DE10110046A1 - Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit zumindest einer Steueranordnung (26) zur Ansteuerung zumindest eines Schaltmittels (22), über das zumindest ein elektrischer Verbraucher (14) mit Energie versorgt werden kann. Über zumindest eine Schnittstelle (24) tauscht die Steueranordnung (26) Daten aus mit einem Bussystem. Es sind Stromerfassungsmittel (22) vorgesehen, die ein Maß für den über das Schaltmittel (22) fließenden Strom detektieren und der Steueranordnung (20) zur Auswertung zuführen, in Abhängigkeit dessen das Schaltmittel (22) angesteuert ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE 197 01 878 A1 ist bereits eine Vorrichtung zum Ansteuern von Hochstromverbrauchern bekannt, die über ein Leistungsmodul mit einer Betriebsspannung versorgbar sind. Das Leistungsmodul ist in Abhängigkeit von einer Zentralelektronik angesteuert. Die Vorrichtung ist räumlich getrennt von der Zentralelektronik untergebracht und über ein Bussystem mit der Zentralelektronik verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Sicherungsfunktion zum Schutz der Verbraucher anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug umfaßt zumindest eine Steueranordnung zur Ansteuerung zumindest eines Schaltmittels, über das zumindest ein elektrischer Verbraucher mit Energie versorgt werden kann. Es ist zumindest eine Schnittstelle vorgesehen, über die die Steueranordnung Daten austauscht über ein Bussystem.

Weiterhin umfaßt die Vorrichtung Stromerfassungsmittel, die ein Maß für den über das Schaltmittel fließenden Strom detektieren und der Steueranordnung zur Auswertung zuführen, in Abhängigkeit dessen das Schaltmittel angesteuert ist. Die Stromüberwachung des Schaltmittels sowie die Ansteuerung des Schaltmittels übernimmt nun die Steueranordnung. Dadurch kann eine rasche Anpassung an unterschiedliche Betriebsfälle vorgenommen werden, da beispielsweise je nach Art des jeweiligen Verbrauchers der Steueranordnung über das Bussystem unterschiedliche Stromgrenzwerte mitgeteilt werden können, die in der Schutzfunktion der Steueranordnung berücksichtigt werden. Somit können auch nachträglich neue Verbraucher mit der zugehörigen Ansteuervorrichtung nachgerüstet werden, da die Parametrierung leicht möglich ist.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind Verbindungsmittel vorgesehen, die die Verbindung der Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher mit einer Ringversorgungsleitung sicherstellen. Bei diesen Verbindungsmitteln kann es sich beispielsweise um Schneid-Klemm-Verbinder handeln. Die Ringversorgungsleitung ist insbesondere als Hybridkabel ausgeführt, welches sowohl eine Datenleitung des Bussystems wie auch eine Versorgungsleitung umfaßt. Die Verbindungsmittel stellen nunmehr einerseits die Datenverbindung mit dem Bussystem wie auch die elektrische Energieversorgung für einen neu anzuschließenden Verbraucher sicher. Auch diese Verbindungsmittel erleichtern einen nachträglichen Einbau eines weiteren Verbrauchers. Eine Ringversorgungsleitung verbessert wegen der Redundanz der Daten- und/oder Energieversorgungsleitungen die Störunempfindlichkeit. Auch der Querschnitt dieser Ringleitung kann relativ klein gehalten werden, was zu Gewichts- und Raumvorteilen im Fahrzeug führt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfaßt die Steueranordnung auch eine Notlauffunktion. Bereits vor Ort, bzw. nahe am zu überwachenden Schaltmittel bzw. Verbraucher, erfolgt die Signalauswertung, von wo aus sofort Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Weiterhin sind in das Sicherungsschaltermodul auch Spannungserfassungsmittel integriert, deren Ausgangswerte der Steueranordnung zugeführt sind zur Erkennung einer Überspannungssituation, um auch in diesem Fall Gegenmaßnahmen einzuleiten. Dadurch erhöht sich weiterhin die Sicherheit der Anordnung.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, direkt in das Schaltmittel eine Temperaturüberwachung zu integrieren. Erreicht die Temperatur des Schaltmittels einen bestimmten Grenzwert, so wird aus Schutzzwecken die Abschaltung des Schaltmittels veranlaßt.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen die Fig. 1 eine schematische Übersicht möglicher Unterbringungsorte des in Fig. 2 detailliert beschriebenen Sicherungsschaltermoduls.

In einem Kraftfahrzeug 8 sind mehrere Sicherungsschaltermodule 10a, 10b, 10c angeordnet, über die jeweils zugehörige Verbraucher 14a, 14b, 14c mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Sicherungsschaltermodule 10a, 10b, 10c sind jeweils mit einer Ringleitung 12 verbunden, die als Flachbandkabel ausgeführt ist und aus einer Leistungsader 13 und zwei Datenbusleitungen 15 besteht. Die Verbraucher 14a, 14b, 14c werden über die jeweiligen Sicherungsschaltermodule 10a, 10b, 10c, der Ringversorgungsleitung 12 und der hiermit verbundenen Batterie 16 mit elektrischer Energie versorgt. Im Armaturenbrettbereich des Kraftfahrzeugs 8 ist eine Anzeige 17 angeordnet, die über die Ringleitung 12 Daten erhält, die sie zur Anzeige bringt. Weiterhin ist ein Funktionssteuergerät 18 vorgesehen, das über das Bussystem Daten austauscht.

In Fig. 2 ist exemplarisch ein Sicherungsschaltermodul 10 näher dargestellt. Es besteht aus einem Mikrocontroller 26, in dem eine Notlauffunktion 28 integriert ist. Der Mikrocontroller 26 tauscht über die Datenbusschnittstelle 24 Daten aus mit einem in die Ringleitung 12 integrierten Datenbus, bestehend beispielsweise aus den zwei Datenbusleitungen 15 nach Fig. 1. Die Verbindungsmittel 32 stellen weiterhin eine elektrisch leitende Verbindung her zwischen dem Sicherungsschaltermodul 10 und dem Pluspotential der Batterie 16, das über die Leistungsader 13 der Ringleitung 12 zur Verfügung gestellt wird. In dem Sicherungsschaltermodul 10 ist weiterhin eine Stromsensorik 20 angeordnet, die ein Maß für den durch ein Schaltmittel 22 fließenden elektrischen Strom erfaßt und dem Mikrocontroller 26 zuführt. Das Schaltmittel 22 wird von dem Mikrocontroller 26 im Sinne eines Öffnens oder Schließens angesteuert und gibt wiederum Signale an den Mikrocontroller 26 ab. Über das Schaltmittel 22 wird ein Verbraucher 14 mit elektrischer Energie versorgt. Stromsensorik 20, Schaltmittel 22, Mikrocontroller 26 mit integrierter Notlauffunktion 28 sowie die Schnittstelle 24 sind in einer Baueinheit integriert und von einem Modulgehäuse 34 umschlossen.

Die Ringleitung 12 ist als Hybridkabel ausgeführt, welches die Leistungsader 13 für die Bordnetzspannung, beispielsweise 12 und/oder 36 V und die Leitungen des Datenbus umfaßt. Ein CAN-Bus-System oder ein anderes Bussystem enthält zwei Datenbusleitungen 15 wie in Fig. 1 angedeutet. Bei einem als Flachbandkabel ausgeführten Hybridkabel ist eine feste geometrische Anordnung der Leitungen und ihrer Funktion gewährleistet. Die Ringleitung 12 wird im gesamten Kraftfahrzeug 8 verlegt. Der Kabelanfang der Leistungsader 13 wird direkt an einem Stützpunkt der Batterie 16 angeklemmt. Das andere Ende der Leistungsader 13 der Ringleitung 12 wird am gleichen Stützpunkt wie der Anfang befestigt. Für die Energieversorgung der Verbraucher 14 ist nun ein redundanter und gesicherter Energieversorgungszustand geschaffen worden. Der Querschnitt der Ringleitung 12 kann im Rahmen dieser Anordnung relativ klein gehalten werden, was Gewichts- und Raumvorteile im Kraftfahrzeug 8 zur Folge hat. Die Datenbusleitungen 15 des Bussystems werden ebenfalls an dieser Stelle miteinander verbunden, so dass auch hier eine in sich geschlossene Ringstruktur entsteht.

In dem Sicherungsschaltermodul 10 sind eine Reihe von Funktionalitäten integriert wie Schaltfunktion, Überstromsicherung, integrierte Strommessung, integrierter Temperaturschutz, Überspannungserkennung, busfähige Schnittstelle sowie Notlaufeigenschaften wie nachfolgend beschrieben. Einerseits versorgt das Sicherungsschaltermodul 10 den Verbraucher 14 mit elektrischer Energie, indem ein elektrisch leitender Kontakt mit der Leistungsader 13 der Ringleitung 12 hergestellt wird, die ihrerseits mit dem Pluspotential der Batterie 16 verbunden ist. Das Schaltmittel 22 wird hierzu von dem Mikrocontroller 26 im Sinne eines Öffnens oder Schließens angesteuert. Die entsprechenden Sollzustände des Schaltmittels 22 werden dem Mikrocontroller 26 über das Bussystem mitgeteilt, beispielsweise in Übereinstimmung mit vorangegangenen Bedienhandlungen des Benutzers zur Aktivierung oder Deaktivierung des Verbraucher 14. Das Schaltmittel 22 kann direkt ohne Zwischenverstärker vom Mikrocontroller 26 aus angesteuert werden. Bei diesem Schaltmittel 22 handelt es sich beispielsweise um einen elektronischen Leistungsschalter, vorzugsweise um einen verlustleistungsarmen MOSFET-Schalter bzw. einen Highside- Schalter.

Im Sicherungsschaltermodul 10 ist eine Stromsensorik 20 integriert, die ein Maß für den über das Schaltmittel 22 zum Verbraucher 14 fließenden Strom erfaßt. Bei der Stromsensorik 20 kann es sich beispielsweise um einen Meßwiderstand handeln, der eine lineare Information über die aktuelle Stromgröße bereit stellt. Diese Information gelangt über einen Analog-Digitaleingang des Mikrocontrollers 26 zur weiteren Auswertung. Die Stromsensorik 20 ist bereits im Schaltmittel 22 integriert. Im laufenden Betrieb wird die aktuelle Stromgröße ständig erfaßt und vom Mikrocontroller 26 ausgewertet. Überschreitet dieser Strom einen Grenzwert, erfolgt über die Programmauswertung im Mikrocontroller 26 ein Abschalten der Versorgungsspannung des Verbraucher 14, indem der Mikrocontroller 26 das Schaltmittel 22 im Sinne eines Öffnens ansteuert zur Unterbrechung der Stromzufuhr zu dem Verbraucher 14. Der Grenzwert, bei dem der Mikrocontroller 26 abschalten soll, wird verbraucherindividuell im Programm des Mikrocontrollers 26 abgelegt. Wie bei einer herkömmlichen Sicherung wird der Strom ständig überwacht und im Störfall (beispielsweise bei Leitungsbruch gegen Masse oder Kurzschluß) trennt das Schaltmittel 22 den Verbraucher 14 von der Energieversorgung. Überschreitet der Strom den Grenzwert, so sendet der Mikrocontroller 26 zudem über die Datenbusschnittstelle 24 und das Bussystem eine entsprechende Warninformation an die Anzeige 17. Dem Fahrer wird eine Störmeldung am Fahrerdisplay angezeigt. Die Parametrierung des Grenzwerts kann beispielsweise über eine mit dem Bussystem verbundene Eingabevorrichtung vorgenommen werden. Damit lassen sich unterschiedliche zulässige Belastungsfälle an die jeweiligen Verbraucher 14 anpassen.

In dem Schaltmittel 22 ist weiterhin eine integrierte thermische Sicherung zum Schutz des Schaltmittels 22 angeordnet. Wird das Schaltmittel zu stark thermisch belastet, so unterbricht diese thermische Sicherung den Stromkreislauf. Sinkt die Eigentemperatur des Schaltmittels 22 unter die kritische Temperatur, wird die elektrische Verbindung zum Verbraucher 14 automatisch wieder hergestellt. Der Mikrocontroller 26 erkennt das Erreichen der thermischen Belastungsgrenze durch die Auswertung des von der Stromsensorik 20 bereitgestellten Stromwerts. Fließt kein Strom, obwohl der Mikrocontroller 26 das Schaltmittel 22 im Sinne eines Schließens ansteuert, so ist von dem Ansprechen der thermischen Sicherung des Schaltmittels 22 auszugehen. Auch in diesem Fall generiert der Mikrocontroller 26 eine Störmeldung (beispielsweise "thermische Belastung") und sendet sie über die Datenbusschnittstelle 24 und das Bussystem an die Anzeige 17.

Der Mikrocontroller 26 kommuniziert über die Datenbusschnittstelle 24 und das Bussystem mit anderen, an das Bussystem angeschlossenen Steuergeräten oder Bedienelementen im Kraftfahrzeug 8. Diese Steuergeräte oder Bedienelemente könnten beispielsweise die entsprechenden Sollzustände für das Schaltmittel 22 vorgeben. Weiterhin übernimmt der Mikrocontroller 26 die bereits beschriebene Stromüberwachungsfunktion zum Schutz des Verbrauchers 14. Bei einem Abschalten des Schaltmittels 22 bzw. bei Erreichen des Grenzwerts generiert der Mikrocontroller 26 die Warnung für den Fahrer. Ist das Schaltmittel 22 vom Mikrocontroller 26 aktiviert und fließt dennoch kein Strom, so liegt ebenfalls ein Fehler vor. Diese Information gelangt ebenfalls zur Anzeige 17. Der Mikrocontroller 26 überwacht weiterhin den Datenaustausch mit dem Bussystem. Ist die Kommunikation mit dem Bussystem unterbrochen, so aktiviert der Mikrocontroller 26 automatisch eine Notlauffunktion. In diesem Notlauf wird das Schaltmittel 22 in einer betriebssicheren Weise angesteuert, beispielsweise im Sinne eines Öffnens, wenn damit ein für den Verbraucher 14 unkritischer Betriebszustand erreicht wird.

Wird die Busverbindung zwischen dem Schaltmittel 22 unterbrochen und es besteht keine Verbindung zum Bus mehr, so können aufgrund des defekten Schaltmittels 22 Notlauffunktionen ausgelöst werden.

In der Anzeige 17 wird dem Fahrer mitgeteilt, dass das betreffende Schaltmittel 22 keine Verbindung zum Bussystem besitzt und ein Störfall aufgetreten ist. Das Schaltmittel 22 arbeitet mit allen Funktionen bis auf die Buskommunikation mit den vorab gesendeten Informationen autark weiter. Bedient das erste Schaltmittel 22 z. B. die Bremsleuchte als Verbraucher 14, so kann die Bremsleuchte nicht mehr angesprochen werden. Als Ersatz zur Bremsleuchte kann nun das Rücklicht über ein zweites Schaltmittel 22 die Funktion der Bremsleuchte übernehmen. Es ist eine Funktionsübertragung auf andere Komponenten möglich, ohne dass die Fahrsicherheit während der Fahrt beeinträchtigt wird. Zusätzlich generiert der Mikrocontroller 26 eine entsprechende Fehlermeldung ("Datenaustausch gestört"), die über das Bussystem 30 zur Anzeige 17 gelangt.

Über einen Analog-Digitaleingang des Mikrocontrollers 26 wird weiterhin die Verbraucherspannung permanent erfaßt. Die Spannung, die ein Verbraucher 14 benötigt, ist fest definiert, z. B. 12 V. Der Mikrocontroller 26 des Schaltmittels 22 erfaßt diese Spannung auf der Verbraucherseite und wertet sie aus. Folgende Szenarien können auftreten. Es liegt keine Spannung an, obwohl das Schaltmittel 22 auf "EIN" gestellt ist. Das Schaltmittel 22 oder die Logik im Schalter 22 ist defekt. Als weiteres Szenario könnte eine Spannung anliegen, obwohl das Schaltmittel 22 auf "AUS" steht. Es ist ein Kurzschluß des Schalters im Schaltmittel 22 oder ein Kurzschluß auf der Plusversorgungsleitung des Verbrauchers 14 zur Batterie 16 aufgetreten. Gemäß einem weiteren Szenario liegt eine höhere Spannung am Verbraucher 14 als die Versorgungsspannung von 12 V an. In einem gemischten Bordnetz 12 V/36 V (Zweispannungsbordnetz) kann ein Kurzschluß zwischen den beiden Spannungsebenen zur höheren Spannung führen. Ein Öffnen des Schaltmittels 22 "AUS" wird eingeleitet, um einen eventuellen Kurzschluß zwischen 36 V und 12 V zu vermeiden. In einem weiteren möglichen Betriebsfall liegt eine niedrigere Spannung am Verbraucher 14 als die Versorgungsspannung von 36 V an (36 V-Verbraucher). In einem gemischten Bordnetz 12 V / 36 V kann ein Kurzschluß zur kleineren Spannung vorliegen. Ein Öffnen des Schaltmittels 22 "AUS" wird herbeigeführt, um einen eventuellen Kurzschluß zwischen 12 V und 36 V zu vermeiden. In einem weiteren Szenario liegt die Versorgungsspannung an, aber es fließt kein Strom. Die Versorgungsleitung zum Verbraucher 14 ist unterbrochen oder der Verbraucher 14 ist defekt.

Diese Versorgungsspannungsüberwachung erfolgt in Verbindung mit einem weiteren Grenzwert, der von der Art des anzusteuernden Verbrauchers 14 (12 V- oder 36 V-Verbraucher) abhängt. Tritt eine Spannungserhöhung auf, die anhand des Überschreitens des Grenzwerts durch den eingelesenen Spannungs-Istwert erkannt ist, so steuert der Mikrocontroller 26 das Schaltmittel 22 im Sinne einer Sicherheitsabschaltung an. Als Ursache der Spannungserhöhung kann beispielsweise eine Verbindung zu einem fremden Bordnetz vorliegen, insbesondere wenn es sich um ein Zweispannungsbordnetz handelt.

Bei einem Bremsvorgang oder bei Vollgas kann es aufgrund der aktuellen Bordnetzsituation zu einem Spannungseinbruch kommen. Über die Datenbusschnittstelle 24 wird nun der Verbraucher 14 für einen definierten Zeitraum abgeschaltet. Dieses Bordnetzmanagement kann beispielsweise durch ein ABS- Steuergerät oder ein Bremsensteuergerät realisiert werden. Aufgrund des unmittelbaren direkten Ansprechens der Einzelkomponenten durch das Sicherungsschaltermodul 10 ergibt sich ein zeitlicher Vorteil, der die Sicherheit des Fahrers erhöht. Im Idealfall ist hierzu jeder Verbraucher 14 im Fahrzeug mit einem Schaltmittel 22 ausgestattet. Diese Konstellation hat den Vorteil, dass jedes Steuergerät im Fahrzeug, das am Bussystem hängt, direkt jeden Verbraucher 14 ansteuern kann. Der Verbraucher 14 kann direkt AUS- oder EIN-geschaltet werden. Da verschiedene Fahrsituationen (Vollbremsung, Vollgas) an das Bordnetz hohe Energieansprüche stellen, kann das jeweilige Steuergerät die Verbraucher 14 (z. B. Heckscheibenheizung, Sitzheizung) unmittelbar abschalten. Der Fahrsituation stehen dann für diesen Zeitabschnitt hohe Energiepotentiale zur Verfügung.

Die Verbindungsmittel 32 arbeiten beispielsweise nach einem Schneid-Klemm-Verfahren. Das Sicherungsschaltermodul 10 kann an jeder beliebigen Stelle der Ringleitung 12 aufgesetzt und verbunden werden. Eine Einbindung eines neuen Verbrauchers 14 im Kraftfahrzeug 8 ist somit unproblematisch. Über eine Softwareänderung wird das neue Sicherungsschaltermodul 10 aktiviert. An das Modulgehäuse 34 ist die Versorgungsleitung für den Verbraucher 14 fest integriert. Das Modulgehäuse 34 enthält einen Kabelschwanz zur Verbindung mit dem Verbraucher 14.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Steueranordnung (26) zur Ansteuerung zumindest eines Schaltmittels (22), über das zumindest ein elektrischer Verbraucher (14) mit Energie versorgt werden kann, mit zumindest einer Schnittstelle (24), über die die Steueranordnung (26) Daten austauscht mit einem Bussystem (12), mit zumindest Stromerfassungsmitteln (20), die ein Maß für den über das Schaltmittel (22) fließenden Strom detektieren und der Steueranordnung (20) zur Auswertung zuführen, in Abhängigkeit dessen das Schaltmittel (22) angesteuert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steueranordnung (26) eine Notlauffunktion (28) integriert ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungserfassungsmittel vorgesehen sind zur Erfassung der Versorgungsspannung, mit der der elektrische Verbraucher (14) versorgt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel (32) vorgesehen sind zur Verbindung mit einer Ringleitung (12).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringleitung (12) zumindest eine Datenleitung (15) und eine Versorgungsleitung (13) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltmittel (22) eine thermische Überlastsicherung integriert ist, die das Schaltmittel (22) öffnet, wenn das Schaltmittel (22) eine bestimmte Temperatur erreicht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung (26) das Maß für den über das Schaltmittel (22) fließenden Strom mit einem Grenzwert vergleicht und bei dessen Überschreiten das Schaltmittel (22) im Sinne eines Öffnens ansteuert.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung (26) bei Überschreiten des Grenzwerts eine Fehlermeldung erzeugt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung (26) eine Fehlermeldung generiert, wenn trotz eines im Sinne eines Schließens angesteuerten Schaltmittels (22) kein Strom fließt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Spannungserfassungsmittel detektierte Versorgungsspannung von der Steueranordnung (26) mit einem weiteren Grenzwert verglichen ist und abhängig von diesem Vergleich das Schaltmittel (22) angesteuert ist.