DE3801478C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug mit zwei unterschiedlichen Verbraucherspannungen, nämlich der üblichen Bordnetz-Gleichspannung und einer dieser gegenüber höheren Gleichspannung, beispielsweise zum Betrieb einer Heizscheibe mit einem Dünnschicht-Heizwiderstand, mit einem Generator und einem Spannungsregler.

Die übliche Stromversorgungsschaltung für Kraftfahrzeuge umfaßt einen Drehstromgenerator aus einem gleichstromdurchflossenen Rotor und einer im Stator angeordneten Dreiphasen-Wicklung. Die beim Drehen des Rotors erzeugte Dreiphasenspannung wird in einer Gleichrichterbrücke zu pulsierender Gleichspannung umgewandelt und dem Bordnetz zugeführt. Für den Betrieb ist eine Spannungsregelung auf die maximale Ladespannung von 14,2 V für die Batterie erforderlich. Diese Spannungsregelung erfolgt durch den Spannungsregler, durch den der Erregerstrom im Rotor periodisch abgeschaltet wird.

Für bestimmte elektrische Verbraucher, beispielsweise für Dünnfilm-Heizzscheiben, reicht die übliche Bordnetzspannung von 12 V nicht aus. Sie benötigen eine Spannung von 50 V oder mehr, um die gewünschte Wirkung zu entfalten. Da die übrigen Verbraucher jedoch mit der Bordnetzspannung von 12 V versorgt werden müssen, ist man gezwungen, zwei unterschiedliche Spannungsnetze aufzubauen.

Eine mögliche Methode zur Schaffung zweier unterschiedlicher Spannungen besteht darin, für den Betrieb der Heizscheibe den Generator vom Bordnetz zu trennen und ihn auf die für die Heizscheibe erforderliche höhere Spannung einzuregeln, wobei das Bordnetz während dieser Zeit von der Batterie gespeist wird. Bei dieser Schaltung muß jedoch während der Einschaltzeit der Heizscheibe die Batterie die Bordnetzversorgung voll übernehmen, so daß sie sich schnell entleert. Da das Fahrzeug bei ausgefallener Bordspannung nicht mehr fahrbereit ist, muß eine aufwendige Überwachungsschaltung für den Ladezustand der Batterie eingebaut werden. Dadurch wird die Schaltung verhältnismäßig teuer. Außerdem wird durch die schnelle Leerung der Batterie deren Lebensdauer verkürzt.

Eine andere mögliche Methode zur Erzeugung der beiden unterschiedlichen Spannungen besteht darin, die für den Betrieb der Heizscheibe erforderliche höhere Spannung aus der Bordnetzspannung zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird ein Gleichspannungswandler benötigt, wobei zunächst die Bordnetzgleichspannung in eine Wechselspannung umgeformt, diese auf den höheren Spannungspegel transformiert und anschließend wieder gleichgerichtet wird.

Aufwärtsumformer dieser Art haben jedoch einen schlechten Wirkungsgrad, insbesondere wegen des hohen Spannungsabfalls am Halbleiterschalter auf der Primärseite. Wegen der hohen Leistung, die bei Heizscheiben zu übertragen ist, sind Umformer dieser Art außerdem groß und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Methode zur gleichzeitigen Erzeugung der Bordnetzspannung und einer dieser gegenüber höheren Spannung für den Betrieb einer Dünnfilm-Heizscheibe durch den Generator zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Generator für eine gegenüber der Bordnetzspannung höhere Spannung ausgelegt ist, die wenigstens der für den Betrieb der Heizscheibe erforderlichen Spannung entspricht, daß bei ausgeschalteter Heizscheibe die vom Generator gelieferte Spannung durch den Regler auf die Bordnetzspannung geregelt wird, und daß bei eingeschalteter Heizscheibe die Bordnetzspannung aus der höheren Spannung abgeleitet wird.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten realisieren.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei eingeschalteter Heizscheibe die vom Generator gelieferte Spannung durch einen umschaltbaren Regler auf die erforderliche höhere Spannung geregelt wird, und daß die Ableitung der Bordnetzspannung aus der höheren Spannung mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers erfolgt.

Mit dieser Ausführungsform ist gewährleistet, daß während des Betriebs der Heizscheibe die Batterie nicht entladen wird. Da der Wandler als Abwärtswandler arbeitet, sind die Anforderungen an die Schaltelemente einerseits und die elektrischen Verluste im Halbleiterschalter andererseits nicht so hoch wie bei einem eingangs erwähnten Aufwärtswandler; und entsprechend günstiger verhalten sich die Kosten.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei eingeschalteter Heizscheibe zur Ableitung der Bordnetzspannung aus der vom Generator gelieferten höheren Spannung die Heizscheibe mit den übrigen Verbrauchern des Bordnetzes in Reihe geschaltet ist.

Auch bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine sehr kostengünstige Methode, um mit einem einzigen Generator zwei unterschiedliche Spannungsnetze aufzubauen. Während der Generator bei ausgeschalteter Heizscheibe unmittelbar an das Bordnetz angeschlossen ist und auf die Bordnetzspannung geregelt wird, wird er während der Heizzeit vom Bordnetz getrennt, mit der Heizscheibe verbunden und hochgeregelt. Die Heizscheibe wird dabei als Vorwiderstand für das Bordnetz genutzt. Der Regler begrenzt hier nicht die Generatorspannung direkt, sondern wie im normalen Betriebszustand die Bordnetzspannung. Im normalen Betriebszustand, d. h. bei ausgeschalteter Heizscheibe, wird diese durch einen Schalter überbrückt.

Die beschriebenen Schaltungen und Weiterbildungen dieser Schaltungen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild für eine Stromversorgungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Spannungskonverters;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Spannungskonverters;

Fig. 4 das Blockschaltbild für eine Stromversorgungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine zusätzliche Sicherheitsschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Stromversorgungsschaltung umfaßt den mit einer Gleichrichterbrücke versehenen Drehstromgenerator 1, den Regler 2, den Umschalter 3 a, 3 b, die Batterie 4, die schematisch als Widerstand dargestellten Verbraucher 5 des Bordnetzes, den Spannungskonverter 6 und die schematisch als Widerstand dargestellte Heizscheibe 7.

In dem dargestellten Zustand ist die Heizscheibe 7 nicht eingeschaltet. Die von dem Generator 1 gelieferte und von dem Regler 2 auf die Bordnetzspannung begrenzte Gleichspannung versorgt über den Kontakt des Umschalters 3 b unmittelbar die Verbraucher 5 des Bordnetzes und die Batterie 4. Zum Einschalten der Heizscheibe 7 werden die Umschalter 3 a und 3 b jeweils in ihre andere Endstellung gebracht, in der durch den Umschalter 3 b die Verbindung zu den Verbrauchern 5 des Bordnetzes und zur Batterie 4 unterbrochen und die Ausgangsspannung des Generators 1 über die Leitung 8 unmittelbar an die Heizscheibe 7 angelegt wird. Gleichzeitig wird über den Schalter 3 a der Regler 2 auf ein höheres Spannungsniveau von beispielsweise 50 V eingestellt, so daß an der Heizscheibe 7 die gewünschte Leistung zur Verfügung steht. Zur Versorgung des Bordnetzes wird gleichzeitig der Spannungskonverter 6 aktiviert, der aus der über die Leitung 8 zugeführten Generator-Gleichspannung eine Gleichspannung von 12 bis 14 V erzeugt, die über die Leitung 9 an den Verbrauchern 5 und an der Batterie 4 anliegt.

Die Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 als Block 6 gezeichneten Wandler in Form eines Eintaktschaltreglers 6. Am Eingang 10 liegt die Generatorspannung von etwa 50 V an. Der Transistor 12 wird durch den Taktgeber 11 auf die Spule 14 durchgeschaltet, bis am Ausgang 17 eine Spannung von 14 V erscheint. Dieser Wert wird über die Leitung 18 an den Taktgeber 11 zurückgeführt, der wiederum den Transistor 12 ausschaltet. Das durch den Stromfluß in der Spule 14 entstandene Magnetfeld bricht jetzt zusammen und erzeugt dabei über die Diode 13 einen Strom zum Ausgang 17. Die Ausgangsspannung wird mit abfallendem Magnetfeld geringer. Das veranlaßt den Taktgeber 11 wieder den Transistor 12 einzuschalten. Um die Stromstöße des Schalters vom Eingang und vom Ausgang fernzuhalten, sind die energiespeichernden Kondensatoren 15 und 16 vorgesehen. Die Schaltfrequenz des Schalters wird vom Taktgeber 11 vorgegeben. Sie bestimmt die Dimensionierung der Bauteile 14, 15 und 16. Um die Bauteile möglichst klein zu halten, sollte die Schaltfrequenz über 10 kHz liegen. Die getaktete Leistung wird einer Drehstromwicklung entnommen, die eine symmetrische Belastung verlangt. Auch aus diesem Grunde sollte die Schaltfrequenz möglichst hoch sein. Sie sollte mindestens um den Faktor 5 über der Kommutierungsfrequenz liegen.

Fig. 3 stellt einen Gegentaktwandler 6′′ dar, der alternativ für den Eintaktwandler 6 aus Fig. 2 eingesetzt werden kann. Er besteht aus einem Taktgeber 19 und den beiden Schalttransistoren 20 und 21, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Transistoren sind mit einem Transformator 22 verbunden, der auf der Primärseite eine Mittelanzapfung besitzt, die mit dem Eingang 27 des Wandlers verbunden ist. Dadurch, daß abwechselnd die obere und die untere Hälfte der Spule vom Strom durchflossen wird, entsteht in dem Transformator ein Wechselfeld, das über die Sekundärwicklung ausgekoppelt wird. Die beiden Dioden 23 und 24 richten die Wechselspannung gleich. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 22 stellt sich ein Spannungsverhältnis zwischen dem Eingang 27 und 28 dem Ausgang ein. Die Speicherkondensatoren 25 und 26 verhindern, daß Stromschaltstöße aus dem Wandler nach außen dringen. Für die Schaltfrequenz gilt das gleiche wie für den anhand der Fig. 2 beschriebenen Eintaktwandler.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung ist die Heizscheibe 30, die als Widerstand dargestellt ist, im eingeschalteten Zustand mit dem Bordnetz, dessen Verbraucher 31 insgesamt als Widerstand dargestellt ist, in Serie geschaltet. Das Schaltbild zeigt den Schaltzustand, in dem die Heizscheibe ausgeschaltet ist. In diesem Zustand wird die Heizscheibe durch den geschlossenen Schalter 32 überbrückt, so daß der Generator 33, der durch den Regler 34 auf die Bordnetzspannung geregelt wird, unmittelbar mit dem Bordnetz, das heißt mit den Verbrauchern 31 und der Batterie 35 verbunden ist. Die Umschaltung auf den Heizbetrieb erfolgt durch den Tippschalter 36. Dieser bewirkt, daß einerseits der Schalter 32 geöffnet wird, so daß die Heizscheibe 30 nun unmittelbar als Vorwiderstand für die vom Bordnetz abhängigen Verbraucher 31 dient, und daß anschließend andererseits der Regler 34 umgeschaltet wird, so daß die Generatorspannung nunmehr auf die erforderliche höhere Spannung hochgeregelt wird.

Es empfiehlt sich, die Stromversorgungsschaltung durch zusätzliche Überwachungselemente zu vervollständigen, um für das System unter allen Umständen einen sicheren Betriebszustand zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Überwachungselemente können grundsätzlich sowohl bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform als auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform eingesetzt werden.

Beispielsweise empfiehlt es sich, wegen der hohen Heizleistung der Heizscheibe die Heizzeit zu begrenzen, um eine Überhitzung der Heizscheibe zu vermeiden. Die zum Abtauen des Feuchtigkeitsbelages erforderliche Heizzeit beträgt erfahrungsgemäß maximal 5 Minuten. Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt kann diese Zeit jedoch zu lang sein, so daß die Heizscheibe zu heiß wird. Deshalb wird die Einschaltzeit der Heizscheibe von einer Zeitdauer von etwa 5 Minuten bei Null Grad Celsius oder tieferen Temperaturen mit steigender Temperatur stetig reduziert, und zwar derart, daß sie bei einer Temperatur von etwa 25 Grad Celsius bis auf 1 Minute, und bei einer Temperatur von etwa 30 Grad Celsius bis auf Null reduziert wird. Von einer Temperatur von etwa 30 Grad Celsius ab sollte also der Heizbetrieb der Heizscheibe nicht mehr möglich sein. Als Führungsgröße für diese Regelung wählt man zweckmäßigerweise eine repräsentative Temperatur im Innern des Fahrzeugs.

Ferner kann es zweckmäßig sein, eine Überspannungsbegrenzung vorzusehen. Denn beim Bruch der Heizscheibe oder eines Kabels können gefährliche Überspannungen auftreten. Zum Zweck der Spannungsbegrenzung wird zweckmäßigerweise die Ausgangsspannung des Generators auf den Regler zurückgeführt. Wenn eine Spannung auftritt, die höher ist als eine vorgewählte Spannung von z. B. 80 V, dann unterbricht das Reglersystem den Heizbetrieb und schaltet auf Normalbetrieb um.

Des weiteren wird zweckmäßigerweise eine Strombegrenzung während des Umschaltvorgangs vorgesehen.

Hochleistungslichtmaschinen können nämlich über 100 A an das Bordnetz abgeben. Dieser Strom muß von dem Schalter übertragen werden. Damit der Schalter nicht zu groß und zu teuer wird, wird die Generatorspannung während des Ein- und Ausschaltens der Heizscheibe kurzzeitig abgesenkt.

Ein Lösungsbeispiel für eine Stromversorgungsschaltung mit einer Sicherheitsschaltung, die diese genannten Anforderungen erfüllt, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Regler 40 steuert den Generator 41 über die Leitung 42 auf konstante Bordnetzspannung B +, mit der die Batterie 35 und die Verbraucher 31 versorgt werden. Er besitzt einen zusätzlichen Eingang 43, über den die Felderregung des Generators 41 abgeschaltet werden kann. Gesteuert wird der Eingang 43 von einem Zeitschalter 44, der beim Umschalten des Lastschalters 45 kurzzeitig den Regler 40 zum Regeln auf eine niedrigere Spannung zwingt. Der Zeitschalter 44 seinerseits wird angesteuert durch den Hauptzeitgeber 46. Der Hauptzeitgeber 46 wird von Hand durch den Tippschalter 47 ein- oder ausgeschaltet. Ein im Hauptzeitgeber 46 integrierter Temperaturfühler gibt die Einschaltdauer vor, die zwischen Null und 5 Minuten beträgt. Der Hauptzeitgeber 46 öffnet den Lastschalter 45 und ermöglicht damit den Fluß des Generatorstroms durch die Heizscheibe 30. Der Hauptzeitgeber 46 besitzt einen Prioritätseingang 48 für das Abschalten. Dieser Eingang 48 ist mit einem Schwellwertschalter 49 verbunden. Dem Eingang 50 des Schwellwertschalters 49 wird die Generatorspannung G + zugeführt. Übersteigt die Generatorspannung G + eine Sicherheitschwelle von etwa 80 V, dann gibt der Schwellwertschalter 49 einen Steuerimpuls an den Eingang 48 des Hauptzeitgebers 46 ab, was zur sofortigen Unterbrechung des Heizbetriebs der Heizscheibe 30 führt.

Claims (12)

1. Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug mit zwei verschiedenen Verbraucherspannungen, nämlich der üblichen Bordnetz-Gleichspannung und einer dieser gegenüber höheren Gleichspannung zum Betrieb einer Heizscheibe mit einem Dünnschicht-Heizwiderstand, mit einem Generator und einem Spannungsregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1; 33; 41) für die höhere Spannung ausgelegt ist, die wenigstens der für den Betrieb der Heizscheibe (7; 30) erforderlichen Spannung entspricht, daß bei ausgeschalteter Heizscheibe (7; 30) die vom Generator (1; 33; 41) gelieferte Spannung durch den Regler (2; 34; 40) auf die Bordnetzspannung geregelt wird, und daß bei eingeschalteter Heizscheibe (7; 30) die Bordnetzspannung aus der höheren Spannung abgeleitet wird.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingeschalteter Heizscheibe (7) die vom Generator (1) gelieferte Spannung durch einen umschaltbaren Regler (2) auf die höhere Spannung geregelt wird, und daß die Ableitung der Bordnetzspannung aus der höheren Spannung mit Hilfe eines Spannungskonverters (6) erfolgt.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungskonverter (6) ein getakteter Durchflußwandler (6) verwendet wird.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungskonverter (6) ein transformierender Gegentaktwandler (6′′) verwendet wird.

5. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Wandlers (6, 6′′) mindestens fünfmal so hoch ist wie die höchste Kommutierungsfrequenz des Generators (1).

6. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingeschalteter Heizscheibe (30) zur Ableitung der Bordnetzspannung aus der vom Generator (33) gelieferten höheren Spannung die Heizscheibe (30) mit den übrigen Verbrauchern (31) des Bordnetzes in Reihe geschaltet ist.

7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (37) des Spannungsreglers (34) mit dem Bordnetz verbunden ist.

8. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Überhitzung der Heizscheibe die Einschaltzeit der Heizscheibe mit Hilfe einer Zeitbegrenzungsschaltung (46) begrenzt wird.

9. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbegrenzungsschaltung (46) von einem die Temperatur des Fahrzeugs in der Nähe der Windschutzscheibe erfassenden Temperaturfühler angesteuert und die Einschaltzeit der Heizscheibe von etwa 5 Minuten bei Null Grad Celsius auf etwa 1 Minute bei etwa 25 Grad Celsius begrenzt wird.

10. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von zu hohen Spannungen bei Fehlern im Heizsystem eine Spannungsbegrenzungsschaltung (49) vorgesehen ist.

11. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsbegrenzung die Generatorausgangsspannung auf den Regler (40) zurückgeführt wird und bei Auftreten einer zu hohen Spannung von beispielsweise mehr als 80 V der Regler (40) den Heizbetrieb unterbricht und auf Normalbetrieb umschaltet.

12. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Strombegrenzungsschaltung (44), durch die während des Ein- und Ausschaltens der Heizscheibe die Generatorspannung kurzzeitig abgesenkt wird.