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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung in
einem Bordnetz eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer
Schaltungsanordnung zur Stromregelung in einem Bordnetz eines Fahrzeuges
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Die
fortschreitende Elektrifizierung in Fahrzeugen, mit Bordnetzen,
die eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern mit unterschiedlichem
Energiebedarf aufweisen und in denen sowohl motorische als auch
generatorische Ströme fließen, erfordert ein zunehmend
komplexer werdendes Energiemanagement. Zum einen soll die zur Verfügung
stehende elektrische Energie möglichst effizient und effektiv
eingesetzt werden, wobei eine einwandfreie Funktionsweise des Bordnetzes
selbst sowie der angeschlossenen elektrischen Verbraucher zu gewährleisten
ist. Zum anderen ist das Bordnetz stets vor der Gefahr von Überlastungen
oder Unterversorgungen zu schützen.
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Beispielsweise
werden bei neueren Fahrzeugkonzepten Wankstabilisierungen mit elektromechanischen
Aktuatoren, bekannt als „eARS” (electromechanically
Active Roll Stabilization oder „ERC”(Electromechanical
Roll Control)-Systeme, vorgesehen. Bei einer Wankstabilisierung
wirken bekanntermaßen Stabilisatoren über Torsionsmomente
auf die Federung des Fahrzeugaufbaus, um bei Kurvenfahrten und bei
schlechter Wegstrecke seitliche Wankbewegungen des Fahrzeuges zu
verringern. Bei einer aktiven Wankregelung werden über
Aktuatoren die Stabilisatoren derart geregelt, dass einerseits die
Seitenneigung des Fahrzeugaufbaus bei Kurvenfahrten erheblich reduziert,
andererseits bei Geradeausfahrt ein komfortables, weiches Ansprechverhalten
eingestellt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen hydraulischen
Aktuatoren sind elektromechanische Aktuatoren durch den Wegfall
hydraulischer Komponenten besonders kompakt bauend. Zudem können
sie aus Energiespargründen nach dem „Power-on-demand”-Prinzip
arbeiten, wobei ein kurzzeitiger Strombedarf eines an das Bordnetz
angeschlossenen „Power-on-demand”-Systems nur
bei einer jeweiligen Aktivierung abgerufen wird und somit im Mittel
weniger Energie verbraucht wird.
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Aus
der
DE 102 57 211
A1 ist eine aktive Wankstabilisierung mit einem elektromechanischen
Aktuator bekannt, der zum Verspannen zweier Stabilisatorteile gegeneinander
ansteuerbar ist. Der Elektromotor des Aktuators kann für
einen Notbetrieb bei Ausfall der Wankregelung durch Kurzschließen
der Motorphasen auch generatorisch betrieben werden. Dadurch wird
ein Widerstandmoment zwischen Rotor und Stator der Elektromaschine
aufgebracht, welches die Stabilisatorteile gegeneinander dämpft,
wodurch eine eingeschränkte passive Stabilisierungsfunktion
bei einem Systemausfall aufrechterhalten wird.
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Ein
solcher Notbetrieb in einem Wankstabilisierungssystem mit elektromechanischen
Stellantrieben sei lediglich beispielhaft für das Auftreten
generatorischer Ströme im Bordnetz genannt, die problematische Stromflüsse
hervorrufen können. Vielmehr können in Stabilisierungssystemen
mit elektromechanischen Stellantrieben auch im regulären
Betrieb sowohl motorische als auch generatorische, gleichzeitig
oder wechselweise vorkommende, Betriebsmodi vorgesehen sein. Entscheidend
dabei ist, dass solche, möglicherweise aus unterschiedlichen
Quellen, häufig durch generatorische Energierückspeisungen über
elektronische Steuereinheiten in Zwischenkreisen übertragene
Ströme, relativ hohe Stromstärken aufweisen können.
Daher werden in vielen modernen und zukünftigen Bordnetzarchitekturen
Strombegrenzungsmaßnahmen bei der Verarbeitung generatorischer
Netzbelastungen erforderlich sein.
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In
der
DE 102 26 308
A1 der Anmelderin werden Möglichkeiten zum Abbau überschüssiger
elektrischer Energie in einem Bordnetz genannt. Unter anderem kann
eine vergleichsweise größer dimensionierte Leistungselektronik über
eine Kurzschlussschaltung Strom verbrauchen und in Wärme
umwandeln. Weiterhin ist ein so genannter Bremschopper geeignet, überschüssigen
Strom über einen Widerstand zu leiten und dort in Wärme
umzuwandeln.
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Bei
Schaltungsanordnungen mit elektromechanischen Aktuatoren, die beispielsweise über
einen Pulssteller oder eine Wechselrichterschaltung an einem Zwischenkreis
des Bordnetzes betrieben werden, können bei einem generatorischen
Bremsbetrieb durch zurückgespeiste Energie abzubauende
elektrische Ströme auftreten. Bei einer derartigen Schaltungsanordnung
sollen Maßnahmen zur Stromregelung und Strombegrenzung
aus Kosten- und Bauraumgründen mit einem möglichst
geringen Aufwand an Bauteilen und Regelelektronik realisiert werden.
Andererseits ist eine ständige Überwachung des
Bordnetzstromes mittels eines oder mehrerer Stromsensoren zur fortlaufenden
Bestimmung des Strom-Istwertes, um unzulässige Abweichungen zu
erkennen und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen einzuleiten,
relativ aufwendig.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung für ein Bordnetz eines Fahrzeuges und
ein Verfahren zu deren Ansteuerung zu entwickeln, die mit möglichst
geringem Aufwand eine effektive Verarbeitung generatorischer Ströme
unter Berücksichtigung einer Strombegrenzungsregelung ermöglichen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen
entnehmbar sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein generatorischer
Strom, der über eine Steuerelektronik eines elektromechanischen
Aktuators das Bordnetz eines Fahrzeuges beaufschlagt, durch einen
entgegenwirkenden Batteriestrom eines Energiespeichers, der über
einem Bremswiderstand ab fließt, ausgeglichen werden kann,
wobei der Bremswiderstand über einen Feldeffekt-Transistor
so regelbar ist, dass ein bestimmtes Bordnetzstromniveau eingehalten
bzw. nicht unterschritten wird.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einer Schaltungsanordnung zur Stromregelung
in einem Bordnetz eines Fahrzeuges, mit einem ansteuerbaren Bremswiderstand,
einem Energiespeicher und einer elektronischen Steuereinheit. Zur
Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor,
dass der Bremswiderstand zur Erfüllung einer Steuerungsbedingung
einstellbar ausgebildet ist, so dass ein über die Steuereinheit
fließender generatorischer Strom durch einen von dem Energiespeicher
ausgehenden, durch den Bremswiderstand fließenden Gegenstrom,
unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Stromgrenzwertes,
kompensierbar ist.
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Weiterhin
geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Ansteuerung einer
Schaltungsanordnung zur Stromregelung in einem Bordnetz eines Fahrzeuges,
mit einem ansteuerbaren Bremswiderstand, einem Energiespeicher und
einer elektronischen Steuereinheit. Die gestellte Aufgabe bezüglich
des Verfahrens wird dadurch gelöst, dass ein über
die Steuereinheit fließender generatorischer Strom durch
einen von dem Energiespeicher ausgehenden, durch den Bremswiderstand
fließenden Gegenstrom kompensiert wird, wobei der Bremswiderstand
derart angesteuert wird, dass ein vorgegebener Stromgrenzwert berücksichtigt
wird.
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Bei
der Schaltungsanordnung wird ein Bremschopper in einem Zwischenkreis
einer Steuereinheit eines Aktuators eingesetzt. Der Bremschopper
besteht aus einem vorteilhaft als MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) ausgebildeten Feldeffekt-Transistor und
einem ohmschen Widerstand. Der Bremschopper bildet einen regelbaren
Bremswiderstand, der durch eine Steuereinheit, im Folgenden auch kurz
als ECU (Electronic Control Unit) bezeichnet, ansteuerbar ist. Die
prinzipielle Funktionsweise und der Auf bau eines Bremschoppers ist
dem Fachmann an sich bekannt. Der Controller steuert den Brems-MOSFET
mit einer geeigneten Taktfrequenz an, die eine ausreichend hohe
Ansprechdynamik sicherstellt.
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Die
Ansteuerung ist gemäß der Beziehung
mit den Größen
R
1 für den ohmscher Widerstand
und 0 ≤ α ≤ 1 für die relative
Pulsbreite stufenlos einstellbar. Dabei wird vorausgesetzt, dass
der durch den Bremswiderstand fließende Strom spannungsproportional
ist. Um dies zu erreichen, ist der Bremschopper möglichst
induktivitätsarm ausgebildet. Auf eine, sonst übliche, Freilaufdiode
wird verzichtet. Entsprechend kann die Stromstärke bei
einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung im Bordnetz zwischen Null
und einem Maximalwert mit relativ hoher Steilheit pendeln. Um dem
entgegenzuwirken, können zusätzliche Filtermittel
an der Schnittstelle zum Bordnetz geschaltet sein.
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Erfindungsgemäß ist
für den regelbaren Bremswiderstand eine Steuerungsbedingung
vorgesehen. Demnach wird ein generatorischer ECU-Strom durch einen
durch den Bremswiderstand fließenden Gegenstrom von einem
Energiespeicher, beispielsweise von der Fahrzeugbatterie, kompensiert.
Um zu gewährleisten, dass dabei der Bordnetzstrom einen
Grenzwert sicher nicht unterschreitet, also stets I
Bat > –I
lim gilt, wird der Bremswiderstand nach der
Beziehung
mit den Größen
R
Brems = Bremswiderstandswert, U
Bat = Energiespeicher-Spannung, R
Bat = Energiespeicher-Innenwiderstand, R
Kabel = Zuleitungskabel-Widerstand, I
lim Stromgrenzwert, und I
ECU =
Steuereinheit-Strom, gesteuert. Darin ist der eingeprägte
ECU-Strom vorzeichenbehaftet, also negativ, einzusetzen.
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Als
Nebenbedingung ist sicherzustellen, dass für Ströme
IECU ≥ –Ilim der
Bremswiderstandszweig offen geschaltet ist. Der über die
ECU fließende Batteriestrom ist mit relativ geringem Aufwand
aus den Motorströmen der Aktuatoren innerhalb der ECU berechenbar.
Da die Batteriespannung bekannt ist und die Innen- und Kabelwiderstände
als Konstanten vorgegeben sind, lässt sich somit der Bremswiderstand
entsprechend der obigen Grenzwertbedingung vergleichsweise einfach
variieren. Dies hat den Vorteil, dass auf eine relativ aufwendige
Stromsensorik, die eine Begrenzungsregelung mit den fortlaufenden
Istwerten des Bordnetzstromes speist, wodurch im Ergebnis ebenfalls
eine Ableitung generatorischer Ströme möglich
wäre, verzichtet werden kann.
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Der
mittlere Bremszweigstrom in dieser Anordnung lässt sich
nach der Beziehung
berechnen. Daran ist erkennbar,
dass der größte Anteil des Bremszweigstromes durch
die Batteriespannung hervorgerufen wird. Lediglich ein kleinerer
Anteil entsteht durch den ECU-Strom. Im Bremszweig können
sich bei der Ableitung des generatorischen Stromes somit erhebliche
Verlustleistungen P
Brems = I
2 BremsR
Brems einstellen,
die eine Kompensation vergleichsweise hoher generatorischer Stromstärken
ermöglicht.
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Außerdem
können Sicherheitsmaßnahmen für den Fall
eines Ausfalls des Feldeffekt-Transistors des Bremswiderstandes
vorgesehen sein. Als eine einfache Sicherheitsmaßnahme
kann der niederohmige Widerstand direkt auf den Batteriespannungszweig
geschaltet werden, wodurch der anfallende Strom unmittelbar abfließen
kann. Da durch den Ausfall des Feldeffekt-Transistors das Gesamtsystem
ausfallen kann, ist als eine erweiterte Sicherheitsmaßnahme
ein in Reihe geschalteter zweiter, redundanter Feldeffekt-Transistor
sinnvoll. Zudem ist eine fortlaufende Diagnose des Bremswiderstandes
bezüglich seiner Kontaktierung und seines jeweiligen Widerstandswertes
zur Überwachung seiner Funktionstüchtigkeit und
zur frühen Fehlererkennung vorteilhaft. Beispielsweise
könnte am Bremswiderstand ein Teilspannungswert abgegriffen
werden, der, vergleichbar mit einem High-Pegel eines Digitaleinganges,
verwendbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basiert auf
einer Konzeptuntersuchung zur Wankstabilisierung. Messreihen und
Feldversuche haben gezeigt, dass mittels eines die Steuerungsbedingung
erfüllenden stufenlos regelbaren Bremswiderstandes grundsätzlich
alle im praktischen Fahrbetrieb vorkommenden generatorischen Wankstabilisierungsströme
mit Hilfe des Bremswiderstandes beherrschbar sind. Die Erfindung
ist daher besonders gut in derartig ausgerüsteten Fahrzeugen
einsetzbar, jedoch ist sie nicht auf Anwendungen in Verbindung mit
solchen Systemen beschränkt, sondern grundsätzlich
zur Ansteuerung eines Bremswiderstandes zur Begrenzung generatorischer
Ströme im Bordnetz geeignet.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser
zeigt
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1 eine
Prinzip-Schaltung für eine Ansteuerung eines Bremswiderstandes
zur Verarbeitung generatorischer Ströme in einem Bordnetz,
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2 ein
Bremswiderstandsdiagramm einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, und
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3 ein
Verlustleistungsdiagramm einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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Demnach
ist in 1 eine Schaltungsanordnung in einem Bordnetz eines
Kraftfahrzeuges mit einem als Bremschopper ausgebildeten Bremswiderstand 1 dargestellt,
der aus einem MOSFET 2 und einem ohmschen Widerstand 3 besteht.
Der Bremswiderstand 1 ist in einem Bremszweig 9 geschaltet,
der Teil eines Zwischenkreises 4 einer Steuereinheit (ECU) 5 zur
Steuerung eines oder mehrerer nicht dargestellter Aktuatoren eines
Wankstabilisierungssystems 10 ist. Der Zwischenkreis 4 ist
mit einem Energiespeicher 6, beispielsweise einer 24 V-Fahrzeugbatterie,
des Bordnetzes verbunden. Zudem ist ein Innenwiderstand 7 der
Batterie 6 sowie ein weiterer Widerstand 8 der
elektrischen Zuleitung zum Zwischenkreis 4 angedeutet,
für die jeweils beispielhaft ein Wert von 20 mΩ angenommen
wird.
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Die
ECU
5 liefert einen eingeprägten Strom I
ECU. Der Wert R
Brems des
Bremswiderstandes
1 ist über eine getaktete Ansteuerung
des MOSFETs
2 gemäß der Gleichung
stufenlos einstellbar, wobei
R
1 den Wert des ohmschen Widerstandes
3 beschreibt,
und der Wert a die Aussteuerung, also die relative Pulsbreite des
MOSFETs
2 angibt, welcher Werte von 0 ≤ a ≤ 1
annehmen kann, wobei der Stromfluss entsprechend einer für
die Ansteuerung vorgesehenen Spannungs-Pulsweitenmodulation im Bordnetz
pendelt.
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Bei
vollständiger Spannungsproportionalität kann die
Stromstärke somit zwischen Null und einen Maximalwert variieren.
Zur Vermeidung unzulässig hoher Stromschwankungen dl/dt
sind gegebenenfalls zusätzliche (nicht dargestellte) elektronische
Filtermittel vorgesehen. Beispielsweise kann ein der ECU 5 zugehöriger Elko
(Elektrolytkondensator) als ein Filterkomponente verwendet werden.
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Im
Betrieb des elektromechanischen Wankstabilisierungssystems
10 wird
ein generatorischer Strom der ECU
5 durch einen, durch
den Bremswiderstand
1 fließenden Gegenstrom der
Batterie
6 kompensiert, wobei der Bremswiderstand
1 nach
der Beziehung
gesteuert wird, so dass bei
einem typischen Grenzwert von 15 A ein Bordnetzstrom von I
Bat > –15
A nicht unterschritten wird. Mit den oben genannten Werten ergibt
sich somit ein Bremswiderstand von
wobei zum einen das Vorzeichen
des eingeprägten Stromes I
ECU zu
beachten ist, und zum anderen wegen des Gültigkeitsbereiches
der Gleichung bei I
ECU ≥ –15
A der Bremszweig
8 offen sein muss.
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Die 2 zeigt
einen Verlauf des daraus resultierenden Wertes des getakteten Bremswiderstandes 1. In
dem Bremswiderstandsdiagramm ist ein steil konvergierender Anstieg
des Bremswiderstandswertes RBrems bei Annäherung
an den Stromgrenzwert Ilim = 15 A zu erkennen,
während bei größeren generatorischen
Strömen ein entsprechend hoher Gegenstrom fließt
und der erforderliche Bremswiderstand 1 gegen Null läuft,
d. h. mit zunehmend ansteigender relativen Pulsbreite a niedriger
angesteuert wird. Bei einer Wahl eines ohmschen Widerstandes 3 mit
einem typischen Widerstandswert R1 = 0,3 Ω für
den Bremswiderstand 1 lässt sich bei einer relativen
Pulsbreite von a = 0,55 des Brems-MOSFETs 2 somit problemlos
ein generatorischer Strom von 60 A kompensieren, wobei sogar noch
eine Unterspannungsreserve vorhanden ist.
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Betrachtet
man im obigen Beispiel den mittleren Bremszweigstrom
können sich beachtliche
Verlustleistungen P
Brems = I
2 BremsR
Brems im kW-Bereich
im Bremszweig
9 ergeben, wie an dem Verlustleistungsdiagramm
in
3 erkennbar ist. Als Folge des Verlaufs des Bremswiderstandes R
Brems stellt sich ein linear abnehmender
Verlauf der Verlustleistung P
Brems mit dem
ECU-Strom ein.
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In
ersten Feldversuchen mit einem Wankstabilisierungssystem 10 mit
zwei Aktuatoren, auf welche die Stromgrenze IBat > –(7,5 A +
7,5 A) verteilt wurde, konnte die Effektivität der erfindungsgemäßen
Ansteuerung des regelbaren Bremswiderstandes 1 mit der
obigen beispielhaften Komponentenauslegung der Schaltungsanordnung
verifiziert werden. Auf einer Schlechtwegstrecke wurde im Mittel
im Bremswiderstand 1 eine elektrische Batterieleistung
von etwa 30 W bis 40 W verheizt, wobei Spitzenleistungen von etwa
2 kW auftraten.
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Bei
einer Slalomfahrt wurde hingegen der Bremswiderstand 1 kaum
beansprucht und durch diesen somit keine nennenswerte zusätzliche
Batterieleistung aufgenommen. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung ist demnach in der Lage, die im praktischen
Betrieb auftretenden generatorischen Ströme mit Hilfe des Bremswiderstandes 1 effektiv
und sicher abzuleiten.
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- 1
- Bremswiderstand,
Bremschopper
- 2
- Feldeffekt-Transistor,
MOSFET
- 3
- Ohmscher
Widerstand
- 4
- Zwischenkreis
- 5
- Steuereinheit,
ECU
- 6
- Energiespeicher,
Fahrzeugbatterie
- 7
- Batterie-Innenwiderstand
- 8
- Zuleitungskabelwiderstand
- 9
- Bremszweig
- 10
- Wankstabilisierung
- a
- Pulsbreite
- IBat
- Batteriestrom
- IBrems
- Bremsstrom
- IECU
- Steuereinheit-Strom
- Ilim
- Stromgrenzwert
- PBrems
- Bremsverlustleistung
- R1
- Ohmscher
Widerstandswert
- RBat
- Batterie-Innenwiderstandswert
- RBrems
- Bremswiderstand
- RKabel
- Zuleitungskabel-Widerstandswert
- UBat
- Batteriespannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10257211
A1 [0004]
- - DE 10226308 A1 [0006]