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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit mehreren Steuergeräten.
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In
modernen Kraftfahrzeugen nimmt die Anzahl zu verbauender Komponenten
rapide zu. Dies führt allen Ortens zu einer hohen Verbauungsdichte, so
dass viele Komponenten ohne Ausbau anderer Komponenten gar nicht
oder nur schwer zugänglich sind. Ein Beispiel hierfür
ist die Batterie eines Kraftfahrzeuges, die beispielsweise im Motorraum
verbaut oder gar außerhalb des Motorraumes, beispielsweise
unter dem Fahrersitz angeordnet ist. Des Weiteren führt
die Verwendung von elektronischen Polklemmen dazu, dass eine direkte
Verbindung mit einer externen Batterie nicht mehr möglich
ist.
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Daher
ist bereits vorgeschlagen worden, der Fahrzeugbatterie, insbesondere
der Starterbatterie bei Verwendung mehrerer Batterien einen Fremdstartpol
zuzuordnen, der von außen für ein Fremdstarthilfekabel
gut zugänglich ist. Der Fremdstartpol kann dabei beispielsweise
als metallische Schiene, als Bolzen oder als Buchse ausgebildet
sein.
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Eine
Vielzahl der elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug ist
gegen elektrische Verpolungen sehr empfindlich und können
teilweise sogar zerstört werden. Daher ist es bekannt,
einzelnen verpolungsempfindlichen Komponenten einen Verpolschutz
zuzuordnen. Mit der Zunahme von verpolungsempfindlichen Komponenten,
wie Steuergeräten, nimmt jedoch der schaltungs- und kostentechnische
Aufwand zur Vermeidung von Verpolungsschäden rapide zu.
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Häufig
wird der Verpolschutz im Kraftfahrzeug verteilt, beispielsweise
jeweils an oder in den Steuergeräten realisiert. So ist
es bekannt, jedes Steuergerät mit einer Verpolschutzdiode
auszustatten.
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Es
gibt derzeit zunehmende Bestrebungen, den Energieverbrauch von Kraftfahrzeugen
weiter zu reduzieren. Umfangreiche der Erfindung zu Grunde liegende
Untersuchungen ergaben in diesem Zusammenhang, dass an einer solchen
Verpolschutzdiode im normalen Betrieb eine Verlustleistung von bis
zu 5 Watt abfallen kann. Bei angenommenen 20 Steuergeräten
in einem Kraftfahrzeug können demnach bis zu 100 Watt Verlustleistung
nur durch die genannten Verpolschutzdioden der Steuergeräte
entstehen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftfahrzeug mit
wirksamem Verpolschutz mit geringer Verlustleistung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung beruht auf dem Gedanken, zur Vermeidung der oben genannten ”verteilten” Verlustleistung
den Verpolschutz nicht lokal an den zu schützenden Komponenten,
sondern möglichst umfassend dort zu realisieren, wo eine
Verpolung überhaupt bewirkt werden kann.
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Der
Erfindung zu Grunde liegende Untersuchungen ergaben, dass in der
Praxis nahezu 100% der relevanten Verpolungsschäden entweder
auf einer Verpolung beim Fremdstarten oder auf einer Verpolung aufgrund
einer falsch angeschlossenen Batterie basieren.
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Daher
schlägt die Erfindung vor, einen wirksamen und verlustleistungsarmen
Verpolschutz bei einem Kraftfahrzeug dadurch zu realisieren, dass
gerade diese beiden Verpolungsmöglichkeiten möglichst
wirksam verhindert werden.
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Ein
bevorzugtes Kraftfahrzeug umfasst eine Vielzahl von Steuergeräten.
Diese werden durch ein Energiebordnetz und einen elektrischen Energiespei cher
mit Energie versorgt. An einem Fremdstartstützpunkt (Fremdstartpol),
der abgesetzt von dem Energiespeicher oder am Energiespeicher realisiert
sein kann, ist ein Fremdstart, beispielsweise mittels eines anderen
Fahrzeuges, möglich. An dem Fremdstartstützpunkt
ist eine Verpolschutz-Schalteinheit (Schaltelement, Verpolschutzschaltung)
vorgesehen. Zudem ist die Kopplung des Energiespeichers mit dem Energiebordnetz
verpolgeschützt ausgeführt.
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Dadurch
wird ein Fahrzeug geschaffen, das gegen die in der Praxis relevanten
Verpolgefahren geschützt ist, und das mit – gegenüber
Fahrzeugen mit herkömmlichem Verpolschutz – im
Normalbetrieb eine reduzierte Verlustleistung aufweist.
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Diese
reduzierte Verlustleistung ergibt sich vorteilhafterweise unmittelbar
aus dem Einsatz von Steuergeräten, die jeweils kein Verpolschutz-Schaltelement,
wie beispielsweise eine Verpolschutzdiode, umfassen.
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Vorzugsweise
ist die Kopplung des Energiespeichers mit dem Energiebordnetz dadurch
verpolgeschützt ausgeführt, dass eine verpolte
Kopplung des Energiespeichers mit dem Fahrzeugbordnetz mittels mechanischer
oder geometrischer Maßnahmen verhindert wird.
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Der
Verpolschutz-Schalteinheit ist vorteilhafterweise eine Einrichtung
zur Erfassung der Polarität der an dem Fremdstartstützpunkt
anliegenden Spannung zugeordnet, wobei die ansonsten offene Verpolschutz-Schalteinheit
bei richtiger Polung über die Einrichtung zur Erfassung
der Polarität schließbar ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgende Figur näher erläutert:
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Verpolschutzschaltung.
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Es
wird von einem Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Steuergeräten
ausgegangen. Diese Steuergeräte sind dabei nicht für
sich jeweils, beispielsweise durch eine Verpolschutzdiode, vor einer Verpolung
geschützt. Über ein Energiebordnetz werden die
Steuergeräte mit der Energie eines elektrischen Energiespeichers,
wie beispielsweise einer Kfz-Batterie, versorgt.
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Abgesetzt
von der Kfz-Batterie ist ein Fremdstartstützpunkt (Fremdstartpol)
vorgesehen. Beispielsweise sind die Kfz-Batterie über die
Heckklappe und der Fremdstartstützpunkt über die
Motorhaube zugänglich oder umgekehrt.
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Am
Fremdstartstützpunkt ist eine an sich bekannte Verpolschutz-Schalteinheit
vorgesehen. Diese an sich kann beispielsweise entsprechend der Lehre
aus der
DE 10047791
A1 ausgeführt sein.
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In
der
DE 100 47 791
A1 ist ein Verpolschutz für einen Fremdstartpol
in einem Kraftfahrzeug beschrieben, wobei zwischen einem Bordnetz
des Kraftfahrzeuges und dem Fremdstartpol ein Schaltelement angeordnet
ist, dem eine Einrichtung zur Erfassung der Polarität der
an dem Fremdstartpol anliegenden Spannung zugeordnet ist, wobei
das ansonsten offene Schaltelement bei richtiger Polung über die
Einrichtung zur Erfassung der Polarität schließbar ist.
Eine solche Verpolschutzschaltung ermöglicht es, sowohl
von einem fremden Fahrzeug einen Fremdstart zu nehmen, als auch
einem fremden Fahrzeug einen Fremdstart zu geben.
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Eine
alternative Ausführungsform einer solchen Verpolschutzschaltung
für einen Fremdstartpol in einem Kraftfahrzeug wird nun
in Bezug auf 1 im Detail erläutert. 1 zeigt
eine Verpolschutzschaltung 10 für einen Fremdstartpol 1 in
einem Kraftfahrzeug. Die Verpolschutzschaltung 10 um fasst ein
erstes Schaltelement 3, das zwischen einem Bordnetz 2 des
Kraftfahrzeugs und dem Fremdstartpol 1 angeordnet ist.
Des Weiteren umfasst die Verpolschutzschaltung 10 ein erstes
Schaltsteuerungselement 4, das das Schalten des Schaltelements 3 steuert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind
das erste Schaltsteuerungselement 4 und das erste Schaltelement 3 als
ein Leistungsrelais ausgebildet. Das erste Schaltelement 3 wird
dabei als ein Kontakt des Leistungsrelais ausgebildet und das Schaltsteuerungselement 4 wird
als die Spule des Leistungsrelais ausgebildet. Der Kontakt ist im
normalen Zustand offen. Die Verpolschutzschaltung 10 umfasst
weiterhin ein zweites Schaltelement 6, das zwischen dem
ersten Schaltsteuerungselement 4 und der Masse angeordnet
ist, wobei das zweite Schaltelement 6 im geschlossenen
Zustand das erste Schaltsteuerungselement 4 zur Masse verbindet. Die
Verpolschutzschaltung 10 umfasst weiterhin ein zweites
Schaltsteuerungselement 7, das das Schalten des zweiten
Schaltelementes 6 steuert. Gemäß dieser
Ausführungsform ist das zweite Schaltsteuerungselement 7 als
ein Hilfsrelais ausgebildet. Das zweite Schaltelement 6 ist
als ein Kontakt des Hilfsrelais 7 ausgebildet, wobei der
Kontakt im normalen Zustand offen ist. Das Hilfsrelais 7 schaltet
das zweite Schaltelement 6 leitend, wenn eine vorbestimmte Polarität
der am Fremdstartpol 1 anliegenden Spannung erfasst wird,
d. h. wenn die Polung am Fremdstartpol 1 richtig ist, und
die Spannung am Fremdstartpol 1 größer
als eine vorbestimmte Spannung ist. Die Verpolschutzschaltung 10 umfasst
weiterhin eine erste Diode 8, die in Flussrichtung vom
Fremdstartpol 1 zum zweiten Schaltsteuerungselement 7 geschaltet
ist. Die erste Diode 8 dient zur Erfassung der Polarität
der an dem Fremdstartpol 1 anliegenden Spannung, indem
die erste Diode 8 den Strom von dem Fremdstartpol 1 nur
bei richtiger Polung am Fremdstartpol 1 zu dem zweiten
Schaltsteuerungselement 7 durchlässt. Die Verpolschutzschaltung 10 gemäß dieser
Ausführungsform umfasst weiterhin eine zweite Diode 5,
die in Flussrichtung vom Fremdstartpol 1 zum ersten Schaltsteuerungselement 4 geschaltet ist,
und eine dritte Diode 9, die in Flussrichtung vom Bordnetz 2 zum
ersten Schalt steuerungselement 4 geschaltet ist. Die zweite
Diode 5 und dritte Diode 9 dienen zur Entkopplung
des Fremdstartpoles 1 vom Bordnetz 2 und gewährleisten,
dass das erste Schaltsteuerungselement 4 von der größeren
Spannung von der am Fremdstartpol 1 anliegenden Spannung und
der am Bordnetz 2 anliegenden Spannung versorgt wird. Die
Vorteile einer solchen Entkopplungseinrichtung werden unten im Detail
erläutert.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Verpolschutzschaltung 10 näher
erläutert. Der Fall, in dem ein Fahrzeug, das die Verpolschutzschaltung 10 umfasst,
einen Fremdstart von einem fremden Fahrzeug nimmt, wird zuerst erläutert,
bevor der Fall, in dem das Fahrzeug einem fremden Fahrzeug einen Fremdstart
gibt, erläutert wird. Wenn das Bordnetz 2 des
Kraftfahrzeuges für einen Startvorgang nicht ausreichend
ist, muss der Startvorgang durch eine externe Spannungsquelle, wie
beispielsweise die Batterie eines fremden Fahrzeugs, am Fremdstartpol 1 initiiert
werden. Wird diese Spannungsquelle richtig gepolt an den Fremdstartpol 1 angeschlossen,
ist die erste Diode 8 in Flussrichtung gepolt. Dadurch
fließt ein entsprechender Durchlassstrom durch die erste Diode 8 und,
wenn die Spannung am Fremdstartpol 1 größer
als eine vorbestimmte Spannung ist, schaltet das Hilfsrelais 7 das
zweite Schaltelement 6 leitend, sodass das erste Schaltsteuerungselement 7 des
Leistungsrelais zur Masse verbunden wird. Da die am Fremdstartpol 1 anliegende
Spannung größer ist als die am Bordnetz 2 anliegende
Spannung, ist die zweite Diode 5 in Flussrichtung gepolt.
Es fließt auch ein entsprechender Durchlassstrom durch
die zweite Diode 5 und das erste Schaltsteuerungselement 7 des
Leistungsrelais, sodass das erste Schaltelement 3, also
der Relaiskontakt des Leistungsrelais, geschlossen wird. Die für
den Startvorgang benötigten Verbraucher werden dann über
die externe Spannungsquelle versorgt. Wenn hingegen die externe
Spannungsquelle verpolt an dem Fremdstartpol 1 angeschlossen
ist, so sperrt die erste Diode 8, und es fließt
kein Strom durch die Erregerwicklung des Hilfsrelais. Somit schaltet
das Hilfsrelais das zweite Schaltelement 6 nicht zu und
es fließt kein Strom durch die Erregerwicklung des Leistungsrelais.
Das erste Schaltelement 3 bleibt daher offen, was einen
Verpolungsschutz bietet.
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Der
Vorteil einer Verpolschutzschaltung
10 gemäß dieser
Ausführungsform wird nun erläutert. Im Fall einer
Fremdstarthilfe an ein fremdes Fahrzeug wird der entladenen Batterie
eines fremden Fahrzeuges Fremdstarthilfe von der eigenen Batterie des
Fahrzeuges gegeben. Wenn die Batterie des fremden Fahrzeuges stark
entladen ist, kann die Batterie des fremden Fahrzeuges nur eine
reduzierte Spannung ausgeben, was bei herkömmlichen Verpolschutzsystemen
Probleme bereiten kann, da die Polarität am Fremdstartpol
schwer erkennbar ist. Bei der in der
DE 100 47 791 A1 beschriebenen Verpolschutzschaltung
muss die entladene Batterie eines fremden Fahrzeuges zumindest genug
Spannung ausgeben, dass noch genügend Spulenstrom zur Ansteuerung
des Leistungsrelais fließt, damit der Relaiskontakt geschlossen
wird und die Fremdstarthilfe stattfinden kann. Allerdings benötigt
ein Leistungsrelais, das in der Lage ist, den Starterstrom in einer Größenordnung
von mehreren Hundert Ampere zu führen, auch einen entsprechend
hohen Steuerstrom durch die Spule. Ein solcher Spulenstrom kann
so hoch wie 500 mA sein. Wenn die Batterie aber stark entladen ist,
kann ein solcher Spulenstrom möglicherweise nicht ausgegeben
werden, sodass die Fremdstarthilfe nicht stattfinden kann. Die oben
erwähnte veröffentlichte Patentanmeldung sieht
vor, den Relaiskontakt manuell zu schließen. In diesem Fall
bestünde aber kein Verpolungsschutz.
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Die
Kopplung des Energiespeichers mit dem Energiebordnetz ist ebenfalls
verpolgeschützt ausgeführt.
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Dazu
werden beispielsweise die fahrzeugseitigen Batterieanschlussleitungen
so kurz bemessen, dass sich ihre Anschlusselemente nur dann in Kontakt
mit den Batteriepolen bringen lassen, wenn die Batterie mit einer
vorgegebenen Orientierung in die fahrzeugseitige Batterieaufnahme
eingesetzt worden ist und die Anschlusselemente der Batterie dementsprechend
eine benachbarte Lage zu einer bestimmten Längsseite der
Batterieaufnahme einnehmen.
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Alternativ
kann die Kopplung des Energiespeichers mit dem Energiebordnetz gemäß der
an sich bekannten Lehre der
DE 10325651 A1 ausgeführt sein.
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Dabei
verfügt eine elektrische Anschlussanordnung über
relativ stationäre oder batterieseitige und relativ bewegliche
oder leitungsseitige Anschlusselemente zur elektrisch leitenden
Verbindung der Pole einer Batterie mit zugeordneten Anschlüssen oder
Anschlussleitungen eines Energiebordnetzes. An den Anschlusselementen
angeordnete, gegenüber elektrisch Strom führenden
Teilen isolierte, zueinander komplementäre Formelemente
lassen nur bei korrekt gepolter Zuordnung von stationären
und beweglichen Anschlusselementen an beiden Polen eine elektrische
Kontaktierung zwischen den Anschlusselementen sowie einen Eingriff
der Formelemente ineinander zu. Es wird ausschließlich
eine verwechslungssichere Kontaktierung zu ermöglicht,
indem Formelemente, die gegenüber Teilen für die elektrische
Stromführung elektrisch isoliert sind, als Störkonturen
wirken und elektrisch Kontakt gebende Teile der Anschlusselemente
voneinander fernhalten, wenn ein Polungsfehler vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10047791
A1 [0021, 0022, 0025]
- - DE 10325651 A1 [0028]