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Dokumentenidentifikation DE102005059246A1 14.06.2007
Titel Kurzzeit-Spannungsversorgung
Anmelder Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH, 80809 München, DE
Erfinder Herges, Michael, 70825 Korntal-Münchingen, DE;
Miller, Bernhard, 70439 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 12.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005059246
Offenlegungstag 14.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2007
IPC-Hauptklasse H02J 9/06(2006.01)A, F, I, 20051212, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60T 13/66(2006.01)A, L, I, 20051212, B, H, DE   B60R 16/03(2006.01)A, L, I, 20051212, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Kurzzeit-Spannungsversorgung für einen Verbraucher beschrieben, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (1) mit einer Hilfsenergieversorgung (10); eine bei Ausfall einer Betriebsenergieversorgung (Ub) von der Hilfsenergieversorgung (10) versorgte Steuereinrichtung (2); und eine von der Steuereinrichtung (2) angesteuerte Schalteinrichtung (26, 3), die den Verbraucher mittels der Hilfsenergie aus der Hilfsenergieversorgung (10) betätigt, wobei die Hilfsenergieversorgung (10) derart ausgelegt ist, dass der Steuereinrichtung (2) auf Anforderung durch Betätigung eines Schalters (16) ausreichend Energie für einen nach Ausfall der Betriebsenergieversorgung (Ub) letzten Betriebsablauf bereitgestellt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für eine Spannungsversorgung, und bezieht sich insbesondere auf eine Schaltungsanordnung für eine Kurzzeit-Spannungsversorgung elektrischer Systeme nach dem Patentanspruch 1.

Bei elektrischen Systemen finden sich häufig sicherheitsrelevante Einrichtungen, welche bei normalen Ausschaltvorgängen, aber auch bei beispielsweise einem Ausfall der normalen Betriebsstrom- oder Betriebsspannungsversorgung noch über genügend Energie verfügen müssen, um noch einen letzten Betriebsablauf ausführen und so in einen definierten, gesicherten Endzustand gelangen zu können.

Ein Beispiel hierfür ist ein elektronisch gesteuertes Feststellbremssystem für Nutzfahrzeuge. Wird bei einem solchen System bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung, beispielsweise durch einen Kurzschluss in der Fahrzeugbatterie, die Feststellbremse nicht aktiviert, besteht zum Einen die Gefahr, dass das Fahrzeug nicht mehr sicher abgestellt werden kann. Zum Anderen darf jedoch die Feststellbremse bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung nicht in jedem Fall gleichzeitig und automatisch aktiviert werden, da dies bei einem noch nicht zum Stillstand gekommenen Fahrzeug zu einem instabilen Fahrverhalten sowie zu einer unvermittelt starken Verzögerung ohne Aufleuchten der Bremsleuchten führen kann, wodurch die Unfallgefahr signifikant erhöht wird. Daher muss, nachdem das Fahrzeug nach einem Ausfall der elektrischen Versorgung zum Stillstand gekommen ist, eine solche Feststellbremse durch den Fahrer noch einmal aktivierbar sein, damit das Fahrzeug gegen Wegrollen sicherbar bleibt.

Bisher wurden derartige Probleme mittels redundanten Spannungsversorgungen aus zumindest zwei wechselseitig gegeneinander abgesicherten Energiespeichern großer Kapazität oder durch eine eigenständige, d.h. separat angeordnete, Notstromversorgung umgangen. Die bekannten Lösungen sind jedoch dahingehend nachteilig, dass mehrere Energiespeicher teuer, aufwendig zu realisieren und zudem schlecht überwachbar sind, und eine separate Notstromversorgung aufgrund einer permanenten Selbstentladung stark überdimensioniert sein muss, welches ebenfalls in hohen Kosten und hohem konstruktivem Aufwand resultiert.

Zudem ist die benötigte Energie zur Durchführung eines letzten Betriebsablaufs (einer "finalen Aktion") der Feststellbremse häufig klein, so dass die bekannten Lösungen den tatsächlichen Anforderungen in keiner weise entsprechen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurzzeit-Spannungsversorgung zu schaffen, welche auf kostengünstige und einfache Art und Weise die für einen im Störungsfall letzten Betriebsablauf eines elektrischen Systems erforderliche Energie bereitstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass für ein elektrisches System eine geringe Energiemenge ausreicht, um einen letzten Vorgang durchführen zu können, der zu einem sicheren und definierten Endzustand führt. Eine solche Energiemenge wird aus einer Hilfsenergieversorgung bereitgestellt, die durch eine Anordnung direkt in einer Schalteinrichtung mit kurzen Leitungspfaden und Trennelementen so gegen eine Selbstentladung geschützt ist, dass eine Überdimensionierung der Hilfsenergieversorgung oder eine separate Notenergieversorgung entfallen kann.

Im Einzelnen umfasst eine solche Kurzzeit-Spannungsversorgung für einen Verbraucher eine Schalteinrichtung mit einer Hilfsenergieversorgung; eine bei Ausfall einer Betriebsenergieversorgung von der Hilfsenergieversorgung versorgte Steuereinrichtung; und eine von der Steuereinrichtung angesteuerte Schalteinrichtung, die den Verbraucher mittels der Hilfsenergie aus der Hilfsenergieversorgung betätigt, wobei die Hilfsenergieversorgung derart ausgelegt ist, dass der Steuereinrichtung auf Anforderung durch Betätigung eines Schalters ausreichend Energie für einen nach Ausfall der Betriebsenergieversorgung letzten Betriebsablauf bereitgestellt wird.

Bevorzugt weist die Schalteinrichtung eine Diodenanordnung mit geringem Sperrstrom auf, die einer Selbstentladung der Hilfsenergieversorgung entgegen wirkt. Hierdurch kann die Hilfsenergieversorgung den Anforderungen der zu versorgenden Steuereinrichtung entsprechend dimensioniert werden.

Weiter bevorzugt wird die Diodenanordnung bei einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung automatisch aktiviert, so dass Selbstentladungsverluste minimiert werden und die Zeit, während der die Steuereinrichtung mittels der Energie aus der Hilfsenergieversorgung betreibbar ist, verlängert wird.

Ferner sind die Hilfsenergieversorgung und die Diodenanordnung vorteilhaft in unmittelbarer Nähe des Schalters angeordnet, wodurch ein unerwünschter Spannungsabfall an längeren Leitungsabschnitten vermieden wird.

Vorteilhaft ist die Hilfsenergieversorgung ein Kondensator, besonders bevorzugt ein Elektrolytkondensator, mit einer Spannung in der Größenordnung von 40 V und mit einer Kapazität in der Größenordnung von 3000 &mgr;F.

Die Selbstentladung der Hilfsenergieversorgung ist durch die Steuereinrichtung überwachbar, bevorzugt durch vorübergehendes Unterbrechen des Ladestromkreises der Hilfsenergieversorgung und Messen der sich nach einer vorbestimmten Zeit einstellenden Spannung der Hilfsenergieversorgung, oder durch Erfassen der Zeit, bis die Spannung der Hilfsenergieversorgung auf einen vorbestimmten Wert abgefallen ist.

Weiter bevorzugt ermittelt die Steuereinrichtung die zur Verfügung stehende Energie der Hilfsenergieversorgung durch Überwachen des Spannungsabfalls zwischen der Betriebsenergieversorgung und einer Spannung an der Schalteinrichtung und Berechnen des Ladestroms aus dem Spannungsabfall zwischen der Betriebsenergieversorgung und der Spannung an der Schalteinrichtung.

Vorteilhaft ist die Hilfsenergieversorgung ständig mit der Betriebsenergieversorgung verbunden, jedoch kann ein definierter Ladezustand der Hilfsenergieversorgung dadurch überwacht werden, dass die Hilfsenergieversorgung durch einen Schalter in der Steuereinrichtung regelmäßig für eine vorbestimmte Zeit von der Betriebsenergieversorgung getrennt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt vereinfacht eine Schaltungsanordnung einer Kurzzeit-Spannungsversorgung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Die Figur zeigt auszugsweise eine beispielhafte Realisierung einer Nachversorgung einer Park- bzw. Feststellbremse in einem Nutzfahrzeug mit Hilfsenergie nach einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung. Die Realisierung ist hierbei nicht auf Nutzfahrzeuge beschränkt, sondern kann in anderen beweglichen Objekten Anwendung finden, die mit einer elektronisch gesteuerten Feststellbremse zum Sichern einer Stillstandposition des beweglichen Objekts ausgerüstet sind.

In der Figur ist links eine im Führerhaus eines Nutzfahrzeugs angeordnete Schalteinrichtung bzw. ein Schalter 1 für eine Park- oder Feststellbremse gezeigt, die/der mit entsprechenden Signalleitungen mit einer ebenfalls in dem Nutzfahrzeug angeordneten und in der Figur rechts gezeigten Steuereinrichtung 2 verbunden ist.

In der Schalteinrichtung 1 sind ein Kondensator 10, bevorzugt ein Elektrolyt-Kondensator, eine Diodenanordnung 12, eine Widerstandsanordnung 14 und ein Schalter S1 16 angeordnet.

Die Steuereinrichtung 2 des elektronischen Systems umfasst als ein für das Ausführungsbeispiel bedeutendes Element einen Schalter S2 20, der über einen Widerstand zwischen einer Versorgungsspannung bzw. Betriebsversorgung Ub und einer Spannung U1 der Schalteinrichtung 1 verschaltet ist.

Die Steuereinrichtung 2 ist an sich bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben. Sie umfasst im wesentlichen einige Dioden und Spannungswandler 21 bis 24 als externe Beschaltung eines Microcontrollers 25, der mittels einem implementierten Betriebsablauf die Steuerung der Feststellbremse durch Ansteuern eines Schalters S3 26 durchführt.

Der Schalter S3 26 steuert wiederum ein an einem Ausgang der Steuereinrichtung 2 angeschlossenes Ventil MV 3, beispielsweise ein Magnetventil, an, welches sodann die (nicht gezeigte) Feststellbremse betätigt.

Nachstehend wird die grundlegende Funktionsweise des Ausführungsbeispiels genauer erklärt.

Es sei angenommen, dass sich das Nutzfahrzeug in Betrieb oder Bewegung befindet. Fällt zu dieser Zeit die Betriebsenergieversorgung Ub aus, ist das elektronische System für die Feststellbremse zunächst unversorgt und wird erst dann, wenn ein Bediener oder Fahrer eine entsprechende Anweisung gibt, mit einer Hilfsenergieversorgung verbunden. Auf diese Anweisung hin führt das elektrische System mit der Energie aus der Hilfsenergieversorgung einen letzten Betriebsablauf aus und schaltet sich dann selbst ab oder wird aufgrund Energiemangels zwangsweise abgeschaltet.

In diesem Fall muss zunächst die Steuereinrichtung oder das Steuergerät aus dem aufgrund des Ausfalls der Betriebsenergieversorgung Ub stromlosen Zustand wieder in einen betriebsbereiten Zustand versetzt werden. Sodann muss die Steuereinrichtung die tatsächlich vorliegende Situation, d.h. den Ausfall der Betriebsenergieversorgung Ub und anstelle dessen den Betrieb mit Hilfsenergie, erkennen und darauf hin das Magnetventil 3, welches ein bistabiles Magnetventil sein kann, in einen entsprechend anderen Zustand steuern.

Für diese Umsteuerung in den anderen Zustand ist nur eine kleine Energiemenge erforderlich, so dass der den Energiespeicher für die Hilfsenergie bildende Kondensator 10 relativ klein, z.B. als 40 V-Kondensator mit einer Kapazität von 3000 &mgr;F, ausgestaltet werden kann.

Liegt die Spannung eines solchen Kondensators 10 aber an langen Verbindungsleitungen, Steckern und dergleichen an, ergeben sich hieraus geringe Isolationswiderstände in der Größenordnung von nur einigen M&OHgr;, und wird sich ein solcher Kondensator nach kurzer Zeit selbst entladen.

Daher wird der Kondensator 10, der die Hilfsstrom- bzw. Hilfsenergieversorgung oder Hilfsenergiequelle bildet, vorzugsweise unmittelbar an oder in dem Schalter S1 16 angeordnet.

Ferner ist im normalen Betrieb des elektrischen Systems der Kondensator 10 ständig mit der Betriebsenergieversorgung Ub verbunden, so dass zu jedem Zeitpunkt ein ausreichender Ladezustand des Kondensators 10 und damit der Hilfsenergieversorgung gewährleistet ist. Kommt es zu einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung Ub, wird ein Entladen des Kondensators 10 über die Strompfade der Betriebsenergieversorgung Ub durch eine Trennung des Kondensators 10 von denselben mittels der im trennenden Zustand sehr hochohmigen Diodenanordnung 12 als Trenneinrichtung (Diode) mit geringem Sperrstrom verhindert. Bevorzugt wird die Diodenanordnung 12 automatisch aktiviert, und ist die Diodenanordnung 12 aus den vorstehend genannten Gründen ebenfalls in unmittelbarer Nähe des Kondensators 10 angeordnet.

Durch die konzentrierte Anordnung der Elemente der Schalteinrichtung 1 für die Feststellbremse führen bei einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung Ub nur kurze Leitungsabschnitte Spannung, wodurch der Gesamt-Isolationswiderstand der Schalteinrichtung in einem Zustand, in dem die Betriebsenergieversorgung Ub nicht mehr zur Verfügung steht, der letzte Betriebsablauf jedoch noch nicht angefordert wurde, in der Größenordnung von einigen G&OHgr; liegt und damit sehr hoch ist.

Dadurch ist die Selbstentladung des Kondensators 10 als Hilfsenergieversorgung sehr gering, so dass der Zeitraum, in welchem der letzte Betriebsablauf des elektronischen Systems nach einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung Ub noch ausgeführt werden kann, signifikant auf Stunden oder Tage erstreckt werden kann, ohne die Hilfsstromversorgung, d.h. den Kondensator 10, unnötigerweise groß oder überdimensionieren zu müssen.

Der Schalter S2 20 in der Steuereinrichtung 2 unterbricht während eines Normalbetriebs mit bestehender Betriebsenergieversorgung Ub bevorzugt auch den Ladevorgang des Kondensators 10 in der Schalteinrichtung 1 hin und wieder für eine vorbestimmte Zeit, beispielsweise für einige Stunden. Während dieser Zeit kann sich daher der Kondensator 10 langsam entladen. Nach Ablauf der vorbestimmten Zeit wird der Schalter S2 20 wieder geschlossen und der Kondensator 10 bis zum Erreichen der gewünschten Hilfsenergie aufgeladen. Eine Prüfung der Kapazität des Kondensators 10 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass nach dem Wiedereinschalten die Zeit gemessen wird, die vergeht, bis der Kondensator 10 vollständig geladen ist.

Eine Überwachung der Selbstentladung des Kondensators 10 erfolgt hierbei durch die Steuereinrichtung 1 derart, dass der Ladestromkreis durch den Schalter S2 20 vorübergehend unterbrochen und die sich dann einstellende Spannung des Kondensators 10 nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Einschalten gemessen wird.

Ferner kann die zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Verfügung stehende Hilfsenergie durch Überwachen der Batteriespannung Ub und der Schalteinrichtungsspannung U1 sowie des Ladestroms, berechnet über den Spannungsabfall zwischen der Batteriespannung Ub und der Schalteinrichtungsspannung U1, durch die Steuereinrichtung 1 ermittelt werden.

Insbesondere kann durch Messen der Spannung U1 der Schalteinrichtung 1 während des Wiederaufladens oder Nachladens des Kondensators 10 auf das Ausmaß der Selbstentladung des Kondensators 10 geschlossen werden, und kann anhand der Aufladegeschwindigkeit des Kondensators 10 im Verlauf des Wiederaufladens die Mindestkapazität des Kondensators 10 überwacht werden.

Bevorzugt weist die Schalteinrichtung 1 zu dem Schalter 16 redundante, nicht gezeigte Schalter, Potentiometer oder andere eine Anweisung eines Bedieners erfassende Elemente auf. Derartige Elemente dienen dazu, im störungsfreien Betrieb eine Warnung auszugeben und eine Fehlauslösung des letzten Betriebsablaufs des elektronischen Systems zu verhindern.

Somit kann durch Betätigen des Schalters S1 16 der Schalteinrichtung 1 die Park- bzw. Feststellbremse des Nutzfahrzeugs durch kurzes Ansteuern des Magnetventils MV 3 eingelegt werden, und wird bei einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung Ub die Energieversorgung der Steuereinrichtung 2 und damit der darin enthaltenen Recheneinrichtung (Microcontroller) 25 sowie des Magnetventils MV 3 durch die Hilfsenergie aus dem Kondensator 10 in der Schalteinrichtung 1 gewährleistet.

1
Schalteinrichtung
2
Steuereinrichtung
3
Magnetventil
10
Kondensator
12
Diode
14
Widerstand
16
Schalter
20
Schalter
21
Spannungswandler
22
Spannungswandler
23
Spannungswandler
24
Spannungswandler
25
Microcontroller
26
Schalter


Anspruch[de]
Kurzzeit-Spannungsversorgung für einen Verbraucher, gekennzeichnet durch

eine Schalteinrichtung (1) mit einer Hilfsenergieversorgung (10);

eine bei Ausfall einer Betriebsenergieversorgung (Ub) von der Hilfsenergieversorgung (10) versorgte Steuereinrichtung (2); und

eine von der Steuereinrichtung (2) angesteuerte Schalteinrichtung (26, 3), die den Verbraucher mittels der Hilfsenergie aus der Hilfsenergieversorgung (10) betätigt,

wobei die Hilfsenergieversorgung (10) derart ausgelegt ist, dass der Steuereinrichtung (2) auf Anforderung durch Betätigung eines Schalters (16) ausreichend Energie für einen nach Ausfall der Betriebsenergieversorgung (Ub) letzten Betriebsablauf bereitgestellt wird.
Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) eine Diodenanordnung (12) mit geringem Sperrstrom aufweist, die einer Selbstentladung der Hilfsenergieversorgung (10) entgegen wirkt. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenanordnung (12) bei einem Ausfall der Betriebsenergieversorgung automatisch aktiviert wird. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergieversorgung (10) und die Diodenanordnung (12) in unmittelbarer Nähe des Schalters (16) angeordnet sind. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergieversorgung ein Kondensator ist. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator ein Elektrolytkondensator mit einer Spannung in der Größenordnung von 40 V und mit einer Kapazität in der Größenordnung von 3000 &mgr;F ist. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbstentladung der Hilfsenergieversorgung (10) durch die Steuereinrichtung (2) überwachbar ist. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) die Selbstentladung der Hilfsenergieversorgung (10) durch vorübergehendes Unterbrechen des Ladestromkreises der Hilfsenergieversorgung (10) und Messen der sich nach einer vorbestimmten Zeit einstellenden Spannung der Hilfsenergieversorgung (10) erfasst. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) die zur Verfügung stehende Energie der Hilfsenergieversorgung (10) durch Überwachen des Spannungsabfalls zwischen der Betriebsenergieversorgung (Ub) und einer Spannung (U1) an der Schalteinrichtung (1) und Berechnen des Ladestroms aus dem Spannungsabfall zwischen der Betriebsenergieversorgung (Ub) und der Spannung (U1) ermittelt und/oder durch Überwachen der Ladezeit bis zum Erreichen des vollen Ladezustands des Kondensators (10). Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergieversorgung (10) ständig mit der Betriebsenergieversorgung (Ub) verbunden ist. Kurzzeit-Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergieversorgung (10) durch einen Schalter (20) in der Steuereinrichtung (2) regelmäßig für eine vorbestimmte Zeit von der Betriebsenergieversorgung (Ub) getrennt wird.






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