DE19951094A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Sicherung eines eine Batterie enthaltenden Netzes - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Sicherung eines elektrischen, eine Batterie enthaltenden Netzes, inbesondere Bordnetz von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Booten und dgl. gegen Verpolung, Kurzschluss und/oder Überspannung, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein reduzierter Stromfluss von einem Fremdstartstützpunkt zur Batterie erfasst und lediglich im Falle der Einhaltung vorgegebener Grenzwerte eine direkte Anschaltung des Fremdstartstützpunktes zur Batterie und zum Bordnetz vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen, eine Batterie enthaltenden Netzes, insbesondere eines Bordnetzes von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen und dgl. gegen Verpolung oder sonstige Schäden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei in einem Kraftfahrzeug angeordneten handelsüblichen Batterien ist ein mechanischer Schutz gegen Verpolung nicht realisierbar und eine Verpolung, beispielsweise durch Unachtsamkeit einer Bedienungsperson verursacht, kann daher grundsätzlich auch nicht bei einem Starthilfeversuch ausgeschlossen werden. Es ist deshalb für sich besehen bekannt, einzelne Bauelemente oder einzelne Baugruppen, die beispielsweise besonders empfindlich auf eine Verpolung reagieren, durch in Reihe geschaltete Dioden gegen Verpolschäden zu schützen. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass bei höheren Strömen die Verlustleistung der Schutzdioden stark ansteigt.

Um eine sichere Fremdstarthilfe bei Bordnetzen von beweglichen Einheiten zu gewährleisten, ist es vor allen Dingen erforderlich, sowohl die bordnetzeigene Batterie als auch das Bordnetz selbst gegen Verpolung zu schützen, sowohl für den Fall, dass eine Fremdstarthilfe von einem gegebenen Fahrzeug geleistet wird, oder dass dieses Fahrzeug Fremdstarthilfe in Anspruch nehmen muss, weil die eigene Bordnetzbatterie für einen Startversuch nicht mehr über die erforderliche Kapazität verfügt, beispielsweise also zu stark entladen ist.

Grundsätzlich ist der Einsatz bestimmter Bauelemente in modernen Bordnetzen, insbesondere von Elektrolytkondensatoren oder Halbleiter-Leistungsschalter auf MOSFET-Basis in Kraftfahrzeugbordnetzen durch die Gefahr der Verpolung eingeschränkt. Bei einem Elektrolytkondensator kann eine solche Verpolung zur explosionsartigen Zerstörung des Kondensators mit den entsprechenden Folgeschäden führen, bei Halbleiterschaltern hingegen kann es im Verpolungsfall zu einem hohen Stromfluss über die Rückwärtsdiode der üblichen MOS-Transistoren kommen, was zu einer Zerstörung der Schalter und/oder zu einem ungewollten Einschalten von Verbrauchern führen kann. Besonders kritisch sind hier Brückenschaltungen.

Andererseits werden sowohl Elektrolytkondensatoren als auch Halbleiterelemente zunehmend im Bordnetzbereich von Fahrzeugen eingesetzt, wobei insbesondere bei Elektromotoren, die über Pulsweitenmodulationen geregelt werden, die hohen Schaltfreugenzen mit Hilfe von Halbleiterschaltern erzeugt werden. Der Einsatz von Elektrolytkondensatoren dient dem Vermeiden von Rückwirkungen auf das Bordnetz.

Es ist bekannt (DE 39 30 896 A1), Reihenschaltungen von zu schützenden Elementen mit invers geschalteten MOSFET's vorzusehen, wodurch sich geringere Verlustleistungen ergeben. Eine solche Lösung ist allerdings sehr kostspielig.

Bekannt ist ferner (DE 29 19 022 A1), ein Generatorsystem und/oder Verbraucher gegen eine Beschädigung durch ein Anschließen einer falsch gepolten Spannungsquelle, nämlich Batterie oder dergleichen, dadurch zu schützen, dass eine Einrichtung zur Erkennung der Falschpolung vorgesehen ist, die aus einer Serienschaltung eines Verpolschutzrelais und einer Verpolschutzdiode besteht. Das Relais benötigt im eingeschalteten Zustand jedoch eine relativ hohe Ansteuerleistung und weist zudem einen relativ hohen Einschaltwiderstand auf, so dass im Startfall mit einer Verschlechterung der Systemeigenschaften zu rechnen ist. Ausserdem besteht bei einem Relais beim Abschalten von hohen Strömen die Gefahr des Verschweissens der Schaltkontakte.

Schließlich weist eine weitere bekannte Schaltungsanordnung (DE 197 19 919 A1) zum Schutz von Verbrauchern vor Verpolungsschäden in einem Bordnetz ein Begrenzungselement und eine Auslöseeinheit auf, wobei das Begrenzungselement parallel zum Bordnetz geschaltet ist und bei falsch gepolter Spannung die Bordnetzspannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, der für sonstige elektronische Einheiten noch nicht schädlich ist. Durch diese Begrenzung baut sich ferner eine Spannung am Begrenzungselement auf, die dazu benutzt wird, einen Schalter zu öffnen.

Weitere bekannte Verpolschutzanordnungen, die jedoch im vorliegenden Zusammenhang keine größere Bedeutung haben und auf die daher auch nicht näher eingegangen wird, lassen sich ferner den folgenden Veröffentlichungen entnehmen: DE 42 31 970 C2, DE 30 30 700 A1, DE 33 13 051 A1, DE 34 08 657 A1, DE 196 03 117 A1.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur einfachen und sicheren Durchführung von Fremdstarts bei Bordnetzen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, wobei durch Fehlbedienungen, die beispielsweise auch von Benutzern verursachte Verpolungen oder Kurzschlüsse zurückzuführen sind, keine Schäden entstehen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 und hat den Vorteil, dass ein spezieller Fremsstartstützpunkt, also eine sich vorzugsweise im Motorraum bzw. Batterienähe befindende Kontaktstelle zur Verbindung mit der Klemme eines Fremdstarthilfekabels im Normalfall keine direkte Schaltverbindung mit dem Bordnetz bzw. der Batterie aufweist und lediglich über einen schädliche Einflüsse abblockenden Widerstand mit der fahrzeugeigenen Batterie verbunden ist. Erst im Falle des tatsächlichen und vor allem polgerechten Anklemmens eines Fremdhilfestartkabels wird eine direkte Schaltverbindung zur Batterie bzw. zum Bordnetz hergestellt, d. h. es erfolgt die tatsächliche Aktivierung des Fremdstartstützpunktes.

Eine mögliche Verpolung wird daher von Anfang an festgestellt und durch Erfassen vorgegebener Stromgrenzwerte beurteilt, ob die Anschaltung eines Starthilfekabels korrekt erfolgt ist. Im zutreffenden Fall kommt es anschließend zur direkten Schaltverbindung; wird eine Verpolung oder ein sonstiger Kurzschluss festgestellt, bleibt die direkte Schaltverbindung offen, so dass auch nicht die Gefahr besteht, dass erst verspätet auf eine Verpolung reagiert werden kann und schon geschlossene Schaltkontakte gegen hohe fließende Ströme wieder geöffnet werden müssen.

Empfindliche Geräte oder Schaltungselemente eines Bordnetzes sind so gegen jegliche Art von Schadenseinwirkungen durch Kurzschlüsse oder Verpolungen geschützt.

Dabei ist ferner vorteilhaft, dass ein solcher Fremdstartstützpunkt gleichermaßen zur Fremdstarthilfe bei Fremdfahrzeugen eingesetzt werden kann, denn unabhängig davon, ob Fremdstarthilfe genommen oder gegeben wird, stets erfolgt eine vorläufige Schaltverbindung zunächst über einen Reihenwiderstand vom Fremdstartstützpunkt zum Bordnetz bzw. der Batterie und erst anschließend, nämlich nach Auswertung korrekter, auf eine einwandfreie Verbindung hinweisender Ströme erfolgt die direkte Schaltverbindung zur Batterie.

Vorteilhaft ist ferner, dass durch die Erfindung gewährleistet ist, dass beliebiges fehlerhaftes Vorgehen durch einen Benutzer ohne zerstörerische Schäden bleibt, unabhängig davon, ob zunächst die beiden Pluspole oder die beiden Minuspole - im angenommenden Fehlerfall vertauscht - miteinander verbunden werden.

Die Erfindung gewährleistet ferner die Erkennung eines Abklemmens des Starthilfekabels, wenn bei geschlossener direkter Schaltverbindung der erfasste Stromwert unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine grundsätzliche Prinzipschaltung zur Verpolsicherung und in

Fig. 2 in Form von Diagrammen Einschalt- und Abschalt­ stromschwellen, aus denen sich die Beurteilungen für eine einwandfreie Anschaltung eines Start­ hilfekabels ableiten lassen.

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht daher darin, über mindestens einen in die Verbindungsleitung zwischen einem Fremdstartstützpunkt und dem Bordnetz bzw. Batterie angeordneten Stromsensor in Verbindung mit einem Vorwiderstand zum Fremdstartstützpunkt fließende Stromwerte zu diskriminieren und Entscheidungen abzuleiten, die eine direkte Schaltverbindung zwischen dem Fremdstartstützpunkt und dem Bordnetz bzw. der Batterie ermöglichen bzw. ausschließen oder im Falle des Abschaltens eine Auftrennung dieser Verbindungen veranlassen. Es versteht sich, dass mit dem hier und im folgenden verwendeten Begriff des Stromwertes im genaueren Sinne der "Betrag des Stromwertes" gemeint ist, also sowohl das Starthilfe geben als auch das Starthilfe nehmen umfasst sind, wobei der Strom also sowohl zum Fremdstartstützpunkt als auch von diesem weg fließen kann.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Batterie mit 10 und der Fremdstartstützpunkt mit 18 bezeichnet. Die Batterie, nämlich ihr Pluspol, ist über mindestens einen Stromsensor 12 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Vorwiderstand 14 mit dem Fremdstartstützpunkt verbunden, wobei ferner eine Leitungsverbindung zu einem Bordnetz 11 eines in diesem Falle angenommenen Kraftfahrzeugs besteht, so dass der Fremdstartstützpunkt sowohl für eine einen Fremdstart gebende als auch einen Fremdstart nehmende Verbindung mit einem Fremdfahrzeug eingesetzt werden kann.

Es ist eine Auswerteeinheit 16 vorgesehen, die den in der Sensorverbindungsleitung 20 zum Fremdstartstützpunkt 18 angeordneten Stromsensor 12 ausliest und so ausgebildet ist, dass sie ein Schaltelement 19 in einer direkten, zum Widerstand 14 parallelen Kontaktverbindung 21 zwischen Batterie und Fremdstartstützpunkt ansteuert, also öffnet oder schließt.

Es kann sich hierbei um die Ansteuerung eines Hochstromrelais 15 handeln, welches einen zugeordneten Relaisschalter 19 schließt, beispielsweise aber auch um einen motorisch betriebenen Steckkontakt 19', der dann die direkte Hochstrom- Schaltverbindung zwischen Fremdstartstützpunkt und Bordnetz bzw. Batterie bei entsprechender Ansteuerung über die Auswerteeinheit 16 herstellt.

Es ergibt sich dann folgender Funktionsverlauf. Geht man davon aus, dass im Normalzustand das angetriebene Schaltelement 19 in der direkten Schaltverbindung 21 vom Fremdstartstützpunkt 18 zur Batterie 10 und Bordnetz 11 geöffnet ist, dann ist an den Fremdstartstützpunkt 18 kein Kabel angeschlossen und der vom Stromsensor 12 erfasste Strom wird unter dem Schwellenwert I₁, wie in Fig. 2 gezeigt, liegen.

Ist das Kabel korrekt angeschlossen, unabhängig davon, ob zuerst die Minusverbindung oder die Plusverbindung hergestellt worden ist, dann wird aufgrund der Wirkung des Widerstands 14 und durch diesen bestimmt der von dem Stromsensor 12 erfasste Strom zwischen den Stromschwellen I₁ und I₂ liegen, was vom Ladezustand der Batterie 10 abhängt.

Ist dagegen das Kabel kurzgeschlossen oder ist eine Verpolung aufgetreten, d. h. ist irrtümlicherweise an dem Fremdstartstützpunkt eine Minusverbindung mit dem Fremdfahrzeug hergestellt worden, dann wird der Strom in beiden Fällen über der Stromschwelle I₂ liegen.

Die Auswerteeinheit 16 ist so ausgebildet, dass eine Ansteuerung des Schaltrelais 15 nur dann erfolgt, wenn der gemessene Strom I_x zwischen den Werten I₁ und I₂ liegt, also im korrekten Bereich der Fig. 2, (siehe oberes, die Einschaltschwellenwerte angebendes Diagramm), während bei Unterschreiten der Schaltschwelle I₁ bzw. Überschreiten der Schaltschwelle I₂ der Schalter 19 nicht geschlossen wird. Es kommt daher im Falle einer Verpolung oder eines Kurzschlusses von Anfang an nicht zu einer Bordnetz oder die Batterien schädigenden oder zerstörenden Belastung.

Ist andererseits das Schaltelement 19 geschlossen, dann bewegt sich der Erkennungszustand in der Auswerteeinheit von dem oberen Diagramm der Fig. 2 zum unteren Diagramm dieser Figur, d. h. es fließt nunmehr ein Strom vom Fremdstart gebenden Fahrzeug zum Fremdstart nehmenden Fahrzeug, der mit Sicherheit über einer Schwelle I₃ liegt, die stets größer als der Schwellenwert I₂ im Einschaltdiagramm ist. Dies führt jedoch nicht zu einem Öffnen des Schaltelements 19, sondern die Auswerteeinheit 16 öffnet das Schaltelement 19 erst dann wieder, wenn bei ursprünglich geschlossenem Schalter 19 der Stromwert I₃ unter diese Schwelle fällt (siehe das Abschaltdiagramm der Fig. 2), was bedeutet, dass die Klemmverbindungen zum Fremdstartstützpunkt 18 gelöst worden sind bzw. kein entsprechender Stromfluss mehr stattfindet, beispielsweise das Fremdstart nehmende Fahrzeug angesprungen ist.

Dieser Vorgang entspricht einer Erkennung des Abklemmens des Starthilfekabels, wobei die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements 19 nicht sehr hoch sein muss, um einen Schutz vor Kurzschluss oder vor nachträglicher Verpolung zu gewährleisten.

Da in beiden Fahrzeugen der Strom unter den Schwellenwert I₃ absinkt, sind beide Fahrzeuge dadurch geschützt, wobei lediglich für den Fall, dass der Stromsensor 12 keine ausreichende Auflösung zur Messung aller geschilderten Fälle bietet, ein zweiter Stromsensor 13 unmittelbar in die Sensorzweigleitung 20 zum Vorwiderstand 14 geschaltet werden kann mit höherer Auflösung, der dann für das Einschalten zuständig ist, während der Stromsensor 12 den Abschaltschwellenbereich übernimmt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Sicherung eines elektrischen, eine Batterie enthaltenden Netzes, insbesondere Bordnetz von mobilden Einheiten, Kraftfahrzeugen, Booten und dgl. gegen Verpolung, Kurzschluss und/oder Überspannung, dadurch gekennzeichnet, dass ein reduzierter Stromfluss (I_x) von einem Fremdstartstützpunkt (18) zur Batterie (10) erfasst und lediglich im Falle der Einhaltung vorgegebener Grenzwerte (I₁ < I_x < I₂) eine direkte Anschaltung des Fremdstartstützpunktes (18) zur Batterie (10) und zum Bordnetz (11) vorgenommen wird.

2. Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen eine Batterie enthaltenden Netzes, insbesondere Bordnetz von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Booten und dgl. gegen Verpolung, Kurzschluss und/oder Überspannung, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Stromsensor-Schaltverbindung (20) zwischen Batterie (10) und Bordnetz einerseits und einem Fremdstartsützpunkt (18) andererseits mindestens ein Stromsensor (12) angeordnet ist, der bei Erfassung eines innerhalb vorgegebener Stromgrenzen (I₁ < I_x < I₂) liegenden Stromflusses (I_x) eine direkte, geschlossene Schaltverbindung (21) zwischen Batterie und Bordnetz einerseits und Fremdstartstützpunkt andererseits initiiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (16) vorgesehen ist, der die Messwerte des Stromsensors (12) zugeführt sind und die ein Schaltelement (19) antreibt, welches die direkte Schaltverbindung (21) zwischen Batterie und Bordnet sowie Fremdstartstützpunkt herstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) ein Hochstromrelais (15) mit zugeordnetem Schalter (19) in der direkten Schaltverbindung (21) oder einem motorisch betriebenen Steckkontakt in dieser Schaltverbindung ansteuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) zwischen einem Einschaltzustand, bei welchem der gemessene Stromfluss (I_x) zwischen ersten vorgegebenen Grenzwerten (I₁, I₂) liegt, zur Herstellung der geschlossenen Schaltverbindung (21) und einem Abschaltzustand unterscheidet, bei welchem der gemessene Stromfluss (I_x) einen Stromgrenzwert (I₃) zur Unterbrechung der direkten Schaltverbindung (21) unterschreitet, der größer als die Einschaltschwellenwerte (I₁, I₂) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stromsensor-Schaltverbindung (20) ein die Stromgrenzwerte mitbestimmender Vorwiderstand (14) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Stromsensor-Schaltverbindung ein weiterer, empfindlicherer Stromsensor (13) vorgesehen ist, der den Einschaltstromwert bestimmt, während der erste Stromsensor (12) den Abschaltstromwert vorgibt.