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Die
Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
und ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung.
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Die
elektrische Versorgung von Hochleistungsverbrauchern wie einer elektrischen
Lenkhilfe, die zum Beispiel 1 kW Leistung verbraucht, stellt für ein Bordnetz
eines Fahrzeugs eine große
Herausforderung dar. Aufgrund der niedrigen Versorgungsspannung
von nominal 13,5 V müssen
die Versorgungsleitungen auf bis zu 100 A ausgelegt werden. Zudem
nimmt bei aktiven Hochstromverbrauchern die Welligkeit der Versorgungsspannung
stark zu.
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Die
US 7,236,893 B2 zeigt
eine Spannungsversorgungseinheit für Fahrzeuge, die zwei Spannungsversorgungskreise
mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen von 12 V und 36 V aufweist. Die
Hochleistungsverbraucher können
an die höhere Versorgungsspannung
angeschlossen werden, sodass der erforderliche Strom sinkt. Die
beiden Spannungsversorgungskreise sind über einen DC-DC Wandler miteinander
verbunden. Bei Ausfall der zweiten Spannung werden die sicherheitskritischen Verbraucher
des zweiten Spannungskreises über
einen Feldeffekttransistor mit der ersten Spannung verbunden und
somit versorgt. Bei einer solchen Verbindung der beiden Spannungsversorgungskreise
können
bei großen
Spannungsdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Spannungskreis
hohe Ausgleichsströme
fließen,
wodurch die Gefahr besteht, dass Kabel abbrennen.
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Zudem
besteht bei großen
Spannungsunterschieden zwischen erstem und zweitem Spannungsversorgungskreis
die Gefahr, dass beim Verbinden des ersten Spannungsversorgungskreises
mit der zweiten Spannungsversorgungskreis die Spannung im ersten Spannungsversorgungskreis
stark ansteigt. Darauf sind die Verbraucher des ersten Spannungsversorgungskreises
nicht ausgelegt und können
deshalb Schaden nehmen.
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Die
DE 102 29 018 A1 zeigt
ein Bordnetz mit zwei Energiespeichern, bei dem die beiden Energiespeicher über einen
Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden. Dabei wird
das System auf Fehler überwacht.
In der
JP 2007137093
A wird ein Tiefsitzsteller ausgeschaltet, falls unnormales Verhalten
des Tiefsitzstellers detektiert wird. In der
US 2003/0117752 A1 ist
ein Gleichstromspannungswandler gezeigt, der von einem Mikroprozessor
gesteuert wird. Eine Schaltung schaltet den Wandler aus, falls der
Ausgang des Mikroprozessors fehlerhaft ständig an ist. Dabei verbleibt
das System allerdings in einem Zustand, der zu einem Fehler geführt hat
und Verbraucher können
durch fehlerhafte Spannungen beschädigt werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
anzugeben, mit der die Gefahren des Kabelbrands und der Beschädigung der
Verbraucher im ersten Spannungskreis verringert werden. Es ist auch
Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb
einer Spannungsversorgung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Es
wird eine Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung bereitgestellt,
die eine Gleichspannungsquelle zum Bereitstellen einer ersten Spannung
und einen Energiespeicher zum Bereitstellen einer zweiten Spannung
aufweist. Zudem ist ein erster DC-DC-Wandler mit einen Aufwärtswandler
und einem Abwärtswandler
vorgesehen. Der Aufwärtswandler
dient zum Erzeugen der zweiten Spannung aus der ersten Spannung,
wobei die zweite Spannung größer als
die erste Spannung ist. Der Abwärtswandler
dient zum Entladen des Energiespeichers. Die Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
enthält
auch eine Steuerschaltung mit einem Ansteuerausgang zum Ansteuern
des ersten DC-DC-Wandlers und eine Fehleranzeigeschaltung zum Anzeigen
eines Fehlerfalls. Der Fehlerfall wird angezeigt, falls ein Defekt
der Steuerschaltung detektiert wird. Eine Sicherheitsschaltung dient
ebenfalls zum Ansteuern des ersten DC-DC-Wandlers.
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Eine
Umschalteinheit schaltet die Ansteuerung des ersten DC-DC-Wandlers so, dass
der erste DC-DC-Wandler von dem Ansteuerausgang der Steuerschaltung
angesteuert wird, falls kein Fehlerfall angezeigt ist. Falls ein
Fehlerfall angezeigt ist, wird der erste DC-DC-Wandler von der Sicherheitsschaltung
angesteuert.
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Bei
einem Defekt wird der DC-DC-Wandler genutzt, um die zweite Spannung
zu senken. Dies hat gegenüber
einem einfachen Kurzschluss zwischen der zweiten Spannung und der
ersten Spannung den Vorteil, dass diese Kurzschlussschaltung nicht über Gebühr durch
einen hohen Strom belastet wird. Vielmehr kann durch den DC-DC-Wandler
der Energiespeicher langsam entladen werden. Auch gegenüber einer
Realisierung mit zusätzlichen
Bauelementen ist die vorgeschlagene Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
vorteilhaft, da diese zusätzlichen
Bauelemente kostenträchtig
sind und aufwendig im Produktionstest überprüft werden müssen. Dagegen ist der DC-DC-Wandler bereits darauf
ausgelegt, die Energie von einem Spannungskreis in einen anderen
zu überführen.
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Das
Vorsehen der Umschalteinheit, sowie der Sicherheitsschaltung hat
den Vorteil, dass im Fehlerfall die defekte Steuerschaltung den DC-DC-Wandler
nicht mehr kontrolliert, sondern die Kontrollfunktion von der Sicherheitsschaltung übernommen
werden.
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Die
Halbleiterschalter, die zum Heruntertakten der Sekundärspannung,
auch zweite Spannung genannt, benutzt werden, bilden zusätzlich den
redundanten Sicherheitspfad zur Last im Fehlerfall der Aufwärts-Abwärtssteuerung.
Dabei werden die Halbleiterschalter durch die Fehlerschaltung in
Verbindung mit der Umschalteinheit gesteuert.
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In
einer Ausführungsform
sendet die Steuerschaltung regelmäßig ein Aktivitätssignal
aus und die Fehleranzeigeschaltung zeigt den Defekt der Steuerschaltung
an, falls das Aktivitätssignal
ausbleibt. Das Überwachen
dieses Aktivitätssignals
hat den Vorteil, dass ein Fehler von der Fehleranzeigeschaltung schnell
erkannt werden kann, bevor der Fehler Auswirkungen auf die zu regelende
zweite Spannung hat.
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In
einer Ausführungsform
wird der Fehlerfall anhand des Ansteuerausgangs bzw. der Ansteuerausgänge und
anhand der zwei ten Spannung detektiert. Hierbei werden nur Ein-
und Ausgangssignale der Steuerschaltung und nicht deren interne
Signal überwacht.
Somit besteht nicht die Gefahr, dass aufgrund der Fehlfunktion der
Steuerschaltung die überwachten
Signale unauffällig
sind, während
andere Funktionen der Steuerschaltung bereits ausgefallen sind.
Es ist auch möglich,
beide genannten Ausführungsformen
zu kombinieren und eine Fehlerdetektion anhand des Aktivitätssignals
und eine Fehlerdetektion anhand der Ausgänge der Steuerschaltung und
anhand der zweiten Spannung vorzusehen.
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Vorzugsweise
schaltet die Sicherheitsschaltung bei angezeigtem Fehlerfall den
Aufwärtswandler aus.
Im Fehlerfall wird der Aufwärtswandler
hardwaremäßig verriegelt
und die Sicherheitsschaltung arbeitet eigenständig. Dadurch wird verhindert,
dass die zweite Spannung weiter erhöht wird, was eine Gefahr für die Verbraucher,
die an die zweite Spannung angeschlossen sind, bedeuten würde.
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Die
Sicherheitsschaltung schaltet vielmehr im Fehlerfall den Abwärtswandler
ein, um den Energiespeicher definiert zu entladen. Die Energie wird
in den Spannungskreis der ersten Spannung zurückgeführt.
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In
einer Ausführungsform
weist der Abwärtswandler
einen Schalter auf und die Sicherheitsschaltung steuert diesen Schalter
des Abwärtswandlers
so an, dass er getaktet abwechselnd öffnet und schließt. Durch
geeignete Wahl des Takts wird die Geschwindigkeit, in der der Energiespeicher
entladen wird, geeignet eingestellt, damit die Versorgungsleitungen des
Abwärtswandlers
nicht über
Gebühr
beansprucht werden. Vorzugsweise ist der Schalter des Abwärtswandlers
dabei als Halbleitertransistor ausgebildet.
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In
einer Ausführungsform
weist der Abwärtswandler
einen Schalter auf und die Sicherheitsschaltung steuert diesen so
an, dass er getaktet abwechselnd öffnet und schließt, falls für die Größe V2 der zweiten Spannung und die Größe V1 der ersten Spannung V2 > V1 gilt.
Im Fall, dass die zweite Spannung größer als die erste ist, wird
so dafür
gesorgt, dass der Abwärtswandler
die Energie aus dem Energiespeicher in den Spannungskreis der ersten
Spannung überführt.
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In
einer Ausführungsform
wird im Fehlerfall der Schalter des Abwärtswandlers permanent auf leitend
geschaltet, falls V = V1 gilt. Die zweite Spannung soll auf einem
fest definierten Potenzial sein. Dies kann durch den geschlossenen
Schalter gewährleistet
werden, sobald die zweite und die erste Spannung gleich sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist ein weiterer DC-DC-Wandler vorgesehen, der einen Aufwärts- und
einen Abwärtswandler
aufweist. Der weitere DC-DC-Wandler ist parallel zum ersten DC-DC-Wandler
geschaltet. Durch den weiteren DC-DC-Wandler wird der Strom zwischen
dem Spannungskreis der ersten Spannung und dem Energiespeicher auf
zwei DC-DC-Wandler aufgeteilt, sodass der einzelne DC-DC-Wandler
sich weniger erwärmt.
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Die
Steuerschaltung ist vorzugsweise in einem digitalen Signalprozessor
(DSP) integriert, wodurch eine flexible Programmierung des DC-DC-Wandlers
möglich
ist.
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Die
Sicherheitsschaltung wird vorzugsweise in einem Mikroprozessor integriert,
damit sie eine Vielzahl von Fehlersignalen auswerten kann.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung,
bei der zunächst
eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
bereitgestellt wird. Falls von der Fehleranzeigeschaltung kein Fehler
angezeigt wird, wird der Aufwärtswandler
zum Erzeugen der zweiten Spannung oder der Abwärtswandler zum Verringern der
zweiten Spannung verwendet. Wenn von der Fehlerschaltung ein Fehler
angezeigt wird, wird der Aufwärtswandler
abgeschaltet und der Abwärtswandler
betrieben. Damit wird sichergestellt, dass die zweite Spannung nur
verringert werden kann.
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In
einer Ausführungsform
weist der Abwärtswandler
einen Schalter auf, der, solange für die Größe V1 der ersten Spannung
und für
die Größe V2 der zweiten Spannung V2 > V1 gilt,
getaktet ein- und ausgeschaltet. Im Falle, dass V2 =
V1 gilt, wird der Schalter auf permanent
leitend geschaltet.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
in einem Kraftfahrzeug. Besonders in einem Kraftfahrzeug kommt es
zu Fehlfunktionen der elektronischen Steuergeräte, falls die Versorgungsspannung
im ersten Spannungskreis plötzlich
stark ansteigt, weil der zweite Spannungsversorgungskreis im Fehlerfall
mit dem ersten Spannungsversorgungskreis kurzgeschlossen wird. Ein solcher
Anstieg der Versorgungsspannung schädigt unter Umständen die
Steuergeräte
sogar irreversibel.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels
näher veranschaulicht. Dabei
zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung,
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2 die
erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
nach 1 in dem Fall, dass kein Fehlerfall vorliegt,
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3 die
erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
nach 1 im Fehlerfall,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung.
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1 zeigt
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung.
Die Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
enthält
einen ersten Spannungsversorgungskreis, der von der Autobatterie 4 versorgt wird.
Diese erzeugt eine Gleichspannung, die im folgenden erste Spannung
U1 genannt wird, von nominell 13,5 V zwischen
den Klemmen K1 und KL31 der Batterie 4. Die Klemme KL31
ist mit der Masse 1 verbunden, während die Klemme K1 über den
Knoten UBAT mit dem Filter 5 verbunden
ist.
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In 1 auf
der rechten Seite dargestellt ist der zweite Spannungsversorgungskreis,
der von einer zweiten Spannung U2 versorgt
wird. Diese zweite Spannung U2 liegt zwischen
dem Knoten K3 und Masse 1 an. Als Energiespeicher ist ein
Doppelschichtkondensator CS angeschlossen, der mit seinem ersten
Anschluss mit dem Knoten K3 und mit seinem zweiten Anschluss mit
der Masse 1 verbunden ist. Am Knoten K3 ist die Anschlussklemme 10 angebracht.
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Die
Größe der zweiten
Spannung U2 beträgt 40 V, was für Hochleistungsverbraucher
besonders geeignet ist. Aufgrund der hohen Spannung braucht nur
relativ wenig Strom zum Hochleistungsverbraucher geleitet werden,
so dass die Versorgungsleitungen zum Hochbelastungsverbraucher klein
ausgeführt
werden können.
In 1 ist ein Elektromotor 11 zwischen die
Anschlussklemme 10 und Masse 1 geschaltet. Dieser
Elektromotor 11 dient einer elektrischen Lenkhilfe eines
Kraftfahrzeugs. Zwischen die erste Spannung U1 und
die zweite Spannung U2 ist ein DC-DC-Wandler 61 geschaltet,
der zur Wandlung der ersten Spannung U1 in
die zweite Spannung U2 und zum Entladen
der zweiten Spannung U2 dient.
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Der
DC-DC-Wandler 61 enthält
eine Spule 6, einen ersten Transistor 7, einen
zweiten Transistor 8 und einen Widerstand 9. Die
Transistoren 7 und 8 sind jeweils n-leitende Feldeffekt-Hochleistungstransistoren.
Die Spule 6 ist zwischen das Filter 5 und einen
Knoten K2 geschaltet. An den Knoten K2 ist auch die Drain des Transistors 8 angeschlossen,
dessen Source über
den Knoten K5 mit einem ersten Anschluss des Widerstands 9 verbunden
ist. Der zweite Anschluss des Widerstands 9 ist mit der
Masse 1 verbunden. Zudem ist der Knoten K2 mit der Source
des Transistors 7 verbunden, dessen Drain an die Anschlussklemme 10 angeschlossen
ist.
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Zur
Ansteuerung des DC-DC-Wandlers 61 dienen die Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3,
die Sicherheitsschaltung 2 und die Umschalteinheit 33.
Die Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3 empfängt als
Eingangssignale die erste Spannung U1, die
zweite Spannung U2, einen Anzeigewert für die Temperatur Temp, sowie Messwerte für den Strom IpΣ, der dem Strom
in die Spule 6 entspricht beziehungsweise der Summe der
Ströme
auf der Primärseite
entspricht, falls der DC-DC-Wandler mehrere Phasen enthält. Zudem
empfängt
die Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3 als
Signal IsΣ einen
Wert für
den Strom, der im zweiten Spannungskreis verbraucht wurde, sowie
mit dem Signal Ip das Potenzial am ersten
Anschluss des Widerstands 9, wobei Ip proportional
zum Strom durch die Laststrecke des Transistors 8 ist.
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Die
Aufwärts-Abwärts-Ansteuerung 3 gibt zum
Ansteuern des DC-DC-Wandlers 61 Ansteuersignale
an dem Ansteuerausgang 12 und an dem Ansteuerausgang 13 aus.
Außerdem
gibt sie das Signal WWD (Window Watch Dog) an die Sicherheitsschaltung 2 aus.
Diese empfängt
zusätzlich
die Spannung U2, die am Knoten K3 anliegt,
und gibt an ihren Ausgängen 14, 15 und 16 jeweils
Ansteuersignale für den
DC-DC-Wandler 61, sowie die Umschalteinheit 33 aus.
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Die
Umschalteinheit 33 enthält
einen Inverter I1, drei Und-Gatter
A1, A2 und A3 sowie ein Oder-Gatter OR1. Der Inverter I1 empfängt an seinem
Eingang das Ausgangssignal 15 der Sicherheitsschaltung 2 und
ist mit seinem Ausgang an einem Eingang des ersten Und-Gatters A1
angeschlossen. Der zweite Eingang des ersten Und-Gatters A1 ist
mit dem Ausgang 16 der Sicherheitsschaltung 2 verbunden.
Das zweite Und-Gatter A2 empfängt
das Ausgangssignal 14 der Sicherheitsschaltung 2,
sowie das Signal am Ansteuerausgang 13 der Aufwärts-Abwärts-Ansteuerschaltung 3.
Die Aufwärts-Abwärts-Ansteuerschaltung 3 weist
eine Steuerschaltung 31 sowie eine Fehleranzeigeschaltung 32 auf.
Die Fehleranzeigeschaltung 32 detektiert, ob in der Steuerschaltung
ein Fehler auftritt.
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Das
dritte Und-Gatter A3 empfängt
ebenfalls das Ausgangssignal 14 der Sicherheitsschaltung 2, sowie
das Signal am Ansteuerausgang 12 der Sicherheitsschaltung 2.
Die Ausgänge
des ersten Und-Gatters A1 und des zweiten Und-Gatters A2 sind jeweils
mit einem Eingang des Oder-Gatters OR1 verbunden, während der
Ausgang des dritten Und-Gatters A3 mit dem Gate des Transistors 8 verbunden
ist. Der Ausgang des Oder-Gatters OR1 ist mit dem Gate des Transistors 7 verbunden.
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Zwischen
den Knoten K3 und die Masse 1 ist ein Doppelschicht-Kondensator CS angeschlossen, in
dem die Energie für
die zweite Spannung U2 gespeichert ist.
Diese beträgt
+40 V und dient zum Betrieb des Motors 11 der elektrischen
Lenkhilfe des Kraftfahrzeugs. Da der Motor eine relativ große Leistungsaufnahme
hat, ist es sinnvoll, diesen mit einer relativ hohen zweiten Spannung
U2 zu betreiben, damit der Stromfluss durch
die Versorgungsleitungen zum Motor 11 nicht zu groß wird.
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Der
DC-DC-Wandler 61 wird entweder als Aufwärtssteller oder als Abwärtssteller
betrieben. Im Betrieb als Aufwärtssteller
wird der Transistor 7 permanent ausgeschaltet und der Transistor 8 abwechselnd
geöffnet
und geschlossen. Durch das Öffnen steigen
der Strom und die magnetische Energie in der Spule 6 an.
Zusätzlich
ist eine in der 1 nicht gezeigte Diode vorgesehen,
dessen Anode mit dem Knoten K2 und dessen Kathode mit dem Knoten
K3 verbunden ist. Diese Diode sperrt, da ihre Anode auf Massepotenzial
liegt. Nach dem Schließen
des Transistors 8 fließt
der Strom weiterhin aus der Spule 6. Sobald das Potenzial
am Knoten K2 größer als
das Potenzial am Knoten K3 plus der Einsatzspannung der Diode ist,
fließt
der Strom in den Doppelschicht-Kondensator CS.
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Wenn
der DC-DC-Wandler 61 als Abwärtswandler betrieben wird,
wird der Transistor 8 sperrend geschaltet und der Transistor 7 durch
ein pulsweiten- moduliertes Signal an seinem Gate getaktet ein-
und ausgeschaltet. Nach dem Einschalten liegt die Differenz der
Spannungen U1 und K3 an der Spule 6 an.
Die Spannung sorgt dafür,
dass der Strom durch die Spule 6 steigt. Wenn der Transistor 7 ausgeschaltet
wird, fließt
der Strom weiterhin, allerdings in die Starterbatterie 4.
Mittels des Abwärtsstellers wird
somit die Spannung U2 verringert und die
Energie in der Batterie erhöht.
Eine Autobatterie ist als Akkumulator ausgeführt, die eine Kapazität erhält, die durch
den zusätzlichen
Strom aufgeladen wird.
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In
einer ersten Ausführungsform
sendet die Steuerschaltung 31 regelmäßig ein Aktivitätssignal, das
anzeigt, dass die Steuerschaltung aktiv ist. Bei Digitalen Signalprozessoren
sind solche Signale als "Window
Watch Dog" Signale
bekannt. Die Fehleranzeigeschaltung überprüft, ob innerhalb eines Zeitfensters
das Aktivitätssignal
von der Steuerschaltung ausgeben wird. Falls der Steuerschaltung
in eine Endlosschleife gerät
oder vollständig
ausfällt,
wird das Aktivitätssignal
nicht mehr ausgegeben. Dies wird von der Fehleranzeigeschaltung
erkannt, die das Signal WWD auf 1 schaltet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird anhand der Ausgangssignale 12 und/oder 13 und
der zweiten Spannung detektiert, ob ein Fehler vorliegt. Diese Ausführungsform
ist in 1 dargestellt. Die Steuerschaltung 31 empfängt die
Eingangssignale Ip, IpΣ, IsΣ,
Temp, U1 und U2 und erzeugt die Ausgangssignale 12 und 13 zum
Ansteuern des DC-DC-Wandlers 61.
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Die
Fehleranzeigeschaltung 32 empfängt die zweite Spannung U2 sowie die Ausgangssignale 12 und 13 der
Steuerschaltung 31. In der Fehleranzeigeschaltung 32 wird
beispielsweise das Ausgangssignal 12 integriert und die
Spannung U2 gemessen. Übersteigt die Spannung U2 einen Wert von 50 V und ist das gebildete
Integral oberhalb einer gewissen Schwelle, bedeutet dies, dass der
Aufwärtswandler die
Spannung U2 erhöht, obwohl sie bereits über 50 V
ist. Somit ist die Steuerschaltung 31 defekt. Die Fehleranzeigeschaltung
schaltet das Signal WWD in diesem Fall von 0 auf 1.
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Es
können
auch weitere Überprüfungen anhand
des Ausgangssignals der Steuerschaltung 31 und der zweiten
Spannung U2 vorgenommen werden, um Fehler
in der Steuerschaltung 31 zu ermitteln. So kann auch die
Frequenz oder der Taktgrad des Ausgangssignals 12 überwacht
werden.
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Die
Ansteuerungen der Transistoren 7 und 8 durch die
Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3,
die Sicherheitsschaltung 2 und die Umschalteinheit 33 wird
mit Hilfe der folgenden Figuren erläutert.
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Die
Steuerschaltung und die Fehleranzeigenschaltung können sowohl
als digitale als auch als analoge Schaltungen ausgeführt werden.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung
nach 1 in dem Fall, dass kein Fehlerfall angezeigt
ist. Die Sicherheitsschaltung 2 gibt an ihren Ausgängen 14 und 15 jeweils
eine Eins aus. Dies bedeutet, dass der Inverter I1 eine Null ausgibt,
wodurch auch das erste Und-Gatter A1 der Umschalteinheit 33 eine
Null ausgibt. Die Ausgabe der Eins am Ausgang 14 der Sicherheitsschaltung 2 bewirkt,
dass das Signal am Ausgang 12 den Wert des Ausgangs des
dritten Und-Gatters A3 bestimmt. Ist der Ausgang 12 auf Eins,
wird der Transistor 8 eingeschaltet und ist er auf Null,
wird der Transistor 8 ausgeschaltet. Desgleichen bestimmt
der Ausgang 13 den Wert des Ausgangssignals des Oder-Gatters OR1, der
das Gate des Transistors 7 ansteuert.
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Der
am Ausgang 13 ausgegebene Wert ist der gleiche Wert, mit
dem auch das Gate des Transistors 7 angesteuert wird. Somit
steuert die Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3 und
die darin enthaltene Steuerschaltung 31 die Gates der Transistoren 7 und 8 an.
Durch die logische Verknüpfung
in der Umschalteinheit 33 werden die pulsweiten-modulierten Signale
(PWM) ausschließlich
von der Aufwärts-Abwärtssteuerung 2 zur
Verfügung
gestellt.
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Ein
anderes Bild ergibt sich im Fehlerfall, der in 3 dargestellt
ist. Hier liegt das Signal WWD auf Eins. Daraufhin gibt die Fehleranzeigeeinheit 2 an
ihren Ausgängen 14 und 15 jeweils
eine Null aus. Dadurch geben auch das zweite Und-Gatter A2 und das dritte Und-Gatter
A3 jeweils eine Null aus. Die Ausgänge 12 und 13 der
Aufwärts-Abwärtssteuerung 2 haben
somit keinen Einfluss mehr auf die Funktion des DC-DC-Wandlers 61.
Der Transistor 8 wird vollständig ausgeschaltet, sodass
der Aufwärtswandler blockiert
ist.
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Der
Inverter I1 gibt eine Eins an den zweiten Ausgang des ersten Und-Gatters
A1 aus, so dass das Signal am Ausgang 16 der Sicherheitsschaltung 2 das
Ausgangssignal des Oder-Gatters
OR1 bestimmt. Das Ausgangssignal 16 der Sicherheitsschaltung 2 wird über ein
pulsweiten- moduliertes Signal getaktet ein- und ausgeschaltet,
sodass auch der Transistor 7 getaktet ein- und ausgeschaltet
wird.
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Im
Fehlerfall beginnt somit ein definiertes Abwärtstakten der Sekundärspannung,
bis das Spannungspotenzial der Primärspannung, auch erste Spannung
U1 genannt, erreicht worden ist. Zu diesem Zweck
gibt die Sicherheitsschaltung 2 ein Fehlersignal an den
Ausgängen 14 und 15 sowie
ein fest implementiertes pulsweites simuliertes Signal am Ausgang 16 aus.
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Falls
die Aufwärts-Abwärtssteuerung
fehlerhaft arbeitet, werden die Steuersignale für den DC-DC-Wandler von der
Sicherheitsschaltung 2 bereitgestellt.
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Solange
die Spannung U2 noch höher als die Spannung U1 ist, wird die zweite Spannung U2 durch den Abwärtsregler verringert, bzw.
wird der Kondensator CS entladen.
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Sobald
die zweite Spannung U2 gleich groß wie die
erste Spannung U1 ist, wird der Transistor 7 permanent
durchgeschaltet. Nach Erreichen der Spannungsgleichheit zwischen
dem Primärenergiespeicher
und dem Sekundärenergiespeicher
wird das Signal am Ausgang 16 auf aktiv gesetzt, was gleichbedeutend
mit der permanenten Aktivierung des Schalters des Abwärtswandlers
ist. Im Fehlerfall werden die Halbleiterschalter der einzelnen Phasen permanent
durchgeschaltet, sofern das Spannungspotenzial des Primärschalters
und des Sekundärspeichers äquivalent
ist.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung,
bei der zusätzliche
Aufwärts-Abwärtsschalter vorgesehen
werden. Die DC-DC-Wandler 61, 62 und 63 in 4 sind
baugleich zu dem DC-DC-Wandler 61 in 1.
An dem Eingang C ist jeweils ein Anschluss der Spule 6 vorgesehen,
der Eingang T ist mit dem Gate des Transistors 7 und der
Eingang H ist mit dem Gate des Transistors 8 verbunden.
Der Ausgang O ist mit dem Drain des Transistors 7 und der Ausgang
P mit der Source des Transistors 8 verbunden.
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Die
Halbleiter sind parallel geschaltet, um den Gesamt-RDSON, d. h.
den Widerstand der Laststrecke im durchgeschalteten Zustand, zu
reduzieren. Dadurch wird auch der Wärmehaushalt verbessert. In
der in 4 gezeigten Ausführungsform werden die Aufwärts- bzw.
Abwärtswandler
der DC-DC-Wandler 61, 62 und 63 jeweils
gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Um die elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) zu verbessern, können
die DC-DC-Wandler 61, 62 und 63 auch
jeweils phasenversetzt angesteuert werden, wobei allerdings die Anzahl
der Ansteuerausgänge
des Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3 erhöhen werden
muss.
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Die
Sicherheitsschaltung 2 ist zusammen mit der Umschalteinheit 33 so
konzipiert, dass bei fehlerhafter Arbeitsweise des DC-DC-Wandlers 61 ein
Aufwärtsregeln
der zweiten Spannung U2 durch die defekte
Aufwärts-Abwärts-Ansteuerung
verhindert wird. Es ist ausschließlich ein Abwärtsregeln
möglich,
die durch die Sicherheitsschaltung 2 übernommen wird. Die Umschalteinheit 33,
die auch innerhalb der Sicherheitsschaltung 2 integriert
sein könnte,
verhindert ein undefiniertes Arbeiten der Aufwärts-Abwärtssteuerung 3.
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Im
Fehlerfall liegt der Fokus demnach in der definierten Angleichung
der zweiten Spannung U2 an die erste Spannung
U1 durch die Sicherheitsschaltung 2.
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Die
Sicherheitsschaltung 2 kann bspw. durch einen ASIC (Application-Specific
Integrated Circuit) oder durch einen Mikrocontroller realisiert
werden. Die Aufwärts-Abwärts-Steuerung 3 wird
bspw. durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) realisiert. Die Fehleranzeigeschaltung 32 kann
dabei auch per Software programmiert werden.
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- 1
- Masse
- 2
- Sicherheitsschaltung
- 3
- Aufwärts-Abwärts-Steuerung
- 4
- Autobatterie
- 5
- Filter
- 6
- Spule
- 7
- Transistor
- 8
- Transistor
- 9
- Widerstand
- 10
- Anschlussklemme
- 11
- Motor
- 31
- Steuerschaltung
- 32
- Fehleranzeigeschaltung
- 33
- Umschalteinheit
- A1
- erstes
Und-Gatter
- A2
- zweites
Und-Gatter
- A3
- drittes
Und-Gatter
- I1
- Inverter
- OR1
- Oder-Gatter