DE19757113A1 - Ankoppelschaltung zur Stromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ankoppelschaltung zur Stromversorgung von Verbrauchern aus Gleichspannungsnetzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Ankopplung von Verbrauchern unter verschiedenen Betriebsbedingungen ist bereits eine Vielzahl von Schaltungen bekannt, welche unter anderem von bidirektionalen Schaltern Ge­ brauch machen.

Die bisher bekannten Schaltungen sind jedoch überwiegend nicht gegen den Ausfall von Bauelementen geschützt.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu entwickeln, welche einen bidirek­ tionalen Energiefluß zwischen Bordnetz und Verbraucher gewährleistet sowie eine Siche­ rungsfunktion gegen Überstrom und Kurzschluß aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weite­ ren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird vorzugsweise zur Ankopplung von Verbrauchern an ein Bordnetz be­ nutzt, bei dem es auf eine erhöhte Betriebssicherheit des Netzes ankommt. Das Bordnetz weist mindestens zwei getrennte Teilbordnetze auf. Insbesondere ist der Einsatz der Erfin­ dung dort vorteilhaft, wo z. B. Bremsen und Lenkung beim Kraftfahrzeug durch elektrische Aktoren betätigt werden. Ein Ausfall der Stromversorgung hätte bei der Lenkung dieselbe Konsequenz wie der Bruch der Lenksäule bei der herkömmlichen Technik.

Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt insbesondere folgende vorteilhaften Eigenschaften:
sie ermöglicht den Energierückfluß vom Verbraucher ins Bordnetz (Rückspeisung), die ge­ trennten Teilnetze sind redundant, die Teilnetze werden gleichmäßig belastet und ein Ener­ gieaustausch zwischen den Teilnetzen wird zuverlässig verhindert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt die Ankoppelschaltung überwiegend als Blockschaltbild. Vorteilhaft wird die Erfindung für sicherheitskritische Anwendungen insbesondere in Fahrzeugen eingesetzt.

Ein Netzteil N wird mit einer Versorgungsspannung U_STG versorgt und versorgt seinerseits Steuerschaltungen STG und einen Vergleicher V. Die Steuerschaltungen STG steuern Schalter, vorzugsweise Transistoren T1, T2 und T3, T4, deren parasitäre Dioden D1, D2 und D3, D4 jeweils antiparallele Diodenstrecken bilden. Werden andere Schalter verwendet, sind entsprechende Dioden vorzusehen. Die Schalter T1, T2, T3, T4 sind eingangsseitig ent­ koppelten Teilbordnetzen U_BN1 und U_BN2 zugeordnet, welche vorzugsweise gleiche Bord­ netzspannung U_BN aufweisen. In der Figur sind dies die Teilbordnetze bzw. Bordnetzspan­ nungen U_BN1 und U_BN2. Es kann jedoch auch eine größere Anzahl von Teilbordnetzen in der beschriebenen erfindungsgemäßen Weise betrieben werden. Jedem Teilbordnetz U_BN1, U_BN2 ist vorzugsweise ein eigener Energiespeicher zugeordnet, insbesondere eine Batterie. Vor dem Energiespeicher ist vorzugsweise ein Generator angeordnet, dessen Ausgang elektro­ nisch gesplittet wird, um die getrennten Teilbordnetze und/oder den oder die Energiespei­ cher zu speisen. Es kann jedoch auch je ein Generator für jedes Teilbordnetz eingesetzt wer­ den. Generator und Energiespeicher sind in der Figur nicht dargestellt.

Ausgangsseitig weist die Schaltung einen Anschluß U_AUS für die Versorgung mindestens eines Verbrauchers auf, insbesondere eines Motors für einen Aktor, zu welchem eine Kapa­ zität parallel zur Masse geschaltet ist. Falls ein ausgangsseitig angeschlossener Motor im Generatorbetrieb arbeitet, kann diese Energie durch die erfindungsgemäße Anordnung ohne schädliche Rückwirkung auf das Netz in das Netz zurückgespeist werden.

Die Steuerschaltungen STG erhalten ihre Signale vom Vergleicher V. Die Schaltungsteile lassen sich ebenfalls getrennt versorgen und können insbesondere redundant ausgeführt wer­ den. Die Transistoren T1 bis T4 sind vorzugsweise MOSFET-Transistoren. Der zum Betrieb der Schaltung eingesetzte Vergleicher V gibt in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_AUS den Stromfluß in die jeweilige Richtung frei.

Ist die Ausgangsspannung U_AUS kleiner als eine zuvor festgelegte Schwelle U_S, welche je­ doch größer sein muß als die beiden Bordnetzspannungen U_BN1, U_BN2, sind nur die Transisto­ ren T1 und T3 eingeschaltet. Der Strom kann jetzt über die parasitären Dioden in den Tran­ sistoren T2 und T4 zum Verbraucher gelangen. Es können zur Verringerung des Spannungs­ abfalls ΔU über den parasitären Dioden D1, D2, D3, D4 in einer vorteilhaften Variante auch zusätzliche Dioden parallelgeschaltet werden. Die beiden Teilnetze U_BN1 und U_BN2 bleiben entkoppelt und werden in Abhängigkeit der Spannungslage belastet. Damit wird eine Strom­ aufteilung auf beide Netze erreicht.

Speist der angeschlossene Verbraucher, insbesondere ein Motor im Generatorbetrieb, Ener­ gie zurück, so steigt die Spannung U_AUS am Verbraucher an, da kein Strom über die Dioden ins Netz zurückfließen kann. Der Pufferkondensator C nimmt diese Energie solange auf, bis die Spannung U_AUS die zuvor festgelegte Schwelle U_S überschreitet. Danach schaltet der Vergleicher die Transistoren T1 und T3 ab und die Transistoren T2 und T4 ein. Der Strom kann nun über die parasitären Dioden in T1 und T3 zu den Teilnetzen U_BN1 und U_BN2 gelan­ gen. Auch hier können wiederum zusätzliche Dioden zur Verringerung des Spannungsab­ falls eingesetzt werden. Die beiden Teilnetze U_BN1 und U_BN2 bleiben entkoppelt und werden in Abhängigkeit der Spannungslage gespeist. Dies entspricht einer Stromaufteilung. Die Versorgung des Verbrauchers ist insofern als redundant zu bezeichnen, als mehrere Bord­ netzspannungen U_BN, insbesondere mindestens zwei, vorgesehen sind, von denen hier aller­ dings nur zwei Bordnetzspannungen U_BN1 und U_BN2 dargestellt sind.

Die Ansteuerschaltungen STG bestehen vorzugsweise aus intelligenten MOSFET-Treibern und haben die Aufgabe, die Transistoren T1, T2, T3, T4 zuverlässig anzusteuern und zu überwachen. Sie unterbrechen beim Auftreten eines Überstromes sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung den Stromkreis und verhindern somit negative Rückwirkungen auf die Teilnetze. Tritt ausgangsseitig ein Überstrom auf, so steigt der Spannungsabfall über den Transistoren T2 oder T4 an, was von den Steuerschaltungen STG detektierbar ist. Die Steuerschaltungen STG schalten daraufhin die betroffenen Transistoren ab. Tritt der Über­ strom eingangsseitig auf, steigt der Spannungsabfall ΔU über den Transistoren T3 oder T1, und die Steuerschaltungen schalten entsprechend die Transistoren T1 oder T3 ab. Ähnlich ist die Auswirkung eines Kurzschlusses auf der Ausgangs- oder der Eingangsseite der Schal­ tung. Die Steuerschaltungen STG erkennen die Änderung des Spannungsabfalls über den Transistoren und schalten diese ab.

Die erfindungsgemäße Ankoppelschaltung zur Stromversorgung von Verbrauchern aus Gleichspannungsnetzen mit einer Schaltungseinheit zum Ein-. und Ausschalten der Strom­ versorgung, wobei die Stromversorgung mindestens zwei Teilnetze aufweist, die mit den Verbrauchern über elektrisch betätigte Schalter derart verbunden sind, weist also die Eigen­ schaft auf, daß jedes Teilnetz U_BN1, U_BN2 in Abhängigkeit seiner Leistungsfähigkeit an der Versorgung beteiligt ist und daß ein Vergleicher V den Stromfluß am Ausgang der Schal­ tung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_AUS in die jeweilige Richtung freigibt.

Vorteilhaft ist, daß, falls die Spannung kleiner als eine vorher festgelegte Schwelle ist, nur die Schalter (T1, T3) in Vorwärtsrichtung eingeschaltet sind. Falls die Spannung größer als eine vorher festgelegte Schwelle ist, sind dagegen nur die Schalter (T2, T4) in Rück­ wärtsrichtung eingeschaltet.

Eine vorteilhafte Ausführung ist, wenn die Schalter durch Dioden zur Verringerung des Spannungsabfalls über den parasitären Dioden überbrückt sind. Zweckmäßig ist, wenn ein Pufferkondensator rückgespeiste Energie aus dem Netz aufnimmt.

Claims (8)

1. Ankoppelschaltung zur Stromversorgung von mindestens einem Verbraucher aus Gleich­ spannungsnetzen mit einer Schaltungseinheit zum Ein- und Ausschalten der Stromver­ sorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung eingangsseitig mindestens zwei getrennte Teilnetze (U_BN1, U_BN2) aufweist, die mit ausgangsseitigen Verbrauchern über elektrisch betätigte Schalter (T1, T2, T3, T4) derart verbunden sind, daß jedes Teilnetz (U_BN1, UBN₂) in Abhängigkeit seiner Leistungsfähigkeit an der Versorgung des ausgangsseitigen Verbrauchers beteiligt ist und daß ein Vergleicher (V) den Stromfluß am Ausgang der Schaltung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (U_AUS) in die jeweilige Richtung freigibt.

2. Ankoppelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter MOSFET-Schalter (T1, T2, T3, T4) sind.

3. Ankoppelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (T1, T2, T3, T4) Dioden (D1, D2, D3, D4) aufweisen.

4. Ankoppelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D1, D2, D3, D4) antiparallele Diodenketten bilden.

5. Ankoppelschaltung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die Spannung (U_AUS) kleiner als eine vorher festgelegte Schwelle (U_S) ist, nur die Schalter (T1, T3) in Vorwärtsrichtung eingeschaltet sind.

6. Ankoppelschaltung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die Spannung (U_AUS) größer als eine vorher festgelegte Schwelle (U_S) ist, nur die Schalter (T2, T4) in Rückwärtsrichtung eingeschaltet sind.

7. Ankoppelschaltung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (T1, T2, T3, T4) durch zusätzliche Dioden zur Verringerung des Span­ nungsabfalls (ΔU) über parasitären Dioden (D1, D2, D3, D4) überbrückt sind.

8. Ankoppelschaltung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausgangsseitig ein Pufferkondensator (C) zur Aufnahme rückgespeister Energie vor­ gesehen ist.