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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Schaltungsanordnung.
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Bei verschiedenen Anwendungen, beispielsweise bei der Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren, werden Ströme mittels Schaltungen, insbesondere Transistoren, eingeschaltet und ausgeschaltet. Befindet sich dabei im Stromkreis des Reglers für die Spannungsregelung eine Induktivität, so hängt der zeitliche Verlauf des geschalteten Stromes von dem Wert der Induktivität ab und ändert sich üblicherweise in Abhängigkeit einer e-Funktion.
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Eine Stellgröße für die Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom. Der Erregerstrom fließt durch die Erregerwicklung des Generators und erzeugt das Erregerfeld. Die Spannungsregelung erfolgt über die Steuerung des Erregerstroms. Dies wird mittels einer Endstufe des Reglers realisiert, welche den Erregerstrom ein- und ausschaltet. Der zeitliche Verlauf und somit die Höhe des Erregerstroms innerhalb eines Schaltintervalls sind mitunter von der Zeitkonstante des Läufers abhängig, der die Induktivität darstellt. Die Regelung folgt dem Prinzip, dass der Erregerstrom bei eingeschalteter Endstufe ansteigt und bei ausgeschalteter Endstufe abklingt.
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Herkömmlicherweise sind die Endstufe und die dafür notwendige Logik in einem ASIC implementiert. Die Endstufe wird von der Logik in einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert. Das bestimmte Tastverhältnis definiert das Verhältnis von Ein zu Aus. Das Tastverhältnis des Erregerstroms wird dadurch so verändert, dass sich die Bordnetzspannung des Generators auf vorbestimmte und damit gewünschte Werte einstellt.
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Liegt die Bordnetzspannung unterhalb einer Sollspannung, so wird das Tastverhältnis erhöht, d. h. die Einschaltzeit wird verlängert. Liegt die Bordnetzspannung über der Sollspannung, so wird das Tastverhältnis reduziert, gegebenenfalls bis zum vollständigen Ausschalten der Endstufe.
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Sowohl das Ansteigen des Erregerstroms als auch das Abklingen des Erregerstroms erfolgen jeweils als e-Funktion. Der zeitliche Verlauf des Erregerstroms und damit seine Zeitkonstante hängen also von der Größe der Induktivität der Erregerwicklung ab. Die Zeitkonstante wird üblicherweise als Läufer-Zeitkonstante bezeichnet, weil sich die Erregerwicklung auf dem Läufer des Generators befindet.
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Herkömmlicherweise kommt es beim Abschalten einer elektrischen Belastung im Bordnetz des Kraftfahrzeuges zu einer Spannungserhöhung, die vom Regler nur so schnell ausgeregelt werden kann, wie es die Läufer-Zeitkonstante erlaubt. Diese Spannungsüberhöhung kann bei entsprechender Höhe und Dauer zur Folge haben, dass sich im Bordnetz befindliche Steuergeräte zum Eigenschutz abschalten oder schlimmstenfalls zerstört werden.
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Dabei beschreibt die Druckschrift
DE 10 2004 062 032 A1 eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines induzierten Stroms. Weiter ist in der Patentschrift
DE 41 08 861 C2 eine Einrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug mit parallel geschalteten Generatoren beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität mit einer Mehrzahl von Mitteln mit einem jeweiligen Freilaufmittel zur Bildung eines Freilaufkreises vorteilhafterweise derart gesteuert wird, dass ein Freilauf des Stromes durch die Induktivität in Abhängigkeit der an der Schaltungsanordnung anliegenden Bordnetzspannung über einen bestimmten der Freilaufkreise erfolgt.
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Folglich wird der aktuelle Wert der Bordnetzspannung dazu genutzt, den geeigneten Freilaufkreis auszuwählen. Somit wird situationsabhängig stets der geeignete Freilaufkreis eingesetzt.
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Demgemäß wird eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität vorgeschlagen, welche an eine Ausgangs-Spannung mittels Schaltmittel anlegbar ist. Die Schaltungsanordnung hat ein erstes Mittel und zumindest ein zweites Mittel. Das erste Mittel hat zumindest ein erstes Freilaufmittel zur Bildung eines ersten Freilaufkreises. Entsprechend hat das zumindest eine zweite Mittel ein zweites Freilaufmittel zur Bildung eines zweiten Freilaufkreises. Weiter hat die Schaltungsanordnung ein Steuermittel. Das Steuermittel ist dazu eingerichtet, das erste Mittel und das zumindest eine zweite Mittel derart zu steuern, dass ein Freilauf des Stromes durch die Induktivität in Abhängigkeit der Bordnetzspannung über den ersten Freilaufkreis oder den zumindest einen zweiten Freilaufkreis erfolgt.
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Das jeweilige Mittel, erstes Mittel, zweites Mittel, erstes Freilaufmittel, zweites Freilaufmittel, Steuermittel sowie alle im Weiteren genannten Mitteln, kann hardwaretechnisch oder auch hardware- und softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Vorrichtung, zum Beispiel als Computer, Mikroprozessor, Einrichtung oder auch als Teil eines Systems, zum Bespiel als Computer-System, ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
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Die Funktionalität des Steuermittels kann auch über zumindest zwei Einheiten, beispielsweise das erste Mittel und das zweite Mitte, verteilt sein.
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Des Weiteren wird ein Spannungsregler für einen Generator eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, welcher eine wie oben erläuterte Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität hat.
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Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches einen solchen Spannungsregler aufweist. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw), ein Lastkraftwagen (Lkw) und ein Nutzkraftfahrzeug (Nkw).
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Ferner wird ein Verfahren zum Steuern einer Schaltungsanordnung zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität vorgeschlagen, an welcher eine Bordnetzspannung über Schaltmittel anlegbar ist, wobei die Schaltungsanordnung ein erstes Mittel mit einem ersten Freilaufmittel zur Bildung eines ersten Freilaufkreises und zumindest ein zweites Mittel mit zumindest einem zweiten Freilaufmittel zur Bildung eines zweiten Freilaufkreises hat. Dabei werden das erste Mittel und das zumindest eine zweite Mittel derart gesteuert, dass ein Freilauf des Stromes durch die Induktivität in Abhängigkeit der Bordnetzspannung über den ersten Freilaufkreis oder über den zumindest einen zweiten Freilaufkreis erfolgt.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der in Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung und des in Anspruch 15 angegebenen Verfahrens.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat das erste Mittel ein Schaltmittel zum Schalten der Induktivität, ein erstes Steuermittel zum Steuern des ersten Schaltmittels und das erste Freilaufmittel. Das erste Mittel ist beispielsweise als eine integrierte Schaltung ausgebildet. Vorzugsweise ist das erste Mittel ein erster ASIC.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung hat das zweite Mittel ein zweites Schaltmittel zum Schalten der Induktivität, ein zweites Steuermittel zum Steuern des zweiten Schaltmittels und das zweite Freilaufmittel. Auch das zweite Mittel ist insbesondere als integrierte Schaltung ausgebildet. Vorzugsweise ist das zweite Mittel ein zweiter ASIC.
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Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise als ein Spannungsregler für einen Generator ausgebildet. Das jeweilige Schaltmittel ist beispielsweise ein Transistor. Das jeweilige Freilaufmittel ist beispielsweise eine Freilaufdiode.
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Insbesondere ist die Induktivität zum Anlegen der Bordnetzspannung zwischen einem positiven Bordnetz-Anschluss und einem Masse-Anschluss gekoppelt.
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Insbesondere hat das erste Mittel eine erste Sollspannung U1, ab welcher das erste Steuermittel das erste Schaltmittel abschaltet. Dementsprechend hat das zweite Mittel eine zweite Sollspannung U2, ab welcher das zweite Steuermittel das zweite Schaltmittel abschaltet. Die zweite Sollspannung U2 ist insbesondere um eine einstellbare Differenzspannung UD größer als die erste Sollspannung U1.
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Hinsichtlich der Wahl des geeigneten Freilaufkreises wird vorzugsweise folgende Steuerung vorgeschlagen: Der Freilauf des Stromes durch die Induktivität erfolgt über den ersten Freilaufkreis, falls die Bordnetzspannung UA kleiner gleich der Summe aus der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist. Des Weiteren erfolgt der Freilauf des Stromes durch die Induktivität über den zweiten Freilaufkreis, falls die Bordnetzspannung UA größer als die Summe aus der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist.
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Folgendes kann zusammengefasst werden:
Freilauf über den ersten Freilaufkreis: UA ≤ U1 + UD = U2
Freilauf über den zweiten Freilaufkreis: UA > U1 + UD = U2
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung betreibt die erste Steuereinheit das erste Schaltmittel im ausgeschalteten Zustand und die zweite Steuereinheit betreibt das zweite Schaltmittel im eingeschalteten Zustand, falls die Bordnetzspannung UA kleiner gleich der Summe aus der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist.
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Somit wird vorteilhafterweise der erste Freilaufkreis bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung betreibt die erste Steuereinheit das erste Schaltmittel im ausgeschalteten Zustand und die zweite Steuereinheit betreibt das zweite Schaltmittel im ausgeschalteten Zustand, falls die Bordnetzspannung UA größer der Summe der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist.
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Damit wird vorteilhafterweise der zweite Freilaufkreis bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Steuermittel dazu geeignet, die Differenzspannung UD einzustellen und die eingestellte Differenzspannung UD dem ersten Mittel und dem zweiten Mittel bereitzustellen. Weiter kann das Steuermittel auch dazu eingerichtet sein, die erste Sollspannung einzustellen und dem ersten Mittel bereitzustellen. Ebenso kann das Steuermittel auch dazu eingerichtet sein, die zweite Sollspannung einzustellen und dem zweiten Mittel bereitzustellen. Ferner kann das Steuermittel dazu eingerichtet werden, zumindest ein Steuersignal zum Steuern des ersten oder des zweiten Schaltmittels bereitzustellen.
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Insbesondere ist die Induktivität zwischen einem ersten Läufer-Anschluss und einem zweiten Läufer-Anschluss gekoppelt, wobei das erste Schaltmittel und das erste Freilaufmittel mit dem ersten Läufer-Anschluss verbunden sind und das zweite Schaltmittel und das zweite Freilaufmittel mit dem zweiten Läufer-Anschluss verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das erste Schaltmittel zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss und dem ersten Läufer-Anschluss, das erste Freilaufmittel zwischen dem ersten Läufer-Anschluss und dem Masse-Anschluss, das zweite Freilaufmittel zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss und dem zweiten Läufer-Anschluss und das zweite Schaltmittel zwischen dem zweiten Läufer-Anschluss und dem Masse-Anschluss gekoppelt.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Weiterbildung ist das erste Freilaufmittel zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss und dem ersten Läufer-Anschluss, das erste Schaltmittel zwischen dem ersten Läufer-Anschluss und dem Masse-Anschluss, das zweite Schaltmittel zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss und dem zweiten Läufer-Anschluss und das zweite Freilaufmittel zwischen dem zweiten Läufer-Anschluss und dem Masse-Anschluss gekoppelt.
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In Sinne obiger beiden bevorzugten Weiterbildungen ist sichergestellt, dass die Anordnung der Komponenten des zweiten Mittels gegensätzlich zu denen des ersten Mittels ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der erste Freilaufkreis über das zweite Schaltmittel und das erste Freilaufmittel ausgebildet. Somit erfolgt der Freilauf des Stromes durch die Induktivität über das zweite Schaltmittel und das erste Freilaufmittel.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der zweite Freilaufkreis über das zweite Freilaufmittel, das Bordnetz und das erste Freilaufmittel ausgebildet. Somit erfolgt der Freilauf des Stromes durch die Induktivität über das zweite Freilaufmittel, das Bordnetz und das erste Freilaufmittel. Vorzugsweise sind die Ausgangs- und Masseanschlüsse über ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges, beispielsweise über einen Verbraucher, gekoppelt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Steuermittel eine Verbindung zwischen dem ersten Mittel und dem zweiten Mittel auf, über welche das Steuermittel zumindest ein Signal überträgt, welches die eingestellte Differenzspannung angibt, aus welchem die eingestellte Differenzspannung ableitbar ist, aus welchem die erste Sollspannung und/oder die zweite Sollspannung ableitbar ist, und/oder welches ein Steuersignal zum Steuern des ersten oder des zweiten Schaltmittels repräsentiert.
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In Abhängigkeit der eingestellten Differenzspannung kann die zweite Sollspannung berechnet werden. So ist die eingestellte Differenzspannung geeignet als Vorgabe zur Ansteuerung des zweiten Schaltmittels. Das übertragene Signal kann analog, digital, pulsweitenmoduliert und/oder in Abhängigkeit eines vorbestimmten Protokolls, beispielsweise LIN, generiert sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Steuermittel als Teil einer externen Steuereinrichtung ausgebildet, welche eine jeweilige Verbindung zu dem ersten und dem zweiten Mittel hat.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spannungsreglers,
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2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spannungsreglers, und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Spannungsreglers.
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spannungsreglers 1 dargestellt. Der Spannungsregler 1 ist zur Reduzierung eines Stromes durch eine Induktivität 2 geeignet. Die Induktivität 2 wird vorzugsweise durch eine Erregerwicklung und einen Läufer eines Kraftfahrzeuggenerators ausgebildet, welche die Erregerwicklung trägt. Die Induktivität 2 ist zwischen einem positiven Bordnetz-Anschluss 3 und einem Masse-Anschluss 4 gekoppelt. Der Spannungsregler 1 hat ein erstes Mittel 5, insbesondere einen ersten ASIC 5, und ein zweites Mittel 6, insbesondere einen zweiten ASIC 6.
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Der erste ASIC 5 hat ein erstes Schaltmittel 7 zum Schalten der Induktivität 2, ein erstes Steuermittel 8 zum Steuern des ersten Schaltmittels 7 und ein erstes Freilaufmittel 9. Das erste Schaltmittel 7 ist beispielsweise ein Transistor. Das erste Freilaufmittel 9 ist beispielsweise eine Freilaufdiode.
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Entsprechend hat der zweite ASIC 6 ein zweites Schaltmittel 10 zum Schalten der Induktivität 2, ein zweites Steuermittel 11 zum Steuern des zweiten Schaltmittels 10 und ein zweites Freilaufmittel 12. Das zweite Schaltmittel 10 ist beispielsweise als ein Transistor ausgebildet. Das zweite Freilaufmittel 12 ist ebenfalls vorzugsweise als Freilaufdiode ausgebildet.
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Das Bordnetz des Kraftfahrzeuges hat den positiven Bordnetz-Anschluss 3 und den Masse-Anschluss 4. In 1 ist dieses Bordnetz durch den Verbraucher 13 bezeichnet. Parallel zu dem Verbraucher 13 ist eine Spannungsquelle 14 geschaltet. Die Spannungsquelle 14 ist insbesondere als Batterie ausgebildet, die vorzugsweise mehrere Zellen hat.
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Ein erster Freilaufkreis 15 ist über das zweite Schaltmittel 10 und das erste Freilaufmittel 9 ausgebildet. Somit erfolgt der Freilauf des Stromes durch die Induktivität beim ersten Freilaufkreis 15 über das zweite Schaltmittel 10 und das erste Freilaufmittel 9.
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Ein zweiter Freilaufkreis 16 ist über das zweite Freilaufmittel 12, das Bordnetz und das erste Freilaufmittel 9 ausgebildet.
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Ferner hat der Spannungsregler 1 ein Steuermittel 17 zum Steuern des ersten Mittels 5 und des zweiten Mittels 6 derart, dass ein Freilauf des Stromes durch die Induktivität in Abhängigkeit der Bordnetzspannung UA über den ersten Freilaufkreis 15 oder über den zweiten Freilaufkreis 16 erfolgt.
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Dabei steuert das Steuermittel 17 den Freilauf des Stromes durch die Induktivität über den ersten Freilaufkreis 15, falls die Bordnetzspannung UA kleiner gleich der Summe der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist. Demgegenüber steuert das Steuermittel 17 den Freilauf des Stromes durch die Induktivität über den zweiten Freilaufkreis 16, falls die Bordnetzspannung UA größer als die Summe der ersten Sollspannung U1 und der Differenzspannung UD ist.
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Zur Bereitstellung des ersten Freilaufkreises 15 betreibt die erste Steuereinheit 8 das erste Schaltmittel 7 im ausgeschalteten Zustand und die zweite Steuereinheit 11 betreibt das zweite Schaltmittel 10 im eingeschalteten Zustand. Zur Bereitstellung des zweiten Freilaufkreises 16 betreibt die erste Steuereinheit 8 das erste Schaltmittel 7 im ausgeschalteten Zustand und die zweite Steuereinheit 11 betreibt das zweite Schaltmittel 10 ebenfalls im ausgeschalteten Zustand.
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Insbesondere ist das Steuermittel 17 dazu geeignet, die Differenzspannung UD einzustellen und die eingestellte Differenzspannung UD dem ersten Mittel 5 und dem zweiten Mittel 6 bereitzustellen. Dazu weist das Steuermittel 17 beispielsweise eine Verbindung zwischen dem ersten Mittel 5 und dem zweiten Mittel 6 auf, über welche das Steuermittel 17 zumindest ein Signal überträgt, welches die eingestellte Differenzspannung UD angibt oder aus welchem die eingestellte Differenzspannung UD ableitbar ist. Zur Steuerung des ersten Mittels 5 und des zweiten Mittels 6 ist es ebenfalls möglich, die Vorgabe der Sollspannung oder eines Signals, das als Steuersignal für zumindest ein Schaltmittel interpretiert werden kann, zu verwenden.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 ist diese beschriebene Funktionalität des Steuermittels 17 in dem ersten ASIC 5 oder in dem zweiten ASIC 6 integriert. Die Verbindung 17 stellt im ersten Ausführungsbeispiel der 1 die Datenübertragung des Signals bereit.
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Die Induktivität 2 ist zwischen einem ersten Läufer-Anschluss 18 und einem zweiten Läufer-Anschluss 19 gekoppelt. Das erste Schaltmittel 7 und das erste Freilaufelement 9 sind mit dem ersten Läufer-Anschluss 18 verbunden. Entsprechend sind das zweite Schaltmittel 10 und das zweite Freilaufmittel 12 mit dem zweiten Läufer-Anschluss 19 verbunden.
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Das erste Schaltmittel 7 ist zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss 3 und dem ersten Läufer-Anschluss 18 verbunden. Das erste Freilaufmittel 9 ist zwischen dem ersten Läufer-Anschluss 18 und dem Masse-Anschluss 4 verbunden. Das zweite Freilaufmittel 12 ist zwischen dem positiven Bordnetz-Anschluss 3 und dem zweiten Läufer-Anschluss 19 verbunden. Das zweite Schaltmittel 10 ist zwischen dem zweiten Läufer-Anschluss 19 und dem Masse-Anschluss 4 verbunden.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers 1 gezeigt. Das zweite Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich in der Ausbildung des Steuermittels 17.
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Im Unterschied zu 1 weist das Steuermittel 17 eine externe Steuereinrichtung 20 auf, welche eine erste Verbindung 21 zu dem ersten ASIC 5 und eine zweite Verbindung 22 zu dem zweiten ASIC 6 hat. Die mit Bezug zu 1 beschriebene Funktionalität des Steuermittels 17 wird durch die externe Steuereinrichtung 20 bereitgestellt. Zur Übertragung des Signals an den ersten ASIC 5 dient die Verbindung 21. In analoger Weise dient die Verbindung 22 zur Übertragung des Signals von der externen Steuereinrichtung 20 an den zweiten ASIC 6.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Schaltungsreglers 1 nach 1 oder 2.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 hat die Verfahrensschritte 301 und 302 und wird mit Bezug zu 1 erläutert:
In einem Verfahrensschritt 301 wird ein Spannungsregler 1 bereitgestellt. Der Spannungsregler 1 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 oder dem zweiten Ausführungsbeispiel der 2 ausgebildet.
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In einem Verfahrensschritt 302 werden das erste Mittel 5 und das zweite Mittel 6 derart gesteuert, dass ein Freilauf des Stromes durch die Induktivität über den ersten Freilaufkreis 15 oder über den zweiten Freilaufkreis 16 in Abhängigkeit der Bordnetzspannung UA des Spannungsreglers 1 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062032 A1 [0008]
- DE 4108861 C2 [0008]
