WO2005115805A1 - Elektronischer batterieschutzhalter - Google Patents

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WO2005115805A1
WO2005115805A1 PCT/EP2005/005684 EP2005005684W WO2005115805A1 WO 2005115805 A1 WO2005115805 A1 WO 2005115805A1 EP 2005005684 W EP2005005684 W EP 2005005684W WO 2005115805 A1 WO2005115805 A1 WO 2005115805A1
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PCT/EP2005/005684
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Günter Uhl
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Catem Develec GmbH and Co KG
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Catem Develec GmbH and Co KG
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    • B60R21/01—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R21/017—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including arrangements for providing electric power to safety arrangements or their actuating means, e.g. to pyrotechnic fuses or electro-mechanic valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for

Definitions

  • the invention relates to an improved battery circuit breaker for motor vehicles.
  • a battery circuit breaker is connected between the battery and the vehicle electrical system in motor vehicles.
  • the battery circuit breaker disconnects the battery from the vehicle electrical system in order to prevent a fuel or an electrical short-circuit from causing a fire or an explosion.
  • the risk of a short circuit is particularly great in those motor vehicles which have a battery arranged in the rear of the vehicle.
  • These vehicles have PLUS cables with large cross sections in the vehicle floor between the engine compartment and the rear. The large cross sections result in correspondingly high short-circuit currents in the event of an accident.
  • Conventional battery circuit breakers allow an abrupt disconnection of the vehicle electrical system from the battery via an electromagnetically or pyrotechnically opened contact. As soon as a trigger signal from outside is present, the normally closed contact is opened by igniting the pyrotechnic charge or electromagnetically. The accident or "crash" signal supplied from the outside is generally taken from the airbag system of the motor vehicle. As soon as the airbags deploy, the battery is immediately disconnected.
  • Such an electromagnetically operated battery circuit breaker is, for example, from DE-C1-198 25245 known.
  • a disadvantage of conventional battery circuit breakers is that the battery is not disconnected in those accident scenarios in which the airbag system is not activated.
  • Crash sensors do not generate an accident signal, in particular when a motor vehicle collides obliquely on a crash barrier. There are no particularly strong delays in this scenario, so that the crash sensor of the airbag system does not respond. In such an accident, however, the high-current lines in the floor panel of the motor vehicle are worn through.
  • Electromagnetically operated battery circuit breakers can be reset after a minor accident that does not result in major damage.
  • these circuit breakers due to wear and tear on the electromechanical contacts when switching high currents, these circuit breakers only allow a very limited number of switching operations, usually only a maximum of 10 to 50 switching operations. Disconnecting the battery using these battery circuit breakers is therefore only an option.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved battery circuit breaker.
  • the battery circuit breaker serves to separate an electrical connection between the battery of a motor vehicle and a motor vehicle electrical system.
  • the battery circuit breaker includes a semiconductor switch for connection and separation of the battery and the vehicle electrical system as a function of an overcurrent and / or a crash signal.
  • a semiconductor switch for the electrical connection or disconnection of the battery and the vehicle electrical system is used as the battery protection switch.
  • a semiconductor switch enables an unlimited number of switching cycles.
  • a semiconductor switch can be easily reset. In the battery circuit breaker according to the invention, a shutdown therefore no longer has to be restricted to exceptional emergencies as is conventional.
  • the semiconductor switch is turned on when the voltage of the vehicle electrical system is greater than the battery voltage. A current can therefore flow into and out of the battery via the semiconductor switch. A current flowing towards the battery cannot be interrupted by the semiconductor switch. When a semiconductor switch is not triggered, high power losses occur, which can lead to thermal damage. For this reason, the direction of current flow through the semiconductor switch is constantly monitored. If the current flows in the direction of the battery, the semiconductor switch is switched to active conducting and thus goes into inverse operation with low power loss. This reduces the power loss at the semiconductor switch and damage or destruction can be prevented.
  • the semiconductor switch is preferably a MOSFET.
  • the semiconductor switch of the battery circuit breaker is not only used for an emergency shutdown, but also to regularly disconnect the vehicle electrical system from the battery in the "ignition OFF" position.
  • This separation is conventionally accomplished by a so-called “terminal 15 switch”.
  • the terminal 15 switch is a contact in the Ignition lock, which is closed when the ignition is switched on.
  • an additional relay is increasingly used for this purpose, which is activated when the ignition is switched on.
  • Such a relay as a terminal 15 switch is generally not used to disconnect consumers that require high currents.
  • the battery circuit breaker according to the invention also takes over the function of the previous terminal 15 switch, since it enables an unlimited number of switching cycles and a problem-free switching even of high currents.
  • the battery circuit breaker according to the invention has a higher current carrying capacity.
  • the invention therefore makes it possible to separate from the vehicle electrical system those consumers in the ignition OFF position which are conventionally permanently connected to the vehicle electrical system.
  • consumers with very high operating currents such as additional electrical heaters, for example PTC heaters, and glow systems have not previously been disconnected from the vehicle electrical system by the terminal 15 switch.
  • Other examples of consumers that are not disconnected from the vehicle electrical system when the ignition is switched off are the rear window heater, a seat heater and fan control for the engine cooling and the interior fan.
  • the problems which result from the possible high quiescent current consumption of vehicle components which are conventionally permanently connected to the battery can be eliminated.
  • the battery circuit breaker also disconnects from the battery those consumers which were conventionally permanently connected to the battery.
  • conventional auxiliary electric heaters have not been separated from the battery.
  • Additional electric heaters are increasingly equipped with a power electronics control.
  • the alloying of a power electronics output stage can lead to a continuous operation of the corresponding heating stage and thus a permanent current flow and draining the battery. According to the invention, this problem is solved in a simple and reliable manner.
  • the battery circuit breaker is equipped with a current measuring function for monitoring the current flowing from the battery into the vehicle electrical system.
  • a current measuring function for monitoring the current flowing from the battery into the vehicle electrical system.
  • the battery circuit breaker which is equipped with a current measurement function integrated in the semiconductor switch, also includes a control device for evaluating the measured current and for controlling the semiconductor switch to separate the electrical connection between the battery and the vehicle electrical system.
  • a control device for evaluating the measured current and for controlling the semiconductor switch to separate the electrical connection between the battery and the vehicle electrical system.
  • a measuring shunt is required in addition to the electromagnetically operated switch Current measurement, measurement preparation (for example via an operational amplifier) and a microcontroller for current evaluation and relay control required.
  • Current measurement for example via an operational amplifier
  • microcontroller for current evaluation and relay control required.
  • a purely electronically implemented overcurrent or short-circuit shutdown enables a significantly faster shutdown.
  • the protective shutdown implemented purely electronically according to the invention has negligible response and switching delays.
  • the detection of an overcurrent condition and the subsequent switching off of the on-board electrical system can be carried out in a few 100 ⁇ s compared to an implementation with an electromechanical switch. At the time the load circuit is switched off, a small current flows due to the finite rate of current rise, caused by the inductance of the load circuit (arcing, contact load, etc.).
  • the control device preferably compares the measured current value with a predetermined limit value.
  • this limit value can be adjusted adaptively.
  • the protective shutdown can be variably adapted to different operating states of the motor vehicle. Only high currents that occur briefly can be tolerated.
  • the starting process of the engine in which high currents flow from the battery to the starter via the vehicle electrical system, can be reliably recognized and tolerated.
  • the control device preferably signals the semiconductor switch an overcurrent situation as soon as the measured current exceeds the limit value.
  • the crash signal is preferably an airbag deployment signal.
  • the battery circuit breaker is preferably designed for attachment to a connection of the battery. The power supply to the vehicle electrical system can thus be switched off close to the battery and short circuits can be reliably prevented.
  • a battery monitoring function is integrated in the battery circuit breaker.
  • the monitoring function preferably monitors the voltage, the temperature and the current flowing into or out of the battery. With these parameters, the control device can easily determine the battery state, in particular a SOC and SOH state.
  • the battery circuit breaker monitors the quiescent current consumption of the vehicle electrical system in the "ignition OFF" position. By evaluating the measured quiescent current, an impermissibly high quiescent current and thus draining the battery can be recognized and prevented in good time.
  • the consumers also connected to the battery in the “ignition OFF” position are preferably separated from the battery when the quiescent current from the battery exceeds a predetermined limit value.
  • FIG. 1 shows the structure of a motor vehicle electrical system with a conventional battery circuit breaker
  • FIG. 2 shows a motor vehicle electrical system with an electronic battery circuit breaker according to the present invention
  • 3 shows a motor vehicle electrical system according to FIG. 2 with an alternative embodiment for switching off constantly active consumers.
  • the battery 100 is connected to the vehicle electrical system 110 via a battery protection switch 140.
  • a generator 120, a starter 130 and further consumers 150 are connected to the motor vehicle electrical system 110.
  • An additional connection 180 is provided for the power supply for jump starting assistance.
  • the battery 100 stores the energy provided by the generator 120 while the motor is operating. In order to start the engine when starting, electrical energy is generated in the battery 100 via a chemical reaction and supplied to the starter 130.
  • the battery circuit breaker 140 is actively switched off in the presence of an overcurrent signal or a crash signal. This means that if a trigger signal is present, the switch is opened either pyrotechnically or electromagnetically, so that the vehicle electrical system 110 is disconnected from the battery 100.
  • Safety-relevant consumers 160 for which an emergency shutdown is not permitted, or which must be constantly active, are excluded from the emergency shutdown. For this purpose, they are connected to the battery bypassing the battery circuit breaker 140.
  • FIG. 2 An electronic battery circuit breaker according to the present invention is shown in FIG. 2. Instead of the conventional battery circuit breaker 140 according to FIG. 1, an electronic battery circuit breaker 200 is used according to the invention.
  • the battery circuit breaker of the present invention comprises as a center Element a high-current semiconductor switch 210. This semiconductor switch is preferably a MOSFET.
  • the current from and to the battery is switched by the semiconductor switch 210 in accordance with the control by the control device 220.
  • the semiconductor switch 210 Depending on an externally supplied crash signal or an overcurrent situation determined by the battery monitoring, the semiconductor switch 210 abruptly interrupts the electrical connection between the battery and the motor vehicle electrical system.
  • the semiconductor switch is equipped with an integrated current measurement function to monitor the current flowing in and out of the battery.
  • Such a semiconductor switch is available, for example, as a "Smart Highside High Current Power Switch" BTS 555 from INFINEON. To switch very high currents, several of these semiconductor switches, generally 2 to 4, are generally connected in parallel.
  • the semiconductor switch 210 is operated in bidirectional mode, based on the direction of the current flow.
  • the current not only flows from drain D to source S, but also in the opposite direction from S to D.
  • bidirectional operation of this type is fundamentally permissible due to the symmetrical structure of a MOSFET, this operation must ensure that the MOSFET is in inverse operation , ie when the current flows from S to D, is controlled so that the DS section is conductive.
  • the voltage at the gate connection G is higher than the voltage at D and S. This prevents the inversely flowing current from flowing through the internal body diode 115.
  • Such a current would lead to thermal damage to the MOSFET due to the increased voltage drop, since the forward voltage of a diode is generally around 1.2 V.
  • the semiconductor switch is designed for bidirectional operation of the current from and to the battery (normal operation or inverse operation).
  • the semiconductor switch can therefore carry both a current flowing in and out of the battery.
  • the current flow through the semiconductor switch can only be interrupted in normal operation.
  • the semiconductor switch then goes into inverse operation when the voltage of the vehicle electrical system is greater than the battery voltage.
  • the current I B ⁇ r d flows through the semiconductor switch 210 into the vehicle electrical system.
  • This current is continuously monitored by the current measurement function integrated in the semiconductor switch and is available to the control unit 220 as the measurement voltage U 2 .
  • normal operation means that the ignition has been switched on and the semiconductor switch 210 is subsequently switched on by the control unit 220 by means of a control signal received via a data bus.
  • the generator 120 is still not delivering any power, and the power requirement of the vehicle electrical system 110, including the power for the starter 130, is met exclusively by the vehicle battery 100.
  • generator 120 begins to generate electricity. From now on, the electricity demand of the vehicle electrical system will be covered by the generator. At the same time, the battery is charged via the current generated by the generator. With the start of the current generation by the generator 120, the current flowing through the semiconductor switch 210 changes its direction.
  • the semiconductor switch is now in inverse mode.
  • the current monitoring is preferably not carried out simply by monitoring a fixed limit value above which the power supply to the battery is automatically interrupted.
  • the overcurrent detection can be adapted to different vehicle operating states by dynamically adapting the current limit values or current limit value curves. This can be used, for example, to distinguish a start process from a course end.
  • a very specific current profile serves as a limit curve during the starting process.
  • Such a current profile for the starting process allows short current peaks of up to 1000 amperes (caused, for example, by the rotor of the starter being torn loose) and does not switch off the battery circuit breaker.
  • the limit value for detecting a short circuit is lowered to a value of, for example, 100 amperes.
  • a current of the order of 1000 amperes is then recognized as a short circuit and the semiconductor switch is opened accordingly.
  • the current supply from the battery to the motor vehicle electrical system is switched off by the semiconductor switch if one of the following conditions is met: a) ignition OFF b) detection of a short circuit, i.e. overcurrent, and c) presence of an external crash signal.
  • control unit 220 which comprises an integrated analog / digital converter. Their functions include measuring the voltages Ui, U 2 , U 3 and other variables, evaluating the measured variables, actuating the semiconductor switch and processing the signals for monitoring the quiescent current consumption of the motor vehicle electrical system.
  • the control device 220 is connected via an interface to a vehicle bus network, for example a CAN or a LIN bus. External control signals, for example the ignition OFF signal, are fed to the control unit 220 via this bus. A crash signal can also be transmitted via this bus. Alternatively, the crash signal can also be fed separately to the control device 220. A crash signal fed directly (bypassing the data bus) is is not subject to any delay through the data bus and causes the semiconductor switch 210 to be switched off safely and immediately.
  • a vehicle bus network for example a CAN or a LIN bus.
  • External control signals for example the ignition OFF signal
  • a crash signal can also be transmitted via this bus.
  • the crash signal can also be fed separately to the control device 220.
  • a crash signal fed directly is is not subject to any delay through the data bus and causes the semiconductor switch 210 to be switched off safely and immediately.
  • the battery protection switch 200 is equipped with a battery monitor.
  • a battery management system is already installed in many luxury vehicles today. Such a battery management system monitors important battery parameters such as voltage, temperature and stored energy. Based on this data, a safe start of the engine can be guaranteed even during long downtimes. For this purpose, the voltage of the battery, the temperature of the battery and the current Iß att taken from the battery or flowing into the battery are recorded. A current balance is created from the current flowing into and out of the battery. Based on the recorded values, the battery status SOC (State Of Charge) and SOH (State Of Health) is calculated using suitable calculation models.
  • Such battery monitoring is integrated as an additional component 230 in the electronic battery circuit breaker 200 according to the invention.
  • appropriate measuring devices for the battery voltage, the battery temperature and the measurement of a bidirectional current are provided in a wide measuring range (between one and 1000 amperes).
  • the current measurement is preferably carried out with the help of precise measuring shunts (Rshunti).
  • the measuring shunt generates a current-proportional measuring voltage.
  • the battery circuit breaker 200 preferably also enables monitoring of the quiescent current consumption of the motor vehicle electrical system, which is integrated as component 240 in the battery circuit breaker.
  • the quiescent current from the battery to the vehicle electrical system, ie the current in the ignition OFF position
  • the current measurement via the resistor Rs u nt i be applied.
  • the current drain from the battery, ie the current I U he to be measured, is a further measurement shunt Rshunt2- about this quiescent current measuring shunt can with the vehicle parked, so in the position Ignition OFF, the quiescent current are constantly monitored and accounted ,
  • the quiescent current comprises the currents flowing to all consumers 160, which are also connected to the battery when the ignition is in the OFF position.
  • consumers are generally permanently connected to the battery, such as an additional electrical heater, an electrical glow system, a rear window heater, a seat heater, a blower regulator for engine cooling and an interior blower, a radio locking system, clocks, a vehicle entertainment and information system, etc. These consumers can drain the battery even when the ignition is switched off and thus prevent the vehicle from restarting.
  • the current l Uh e is measured continuously in order to detect short-term current peaks.
  • the measured current is averaged over time in order to be able to determine the average current consumption. In this way, not only can a current which is impermissibly high for a short time be detected, but also an increased mean quiescent current consumption can be detected.
  • An increased quiescent current consumption can be brought about, for example, by frequently switching on individual systems which are also active in the ignition OFF position.
  • a consumer who is permanently connected to the battery is, for example, the radio locking system.
  • a typical requirement for a system permanently connected to the motor vehicle is generally that the average current consumption does not exceed a value of 100 ⁇ A. In systems with a higher current consumption in the active state, this can be achieved in that the current consumption is reduced by switching to a special idle operating state. For example, the current consumption of a radio locking system can be reduced to a value of only 50 ⁇ A by only the radio receiver itself being active, but all other components of a radio locking system being deactivated. In one Operating state with somewhat increased activity, other circuit parts of the radio locking system are also activated and the current consumption accordingly increases significantly, for example to 50 mA.
  • the transition to such an operating state with increased current consumption is necessary, among other things, in order to evaluate received data and to decide whether an authorized code has been received.
  • the temporal activation of the operating state with increased current consumption is rare, for example, the dwell times in both operating states have a ratio of 1000: 1, the average current consumption is below the value of 100 ⁇ A.
  • the radio locking system of the vehicle Due to external interference, for example interference signals from fluorescent lamps or the transmission signals from other radio locking systems in a parking garage, the radio locking system of the vehicle is put into the operating state with a higher current consumption much more frequently than the above ratio.
  • the average current consumption thus rises to a value which is significantly above the limit value of 100 ⁇ A.
  • control unit can initiate a corresponding shutdown of certain systems.
  • the shutdown is effected with the aid of the motor vehicle data bus.
  • Control devices and components that are connected to the data bus in the motor vehicle can be completely (or partially) deactivated via a command sent by the control device 220 of the battery circuit breaker 200.
  • a radio locking system that has been shut down in this way can no longer be used to open the vehicle locking system from a distance.
  • the battery locking system could prevent the battery from being emptied while the vehicle was stationary, the vehicle can be opened mechanically with the key and started again on its own.
  • a further switch is provided in the battery circuit breaker of the present invention.
  • the structure of this modified embodiment is shown in Fig. 3.
  • the consumers permanently connected to the vehicle electrical system are divided into two categories, depending on whether a shutdown is permitted for safety reasons or not.
  • the consumers for which a shutdown is permitted are connected to the vehicle electrical system via a switch 300 arranged in the battery protection switch 200, in particular in the monitoring device 240.
  • the switch 300 is opened in order to interrupt the impermissibly high current flow and to prevent the battery from being discharged.
  • the motor vehicle electrical system 110 is principally designed as a parallel connection of the voltage sources, i.e. battery 100 and generator 120, and the consumer. All consumers are either directly or indirectly connected to positive potential, as a direct contact to the positive pole of the battery and to ground.
  • the permanent plus potential in the vehicle electrical system is referred to as "terminal 30".
  • all consumers connected to "Terminal 15" are only at positive potential if the ignition is switched on and the "Terminal 15 switch" establishes a connection to the positive potential permanently present at terminal 30.
  • the function of the “terminal 15 switch” is likewise transferred to the semiconductor switch 210 according to the invention.
  • the semiconductor switch can reliably switch quiescent currents, briefly up to 1000 A and a few 100 A in continuous operation. This means that additional consumers with high quiescent currents can also be reliably disconnected from the vehicle electrical system, which are conventionally permanently connected to plus potential. Even if these consumers are controlled in such a way that they are deactivated when the vehicle is parked, a high quiescent current can still flow, in particular if a malfunction occurs. For example, a power semiconductor component can erroneously cause continuous operation in a permanently connected consumer.
  • a semiconductor switch according to the invention in a battery circuit breaker, to which the function of the terminal 15 switch is assigned at the same time, such an inadmissibly high quiescent current and a corresponding battery discharge can be prevented simply and safely.
  • the battery circuit breaker as a disconnector in the ignition OFF position, more consumers than usual can therefore be disconnected from the supply voltage when the vehicle is parked, thus avoiding unnecessary and faulty power consumption when the vehicle is stationary.
  • the electronic battery circuit breaker of the present invention is preferably installed very close to the battery. This allows the unprotected line between the battery and the battery circuit breaker to be kept as short as possible.
  • the battery circuit breaker 200 is preferably implemented in a module which is attached to or on the battery and directly comprises the positive pole terminal of the battery. In such an implementation there is no unprotected line between the battery and the battery circuit breaker.
  • the invention relates to an electronic battery circuit breaker that enables safe and reversible separation of the vehicle electrical system from the battery.
  • an electronic semiconductor switch is used, which enables an unlimited number of switching cycles. If the current flows from the vehicle electrical system towards the battery, the semiconductor switch is actively switched on. Damage to the switch in reverse operation can thus be prevented.
  • the semiconductor switch disconnects the electrical connection between the vehicle electrical system and the battery in the presence of a crash signal, an overcurrent signal or when the ignition is switched off. When the vehicle is parked, an inadmissibly high quiescent current and battery discharge can then be prevented effectively and in a simple manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Batterieschutzschalter, der eine sichere und reversible Trennung des Kraftfahrzeugbordnetzes von der Batterie ermöglicht. Zu diesem Zweck wird ein elektronischer Halbleiterschalter verwendet, der eine unbegrenzte Anzahl von Schaltzyklen ermöglicht. Der Halbleiterschalter trennt die elektrische Verbindung des Kraftfahrzeugbordnetzes und der Batterie bei Vorliegen eines Crash-Signals, eines Überstrom-Signals oder dem Ausschalten der Zündung. Bei abgestelltem Fahrzeug kann dann sicher ein unzulässig hoher Ruhestrom und eine Entladung der Batterie effektiv und in einfacher Weise verhindert werden. Fließt der Strom vom Bordnetz in Richtung der Batterie, so wird der Halbleiterschalter aktiv leitend geschaltet. Hierdurch kann eine Beschädigung des Schalters im Inversbetrieb verhindert werden.

Description

ELEKTRONISCHER BATTERIESCHUTZSCHALTER
Die Erfindung betrifft einen verbesserten Batterieschutzschalter für Kraftfahrzeuge.
Ein Batterieschutzschalter ist in Kraftfahrzeugen zwischen die Batterie und das Kraft- fahrzeugbordnetz geschaltet. Bei einem Unfall trennt der Batterieschutzschalter die Batterie von dem Kraftfahrzeugbordnetz, um zu verhindern, dass durch auslaufenden Kraftstoff und einen elektrischer Kurzschluss einen Brand oder eine Explosion verursacht wird. Besonders groß ist die Gefahr eines Kurzschlusses bei solchen Kraftfahrzeugen, die eine im Fahrzeugheck angeordnete Batterie aufweisen. Bei diesen Fahrzeugen befinden sich im Fahrzeugboden zwischen Motorraum und Heck PLUS- Leitungen mit großen Querschnitten. Die großen Querschnitte haben entsprechend hohe Kurzschlussströme bei einem Unfall zur Folge.
Herkömmliche Batterieschutzschalter ermöglichen eine abrupte Trennung des Kraft- fahrzeugbordnetzes von der Batterie über einen elektromagnetisch oder pyrotech- nisch geöffneten Kontakt. Sobald ein von außen zugeführtes Auslösesignal anliegt, wird der normalerweise geschlossene Kontakt durch Zünden der pyrotechnischen Ladung oder elektromagnetisch geöffnet. Das von außen zugeführte Unfall- bzw. "Crash'-Signal wird im Allgemeinen dem Airbag-System des Kraftfahrzeugs entnommen. Sobald die Airbags auslösen, erfolgt auch ein sofortiges Abtrennen der Batterie. Ein solcher elektromagnetisch betätigter Batterieschutzschalter ist beispielsweise aus DE-C1-198 25245 bekannt. Nachteilig an herkömmlichen Batterieschutzschaltern ist, dass eine Abtrennung der Batterie bei solchen Unfallszenarien nicht erfolgt, bei denen das Airbag-System nicht aktiviert wird. Insbesondere bei einem schrägen Auffahren eines Kraftfahrzeugs auf eine Leitplanke erzeugen Crash-Sensoren kein Unfall-Signal. Besonders starke Verzögerungen treten bei diesem Szenario nicht auf, so dass der Crash-Sensor des Air- bag-Systems nicht anspricht. Bei einem solchen Unfall werden jedoch die Hochstrom-Leitungen im Bodenblech des Kraftfahrzeugs durchgescheuert.
Herkömmliche Batterieschutzschalter, insbesondere solche, die auf pyrotechnischer Basis arbeiten, trennen die Batterie irreversibel vom Kraftfahrzeugbordnetz. Nach dem Auslösen des Batterieschutzschalters ist das Kraftfahrzeug auch bei einem Unfall ohne größere Folgeschäden zunächst nicht mehr fahrbereit. Erst nach einem Austausch des Batterieschutzschalters kann das Kraftfahrzeug aus eigener Kraft weiterbewegt werden.
Elektromagnetisch betriebene Batterieschutzschalter sind zwar nach einem leichten Unfall, der keine größeren Schäden zur Folge hat, wieder rücksetzbar. Aufgrund von Verschleiß der elektromechanischen Kontakte beim Schalten hoher Ströme erlauben diese Schutzschalter jedoch nur eine sehr begrenzte Anzahl von Schaltungen, im Regelfall nur maximal 10 bis 50 Schaltvorgänge. Ein Abtrennen der Batterie über diese Batterieschutzschalter kommt daher nur in Ausnahmefällen in Betracht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Batterieschutzschalter anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Der erfindungsgemäße Batterieschutzschalter dient zur Trennung einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie eines Kraftfahrzeugs und einem Kraftfahrzeugbordnetz. Der Batterieschutzschalter umfasst einen Halbleiterschalter zur Verbindung und Trennung der Batterie und des Kraftfahrzeugbordnetzes in Abhängigkeit von einem Überstrom und/oder einem Crash-Signal.
In der vorliegenden Erfindung wird als Batterieschutzschalter ein Halbleiterschalter zur elektrischen Verbindung oder Trennung von Batterie und Bordnetz verwendet. Im Gegensatz zu elektromechanisch betätigten Schaltkontakten ermöglicht ein Halbleiterschalter eine unbegrenzte Anzahl von Schaltzyklen. Zudem ist ein Halbleiterschalter in einfacher Weise wieder rücksetzbar. Bei dem erfindungsgemäßen Batterieschutzschalter muss eine Abschaltung daher nicht mehr wie herkömmlich auf außergewöhnliche Notfälle beschränkt werden.
Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, den Halbleiterschalter für einen bidirektionalen Betrieb auszulegen. Dabei wird der Halbleiterschalter leitend geschaltet, wenn die Spannung des Bordnetzes größer als die Batteriespannung ist. Über den Halbleiterschalter kann daher sowohl ein Strom in die Batterie als auch aus der Batterie fließen. Ein in Richtung Batterie fließender Strom kann durch den Halbleiterschalter nicht unterbrochen werden. Dabei treten bei einem nicht angesteuerten Halbleiterschalter hohe Verlustleistungen auf, die zu einer thermischen Beschädigung führen können. Aus diesem Grund wird die Stromflussrichtung durch den Halbleiterschalter permanent überwacht. Fließt der Strom in Richtung Batterie, so wird der Halbleiterschalter aktiv leitend geschaltet und geht damit in den inversen Betrieb mit geringer Verlustleistung über. Damit sinkt die Verlustleistung am Halbleiterschalter und eine Beschädigung oder Zerstörung kann verhindert werden.
Vorzugsweise ist der Halbleiterschalter ein MOSFET.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Halbleiterschalter des Batterieschutzschalters nicht nur für eine Not-Abschaltung verwendet, sondern auch, um das Kraftfahrzeugbordnetz regelmäßig in der Stellung "Zündung AUS" von der Batterie zu trennen. Diese Trennung wird herkömmlich von einem sogenannten "Klemme-15-Schalter" bewerkstelligt. Der Klemme-15-Schalter ist ein Kontakt im Zündschloss, der bei Einschalten der Zündung geschlossen wird. Weil ein solcher Zündschlossschalter jedoch nicht in der Lage ist, hohe Ströme zu schalten, wird in zunehmendem Maße ein zusätzliches Relais zu diesem Zweck eingesetzt, das beim Einschalten der Zündung aktiviert wird. Ein solches Relais als Klemme-15-Schalter wird im Allgemeinen nicht zum Abtrennen von Verbrauchern verwendet, die hohe Ströme benötigen. Im Gegensatz dazu übernimmt der erfindungsgemäße Batterieschutzschalter auch die Funktion des bisherigen Klemme-15-Schalters, da er eine unbegrenzte Anzahl von Schaltzyklen und eine problemlose Schaltung auch hoher Ströme ermöglicht.
Im Vergleich zu herkömmlichen Klemme-15-Schaltern weist der erfindungsgemäße Batterieschutzschalter eine höhere Stromtragfähigkeit auf. Die Erfindung ermöglicht deshalb, auch solche Verbraucher in der Stellung Zündung AUS vom Bordnetz zu trennen, die herkömmlich dauerhaft mit dem Kraftfahrzeugbordnetz verbunden sind. Insbesondere Verbraucher mit sehr hohen Betriebsströmen wie elektrische Zusatzheizungen, beispielsweise PTC-Heizungen, und Glühsysteme wurden bisher nicht von dem Klemme-15-Schalter vom Bordnetz getrennt. Weitere Beispiele für Verbraucher, die bei ausgeschalteter Zündung nicht vom Bordnetz getrennt werden, sind die Heckscheibenheizung, eine Sitzheizung und Gebläseregler für die Motorkühlung und das Innenraumgebläse. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Probleme behoben werden, die sich aus dem möglichen hohen Ruhestromverbrauch von herkömmlich permanent mit der Batterie verbundener Fahrzeugkomponenten ergeben.
Außerdem ermöglicht diese vorteilhafte Ausführungsform eine erhöhte Sicherheit. Erfindungsgemäß trennt der Batterieschutzschalter auch solche Verbraucher von der Batterie, die herkömmlich permanent mit der Batterie verbunden waren. Insbesondere wurden herkömmlich elektrische Zusatzheizungen nicht von der Batterie getrennt. Elektrische Zusatzheizung sind zunehmend mit einer Leistungselektronik-Steuerung ausgestattet. Das Durchlegieren einer Leistungselektronik-Endstufe kann einen dauernden Betrieb der entsprechenden Heizstufe und damit dauerhaften Stromfluss und ein Entleeren der Batterie zur Folge haben. Erfindungsgemäß wird dieses Problem in einfacher und zuverlässiger Weise gelöst.
Ein ähnliches Problem entsteht auch bei Innenraum-Gebläsereglern, bei denen e- benfalls kritische Betriebszustände auftreten, wenn der hochbelastete Transistor des Linearreglers durchlegiert / überhitzt und einen dauernden Stromfluss zur Folge hat. Dieser Stromfluss kann ebenfalls mit Hilfe des erfindungsgemäßen Batterieschutzschalters verhindert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Batterieschutzschalter mit einer Strommessfunktion zur Überwachung des aus der Batterie in das Kraftfahrzeugbordnetz fließenden Stroms ausgestattet. Eine solche, rein elektronisch realisierte, integrierte Überstrom- und Kurzschlussabschaltung ermöglicht ein deutlich schnelleres Trennen von Batterie und Bordnetz im Fehlerfall. Aufgrund der vollständig elektronischen Realisierung von Überwachung und Abschaltung sind herkömmlich relevante Ansprech- und Schaltverzögerungen vernachlässigbar. Das Erkennen einer Überstrombedingung und ein daraufhin erfolgtes Abtrennen des Bordnetzes von der Batterie kann im Vergleich zu einer Realisierung mit einem elektro- mechanischen Schalter in weniger als 100 μs erfolgen.
Vorzugsweise umfasst der Batterieschutzschalter, der mit einer in den Halbleiterschalter integrierten Strommessfunktion ausgestattet ist, außerdem eine Steuereinrichtung zur Auswertung des gemessenen Stroms und zur Ansteuerung des Halbleiterschalters zur Trennung der elektrischen Verbindung zwischen der Batterie und dem Kraftfahrzeugbordnetz. Gegenüber einer Lösung mit einem herkömmlich elektromagnetisch betätigten Schaltkontakt mit stromabhängiger Auslösung bietet ein e- lektronischer Schalter mit integrierter Strommessung den Vorteil eines deutlich verringerten Schaltungsaufwandes und ist somit günstigerer Herstellung.
Für die entsprechende Realisierung eines elektromagnetisch betätigten Schaltkontakts ist zusätzlich zu dem elektromagnetisch betätigten Schalter ein Mess-Shunt zur Strommessung, eine Messaufbereitung (beispielsweise über einen Operationsverstärker) und ein Mikrocontroller zur Stromauswertung und Relaisansteuerung erforderlich. Eine Realisierung mit einem Halbleiterschalter, der eine integrierte Strommessung aufweist, ist außer dem Halbleiterschalter nur eine Steuereinrichtung zur Stromauswertung und Ansteuerung des Halbleiterschalters erforderlich.
Eine rein elektronisch realisierte Überstrom- bzw. Kurzschlussabschaltung ermöglicht ein deutlich schnelleres Abschalten. Die erfindungsgemäß rein elektronisch realisierte Schutzabschaltung weist im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzschaltern vernachlässigbare Ansprech- und Schaltverzögerungen auf. Das Erkennen einer Über- strombedingung und das darauf erfolgende Abschalten des Bordnetzes kann im Vergleich zu einer Realisierung mit einem elektromechanischen Schalter in wenigen 100 μs erfolgen. Zum Zeitpunkt des Abschaltens des Lastkreises fließt ein geringer Strom aufgrund der endlichen Stromanstiegsgeschwindigkeit, bewirkt durch die Induktivität des Lastkreises (Lichtbogenbildung, Kontaktbelastung usw.).
Die Steuereinrichtung vergleicht den gemessenen Stromwert vorzugsweise mit einem vorgegebenen Grenzwert. Dieser Grenzwert ist gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung adaptiv einstellbar. Auf diese Weise kann sich die Schutzabschaltung an verschiedene Betriebszustände des Kraftfahrzeugs variabel anpassen. Nur kurzzeitig auftretende hohe Ströme können toleriert werden. Außerdem kann der Startvorgang des Motors, bei dem hohe Ströme über das Bordnetz aus der Batterie zum Starter fließen, sicher erkannt und toleriert werden.
Vorzugsweise signalisiert die Steuereinrichtung dem Halbleiterschalter eine Über- stromsituation, sobald der gemessene Strom den Grenzwert überschreitet.
Das Crash-Signal ist vorzugsweise ein Airbag-Auslösesignal. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach ein Unfall ohne zusätzlichen Aufwand detektieren. Vorzugsweise ist der Batterieschutzschalter zur Befestigung an einem Anschluss der Batterie ausgestaltet. Die Abschaltung der Stromzufuhr zu dem Bordnetz kann damit nahe an der Batterie erfolgen und Kurzschlüsse sicher verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist in den Batterieschutzschalter eine Batterieüberwachungsfunktion integriert. Die Überwachungsfunktion überwacht vorzugsweise die Spannung, die Temperatur und den in oder aus der Batterie fließenden Strom. Mit diesen Parametern kann die Steuereinrichtung in einfacher Weise den Batteriezustand, insbesondere einen SOC- und SOH-Zustand ermitteln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform überwacht der Batterieschutzschalter die Ruhestromaufnahme des Kraftfahrzeug-Bordnetzes in der Stellung "Zündung AUS". Durch Auswertung des gemessenen Ruhestroms kann ein unzulässig hoher Ruhestrom und damit ein Entleeren der Batterie rechtzeitig erkannt und verhindert werden. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise die auch in der Stellung "Zündung AUS" an die Batterie angeschlossenen Verbraucher von der Batterie getrennt, wenn der Ruhestrom aus der Batterie einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Weiter bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im Einzelnen:
Fig. 1 den Aufbau eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einem herkömmlichen Batterieschutzschalter,
Fig. 2 ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem elektronischen Batterieschutzschalter gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 3 ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß Fig. 2 mit einer alternativen Ausführungsform zur Abschaltung von ständig aktiven Verbrauchern.
Fig. 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau eines herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetzes. Die Batterie 100 ist über einen Batterieschutzschalter 140 mit dem Kraftfahrzeugbordnetz 110 verbunden. An das Kraftfahrzeugbordnetz 110 sind ein Generator 120, ein Starter 130 und weitere Verbraucher 150 angeschlossen. Ein zusätzlicher Anschluss 180 ist für die Stromeinspeisung bei Fremdstarthilfe vorgesehen.
Während der Generator 120 beim Betrieb des Kraftfahrzeugmotors elektrischen Strom dem Kraftfahrzeugbordnetz 110 zuführt, speichert die Batterie 100 während des Betriebs des Motors die von dem Generator 120 bereitgestellte Energie. Um den Motor beim Anlassen in Betrieb zu setzen, wird über eine chemische Reaktion in der Batterie 100 elektrische Energie erzeugt und dem Starter 130 zugeführt.
Der Batterieschutzschalter 140 wird bei Vorliegen eines Überstromsignals oder eines Crash-Signals aktiv ausgeschaltet. Das heißt, dass bei Vorliegen eines Auslösesignals der Schalter entweder pyrotechnisch oder elektromagnetisch geöffnet wird, so dass das Bordnetz 110 von der Batterie 100 getrennt wird.
Sicherheitsrelevante Verbraucher 160, bei denen keine Notabschaltung zulässig ist, oder die ständig aktiv sein müssen, werden von der Notabschaltung ausgeschlossen. Zu diesem Zweck sind sie unter Umgehung des Batterieschutzschalters 140 mit der Batterie verbunden.
Ein elektronischer Batterieschutzschalter gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Anstelle des herkömmlichen Batterieschutzschalters 140 gemäß Fig. 1 wird erfindungsgemäß ein elektronischer Batterieschutzschalter 200 verwendet. Der Batterieschutzschalter der vorliegenden Erfindung umfasst als zentrales Element einen Hochstrom-Halbleiterschalter 210. Dieser Halbleiterschalter ist vorzugsweise ein MOSFET.
Der Strom von und zu der Batterie wird von dem Halbleiterschalter 210 gemäß der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 220 geschaltet. In Abhängigkeit von einem extern zugeführten Crash-Signal oder einer über die Batterieüberwachung festgestellte Überstromsituation unterbricht der Halbleiterschalter 210 schlagartig die elektrische Verbindung zwischen der Batterie und dem Kraftfahrzeugbordnetz.
Zur Überwachung des in und aus der Batterie fließenden Stroms ist der Halbleiterschalter mit einer integrierten Strommessfunktion ausgestattet. Ein solcher Halbleiterschalter ist beispielsweise als "Smart Highside High Current Power Switch" BTS 555 von der Firma INFINEON erhältlich. Zur Schaltung sehr hoher Ströme werden in der Regel mehrere dieser Halbleiterschalter, im Allgemeinen 2 bis 4, parallel geschaltet.
Der Halbleiterschalter 210 wird im bidirektionalen Betrieb - bezogen auf die Richtung des Stromflusses - betrieben. Der Strom fließt nicht nur von Drain D zur Source S, sondern auch in der umgekehrten Richtung von S nach D. Obwohl ein solcher bidirektionaler Betrieb wegen des symmetrischen Aufbaus eines MOSFETs grundsätzlich zulässig ist, muss bei diesem Betrieb gewährleistet sein, dass der MOSFET im Inversbetrieb, d.h. beim Stromfluss von S nach D, so angesteuert ist, dass die D-S- Strecke leitend ist. Dazu ist die Spannung am Gate-Anschluss G höher als die Spannung an D und S. Damit wird verhindert, dass der invers fließende Strom durch die interne Body-Diode 115 fließt. Ein solcher Strom würde aufgrund des erhöhten Spannungsabfalls zu einer thermischen Beschädigung des MOSFETs führen, da die Durchlassspannung einer Diode im Allgemeinen bei etwa 1 ,2 V liegt. Im durchgesteuerten Zustand fallen über die D-S-Strecke unabhängig von der Stromrichtung nur wenige 100 mV ab. Beim Inversbetrieb des MOSFET ist die Spannung am Source-Anschluß S größer als am Drain-Anschluß D, so dass es aufgrund der internen, immanenten Body-Diode zu einem Stromfluß kommt. Die hohe Durchlassspannung einer Diode mit UD von ca. 1 V führt bei entsprechend hohen Strömen zu einer unzulässig hohen Verlustleistung und entsprechend starken Erwärmung. Die Verlustleistung liegt bei einem Strom von 100 A bei etwa 100 W. Im Normalbetrieb dagegen wird die Verlustleistung durch den Einschaltwiderstand des MOSFET RDson bestimmt. Dieser Widerstand liegt im Bereich von etwa 1 mΩ, so dass die Verlustleistung nur einen Wert von etwa 10 W erreicht. Es ist deshalb besonders wichtig, den inversen Betrieb eines MOSFET zu erkennen und einen MOSFET im Inversbetrieb anzusteuern, damit der Strom "invers" über die leitende Drain-Source-Strecke und nicht durch die Body-Diode des MOSFET fließt.
Der Halbleiterschalter ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für einen bidirektionalen Betrieb des Stroms von und zu der Batterie ausgelegt (Normalbetrieb bzw. Inversbetrieb). Der Halbleiterschalter kann daher sowohl einen in als auch aus der Batterie fließenden Strom führen. Nur im Normalbetrieb kann der Stromfluss durch den Halbleiterschalter unterbrochen werden. Dabei geht der Halbleiterschalter in den inversen Betrieb über, wenn die Spannung des Bordnetzes größer als die Batteriespannung ist.
Im Normalbetrieb fließt der Strom lBθrd über den Halbleiterschalter 210 in das Kraftfahrzeugbordnetz. Dieser Strom wird durch die in den Halbleiterschalter integrierte Strommessfunktion ständig überwacht und steht als Messspannung U2 der Steuereinheit 220 zur Verfügung. Normalbetrieb heißt in diesem Zusammenhang, dass die Zündung eingeschaltet wurde und der Halbleiterschalter 210 in der Folge von der Steuereinheit 220 durch ein über einen Datenbus erhaltenes Steuersignal eingeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt liefert der Generator 120 noch keine Leistung und der Strombedarf des Kraftfahrzeugbordnetzes 110 einschließlich des Stroms für den Starter 130 wird ausschließlich von der Fahrzeugbatterie 100 gedeckt. Nach dem Starten des Kraftfahrzeugmotors mit Hilfe des Starters 130 beginnt der Generator 120 Strom zu erzeugen. Der Strombedarf des Kraftfahrzeugbordnetzes wird von nun an durch den Generator gedeckt. Gleichzeitig wird die Batterie über den von dem Generator erzeugten Strom geladen. Mit Beginn der Stromerzeugung durch den Generator 120 ändert der durch den Halbleiterschalter 210 fließende Strom seine Richtung. Der Halbleiterschalter befindet sich nun im Inversbetrieb.
Auch bei nicht aktiviertem, d.h. leitend geschaltetem Halbleiterschalter muss ein beabsichtigter Inversbetrieb zuverlässig erkannt werden, nämlich für den Fall, dass als Fremdstarthilfe der Strom von einem anderen Kraftfahrzeug oder einer externen Starthilfebatterie am Einspeisepunkt 180 bei nicht eingeschalteter Zündung zugeführt wird. Im Normalbetrieb wird dagegen die Spannung vom Plus-Pol der Batterie in umgekehrter Richtung dem Starter zugeführt.
Zur sicheren Erkennung dieses Inversbetriebs wird die Spannung U3, d.h. die Bordnetzspannung, überwacht. Diese ist im nicht-aktiven Zustand (Zündung AUS) Null. Wird die Bordnetzspannung U3 jedoch größer als die Batteriespannung Ui, wird der Halbleiterschalter 210 so angesteuert, dass die D-S-Strecke leitend und ein Stromfluss in beide Richtungen möglich wird.
Die Stromüberwachung erfolgt vorzugsweise nicht einfach durch Überwachen eines festen Grenzwertes, oberhalb dessen die Stromzufuhr von der Batterie automatisch unterbrochen wird. Durch eine dynamische Anpassung der Stromgrenzwerte bzw. Stromgrenzwertkurven kann die Überstromerfassung an unterschiedliche Fahrzeug- Betriebszustände angepasst werden. Damit kann z.B. ein Startvorgang von einem Kurschluss unterschieden werden. Zu dem Zweck dient ein ganz spezifisches Stromprofil während des Startvorgangs als Grenzkurve. Ein solches Stromprofil für den Startvorgang erlaubt kurze Stromspitzen von bis zu 1000 Ampere (beispielsweise durch Losreißen des Rotors des Starters verursacht) und bewirkt kein Abschalten des Batterieschutzschalters. Nach dem erfolgreichen Start des Kraftfahrzeugmotors wird der Grenzwert zur Erkennung eines Kurzschlusses jedoch auf einen Wert von beispielsweise 100 Ampere abgesenkt. Ein Strom in der Größenordnung von 1000 Ampere wird dann als Kurz- schluss erkannt und der Halbleiterschalter entsprechend geöffnet.
Das Abschalten der Stromzufuhr aus der Batterie in das Kraftfahrzeugbordnetz durch den Halbleiterschalter erfolgt erfindungsgemäß bei Vorliegen einer der folgenden Bedingungen: a) Zündung AUS b) Erkennen eines Kurzschlusses, d.h. von Überstrom, und c) Vorliegen eines externen Crash-Signals.
In diesen Fällen wird davon ausgegangen, dass der Verbrennungsmotor steht oder abgeschaltet worden ist und der Generator selbst keinen Strom mehr erzeugt.
Die Steuerung aller Funktionen des elektronischen Halbleiterschalters erfolgt durch die Steuereinheit 220, die einen integrierten Analog/Digital-Wandler umfasst. Zu ihren Funktionen zählen das Messen der Spannungen Ui, U2, U3 und weiterer Größen, Bewerten der gemessenen Größen, Ansteuern des Halbleiterschalters und Verarbeiten der Signale für eine Überwachung der Ruhestromaufnahme des Kraftfahrzeug- Bordnetzes.
Die Steuereinrichtung 220 ist über ein Interface mit einem Fahrzeug-Busnetz verbunden, beispielsweise einem CAN- oder einem LIN-Bus. Über diesen Bus werden der Steuereinheit 220 externe Steuersignale zugeführt, beispielsweise das Signal Zündung AUS. Auch ein Crash-Signal kann über diesen Bus übertragen werden. Alternativ kann das Crash-Signal auch separat der Steuereinrichtung 220 zugeführt werden. Ein direkt (unter Umgehung des Datenbusses) zugeführtes Crash-Signal ist keiner Verzögerung durch den Datenbus unterworfen und bewirkt ein sicheres und sofortiges Abschalten des Halbleiterschalters 210.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Batterieschutzschalter 200 mit einer Batterieüberwachung ausgestattet. Ein Batterie- Management-System ist heute bereits vielfach in Fahrzeugen der Oberklasse installiert. Ein solches Batterie-Management-System überwacht wichtige Batterie- Kenngrößen wie Spannung, Temperatur, gespeicherte Energie. Basierend auf diesen Daten kann ein sicherer Start des Motors auch bei längeren Stillstandszeiten gewährleistet werden. Zu diesem Zweck wird die Spannung der Batterie, die Temperatur der Batterie und der der Batterie entnommene bzw. in die Batterie fließende Strom Ißatt erfasst. Aus dem in die Batterie und aus der Batterie fließenden Strom wird eine Strombilanz erstellt. Basierend auf den erfassten Werten wird mit Hilfe geeigneter Rechenmodelle der Batteriezustand SOC (State Of Charge) und SOH (State Of Health) berechnet.
Eine solche Batterieüberwachung ist als zusätzliche Komponente 230 in den erfindungsgemäßen elektronischen Batterieschutzschalter 200 integriert. Zu diesem Zweck werden entsprechende Messeinrichtungen für die Batteriespannung, die Batterietemperatur und die Messung eines bidirektionalen Stroms in einem weiten Messbereich (zwischen einem und 1000 Ampere) vorgesehen. Die Strommessung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe präziser Mess-Shunts (Rshunti). Der Mess-Shunt erzeugt eine stromproportionale Messspannung. Diese Funktionen können über einen ASIC in einfacher Weise in den erfindungsgemäßen elektronischen Batterieschutzschalter integriert werden.
Vorzugsweise ermöglicht der erfindungsgemäße Batterieschutzschalter 200 außerdem eine Überwachung der Ruhestromaufnahme des Kraftfahrzeug-Bordnetzes, die als Komponente 240 in den Batterieschutzschalter integriert ist. Zur Messung des Ruhestroms aus der Batterie in das Bordnetz, d.h. des Stroms in der Stellung Zündung AUS, kann jedoch nicht die Strommessung über den Widerstand Rs unti ver- wendet werden. Um die Stromentnahme aus der Batterie, d.h. den Strom l Uhe zu messen, dient ein weiterer Mess-Shunt Rshunt2- Über diesen Ruhestrom-Mess-Shunt kann bei abgestelltem Fahrzeug, also bei der Stellung Zündung AUS, der Ruhestrom permanent überwacht und bilanziert werden.
Der Ruhestrom umfasst die Ströme, die zu allen Verbrauchern 160 fließen, die auch bei der Stellung Zündung AUS mit der Batterie verbunden sind. Insbesondere sind im Allgemeinen permanent mit der Batterie Verbraucher wie eine elektrische Zusatzheizung, ein elektrisches Glühsystem, eine Heckscheibenheizung, eine Sitzheizung, ein Gebläseregler für die Motorkühlung und ein Innenraum-Gebläse, eine Funkschließanlage, Uhren, ein Fahrzeugunterhaltungs- und Informationssystem usw. verbunden. Diese Verbraucher können auch bei ausgeschalteter Zündung ein Entleeren der Batterie bewirken und damit einen Wiederstart des Fahrzeugs verhindern.
Der Strom l Uhe wird permanent gemessen, um auch kurzzeitige Stromspitzen zu erkennen. Der gemessene Strom wird zeitlich gemittelt, um die mittlere Stromaufnahme bestimmen zu können. Auf diese Weise kann nicht nur ein kurzzeitig unzulässig hoher Strom erkannt, sondern auch eine erhöhte mittlere Ruhestromaufnahme de- tektiert werden. Eine erhöhte Ruhestromaufnahme kann beispielsweise durch ein häufiges Einschalten einzelner Systeme bewirkt werden, die auch in der Stellung Zündung AUS aktiv sind.
Ein Verbraucher, der permanent mit der Batterie verbunden ist, ist beispielsweise die Funk-Schließanlage. Eine typische Anforderung für ein permanent mit dem Kraftfahrzeug verbundenes System ist im Allgemeinen, dass die mittlere Stromaufnahme einen Wert von 100 μA nicht überschreitet. Dies lässt sich bei Systemen mit einem im aktiven Zustand höheren Stromverbrauch dadurch erreichen, dass die Stromaufnahme durch Versetzen in einen speziellen Ruhe-Betriebszustand verringert wird. Beispielsweise kann die Stromaufnahme einer Funk-Schließanlage auf einen Wert von nur 50 μA reduziert werden, indem nur der Funkempfänger selbst aktiv ist, alle anderen Komponenten einer Funk-Schließanlage jedoch deaktiviert sind. In einem Betriebszustand mit etwas erhöhter Aktivität werden auch weitere Schaltungsteile der Funk-Schließanlage aktiviert und die Stromaufnahme steigt dementsprechend deutlich an, beispielsweise auf 50 mA. Der Übergang in einen solchen Betriebszustand mit erhöhter Stromaufnahme ist unter anderem erforderlich, um empfangene Daten auszuwerten und zu entscheiden, ob ein autorisierter Code empfangen wurde. Solange die zeitliche Aktivierung des Betriebszustandes mit erhöhter Stromaufnahme selten ist, die Verweildauern in beiden Betriebszuständen beispielsweise ein Verhältnis von 1000:1 aufweisen, liegt die mittlere Stromaufnahme unter dem Wert von 100 μA.
Durch äußere Störungen, beispielsweise Störsignale von Leuchtstofflampen oder die Sendesignale anderer Funkschließanlagen in einem Parkhaus, wird die Funkschließanlage des Fahrzeugs sehr viel häufiger als dem obigen Verhältnis entsprechend in den Betriebszustand mit einer höheren Stromaufnahme versetzt. Damit steigt die mittlere Stromaufnahme auf einen Wert, der deutlich über dem Grenzwert von 100 μA liegt.
Um eine unzulässige Entleerung der Batterie sicherzustellen, kann von der Steuereinheit eine entsprechende Abschaltung bestimmter Systeme initiiert werden.
Die Abschaltung wird gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit Hilfe des Kraftfahrzeug-Datenbusses bewirkt. Steuergeräte und Komponenten, die an den Datenbus im Kraftfahrzeug angeschlossen sind, können über einen von der Steuereinrichtung 220 des Batterieschutzschalters 200 ausgesandten Befehl vollständig (oder teilweise) deaktiviert werden. Eine auf diese Weise stillgelegte Funkschließanlage kann zwar nicht mehr zur Öffnung der Fahrzeugschließanlage aus der Ferne dienen. Da ein Entleeren der Batterie über die Funkschließanlage während der Standzeit des Fahrzeugs erfindungsgemäß jedoch verhindert werden konnte, kann das Fahrzeug mit dem Schlüssel mechanisch geöffnet und auch wieder aus eigener Kraft gestartet werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist in dem Batterieschutzschalter der vorliegenden Erfindung ein weiterer Schalter vorgesehen. Der Aufbau dieser modifizierten Ausführungsform ist in Fig. 3 wiedergegeben. Zu diesem Zweck sind die ständig mit dem Bordnetz verbundenen Verbraucher in zwei Kategorien unterteilt, und zwar in Abhängigkeit davon, ob aus Sicherheitsgründen eine Abschaltung zulässig ist oder nicht.
Die Verbraucher, bei denen eine Abschaltung zulässig ist, sind über einen in dem Batterieschutzschalter 200, insbesondere in der Überwachungseinrichtung 240 angeordneten Schalter 300 mit dem Bordnetz verbunden. Sobald die Steuereinrichtung 220 feststellt, dass der aus der Batterie fließende Ruhestrom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird der Schalter 300 geöffnet, um den unzulässig hohen Stromfluss zu unterbrechen und ein Entleeren der Batterie zu verhindern. Diese Abschaltung erfolgt zwar auf Kosten der Funktionalität des Kraftfahrzeugs, kann aber dadurch größeren Schaden vom Benutzer abwenden, insbesondere die Kosten und den Zeitaufwand für einen Pannendienst einsparen.
Das Kraftfahrzeugbordnetz 110 ist prinzipiell als Parallelschaltung der Spannungsquellen, d.h. der Batterie 100 und des Generators 120, und der Verbraucher ausgelegt. Alle Verbraucher sind entweder direkt oder indirekt mit Plus-Potential, als direktem Kontakt zum Plus-Pol der Batterie und mit Masse verbunden. Das permanente Plus-Potential in dem Kraftfahrzeugbordnetz wird als "Klemme-30" bezeichnet. Demgegenüber liegen alle an "Klemme-15" angeschlossenen Verbraucher nur dann auf Plus-Potential, wenn die Zündung eingeschaltet ist und der "Klemme-15-Schalter" eine Verbindung zu dem permanent auf Klemme-30 anliegenden Plus-Potential herstellt.
Aufgrund der unbegrenzt Anzahl möglicher Schaltzyklen des Halbleiterschalters 210 wird die Funktion des "Klemme-15-Schalters" erfindungsgemäß ebenfalls auf den Halbleiterschalter 210 übertragen. Der Halbleiterschalter kann zuverlässig Ruheströme schalten, kurzzeitig bis zu 1000 A und von einigen 100 A im Dauerbetrieb. Damit lassen sich auch zusätzliche Verbraucher mit hohen Ruheströmen zuverlässig vom Kraftfahrzeugbordnetz trennen, die herkömmlich permanent mit Plus-Potential verbunden sind. Auch wenn diese Verbraucher herkömmlich so angesteuert werden, dass sie bei abgestelltem Fahrzeug deaktiviert sind, kann dennoch ein hoher Ruhestrom fließen, insbesondere bei einer auftretenden Fehlfunktion. Beispielsweise kann ein Leistungshalbleiterbauelement in einem permanent angeschlossenen Verbraucher fehlerhaft einen Dauerbetrieb bewirken. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Halbleiterschalters in einem Batterieschutzschalter, dem gleichzeitig die Funktion des Klemme-15-Schalters zugeordnet ist, kann ein solcher unzulässig hoher Ruhestrom und eine dementsprechende Batterieentladung einfach und sicher verhindert werden.
Über die Verwendung des Batterieschutzschalters als Trennschalter in der Stellung Zündung AUS können daher bei abgestelltem Fahrzeug mehr Verbraucher als herkömmlich von der Versorgungsspannung getrennt und damit eine unnötige und fehlerhafte Stromaufnahme bei stehendem Fahrzeug vermieden werden.
Der elektronische Batterieschutzschalter der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise sehr nahe an der Batterie eingebaut. Damit lässt sich die ungeschützte Leitung zwischen der Batterie und dem Batterieschutzschalter so kurz wie möglich halten. Zu diesem Zweck wird der Batterieschutzschalter 200 vorzugsweise in einem Modul realisiert, das an oder auf der Batterie befestigt ist und direkt die Plus-Polklemme der Batterie umfasst. Bei einer solchen Realisierung liegt keine ungeschützte Leitung zwischen der Batterie und dem Batterieschutzschalter.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen elektronischen Batterieschutzschalter, der eine sichere und reversible Trennung des Kraftfahrzeugbordnetzes von der Batterie ermöglicht. Zu diesem Zweck wird ein elektronischer Halbleiterschalter verwendet, der eine unbegrenzte Anzahl von Schaltzyklen ermöglicht. Fließt der Strom vom Bordnetz in Richtung Batterie, so wird der Halbleiterschalter aktiv leitend geschaltet. Somit kann eine Beschädigung des Schalters im Inversbetrieb verhindert werden. Der Halbleiterschalter trennt die elektrische Verbindung des Kraftfahrzeugbordnetzes und der Batterie bei Vorliegen eines Crash-Signals, eines Überstrom-Signals oder dem Ausschalten der Zündung. Bei abgestelltem Fahrzeug kann dann sicher ein unzulässig hoher Ruhestrom und eine Entladung der Batterie effektiv und in einfacher Weise verhindert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Batterieschutzschalter zur Trennung einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie (100) eines Kraftfahrzeugs und einem Kraftfahrzeugbordnetz (110) mit einen Halbleiterschalter (210) zur Verbindung und Trennung der Batterie (100) und des Kraftfahrzeugbordnetzes (110) in Abhängigkeit von einem Überstrom und/oder einem Crash-Signal dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (210) für einen bidirektionalen Betrieb des Stroms ausgelegt ist, und der Halbleiterschalter (210) leitend geschaltet wird, wenn die Spannung (U3) des Bordnetzes (110) größer als die Batteriespannung (U1) ist.
2. Batterieschutzschalter nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterschalter (210) ein MOSFET ist.
3. Batterieschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiterschalter (210) das Kraftfahrzeugbordnetz (110) außerdem in der Stellung Zündung AUS von der Batterie (100) trennt.
4. Batterieschutzschalter nach Anspruch 3, wobei der Halbleiterschalter (210) elektrische Verbraucher mit einem hohen Ruhestromverbrauch, insbesondere elektrische Zusatzheizungen und/oder Glühsysteme, von der Batterie (100) in der Stellung Zündung AUS von der Batterie (100) trennt.
Batterieschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Halbleiterschalter (210) mit einer Strommessfunktion zur Überwachung des aus der Batterie (100) in das Kraftfahrzeugbordnetz (110) fließenden Stroms (Iβoard) ausgestattet ist.
6. Batterieschutzschalter nach Anspruch 5, der außerdem eine Steuereinrichtung (220) zur Auswertung des von dem Halbleiterschalter (210) gemessenen Stroms und zur Ansteuerung des Halbleiterschalters (210) zur Trennung der elektrischen Verbindung zwischen der Batterie (100) und dem Kraftfahrzeugbordnetz (110) umfasst.
7. Batterieschutzschalter nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (220) den vom Halbleiterschalter (210) gemessenen Strom mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht.
8. Batterieschutzschalter nach Anspruch 7, wobei der Grenzwert adaptiv einstellbar ist.
9. Batterieschutzschalter nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuereinrichtung (220) dem Halbleiterschalter (210) einen Überstrom bei Überschreitung des Grenzwertes signalisiert.
10. Batterieschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Crash- Signal ein Airbag-Auslösesignal ist.
11. Batterieschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der zur Befestigung an einem Batteriepol ausgelegt ist.
12. Batterieschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , mit einer Batterieüberwachung (230).
13. Batterieschutzschalter nach Anspruch 12, wobei die Batterieüberwachung (230) die Spannung der Batterie (100), die Temperatur der Batterie (100) und den in oder aus der Batterie (100) fließenden Strom überwacht.
14. Batterieschutzschalter nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Steuereinrichtung (220) aus den von der Batterieüberwachung (230) gemessenen Werten den Batteriezustand (SOC, SOH) ermittelt.
15. Batterieschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Überwachungseinrichtung (240) zur Überwachung des aus der Batterie (100) fließenden Stroms in der Stellung Zündung AUS.
16. Batterieschutzschalter nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung (220) die von der Überwachungseinrichtung (240) erfassten Stromwerte mittelt und bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes auch die in der Stellung Zündung AUS angeschlossenen Verbraucher (160) von der Batterie trennt.
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