DE19952334A1 - Starting assistance method for motor vehicle with high electrical system voltage involves arrangement consisting of e.g. three identical batteries in series and symmetrical DC/DC converter - Google Patents

Starting assistance method for motor vehicle with high electrical system voltage involves arrangement consisting of e.g. three identical batteries in series and symmetrical DC/DC converter

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Abstract

The method involves using an arrangement consisting of three identical batteries connected in series or one 12 Volt battery and one 24 Volt battery or one 36 Volt battery with a 12 Volt tapping and a symmetrical two/four quadrant DC/DC converter, whereby the physical interface in the form of a battery connection for assisted starting is the same as for conventional systems.

Description

Die Erfindung betrifft die Kombination einer speziellen Batterieanordnung und spezieller batteriesymmetrierender Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler zur Lösung der Starthilfeproblematik in Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung z. B. 42 V.The invention relates to the combination of a special battery arrangement and special battery symmetrizing two / four quadrant DC / DC converter for Solution of the jump start problem in motor vehicles with high vehicle electrical system voltage z. B. 42 V.

Im zukünftigen 42 V Bordnetz von Kraftfahrzeugen werden 36/42 V Batterien eingesetzt werden. Wenn diese Batterien leer sind und das Fahrzeug mit einem Starthilfekabel von einem anderen Fahrzeug aus gestartet werden soll, funktioniert das alte Verfahren, nämlich das Verbinden der beiden Fahrzeugbatterien mit einem Starthilfekabel nicht mehr, da im allgemeinen davon ausgegangen werden muß, dass das hilfeleistende Fahrzeug noch mit 12/14 V Bordnetz arbeitet. Ein Verbinden der Batterien kann im ungünstigsten Fall zu einer Explosion der Batterien führen.In the future 42 V vehicle electrical system, 36/42 V batteries will be used be used. If these batteries are empty and the vehicle with one Jumper cables should be started from another vehicle the old method works, namely connecting the two Vehicle batteries with a jumper cable no longer, because of it in general it must be assumed that the vehicle providing assistance is still 12/14 V Vehicle electrical system works. In the worst case, connecting the batteries to one Lead explosion of the batteries.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß im 36/42 V Fahrzeug die Batterie aus mehreren Einzelbatterien wie z. B. 3 × 12 V oder 12 V + 24 V oder einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff aufgebaut ist. Durch z. B. Abdeckungen muß dafür gesorgt werden, daß für einen Außenstehenden nur die Masse der Batterie und der 12 V-Abgriff der Batterie(n) sichtbar ist. An diesem Anschluß/Abgriff kann ein Außenstehender mit seinem Starthilfekabel seine 12 V Batterie aus seinem KFZ für die Starthilfe anschliessen, ohne daß sich für ihn im Vergleich zu den bisherigen Systemen etwas ändert. Der batteriesymetrierende DC/DC-Wandler im 42 V Fahrzeug entsprechend Bild 1 bis Bild 3 sorgt nun dafür, daß die Energie, die am 12 V Abgriff zur Verfügung gestellt wird gleichmäßig auf die anderen Batteriezellen umverteilt wird und das 42 V KFZ dann starten kann.The solution to the problem is that in the 36/42 V vehicle, the battery from several individual batteries such. B. 3 × 12 V or 12 V + 24 V or a 36 V battery with 12 V tap. By z. B. Covers must be ensured that only the mass of the battery and the 12 V tap of the battery (s) are visible to an outsider. An outsider can connect his 12 V battery from his car to the start aid with this jump starter cable without this changing anything compared to the previous systems. The battery-symmetrizing DC / DC converter in the 42 V vehicle according to Figure 1 to Figure 3 now ensures that the energy that is made available at the 12 V tap is evenly distributed to the other battery cells and that the 42 V vehicle can then start.

Auch im Betrieb, können 42 V und 12 V Verbraucher direkt an der Batterie angeschlossen werden, da die Erfindung dafür sorgt, daß der Ladezustand der Batteriezellen trotz unterschiedlicher Belastung durch die Symmetrierung identisch bleibt.Even in operation, 42 V and 12 V consumers can be connected directly to the battery be connected, since the invention ensures that the state of charge of the Battery cells identical despite different loads due to symmetrization remains.

Das Prinzip läßt sich am einfachsten und vorteilhaftesten in Systemen mit konventionellen Standard-Bleibatterien einsetzen. Die Symmetrierung hat jedoch auch in anderen Batterietechnologien Vorteile. Der beschriebene Wandler kann auch als bidirektionaler DC/DC-Wandler für z. B. 12 V /14 V eingesetzt werden um am Ausgang einzuspeisende Energie auf die 42 V Spannung umzuladen. The principle is easiest and most advantageous to use in systems use conventional standard lead acid batteries. However, the symmetry has advantages in other battery technologies too. The described converter can also as a bidirectional DC / DC converter for e.g. B. 12 V / 14 V can be used to transfer the energy to be fed in at the output to the 42 V voltage.  

Der in Bild 4 dargestellte DC/DC Wandler/Verstärker läßt sich besonders kostengünstig und mit wenigen Bauteilen im Vergleich zu konventionellen DC/DC- Wandlern, die auf Einquadrantenbetrieb optimiert wurden und die in Foren und Diskussionsveranstaltungen der Automobilindistrie, als Stromversorgung von 12/14 V Geräten im Hochvoltbordnetz diskutiert werden, realisieren. Wandler dieser Art wurden von Bauteileherstellern wie Linear Technology Inc oder KFZ- Zulieferer wie Delphi öffentlich z. B. auf dem Bordnetzforum der Firma SICAN F + E GmbH, Hannover, vorgestellt.The DC / DC converter / amplifier shown in Figure 4 can be cost-effectively and with few components compared to conventional DC / DC converters, which have been optimized for single-quadrant operation and which are used in forums and discussion events in the automotive industry as a power supply of 12/14 V. Devices in the high-voltage electrical system are discussed, realize. Transducers of this type have been made public by component manufacturers such as Linear Technology Inc or automotive suppliers such as Delphi. B. presented on the wiring system forum of the company SICAN R + E GmbH, Hanover.

Die Teilkomponenten der Erfindung sind bereits praktisch erprobt. Die Zwei/Vierquadranten DC/DC Wandler nach Bild 4b und Bild 4c wurde in Audio- Anwendungen bereits ausgiebig beschrieben und erprobt. Ihre Schaltungen sind im Prinzip vergleichbar mit den Ausführungen von Servoverstärkern für Motoren und rückspeisefähigen DC-DC Wandlern.The sub-components of the invention have already been tested in practice. The two / four quadrant DC / DC converter according to Fig. 4b and Fig. 4c has already been extensively described and tested in audio applications. In principle, their circuits are comparable to the designs of servo amplifiers for motors and regenerative DC-DC converters.

Die Erfindung betrifft die Anordnung der Batterie und die Ausführung des speziellen DC/DC-Wandlers mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche entsprechend Anlage und ermöglicht eine sehr zuverlässige, EMV-Optimierte und kostengünstige Lösung der Aufgabe. The invention relates to the arrangement of the battery and the execution of the special DC / DC converter with the characterizing features of the claims corresponding system and enables a very reliable, EMC-optimized and cost-effective solution to the task.  

Blockschaltbilder und technische Beschreibung der LösungBlock diagrams and technical description of the solution

In Bild 1 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer konventionellen 12 V Batterie und einer 24 V Batterie die z. B. aus zwei 12 V Batterien in Serienschaltung aufgebaut sein kann. Figure 1 shows the arrangement of the symmetrizing DC-DC converter for a system consisting of a conventional 12 V battery and a 24 V battery. B. can be constructed from two 12 V batteries in series connection.

Bild 2 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff. Figure 2 shows the arrangement of the symmetrizing DC-DC converter for a system consisting of a 36 V battery with 12 V tap.

Bild 3 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandler aus Bild 1 und 2 als bidirektionaler DC/DC-Wandler dessen Ausgang als universeller Starthilfeanschluß benutzt wird und der gleichzeitig mit einem zusätzlichen Stützkondensator am Ausgang die 12 V/14 V Versorgung für das Bordnetz übernehmen kann, soweit dies nicht über dezentrale DC/DC-Wandler realisiert wird. Figure 3 shows the arrangement of the symmetrizing DC-DC converter from Figures 1 and 2 as a bidirectional DC / DC converter, the output of which is used as a universal jump starter connection and which, with an additional backup capacitor at the output, also provides the 12 V / 14 V supply for the vehicle electrical system can take over, as long as this is not realized via decentralized DC / DC converters.

Bild 4 zeigt die Ersatzschaltbilder des Wandlers in den Bildern 1-3 (Bild 4a) und die kostengünstige Realisierungsmöglichkeit mit Hilfe eines selbstschwingenden Präsisions-D-Verstärkers (Bild 4b) oder eines besonders emmissionsarmen bidirektionalen Cuk-Converters. Figure 4 shows the equivalent circuit diagrams of the converter in Figures 1-3 ( Figure 4a) and the cost-effective implementation option with the help of a self-oscillating precision D-amplifier ( Figure 4b) or a particularly low-emission bidirectional Cuk converter.

Die Anordnungen verhalten sich wie ein Zwei/Vierquadrantenverstärker dessen Tastverhältnis über den 1 : 2 Spannungsteiler mit den drei Widerständen R auf ca. 1 : 2 eingestellt wird. Dadurch entsteht am Ausgang eine mittlere Ausgangsspannung von 1/3 der Versorgungsspannung, im geladenen Zustand der 36 V Batterie also 12 V.The arrangements behave like a two / four quadrant amplifier Duty cycle via the 1: 2 voltage divider with the three resistors R to approx. 1: 2 is set. This creates a medium one at the exit Output voltage of 1/3 of the supply voltage, when charged the 36 V battery is 12 V.

Am Beispiel des selbstschwingenden D-Verstärkers erklärt sich das Verhalten wie folgt. Sinkt die mit dem Ausgang verbundene 12 V Batterie unter 12 V erhält sie Energie über S1. Die Anordnung verhält sich wie ein Tiefsetzsteller. Ist die Spannung an der 36 V Batterieklemme kleiner als 3 × der Spannung an der 12 V Batterie, z. B. bei einer externen Starthilfe, entzieht S2 Energie über L aus dem 12 V Anschluß und pumpt Sie wie bei einem Hochsetzsteller zu dem 36 V Anschluß.The behavior is explained using the example of the self-oscillating D-amplifier follows. If the 12 V battery connected to the output drops below 12 V, it receives it Energy over S1. The arrangement behaves like a buck converter. Is the Voltage at the 36 V battery terminal is less than 3 × the voltage at the 12 V Battery, e.g. B. with an external starting aid, S2 withdraws energy via L from the 12 V connection and pumps you to the 36 V like a step-up converter Connection.

Während der Strom durch die Induktivität L gleichförmig ist, sind die Ströme an den Versorgungsspannungspunkten des Wandlers getaktet. Mit einem entsprechenden Layout können die daraus entstehenden EMV-Störungen ausreichend gedämpft werden. Die Grundschaltung muß noch durch eine Strombegrenzung ergänzt werden. Die dazugehörigen Techniken sind in der elektrischen Antriebstechnik bekannt. While the current through inductor L is uniform, the currents are on clocked the supply voltage points of the converter. With a The resulting EMC interference can correspond to the corresponding layout be sufficiently damped. The basic circuit must be replaced by a Current limitation can be supplemented. The associated techniques are in the known electrical drive technology.  

Der selbstschwingende Wandler hat gegenüber den auch für diese Anwendung in fragekommenden DC-DC-Wandtern wie sie z. B. mit Bauteilen von LTC, Unitrode, Maxim, etc, . . . aufgebaut werden den entscheidenden Vorteil, daß er sehr präzise ist und die im Kondensator C1 gespeicherte Fehlerspannung korrigiert. Damit ist er in der Lage die Klemmenspannung und damit den Ladezustand von Batterien im mV-Bereich präzise und mit wenig Aufwand zu korrigieren.The self-oscillating converter has in comparison to that for this application questionable DC-DC converters such as z. B. with components from LTC, Unitrode, Maxim, etc,. , , be built up the crucial advantage that it is very precise and corrects the error voltage stored in capacitor C1. So that is he is able to handle the terminal voltage and thus the state of charge of batteries Correct in the mV range precisely and with little effort.

Durch den Abgriff für die Gegenkopplung des freischwingenden Wandlers vor der Ausgangsinduktivität, verhält sich der Wander wie eine Regelstrecke 1. Ordnung und besitzt daher eine sehr hohe Stabilität gegenüber den Wandlerkonzepten mit Mehrfachgegenkopplung und Abgriff der Istgröße am Ausgang der Filterdrossel.By tapping for the negative feedback of the freely oscillating converter before the output inductance, the wander behaves like a controlled system 1 . Order and therefore has a very high stability compared to the converter concepts with multiple negative feedback and tapping the actual size at the output of the filter choke.

Der Integrator läßt sich mit einem zusätzlichen Kondensator und Widerstand für eine Rauschformung erweitern, die den Störpegel des Wandlers auf einfacher auszufilternde höhere Frequenzen verschiebt.The integrator can be used with an additional capacitor and resistor extend a noise shaping that simplifies the converter's noise level higher frequencies to be filtered off.

Die Schaltung des Wandlers ist ausführlich in der Literatur beschrieben und auch praktisch erprobt:
The circuit of the converter is described in detail in the literature and also tried and tested in practice:

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  • 2. Klaus Gruppenbacher; Linearer Schaltverstärker hoher Leistung, Studienarbeit St 1773 ÜT, TH Darmstadt 1980 2. Klaus Gruppenbacher; Linear switching amplifier high performance, student research project St 1773 ÜT, TH Darmstadt 1980
  • 3. Herbert Sax; Schalten statt Heizen, HiFi-Audio-Endstufe mit Pulsweitenmodulation; ELEKTRONIK 1988, Heft 233. Herbert Sax; Switching instead of heating, HiFi audio power amplifier with pulse width modulation; ELECTRONICS 1988 , Issue 23
  • 4. Michael König; Schaltregler für Wechselspannungen; ELEKTRONIK 1988, Heft 234. Michael König; Switching regulators for AC voltages; ELECTRONICS 1988 , Issue 23

Der DC/DC-Wandler kann auch als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Konverter entsprechend Bild 4c aufgebaut werden. Der Wandler ist in US-Patent Nr. 4186437, US 4184197. 3716826 und 3923311.1 ausführlich beschrieben und ist besonders unter EMV-Aspekten für die Anwendung geeignet.The DC / DC converter can also be constructed as a two / four quadrant Cuk converter as shown in Figure 4c. The transducer is described in detail in US Patent Nos. 4186437, 4184197, 3716826 and 3923311.1 and is particularly suitable for use from an EMC point of view.

Claims (11)

1. Verfahren zur Realisierung eines Anschlusses in einem Fahrzeug mit Hochvoltbordnetz für ein konventionelles Starthilfekabel entsprechend Bild 1-2 für eine Starthilfe aus einem 12/14 V Batterie/Bordnetz bestehend aus drei identische in Serie geschaltete Batterien, oder einer Batterie mit 12 V und einer Batterie mit 24 V oder einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff und einem symmetrierenden Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler, wobei die physikalische Schnittstelle in Form eines Batterieanschlußes für die Starthilfe gegenüber dem bisherigen System gleich ist.1.Procedure for implementing a connection in a vehicle with a high-voltage on-board electrical system for a conventional jump starter cable according to Figure 1-2 for a jump starter from a 12/14 V battery / on-board network consisting of three identical batteries connected in series, or one battery with 12 V and one Battery with 24 V or a 36 V battery with 12 V tap and a symmetrizing two / four quadrant DC / DC converter, the physical interface in the form of a battery connection for starting aid being the same as the previous system. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrierenden Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler mit den Schaltungskonzepten nach Bild 4b und Bild 4c realisiert wird, mit denen die Batterieanordnung am 12/14 V und 36/42 V Anschluß unterschiedlich durch Verbraucher belastet werden kann.2. The method according to claim 1, characterized in that the symmetrizing two / four quadrant DC / DC converter is realized with the circuit concepts according to Figure 4b and Figure 4c, with which the battery arrangement at the 12/14 V and 36/42 V connection different can be burdened by consumers. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines universellen Starthilfeanschlusses und gleichzeitiger 12 V Quelle für 12/14 V Verbraucher entsprechend Bild 3 der symmetrierende Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandler nach den Schaltungskonzepten nach Bild 4b und Bild 4c zum Einsatz kommt.3. The method according to claim 1, characterized in that to realize a universal jumper connection and simultaneous 12 V source for 12/14 V consumers according to Figure 3 of the symmetrizing two / four quadrant DC / DC converter according to the circuit concepts according to Figure 4b and Figure 4c is used. 4. Verfahren zur Realisierung des Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandlers in Anspruch 1 als selbstschwingender Klasse D Verstärker nach Bild 4b und 4c, der die Batterien exakt symmetriert und durch Ladungsaustausch die Batterien auf dem gleichen Ladezustand hält.4. A process for the realization of the two / four-quadrant DC / DC converter in claim 1 as a self-oscillating class D amplifier according to Figure 4b and 4c, the exactly balanced the batteries and holds by charge exchange the batteries at the same state of charge. 5. Verfahren zur Korrektur der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 1 zum exakten Ladungsausgleich mit einem integrierenden Fehlerverstärker, im einfachsten Fall ein Integrator entsprechend der Eingangsstufe in Bild 4b und Bild 4c.5. A method for correcting the output voltage of the DC / DC converter according to claim 1 for exact charge equalization with an integrating error amplifier, in the simplest case an integrator corresponding to the input stage in Figure 4b and Figure 4c. 6. Verfahren zur Stabiliserung des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 5 durch Abgriff der internen Gegenkopplung vor dem Ausgangsfilter6. The method for stabilizing the DC / DC converter according to claim 5 Tapping the internal negative feedback before the output filter 7. Verfahren zur Reduzierung des Störpegels des DC/DC-Wandlers nach Anspruch 5 durch Einsatz einer aus der Audiotechnik bekannten Rauschformung in Sigma-Delta A/D- und D/A-Wandlern. 7. Procedure for reducing the noise level of the DC / DC converter after Claim 5 by using a known from audio technology Noise shaping in sigma-delta A / D and D / A converters.   8. Verfahren zur Realisierung des Zwei/Vierquadranten-DC/DC-Wandlers entsprechend Anspruch 1 als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Converter nach Bild 4c, entsprechend US Patent 4186437, US Patent 4184197 Patent Nr. 3716826 und 3923311.18. A method for realizing the two / four quadrant DC / DC converter according to claim 1 as a two / four quadrant cuk converter according to Figure 4c, corresponding to US Patent 4186437, US Patent 4184197, Patent No. 3716826 and 3923311.1 9. Verfahren zum Schutz der Anordnungen nach Anspruch 1 vor Zerstörung durch Ergänzung der Grundschaltungen in Bild 4b und Bild 4c durch eine Strombegrenzung, um maximale Ladeströme der Batterie einzuhalten und die Schaltung selbst zu schützen.9. A method for protecting the arrangements according to claim 1 from destruction by supplementing the basic circuits in Figure 4b and Figure 4c by a current limitation in order to maintain maximum charging currents of the battery and to protect the circuit itself. 10. Verfahren zum Schutz der Anordnung nach Anspruch 3 durch einen zusätzlichen Steuereingang der DC/DC-Wandler entsprechend Bild 3, mit dem ein externer Lichtmaschinenladeregler der Batterie eine Überladung der Batterie durch eine externe Quelle am Starthilfeanschluß stoppen kann.10. The method for protecting the arrangement according to claim 3 by an additional control input of the DC / DC converter according to Figure 3, with which an external alternator charge controller of the battery can stop an overcharge of the battery by an external source at the jumper connection. 11. Verfahren zur Diagnosefähigkeit der Anordnung nach Anspruch 1 durch Erweiterung der Anordnung durch eine Diagnoseschaltung mit Schnittstelle zum Fahrzeug-Bussystem um Informationen über den Batterieladezustand und Batteriesymmetrie an einen übergeordneten Zentralrecher übermitteln zu können.11. The method for diagnosing the arrangement according to claim 1 Extension of the arrangement by a diagnostic circuit with interface to the vehicle bus system for information about the battery charge status and transmit battery symmetry to a superordinate central computer can.
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