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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines in ein kraftfahrzeugseitiges Bordnetz mit einer gegebenen Bordnetzspannung geschalteten kraftfahrzeugseitigen elektrischen Aktuators, welcher elektrische Aktuator über einen Ausgang einer Wechselrichtereinrichtung mit einer elektrischen Wechselspannung versorgt wird.
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Der Betrieb von kraftfahrzeugseitigen Bordnetzen respektive der Betrieb von in diese geschalteten elektrischen Aktuatoren, allgemein elektrischen Verbrauchern, stellt eine Reihe an Herausforderungen dar, welche insbesondere mit der steigenden Anzahl an elektrischen Verbrauchern und deren Energiebedarf zusammenhängen. Entsprechend werden künftig Bordnetze mit einer Bordnetzspannung von 48 V (Gleichspannung) vorgesehen. Diese Bordnetze haben einen Massebezug, sodass auf zusätzliche elektrische Rückleiterelemente verzichtet werden kann.
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An den über entsprechende Bordnetze elektrisch versorgten elektrischen Verbrauchern liegt in bestimmten Betriebssituationen eine oberhalb 30 V (Wechselspannung) liegende Betriebsspannung an. Dies ist insbesondere im Hinblick auf sicherheitsrelevante, z. B. den Berührschutz, betreffende Aspekte bzw., z. B. in einschlägigen Normen definierte, Vorgaben verbesserungswürdig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines in ein kraftfahrzeugseitiges Bordnetz geschalteten kraftfahrzeugseitigen elektrischen Aktuators anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass bei Vorliegen wenigstens eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs betreffenden Beschränkungskriteriums die Betriebsspannung des elektrischen Aktuators wenigstens über die Wechselrichtereinrichtung auf eine Betriebsspannungsobergrenze beschränkt wird.
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Das hierin beschriebene Verfahren betrifft im Allgemeinen die Steuerung des Betriebs, d. h. insbesondere die Steuerung der Betriebsspannung, wenigstens eines in ein kraftfahrzeugseitiges Bordnetz geschalteten elektrischen Aktuators, worunter im Allgemeinen ein in ein kraftfahrzeugseitiges Bordnetz geschalteter elektrischer Verbraucher zu verstehen ist. Konkret kann unter einem elektrischen Aktuator, im Weiteren kurz Aktuator, z. B. eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Stellmotor des Kraftfahrzeugs, z. B. ein Stellmotor mit einem Leistungsbedarf von beispielsweise ca. 1 bis 8 kW, verstanden werden.
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Wesentlich an dem Verfahren ist, dass an dem über ein entsprechendes kraftfahrzeugseitiges Bordnetz elektrisch versorgten elektrischen Aktuator keine maximale Betriebsspannung, typischerweise eine oberhalb 30 V (Wechselspannung) liegende Betriebsspannung, anliegt, sondern die Betriebsspannung des Aktuators in bestimmten Betriebszuständen des Bordnetzes respektive des Kraftfahrzeugs gezielt auf eine bestimmte Betriebsspannungsobergrenze beschränkt werden kann bzw. wird. Durch die gezielte Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze können die eingangs erwähnten, insbesondere sicherheitsrelevanten, z. B. den Berührschutz, betreffenden Aspekte bzw., z. B. in einschlägigen Normen definierten, Vorgaben auf steuerungstechnisch vergleichsweise einfach Weise erfüllt werden.
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Die verfahrensgemäß vorgesehene gezielte Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators erfolgt grundsätzlich bei Vorliegen wenigstens eines Beschränkungskriteriums. Ein entsprechendes Beschränkungskriterium betrifft wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs. Im Zusammenhang mit dem Beschränkungskriterium stehende Betriebsparameter werden sonach über eine geeignete Erfassungseinrichtung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasst und über eine geeignete Überprüfungseinrichtung dahin überprüft, ob diese das Beschränkungskriterium erfüllen oder nicht. Sowohl die Erfassungseinrichtung als auch die Überprüfungseinrichtung können Teil einer übergeordneten kraftfahrzeugseitigen Steuereinrichtung bilden respektive software- und/oder hardwaremäßig in einer solchen implementiert sein.
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Liegt ein entsprechendes Beschränkungskriterium vor, erfolgt die Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators. Die Betriebsspannungsobergrenze kann in Abhängigkeit bestimmter, insbesondere aktuatorspezifischer, Normen bzw. Vorschriften sowie gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung gewählt werden. Die Auswahl einer entsprechenden Betriebsspannungsobergrenze erfolgt typischerweise auf Grundlage geeigneter Auswahlalgorithmen. Unter einer Betriebsspannungsobergrenze kann neben einem diskreten Spannungswert selbstverständlich auch ein bestimmter Spannungsbereich zu verstehen sein.
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Eine entsprechende Wechselrichtereinrichtung bildet typischerweise einen Teil einer einem entsprechenden Aktuator zugeordneten Leistungs- bzw. Steuerungselektronik. Es kann sich bei einer entsprechenden Wechselrichtereinrichtung um einen Dreiphasen-Wechselrichter handeln respektive kann eine entsprechende Wechselrichtereinrichtung einen solchen umfassen.
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Die Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators erfolgt im Rahmen des Verfahrens zumindest bzw. grundsätzlich vermittels der Wechselrichtereinrichtung. Es wird also derart gezielt steuerungstechnisch in den Betrieb respektive wenigstens einen Betriebsparameter der Wechselrichtereinrichtung eingegriffen respektive wird wenigstens ein Betriebsparameter der Wechselrichtereinrichtung derart beschränkt, dass sich eine Beschränkung der Betriebsspannung des über den Ausgang der Wechselrichtereinrichtung elektrisch versorgten Aktuators einstellt.
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Die Beschränkung des Betriebsparameters der Wechselrichtereinrichtung erfolgt entsprechend auf eine bestimmte Betriebsparameterobergrenze. Die Betriebsparameterobergrenze kann unter Berücksichtigung der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung gewählt werden. Damit führen unterschiedliche Eingangsspannungen der Wechselrichtereinrichtung zu unterschiedlichen Betriebsparameterobergenzen und somit zu einer betragsmäßig entsprechenden Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators. Die Auswahl einer entsprechenden Betriebsparameterobergenze erfolgt typischerweise auf Grundlage geeigneter Auswahlalgorithmen.
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Insbesondere bei Vorliegen eines Bordnetzes mit einer Bordnetzspannung von 48 V (Gleichspannung) kann eine Beschränkung auf eine Betriebsspannungsobergrenze von maximal 30 V (Wechselspannung) aus sicherheitsrelevanten Aspekten („Berührschutz”) zweckmäßig sein. Eine Betriebsspannungsobergrenze kann sonach, insbesondere bei einem Bordnetz mit einer Bordnetzspannung von 48 V (Gleichspannung), z. B. bei 30 V (Wechselspannung) liegen. Der im Rahmen des Verfahrens steuerbare Aktuator ist sonach insbesondere in ein kraftfahrzeugseitiges 48 V Bordnetz geschaltet.
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Bevorzugt wird die Beschränkung auf die gewählte Betriebsspannungsobergrenze durch Änderung des Tastverhältnisses bzw. des Arbeitsbereichs des Tastverhältnisses elektrischer Tast- oder Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung vorgenommen. Dieser Ansatz ist insofern bevorzugt, als derart eine steuerungstechnisch besonders einfache Realisierung einer entsprechenden Betriebsspannungsobergrenze möglich ist. Diesem liegt ein besonders eindeutiger und somit steuerungstechnisch gut umsetzbarer Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung, dem Tastverhältnis bzw. dem Arbeitsbereich des Tastverhältnisses und der Ausgangsspannung der Wechselrichtereinrichtung zugrunde. Prinzipiell wäre es auch möglich, eine gewählte Betriebsspannungsobergrenze durch eine geeignete Begrenzung wenigstens eines anderen Betriebsparameters der Wechselrichtereinrichtung zu realisieren.
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Wie sich im Folgenden ergibt, kann eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators zusätzlich auch anderweitig, z. B. durch gezielte steuerungstechnische Eingriffe in den Betrieb respektive bestimmte Betriebsparameter des Bordnetzes oder des Aktuators selbst, realisiert werden. Insbesondere lässt sich ein Steuerungsblock respektive eine Steuerungskette implementieren, welche(r) weitere Maßnahmen zur Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze beinhaltet.
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Eine Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze kann z. B. zusätzlich auch durch eine Beschränkung der dem Aktuator zugeführten elektrischen Leistung realisiert werden.
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Alternativ oder ergänzend kann eine Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze zusätzlich auch durch Beschränken wenigstens eines Betriebsparameters eines entsprechenden Aktuators auf eine Obergrenze realisiert werden. Als entsprechender Betriebsparameter kommt z. B. eine Drehzahl des Aktuators in Frage. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei einem entsprechenden Aktuator um eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Motor, handelt. In diesem Zusammenhang kann auch die Erfassung einer Position eines rotatorisch gelagerten Aktuatorelements, wie z. B. eines Rotors einer elektrischen Maschine, zweckmäßig sein.
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Als ein wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs betreffendes Beschränkungskriterium kann eine Grenzgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, z. B. 3 km/h, und/oder eine Grenzbeschleunigung des Kraftfahrzeugs, z. B. 0,1 m/s2, und/oder eine eine Kollision des Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Kollisionsobjekt anzeigende Kollisionsinformation und/oder eine einen Werkstattaufenthalt anzeigende Werkstattinformation verwendet werden. Die Beschränkungskriterien haben gemein, dass bei Vorliegen dieser stets eine Situation, insbesondere das Abstellen bzw. Stehen des Kraftfahrzeugs, eintreten kann bzw. gegeben ist, in welcher Werkstattpersonal, allgemein wenigstens ein Benutzer, in Berührung mit dem Bordnetz, d. h. insbesondere der elektrischen Leitungsverbindung, zwischen der Wechselrichtereinrichtung und einem entsprechenden Aktuator, kommen kann, so dass gerade in diesen Situationen eine Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators, insbesondere aus sicherheitsrelevanten Gründen („Berührschutz”), zweckmäßig ist. Die Erfassung einer Kollision kann durch geeignete Kollisionserfassungseinrichtungen („Crash-Sensorik”), die Erfassung eines Werkstattaufenthalts kann durch ein entsprechend werkstattseitig an das Kraftfahrzeug gegebenes Signal realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Bordnetz mit einer gegebenen Bordnetzspannung, insbesondere einer Bordnetzspannung von 48 V, eine Wechselrichtereinrichtung, wenigstens einen in das Bordnetz geschalteten Aktuator, welcher Aktuator über einen Ausgang einer Wechselrichtereinrichtung mit einer elektrischen Wechselspannung versorgt ist, und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, bei Vorliegen wenigstens eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs betreffenden Beschränkungskriteriums die Betriebsspannung des Aktuators wenigstens über die Wechselrichtereinrichtung auf eine Betriebsspannungsobergrenze zu beschränken. Die Steuereinrichtung ist sonach zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Mithin gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren analog für das Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine Prinzipdarstellung einer im Rahmen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung implementierbaren Steuerungskette.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Bordnetz 2 mit einer gegebenen Bordnetzspannung von 48 V (Gleichspannung), eine Wechselrichtereinrichtung 3 als Teil einer Leistungs- bzw. Steuerungselektronik und wenigstens einen in das Bordnetz 2 geschalteten elektrischen Aktuator 4 in Form eines elektrischen Stellmotors mit einem Leistungsbedarf von beispielsweise ca. 1 bis 8 kW.
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Die Wechselrichtereinrichtung 3 umfasst einen Ausgang 5 und einen Eingang 6. Der Aktuator 4 ist an den Ausgang 5 der Wechselrichtereinrichtung 3 geschaltet und wird über diese mit elektrischer Energie, insbesondere einer elektrischen Wechselspannung, versorgt. An dem Eingang 6 der Wechselrichtereinrichtung 3 liegt eine Bordnetzspannung (Gleichspannung) des Bordnetzes 2 an. Ersichtlich handelt es sich bei der Wechselrichtereinrichtung 3 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Dreiphasen-Wechselrichter.
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Zwischen dem Eingang 6 und dem Ausgang 5 der Wechselrichtereinrichtung 3 ist in dem in Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel ferner ein Zwischenkondensator 7 geschaltet.
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Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 8. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Vorliegen wenigstens eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1 betreffenden Beschränkungskriteriums die Betriebsspannung des Aktuators 4 wenigstens über die Wechselrichtereinrichtung 3 auf eine Betriebsspannungsobergrenze zu beschränken.
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Über die Steuereinrichtung 8 lässt sich sonach ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Aktuators 4, insbesondere zur Steuerung der Betriebsspannung des Aktuators 4, realisieren, welches im Weiteren näher beschrieben wird.
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Vermittels des Verfahrens ist es möglich, dass bei Vorliegen wenigstens eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1 betreffenden Beschränkungskriteriums an dem Aktuator 4 keine Betriebsspannung oberhalb einer maximalen Betriebsspannungsobergrenze anliegt. Insbesondere ist es möglich, dass bei Vorliegen wenigstens eines wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1 betreffenden Beschränkungskriteriums an dem Aktuator 4 keine oberhalb 30 V (Wechselspannung) liegende Betriebsspannung anliegt. Die Betriebsspannung des Aktuators 4 wird in bestimmten Betriebszuständen des Bordnetzes 2 respektive des Aktuators 4 gezielt auf eine bestimmte Betriebsspannungsobergrenze beschränkt. Durch die gezielte Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze können insbesondere sicherheitsrelevante, z. B. den Berührschutz, betreffende Aspekte bzw., z. B. in einschlägigen Normen definierte, Vorgaben auf steuerungstechnisch vergleichsweise einfach Weise erfüllt werden.
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Die gezielte Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 erfolgt, wie erwähnt, bei Vorliegen wenigstens eines Beschränkungskriteriums. Ein entsprechendes Beschränkungskriterium betrifft, wie erwähnt, wenigstens einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1. Im Zusammenhang mit dem Beschränkungskriterium stehende Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1 werden über eine Erfassungseinrichtung 9 kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasst und über eine Überprüfungseinrichtung 10 dahin überprüft, ob diese das Beschränkungskriterium erfüllen oder nicht. Sowohl die Erfassungseinrichtung 9, in welcher geeignete Erfassungsalgorithmen hinterlegt sind, als auch die Überprüfungseinrichtung 10, in welcher geeignete Überprüfungsalgorithmen hinterlegt sind, können Teile der Steuereinrichtung 8 bilden respektive software- oder hardwaremäßig in einer dieser implementiert sein.
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Liegt ein entsprechendes Beschränkungskriterium vor, erfolgt eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 Unter einer Betriebsspannungsobergrenze kann neben einem diskreten Spannungswert selbstverständlich auch ein bestimmter Spannungsbereich zu verstehen sein.
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Als ein Beschränkungskriterium kann z. B. eine Grenzgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 1, z. B. 3 km/h, und/oder eine Grenzbeschleunigung, z. B. 0,1 m/s2, des Kraftfahrzeugs 1 und/oder eine eine Kollision des Kraftfahrzeugs 1 mit wenigstens einem Kollisionsobjekt anzeigende Kollisionsinformation und/oder eine einen Werkstattaufenthalt anzeigende Werkstattinformation verwendet werden. Die genannten Beschränkungskriterien haben gemein, dass bei Vorliegen dieser stets eine Situation, insbesondere das Abstellen bzw. Stehen des Kraftfahrzeugs 1, gegeben ist, in welcher ein Benutzer in Berührung mit dem Bordnetz 2, d. h. insbesondere der elektrischen Leitungsverbindung, zwischen der Wechselrichtereinrichtung 3 und dem Aktuator 4, kommen kann, so dass gerade in diesen Situationen eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4, insbesondere aus sicherheitsrelevanten Gründen („Berührschutz”), zweckmäßig ist.
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Die Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 erfolgt im Rahmen des Verfahrens zumindest bzw. grundsätzlich vermittels der Wechselrichtereinrichtung 3. Es wird also vermittels der Steuereinrichtung 8 derart gezielt steuerungstechnisch in den Betrieb respektive wenigstens einen Betriebsparameter der Wechselrichtereinrichtung 3 eingegriffen, dass sich eine Beschränkung der Betriebsspannung des über den Ausgang 5 der Wechselrichtereinrichtung 3 elektrisch versorgten Aktuators 4 einstellt.
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Insbesondere bei Vorliegen eines wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigten Bordnetzes 2 mit einer Bordnetzspannung von 48 V (Gleichspannung) kann eine Beschränkung auf eine Betriebsspannungsobergrenze von maximal 30 V (Wechselspannung) aus sicherheitsrelevanten Aspekten („Berührschutz”) zweckmäßig sein.
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Die Beschränkung auf die gewählte Betriebsspannungsobergrenze wird durch Änderung bzw. Beschränkung wenigstens eines Betriebsparameters der Wechselrichtereinrichtung 3, insbesondere durch Änderung bzw. Beschränkung des Tastverhältnisses bzw. des Arbeitsbereichs des Tastverhältnisses elektrischer Tast- oder Schaltelemente (nicht gezeigt) der Wechselrichtereinrichtung 3, vorgenommen. Dieser Ansatz ist insofern zweckmäßig, als derart eine steuerungstechnisch besonders einfache Realisierung einer entsprechenden Betriebsspannungsobergrenze möglich ist. Die Änderung bzw. Beschränkung wenigstens eines Betriebsparameters der Wechselrichtereinrichtung 3 erfolgt unter Berücksichtigung der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung 3. Die Änderung bzw. Beschränkung wenigstens eines Betriebsparameters der Wechselrichtereinrichtung 3 wird also unter Berücksichtigung der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung 3 gewählt.
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Eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 kann zusätzlich auch anderweitig, z. B. durch gezielte steuerungstechnische Eingriffe in den Betrieb respektive bestimmte Betriebsparameter des Bordnetzes 2 oder des Aktuators 4 selbst, realisiert werden. Insbesondere lässt sich ein Steuerungsblock respektive eine Steuerungskette (vgl. 2) realisieren, welche(r) verschiedene Maßnahmen zur Beschränkung der Betriebsspannung eines entsprechenden Aktuators auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze beinhaltet.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer solchen Steuerungskette, wie sie im Rahmen des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung implementiert werden kann. Die Steuerungskette ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 8 implementiert.
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Eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze kann zusätzlich auch durch eine Beschränkung einer dem Aktuator 4 zugeführten elektrischen Leistung realisiert werden (vgl. Kasten 12). Dieser kann eine durch den Kasten 11 angedeutete Erfassung der Position eines rotatorisch gelagerten Aktuatorelements (nicht gezeigt), wie z. B. eines Rotors, des Aktuators 4 vorher gehen.
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Ergänzend kann eine Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze zusätzlich auch durch Beschränken wenigstens eines Betriebsparameters des Aktuators 4 auf eine Obergrenze realisiert werden (vgl. Kasten 13). Als entsprechender Betriebsparameter kommt z. B. eine Drehzahl des Aktuators 4 in Frage.
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Durch Kasten 14 ist eine Pulsweitenmodulation der Spannungssignale der Wechselrichtereinrichtung 3 angedeutet, welche sich aus einer entsprechenden Änderung des Tastverhältnisses der Wechselrichtereinrichtung 3 ergibt.
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Schließlich ist durch Kasten 15 die Beschränkung der Betriebsspannung des Aktuators 4 auf eine entsprechende Betriebsspannungsobergrenze angedeutet.
