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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der
DE 10 2011 086 829 A1 . Ein DC/DC-Wandler dient zum Übertragen von Energie zwischen einem ersten Bordnetzzweig und einem zweiten Bordnetzzweig. Ein Energieübertrag von dem ersten Bordnetzzweig in den zweiten Bordnetzzweig erfolgt, falls die momentane Spannung des ersten Bordnetzzweigs größer ist als ein erster oberer Spannungsschwellenwert. Ein Energieübertrag von dem zweiten Bordnetzzweig in den ersten Bordnetzzweig erfolgt, falls die momentane Spannung des ersten Bordnetzzweigs kleiner ist als ein erster unterer Spannungsschwellenwert. In einem Bordnetzzustand mit Überspannung kann ein Generator eine Bordnetzüberspannung mangels Verbraucher nicht selbständig ausregeln. In einem solchen Fall wird der DC/DC-Wandler für eine Spannungsstabilisierung angesteuert.
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Im aktiven Betrieb überträgt der DC/DC-Wandler Leistung aus dem Höherspannungsbordnetz HV ins Niederspannungsbordnetz NV, oder umgekehrt. Physikalisch bedingt kommt es bei tiefen Temperaturen zu einer maximalen Leistung, die von der Li-Ion-Batterie auf der Höherspannungsseite aufgenommen werden kann. In diesem Betriebsfall ist es kritisch, wenn sich Lasten dynamisch ändern. Schalten sich z.B. bei der Übertragung von HV nach NV im Niedervoltbordnetz Lasten sehr schnell ab, wird sofort weniger Energie durch den DC/DC-Wandler geleitet und es kommt zu einer Rückwirkung auf der HV-Seite. Ebenfalls physikalisch bedingt haben heutige Generatoren eine Loadresponse-Zeit, welche die erzeugte Energie bei Lastsprüngen nur langsam nachregeln kann. In einem konventionellen reinen 14V-Bordnetz mit 14V-Generator und 14V-Batterie wird dies durch die Blei-Säure-Batterie abgefangen. Durch den Spannungsanstieg, bedingt durch die abgeschaltete Last, erhöht sich die Spannung und es fließt automatisch mehr Strom in die Batterie. Im Mehrspannungsbordnetz ist dies jedoch oft nicht möglich, da die Rückwirkung auf der HV-Seite auftritt und die erzeugte Energie dort nicht aufgenommen werden kann. Somit kann es dazu führen, dass die HV-Batterie überlastet wird, oder sich diese aufgrund eines Schutzmechanismus abschaltet und die Spannung im HV-Bordnetz ansteigt, was zu weiteren Abschaltungen anderer Steuergeräte führen kann. Ist beispielsweise der Leistungsbedarf auf der NV-Seite 1,5kW, müssen diese auch durch den Generator auf der HV-Seite erzeugt werden. Schalten sich nun schlagartig 1,0kW ab, werden diese noch kurzzeitig auf der HV-Seite weiter erzeugt, da der DC/DC-Wandler nur 0,5kW in das LV-Bordnetz abgibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um auch bei schnellen Lastsprüngen sichere Betriebszustände im Bordnetz zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Dadurch, dass ausgewertet wird, wenn sich der abgegebene Strom des Gleichspannungswandlers reduziert, kann gezielt der Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers in geeigneter Weise geändert werden, um eine sich verändernde bzw. abschaltende Last zu dämpfen. Der Gleichspannungswandler ist besonders gut in der Lage, die Ausgangsgröße schnell anzupassen, um eine Rückwirkung auf das andere Teilbordnetz zu vermeiden und die Ausgangsleistung bzw. den Ausgangsstrom möglichst auf demselben Niveau zu halten wie vor der Veränderung der Last zu halten und langsam herunterzuregeln. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler den Ausgangsstrom langsam herunterregelt mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die der Änderungsgeschwindigkeit des Generators entspricht. Dadurch können Lastsprünge kompensiert werden. Auch bei Betriebsarten, in der ein Hochleistungsspeicher auf der Hochvoltseite wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie nur wenig oder keine Leistung aufnehmen kann, wird die Verfügbarkeit des Systems nicht eingeschränkt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler den Stromverlauf als Ausgangsgröße vorgibt. Damit können schnell Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, indem nun erfindungsgemäß auf einen gewünschten Stromverlauf geregelt wird, um Lastsprünge zu kompensieren. Damit können andere Verbraucher wie beispielsweise ein Energiespeicher kurzfristig gezielt beaufschlagt werden zum Abfangen unerwünschter Spannungszustände.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Bordnetztypologie mit Gleichspannungswandler, sowie
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2 typische Strom- und Spannungsverläufe für den Fall, dass sich plötzlich eine Last abschaltet.
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In zukünftigen Mehrspannungsbordnetzen kommen Gleichspannungswandler 10 bzw. Multiphasenwandler zum Einsatz, die den Energietransfer zwischen verschiedenen Bordnetzkreisen 12, 14 bzw. Bordnetzzweigen mit bevorzugt unterschiedlicher Spannungslage U1, U2 sicherstellen. In der Regel stellt der Gleichspannungswandler 10 die Schnittstelle dar zwischen einem klassischen Verbraucherbordnetz (erstes Bordnetz 12) mit einer ersten Bordnetzspannung U1, üblicherweise 12V bzw. 14V, sowie einem zweiten Bordnetzkreis (zweites Bordnetz 14) mit einer gegenüber der ersten Bordnetzspannung U1 höheren zweiten Bordnetzspannung U2, beispielsweise 48V oder 60V.
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So zeigt 1 beispielhaft ein sogenanntes Boost-Recuperation-System (BRS) mit einem rückspeisefähigen Generator 24 bzw. Starter/Generator 24 und einem hierzu parallel verschalteten Energiespeicher 18 im zweiten Bordnetz 14. Beim Bremsen gewinnt der Generator 24 Energie durch Rekuperation zurück und speist damit den Energiespeicher 18. Bei Bedarf gibt der Starter/Generator 24 zusätzliche Antriebsenergie an ein Fahrzeug ab (Boost-Betrieb). Bei dem Energiespeicher 18 kann es sich beispielsweise um einen Hochleistungsspeicher wie eine Lithium-Ionen-Batterie oder einen Doppelschichtkondensator (DLC) handeln. Prinzipiell sind jedoch auch andere Energiespeicher möglich.
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Ein Hochleistungsspeicher 36 wie in 1 beispielhaft dargestellt besteht aus dem gegen Masse geschalteten Energiespeicher 18 und einem Schaltmittel 20, über das der Energiespeicher 18 mit dem zweiten Bordnetz 14 verbunden werden kann. Außerdem umfasst der Hochleistungsspeicher 36 einen Mikrocontroller 22. Der Mikrocontroller 22 erfasst zum einen den Schaltzustand des Schaltmittels 20. Außerdem detektiert der Mikrocontroller 22 über eine Spannungserfassung 37 die am Energiespeicher 18 abfallende Spannung Uint. Weiterhin erfasst der Mikrocontroller 22 über eine weitere Spannungserfassung 38 die externe Spannung Uext, welche der zweiten Bordnetzspannung U2 entspricht. Hierzu wird die Potentialdifferenz des Schaltmittels 20 zwischen Eingang des Schaltmittels 20 bezogen auf die Kontaktierung mit dem Bordnetz 14 und der Masse ermittelt. Der Hochleistungsspeicher 36 kommuniziert über ein Bussystem 40 ggf. mit weiteren daran angeschlossenen Komponenten 42, insbesondere mit dem Gleichspannungswandler 10. Bei dem Bussystem 40 kann es sich beispielsweise um einen sogenannten CAN-Bus handeln.
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In dem zweiten Bordnetz 14 ist weiterhin exemplarisch eine gegen Masse geschaltete Last 28 gezeigt, die mit der zweiten Bordnetzspannung U2 versorgt wird. Im zweiten Bordnetz 14 ist schematisch eine Zwischenkreiskapazität 26 eingezeichnet. Die Zwischenkreiskapazität 26 resultiert aus den Kapazitäten der mit dem zweiten Bordnetz 14 verbundenen Verbraucher 28 bzw. elektrischen Baugruppen wie beispielsweise der Generator 34. Zwischen dem zweiten Bordnetz 14 und dem ersten Bordnetz 12 ist der Gleichspannungswandler 10 angeordnet.
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Der Gleichspannungswandler 10 umfasst einen Mikrocontroller 32 als mögliches Ansteuermittel 32, über den beispielsweise eine Spannungsregelung bzw. gezielte, insbesondere stufen- oder rampenförmige Spannungsausgabe möglich wird. Hierzu umfasst der Gleichspannungswandler 10 weiterhin Spannungserfassungsmittel 33, die mit einer bestimmten Toleranz (beispielsweise +–1,5V) die erste und/oder zweite Bordnetzspannung U1, U2 als Ausgangsgrößen des Gleichspannungswandlers 10 ermitteln. Der Gleichspannungswandler 10 kommuniziert über das Bussystem 40 mit weiteren Komponenten, insbesondere mit dem Hochleistungsspeicher 36. Die erfasste Spannung U2 wird an den Mikrocontroller 32 weitergegeben. Der Gleichspannungswandler 10 umfasst zumindest ein Stromerfassungsmittel 35. Das Stromerfassungsmittel 35 bestimmt ein Maß für den im ersten Bordnetz 12 fließenden Strom I1 und/oder den im zweiten Bordnetz 14 fließenden Strom I2, zur Weiterleitung an den Mikrocontroller 32.
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Am anderen Ausgang des Gleichspannungswandlers 10 ist über eine Sicherung das erste Bordnetz 12 mit der ersten Bordnetzspannung U1 angeschlossen. In dem ersten Bordnetz 12 ist exemplarisch ein Verbraucher 30 dargestellt, welcher abgesichert und gegen Masse verschaltet ist. Außerdem ist in dem ersten Bordnetz 12 ein Energiespeicher 16 vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine übliche Blei-Säure-Batterie handeln. Außerdem kommuniziert das Bussystem 40 mit weiteren Komponenten 42, wie schematisch angedeutet.
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Als Ausgangsgrößen des Gleichspannungswandlers 10 werden Spannung U1, Strom I1 bzw. Leistung P1 angesehen, mit denen das erste Bordnetz 12 gespeist wird. Ziel der Vorrichtung und des Verfahrens ist die Detektion der sich ändernden Lasten bzw. Belastung des ersten Bordnetzes 12 und eine Anpassung der Ausgangsgrößen U1, I1, P1 des Gleichspannungswandlers 10, um die erzeugte Energie wie auch in einem reinen 14V-Bordnetz in die Blei-Säure-Batterie als üblichen Energiespeicher 16 im ersten Bordnetz 12 abzuführen. Der Gleichspannungswandler 10, der z.B. als Tiefsetzsteller ausgeführt ist und die Spannung von beispielsweise U2 = 48V auf U1 = 12V wandelt, stellt ein festes Spannungsverhältnis durch das Tastverhältnis ein von U1/U2 = 12V/48V = 0,25. Abhängig von der Ausgangsspannung U1 des Gleichspannungswandlers 10 und der Batterie-Nullspannung U0 fließt ein Strom I1 in die NV-Verbraucher bzw. Last 30 und die Batterie als üblichen Energiespeicher 16.
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Bei einer Last 30 von 1kW im ersten Bordnetz 12 und einer Batterie als Energiespeicher 16 mit einem Batterie-Innenwiderstand Ri von Ri = 5mOhm und einer Nullspannung U0 = 11,8V würde ein Batteriestrom Ib von Ib = (12V-11,8V)/5mOhm = 40A fließen (12V·40A = 480W) und zunächst (vor dem Abschalten der Last 30) ein Laststrom IL von IL = 83,33A (12V·83,33 = 1kW).
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Schaltet sich die Last 30 ab, bleibt das Spannungsverhältnis zunächst gleich und der Ausgangsstrom I1 des Gleichspannungswandlers 10 reduziert sich um den Laststrom IL. Der Laststrom IL wird zu Null, der Batteriestrom Ib fließt zunächst unverändert. Der Gleichspannungswandler 10 bzw. der Mikrocontroller 32 detektiert eine Laständerung mit Hilfe des Stromerfassungsmittels 35. I1 sinkt kurzfristig von IL + Ib = 123,33A auf nur noch den Batteriestrom Ib = 40 A ab. Der Gleichspannungswandler 10 bzw. Mikrocontroller 32 erkennt die Laständerung aufgrund der signifikanten Stromänderung des Stroms I1. Der Mikrocontroller 32 dient somit als Auswertemittel 32 zum Ermitteln einer Veränderung der Belastung.
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Zunächst wird ein Startwert S als neue Ausgangsgröße des Gleichspannungswandlers 10 nach Veränderung der Belastung bestimmt. Als Startwert S dient beispielsweise der Ausgangsstrom I1. Der Gleichspannungswandler 10 ändert nun den Ausgangsstrom I1 auf denjenigen Strom, der vor der Laständerung geflossen ist, den Startwert S, im Beispiel also 123,33A. Hierzu wird das Spannungsverhältnis U1/U2 des Gleichspannungswandlers 10 angehoben wie nachfolgend erläutert.
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Der Gleichspannungswandler 10 erkennt mit Hilfe des Stromerfassungsmittels 35, dass sich der Strom I1 reduziert. Dann erhöht der Gleichspannungswandler 10 die Spannung U1, um die sich abschaltende Last 30 von 1kW zu dämpfen. Hierzu ist die Spannung U1 schnell anzuheben, um eine Rückwirkung auf das zweite Bordnetz 14 zu vermeiden. Für den skizzierten Beispielfall lässt sich diese neue Spannung U1 wie folgt berechnen mit
P1: die Ausgangsleistung im ersten Bordnetz 12 = 1480W;
U1: Ausgangsspannung im ersten Bordnetz 12;
U0: die Batterie-Nullspannung des Energiespeichers 16, beispielsweise 11,8V;
Ib: der Batteriestrom im ersten Bordnetz 12;
Ri: der Innenwiderstand des Energiespeichers 16, beispielsweise 5mOhm.
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Über die Zusammenhänge: P = U·I; Ib = (U – U0):Ri; P1 = 1480W; U0 = 11,8V; P = U1·(U1 – U0)/Ri.
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Nach Auflösung der letzten Gleichung müsste sich die Spannung U1 auf ca. 12,43V erhöhen, um die Leistung P1 bzw. den Strom I1 konstant zu halten. Hierzu ist das Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers 10 auf 12,43V:48V = ca. 0,26 zu erhöhen. Die Detektion kann beispielsweise mit dem Stromerfassungsmittel 35 auf der Niedervoltseite bzw. dem ersten Bordnetz 12 im Gleichspannungswandler 10 erfolgen.
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Auch der zeitliche Verlauf des Ausgangsstroms I1 des Gleichspannungswandlers 10 wird nun gezielt vorgegeben durch das Ansteuermittel 32 wie beispielsweise der Mikrocontroller 32. Hierzu wird der Ausgangsstrom I1 mit derselben oder zumindest einer ähnlichen Zeitkonstante abgesenkt wie die Zeitkonstante Tg des Generatorstroms Ig. Das Ansteuermittel 32 bestimmt somit anhand des gewünschten zeitlichen Verlaufs des Ausgangsstroms I1 zeitabhängig die jeweils zugehörigen Ausgangsspannungen U1 bzw. das dann jeweils einzustellende Spannungsverhältnis U1/U2.
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Wird die Last 30 abgeschaltet, erhöht sich kurzfristig die Spannung am Generator 24. Der Generator 24 regelt jedoch auf eine konstante Ausgangsspannung, weshalb der Generatorstrom Ig abgesenkt wird, vgl. 2a. Dies erfolgt wie beschrieben generatorbedingt mit begrenzter Änderungsgeschwindigkeit mit einer charakteristischen Zeitkonstante Tg.
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Die sich hierbei einstellenden Spannungs- und Stromverläufe sind in 2 dargestellt. Bei zugeschalteter Last 30 fließt ein Strom I1 von 123,33A als Summe des Laststroms IL von 83,33A und des Batteriestrom Ib von 40A. Wird nun plötzlich zum Zeitpunkt t0 die Last 30 abgeschaltet, so fließt nun kurzzeitig nur der Batteriestrom Ib als der gesamte Strom I1. Wie oben beschrieben wird nun zum Zeitpunkt t1 gezielt die Ausgangsspannung U1 erhöht unter der Prämisse, dass kurzzeitig der Ausgangsstrom I1 als neuer Startwert S des Gleichspannungswandlers 10 der Niederspannungsseite demjenigen Strom I1 vor dem Abschalten der Last 30 entsprechen soll. Hierzu wird entsprechend das Tastverhältnis wie geschildert erhöht. Dann wird der Stromverlauf I1 im ersten Bordnetz 12 durch eine Anpassung des Tastverhältnisses des Gleichspannungswandlers 10 so vorgegeben, dass eine Abnahme des Stromverlaufs I1 im Wesentlichen der Abnahme des Stromverlaufs Ig des Generators 24 des zweiten Bordnetzes 14 entspricht.
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Der Generator 24 weist beispielsweise die in 2 gezeigte typische zeitliche Charakteristik Tg auf, wonach der Generatorstrom Ig in Form beispielsweise einer e-Funktion abnimmt mit einer bestimmten zeitlichen Charakteristik Tg wie eine Zeitkonstante Tg von beispielsweise 300ms und den neuen einzustellenden Generatorstrom Ig1 erreicht. Die zeitliche Charakteristik Tg soll nun im Wesentlichen auch dem zeitlichen Verlauf des ersten Bordnetzstroms I1 entsprechen, den der Gleichspannungswandler 10 ab dem Zeitpunkt t1 gezielt einstellt. Innerhalb der Zeitkonstante Tg soll der erste Bordnetzstrom I1 den vor dem Abschalten der Last 30 fließenden Gesamtstrom I1 = IL + Ib erreichen, der vor der Laständerung geflossen ist. Die Veränderung des zeitlichen Verlaufs des Ausgangsstroms I1 erfolgt mit der Änderungsgeschwindigkeit des Generators 24. Damit soll sichergestellt werden, dass die Leistung, die der Generator 24 noch kurzzeitig im zweiten Bordnetz 14 erzeugt, auch noch von dem ersten Bordnetz 12 aufgenommen werden kann. Dadurch wird vermieden, dass die Abschaltung der Last 30 im ersten Bordnetz 12 möglichst nicht auf das zweite Bordnetz 14 zurückwirkt (durch plötzliches Aufladen des Energiespeichers 18 des zweiten Bordnetzes 14 mit evtl. Auslösen der Schutzschaltung und weiterem Anstieg der zweiten Bordnetzspannung U2 und eventuellem weiteren Abschalten weiterer Verbraucher im zweiten Bordnetz 14). Durch die gezielte Regelung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsgröße P1(t), I1(t) des Gleichspannungswandlers 10 mit dem zeitlichen Verlauf der Änderungsgeschwindigkeit des Generators 24 wird es möglich, dass der Generator 24 sich an die geänderte Ausgangsleistung P1 im ersten Bordnetz 12 anpassen kann. Dies ist deshalb von Bedeutung, da ein Hochleistungsspeicher 36, der insbesondere eine Li-Ion-Batterie oder einen DLC als Energiespeicher 16 umfasst, nicht mehr als Verbraucher betrieben werden kann, der kurzzeitige Leistungsschwankungen aufnehmen kann.
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Das Prinzip dieser Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 10 funktioniert auch bei einer Anordnung des Generators 24 im ersten Bordnetz 12. Erkennt das Stromerfassungsmittel 35 eine Laständerung im zweiten Bordnetz 14, so speist der Gleichspannungswandler 10 das zweite Bordnetz 14 kurzfristig mit demjenigen Strom I2 als neuen Startwert S, der vor der Laständerung geflossen ist. Wiederum wird der Ausgangsstrom I2 des Gleichspannungswandlers 10 für das zweite Bordnetz 14 mit derselben zeitlichen Charakteristik Tg verändert wie die charakteristische Kenngröße Tg des Generators 24.
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Die Vorrichtung und das Verfahren zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers werden bevorzugt für ein Kraftfahrzeugbordnetz eingesetzt. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011086829 A1 [0001]
