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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Stromverteiler und einem Steuergerät, wobei der Stromverteiler ein bistabiles Relais mit zumindest einer Spule umfasst.
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Das elektrische Bordnetz eines Fahrzeugs verfügt über mehrere Verbraucherstränge, die über Stromverteiler elektrisch versorgt werden. Dabei können einzelne Stränge mit einem Relais vom Bordnetz getrennt und wieder zugeschaltet werden. Beispielsweise werden im Ruhezustand des Fahrzeugs einzelne Verbraucherzweige vom Bordnetz getrennt, um den Ruhestromverbrauch des Fahrzeugs zu reduzieren; beim Aufwachen des Fahrzeugs werden die Verbraucherzweige wieder zugeschaltet. Nach dem Stand der Technik kommen hier meist monostabile Relais zum Einsatz, die mit einem Steuergerät geschaltet werden. Bevorzugt können diese Relais vergleichbar mit Sicherungen in einem Sicherungskasten in für die Relais bestimmte Ausnehmungen des Stromverteilers gesteckt werden. Dadurch können defekte Relais leicht zugänglich und zielsicher getauscht werden.
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Die Schrift
DE 102 43 970 A1 beschreibt, dass zum Schalten von Verbrauchersträngen im Kraftfahrzeug auch bistabile Relais einsetzbar sind. Außerdem sind die Stränge zumindest teilweise mit einem Mikrocomputer überwachbar.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Stromverteiler und einem Steuergerät, wobei der Stromverteiler ein bistabiles Relais mit zumindest einer Spule umfasst, anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Stromverteiler und einem Steuergerät, wobei der Stromverteiler ein bistabiles Relais mit zumindest einer Spule umfasst, gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß weist das bistabile Relais, an dem ein erster Schaltzustand und ein zweiter Schaltzustand einstellbar sind, eine integrierte Schaltung auf, die das Steuergerät über eine Steuerleitung ansteuert. Dabei gibt das Steuergerät durch ein Steuersignal einen der beiden Schaltzustände vor, indem das Steuergerät eine erste Steuerspannung oder eine zweite Steuerspannung an die Steuerleitung anlegt, wobei die erste Steuerspannung dem ersten Schaltzustand und die zweite Steuerspannung dem zweiten Schaltzustand entspricht. Die integrierte Schaltung schaltet einen Strompuls durch die Spule, um den von dem Steuergerät vorgegebenen Schaltzustand des bistabilen Relais einzustellen.
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Vorteilhaft daran ist, dass das bistabile Relais von der integrierten Schaltung geschaltet wird, da die Spule mit dem zum Schalten des Relais notwendigen Strompuls von der integrierten Schaltung bestromt wird. Das Steuergerät ist lediglich durch die Steuerleitung mit dem Relais verbunden. Das Steuergerät gibt über die Steuerleitung den am Relais einzustellenden Schaltzustand vor. Dies bietet den Vorteil, dass im Fahrzeug lediglich ein Kabelstrang von dem Steuergerät zum bistabilen Relais zu verlegen ist. Das bistabile Relais mit der integrierten Schaltung kann auch als intelligentes Relais bezeichnet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermittelt die integrierte Schaltung den Schaltzustand des Relais und vergleicht den Schaltzustand des Relais mit dem vorgegebenen Schaltzustand des Steuergeräts. Bei einem von dem vorgegebenen Schaltzustand abweichenden ermittelten Schaltzustand schaltet die integrierte Schaltung einen Strompuls durch die Spule, um den von dem Steuergerät vorgegebenen Schaltzustand des bistabilen Relais einzustellen.
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Dadurch ist sichergestellt, dass das Relais in einem undefinierten Schaltzustand oder einem Schaltzustand, der nicht dem vorgegebenen Schaltzustand entspricht, in den vorgegebenen Schaltzustand gestellt wird. Ein undefinierter Schaltzustand eines bistabilen Relais kann sich beispielsweise bei einer erheblichen mechanischen Einwirkung auf das Relais einstellen, etwa bei einem Fahrzeugcrash. Das selbsttätige Nachstellen eines Relais ist üblicherweise nur von monostabilen Relais bekannt, die dauerbestromt geschaltet werden.
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Vorzugsweise umfasst die integrierte Schaltung eine Brückenschaltung aus vier selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs und einen Logikbaustein. Der Logikbaustein steuert in Abhängigkeit von dem Steuersignal des Steuergerätes die Gateelektroden der MOSFETs, um einen Strompuls durch die Spule zu schalten und den vorgegebenen Schaltzustand einzustellen.
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Die Verwendung der MOSFETs und des Logikbausteins ermöglicht den Umsetzung der integrierten Schaltung als kostengünstige, zuverlässige und bauraumsparende anwenderspezifische integrierte Schaltung (englisch ASIC).
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung verfügt das Fahrzeug über eine Spannungsquelle, mit der die integrierte Schaltung an einem Betriebsspannungseingang der integrierten Schaltung mit elektrischer Spannung versorgbar ist.
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Dadurch ist die Versorgung des ASIC mit Betriebsspannung gewährleistet. Die Betriebsspannung speist den Logikbaustein mit elektrischer Leistung und fungiert als Drain-Source-Spannung der MOSFETs der Brückenschaltung.
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Zusätzlich kann die integrierte Schaltung auch über eine redundante Spannungsversorgung verfügen, bei der die integrierte Schaltung bei fehlender Spannungsversorgung am Betriebsspannungseingang von dem Steuergerät über die Ansteuerleitung mit elektrischer Spannung versorgbar ist.
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Die bietet den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Fehler am Betriebsspannungseingang oder bei einer defekten Zuleitung zur Spannungsquelle die integrierte Schaltung mit Betriebsspannung versorgbar ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die integrierte Schaltung über einen Steuerleitungseingang verfügt und dass die Steuerleitung durch eine Stecker-Buchse-Verbindung mit dem Eingang verbunden ist. Dem Eingang der Steuerleitung kann eine erste Stromsenke nachgeschaltet sein, durch die ein Kontaktreinigungsstrom durch die Steuerleitung einstellbar ist.
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Ein Kontaktreinigungsstrom stellt zuverlässig sicher, dass die integrierte Schaltung mit dem Relais dauerhaft steuerbar bleibt. Der Kontaktreinigungsstrom beugt der Bildung von Übergangswiderständen an der Stecker-Buchse-Verbindung vor.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann zu der ersten Stromsenke eine zweite Stromsenke parallel geschaltet ist, von der ein Statusstrom durch die Steuerleitung einstellbar ist. Die Einstellung des Statusstroms kann durch ein pulsweitenmoduliertes Signal des Logikbausteins an die zweite Stromsenke steuerbar und der pulsweitenmodulierte Statusstrom von dem Steuergerät mit einer Stromspiegelschaltung ermittelbar sein. In dem Logikbaustein und in dem Steuergerät können Informationen in Abhängigkeit von der Pulsweite des Statusstroms hinterlegt sein.
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Auf diese Weise ist über die Pulsweitenmodulation des Statusstroms eine hinterlegte Informationen von der integrierten Schaltung zum Steuergerät übermittelbar. Diese hinterlegten Informationen können etwa den Schaltzustand des Relais oder Status- oder Diagnoseinformationen des Relais (z.B. „Spule defekt“), Informationen zur Betriebsspannungsversorgung des ASIC (z.B. „niedrige Versorgungsspannung, Versorgung prüfen“) oder zum Logikbaustein (z.B. „Baustein fehlerhaft, Relais tauschen“) umfassen; der Umfang der übermittelbaren Informationen ist vom Funktionsumfang des ASIC abhängig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung ein Verpolschutzfunktion auf, die bei verpolter Verschaltung einer externen Spannungsquelle das Relais öffnet oder schließt.
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Der Verpolfall liegt vor, wenn eine externe Spannungsquelle mit ihrem höherem Potential mit der Fahrzeugmasse und mit ihrem niedrigerem Potential an den Pluspol oder den Fremdstartpol des Fahrzeugs gebracht wird. Die integrierte Schaltung verfügt über eine Verpolschutzschaltung, die durch die Potentialdifferenz im Verpolfall und bei einem bestimmten Schaltzustand einen Stromfluss in der Spule in einer durch die Verpolschutzschaltung vorgegebenen Richtung zulässt, um das Relais in einen anderen Schaltzustand zu bringen.
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Beispielsweise kann das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug, Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug sein, das über zumindest ein bistabiles Relais verfügt. Dabei umfasst das zumindest eine bistabile Relais eine integrierte Schaltung, der Stromverteiler weist zur Integration des zumindest einen bistabile Relais mit integrierter Schaltung einen Steckplatz auf.
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Der Steckplatz weist alle notwendigen Kontakte für das intelligente Relais auf. Falls über mehrere intelligente Relais verfügt, die in einem Stromverteiler mittels eines Steckplatzes integrierbar sind, können die Steckplätze nebeneinander angeordnet werden. Auf diese Weise ist ein defektes Relais zielgerichtet identifizierbar und zügig austauschbar.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
In Stromverteilern von Kraftfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen werden bistabile Relais zur Versorgung der elektrischen Verbraucher eingesetzt. Die Relais werden bevorzugt in Stromverteilerkästen gesteckt. Auch eingelötete, verpresste oder verschweisste Relais kommen zum Einsatz. Bistabile Relais werden im modernen Fahrzeugen vermehrt eingesetzt, um insbesondere den Stromverbrauch im Betriebszustand und im Ruhezustand des Fahrzeugs zu reduzieren. Bei Kraftfahrzeugen senkt dies den Verbrauch von Kraftstoff, bei Elektrofahrzeugen ist dadurch eine höhere Reichweite erzielbar.
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Allerdings ist ein bistabiles Relais über eine H-Brückenschaltung anzusteuern, um Strompulse oder Stromstöße durch die Spule des Relais in beide Stromrichtungen zu erzeugen. Die Brückenschaltung ist meist Bestandteil eines Steuergeräts, so dass neben den Kosten für die Brückenschaltung außerdem zwei Leitungen im Kabelbaum vorzusehen sind, die von dem Steuergerät zum dem bistabilen Relais führen.
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Als Vorbesserung kann vorgeschlagen werden, ein Elektronik in Form einer Leiterplatte mit einem ASIC (application-specific integrated circuit) in das Relais zu integrieren. Die integrierte Schaltung des ASIC wird dabei über das Steuergerät oder über das Bordnetz mit Betriebsspannung versorgt. Die Pulsansteuerung der Spule durch Strompulse erfolgt ebenfalls durch die integrierte Schaltung, wobei die für die Strompulse notwendige Leistung ebenfalls vom Bordnetz stammt. Da ein Teil des Bordnetzes den Steuerstromkreis des Relais bildet, kann dadurch ein Kabelstrang im Fahrzeug eingespart werden. Anders als bei herkömmlichen bistabilen Relais führt lediglich eine Ansteuerleitung vom Steuergerät zum bistabilen Relais.
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Außerdem kann durch die integrierte Schaltung der Schaltzustand des bistabilen Relais diagnostiziert werden. Falls etwa im Falle eines Crashs das bistabile Relais keine definierte Schaltstellung einnimmt, wird dies von der integrierten Schaltung erkannt und ein Strompuls zum Schalten des Relais ausgegeben.
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Das Schalten des Relais kann also vom Steuergerät über die Steuerleitung oder von der relaiseigenen Diagnose veranlasst sein. Dies ermöglicht den Einsatz von bistabilen Relais in sicherheitsrelevanten Systemen und macht keinen Einsatz von dauerbestromten, monostabilen Relais notwendig.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 Ausschnitt einer Fahrzeugelektrik und -elektronik mit einem Steuergerät, einem Stromverteiler und einem monostabilen Relais nach dem Stand der Technik
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2 Ausschnitt einer Fahrzeugelektrik und -elektronik mit einem Steuergerät, einem Stromverteiler und einem bistabilen Relais nach dem Stand der Technik
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3 Ausschnitt einer Fahrzeugelektrik und -elektronik mit einem Steuergerät, einem Stromverteiler und einem bistabilen Relais mit integrierter Schaltung
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4 Blockschaltbild der integrierten Schaltung eines bistabilen Relais
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Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen stehen für gleiche Merkmale.
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt der elektrischen und elektronischen Umfanges eines Fahrzeugs aus dem Standes der Technik. Beispielhaft ist ein Stromverteiler (1a) mit Relais zum Schalten von Lastklemmen dargestellt, der im Automobilbau auch häufig als Junction Box bezeichnet wird. Deshalb wird in 1 (sowie in den 2 und 3) die Klemmenbezeichnung nach DIN 72552 benutzt. Die beispielhafte Junction Box schaltet ohne Beschränkung der Allgemeinheit durch ein monostabiles Relais (2), das hier beispielhaft als Schließerrelais ausgeführt ist. Im Zustand „EIN“ wird die Klemme 15 auf die Spannungslage der Klemme 30 geschaltet, wobei die Klemme 30 an den Pluspol einer Bordnetzbatterie des Fahrzeugs geschaltet ist. Im Zustand „AUS“ des monostabilen Relais sind alle auf die Klemme 15 geschalteten Verbraucher (4) im Gegensatz zu den an die Klemme 30 geschalteten Verbraucher (3) von der Spannungsversorgung getrennt.
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Das Fahrzeug verfügt außerdem über ein Steuergerät (5a), das über eine Schaltleitung (6a) mit der Junction Box verbunden ist. Das Steuergerät verfügt über einen Mikrocontroller (7a) und einen High-Side-Treiber (8a), um das monostabile Relais zu schalten. Im Mikrocontroller ist die Betriebsstrategie des monostabilen Relais schaltungstechnisch abgebildet, d.h. über den Treiber gibt das Steuergerät einen Schaltstrom aus, um das Relais in den Zustand „EIN“ zu schalten. Gängige in der Fahrzeugtechnik zur Klemmensteuerung eingesetzte monostabile Schließerrelais weisen im Zustand „EIN“ eine Leistungsverbrauch von ca. 1–1,5 W auf.
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Um den Leistungsverbrauch in Fahrzeugen zu reduzieren, d.h. insbesondere den Betriebsstrom und/oder Ruhestromverbrauch zu reduzieren, werden nach dem Standes der Technik vermehrt bistabile Relais (10) anstatt monostabiler Relais eingesetzt, siehe 2. Üblicherweise weisen bistabile Relais eine Spule mit einem magnetisierbaren Kern auf, dessen Remanenz nutzbar ist, um einen bestimmten Schaltzustand des bistabilen Relais aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise ist das bistabile Relais durch einen durch die Spule fließenden Strompuls schaltbar, wobei die Stromrichtung des Strompulses die Orientierung des Remanenzfeldes und somit den Schaltzustand des bistabilen Relais festlegt. Der Strompuls zur Einstellung eines bestimmten Schaltzustands des Relais erfolgt in diesem Fall durch einen kostenintensiven Vollbrücken-Treiber bzw. H-Brücken-Treiber (11). An der Beschaltung in 2 ist nachteilig, dass im Fahrzeug zwei Schaltleitungen (6b, 6c) vom Steuergerät zum bistabilen Relais gelegt sein müssen. An der Schaltung des Standes der Technik in 2 ist weiterhin nachteilig, dass etwa im Falle eines Fahrzeugscrashes in einer Unfallsituation die Kontakthaltekraft über das Remanenzfeld des magnetisierbaren Kerns im Relais durch die Crash-Beschleunigungskräfte (bis zu über 50g) überlagert werden, so dass das Relais möglicherweise in einen undefinierten Schaltzustand übergeht. Aus diesem Grund wird nach dem Stand der Technik zu Steuerung von crashrelevanten Relais, die insbesondere bei einem Zusammenstoß einen vorgegebenen Schaltzustand einzunehmen haben, häufig auf monostabile Relais nach 1 zurückgegriffen. Da diese dauerhaft bestromt werden, stellt sich bei einem monostabilen Relais im Falle einer Erschütterung der vorgegebene Schaltzustand, z.B. „EIN“ bei einem Schließrelais, unter Kontaktprellen selbsttätig wieder ein. Anforderungen an crashrelevante Relais gehen beispielsweise aus der europäischen Vorschrift EC-R95 hervor.
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Anstelle des bistabilen Relais in 2 kann ein bistabiles Relais (12) mit integrierter Schaltung in Form eines ASIC (application-specific integrated circuit) (13) in einer Verteilereinheit zum Einsatz kommen, um sowohl die Vorteile monostabiler Relais als auch die Vorteile bistabiler Relais im Fahrzeug zu nutzen. Dies wird in 3 als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Betriebsspannung der integrierten Schaltung kann über die Klemme 30 bereitgestellt an einem Betriebsspannungseingang (14) bereitgestellt sein.
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Einzelheiten der integrierten Schaltung des bistabilen Relais in 3 gehen aus 4 hervor. Die integrierte Schaltung in 4 verfügt über eine H-Brückenschaltung aus vier selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs (15a, 15b, 15c, 15d). Die H-Brückenschaltung ist drain-seitig mit der Klemme 30 verschaltet und source-seitig auf Masse geschaltet, wobei die Spule des bistabilen Relais die H-Brücke bildet. Technologisch bedingt ist den MOSFETs jeweils eine Substratdiode in Sperrrichtung parallel geschaltet. Ein Logikbaustein (16) steuert die Gateelektroden der MOSFETs, um einen Strompuls durch die Spule in einer vorgegebenen Stromrichtung zu erzeugen. Eine bestimmte Stromrichtung korreliert dabei mit einem bestimmten Schaltzustand des Relais. Am Beispiel der 3 bedeutet das Anlegen einer Gatespannung, d.h. einer Gate-Source-Spannung, die über der Flussspannung der GS-Diode liegt, an dem MOSFET (15a) und an dem MOSFET (15d) einen Strompuls in der mit (x) gekennzeichneten Richtung das Schalten des Relais in den ersten Schaltzustand (hier: das Schließen) des Relais. Das Schalten der MOSFETs (15b) und (15c) korreliert mit der entgegengesetzten Stromrichtung (z) und dem zweiten Schaltzustand, d.h. dem Öffnen des Relais. Die Logikbaustein steuert die Gatespannungen abhängig von einem Steuersignal des Steuergeräts, das über eine Steuerleitung (17) zwischen dem Steuergerät und dem ASIC zu einem Steuereingang (18, siehe 4) des Logikbausteins geführt wird. Das Steuersignal umfasst einen ersten Steuerspannungspegel (P1) als logische „1“, der als High-Pegel ausgeführt ist, und einen zweiten Steuerspannungspegel (P0) als logische „0“, der als Low-Pegel ausgeführt ist. In 3 und 4 korreliert der High-Pegel mit dem ersten Schaltzustand, d.h. mit Relais „EIN“ und der Stromrichtung (x).
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Die Einstellung des ersten Steuerspannungspegels und die Einstellung des zweiten Steuerspannungspegels kann mit einem High-Side-Treiber (19) umgesetzt sein, den das Steuergerät in 3 umfasst. Der High-Side-Treiber (19) wird von einem Mikrocontroller (7c) des Steuergeräts geschaltet, in welchem die Betriebsstrategie des Relais hinterlegt ist. Die Steuerleitung (17) vom Steuergerät zum ASIC des bistabilen Relais ist über eine Stecker-Buchse-Verbindung (20, siehe 4) mit dem Eingang des ASIC verbunden. Der High-Pegel liegt im Bereich der Bordnetzspannung, der Low-Pegel ist spannungslos.
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Die integrierte Schaltung kann zwischen dem ASIC und dem Logikbaustein eine erste Stromsenke (21) aufweisen. Diese Stromsenke stellt einen geringen Stromfluss im Bereich weniger mA bei eingestelltem High-Pegel sicher, so dass die Stecker-Buchse-Verbindung möglichst frei von sich in Folge von Oxidation bildenden Übergangswiderständen bleibt. Dieser als Kontaktreinigungsstrom bezeichnete Strom gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems. Der Leistungsverlust durch den Kontaktreinigungsstrom ist mit etwa 0,01 W nahezu vernachlässigbar.
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Der Logikbaustein ist ferner mit einer Diagnosefunktion des bistabilen Relais ausgestattet. Die Diagnose kann auf einer Spannungsmessung beruhen. Hierzu wird das Potential an dem auf die Klemme 30 zu schaltenden Strompfad abgegriffen (22) und die Potentialdifferenz gegen die an der integrierten Schaltung anliegenden Betriebsspannung (ebenfalls Klemme 30) gemessen. Bei auftretender Potentialdifferenz befindet sich das Relais im Schaltzustand „AUS“, bei verschwindender Potentialdifferenz im Schaltzustand „EIN“. Im Rahmen der Diagnosefunktion vergleicht der Logikbaustein den ermittelten Schaltzustand mit dem vom Steuergerät vorgegebenen Schaltzustand.
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Bei einer von der Diagnosefunktion festgestellten Abweichung zwischen ermitteltem Schaltzustand und vorgegebenen Schaltzustand stellt der Logikbaustein über die oben dargestellte Ansteuerung der Gateelektroden das Relais nach. Dadurch ist der Vorteil des selbsttägigen Nachstellens eines monostabilen Relais im Crashfall auch mit einem bistabilen Relais nach den 3 und 4 gegeben.
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Die integrierte Schaltung weist zwischen dem Betriebsspannungseingang des Logikbausteins und dem Steuerleitungseingang eine Diode (23) auf. Bei anliegendem High-Pegel an der Steuerleitung ist die Schaltung auch über die Steuerleitung mit Betriebsspannung versorgbar. Diese redundante Spannungsversorgung ermöglicht bei ausgefallener Spannungsversorgung des ASIC (durch einen Leitungsbruch zwischen der Klemme 30 und dem Betriebsspannungseingang) die Diagnosefunktionalität und stellt sicher, dass das Relais auch dann in den Schaltzustand „EIN“ schaltbar ist.
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Zu der ersten Stromsenke (24) ist eine zweite Stromsenke parallel geschaltet. Die zweite Stromsenke ist durch ein pulsweitenmoduliertes Signal (25) des Logikbausteins schaltbar. Bei eingeschalteter Senke und beim Pegel P1 fließt für die Dauer der Pulsweite ein den Kontaktreinigungsstrom um ein Vielfaches (hier etwa um das 10-fache) übersteigender Statusstrom.
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In 3 sind das Steuergerät (5c) oder der Treiber (19) beispielsweise mit einer Stromspiegelschaltung (26) versehen sein. Auf diese Weise ist der Statusstrom zeitaufgelöst vom Steuergerät detektierbar. Da verschiedene Betriebszustände des bistabilen Relais mit verschiedenen Pulsweiten im Logikbaustein und im Mikrocontoller (7c) korrelieren, ist auf diese Weise eine Statusinformation des Relais an das Steuergerät übermittelbar. Je nach Funktionsumfang des Logikbausteins können verschiedene Statusinformationen übermittelt werden, z.B. der Schaltzustand des Relais, der Status der Spannungsversorgung am Betriebsspannungseingang oder ein Defekt der Relaisspule bei dauerhafter Abweichung zwischen vorgegebenem und ermitteltem Schaltzustand.
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Der ASIC ermöglicht außerdem die Integration eines kostengünstigen Verpolschutzes in das Fahrzeug. Falls bei einer defekten oder tiefentladenen Batterie ein Fremdstart am Fahrzeug durchgeführt werden muss, kann es zur Verpolung kommen. Im Verpolfall wird anstatt dem Pluspol der Minuspol einer externen Ladequelle mit dem Pluspol der defekten Fahrzeugbatterie oder mit dem Fremdstartpol des Fahrzeugs in Kontakt gebracht. Als Folge liegt die Klemme 30 auf niedrigerem Potential als die Klemme 31 (Fahrzeugmasse, 28). In diesem Fall können sensible Verbraucher (4) geschädigt werden, falls das Relais geschlossen ist. Um dies zu verhindern, verfügt die integrierte Schaltung über die beiden Dioden (27a) und (27b). Beide Dioden sind bezüglich einem höheren Potential an der Klemme 31 als an der Klemme 31 über die ungeschützte Masse (30) in Durchlassrichtung geschaltet, so dass bei geschlossenem Relais ein Strom in z-Richtung durch die Spule fliesst und das Relais öffnet (Schaltzustand „AUS“). Die Funktionalität des Verpolschutzes ist unabhängig von der Funktionalität des Logikbausteins. Die Verpolschutzfunktion kann durch einen invers zwischen geschützter Masse (29) und ungeschützter Masse (30) selbstsperrenden n-Kanal MOSFET ergänzt sein
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Alternativ zu den 3 und 4 können das Steuergerät mit dem High-Side-Treiber (19) und die integrierte Schaltung auf der Basis von zu den 3 und 4 invertierten Signalen funktionieren. Dann entspricht der Pegel P0 einen höheren Potential als der Pegel P1, wobei der Pegel P1 der (x)-Stromrichtung entspricht. Bei dem Pegel P1 kommt es zu einem Kontaktreinigungsstrom und zu einem Statusstrom, die jeweils von Stromquellen anstatt von Stromsenken (21, 24) erzeugt werden.
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Insgesamt bietet ein bistabiles Relais mit integrierter Schaltung nach den 3 und 4 mehrere Vorteile: Der Leistungsverlust zum Schalten des Relais (12) beträgt einen Bruchteil eines monostabilen Relais (2) und ist annähernd gering wie bei einem bistabilen Relais ohne ASIC (10). Im Vergleich zu einem bistabilen Relais ohne ASIC ist ein Kabelstrang vom Steuergerät zum Relais und der kostenintensive Vollbrücken-Treiber verzichtbar, so dass Gewicht und Materialkosten reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die Integration des ASIC in das bistabile Relais anstatt beispielsweise in das Steuergerät. Bei einer Integration des ASIC in das Steuergerät wären drei Kabelstränge (zwei Kabelstränge zum Bestromen der Spule und eine Kabelstrang für den Spannungsabgriff) vom Steuergerät zum Relais notwendig. Im Crashfall ist ein Schaltzustand des Relais durch die Diagnosefunktion selbsttägig wiederherstellbar, wodurch das Einsatzspektrum bistabiler Relais im Fahrzeug erhöht wird. Außerdem werden durch den Verpolschutz sensible Verbraucher des Fahrzeugs, insbesondere Steuergeräte, im Verpolfall durch das automatische Öffnen des Relais geschützt. Bistabile Relais mit integrierter Schaltung könnten in künftigen Kraftfahrzeugen bzw. in künftigen Elektrofahrzeugen in einer Anzahl von 5–15 Stück pro Fahrzeug zum Einsatz kommen. Dadurch können bistabile Relais mit ASIC zu einem erweiterten Funktionsumfang des Fahrzeugs bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung und Kraftstoffeinsparung bzw. Reichweitenzunahme beitragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b, 1c
- Stromverteiler, Junction Box
- 2
- monostabiles Relais
- 3
- Verbraucher an Klemme 30 (Kl 30)
- 4
- Verbraucher an Klemme 15 (Kl 15)
- 5a, 5b, 5c
- Steuergerät
- 6a, 6b, 6c
- Schaltleitung
- 7a, 7b, 7c
- Mikrocontroller
- 8a
- High-Side-Treiber
- 10
- bistabiles Relais
- 11
- Vollbrückentreiber
- 12
- Bistabiles Relais mit integrierter Schaltung (ASIC), intelligentes Relais
- 13
- Integrierte Schaltung, ASIC
- 14
- Betriebsspannungseingang
- 15a, 15b, 15c, 15d
- selbstsperrender n-Kanal MOSFET
- 16
- Logikbaustein
- 17
- Steuerleitung
- 18
- Steuereingang
- 19
- High-Side-Treiber für ASIC
- 20
- Stecker-Buchse-Verbindung
- 21
- Erste Stromsenke
- 22
- Spannungsabgriff
- 23
- Diode für redundante Spannungsversorgung
- 24
- Zweite Stromsenke
- 25
- Pulsweitenmoduliertes Signal
- 26
- Stromspiegelschaltung
- 27a, 27b, 27c
- Verpolschutz
- 28
- Fahrzeugmasse, Klemme 31
- 29
- Geschützte Masse
- 30
- Ungeschützte Masse
- P1
- High-Pegel, erste Steuerspannung
- P0
- Low-Pegel, zweite Steuerspannung
- x
- Stromrichtung zum Schließen des Relais (12), korreliert mit P1
- z
- Stromrichtung zum Öffnen des Relais (12), korreliert mit P0
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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