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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Aktor des Kraftfahrzeugs handeln. Die Schaltvorrichtung kann zwischen ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs und die Komponente geschaltet sein. Hierzu weist die Schaltvorrichtung einen Bordnetzanschluss und einen Komponentenanschluss auf. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, bei welchem zumindest eine Komponente über eine jeweilige erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
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Die Energieversorgung von elektrischen Komponenten über ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs erfolgt auf der letzten Verteilungsebene des Leitungssatzes über einen singulären Strompfad, der also ausschließlich aus dem Bordnetz zu einer der Komponenten führt. Dieser Strompfad kann eine Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement und mindestens eine Fahrzeugleitung zur Energieversorgung der elektrischen Komponente beinhalten. Soll gleichzeitig eine bedarfsgerechte Klemmensteuerung, das heißt die Steuerung des Energieflusses beispielsweise über einen Schalter, beziehungsweise eine Energieflusssteuerung der elektrischen Komponente durchgeführt werden, ist dem beschriebenen Strompfad mindestens ein elektromechanisches Relais vorgeschaltet.
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Durch den Einsatz einer Schmelzsicherung als Leitungsschutzelement ergibt sich der Nachteil, dass ein exklusiver, für den Benutzer des Kraftfahrzeugs zugänglicher Einbauort der Schmelzsicherung gefunden werden muss. Dies verursacht in der Regel längere Verdrahtungswege und damit Kosten- und Gewichtssteigerungen im Leitungssatz. Gleichzeitig ist die Dimensionierung des Leitungsquerschnittes von der Auslösecharakteristik der vorgeschalteten Schmelzsicherung abhängig. Aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der Schmelzsicherung und der Fahrzeugleitung tritt bei der Überdimensionierung besonders bei Verbrauchern mit kurzzeitigen impulsförmigen Stromspitzen, wie sie beispielsweise durch Pufferkondensatoren verursacht werden können, und niedriger Nennleistung der Fall auf, dass die Leitung innerhalb ihres spezifischen Temperaturbereichs betrieben werden kann, allerdings die Schmelzsicherung auslösen würde. Um ein unkoordiniertes Auslösen der Schmelzsicherung zu verhindern, wird bei der Dimensionierung der Nennwert für den Sicherungsstrom bei der Schmelzsicherung erhöht, was wiederum eine Erhöhung des Leitungsquerschnittes zur Folge hat. Dies führt ebenfalls zu einer Kosten- und Gewichtssteigerung im Leitungssatz.
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Der Einsatz eines elektromechanischen Relais als Schaltelement führt bei Funktionen mit erhöhtem Schaltspiel, beispielsweise einem Start-Stop-Betrieb bei einer Startersteuerung eines Starters des Kraftfahrzeug, zu einem erhöhten Kontaktverschleiß. Dieser Kontaktverschleiß trägt zur Erhöhung des Ausfallrisikos bei. Gleichzeitig werden bei der Durchführung des Schaltspiels hörbare, unerwünschte Klack-Geräusche erzeugt.
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Aus der
EP 2 107 673 A1 ist bekannt, als Ausschalter für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zu verwenden.
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Aus der
WO 2005/115805 A1 ist bekannt, einen Starter für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs über einen MOSFET mit einer Fahrzeugbatterie zu koppeln. Mittels des MOSFETS kann eine unbegrenzte Anzahl an Schaltzyklen ermöglicht werden.
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Aus der
US 2011/0134573 A1 ist eine Steuereinrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals für eine sicherheitsrelevante Komponente eines Kraftfahrzeugs bekannt. Mittels der Fördereinrichtung kann eine korrekte Funktionsweise einer Komponente überwacht werden und bei Erkennen eines Fehlers ein Versorgungsstrom abgeschaltet werden.
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Aus der
DE 10 2007 062 955 A1 ist zur Spannungsstabilisierung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs eine Schaltung bekannt, über welche ein Energiespeicher mit dem Bordnetz verschaltet ist. Die Schaltung weist ein Diodenelement auf, durch welches eine aktive Diode realisiert ist, wobei zum Schalten des Stroms aus dem Energiespeicher sechs parallel geschaltete Leistungs-MOSFETs bereitgestellt sind, unter denen der Strom aus dem Energiespeicher aufgeteilt wird, sodass ein Gesamtstrom von 200 A von jedem MOSFET nur zu einem Sechstel getragen werden muss, also 33 A. Zum Schalten der MOSFETs sind die Gates aller MOSFETs über eine gemeinsame Steuerschaltung mit einem Schmitt-Trigger verschaltet.
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Aus der
DE 10 2012 218 914 A1 , der
DE 10 2010 007 452 A1 , der
US 2010/0066431 A1 , der
US 6,275,958 B1 , der
US 5,926,010 A und der
US 5,598,041 A ist jeweils bekannt, zum sicheren elektrischen Trennen einer elektrischen Last von einer Spannungsquelle eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen vorzusehen, die entweder beide durch Transistoren oder durch eine Kombination aus einem Transistor und einem mechanischen Schalter gebildet sein können.
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Aus der
DE 198 42 059 A1 ist ein Fehlerstromschutzschalter bekannt, der ein redundantes und/oder diversitäres Zusatztrennteil aufweist, um einen Fehlerstrom auf der Grundlage einer CMOS-Verstärkerschaltung zu detektieren und bei Auftreten eines Fehlerstroms das Unterbrechen des Stroms auf der Grundlage von Schaltkontakten einerseits und Sprengkapseln andererseits zu ermöglichen.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 011 390 A1 beschreibt einen Stromregler, über welchen in einem Kraftfahrzeug ein Generator mit einer Last verschaltet ist. Beiderseits des Stromreglers sind noch Pufferbatterien zugeschaltet. Ist der Stromregler thermisch überlastet und ist dennoch aktuell ein großer Versorgungsstrom für die Last notwendig, kann der Stromregler entlastet werden, indem ein Überbrückungsschalter geschlossen wird und somit ein Teil des Versorgungstroms am Stromregler vorbeigeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Komponente bedarfsweise oder wahlweise an einem Bordnetz zu- und abschalten zu können.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Durch die Erfindung wird eine Schaltvorrichtung zum Schalten der elektrischen Komponente des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Schaltvorrichtung weist in der eingangs beschriebenen Weise einen elektrischen Bordnetzanschluss zum Anschließen der Schaltvorrichtung an ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs sowie einen elektrischen Komponentenanschluss zum Anschließen der Komponente an die Schaltvorrichtung auf. Mit anderen Worten kann die Schaltvorrichtung zwischen das Bordnetz und die elektrische Komponente geschaltet werden. Insbesondere kann ein Versorgungsstrom aus dem Bordnetz über die Schaltvorrichtung zur Komponente geführt werden. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät oder einen Starter für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs handeln, beispielsweise um den Elektromagneten zum Einkoppeln des Starters. Als Komponente kann allgemein ein Aktor, der als elektrischer Verbraucher wirkt, vorgesehen sein. Insbesondere kann der elektrische Verbrauchter einen Betriebsstrom größer als 1 Ampere , insbesondere größer als 5 Ampere, aufweisen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist der Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss über zwei Schaltstufeneinheiten gekoppelt. Jede Schaltstufeneinheit weist einen Halbleiterschalter zum Schalten des zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss fließenden Versorgungsstromes der Komponente auf. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich jeweils beispielsweise um einen Transistor, insbesondere einen Bipolar-Transistor oder einen MOSFET oder einen JFET (Junction-FET), handeln.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei der Schaltvorrichtung der Versorgungsstrom mittels zweier Schaltstufeneinheiten geschaltet werden kann. Hierdurch lässt sich der Versorgungsstrom zuverlässig schalten. Des Weiteren wird durch die Schaltstufeneinheiten der Versorgungsstrom mittels eines Halbleiterschalters geschaltet, so dass sich weder eine Geräuschentwicklung beim Schalten noch ein mechanischer Verschleiß ergibt.
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Bei der Erfindung sind die beiden Schaltstufeneinheiten zwischen dem Komponentenanschluss und dem Bordnetzanschluss parallel verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei der Zerstörung einer der Schaltstufeneinheiten ein Versorgungsstrom über die verbleibende Schaltstufeneinheit bereitgestellt werden kann. Bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter der Schaltstufeneinheiten in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, wird mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit weiterhin ein Versorgungsstrom zu der Komponente aus dem Bordnetz geführt.
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Des Weiteren ist eine Steuerungseinheit bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, für jede der Schaltstufeneinheiten ein unabhängiges Steuersignal zu erzeugen. Die Steuerungseinheit kann die Steuersignale z.B. in Abhängigkeit von einem Einschaltbefehl und/oder einem Ausschaltbefehl erzeugen, den die Steuerungseinheit z.B. aus einem Kommunikationsbus empfangen kann, insbesondere einen CAN-Bus (CAN Controller Area Network). Die Steuerungseinheit kann in einem Gehäuse der Schaltvorrichtung zusammen mit den beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sein. Die Steuerungseinheit kann aber auch beispielsweise als separates Steuergerät mit einem Gehäuse gekoppelt sein, in welchem die beiden Schaltstufeneinheiten bereitgestellt sind. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit über einen Kommunikationsbus mit den Steuereinrichtungen gekoppelt sein. Die Steuerungseinheit ist des Weiteren dazu ausgelegt, bei Erzeugen des Steuersignals für die jeweilige Schaltstufeneinheit an einen Diagnosemesspunkt eine sich ergebende Veränderung des Versorgungsstroms zu ermitteln. An dem Diagnosemesspunkt kann beispielsweise in der beschriebenen Weise ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein oder eine Schaltung für eine Stromstärkemessung. Zur Diagnose der Schalterzustände (offen/geschlossen) kann auch direkt die Spannung am Diagnosemesspunkt erfasst werden. Die Steuerungseinheit weist den Vorteil auf, dass eine Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten überprüft werden kann, indem nach Erzeugen oder Einstellen oder Verändern eines der Steuersignale oder beider Steuersignale die Veränderung des Versorgungsstromes erfasst wird. Ergibt sich keine Veränderung des Versorgungsstromes, so kann hieraus auf einen Defekt der mittels des Steuersignals angesteuerten Schaltstufeneinheit rückgeschlossen werden, falls eine vorgegebene oder erwartete Stromstärkeänderung ausbleibt.
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Die Erfindung weist Weiterbildungen auf, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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In einer Weiterbildung weist jede Schaltstufeneinheit jeweils eine Leitungsschutzschaltung auf, welche dazu ausgelegt ist, an einem Messpunkt ein mit einer Stromstärke des Versorgungsstromes korreliertes Messsignal zu ermitteln. Beispielsweise kann an dem Messpunkt ein Shunt-Widerstand bereitgestellt sein, an welchem ein Spannungswert ermittelt und hieraus ein Spannungssignal erzeugt wird. Es kann auch eine Stromstärkemessung an dem Messpunkt vorgesehen sein, um ein Stromstärkesignal zu erzeugen. Es kann auch z.B. mittels eines Bimetallstreifens oder eines Temperatursensors ein Auslösesignal bei Überhitzung als Messsignal erzeugt werden. In Abhängigkeit von dem Messsignal kann die jeweilige Schaltstufeneinheit in einen sperrenden Zustand geschaltet werden. Um den Einsatz zusätzlicher Komponenten (z.B. des genannten Shunts) zu verhindern, kann der Spannungsabfall U_DS über dem Schaltelement, z.B. des MOSFETs, als korreliertes Messsignal für die Stromstärke erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ zum Leitungsschutz kann diese Methode auch zum Schutz des Schaltelements gegen thermische Überlast dienen. Eine zusätzliche Schutzbeschaltung (Überstromabsicherung) des Halbleiterschalters kann entfallen. Mit anderen Worten wird z.B. der Halbleiterschalter in den sperrenden Zustand geschaltet, also in einen nicht leitenden Zustand, falls das Messsignal ein Sperrkriterium erfüllt. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch das Sperrkriterium ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit einer vorbestimmten Mindeststromstärke signalisiert ist. Durch die Leitungsschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Kurzschluss in der elektrischen Komponente die Schaltvorrichtung selbsttätig sperrt oder die Komponente elektrisch vom Bordnetz trennt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die beschriebene Steuerungseinheit auch eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Zustandssignals aus der Komponente auf. Beispielsweise kann die Empfangseinrichtung einen Bus-Koppler für den beschriebenen Kommunikationsbus umfassen. Alternativ kann auch direkt eine Hardware-Verbindung oder Drahtverbindung zum Auslesen eines Analogwertes (Spannung an einem Diagnosepunkt) eingesetzt werden. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgelegt, die sich ergebende Veränderung des Versorgungsstromes auch anhand des Zustandssignals zu ermitteln. Beispielsweise können als Zustandssignal beim Einschalten der Komponente entsprechende Statusmeldung der Komponente empfangen werden, durch welche sich ergibt, dass die Komponente nun mit einem Versorgungsstrom versorgt ist. Des Weiteren können mittels des Zustandssignals auch beispielsweise Spannungsmesswerte und/oder Stromstärkemesswerte, die jeweils durch die Komponente selbst ermittelt werden, an die Steuerungseinheit übertragen werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand diese elektrischen Größen erfasst werden können und in der Steuerungseinheit für die Diagnose der Schaltstufeneinheiten genutzt werden können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind der Komponentenanschluss und der Bordnetzanschluss unabhängig von den beiden Schaltstufeneinheiten zusätzlich über eine Schutzschaltung miteinander verbunden. Diese Schutzschaltung ist dazu ausgelegt, den Komponentenanschluss mit dem Bordnetzanschluss elektrisch miteinander zu verbinden, falls zwischen diesen beiden Anschlüssen eine vorbestimmte Überspannung abfällt. Durch die Schutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass induktive Lasten mittels der Schaltvorrichtung geschaltet werden können, also eine in der angeschlossenen Komponente vorhandene Induktivität geschaltet werden kann. Die Schutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, insbesondere einer Zehnerdiode, bereitgestellt sein. Um die transiente Überspannung bei einem Schaltvorgang nicht in das Restbordnetz zurückzukoppeln, kann die Energie der angeschlossenen Induktivität in der Schutzschaltung abgebaut werden. Schaltungstechnisch kann dies durch eine Freilaufdiode, eine TVS-Diode oder einen Varistor oder eine Snubber-Beschaltung erfolgen. Die beiden Anschlüsse werden also allgemein über die Schutzschaltung zunächst elektrisch gegeneinander isoliert, dann aber elektrisch miteinander verbunden, sobald die zwischen den Anschlüssen abfallende Spannung über einen vorbestimmten Überspannungswert steigt. Bei Absinken der Spannung unter den Übersteuerungswert kann die Schutzschaltung dann wieder in einen elektrisch isolierenden Zustand übergehen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Schaltstufeneinheiten über eine jeweilige Verpolschutzschaltung mit dem Komponentenanschluss und/oder dem Bordnetzanschluss verschaltet. Die Verpolschutzschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage einer Diode bereitgestellt sein. Durch die Verpolschutzschaltung ergibt sich der Vorteil, dass die Schaltstufeneinheiten vor einer mechanischen oder thermischen Zerstörung bewahrt sind, wenn die Schaltvorrichtung in verkehrter Schaltrichtung mit dem Bordnetz verschaltet wird.
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In einer Weiterbildung weisen Halbleiterschalter der beiden Schaltstufeneinheiten eine unterschiedliche Bauweise auf. Beispielsweise kann einer der Halbleiterschalter ein MOSFET sein und der Halbleiterschalter der anderen Schaltstufeneinheit eine Bipolar-Transistor. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Halbleiterschalter unterschiedlich auf eine bestimmte Fehlersituation reagieren und hierdurch die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass einer der Halbleiterschalter in der Fehlersituation unbeschädigt bleibt.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist ein Bordnetz zum Bereitstellen einer Gleichspannung und eines jeweiligen Versorgungsstromes für zumindest eine elektrische Komponente, insbesondere zumindest eines Steuergeräts, des Kraftfahrzeugs auf. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist die zumindest eine Komponente jeweils über eine jeweilige Schaltvorrichtung an das Bordnetz angeschlossen, wobei die jeweilige Schaltvorrichtung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Schaltvorrichtung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 kann ein Bordnetz 2 aufweisen, an welches mehrere elektrische Komponenten angeschlossen sein können, von denen in 1 beispielhaft nur eine elektrische Komponente 3 dargestellt ist. Die Komponente 3 kann beispielsweise ein elektronisches Steuergerät oder ein Elektromagnet für einen Starter sein. Die elektrische Komponente 3 stellt einen elektrischen Verbraucher dar. Ein elektrischer Verbraucher ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein elektrisches oder elektronisches Gerät, welches einen Betriebsstrom aufweist, der größer als 500 mA, insbesondere größer als 1 A, ist.
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Das Bordnetz 2 kann eine Spannungsquelle 4 aufweisen, die beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator und/oder einen Generator umfassen kann. Durch die Spannungsquelle 4 kann eine Versorgungsspannung bereitgestellt sein, die beispielsweise in einem Bereich von 10 V bis 14 V oder in einem Bereich von 40 V bis 55 V oder in einem Bereich größer 60 V liegen kann. Die Versorgungsspannung kann zwischen einer Fahrzeugmasse 5 und einer elektrischen Leiteinrichtung 6, beispielsweise einem Kabel oder einer Stromschiene, erzeugt sein. Die Komponente 3 kann über eine Schaltvorrichtung 7 mit der Leiteinrichtung 6 gekoppelt sein. Des Weiteren kann die Komponente 3 mit der Fahrzeugmasse 5 gekoppelt sein. Die Fahrzeugmasse 5 kann beispielsweise durch elektrisch leitende Bauteile, beispielsweise ein Chassis oder ein Rahmen des Kraftfahrzeugs 1, bereitgestellt sein.
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Durch die Schaltvorrichtung 7 kann ein Versorgungsstrom I, der von dem Bordnetz 2 über die Schaltvorrichtung 7 zu der Komponente 3 fließen kann, geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 7 kann hierzu eine erste Schaltstufeneinheit 8, eine zweite Schaltstufeneinheit 9, eine Steuerungseinheit 10, eine Verpolschutzschaltung 11 und eine Schutzschaltung 12 aufweisen. Die Schutzschaltung 7 kann über einen Bordnetzanschluss 13 mit der Leitungseinrichtung 6 verbunden sein. Der Bordnetzanschluss 13 kann beispielsweise einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Die Schaltvorrichtung 7 kann über einen Komponentenanschluss 14 mit der Komponente 3 verschaltet sein. Der Komponentenanschluss 14 kann einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen. Zum Verbinden des Komponentenanschlusses 14 mit der Komponente 3 kann ein Leitungselement 15 vorgesehen werden, das beispielsweise ein Kabel oder eine Stromschiene aufweisen kann.
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Der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 sind in der Schaltvorrichtung 7 über die beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 verschaltet oder gekoppelt oder verbunden. Des Weiteren sind der Bordnetzanschluss 13 und der Komponentenanschluss 14 parallel zu den beiden Schaltstufeneinheiten 8, 9 über die Schutzschaltung 12 verbunden.
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Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils unabhängig voneinander durch ein jeweiliges Schaltsignal S1, S2 geschaltet werden, das durch die Steuerungseinheit 10 erzeugt sein kann. Die Steuerungseinheit 10 kann in einem Gehäuse 16 eingebaut sein, an welchem auch die Schaltstufeneinheiten 8, 9 angeordnet sein können. Die Steuerungseinheit 10 kann z.B. einen Mikrocontroller aufweisen. Die Steuerungseinheit 10 kann auch außerhalb des Gehäuses 16 bereitgestellt sein, beispielsweise als ein Programmmodul in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1.
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Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Steuersignale S1, S2 in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl zum Einschalten und/oder Ausschalten zu erzeugen, der z.B. in an sich bekannter Weise von einem (nicht dargestellten) zentralen Bordnetzmanagement an die Steuerungseinheit 10 ausgesendet werden kann.
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Die Steuerungseinheit 10 kann dazu ausgelegt sein, die Funktionstüchtigkeit oder Funktionsfähigkeit der Schaltstufeneinheiten 8, 9 mittels eines Diagnosesignals D zu überprüfen, welches an einem Diagnosemesspunkt 17 erzeugt werden kann, über welchen der Versorgungsstrom I geführt ist. Beispielsweise können die Schaltstufeneinheiten 8, 9 über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Komponentenanschluss 14 gekoppelt sein, wie es in 1 dargestellt ist. Sie können auch über den Diagnosemesspunkt 17 mit dem Bordnetzanschluss 13 gekoppelt sein (nicht dargestellt). Der Diagnosemesspunkt 17 kann beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand oder eine Strommesseinrichtung, wie dieser bzw. diese aus dem Stand der Technik bekannt ist, realisiert sein. Es ist auch ein direkter Abgriff der elektrischen Spannung insbesondere ohne Shunt möglich. Anhand des Diagnosesignals kann durch die Steuerungseinheit 10 eine Veränderung in der Stromstärke des Versorgungsstroms I ermittelt werden. Insbesondere kann die Veränderung in Abhängigkeit von den Schaltsignalen S1, S2 ermittelt werden. Hierdurch kann durch die Steuerungseinheit 10 ermittelt werden, ob die Schaltstufeneinheiten 8, 9 jeweils auf das jeweilige Steuersignal S1, S2 in einer vorbestimmten Weise reagieren. Falls dies nicht der Fall ist, kann durch die Steuerungseinheit 10 ein Warnhinweis oder Fehlersignal W ausgegeben werden, welches beispielsweise durch eine Anzeigeeinrichtung 18 einem Benutzer des Kraftfahrzeugs 1 signalisieren kann, dass das Kraftfahrzeug 1 eine fehlerhafte Schaltvorrichtung 7 aufweist.
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Zusätzlich zu dem Diagnosesignal D kann die Steuerungseinheit 10 ein Zustandssignal Z von der Komponente 3 empfangen. Das Zustandssignal Z kann beispielsweise über einen Kommunikationsbus, beispielsweise einen CAN-Bus, von der Komponente 3 zu der Steuerungseinheit 10 übertragen werden. Anhand des Zustandssignals Z kann ein Betriebszustand der Komponente 3 und/oder ein von der Komponente 3 ermittelter Stromstärkewert des Versorgungsstroms I empfangen werden.
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Die Schutzschaltung 12 kann dazu ausgelegt sein, bei Anliegen einer Überspannung mit einem vorbestimmten Mindestspannungswert zwischen dem Bordnetz 13 und dem Komponentenanschluss 14 diese Überspannung durch elektrisches Verbinden der Anschlüsse 13, 14 abzubauen, so dass die Überspannung nicht über den Schaltstufeneinheiten 8, 9 abfällt. Hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt. Die Schutzschaltung 12 kann beispielsweise eine oder mehrere Dioden aufweisen.
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Die Verpolschutzschaltung 11 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, beispielsweise auf der Grundlage einer Diode, und kann einen Stromfluss von dem Komponentenanschluss 14 hin zum Bordnetzanschluss 13 blockieren. Auch hierdurch werden die Schaltstufeneinheiten 8, 9 vor einer Zerstörung oder Beschädigung geschützt.
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Jede Schaltstufeneinheit 8, 9 kann einen elektronischen Halbleiterschalter 19 aufweisen, bei dem es sich beispielsweise um einen Transistor handeln kann, insbesondere um einen MOSFET oder JFET, oder um einen Bipolar-Transistor. Die Schaltstufeneinheiten 8, 9 können jeweils auch eine Leitungsschutzschaltung 20 aufweisen, die bevorzugt als analoge Schaltung oder elektronische Schaltung ausgestaltet ist, das heißt eine Schaltung, die nicht auf eine Analog-Digital-Wandlung angewiesen ist.
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Durch die Leitungsschutzschaltung 20 kann ein Gate-Signal oder Basis-Signal oder Steuersignal C erzeugt werden, durch welches ein Schaltzustand des Halbleiterschalters 19 in an sich bekannter Weise gesteuert oder festgelegt ist. Die Leitungsschutzschaltung 20 kann das Schaltsignal C in Abhängigkeit von dem Steuersignal S1, S2 erzeugen. Des Weiteren kann die Leitungsschutzschaltung an einem Messpunkt 21 der jeweiligen Schaltstufeneinheit 8, 9 ein mit der Stromstärke des Versorgungsstroms I korreliertes Messsignal M erfassen. Beispielsweise kann der Messpunkt 21 einen Shunt-Widerstand oder eine Stromstärkemessschaltung aufweisen. In dem Messpunkt 21 kann auch beispielsweise ein Bimetall oder ein Temperatursensor bereitgestellt sein. Falls anhand des Messsignals M durch die Leitungsschutzschaltung 20 erkannt wird, dass ein Überstrom fließt, das heißt die Stromstärke des Versorgungsstroms I oberhalb eines vorbestimmten Höchstwerts liegt, kann durch Leitungsschutzschaltung 20 mittels des Schaltsignals C der jeweilige Halbleiterschalter 19 in einen sperrenden Zustand geschaltet werden, unabhängig vom Steuersignal S1, S2. Hierdurch kann beispielsweise bei einem Kurzschluss in der Komponente 3 der Stromfluss des Versorgungsstroms I unterbrochen werden.
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In dem in 1 gezeigten Beispiels sind die Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen dem Bordnetzanschluss 13 und dem Komponentenanschluss 14 in Serie geschaltet. Bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem leitenden Zustand verharrt, kann der Versorgungsstrom I mittels des verbleibenden Halbleiterschalters 19 sicher unterbrochen werden.
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In 2 ist im Gegensatz dazu eine Schaltvorrichtung 7 gezeigt, bei welcher die zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 zwischen einem Bordnetzanschluss 13 und einem Komponentenanschluss 14 in einer Parallelschaltung verschaltet sind.
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Durch die Parallelschaltung ergibt sich der Vorteil, dass bei Beschädigung eines der Halbleiterschalter 19 der Schaltstufeneinheiten 8, 9 in der Weise, dass der beschädigte Halbleiterschalter 19 dauerhaft in einem sperrenden Zustand verharrt, mittels der verbleibenden Schaltstufeneinheit weiterhin ein Versorgungsstrom I zu der Komponente 3 aus dem Bordnetz 2 geführt werden kann.
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Bei der Erfindung können allgemein an einem Gehäuse 16 auch mehrere der Komponentenanschlüsse 14 bereitgestellt sein, wobei jeder Komponentenanschluss 14 mit dem Bordnetzanschluss 13 über eine jeweilige Anordnung aus zwei Schaltstufeneinheiten 8, 9 gekoppelt sein kann. Hierbei können für jeden der Komponentenanschlüsse 14 unterschiedliche Anordnungen der jeweiligen Schaltstufeneinheiten 8, 9 vorgesehen sein, also eine Parallelschaltung oder eine Serienschaltung. Hierdurch kann mittels des Gehäuses 16 eine Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, an welcher mehrere Komponenten bedarfsweise mit einer sicher abschaltenden (Serienschaltung) oder sicher durchschaltenden (Parallelschaltung) Anordnung zweier Schaltstufeneinheiten mit dem Bordnetz 2 gekoppelt werden können.
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Die beschriebenen Schaltvorrichtungen stellen somit modulare Schaltstufen mit einer elektronischen Kurzschlussabschaltung und Diagnoseschnittstelle für ein Warnsignal W dar. Im Gegensatz zum heutigen Stand der Technik wird mindestens ein elektromechanisches Relais durch einen elektronischen Schalter (MOSFET, Bipolar-Transistor) ersetzt. Das elektronische Schaltelement wird in Verbindung mit einer analogen Kurzschlussdetektion als Leitungsschutzschaltung und Lichtbogenschutz eingesetzt. Die Leitungsschutzschaltung ist bevorzugt durch diskrete Bauelemente oder integriert als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder ASSP (Application Specific Standard Product) ausgestaltet. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe oder große Schaltgeschwindigkeit, da z.B. eine Analog-Digital-Wandlung oder eine Programmcodeinterpretation entfallen kann, wie sie z.B. für den Einsatz eines Mikrocontrollers nötig wäre. Eine Schmelzsicherung und die damit verbundenen Nachteile können entfallen. Durch die Substitution des elektromechanischen Relais durch elektronische Schalter kann auch die Geräuschemission im Schaltverhalten gedämpft beziehungsweise verhindert werden. Mit den beschriebenen Komponenten der Schaltstufe werden hinsichtlich der Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bevorzugt bei Bedarf eine parallele Verschaltung der Schaltungseinrichtung oder eine serielle Verschaltung der Schaltstufeneinheiten bereitgestellt.
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Die in 1 dargestellte erste Topologievariante beinhaltet zwei in Serie geschaltete elektronische Schaltelemente mit der beschriebenen Anordnung zur Kurzschlussdetektion und Abschaltung. Durch die Redundanz im Schaltpfad wird sichergestellt, dass der Stromfluss im Strompfad selbst Defekt eines Schaltelements (niederohmig leitend) sicher durch das zweite Schaltelement getrennt und diagnostiziert werden kann. Die beiden Schaltstufen werden als elektronische Schalter dargestellt, um zusätzlich zur Redundanz die Diversität zu erhöhen, werden die Anwendungen bis 48 V Bordnetzspannung bevorzugt mit unterschiedlicher Technologie der Schaltstufen verwendet (zum Beispiel einen Bipolar-Transistor und einen MOSFET-Schalter). Beide Schaltstufen werden von einer übergeordneten Steuerungseinheit, die entweder innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet sein kann oder Teil eines separaten Steuergerätes sein kann, unabhängig voneinander über die Steuersignale S1, S2 angesteuert. Eine schnelle, analoge Kurzschlussabschaltung ermöglicht durch die Messung des Spannungspotenzials an definierten Messpunkten 21 eine leistungsgesteuerte Kurzschlussdetektion. Bei Überschreiten einer festgelegten Stromschwelle wird die Ansteuerung der Schalteinheiten 8, 9 zurückgenommen und der Schaltkontakt durch die Leitungsschutzschaltung 20 geöffnet. Zum Schutz der elektronischen Komponenten ist eine optionale Schutzbeschaltung der Schalteinheiten und ein optionaler Verpolschutz vorsehbar.
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In der 2 ist die Topologie der Schaltstufe zur Erhöhung der Verfügbarkeit des geschalteten Pfades mit angeschlossener elektronischer Komponente dargestellt. Ziel ist die Energieversorgung der Komponente selbst bei hochohmigem Ausfall eines Halbleiterschalters 19 aufrechtzuerhalten. Gleiches gilt für die Verfügbarkeit des elektronischen Leitungsschutzes. Im Falle eines Kurzschlusses bleibt durch die Redundanz der Schaltstufen und des elektronischen Leitungsschutzes die Funktion zum Trennen des Strompfades erhalten, zum Beispiel zur Detektion und Abschaltung des entstehenden Lichtbogens in Energienetzen mit 48 V Nennspannung. Zusätzliche Diversität zur Steigerung der Verfügbarkeit kann, wie im Zusammenhang mit der Topologie von 1 beschrieben, durch den Einsatz von unterschiedlichen elektronischen Schaltertypen (Bipolar-Transistor und MOSFET-Schalter) erzielt werden.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine modulare elektrische Schaltstufe zur Versorgung und Absicherung von funktionssicherheitsrelevanten Strompfaden und elektrischen Komponenten im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann.
