DE19946744A1

DE19946744A1 - Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19946744A1
Application number: DE19946744A
Authority: DE
Inventors: Bican Samray
Original assignee: Tyco Electronics Logistics AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-05-10
Also published as: WO2001024341A1; JP2003516704A; EP1222726A1; KR20020054323A

Abstract

Das Verfahren sorgt dafür, daß bei der Kopplung zweier Netze keine Schäden durch unzulässig hohe Ströme oder unterschiedliche Spannungen auftreten. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Betriebsspannungsnetz (BN) und einer Verbindungsklemme (VK) ein Schalter (Q¶2¶) vorgesehen, der durch eine Steuereinheit (SE) angesteuert wird. Der Schalter (Q¶2¶) wird nur geschlossen, wenn die Spannungsnetze kompatibel sind. Nach dem Schließen des Schalters (Q¶2¶) wird der nun fließende Strom (I) gemessen. Bei einer Unterschreitung eines Schwellwertes wird der Schalter geöffnet. DOLLAR A Die Schaltungsanordnung setzt das Verfahren um, beispielsweise zur Kopplung zweier Fahrzeuge zu einem Fremdstartvorgang. In einer günstigen Ausgestaltung ist der steuerbare Schalter (Q¶2¶) ein Relais.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz ins besondere eines Kraftfahrzeuges sowie eine Schaltungsanord nung zum Durchführen des Verfahrens.

Bei der Kopplung zweier Spannungsnetze gilt es, die Kompati bilität beider Spannungen zu beachten. Die Parameter der Spannungen sind ihr Betrag, ihre Polarität bei einer Gleich spannung und die Frequenz sowie die Phase bei einer Wech selspannung. Werden zwei Spannungsnetze miteinander gekop pelt, bei denen diese Kennwerte nicht übereinstimmen, so kann es zu Schäden in den Spannungsnetzen oder zu einem Betriebs ausfall kommen.

Um Schäden zu vermeiden, ist es bekannt, Sicherungen in den Strompfad zu schalten, die bei einem unzulässig hohen Strom die Verbindung zwischen den Spannungsnetzen trennen. Solche Sicherungen schützen jedoch nicht vor zu hohen Spannungen.

Bei Kraftfahrzeugen tritt als weitere Schwierigkeit auf, daß in Zukunft verschiedene Spannungsebenen in den Bordnetzen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dies stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn bei Ausfall der Batterie eines Fahrzeuges durch die Verbindung des Bordnetzes mit dem Bord netz eines anderen Fahrzeuges Fremdstarthilfe gegeben wird, weil in diesem Fall die Gefahr besteht, verschiedenartige Bordnetze zusammenzuschalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, das die sichere Ankopplung eines Fremdspannungs netzes an ein Betriebsspannungsnetz insbesondere eines Kraftfahrzeuges gewährleistet, so daß eine Schädigung der Span nungsnetze verhindert ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspan nungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz insbesondere eines Kraftfahrzeuges gelöst, wobei mindestens ein steuerbarer Schalter zwischen dem Betriebsspannungsnetz und einer Verbin dungsklemme angeordnet ist, der mindestens eine steuerbare Schalter mit einem Steuergerät verbunden ist, die Verbindung klemme für den Anschluß des Fremdspannungsnetzes ausgelegt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensmerkmale aufweist:

- Messung der Spannung an der Verbindungsklemme,
- Prüfung, ob die Meßspannung einen unteren Schwellwert nicht unterschreitet und einen oberen Schwellwert nicht überschreitet,
- Schließen des steuerbaren Schalters, falls die Meßspannung im zulässigen Bereich liegt,
- Messung des zwischen der Verbindungsklemme und dem Be triebsspannungsnetz fließenden Stromes,
- Prüfung, ob der Strom einen unteren Schwellwert nicht un terschreitet,
- Öffnen des mindestens einen steuerbaren Schalters, wenn der Strom außerhalb des zulässigen Bereiches liegt.

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil sowohl die Schädigung ei nes der Spannungsnetze durch Überstrom oder Überspannung ver hindert wird, als auch das Ende eines Ausgleichsvorganges zwischen den Netzen erkannt wird, nämlich wenn der Strom un ter einen vorgegebenen Schwellwert sinkt.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß ein zulässiger Spannungsbe reich vorgegeben werden kann, in dem die Spannung des Fremd spannungsnetzes liegen darf.

Besonders günstig ist, daß bei dem Auftreten eines Fehlers keine Teile, wie beispielsweise Sicherungen, ausgetauscht werden müssen. Eine Verriegelung nach dem Öffnen des Schalters ist günstig, weil so ein unkontrolliertes Wiederein schalten des steuerbaren Schalters verhindert ist.

Eine günstige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Ver fahrens ist so gestaltet, daß der steuerbare Schalter ein Re lais ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Verbindungsklem me durch eine Abdeckkappe abgedeckt und diese mit einem Schalter oder einem Sensor gekoppelt, so daß durch Abnehmen der Kappe der Beginn des Ankoppelvorgangs erkennbar ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Um setzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Fahrzeugumgebung und

Fig. 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockdiagramm.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltgerät SG, daß das erfindungsgemä ße Verfahren in einer Fahrzeugumgebung umsetzt. Die Figur zeigt damit gleichzeitig eine erfindungsgemäße Schaltungsan ordnung.

Die Anordnung in der Fig. 1 besteht im wesentlichen aus drei Blöcken, nämlich einem Betriebsspannungsnetz BN, das über ei nen Schalter Q₂ eines Schaltgerätes SG und eine Verbindungs klemme VK mit einem daran angeschlossenen Starterkabel SK mit einem Fremdspannungsnetz FN gekoppelt ist. Das Betriebsspan nungsnetz BN eines ersten Fahrzeuges A weist neben einem Fahrzeugbordnetz BN1 einen Anlassermotor S1, eine Batterie mit der Spannung U_A1, einen Spannungswandler W sowie eine zweite Batterie mit der Spannung U_A2 auf. Das Fremdspannungs netz FN ist in diesem Ausführungsbeispiel als das Netz eines zweiten Fahrzeuges B dargestellt. Es weist ein Fahrzeugbord netz BN2, einen Anlassermotor S2 sowie eine Batterie der Spannung U_B auf.

Das Spannungsversorgungskonzept mit zwei Batterien verschie dener Spannung wird zukünftigen Fahrzeuggenerationen gerecht, bei denen der Anlasserstromkreis mit beispielsweise 36 V be trieben wird, während das Bordnetz mit den konventionellen Geräten und Instrumenten mit 12 V betrieben wird.

Das Schaltgerät SG ist dem ersten Fahrzeug A zugeordnet. Es liegt zwischen der Verbindungsklemme VK und dem Betriebsspan nungsnetz BN. Das Schaltgerät SG weist eine Steuereinheit SE, den steuerbaren Schalter Q₂, einen Meßwiderstand R_m, einen weiteren Schalter Q₁ und einen dritten Schalter Q₃ auf. Durch den Schalter Q₁ ist die Spannungsversorgung der Steuereinheit SE unterbrochen. Der steuerbare Schalter Q₂ wird durch die Steuereinheit SE angesteuert. Zusätzlich ist die Steuerein heit SE mit der Verbindungsklemme VK verbunden, so daß über diese Leitung die Spannung U_VK an der Verbindungsklemme VK erfaßt werden kann. Außerdem ist in den Strompfad zwischen der Verbindungsklemme VK und dem Betriebsspannungsnetz BN ei ne Strommeßeinrichtung ME_I geschaltet wobei zwischen der Strommeßeinrichtung ME_I und der Steuereinheit SE ebenfalls eine Verbindung besteht. Eine Anzeigeeinheit AE ist mit der Steuereinheit SE verbunden.

Der Schalter Q₁ kann mit dem Zündschloß des Fahrzeuges A ge koppelt oder mit einem anderen Steuergerät verbunden sein. Ein weiterer Schalter Q₃ kann hinzugeschaltet werden, der in Reihe oder parallel zu dem Schalter Q₁ liegt. In einer gün stigen Ausführung ist er mit einer Abdeckkappe AK gekoppelt, die die Verbindungsklemme VK verbirgt und zum Anschluß eines Starterkabels SK weggeklappt werden muß. Auf jeden Fall bewirkt der Schalter Q₁ bzw. die Kombination der Schalter Q₁ und Q₃, daß das Schaltgerät SG nur dann Strom und Spannung mißt, wenn das Fahrzeug betriebsbereit ist oder ein Fremd startvorgang durchgeführt wird.

Die Funktionsweise und das Zusammenspiel der einzelnen Kompo nenten funktioniert nach dem Ablaufdiagramm gemäß der Fig. 2. Der Ablauf bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1, wobei der Schalter Q₁ durch das Zündschloß ge steuert ist. Nachdem das Zündschloß Q₁ die Spannungsversor gung der Steuereinheit SE freigegeben hat, wird die Klemmen spannung U_VK an der Verbindungsklemme VK gemessen. Liegt die Spannung in einem bestimmten Bereich, der durch die Schwel lenspannungen U_min und U_max begrenzt ist, so wird der Schal ter Q₂ geschlossen. Liegt die Spannung nicht in diesem Be reich, wird weiterhin die Klemmenspannung U_VK gemessen und der Schalter Q₂ bleibt geöffnet. Wenn kein Fremdspannungsnetz FN angeschlossen ist, liegt an der Verbindungsklemme VK auch keine Spannung an und der Schalter Q₂ wird nicht geschlossen. Nach dem Schließen des Schalter Q₂ fließt ein Strom I über den Strompfad von der Verbindungsklemme VK zu der Batterie mit Spannung U_A2 bzw. zu dem Spannungswandler W. Anhand des Stromes I kann festgestellt werden, ob ein Fehler im Lade kreis vorliegt, nämlich dann, wenn der Strom größer als ein Maximalwert I_max ist, oder ob die Batterie ausreichend gela den ist, nämlich wenn der Strom unter den Schwellwert I_min fällt. Liegt der gemessene Strom zwischen I_min und I_max, so bleibt der Schalter Q₂ geschlossen, liegt er außerhalb dieses Bereichs, so wird der Schalter Q₂ geöffnet. Nach Unterschrei tung des Minimalwertes I_min, wenn die Batterie ausreichend geladen ist, kann ein Startvorgang über das Zündschloß durch geführt werden. Der Schalter Q₂ ist in einer bevorzugten Aus führung als Relais gestaltet. Eine andere Möglichkeit wäre, den Schalter Q₂ als Lasttrennschalter zu realisieren, der elektrisch wieder eingeschaltet werden kann. Der Strom I zwi schen der Verbindungsklemme VK und dem Betriebsspannungsnetz BN kann natürlich auch in Gegenrichtung fließen, wenn das Fahrzeug A Starthilfe gibt. Auch in diesem Fall ist das Fahr zeug geschützt.

Nach der Öffnung von Q₂ wird weiterhin die Klemmenspannung U_VK gemessen, jedoch verhindert eine Verriegelung, daß der Schalter Q₂ wieder geschlossen wird. Die Verriegelung wird erst dann wieder aufgehoben, wenn die Spannung U_VK an der Verbindungsklemme VK auf Null oder unter den unteren Schwell wert U_min abfällt, das heißt, wenn das Starterkabel SK von der Verbindungsklemme VK gelöst wird. Nach dem Lösen der Starterkabels SK kehrt das Schaltgerät SG in den Normalzu stand zurück, so daß der Vorgang von vorne beginnt. Die Ver riegelung kann, wenn der Schalter Q₃ mit einer Abdeckkappe AK gekoppelt ist, auch von dieser Abdeckkappe abhängen. Vorzugs weise ist die Verriegelung durch die Steuereinheit SE gesteu ert, beispielsweise durch die entsprechende Schaltung oder Programmierung der Steuerlogik. Bei Einsatz eines Lasttrenn schalters kann die Wiedereinschaltung solange verzögert wer den, bis die Klemmenspannung U_VK auf Null abgefallen ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Schalter Q₂ in regelmäßigen Abständen geschlossen und eine Messung vorgenom men, um so eine automatische Prüfung durchzuführen, ob ein erneuter Start- oder Ladevorgang begonnen werden soll oder ein zuvor aufgetretener Fehler noch vorliegt. Eine Abfrage der Schalter Q₁ und eventuell Q₃ kann ebenfalls Bestandteil der Prüfung sein. In der Figur ist dies durch ein Zeitglied realisiert, das durch ein entsprechendes Steuersignal die Verriegelung in regelmäßigen Abständen aufhebt.

Das Schaltgerät SG kann mehrere steuerbare Schalter aufwei sen. Die Anzahl der Schalter hängt davon ab, ob beispielswei se nur bei Inkompatibilität der Spannungsnetze die Verbindung getrennt bleiben soll, wie bisher beschrieben, oder ob das Fremdspannungsnetz FN mit einem von mehreren Teilsystemen des Betriebsspannungsnetzes BN gekoppelt werden soll, je nachdem, welche Spannung das Fremdspannungsnetz FN aufweist. Zusätzliche Schalter oder zusätzliche Kontakte bei den vorhandenen Schaltern, so daß Umschalter gebildet sind, sind erforder lich, wenn bei unterschiedlicher Polarität des Fremdspan nungsnetzes FN und des Betriebsspannungsnetzes BN dies auto matisch korrigiert werden soll.

Bei der Kopplung von Wechselspannungsnetzen, für die das er findungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Schal tungsanordnung ebenso geeignet ist, fällt die Schaltungsan ordnung komplexer aus. Neben dem Spannungsbetrag bzw. der Spannungsamplitude muß die Frequenz und die Phasenlage be rücksichtigt werden. Statt einem Gleichspannungswandler kön nen hierbei Transformatoren zum Einsatz kommen. Auch ist es denkbar, daß DC/AC-Wandler bzw. AC/DC-Wandler verwendet wer den. Bei der Kopplung von Drehstromnetzen ist zudem die Pha senfolge der drei Leiter zu berücksichtigen. Das erfindungs gemäße Verfahren zur Ankopplung bleibt aber in allen Fällen das gleiche, lediglich die Schaltungsanordnung muß um ent sprechende Komponenten ergänzt werden.

Claims

1. Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnet zes an ein Betriebsspannungsnetz insbesondere eines Kraft fahrzeuges, wobei mindestens ein steuerbarer Schalter (Q₂) zwischen dem Betriebsspannungsnetz (BN) und einer Verbindungsklemme (VK) angeordnet ist, der mindestens eine steuerbare Schal ter mit einem Steuergerät (SG) verbunden ist, die Verbin dungklemme (VK) für den Anschluß des Fremdspannungsnetzes (FN) ausgelegt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensmerkmale aufweist:

- Messung der Spannung an der Verbindungsklemme (VK),
- Prüfung, ob die Meßspannung einen unteren Schwellwert nicht unterschreitet und einen oberen Schwellwert nicht überschreitet,
- Schließen des steuerbaren Schalters (Q₂), falls die Meßspannung im zulässigen Bereich liegt,
- Messung des zwischen der Verbindungsklemme (VK) und dem Betriebsspannungsnetz (BN) fließenden Stromes,
- Prüfung, ob der Strom einen unteren Schwellwert nicht unterschreitet,
- Öffnen des mindestens einen steuerbaren Schalters (Q₂), wenn der Strom außerhalb des zulässigen Bereiches liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte nur bei eingeschaltetem Zünd schloß (Q₁) durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (Q₂) geöffnet wird, wenn der Strom zwischen der Verbindungsklemme (VK) und dem Betriebsspannungsnetz (BN) einen oberen Schwellwert überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Öffnen des steuerbaren Schalters (Q₂) dieser Zustand beibehalten wird, bis die Spannung an der Verbin dungsklemme (VK) auf Null absinkt oder ein unterer Schwellwert unterschritten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Spannung an der Verbindungsklemme (VK) permanent während des gesamten Verfahrens vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse der Meßwertprüfungen über eine Anzeige einheit (AE) ausgegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Öffnen des mindestens einen steuerbaren Schalters (Q₂) der Schal ter (Q₂) in regelmäßigen Abständen wieder geschlossen wird, um festzustellen, ob der Betriebszustand, der zum Öffnen des Schalters (Q₂) geführt hat, noch vorliegt.

8. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (Q₂) ein Relais ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsklemme (VK) durch eine Abdeckkappe (AK) abgedeckt ist und diese mit einem Schalter (Q₃) der art verbunden ist, daß sich der Schaltzustand des Schal ters (Q₃) bei Abnehmen der Kappe von der Verbindungsklem me (VK) ändert.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsspannungsnetz (BN) das Versorgungsnetz eines ersten Kraftfahrzeuges (A) ist und daß das Fremd spannungsnetz (FN) das Versorgungsnetz eines zweiten Kraftfahrzeuges (B) oder ein Ladegerät ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischen den Anschlüssen der Verbindungsklemme (VK) ein Meßwiderstand (R_m) geschaltet ist.