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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für wenigstens einen Aktuator eines Kraftfahrzeugs.
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Aktuatoren werden beispielsweise als elektromechanische Aktuatoren in Systemen zur aktiven Wankstabilisierung von Kraftfahrzeugen (Active Roll Stabilization, ARS) eingesetzt. Hierbei werden die beiden Hälften eines geteilten Stabilisators mittels des Aktuators – z. B. eines Elektromotors mit Getriebe – gegeneinander verdreht, um bei Kurvenfahrten einer Wankbewegung des Fahrzeugs entgegenzuwirken und bei Geradeausfahren ein weiches Ausfedern von Bodenunebenheiten zu ermöglichen.
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Üblicherweise werden Aktuatoren der genannten Art durch einen elektrischen Energiespeicher gespeist und durch eine elektronische Steuereinrichtung angesteuert. Insbesondere kann die Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs als Energiespeicher für den Aktuator herangezogen werden. Die Steuereinrichtung regelt das zwischen den beiden Stabilisatorhälften zu übertragende Drehmoment in Abhängigkeit von Fahrzustandsparametern wie der Querbeschleunigung des Fahrzeugs, dem Lenkwinkel und/oder der Fahrgeschwindigkeit.
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Aktuatoren in elektromechanischen Wankstabilisierungssystemen, aber auch Aktuatoren anderer Fahrzeugsysteme, wie EPS (Electric Power Steering) oder Start-Stopp-Automatik, weisen üblicherweise einen relativ hohen Strombedarf auf. Insofern ist auch jeglicher Verbraucher mit pulsförmiger Leistungsaufnahme als Aktuator im Sinne der vorliegenden Erfindung anzusehen, da bei einem derartigen Verbraucher intermittierend ein erhöhter Strombedarf auftritt. Der Strombedarf kann besonders hoch ausfallen, wenn die Energieversorgungseinrichtung mehreren Aktuatoren eines Kraftfahrzeugs zugeordnet ist (z. B. vorderer und hinterer Wankstabilisator, oder Wankstabilisator und EPS).
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Zur Unterstützung der Hauptbatterie (d. h. des ersten elektrischen Energiespeichers) kann daher ein zweiter elektrischer Energiespeicher vorgesehen sein, welcher mit dem ersten Energiespeicher parallel verschaltet ist und die Versorgung des Aktuators auch bei erhöhtem Leistungsbedarf sicherstellt. Die parallele Verschaltung der beiden Energiespeicher kann lediglich in bestimmten Betriebszuständen vorliegen, d. h. es kann beispielsweise der zweite Energiespeicher nur im Bedarfsfall zuschaltbar sein. Je nach Anwendung können auch mehr als zwei Energiespeicher parallel miteinander verschaltbar sein.
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In bestimmten Situationen kann es auch bei Einsatz mehrerer parallel geschalteter Energiespeicher dazu kommen, dass eine übermäßig hohe Stromentnahme aus dem ersten Energiespeicher erfolgt und somit beispielsweise das Bordnetz eines zugehörigen Kraftfahrzeugs kurzzeitig einbricht. Da dies grundsätzlich unerwünscht ist, müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die Stromentnahme aus dem ersten Energiespeicher zu begrenzen. Dies kann beispielsweise mittels eines DC/DC-Wandlers erfolgen, oder es könnte ein Schalter vorgesehen sein, welcher notfalls den ersten Energiespeicher vom Energieversorgungsanschluss des Aktuators trennt. Derartige Lösungen sind jedoch mit einem relativ hohen Aufwand und dementsprechenden Kosten verbunden.
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Insofern besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln und auf kostengünstige Weise eine Möglichkeit zur Vermeidung einer Überbeanspruchung eines Energiespeichers für einen Aktuator zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Energieversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Widerstandselement zwischen einen Anschluss des ersten Energiespeichers und einen Anschluss gleicher Polarität des zweiten Energiespeichers geschaltet. Der erste Energiespeicher ist also nicht unmittelbar parallel mit dem zweiten Energiespeicher verschaltet, sondern über einen Widerstand. Dieser Widerstand bewirkt eine Herabsetzung der Stromentnahme aus dem ersten Energiespeicher im Vergleich zu der Stromentnahme aus dem zweiten Energiespeicher. Das Verhältnis der beiden Entnahmestromstärken kann dabei durch den Widerstandswert auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden. Auf diese Weise kann der aus dem ersten Energiespeicher entnommene Strom begrenzt werden, um so z. B. einen Zusammenbruch des Fahrzeug-Bordnetzes zu vermeiden. Die Erfindung ermöglicht es also, aus einer Hilfsbatterie einen hohen Strom zu entnehmen und die Hauptbatterie dabei nur in geringem Ausmaß zu belasten. Gleichzeitig dient das Widerstandselement auch zur Begrenzung eines Ladestroms zum Aufladen des zweiten Energiespeichers. Ein derartiges zwischengeschaltetes Widerstandselement erweist sich hierfür als ein sehr einfaches, jedoch kostengünstiges Mittel.
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Das Widerstandselement kann insbesondere als Leistungswiderstand ausgeführt sein. Derartige Leistungswiderstände sind kostengünstig erhältlich.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Das Widerstandselement kann insbesondere zwischen die positiven Anschlüsse des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers geschaltet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Widerstandselement einen ohmschen Widerstandswert von mindestens 10 mΩ, vorzugsweise zwischen 15 mΩ und 35 mΩ, auf. Hierdurch kann insbesondere bei gängigen Fahrzeuganwendungen der aus der Hauptbatterie entnommene Strom auf ein zulässiges Maß begrenzt werden.
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Es kann ferner ein Trenn-Schaltelement zum wahlweisen Trennen von Anschlüssen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers vorgesehen sein. Der zweite Energiespeicher kann somit bei Bedarf komplett von dem ersten Energiespeicher getrennt werden, etwa zum Zweck des Überstromschutzes oder in Fällen, in denen sich der erste Energiespeicher in einem kritischen Zustand befindet und somit auch ein durch das Widerstandselement verringerter Entnahmestrom durch den ersten Energiespeicher nicht geliefert werden kann.
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Weiterhin kann das Trenn-Schaltelement als elektrisch steuerbarer Schalter ausgeführt sein, wobei eine elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Schalter in Abhängigkeit zumindest von einem Lastzustand des Aktuators anzusteuern. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise den ersten Energiespeicher von dem zweiten Energiespeicher trennen, wenn der Aktuator in einem Hochlastzustand arbeitet. Hierdurch wird es möglich, den zweiten Energiespeicher lediglich dann vom ersten Energiespeicher abzukoppeln, wenn dies auch notwendig ist – also wenn eine hohe Belastung für den Aktuator auftritt und eine dementsprechende Sicherheitsmaßnahme ausgelöst werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Widerstandselement mittels einer ein Überbrückungs-Schaltelement aufweisenden Nebenschlussleitung wahlweise überbrückbar. Durch ein Überbrücken des Widerstandselements kann beispielsweise ein Aufladevorgang des zweiten Energiespeichers im Bedarfsfall beschleunigt werden. In bestimmten Situationen kann eine Überbrückung des Widerstandselements auch erfolgen, um einen besonders hohen Strombedarf durch beide Energiespeicher gleichermaßen zu bewältigen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Energiespeicher eine Hauptbatterie, welche zum Speisen eines 12 V-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, und der zweite Energiespeicher ist eine Hilfsbatterie, welche zur bedarfsweise Zusatzversorgung des Aktuators vorgesehen ist. Da die Hilfsbatterie abgesehen von dem Aktuator keine weiteren Verbraucher mit Energie versorgen muss, kann sie entsprechend Platz sparend und kostengünstig ausgelegt werden.
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Der zweite Energiespeicher kann eine Kondensatoreinrichtung sein. Insbesondere kann der zweite Energiespeicher als Doppelschichtkondensator oder Superkondensator ausgeführt sein. Derartige Energiespeicher zeichnen sich durch eine besonders hohe Energiedichte aus.
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Weiterhin kann eine Anordnung aus mehreren Widerstandselementen zwischen die Anschlüsse gleicher Polarität des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers geschaltet sein, wobei die mehreren Widerstandselemente mittels jeweiliger Schaltelemente wahlweise miteinander verschaltbar sind, insbesondere parallel. Auf diese Weise kann die Vorrichtung flexibler gestaltet werden, da z. B. mehrere unterschiedliche Widerstandswerte auswählbar sind. Insbesondere kann ein Netz oder eine Kaskade aus einer Vielzahl von Widerständen vorgesehen sein, um eine Feinabstimmung des Widerstandswerts vorzunehmen.
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Es kann auch einigen, insbesondere allen der mehreren Widerstandselemente ein Trenn-Schaltelement zugeordnet sein und/oder einigen, insbesondere allen der mehreren Widerstandselemente kann eine ein Überbrückungs-Schaltelement aufweisende Nebenschlussleitung zugeordnet sein, um eine Feinabstimmung des Widerstandswerts zu ermöglichen und/oder um das vorstehend erläuterte Trennen der Energiespeicher oder Überbrücken der Widerstandselemente durchzuführen. Hierdurch kann besonders flexibel auf unterschiedliche Betriebssituationen reagiert werden.
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Eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung kann ferner eine Überwachungseinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, die momentane elektrische Spannung an dem ersten Energiespeicher und/oder an dem zweiten Energiespeicher, und/oder den momentanen elektrischen Strom zu dem Energieversorgungsanschluss und/oder die Temperatur des Widerstandselements zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Erfassung den ersten Energiespeicher und/oder den zweiten Energiespeicher von dem Energieversorgungsanschluss zu trennen oder das Widerstandselement zu überbrücken. Temperatur, Spannung und Strom können auf einfache Weise mittels geeigneter Sensoren erfasst werden. Der Zustand der beiden Energiespeicher sowie des Widerstandselements kann durch die Überwachungseinrichtung während des Betriebs fortlaufend überprüft werden, um eine korrekte Funktion der Vorrichtung sicherzustellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann eine Umschalteinrichtung dazu ausgebildet sein, die Energieversorgungseinrichtung wahlweise in den ersten Betriebszustand oder in einen zweiten Betriebszustand zu versetzen, in welchem der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher seriell miteinander verschaltet sind. Eine derartige Umschalteinrichtung eröffnet die Möglichkeit, die Ausgangsspannung der Energieversorgungseinrichtung vorübergehend zu erhöhen, z. B. während eines Spitzenlastzustands des Aktuators. In dem zweiten Betriebszustand wird das Widerstandselement vorzugsweise überbrückt, so dass es nicht zwischen den ersten Energiespeicher und den zweiten Energiespeicher geschaltet ist.
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Die Energieversorgungseinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens einen dritten elektrischen Energiespeicher umfassen, wobei eine Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den zweiten Energiespeicher und den dritten Energiespeicher wahlweise parallel oder seriell miteinander zu verschalten. Durch eine serielle Verschaltung des zweiten Energiespeichers und des dritten Energiespeichers kann vorübergehend eine erhöhte Versorgungsspannung für den Aktuator bereitgestellt werden, um dadurch eine kurzzeitige hohe Leistungsanforderung zu bewältigen. Auf diese Weise kann – insbesondere durch elektronisch gesteuertes und automatisches Umschalten zwischen serieller und paralleler Verschaltung – während des Fahrbetriebs kontinuierlich für eine effektive Energieversorgung des Aktuators gesorgt werden. Durch eine serielle Verschaltung von mehr als zwei Energiespeichern lässt sich die Versorgungsspannung sogar noch weiter erhöhen, falls dies aufgrund der Anwendung erforderlich sein sollte.
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Die Schaltungsanordnung kann ein Reihen-Schaltelement zum selektiven Verbinden eines Anschlusses des zweiten Energiespeichers mit dem Anschluss entgegengesetzter Polarität des dritten Energiespeichers umfassen. Ferner kann die Schaltungsanordnung zwei Parallel-Schaltelemente zum selektiven Verbinden von jeweiligen Anschlüssen gleicher Polarität des zweiten Energiespeichers und des dritten Energiespeichers umfassen. Durch Öffnen der Parallel-Schaltelemente und Schließen des Reihen-Schaltelements kann somit eine serielle Verschaltung der beiden Energiespeicher herbeigeführt werden. Umgekehrt kann durch Öffnen des Reihen-Schaltelements und Schließen der beiden Parallel-Schaltelemente die parallele Verschaltung der beiden Energiespeicher herbeigeführt werden. Das Reihen-Schaltelement und die Parallel-Schaltelemente können als elektrisch steuerbare Schalter ausgeführt sein, welche mit einer elektronischen Steuereinrichtung (insbesondere der bereits genannten Steuereinrichtung) in Verbindung stehen. Eines der Parallel-Schaltelemente könnte auch als Diode ausgeführt sein, um so die entsprechende Steuerleitung einzusparen.
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Vorzugsweise weist der zweite Energiespeicher die gleiche Nennspannung auf wie der dritte Energiespeicher. Weiterhin ist bevorzugt, dass der erste Energiespeicher die gleiche Nennspannung aufweist wie der zweite Energiespeicher. Bei einem Umschalten von paralleler auf serielle Verschaltung zwischen zwei Energiespeichern wird somit die durch die Energiespeicher-Anordnung bereitgestellte Versorgungsspannung verdoppelt. In dem ersten Betriebszustand mit paralleler Verschaltung können die beiden Energiespeicher dagegen parallel aufgeladen werden, beispielsweise von einer Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs.
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Die Erfindung betrifft auch einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, der mit wenigstens einem Aktuator und einer Energieversorgungseinrichtung der vorstehend beschriebenen Art ausgestattet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Schaltbild einer Energieversorgungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist ein Schaltbild einer Energieversorgungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 1 stellt eine Energieversorgungseinrichtung 13 elektrische Energie für den Betrieb eines nicht dargestellten elektromechanischen Aktuators bereit, welcher einem Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug zugeordnet ist. Der Aktuator kann insbesondere dazu dienen, bedarfsweise zwei Stabilisatorhälften des Wankstabilisators gegeneinander zu verdrehen. Die Energieversorgungseinrichtung 13 umfasst zwei Energiespeicher, nämlich einerseits die zum Speisen eines Bordnetzes vorgesehene Hauptbatterie 15 des Kraftfahrzeugs und andererseits eine Hilfsbatterie 17, welche ausschließlich zur bedarfsweisen Zusatzversorgung des Aktuators vorgesehen ist. Die Hauptbatterie 15 steht mit weiteren Verbrauchern des Kraftfahrzeugs und mit einer Lichtmaschine in elektrischer Verbindung, was in 1 nicht im Einzelnen dargestellt ist. Die Hilfsbatterie 17 ist hingegen nicht direkt mit weiteren Verbrauchern des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Sowohl die Hauptbatterie 15 als auch die Hilfsbatterie 17 weisen eine Nennspannung von 12 V auf.
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Zwischen den positiven Anschluss der Hauptbatterie 15 und den positiven Anschluss der Hilfsbatterie 17 sind ein Widerstandselement 21 und ein Trenn-Schaltelement 23 geschaltet. Das Trenn-Schaltelement 23 ist hier als Relais ausgeführt. Sofern das Trenn-Schaltelement 23 geschlossen ist, sind die Hauptbatterie 15 und die Hilfsbatterie 17 parallel miteinander verschaltet und stehen in elektrischer Verbindung mit einem Energieversorgungsanschluss 19 des Aktuators.
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Eine als Mikrocontroller ausgeführte elektronische Steuereinrichtung 25, welcher eine Stromversorgung 27 zugeordnet ist, ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Aktuators das Trenn-Schaltelement 23 zu öffnen und zu schließen. Weiterhin steht die Steuereinrichtung 25 mit Stromerfassungsschaltungen 29 zum Überwachen von Lade- und Entladeströmen sowie mit Spannungserfassungsschaltungen 31 zum Überwachen von Versorgungsspannungen in Verbindung. Die Steuereinrichtung 25 weist weiterhin einen Signaleingang auf, der an einen Signalbus 33 des Kraftfahrzeugs, z. B. einen CAN-Bus oder LIN-Bus, angeschlossen ist. Über diesen Signaleingang empfängt die Steuereinrichtung 25 ein oder mehrere Eingangssignale, anhand derer der Betrieb der Energieversorgungseinrichtung 13 gesteuert wird.
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Das Widerstandselement 21 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Leistungswiderstand mit einem ohmschen Widerstandswert von 20 mΩ. Wenn der Aktuator einen erhöhten Strombedarf aufweist, beispielsweise 150 A, dann bewirkt das Widerstandselement 21, dass von der Hilfsbatterie 17 etwa 100 A entnommen werden, von der Hauptbatterie 15 jedoch lediglich 50 A – eine Stromstärke, die ohne die Gefahr eines Einbruchs des Bordnetzes bereitgestellt werden kann. Des Weiteren dient das Widerstandselement 21 auch dazu, den Ladestrom beim Aufladen der Hilfsbatterie 17 zu begrenzen.
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Durch Öffnen des Trenn-Schaltelements 23 kann die Hilfsbatterie 17 vollständig von der Hauptbatterie 15, also vom Bordnetz, getrennt werden. Dies kann beispielsweise als Überstromschutzmaßnahme oder bei kritischem Zustand der Hauptbatterie 15 sinnvoll sein. Mittels der von den Stromerfassungsschaltungen 29 und den Spannungserfassungsschaltungen 31 ausgegebenen Signale überprüft die Steuereinrichtung 25 während des Betriebs fortlaufend die Funktion der Hauptbatterie 15, der Hilfsbatterie 17 sowie des Widerstandselements 21. Sofern die Steuereinrichtung 25 einen kritischen Wert für den Zustand einer oder beider Batterien 15, 17 oder des Widerstandselements 21 feststellt, kann eine geeignete Sicherheitsmaßnahme ausgelöst werden, insbesondere das Trenn-Schaltelement 23 geöffnet werden.
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Grundsätzlich kann auch ein Schaltelement vorgesehen sein, welches das Widerstandselement 21 überbrückt, um so z. B. im Bedarfsfall das Aufladen der Hilfsbatterie 17 zu beschleunigen oder in Fällen besonders hohen Strombedarfs eine gleichmäßige Versorgung des Aktuators durch die Hauptbatterie 15 und die Hilfsbatterie 17 vorzusehen.
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In 2 ist eine Energieversorgungseinrichtung 13' gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche oder äquivalente Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in 1. Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist zur Stützung der Hauptbatterie 15 eine Anordnung aus einer ersten Hilfsbatterie 17 und einer zweiten Hilfsbatterie 37 vorgesehen, wobei eine Schaltungsanordnung 39 dazu ausgebildet ist, die erste Hilfsbatterie 17 und die zweite Hilfsbatterie 37 wahlweise parallel oder seriell miteinander zu verschalten. Da die zweite Hilfsbatterie 37 ebenfalls eine Nennspannung von 12 V aufweist, kann die Versorgungsspannung für den Aktuator durch die wahlweise serielle Verschaltung somit bedarfsweise verdoppelt werden. Zu diesem Zweck weist die Schaltungsanordnung 39 zwei Parallel-Schaltelemente 41, 42 sowie ein Reihen-Schaltelement 43 auf, welche bei der dargestellten Ausführungsform als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgeführt sind. Während das erste Parallel-Schaltelement 41 die positiven Anschlüsse der ersten Hilfsbatterie 17 und der zweiten Hilfsbatterie 37 selektiv miteinander verbindet, verbindet das zweite Parallel-Schaltelement 42 die negativen Anschlüsse der ersten Hilfsbatterie 17 und der zweiten Hilfsbatterie 37 selektiv miteinander. Das Reihen-Schaltelement 43 verbindet selektiv den positiven Anschluss der ersten Hilfsbatterie 17 mit dem negativen Anschluss der zweiten Hilfsbatterie 37. Die Parallel-Schaltelemente 41, 42 und das Reihen-Schaltelement 43 sind über entsprechende Steuerleitungen 45 mit dem Signalausgang der Steuereinrichtung 25 verbunden, welche das bedarfsweise Umschalten der Versorgungsspannung steuert.
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Zusätzlich zu den Stromerfassungsschaltungen 29 und den Spannungserfassungsschaltungen 31 ist bei der Ausführungsform gemäß 2 noch eine weitere Spannungserfassungsschaltung 47 vorgesehen, um die zweite Hilfsbatterie 37 zu überwachen. Weiterhin steht die Steuereinrichtung 25 mit einer MOSFET-Treibereinrichtung 49 in Verbindung.
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Eine ähnliche Schaltungsanordnung wie bei 39 gezeigt kann gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform auch dazu eingesetzt werden, eine einzelne Hauptbatterie und eine einzelne Hilfsbatterie wahlweise parallel oder seriell miteinander zu verschalten. Die serielle Verschaltung kann insbesondere dann gewählt werden, wenn eine vorübergehende, stark erhöhte Lastanforderung des Aktuators auftritt (Erhöhung der Versorgungsspannung).
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Um die Stromaufteilung zwischen der Hauptbatterie 15, der ersten Hilfsbatterie 17 sowie gegebenenfalls der zweiten Hilfsbatterie 37 noch präziser zu steuern, kann bei beiden beschriebenen Ausführungsformen anstelle des Widerstandselements 21 eine Anordnung aus mehreren Widerstandselementen vorgesehen sein, wobei insbesondere mehrere Parallel- und/oder Seriell-Verschaltungen von Widerstandselementen vorgesehen sind und gegebenenfalls Nebenschlussleitungen zur bedarfsweisen Überbrückung einzelner Widerstandselemente vorhanden sind.
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Durch die Erfindung wird es unter Einsatz einfacher und kostengünstiger Mittel ermöglicht, bei einem Aktuator eines Kraftfahrzeugs eine Stützung der Hauptbatterie durch eine Hilfsbatterie vorzusehen und dabei die Stromentnahme aus der Hauptbatterie auf einen unkritischen Wert zu begrenzen.
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Bezugszeichenliste
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- 13, 13'
- Energieversorgungseinrichtung
- 15
- Hauptbatterie
- 17
- Hilfsbatterie
- 19
- Energieversorgungsanschluss
- 21
- Widerstandselement
- 23
- Trenn-Schaltelement
- 25
- Steuereinrichtung
- 27
- Stromversorgung
- 29
- Stromerfassungsschaltung
- 31
- Spannungserfassungsschaltung
- 33
- Signalbus
- 37
- zweite Hilfsbatterie
- 39
- Schaltungsanordnung
- 41
- Parallel-Schaltelement
- 42
- Parallel-Schaltelement
- 43
- Reihen-Schaltelement
- 45
- Steuerleitung
- 47
- Spannungserfassungsschaltung
- 49
- MOSFET-Treibereinrichtung