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Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Elektromotors, eines Kraftfahrzeugs. Mit der Vorrichtung können z.B. Klappen, Schiebetüren und Türen elektromotorisch bewegt werden.

Die Entwicklung elektronischer Baugruppen zeigt, dass Informationen mit immer geringeren Energiepegeln verarbeitet werden, dass ihre Funktionalität ständig zunimmt und dass sich dabei ihre Größe stetig verringert. Diese Entwicklung führt aber auch dazu, dass die Funktion von elektronischen Baugruppen durch elektro- magnetische Störstrahlungen leichter gestört werden kann. Um eine ausreichende Zuverlässigkeit und die Funktion solcher Baugruppen zu gewährleisten, spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wesentliche Rolle. Eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit von Bauelementen kann z.B. erreicht werden, indem die Leistung von Störausstrahlungen verringert wird und/oder die Abschirmung von empfindlichen elektronischen Baugruppen gegen elektromagnetische Störungen verbessert wird.

Ist eine elektronische Baugruppe über elektrische Leitungen mit einem elektrischen Verbraucher verbunden, so können elektromagnetische Störungen, die von der elektronischen Baugruppe ausgehen, über die Leitungen zu dem elektrischen Verbraucher gelangen. Der elektrische Verbraucher und die elektrischen Leitungen können dann als Antenne wirken und die elektromagnetische Störung in die Umgebung abstrahlen. Ist der elektrische Verbraucher weiterhin zum Beispiel mit einer Tür oder einer Klappe eines Kraftfahrzeugs verbunden, so ist es auch mög-

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lieh, dass diese Teile des Kraftfahrzeugs die Abstrahlung der elektromagnetischen Störung begünstigen.

Ein elektronisches Bauteil alleine wird bei Verwendung einer geeigneten Ab- schirmung nur sehr geringe Störstrahlungen aussenden. Ist ein elektronisches Bauelement jedoch über elektrische Leiter mit einem elektrischen Verbraucher verbunden, verursachen elektromagnetische Störaussendungen des elektronischen Bauteils Störspannungen, insbesondere hochfrequente Gleichtaktstörspannungen, und/oder Störströme, insbesondere hochfrequente Gleichtaktstörströme, in den Zuleitungen des elektrischen Verbrauchers. Der elektrische Verbraucher, die Zuleitungen und die metallischen Elemente mit denen der Verbraucher verbunden ist, können dann als Antenne wirken und die elektromagnetische Störung an die Umgebung abgeben. Die Stärke dieses Effekts hängt auch von der Frequenz der Störspannungen ab.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise löst, wobei insbesondere eine Vorrichtung angegeben werden soll, die eine elektronische Baugruppe über elektrische Leitungen mit ei- nem elektrischen Verbraucher so verbindet, dass keine bzw. sehr geringe Störab- strahlungen auftreten. Zudem soll die Vorrichtung preiswert und flexibel im Fahrzeug positionierbar sein und die Möglichkeit eröffnen, bestehende Systeme nachträglich zu verbessern (Nachrüstung).

Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können, und

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weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, gibt Hinweise auf weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Somit umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb mindestens eines elektrischen Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs zumindest: eine elektronische Kontrolleinheit, die mit einem Massepotenzial verbindbar ist, wenigstens einen elektrischen Verbraucher, - mindestens eine elektrische Leitung, die den mindestens einen elektrischen

Verbraucher mit der elektronischen Kontrolleinheit verbindet, und wenigstens eine Masseverbindung, die den mindestens einen elektrischen

Verbraucher über die elektronische Kontrolleinheit mit dem Massepotenzial verbindet.

Als elektrischer Verbraucher kommen zum Beispiel ein elektrischer Antrieb oder ein elektrischer Schalter, ein Radio, eine Lautsprecherbox, eine Antenne oder ein ähnlicher elektrischer Verbraucher eines Kraftfahrzeugs in Betracht, der über e- lektrische Leitungen mit einer elektronischen Baugruppe, insbesondere einer Steuerung und/oder Regeleinheit, verbunden sind. Die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit einer Masseverbindung über die Kontrolleinheit zum Massepotenzial dient der Vermeidung bzw. der Verringerung von elektromagnetischen Störabstrahlungen. Strahlt die elektronische Baugruppe elektromagnetischen Störungen aus, so können diese einen Störstrom, insbesondere einen hochfrequenten Gleichtaktstörstrom, in den Zuleitungen zu dem elektrischen Verbraucher verursachen. Diese Störströme können dann von dem Verbraucher in Form von elektromagnetischer Störstrahlung abgestrahlt werden. Eine Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit dem Massepotenzial, leitet die Störströme zum Massepotenzial ab und kann so die Störabstrahlung verringern.

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Als Massepotenzial ist insbesondere ein elektrisches Potential eines Gegenstandes gemeint. Bei einem Kraftfahrzeug kann z.B. die Karosserie ein Gegenstand mit Massepotenzial sein. Die elektrische Anbindung eines Gegenstandes mit Masse- potenzial an ein anderes Bauteil, insbesondere eine Kontrolleinheit, oder einen elektrischen Verbraucher, erfolgt über eine Masseverbindung, die das Bauteil e- lektrisch leitend mit einem Massepotenzial bzw. mit einem Gegenstand der ein Massepotenzial besitzt verbindet.

Die elektrischen Leitungen können z.B. dazu dienen, einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder auch elektrische Signale zu übertragen. Handelt es sich bei dem elektrischen Verbraucher um einen Elektromotor, so kann dem Elektromotor eine Versorgungsspannung über eine elektronische Kontrolleinheit, insbesondere eine elektronische Steuerung, zur Verfügung gestellt werden. Eine Ansteuerung des Elektromotors von der elektrischen Kontrolleinheit kann insbesondere unter Nutzung einer Pulsweitenmodulation (PWM) geschehen.

Zumeist werden die elektrischen Leitungen (bzw. zumindest eine davon) und die Masseverbindung mit unterschiedlichem Querschnitt ausgeführt, wobei die Masseverbindung regelmäßig einen größeren Querschnitt hat - dies ist aber nicht zwingend erforderlich.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der mindestens eine elektrische Verbraucher mindestens einen Elektromotor umfasst, wobei weiter der mindestens eine Elektromotor bevorzugt ein Gehäuse und mindestens zwei elektrische Anschlüsse hat, bei dem jeweils eine elektrische Leitung mit einem elektrischen Anschluss und die, insbesondere eine, Masseverbindung mit dem Gehäuse verbunden ist.

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Die in den elektrischen Leitungen fließenden Störströme können über kapazitive Kopplungen zu dem Gehäuse gelangen und von dort abgestrahlt werden. Die e- lektromagnetische Störabstrahlung des Gehäuses wird nun so verringert, indem das Gehäuse des Motors, insbesondere die metallischen bzw. elektrisch leitenden Teile des Gehäuses, über die Masseverbindung mit der elektronischen Kontrolleinheit verbunden wird und diese Kontrolleinheit mit dem Massepotenzial verbunden ist.

Die Lage der elektrischen Leitungen relativ zu der Masseverbindung hat eine Auswirkung auf die Größe der auftretenden Störabstrahlung. Lagen der Leitungen zu der Masseverbindung, die geringe Störabstrahlungen aufweisen, werden in den folgenden Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung liegen die mindestens eine elektrische Leitung und die mindestens eine Masseverbindung, die einen Verbindungsweg bestimmen, zum überwiegenden Teil des Verbindungsweges aneinander an, wobei der überwiegende Anteil bevorzugt wenigstens 70 % oder sogar wenigstens 90 % des Verbindungsweges beträgt.

Der Verbindungsweg meint hier den Weg von dem elektrischen Verbraucher über eine Masseverbindung oder über eine elektrische Leitung hin zu der elektronischen Kontrolleinheit. Das Aneinanderanliegen der Masseverbindung und einer elektrischen Leitung umfasst auch, dass die elektrische Leitung nicht weiter als z.B. 5 cm (oder sogar nur 2 cm sowie gegebenenfalls höchstens 0,8 cm) von der Masseverbindung entfernt liegen (oder mit direktem Kontakt zueinander). Das Aneinanderanliegen der elektrischen Leitungen und der Masseverbindung kann auch dadurch erreicht werden, dass die elektrischen Leitungen an die Masseverbindung geklebt sind, bzw. eine gemeinsame Hülle aufweisen und auf diese Weise

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ein Kabel bilden, das die elektrischen Leitungen und die Masseverbindung einschließt. Die elektrischen Leitungen und die Masseverbindung sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Dies weist den Vorteil auf, dass bei der Installation im Kraftfahrzeug nur das eine Kabel verlegt werden muss, und die elektrischen Lei- tungen sich bereits in geeigneter Position relativ zu der Masseverbindung befinden.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die mindestens eine elektrische Leitung mit der mindestens ei- nen Masseverbindung nicht verschlungen ist. Nicht verschlungen bedeutet auch, dass die elektrische Leitung nicht mit der mindestens einen Masseverbindung verdrillt ist bzw. die elektrische Leitung die Masseverbindung, die häufig die dickere Verbindung im Vergleich zu der elektrischen Leitung ist, nicht umschlingt. Ein solches Verschlingen kann sich nachteilig auf die Leistung der auftretenden Stör- abstrahlung der Vorrichtung auswirken.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen vorgesehen ist, wobei eine Masseverbindung mittig zu der Mehrzahl von elektrischen Leitungen positio- niert ist. Eine solche Positionierung zeichnen sich durch eine besonders geringe Störabstrahlleistungen der Vorrichtung aus.

Bei drei elektrischen Leitungen und einer Masseverbindung kann die mittige Lage z.B. bedeuten, dass die Masseverbindung zwischen der ersten und zweiten bzw. zwischen der zweiten und dritten Leitung in einer Ebene angeordnet ist, oder dass die Leitungen entlang eines gedachten Hohlzylinders liegen, der die Masseverbindung umschließt.

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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der zwei elektrische Leitungen in einer Ebene angeordnet sind und eine einzelne Masseverbindung dazwischen positioniert ist. Mit anderen Worten heißt das auch, dass zwei elektrische Leitungen außen liegen und eine Masseverbindung dazwischen an beiden Leitungen anliegend positioniert ist, gegebenenfalls nach Art eines so genannten Flachbandes. Eine solche Anordnung ermöglicht ein einfaches Verlegen der Leitungen im Fahrzeug bei gleichzeitig minimierten Störabstrahlleistungen der Vorrichtung.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Vorrichtung zum Bewegen einer Klappe an einem Kraftfahrzeug zu verwenden. Die Klappe kann insbesondere eine Tür, eine ^" Schiebetür, ein Schiebedach, eine Laderaumklappe, ein Fenster, die Motorraumklappe, die Tankdeckelklappe oder ein anderes bewegliches, verschwenkbares und/oder verfahrbares Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Türen bzw. Schiebetüren eingesetzt werden, die eine elektronische Steuerungseinrichtung aufweisen. Solche Steuerungseinrichtungen können beispielsweise in einer Schiebetür angeordnet und mit dieser zusammen beweglich ausgebildet sein.

Insbesondere findet die hier erfindungsgemäß beschriebene Vorrichtung ihren Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wobei der wenigstens eine elektrische Verbraucher an einem, insbesondere elektrisch isoliert beschichteten, Karosseriebauteil des Kraftfahrzeugs befestigbar ist. Als Karosseriebauteile werden zum Beispiel Türen, Laderäume, Insassenräume und ähnliches angesehen. Mit elektrisch iso- liert beschichteten Karosseriebauteilen sind insbesondere lackierte Karosseriebauteile gemeint. Ist ein Karosseriebauteil mit dem Gehäuse eines elektrischen Verbrauchers elektrisch verbunden und besitzt diese Karosseriebauteil Massepotenzial, so ist die Störabstrahlung, die insbesondere von den hochfrequenten Gleichtaktstörströmen auf den Zuleitungen des elektrischen Verbrauchers verur-

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sacht wird, deutlich vermindert. Ist jedoch die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Karosseriebauteil nicht leitend, z.B. verursacht durch die Lackierung, oder besitzt das Karosseriebauteil kein Massepotenzial, weil es z.B. nicht elektrisch leitend mit dem Massepotenzial eines anderen Karosseriebauteils verbunden ist, so wird die Störabstrahlung nicht vermindert. Im Gegenteil kann dann das Karosseriebauteil als Antenne wirken und die Störabstrahlung noch verstärken. Dieses Problem wird hier sicher gelöst, so dass sich gerade Vorteile bei der Massenfertigung im Automobilbau ergeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wobei ein elektrischer Verbraucher einen Elektromotor zum Betätigen einer Klappe des Kraftfahrzeugs aufweist.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nun anhand der Figuren nä- her erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsvarianten die Erfindung nicht beschränken. Regelmäßig werden gleiche Bauteile in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit einem Kraftfahrzeug verbunden ist und zur Bedienung einer Klappe dient,

Fig. 2: Anschlüsse und Verbindungen zwischen einer elektrischen Kontrolleinheit und einem elektrischen Verbraucher,

Fig. 3: gemessener Pegelverlauf bei Langwellen bei einer bekannten Vorrichtung,

Fig. 4: gemessener Pegelverlauf bei Langwellen bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

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Fig. 5: gemessener Pegelverlauf bei Mittelwellen bei einer bekannten Vorrichtung, und

Fig. 6: gemessener Pegelverlauf bei Mittelwellen bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 , die an einem Kraftfahrzeug 2 angeschlossen ist und zum Bewegen einer Klappe 11 dient. Die elektronische Kontrolleinheit 4 ist über eine zweite Masseverbindung 3 mit dem Massepotenzial 15 des Kraftfahrzeugs 2 verbunden. Der elektrische Verbraucher 10 wird über die erste elektrischen Leitungen 8 und die zweite elektrische Leitung 12 von der e- lektrischen Kontrolleinheit 4 gespeist. Der elektrische Verbraucher 10 ist über eine erste Masseleitung 14 mit der elektrischen Kontrolleinheit 4 verbunden. Der elektrische Verbraucher 10 ist weiterhin an einem Karosseriebauteil 20 befestigt und dient zum Bewegen der Klappe 11. Die von der elektronischen Kontrolleinheit 4 ausgestrahlten Störstrahlungen verursachten bislang in der ersten elektrischen Leitung 8 und der zweiten elektrischen Leitung 12 eine hochfrequente Gleichtaktstörung 5 sowie eine hochfrequente Gegentaktstörung 6. Insbesondere die Gleichtaktstörung wurde dann an die Umgebung abgestrahlt. Mit der hier gezeigten Vorrichtung konnte diese Abstrahlungsleistung deutlich verringert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch mögliche Verbindungen und Anschlüsse der elektroni- sehen Kontrolleinheit 4 und des hier als Elektromotor 16 ausgebildeten elektrischen Verbrauchers. Die erste elektrische Leitung 8 und die zweite elektrische Leitung 12 sind jeweils über einen ersten elektrischen Anschluss 17 und einen zweiten elektrischen Anschluss 18 mit einem Elektromotor 16 verbunden. Der Elektromotor 16 befindet sich in einem Gehäuse 9. Die erste elektrische Leitung 8

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und die zweite elektrische Leitung 12 sind imaginär über die erste kapazitive Kopplung 7 und die zweite kapazitive Kopplung 13 mit dem Gehäuse 9 verbunden. Die Anordnung aus dem Elektromotor 16, der Leitungen 8 und 12 sowie dem Gehäuse 9 weist damit eine parasitäre kapazitive Kopplung auf. Das Gehäuse 9 ist über eine erste Masseverbindung 14 mit der elektrischen Kontrolleinheit 4 verbunden. Die erste Masseverbindung 14 liegt den überwiegenden Teil eines Verbindungsweges 19 mittig und in einer Ebene 21 zwischen der ersten elektrischen Leitung 8 und der zweiten elektrischen Leitung 12.

Die Gleichtaktstörung 5 gelangt von der ersten elektrischen Leitung 8 und der zweiten elektrische Leitung 12 kapazitiv zu dem Gehäuse 9 des Elektromotors 16. Vom Gehäuse 9 werden die Gleichtaktstörungen über eine Masseverbindung 14 zur elektronischen Kontrolleinheit 4 geleitet und von dort mit einem Massepotenzial 15 verbunden. Dies fuhrt zu einer erheblich geringeren Störabstrahlung. Die besondere Lage der ersten Masseverbindung 14, der ersten elektrischen Leitung 8 und der zweiten elektrischen Leitung 12 zueinander bewirkt ebenfalls eine verringerte Störabstrahlung.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen schematisch den gemessenen Pegelverlauf 26 der Störab- Strahlung einer bekannten Vorrichtung (Fig. 3) und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 4) im Vergleich. Hierbei wurde ein Elektromotor untersucht, der zum öffnen bzw. Verschwenken einer Heckklappe oder zum Auf- und Zufahren von Schiebetüren dient. Dabei sind zunächst die Langwellen betrachtet worden, insbesondere in einem Bereich von 150 kHz bis 300 kHz, wobei der darge- stellte Frequenzbereich 25 sich beispielsweise gerade über diesen Bereich erstreckt. Gezeigt ist zudem ein erstes Limit 22, welches insbesondere die maximale Verträglichkeit anderen Bauteile des Kraftfahrzeuges veranschaulicht (z.B. 10 dbμV; 10 Dezibel-Mikrovolt). Es ist erkennbar, dass die Spitzen bzw. Maximalwerte des Pegelverlaufes 26 Pegel der Störstrahlung 24 erreichen, die das Dop-

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pelte, das Dreifache, das Vierfache oder sogar darüber hinausgehende Vielfache dieses ersten Limits 22 erreichen (vergleiche Fig. 3). In Fig. 4 ist dahingegen der Pegelverlauf 26 gezeigt, der mit einer erfindungsgemäßen Abwandlung erreicht werden konnte, der über den gesamten hier betrachteten Frequenzbereich 25 un- terhalb des ersten Limits 22 bleibt.

In entsprechender Weise wurden die Untersuchungen auch mittleren Frequenzbereich durchgeführt, insbesondere im Frequenzbereich 25 von 500 kHz bis 1,7 MHz, Messungen durchgeführt, die in Fig. 5 und Fig. 6 gegenübergestellt sind. Dabei wurde nun ein zweites Limit 23, das insbesondere kleiner als das erste Limit 22 ist - z.B. 6 dBμV betrachtet. Auch aus dem Vergleich dieser beiden Figuren geht die überraschend positive Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor, die wiederum beispielhaft für einen Elektromotor einer Schiebetür eines Kraftfahrzeuges getestet wurde. Es ließ sich zudem feststellen, dass die Erfindung besonders wirksam im Frequenzbereich bis ca. 1,7 MHz ist, da hier insbesondere alle signifikanten EMV-Maxima unterdrückt werden.

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Bezugszeichenhste

1 Vorrichtung

2 Kraftfahrzeug

3 zweite Masseverbindung

4 elektronische Kontrolleinheit

5 Gleichtaktstörung

6 Gegentaktstörung

7 erste kapazitive Kopplung

8 erste elektrische Leitung

9 Gehäuse

10 Verbraucher

11 Klappe

12 zweite elektrische Leitung

13 zweite kapazitive Kopplung

14 erste Masseverbindung

15 Massepotenzial

16 Elektromotor

17 erster elektrischer Anschluss

18 zweiter elektrischer Anschluss

19 Verbindungsweg

20 Karosseriebauteil

21 Ebene

22 erstes Limit

23 zweites Limit

24 Pegel der Störstrahlung

25 Frequenzbereich

26 Pegelverlauf