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Die
Erfindung betrifft ein Kampffahrzeug mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer
Energie in einem Kampffahrzeug mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 5 sowie ein Verfahren zum Ausschalten mindestens
eines Rechnersystems in einem Kampffahrzeug mit den Merkmalen aus
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Bekannte
Kampffahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf,
in welchem ein Generator und zumeist eine Batterie als Spannungsquelle
dienen. An das Bordnetz kann ein Richtantrieb zum Richten einer
Waffe angeschlossen werden. Zudem können auch Rechnersysteme zur
Spannungsversorgung an das Bordnetz angeschlossen werden. Bei einer
solchen Ausgestaltung des Bordnetzes treten jedoch eine Reihe von
Problemen auf. Der Richtantrieb, der häufig schnell eine große Masse
bewegen muss, benötigt
eine große
Energiemenge in kurzer Zeit. Konventionelle Batterien sind jedoch
nicht in der Lage, hohe Energiemengen in kurzer Zeit zur Verfügung zu
stellen, so dass zu Beginn der Richtbewegung der Richtantrieb nicht
die volle Leistung entfalten kann. Dieses Problem tritt insbesondere
dann auf, wenn der Richtantrieb innerhalb eines Turmes des Kampffahrzeuges
angeordnet ist, wobei der Richtantrieb in diesem Fall in der Regel
an ein elektrisches Turmnetz angeschlossen ist, das über einen Schleifring
mit der Spannungsquelle des Bordnetzes verbunden ist. Hierbei können hohe Übergangswiderstände und
Verluste auftreten.
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Ein
weiteres Problem kann dann auftreten, wenn der Richtantrieb beim
Bremsen im Generatorbetrieb betrieben wird. Durch die Rückspeisung
in das Bordnetz können Überspannungen
auftreten, die andere, an das Bordnetz angeschlossene, Komponenten
beschädigen
können.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Ausschalten des Bordnetzes über einen
Hauptschalter des Kampffahrzeugs auch die daran angeschlossenen
Rechnersysteme von der Spannungsversorgung getrennt werden. Dies
ist jedoch problematisch, da die Rechnersysteme zumeist ein Betriebssystem aufweisen,
so dass die Rechnersysteme ordnungsgemäß von dem Betriebszustand in
den ausgeschalteten Zustand überführt werden
sollten, um den vorhandenen Systemstatus sowie nicht gesicherte
Daten zu speichern. Aus diesem Grund ist es bekannt, Akkuzellen
an das Bordnetz anzuschließen.
Diese sind jedoch einer nachteiligen Alterung unterworfen, so dass
ein hoher Wartungsaufwand entsteht.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, mindestens einen der genannten Nachteile
zu verbessern. Die Erfindung löst
die Aufgabe vorrichtungsmäßig mit den
Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und
verfahrensmäßig mit
den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 5
sowie mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Bestandteil der abhängigen Ansprüche.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mindestens ein Kondensatorelement
an das Bordnetz anzuschließen.
Bevorzugt werden Doppelschicht-Kondensatoren,
die auch unter der Bezeichnung Ultra-Caps und Super-Caps bekannt
sind, verwendet. Solche Kondensatorelemente zeichnen sich dadurch
aus, dass sie bei hoher Zuverlässigkeit
eine hohe Leistungsdichte aufweisen, so dass die gespeicherte Energie
schnell abgegeben werden kann. Das Kondensatorelement kann somit
zu Beginn einer Richtbewegung der Waffe eines Kampffahrzeugs zum
Entladen gebracht werden, so dass dem Richtantrieb schnell eine
große
Energiemenge zur Verfügung
steht. Zur Steuerung des Entladevorganges kann eine Steuereinheit
verwendet werden, die mit dem Kondensatorelement verbunden ist.
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Wenn
das Kondensatorelement unmittelbar an das Bordnetz angeschlossen
ist, kann der ansonsten entstehende Spannungseinbruch sofort von dem
Konden satorelement ausgeglichen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass
der Beginn der Richtbewegung durch eine mit der Steuereinheit verbundenen
Spannungssensierung durch Messen des Spannungsabfalls ermittelt
wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinheit
des Kondensatorelements mit der Antriebselektronik des Richtantriebs
verbunden, so dass der Beginn der Richtbewegung durch die Auswertung
von Steuersignalen aus der Antriebselektronik ermittelt wird. Die
Steuereinheit kann somit das Entladen zu einem definierten Zeitpunkt
einleiten.
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Nach
der Beschleunigungsphase der Richtbewegung sollte das Kondensatorelement
wieder aufgeladen werden, damit für den nächsten Richtvorgang wieder
eine ausreichende Energiemenge in dem Kondensatorelement gespeichert
ist. Wenn der Richtantrieb beim Bremsen im Generatorbetrieb betrieben
wird, kann die rückgespeiste
Energie dazu verwendet werden, das Kondensatorelement aufzuladen.
Hierbei entsteht der Vorteil, dass eventuell auftretende Überspannungen
durch das Kondensatorelement gepuffert werden können. Aus diesem Grund sollte
das Kondensatorelement nicht bis zur maximal möglichen Spannung aufgeladen
sein. Vielmehr sollte durch Aufladen auf einen Sollwert eine Spannungsreserve
erhalten bleiben, so dass auftretende Überspannungen auch tatsächlich gepuffert
werden können.
Wenn das Kondensatorelement durch Überspannungen über den
vorgegebenen Grenzwert aufgeladen wurde, sollte er anschließend über einen Entladewiderstand
definiert entladen werden, bis der vorgegebene Sollwert wieder erreicht
ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Kondensatorelement über ein
Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterelement, mit dem Bordnetz verbunden.
Somit ist es möglich,
dass der Aufladevorgang, insbesondere über eine zeitabhängige Gate-Ansteuerung
des Halbleiterelements, im Impulsspeicherbetrieb erfolgt. Dies hat
gegenüber
einem kontinuierlichen Laden den Vorteil, dass das Kondensatorelement
nicht bis zur Sättigung
geladen werden muss. Bevorzugt ist die Impulsdauer T < 300 Millisekunden.
Durch das Schaltelement kann die Steuereinheit das Kondensatorelement
vom Bordnetz trennen und somit definiert laden bzw. entladen.
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Das
Kondensatorelement kann erfindungsgemäß auch als unterbrechungsfreie
Spannungsversorgung für
ein Rechnersystem des Kampffahrzeugs verwendet werden. Das Kondensatorelement
wird hierbei nach Ausschalten der Spannungsquelle des Bordnetzes,
bewirkt von einer Steuereinheit, die mit dem Kondensatorelement
verbunden ist, entladen. Mit dem Entladevorgang kann begonnen werden,
sobald das Ausschalten der Spannungsversorgung erkannt wurde. Das
Ausschalten der Spannungsversorgung kann beispielsweise mittels
einer Spannungssensierung im Bordnetz erkannt werden. Es ist jedoch
auch möglich,
dass die Steuereinheit von dem Zentralrechner des Kampffahrzeuges
ein Signal erhält,
dass die Spannungsversorgung ausgeschaltet wird. In einer bevorzugten
Ausgestaltung wird über eine
Signalleitung vom Hauptschalter des Kampffahrzeuges zur Steuereinheit
des Kondensatorelements ein Signal gesendet, wenn der Hauptschalter
ausgeschaltet wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann nach Erkennung des
Ausschaltens der Spannungsversorgung ein Signal an das auszuschaltende
Rechnersystem mit der Aufforderung abgegeben werden, dass mit dem
definierten Ausschaltvorgang des Rechnersystems begonnen werden
soll.
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Um
das Kondensatorelement nicht vollständig zu entladen, kann vorgesehen
werden, dass der Entladevorgang nur für eine vorgegebene Zeitdauer erfolgt.
Diese Zeitdauer sollte derart bemessen sein, dass sie länger als
die Zeitdauer des Rechners ist, der durch die längste Zeitdauer vom geordneten Übergang
vom Betriebszustand in den ausgeschalteten Zustand gekennzeichnet
ist.
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Der
Entladevorgang des Kondensatorelements kann auch dadurch beendet
werden, dass die Steuereinheit ein Signal über eine Statusleitung, die die
Steuereinheit mit dem Rechnersystem verbindet, empfängt.
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Der
Sollwert der Ladespannung des Kondensatorelements sollte somit derart
gewählt
werden, dass somit mindestens ein Beschleunigungsvorgang des Richtantriebs
ausgeführt
werden kann und zudem das ordnungsgemäße und vollständige Herunterfahren
der im Kampffahrzeug betriebenen IT-Systeme gewährleistet ist.
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Um
die Spannung am Kondensatorelement auf dem Sollwert zu halten, kann
die Spannung am Kondensatorelement fortlaufend sensiert werden. Falls
die Spannung unterhalb des vorgegebenen Sollwertes liegt, kann das
Kondensatorelement nachgeladen werden. Liegt die Spannung darüber, so
wird das Kondensatorelement entladen. Zum Schutz des Kondensatorelements
kann ein Überspannungsschutz
vorgesehen werden, welcher Überspannungen
von dem Kondensatorelement abhält.
Zudem kann die Temperatur am Kondensatorelement gemessen werden,
so dass bei Überschreiten einer
vorgegebenen Grenztemperatur das Kondensatorelement zum Schutz von
der Bordnetzspannung getrennt werden kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der Strom im Strompfad
des Kondensatorelements bei der Entladung gemessen. Zudem können die
Ladezyklen des Kondensatorelements protokolliert werden. Aus diesen
beiden Maßnahmen
kann eine Vorhersage über
die voraussichtliche Lebensdauer erstellt werden, so dass eine erforderliche Wartung
beziehungsweise ein Austausch der Zellen angekündigt werden kann.
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In
der Steuereinheit kann zudem eine Prüfeinheit integriert werden,
welche an den Zentralrechner des Kampffahrzeuges bzw. an den Kommandanten
Statusmeldungen über
den Betriebszustand der Steuereinheit und der daran angeschlossenen
Komponenten senden kann.
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Die
Verbindung zwischen der Steuereinheit und dem Zentralrechner erfolgt
bevorzugt über
ein Bussystem, wie ein CAN-Bus.
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Ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der 1 bis 3 beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Ersatzschaltbild des Bordnetzes eines Kampffahrzeuges mit einem
angeschlossenen Richtantrieb;
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2 ein
Ersatzschaltbild des Bordnetzes nach 1 mit angeschlossenem
Rechnersystem; und
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3 ein
Blockschaltbild der Steuereinheit aus 1.
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Die 1 zeigt
das Blockschaltbild eines Bordnetzes eines nicht weiter dargestellten
Kampffahrzeugs. Als Spannungsquellen weist das Bordnetz einen Generator
G und eine Batterie B auf. Über einen
Schleifring 4 ist ein in dem Turm des Kampffahrzeugs angeordneter
Richtantrieb 2 zum Richten einer nicht dar gestellten Waffe über einen
Wechselrichter 5 und den Turmstromkreis T mit dem Bordnetz verbunden.
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An
den Turmstromkreis T ist zudem ein Doppelschicht-Kondensator als
Kondensatorelement C1 über
eine Schmelzsicherung F1 und ein als Schaltelement wirkendes Leistungshalbleiterelement
V1 beziehungsweise einen DC/DC-Wandler
U1 an das Turmnetz T angeschlossen. Über eine Steuereinheit 1 kann
mittels des DC/DC-Wandlers U1, der eine einstellbare Spannung für das Kondensatorelement
C1 bereitstellt, und des Leistungshalbleiterelements V1 das Kondensatorelement
auf eine vorgegebene Spannung geladen werden.
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Die
in 3 dargestellte Steuereinheit 1 beinhaltet
einen Mikro-Controller, der über
den Eingang U-T mit Spannung versorgt wird. Zudem sind eine Reihe
von Messeingängen
vorgesehen: Über
den Eingang U-Sense wird die Spannung im Turmnetz am Halbleiterschalter
V1 sensiert. Über
den Eingang Temp Cap wird die Temperatur am Kondensatorelement C1
gemessen. Über
den Eingang U Cap wird die Spannung am Kondensatorelement gemessen.
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Im
Normalbetrieb, in dem der Richtantrieb 2 nicht aktiv ist,
wird das Kondensatorelement C1 auf einen vorgegebenen Sollwert aufgeladen.
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Zu
Beginn der Richtbewegung benötigt
der Richtantrieb 2 eine große Energiemenge in kurzer Zeit.
Aus diesem Grund kommt es zu einem kurzzeitigen Spannungsabfall
im Turmnetz T, welcher durch den Messeingang U-Sense der Steuereinheit
mitgeteilt wird. Die Steuereinheit veranlasst nunmehr über die
Signalausgänge
Cap Laden und Cap on/off, dass das aufgeladene Kondensatorelement
C1 die gespeicherte Energie durch Entladung abgibt. Durch die somit dem
Turmnetz zugeführte
Energie kann in der Anfangsphase der Richtbewegung die Leistung des
Richtantriebs 2 deutlich erhöht werden. Die Steuereinheit 1 weist
zudem einen Signaleingang "schnell-schwenken" auf, über den
ihr mittels einer direkten Steuerleitung von der nicht dargestellten
Antriebselektronik des Richtantriebes mitgeteilt werden kann, dass
ein Richten der Waffe durchgeführt
werden soll, so dass zu einem definierten Schaltzeitpunkt die Entladung
des Kondensatorelements C1 eingeleitet werden kann.
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Beim
Bremsen der Waffe arbeitet der Richtantrieb 2 im Generatorbetrieb,
so dass eine Spannung in das Turmnetz T rückgespeist wird. Treten hierbei Überspannungen
auf, so werden diese durch das Kondensatorelement C1 gepuffert.
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Falls
eine Überspannung
durch das Kondensatorelement C1 gepuffert wurde, wird dieses anschließend wieder
durch eine definierte Entladung auf den vorgegebenen Sollwert gebracht,
so dass bei Auftreten von weiteren Überspannungen die Spannungsreserve
wieder zur Verfügung
steht.
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In 2 ist
dargestellt, dass an das Turmnetz T im Turm angeordnete IT-Subsysteme
als Rechnersysteme 3, beispielsweise ein Führungssystem, über eine
DC-Powerbox angeschlossen sind. Bei Ausschalten des Fahrzeughauptschalters
empfängt
die Steuereinheit 1 ein Signal über den Signaleingang Fahrzeug-Hauptschalter aus.
Die Steuereinheit 1 gibt über den Signalausgang Shut
down ein Signal an die Rechnersysteme 3 ab, mit der Aufforderung,
dass sich diese ausschalten sollen. Um die Spannungsversorgung für den Ausschaltvorgang
zu gewährleisten,
wird zum einen über
den Signalausgang IT on/off das Relais S geschlossen, so dass sich
das Kondensatorelement C1 entladen kann. Somit leistet das Kondensatorelement
C1 zusammen mit der Steuereinheit 1 eine für alle IT-Subsysteme übergreifende
unterbrechungsfreie Spannungsversorgung.
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Der
Steuereinheit 1 ist bekannt, dass die längste Zeitdauer des Rechners,
der am längsten zum
Herunterfahren braucht, weniger als fünf Minuten beträgt. Aus
diesem Grund wird das Relais S nach einer Zeitdauer von fünf Minuten
wieder geöffnet,
so dass eine Restladung auf dem Kondensatorelement C1 erhalten bleibt.
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In
gleicher Weise kann auch bei unerwarteten Spannungseinbrüchen, die über den
Messeingang U-Sense sensiert werden, eine Spannungsversorgung der
Rechnersysteme 3 über
das Kondensatorelement C1 gewährleistet
werden.
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Die
Steuereinheit 1 kann optional über einen CAN-Bus mit der digitalen
Zentrallogik und Hauptverteilung dig. ZLHV verbunden werden, um
Statusinformationen auszutauschen. Diese können dann wiederum über einen
CAN-Bus (Fz-Bus) an dem Kommandanten-Systembediengerät Kdt SBG
zur Anzeige gebracht werden.
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Die
in dem auf den Sollwert aufgeladenen Kondensatorelement C1 gespeicherte
Energie ist ausreichend, um mindestens ein bis zwei Beschleunigungsvorgänge des
Richtantriebes 2 durchzuführen und um das ordnungsgemäße und vollständige Herunterfahren
aller im Fahrzeug betriebenen Rechnersysteme 3 zu gewährleisten.