DE3844607A1 - Stromversorgungsschaltung fuer ein kraftfahrzeug mit zwei unterschiedlichen verbraucherspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromver­ sorgungsschaltung für ein Kraftfahr­ zeug mit zwei verschiedenen Verbrau­ cherspannungen, nämlich der üblichen Bordnetz-Gleichspannung und einer dieser gegenüber höheren Gleichspan­ nung zum Betrieb einer Heizscheibe mit einem Dünnschicht-Heizwiderstand, mit einem Generator und einem Span­ nungsregler, wobei der Generator für die höhere Spannung ausgelegt ist, die wenigstens der für den Betrieb der Heizscheibe erforderlichen Span­ nung entspricht, und die vom Genera­ tor gelieferte Spannung durch den Regler bei eingeschalteter Heizschei­ be auf die höhere Spannung geregelt und die Bordnetzspannung aus der hö­ heren Spannung abgeleitet wird, so­ wie mit einer zusätzlichen Sicher­ heitsschaltung zur Vermeidung eines gefährlichen Betriebszustandes.

Die übliche Stromversorgungsschaltung für Kraft­ fahrzeuge 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 Be­ trieb ist eine Spannungsregelung auf die maximale La­ despannung von 14,2 V für die Batterie erforderlich. Diese Spannungsregelung erfolgt durch den Span­ nungsregler, durch den der Erregerstrom im Rotor peri­ odisch abgeschaltet wird.

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

Eine Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art, die den gleichzeitigen Betrieb einer eine höhere Spannung benötigenden Heiz­ scheibe und der übrigen Verbraucher der üblichen Bordnetzspannung gestat­ tet, ist aus der US-PS 41 88 527 be­ kannt. Bei dieser Stromversorgungs­ schaltung ist die Heizscheibe im ein­ geschalteten Zustand mit den Verbrau­ chern des Bordnetzes in Reihe ge­ schaltet. Bei ausgeschalteter Heiz­ scheibe wird die Heizscheibe durch einen Schalter überbrückt. Um die Gefahr einer Überhitzung der Heiz­ scheibe zu vermeiden, ist diese mit einem Temperaturfühler versehen. Die­ ser steuert eine Sicherheitsschaltung an, durch die bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur die Stromzu­ fuhr zu der Heizscheibe unterbrochen wird.

Aus der US-PS 46 73 797 ist eine Stromversorgungsschaltung der ein­ gangs genannten Art bekannt, bei der der Generator entweder die für den Betrieb der Heizscheibe erforderliche höhere Spannung oder, nach Umschal­ tung, die normale Bordnetzspannung liefert. Ein gleichzeitiger Betrieb der Heizscheibe und der übrigen Ver­ braucher mit Hilfe des Generators ist in diesem Fall nicht möglich. Auch diese bekannte Stromversorgungsschal­ tung ist mit einer Sicherheitsschal­ tung versehen, durch die die Stromzu­ fuhr zu der Heizscheibe unterbrochen wird, wenn die Temperatur der Heiz­ scheibe, die durch einen auf der Heizscheibe angeordneten Temperatur­ fühler gemessen wird, einen bestimm­ ten Wert überschreitet.

Eine Stromversorgungsschaltung der gattungsgemäßen Art ist ebenfalls aus der DE 27 05 049 A1 bekannt. Bei die­ ser bekannten Schaltung besteht die Sicherheitsschaltung aus einer Steu­ ereinrichtung, die verschiedene Funk­ tionen erfüllt. Zum einen umfaßt sie einen Zeitgeberkreis, durch den die Heizscheibe zum Zweck der Enteisung nur für eine bestimmte Zeitspanne eingeschaltet wird, deren Dauer in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Fahrzeugs variiert. Zum anderen beinhaltet die Sicherheitsschaltung einen Batteriespannungs-Überwacher sowie einen Sperrkreis für die Wie­ derholung des Enteisungsvorgangs in­ nerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach jedem Enteisungsvorgang.

Bei den Generatoren, wie sie für Stromversorgungsschaltungen der hier infrage stehenden Art eingesetzt wer­ den, handelt es sich um Hoch­ leistungsmaschinen, die über 100 A an das Bordnetz abgeben können. Beim Einschalten und insbesondere beim Abschalten derart hoher Ströme kommt es zu einer erheblichen Belastung der Schaltkontakte durch Lichtbogenbil­ dung, so daß große und teure Schal­ terkonstruktionen erforderlich sind, wenn die Stromversorgungsschaltung langfristig sicher arbeiten soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, eine Stromversorgungsschal­ tung der eingangs genannten Art mit einer zusätzlichen Sicherheitsschal­ tung so auszugestalten, daß verhält­ nismäßig kleine und preiswerte Lei­ stungsschalter eingesetzt werden kön­ nen, ohne daß die Gefahr der Lichtbo­ genbildung an den Schaltkontakten dieser Leistungsschalter besteht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufga­ be dadurch gelöst, daß die Sicher­ heitsschaltung eine Strombegrenzungs­ schaltung in Form eines Zeitschalters umfaßt, durch die während des Ein- und Ausschaltens der Heizscheibe die Generatorspannung kurzzeitig abge­ senkt wird.

Der Zeitschalter, der beim Umschalten des Lastschalters zunächst einge­ schaltet wird, bewirkt, daß der Reg­ ler gezwungen wird, die Generator­ spannung zunächst auf einen niedrige­ ren Wert zu regeln, bevor die Kontak­ te des Lastschalters geöffnet oder geschlossen werden. Der für diese zusätzliche Schaltung erforderliche Schaltungsaufwand ist im Vergleich zu dem Aufwand, der für einen für hohe Ströme geeigneten Leistungsschalter erforderlich ist, verhältnismäßig gering.

Die erfindungsgemäße Sicherheits­ schaltung wird nachfolgend in Verbin­ dung mit verschiedenen Ausführungs­ beispielen für Stromversorgungsschal­ tungen, die den gleichzeitigen Be­ trieb einer heizbaren Windschutz­ scheibe mit einem Dünnschicht- Heizwiderstand und der übrigen Ver­ braucher des Bordnetzes gestatten, anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild für eine Stromversorgungs­ schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform;

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

Fig. 3 eine andere Ausführungs­ form eines in der Schal­ tung nach Fig. 1 verwen­ deten Spannungskonver­ ters;

Fig. 4 das Blockschaltbild für eine Stromversorgungs­ schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße zusätzliche Sicherheits­ schaltung.

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 Span­ nungskonverter 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 be­ grenzte 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. Gleich­ zeitig wird über den Schalter 3 a der Regler 2 auf ein höheres Spannungsniveau von beispielsweise 50 V ein­ gestellt, 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 Ver­ brauchern 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 Ein­ gang 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 Span­ nung von 14 V erscheint. Dieser Wert wird über die Leitung 18 an den Taktgeber 11 zurückgeführt, der wie­ derum 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 Ausgangsspan­ nung 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 ener­ giespeichernden 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 mög­ lichst hoch sein. Sie sollte mindestens um den Faktor 5 über der Kommutierungsfrequenz liegen.

Fig. 3 stellt einen Gegentaktwandler 6′′ dar, der alter­ nativ für den Eintaktwandler 6 aus Fig. 2 eingesetzt werden kann. Er besteht aus einem Taktgeber 19 und den beiden Schalttransistoren 20 und 21, die abwech­ selnd 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 Transfor­ mator ein Wechselfeld, das über die Sekundärwicklung ausgekoppelt wird. Die beiden Dioden 23 und 24 richten die Wechselspannung gleich. Entsprechend dem Über­ setzungsverhältnis 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 glei­ che wie für den anhand der Fig. 2 beschriebenen Ein­ taktwandler.

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 ins­ gesamt als Widerstand dargestellt ist, in Serie geschal­ tet. 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, un­ mittelbar mit dem Bordnetz, das heißt mit den Verbrau­ chern 31 und der Batterie 35 verbunden ist. Die Um­ schaltung auf den Heizbetrieb erfolgt durch den Tipp­ schalter 36. Dieser bewirkt, daß einerseits der Schalter 32 geöffnet wird, so daß die Heizscheibe 30 nun unmit­ telbar als Vorwiderstand für die vom Bordnetz abhängi­ gen Verbraucher 31 dient, und daß anschließend ande­ rerseits der Regler 34 umgeschaltet wird, so daß die Generatorspannung nunmehr auf die erforderliche hö­ here Spannung hochgeregelt wird.

Es empfiehlt sich, die Stromversorgungsschaltung durch zusätzliche Überwachungselemente zu vervoll­ ständigen, um für das System unter allen Umständen einen sicheren Betriebszustand zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Überwachungselemente können grund­ sätzlich 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 begren­ zen, um eine Überhitzung der Heizscheibe zu vermei­ den. Die zum Abtauen des Feuchtigkeitsbelages erfor­ derliche Heizzeit beträgt erfahrungsgemäß maximal 5 Minuten. Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt kann diese Zeit jedoch zu lang sein, so daß die Heiz­ scheibe 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 der­ art, 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 mög­ lich sein. Als Führungsgröße für diese Regelung wählt man zweckmäßigerweise eine repräsentative Tempera­ tur im Innern des Fahrzeugs.

Ferner kann es zweckmäßig sein, eine Überspan­ nungsbegrenzung vorzusehen. Denn beim Bruch der Heizscheibe oder eines Kabels können gefährliche Überspannungen auftreten. Zum Zweck der Span­ nungsbegrenzung wird zweckmäßigerweise die Aus­ gangsspannung des Generators auf den Regler zurück­ geführt. Wenn eine Spannung auftritt, die höher ist als eine vorgewählte Spannung von z. B. 80 V, dann unter­ bricht das Reglersystem den Heizbetrieb und schaltet auf Normalbetrieb um.

Ein Lösungsbeispiel für eine Strom­ versorgungsschaltung mit einer erfin­ dungsgemäßen Sicherheitsschaltung, die zusätzlich eine Strombegrenzung während des Umschaltvorgangs beinhal­ tet, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Reg­ ler 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 Felderre­ gung des Generators 41 abgeschaltet werden kann. Ge­ steuert 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 zwi­ schen 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 Sicherheitsschwelle von etwa 80 V, dann gibt der Schwellwertschalter 49 einen Steuerimpuls an den Eingang 48 des Hauptzeitgebers 46 ab, was zur soforti­ gen Unterbrechung des Heizbetriebs der Heizscheibe 30 führt.

Claims (3)

1. Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug mit zwei verschie­ denen 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, wobei der Generator für die höhere Spannung ausgelegt ist, die wenigstens der für den Betrieb der Heizscheibe erforderlichen Spannung entspricht, und die vom Generator gelieferte Spannung durch den Regler bei eingeschalteter Heizscheibe auf die höhere Spannung geregelt und die Bordnetzspannung aus der höheren Span­ nung abgeleitet wird, sowie mit einer zusätzlichen Sicherheits­ schaltung zur Vermeidung eines gefährlichen Betriebszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheits­ schaltung eine Strombegrenzungsschaltung (44) in Form eines Zeit­ schalters umfaßt, durch die während des Ein- und Ausschaltens der Heizscheibe die Generatorspannung kurzzeitig abgesenkt wird.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von zu hohen Spannungen bei Fehlern im Heiz­ system eine Spannungsbegrenzungsschaltung (49) vorgesehen ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 2, 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.