DE19952334C2 - Starting aid for motor vehicles with high vehicle electrical system voltage - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Einrichtung zur Realisierung eines Anschlusses eines Fahrzeugs mit Hochvoltbordnetz mittels eines konventionellen Starthilfekabels für eine Starthilfe an einem Fahrzeug mit 12 V/14 V Batterie/Bordnetz vorgeschlagen mit einem im Hochvoltbordnetz angeordneten symmetrisierenden DC/DC-Wandler und einer Schnittstelle in Form eines Batterieanschlusses für die Starthilfe, die gegenüber dem bisherigen System im wesentlichen unverändert ist.A device for realizing a connection of a vehicle with a high-voltage on-board network by means of a conventional jump starter cable for starting aid on a vehicle with a 12 V / 14 V battery / on-board network is proposed with a symmetrizing DC / DC converter arranged in the high-voltage on-board network and an interface in the form of a battery connection for starting aid, which is essentially unchanged from the previous system.
Description
Die Erfindung betrifft die Kombination einer speziellen Batterieanordnung und spezieller batteriesymmetriesierender 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 Jump starter cable should be started from another vehicle, the old method works, namely connecting the two Vehicle batteries with a jump lead 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 Explosion of the batteries.
Die DE 195 01 925 A1 offenbart eine Schaltung, die es ermöglicht, mit dem Bordnetz eines Zugfahrzeuges die Beleuchtungs- und Signalanlage eines Hängers zu betreiben, wenn diese für eine kleinere Betriebsspannung als die des Zugfahrzeuges ausgelegt ist. Die Anpassung erfolgt mittels einer Schaltung, die eine Zerhackerschaltung umfaßt, die die Signalspannungen in Höhe der Betriebsspannung des Zugfahrzeuges periodisch mit einem derartigen Tastverhältnis so auf die zugeordneten Anschlüsse schaltet, daß Lampen des Hängers im zeitlichen Mittel ihre elektrische Nennleistung aufnehmen. Auf diese Weise werden die Lampen kurzfristig mit einer erhöhten Betriebsspannung des Zugfahrzeuges angesteuert, was aufgrund der Trägheit der Lampen möglich ist, ohne daß die Lebensdauer der Lampen beeinträchtigt wird. Mit dieser Schaltung ist allerdings keine Starthilfe bei Kraftfahrzeugen mit hoher Bordnetzspannung möglich.DE 195 01 925 A1 discloses a circuit that enables the Vehicle electrical system of a towing vehicle, the lighting and signaling system of a Operate trailer if this for a lower operating voltage than that of the Towing vehicle is designed. The adjustment is carried out using a circuit that comprises a chopper circuit, the signal voltages in the amount of Operating voltage of the towing vehicle periodically with such Duty cycle switches to the assigned connections so that lamps of the The average electrical power. To this In this way, the lamps are used for a short time with an increased operating voltage Controlled towing vehicle, which is possible due to the inertia of the lamps, without affecting the life of the lamps. With this circuit is, however, not a starting aid for vehicles with high vehicle electrical system voltage possible.
Die DE 196 49 392 C2 offenbart ein Verbindungskabel zur Spannungserhaltung bei Kraftfahrzeugen durch externe Stromquellen. Dieses Verbindungskabel ermöglicht den Anschluß einer ausgebauten bzw. abgeklemmten Batterie an einem Spannungsversorgungsnetz. Mit diesem Kabel ist ebenfalls keine Starthilfe bei Kraftfahrzeugen mit hohen Bordnetzspannungen möglich.DE 196 49 392 C2 discloses a connection cable for maintaining voltage in motor vehicles by external power sources. This connection cable enables the connection of a removed or disconnected battery a power supply network. This cable is also not a jump start possible for motor vehicles with high vehicle electrical system voltages.
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 batteriesymetriesierende DC/DC-Wandler im 42 V Fahrzeug entsprechend Fig. 1 bis Fig. 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 making any changes to the previous systems. The batteriesymetriesierende DC / DC converter in the 42 V vehicle according to Fig. 1 to Fig. 3 now ensures that the energy which is made V tap available at 12 is redistributed evenly to the other battery cells and the 42 V car then start can.
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 Symmetriesierung 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 despite different loads due to symmetrization remains identical.
Das Prinzip läßt sich am einfachsten und vorteilhaftesten in Systemen mit konventionellen Standard-Bleibatterien einsetzen. Die Symmetriesierung 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 umzuformen.The principle is easiest and most advantageous to use in systems use conventional standard lead acid batteries. The symmetry has but also advantages in other battery technologies. The described converter can also be used as a bidirectional DC / DC converter for e.g. B. 12 V / 14 V can be used to convert the energy to be fed in at the output to the 42 V voltage.
Der in Fig. 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 Fig. 4 can be particularly inexpensive and with few components compared to conventional DC / DC converters, which have been optimized for single-quadrant operation and in forums and discussion events of the automotive industry, as a power supply from 12/14 V devices are discussed in the high-voltage electrical system. Converters 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 Fig. 4b und Fig. 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 subcomponents of the invention have already been tried and tested in practice. The two / four-quadrant DC / DC converter according to Fig. 4b and Fig. 4c has already been described extensively in audio applications and tested. In principle, their circuits are comparable to the designs of servo amplifiers for motors and regenerative DC-DC converters.
Die Erfindung ermöglicht eine sehr zuverlässige, EMV-Optimierte und kostengünstige Lösung der Aufgabe.The invention enables a very reliable, EMC-optimized and cost-effective solution to the task.
In Fig. 1 zeigt die Anordnung des symmetriesierenden 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.In Fig. 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 z. B. can be constructed from two 12 V batteries in series connection.
Fig. 2 zeigt die Anordnung des symmetriesierenden DC-DC-Wandlers für ein System bestehend aus einer 36 V Batterie mit 12 V Abgriff. Fig. 2 shows the arrangement of the symmetrizing DC-DC converter for a system consisting of a 36 V battery with 12 V tap.
Fig. 3 zeigt die Anordnung des symmetrierenden DC-DC-Wandler aus Fig. 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. Fig. 3 shows the arrangement of the symmetrizing DC-DC converter from Fig. 1 and 2 as a bidirectional DC / DC converter whose output is used as a universal jump starter and which at the same time with an additional backup capacitor at the output the 12 V / 14 V supply for can take over the on-board electrical system, as long as this is not realized via decentralized DC / DC converters.
Fig. 4 zeigt die Ersatzschaltbilder des Wandlers in den Fig. 1-3 (Fig. 4a) und die kostengünstige Realisierungsmöglichkeit mit Hilfe eines selbstschwingenden Präsisions-D-Verstärkers (Fig. 4b) oder eines besonders emmissionsarmen bidirektionalen Cuk-Converters. FIG. 4 shows the equivalent circuit diagrams of the converter in FIGS. 1-3 ( FIG. 4a) and the cost-effective implementation option with the aid of a self-oscillating precision D-amplifier ( FIG. 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 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-Wandlern 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:
1. Heinrich Kümmeke; Steuerbarer Oszillator für zahlreiche praktische
Anwendungen; ELEKTRONIK 1980, Heft 1;
2. Klaus Gruppenbacher; Linearer Schaltverstärker hoher Leistung, Studienarbeit
St 1773 ÜT, TH Darmstadt 1980;
3. Herbert Sax; Schalten statt Heizen, HiFi-Audio-Endstufe mit
Pulsweitenmodulation; ELEKTRONIK 1988, Heft 23;
4. Michael König; Schaltregler für Wechselspannungen;
ELEKTRONIK 1988, Heft 23.The circuit of the converter is described in detail in the literature and has also been tried and tested in practice:
1. Heinrich Kümmeke; Controllable oscillator for numerous practical applications; ELECTRONICS 1980 , Issue 1;
2. Klaus Gruppenbacher; Linear switching amplifier high performance, student research project St 1773 ÜT, TH Darmstadt 1980 ;
3. Herbert Sax; Switching instead of heating, HiFi audio power amplifier with pulse width modulation; ELECTRONICS 1988 , Issue 23;
4. Michael König; Switching regulators for AC voltages; ELECTRONICS 1988 , Issue 23.
Der DC/DC-Wandler kann auch als Zwei/Vierquadranten-Cuk-Konverter entsprechend Fig. 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 according to FIG. 4c. The transducer is described in detail in U.S. Patent Nos. 4186437, 4184197, 3716826 and 3923311.1 and is particularly suitable for use from an EMC point of view.
Claims (13)
drei identische in Serie geschaltete Batterien, oder eine Batterie mit 12 V und
eine Batterie mit 24 V oder eine 36 V Batterie mit 12 V Abgriff. 5. Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the high-voltage electrical system comprises:
three identical batteries connected in series, or one battery with 12 V and
a battery with 24 V or a 36 V battery with 12 V tap.
eine Diagnoseschaltung mit Schnittstelle zum Fahrzeug-Bussystem um Informationen über den Batterieladezustand und die Batteriesymmetrie an einen übergeordneten Zentralrechner übermitteln zu können.13. The device according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the circuit further comprises:
a diagnostic circuit with an interface to the vehicle bus system in order to be able to transmit information about the battery charge state and the battery symmetry to a higher-level central computer.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: REICHARD, RUDOLF, 64853 OTZBERG, DE |
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8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140501 |