9a und der Fahrzeug
masse 19 ist über die Differenzstrommeßvorrichtung 11 detektierbar. Ledig
lich ein Kurzschluß zwischen der Plusleitung 2 und der Minusleitung 9 im
Höherspannungsbordnetz ist nicht detektierbar, wofür jedoch ebenfalls eine
Schmelzsicherung als Schutzorgan vorgesehen werden kann.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß ein erfindungsgemäßes Energie
versorgungssystem beispielsweise auch dann vorliegt, wenn kein Wandler 5
sondern beispielsweise zwei Generatoren, also je ein Generator für jedes
Bordnetz, vorgesehen sind. Hierbei können beispielsweise die Minusan
schlüsse oder die Plusanschlüsse der beiden Generatoren aus bauraumspa
renden Gründen zusammengefaßt werden. In diesem Fall ist die Verbin
dungsleitung zwischen den zusammengefaßten Anschlüssen als zentrale
Sammelleitung auszubilden, in der ein steuerbarer Schalter integriert werden
muß.
Erfindungswesentlich ist, daß zum Schutz der Verbraucher des Niedrigspan
nungsbordnetzes absichtliche Verbindungen zwischen den unterschiedlichen
Bordnetzen steuerbar aufgetrennt werden können.
Claims (4)
1. Energieversorgungsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niedrigspan
nungsbordnetz (6, 7, 10) und mit einem Höherspannungsbordnetz (1,
2, 3, 4, 9), bei dem jeweils der Minusanschluß (9) oder der Plusan
schluß (2) zumindest der Hochleistungsverbraucher (4) des Höher
spannungsbordnetzes über eine zentrale Sammelleitung (16) jeweils
mit dem Minusanschluß (19) oder mit dem Plusanschluß (10) des
Niedrigspannungsbordnetzes verbunden sind, bei dem die zentrale
Sammelleitung (16) einen steuerbaren Schalter (17) aufweist, bei dem
Mittel (8; 18) zur Messung der Spannung (U1) des Niedrigspannungs
bordnetzes vorgesehen sind und bei dem der steuerbare Schalter (17)
geöffnet wird, wenn die Spannung (U1) des Niedrigspannungsbordnet
zes eine vorgegebene Spannungsschwelle überschritten hat.
2. Energieversorgungsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Niedrigspan
nungsbordnetz (6, 7, 10) und mit einem Höherspannungsbordnetz (1,
2, 3, 4, 9, 9a, 11), bei dem jeweils der Minusanschluß (9a) oder der
Plusanschluß (2a) zumindest der Hochleistungsverbraucher (4) des
Höherspannungsbordnetzes über eine zentrale Sammelleitung (16) je
weils mit dem Minusanschluß (19) oder mit dem Plusanschluß (10) des
Niedrigspannungsbordnetzes verbunden sind, bei dem die zentrale
Sammelleitung (16) einen steuerbaren Schalter (17) aufweist, bei dem
Mittel (11, 12, 13, 14) zur Messung des Differenzstromes zwischen dem
auf der Plusleitung (2, 2a) fließenden Strom (I1) und dem auf der Mi
nusleitung (9, 9a) fließenden Strom (I2) im Höherspannungsbordnetz
vorgesehen sind und bei dem der steuerbare Schalter (17) geöffnet
wird, wenn dieser Differenzstrom (I1 - I2) eine vorgegebene Strom
schwelle überschritten hat.
3. Energieversorgungsystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein nicht-potentialgetrennter DC/DC-Wandler (5)
zwischen dem Höherspannungsbordnetz und dem Niedrigspannungs
bordnetz vorgesehen ist und daß die ohnehin in diesem DG/DC-
Wandler vorhandene Verbindung zwischen dem Minusanschluß (9) des
Hochspannungbordnetzes und dem Minusanschluß (19) des Nied
rigspannungsbordnetzes als zentrale Sammelleitung (16) verwendet
wird.
4. Verfahren zur elektrischen Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges
mittels eines Energieversorgungssystems nach einem der Patentan
sprüche 1 bis 3.
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