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Dokumentenidentifikation DE19946733A1 17.05.2001
Titel Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Tyco Electronics Logistics AG, Steinach, CH
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Anmeldedatum 29.09.1999
DE-Aktenzeichen 19946733
Offenlegungstag 17.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.05.2001
IPC-Hauptklasse H02J 1/10
IPC-Nebenklasse B60R 16/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz insbesondere eines Kraftfahrzeuges. Dabei ist eine Schalteinheit (SE) zwischen dem Betriebsspannungsnetz (BN) und einer Verbindungsklemme (VK) angeordnet. Die Schalteinheit (SE) ist mit einem Steuergerät (SG) verbunden und die Verbindungsklemme (VK) für den Anschluß des Fremdsprachennetzes (FN) ausgelegt. Das Verfahren zur sicheren Ankopplung weist dabei die folgenden Merkmale auf:
- Erzeugung einer pulsförmigen Spannung an einer Verbindungsklemme (VK) zumindest bei geöffnetem Schalter,
- in der Pulspausen Messung der an der Verbindungsklemme (VK) anliegenden Spannung des angeschlossenen Fremdspannungsnetzes,
- Vergleich der Meßwerte mit der oder den Spannungen des Betriebsspannungsnetzes (BN),
- auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse Ansteuerung der Schalteinheit (SE).
Zudem betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz, insbesondere eines Kraftfahrzeuges. Außerdem betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Kopplung zweier Spannungsnetze gilt es, die Kompatibilität beider Spannungen zu beachten. Die Parameter der Spannungen sind ihr Betrag, ihre Polarität bei einer Gleichspannung und die Frequenz sowie die Phase bei einer Wechselspannung. Werden zwei Spannungsnetze miteinander gekoppelt, bei denen diese Kennwerte nicht übereinstimmen, so kann es zu Schäden in den Spannungsnetzen oder zu einem Betriebsausfall 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 Bordnetz 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 Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gewährleistet, so daß eine Schädigung der Spannungsnetze verhindert ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gelöst, wobei eine Schalteinheit mit mindestens einem steuerbaren Schalter zwischen dem Betriebsspannungsnetz und einer Verbindungsklemme angeordnet ist, die Schalteinheit mit einem Steuergerät verbunden ist, die Verbindungsklemme für den Anschluß des Fremdspannungsnetzes ausgelegt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensmerkmale aufweist:

  • - Erzeugung einer pulsförmigen Spannung an der Verbindungsklemme zumindest bei geöffnetem Schalter,
  • - in den Pulspausen Messung der an der Verbindungsklemme anliegenden Spannung des angeschlossenen Fremdspannungsnetzes,
  • - Vergleich der Meßwerte mit der oder den Spannungen des Betriebsspannungsnetzes,
  • - auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse Ansteuerung der Schalteinheit.

Außerdem soll eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil durch die pulsförmige Spannung sowohl einem an der Verbindungsklemme angeschlossenen Fremdspannungsnetz die Information über die eigene Spannung übermittelt wird, und gleichzeitig, d. h. während Pulspausen, die Spannung der Fremdspannungsquelle ermittelt werden kann.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß nur bei einer durch einen Vergleich ermittelter Kompatibilität beider Spannungsnetze eine Verbindung zwischen diesen hergestellt wird. Günstig ist es, daß nicht nur bei einem Fehler die Verbindung verweigert wird, sondern optional auch zu verschiedenen Teilsystemen des Betriebsspannungsnetzes geschaltet werden kann. In einer günstigen Ausführungsform kann bei falscher Polarität des Fremdspannungsnetzes die Polung automatisch umgekehrt werden.

Vorteilhafterweise wird die Spannung an der Verbindungsklemme in mehreren Pulspausen ausgewertet, bevor, falls die Auswertergebnisse gleich ausfallen, der mindestens eine Schalter angesteuert wird. Dadurch erhöht sich die Fehlersicherheit des Systems.

Eine günstige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist so gestaltet, daß der steuerbare Schalter ein Relais ist.

Weiter 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 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockdiagramm,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Puls- und Meßspannungen, wenn das Fremdspannungsnetz ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren einsetzt,

Fig. 3 zeitliche Spannungsverläufe, wenn das Fremdspannungsnetz eine konstante Gleichspannung aufweist, und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Fahrzeugumgebung.

In der Fig. 4 ist ein Anwendungsfall angegeben, bei dem ein Fremdspannungsnetz FN an ein Betriebsspannungsnetz BN anzukoppeln ist, wobei die beiden Netze die elektrischen Versorgungsnetze je eines Kraftfahrzeuges A und B sind. Das Betriebsspannungsnetz BN ist dabei das Netz des ersten Fahrzeuges A und das Fremdspannungsnetz FN das Netz des zweiten Fahrzeuges B. Während das Fahrzeug B ein konventionell ausgerüstetes Fahrzeug ist, bei dem ein Starterkabel direkt an die Bordspannung angeschlossen wird, enthält das Fahrzeug A ein Netz mit zwei verschiedenen Teilsystemen, die mit verschiedenen Betriebsspannungen arbeiten. Das erste Teilsystem weist einen Anlasser S1 und eine Batterie mit der Spannung UA1 auf. Das zweite Teilsystem besitzt ein übliches Bordnetz BN1 und eine Batterie mit der Spannung UA2, die über einen Spannungswandler W mit dem ersten Teilsystem gekoppelt ist. Zudem besitzt das erste Fahrzeug A ein erfindungsgemäßes Steuergerät SG, das mit dem zweiten Teilsystem des Fahrzeuges A, der Verbindungsklemme VK sowie über Steuerleitungen mit zwei steuerbaren Schaltern Q1 und Q2 verbunden ist. Q1 ist dabei zwischen der Verbindungsklemme und dem ersten Teilsystem angeordnet, Q2 zwischen der Verbindungsklemme VK und dem zweiten Teilsystem. Zwischen zwei Anschlüssen der Verbindungsklemme VK ist ein Widerstand Rm geschaltet, der zu Meßzwecken dient. Das Fahrzeug B weist eine Batterie mit der Spannung UB, einen Anlasser S2 sowie ein übliches Bordnetz BN2 auf. In den Strompfad zwischen den beiden Netzen BN und FN ist ein Strommesser MEI geschaltet.

Das Steuergerät SG arbeitet nach dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahren. Anhand dieser Figur kann das erfindungsgemäße Verfahren in seiner allgemeinen Form erläutert werden. Ein Fremdspannungsnetz FN ist mit einer Verbindungsklemme VK verbunden. Eine Schalteinheit SE ist ebenfalls mit der Verbindungsklemme VK verbunden. Außerdem besteht eine Verbindung zwischen der Schalteinheit SE und dem Betriebsspannungsnetz BN. Ein Steuergerät SG setzt das erfindungsgemäße Verfahren um, indem es ein mit einem Impulsgenerator IG erzeugtes Signal auf die Verbindungsklemme VK gibt. Bei diesem Signal handelt es sich um eine pulsförmige Spannung, deren Amplitude eine Information über die Spannung des Betriebsspannungsnetzes BN enthält.

Eine Meßeinrichtung ME des Steuergerätes SE überwacht kontinuierlich die Spannung an der Verbindungsklemme VK und mißt in den Pulspausen die dort anliegende Spannung. Eine Vergleichseinrichtung VE des Steuergeräts SG vergleicht die Meßergebnisse der Meßeinrichtung ME mit den gemessenen oder gespeicherten Spannungen des Betriebsspannungsnetzes BN. Dabei muß das Betriebsspannungsnetz BN nicht eine einheitliche Spannung aufweisen, sondern kann aus Teilsystemen verschiedener Spannungen bestehen. Anhand des Vergleichsergebnisses führt die Ansteuereinrichtung AE die Ansteuerung der Schalteinheit SE durch.

Die durch den Impulsgenerator IG erzeugte pulsförmige Spannung bewirkt, daß eine geeignete Meßeinrichtung des an die Verbindungsklemme VK angeschlossenen Fremdspannungsnetzes FN erkennen kann, welche Spannung das Betriebsspannungsnetz BN benutzt. Anhand der in den Pulspausen gemessenen Spannung erkennt die Vergleichseinrichtung VE, ob eine Spannungskompatibilität zwischen dem Fremdspannungsnetz FN und dem Betriebsspannungsnetz BN besteht. Der Vergleich der Meßspannungen mit den Vergleichswerten kann sich sowohl auf den Betrag der Spannung, als auch auf die Polarität oder die Frequenz bzw. Phase erstrecken. Die Schalteinheit SE kann aus einem oder mehreren steuerbaren Schaltern bestehen. Die Anzahl der Schalter hängt davon ab, ob beispielsweise nur bei Inkompatibilität der Spannungsnetze die Verbindung getrennt bleiben soll, oder ob das Fremdspannungsnetz FN mit einem von mehreren Teilsystemen des Betriebsspannungsnetzes BN gekoppelt werden soll. Zusätzliche Schalter oder zusätzliche Kontakte bei den vorhandenen Schaltern, so daß Umschalter gebildet sind, sind erforderlich, wenn bei unterschiedlicher Polarität des Fremdspannungsnetzes FN und des Betriebsspannungsnetzes BN dies automatisch korrigiert werden soll.

In einer Weiterbildung der Erfindung (vgl. Fig. 4) besitzt das Steuergerät SG einen Anschluß für einen Kurzschlußdetektor, so daß im Falle eines Kurzschlusses dieser erkannt wird und durch die Schalteinheit SE die Verbindung zwischen dem Fremdspannungsnetz FN und dem Betriebsspannungsnetz BN aufgetrennt werden kann. Die Funktion des Kurzschlußdetektors kann ein Strommesser MEI übernehmen, der in den Strompfad zwischen den Spannungsnetzen geschaltet ist. Zusätzlich kann durch die Messung des Stromes durch den Strommesser MEI das Ende eines Ladevorgangs bestimmt werden, nämlich wenn der Strom zwischen den Spannungsnetzen unter einen bestimmten Schwellwert fällt.

Nach der Trennung einer Verbindung wird weiterhin die Klemmenspannung gemessen, jedoch wird verhindert, daß der oder die Schalter wieder geschlossen werden, auch wenn die Klemmenspannung im zulässigen Bereich liegt. Erst wenn die Spannung an der Verbindungsklemme VK auf Null oder unter einen Schwellwert abfällt, das heißt, wenn das Starterkabel SK von der Verbindungsklemme VK gelöst wird, kehrt das Schaltgerät SG in den Normalzustand zurück. Diese optionale Verriegelung, die eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, ist eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, die ein sofortiges Wiedereinschalten nach dem Auftreten eines Fehlers verhindert.

Die Fig. 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen pulsförmigen Spannungen, wobei die Spannung UIG1 von dem Impulsgenerator eines ersten Steuergerätes und UIG2 von dem Impulsgenerator eines zweiten erzeugt wird, und der an der Verbindungsklemme VK gemessenen Spannung Um. Der hier beschriebene Fall ist ein Beispiel, wenn beide Netze mit dem gleichen Verfahren zur sicheren Ankopplung ausgerüstet sind. Die Periodendauer T1 der Impulsspannung UIG1 des ersten Impulsgenerators ist ungefähr gleich der Periodendauer T2 der Impulsspannung UIG2 des zweiten Impulsgenerators. Sie unterscheiden sich in der Regel um einen Wert δ, der dadurch entsteht, daß die verwendeten Bauteile fertigungsbedingte Toleranzen aufweisen. Somit verschiebt sich die Lage der Impulse beider Spannungen zueinander, d. h. es besteht eine Phasenverschiebung, die sich aufgrund der unterschiedlichen Periodendauer ständig ändert. In den Pulspausen von UIG1 wird die Spannung UIG2 gemessen. Für das Steuergerät des ersten Netzes ergibt sich somit eine Meßspannung, wie in der untersten Kurve in Fig. 2 dargestellt ist. Je nach Phasenverschiebung ändert sich die Breite der gemessenen Pulse, jedoch nicht ihre Amplitude. Im Extremfall, wenn die beiden Pulsspannungen UIG1 und UIG2 in Phase sind, wird in der Pulspause von UIG1 nur der Wert Null gemessen, d. h. die Meßspannung Um verschwindet. Im anderen Extremfall, wenn die Spannungen UIG1 und 1 UIG2 um 180° Phasenverschoben sind, entspricht die Pulsdauer der Meßspannung Um der Dauer der Pulspause von UIG1. Wenn an der Verbindungsklemme VK kein zweites Netz angeschlossen ist, so verschwindet UIG2, daher ist dann die Meßspannung Um ebenfalls gleich Null. In einem weiteren Betriebsfall ist an der Verbindungsklemme VK ein Netz angeschlossen, das eine konstante Gleichspannung aufweist. In diesem Fall sind die Meßpulse Um so lang wie die Dauer einer Pulspause von UIG1 (Fig. 3). Auf diese Weise ist für die Detektion der Spannung des Netzes 2 nur die Amplitude der Meßspannung Um herangezogen. Die Durchführung der Messung in den Pulspausen ist dahingehend zu verstehen, daß die Meßspannung nur in den Pulspausen ausgewertet wird. Ob die Messung durchgehend erfolgt oder nur in den Pausen, ist für die Erfindung ohne Bedeutung.

Die Schalthandlungen, wie sie im konkreten Anwendungsfall gemäß der Fig. 4 durchgeführt werden, sind im folgenden zusammengefaßt. Wenn das Netz des Fahrzeuges B nicht an die Verbindungsklemme VK angeschlossen ist, so wird auch keine Spannung UVK an der Verbindungsklemme gemessen, was zur Folge hat, daß die Schalter Q1 und Q2 geöffnet sind. Bei Anschluß des Netzes von Fahrzeug B liegt dessen Spannung an den beiden Polen der Verbindungsklemme VK, d. h. UVK ist gleich UB. Für die Verbindung zweier Fahrzeugnetze müssen die beiden Spannungen nicht identisch sein, aber sie dürfen nicht zu stark voneinander abweichen; d. h. das Steuergerät SG prüft, ob die Spannung UB in einem gewissen Spannungsbereich liegt, der entweder zu der Spannung des ersten Teilsystems UA1 oder der des zweiten Teilsystems UA2 paßt. Die Spannungen UA1, UA2 und UB sind dabei Gleichspannungen. Wenn die Spannung UB nach Betrag und Polarität gleich der Spannung UA1 ist, so wird Q1 geschlossen und Q2 offen gehalten. Ist der Betrag von UB gleich dem von UA1, aber umgekehrter Polarität, so bleiben beide Schalter geöffnet bzw. werden geöffnet, da eine automatische Korrektur der Polarität in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen ist. Entspricht die Spannung UB der Spannung UA1 so wird Q1 geöffnet und Q2 geschlossen. Durch den Spannungswandler W wird sichergestellt, daß durch das Fremdspannungsnetz FN, das eine andere Spannung als die Batterie mit der Spannung UA1 aufweist, trotzdem die Batterie mit der Spannung UA1 aufgeladen wird. Im Falle gleichen Spannungsbetrages, aber unterschiedlicher Polarität, werden wiederum beide Schalter Q1 und Q2 geöffnet. In allen anderen Fällen, insbesondere wenn die Spannung UB nicht an der Verbindungsklemme VK anliegt, d. h. die Spannung an der Verbindungklemme (in den Impulspausen) Null ist, bleiben beide Schalter geöffnet. Die Betriebszustände sind dabei in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:





Bei der Kopplung von Wechselspannungsnetzen fällt die Schaltungsanordnung komplexer aus. Neben dem Spannungsbetrag bzw. der Spannungsamplitude muß die Frequenz und die Phasenlage berücksichtigt werden. Statt eines Gleichspannungswandlers können hierbei Transformatoren zum Einsatz kommen. Auch ist es denkbar, daß DC/AC-Wandler bzw. AC/DC-Wandler verwendet werden. Bei der Kopplung von Drehstromnetzen ist zudem die Phasenfolge der drei Leiter zu berücksichtigen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ankopplung bleibt aber in allen Fällen das gleiche, lediglich die Schaltungsanordnung muß um entsprechende Komponenten ergänzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur sicheren Ankopplung eines Fremdspannungsnetzes an ein Betriebsspannungsnetz insbesondere eines Kraftfahrzeuges,

    wobei eine Schalteinheit (SE) mit mindestens einem steuerbaren Schalter (Q1, Q2) zwischen dem Betriebsspannungsnetz (BN) und einer Verbindungsklemme (VK) angeordnet ist, die Schalteinheit (SE) mit einem Steuergerät (SG) verbunden ist, die Verbindungsklemme (VK) für den Anschluß des Fremdspannungsnetzes (FN) ausgelegt ist, und

    wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensmerkmale aufweist:
    1. - Erzeugung einer pulsförmigen Spannung (UIG1) an der Verbindungsklemme (VK) zumindest bei geöffnetem Schalter/geöffneten Schaltern (Q1, Q2),
    2. - in den Pulspausen Messung der an der Verbindungsklemme (VK) anliegenden Spannung des angeschlossenen Fremdspannungsnetzes (FN),
    3. - Vergleich der Meßwerte mit der oder den Spannungen des Betriebsspannungsnetzes (BN),
    4. - auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse Ansteuerung der Schalteinheit (SE).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Fremdspannungsnetzes ebenfalls pulsförmig ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) je nach gemessener Spannung an der Verbindungsklemme (VK) die Schalteinheit (SE) derart ansteuert, daß die Verbindungsklemme (VK) mit einem Betriebspannungsnetz-Teilsystem gleicher Spannung verbunden wird oder die Verbindung getrennt bleibt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) je nach gemessener Spannung an der Verbindungsklemme (VK) die Schalteinheit (SE) derart ansteuert, daß die Verbindungsklemme (VK) mit einer Batterie gleicher Spannung verbunden wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) je nach gemessener Spannung an der Verbindungsklemme (VK) die Schalteinheit (SE) derart ansteuert, daß die Verbindungsklemme (VK) mit einem Spannungswandler (W) verbunden wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Inkompatibilität der Spannungen des Betriebsspannungsnetzes (BN) und des Fremdspannungsnetzes (FN) die Verbindungsklemme (VK) von dem Betriebsspannungsnetz (BN) getrennt bleibt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei umgekehrter Polung der Spannungen des Betriebsspannungsnetzes (BN) und des Fremdspannungsnetzes (FN) das Steuergerät (SG) die Schalteinheit (SE) so steuert, daß die Polungen der Spannungen des Betriebsspannungsnetzes (BN) und des Fremdspannungsnetzes (FN) übereinstimmen.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) mindestens einen Spannungsbereich vorgibt, in dem bzw. in denen die Spannung des Fremdspannungsnetzes (FN) liegen muß, damit das Steuergerät (SG) eine verbindende Schalthandlung auslöst.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der Verbindungsklemme (VK) in mehreren Pulspausen ausgewertet wird, bevor bei gleichen Auswertergebnissen die Schalteinheit (SE) angesteuert wird.
  10. 10. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine steuerbare Schalter (Q1, Q2) ein Relais ist.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsspannungsnetz (BN) das Bordnetz eines ersten Kraftfahrzeuges ist und daß das Fremdspannungsnetz das Bordnetz eines zweiten Kraftfahrzeuges ist.
  13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) einen Impulsgenerator (IG) mit großem Innenwiderstand besitzt, der die pulsförmige Spannung erzeugt.
  14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Anschlüssen der Verbindungsklemme (VK) ein Meßwiderstand (Rm) geschaltet ist.
  15. 15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (SG) einen Anschluß für einen Kurzschlußdetektor (MEI) besitzt.






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