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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer erhöhten Erregerspannung, eine Schaltungsanordnung zum Bereitstellen einer Erregerspannung und eine elektrische Maschine mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist insbesondere im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden. Daher besitzt bei einem hochautomatischen bzw. bei einem vollautomatisierten oder autonomen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher in Kraftfahrzeugen nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler im elektrischen Bordnetz müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 053 691 A1 beschreibt ein Bordnetz sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes. Das Bordnetz umfasst einen Gleichspannungswandler und einen Basisenergiespeicher, der mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist. Das Bordnetz umfasst weiterhin eine erste Auswahl von zumindest einem ersten elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Gleichspannungswandler koppelbar ist, und eine zweite Auswahl von zumindest einem elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Basisenergiespeicher koppelbar ist.
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Das Bordnetz, das auch als Energiebordnetz bezeichnet wird, hat insbesondere die Aufgabe, elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierbei ist zu beachten, dass der Ausfall der Energieversorgung zu einem sicherheitskritischen Zustand führen kann, da Verbraucher, wie bspw. die elektrische Bremskraftverstärkung (eBKV) inaktiv werden. Zudem kann ein Rücksetzen bzw. ein Reset der sicherheitskritischen Verbraucher durch eine Unterspannung am entsprechenden Steuergerät hervorgerufen werden. Es wird hierzu auf 1 verwiesen.
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Diese Unterspannung kann in vielen Fällen aufgrund der geringen Dynamik des Generators nicht verhindert werden, da sich der Erregerstrom aufgrund der Läuferzeitkonstante erst langsam aufbaut.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, eine erhöhte Erregerspannung bereitzustellen, die eine Schnellerregung gestattet. Eine erhöhte Spannung bereitstellen bedeutet, dass eine Spannung bereitgestellt wird, deren Spannungsniveau über dem Spannungsniveau des Bordnetzes liegt. Mit dieser erhöhten Spannung ist eine Schnellerregung bspw. des Generators möglich.
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Zur Durchführung des Verfahrens dient die hierin vorgestellte Schaltungsanordnung, die wiederum in einem Bordnetz der hierin vorgestellten Art vorgesehen ist. In dem vorgestellten Bordnetz kann somit eine Erhöhung der Dynamik des Generators durch Erhöhung der Spannung im Erregerkreis erreicht werden. Hierzu wird situative ein Schalter zur Schnellerregung verwendet.
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Die Schnellerregung bietet folgende Vorteile:
- – eine schnellere Reaktion bei Fehlern im Bordnetz, z. B. bei Kurzschlüssen von B+ nach Masse,
- – ein dynamischeres Rekuperieren von kinetischer Fahrzeugenergie, dies bedeutet ein höheres CO2-Einspar-Potential,
- – eine dynamischerer Mustergenerierung in 12V/12V-Bordnetzen für zweikanalige Bordnetze, wie diese voraussichtlich für automatisierte Fahrfunktionen verwendet werden. Es wird hierzu auf 5 verwiesen. Über eine Mustergenerierung kann erkannt werden, ob eine unerwünschte Kopplung beider Kanäle vorliegt, indem überprüft wird, ob das vom Generator erzeugte Signal im Kanal 2 erkannt werden kann.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einem Schaltbild ein Standardbordnetz.
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2 zeigt in einem Schaltbild eine Ausführung der vorgestellten Schaltungsanordnung.
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3 zeigt in einem Schaltbild eine erweiterte Hardware-Schaltung zur Erhöhung der Generatordynamik.
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4 zeigt eine weitere Ausführung.
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5 zeigt eine Ausführung eines Bordnetzes für ein automatisiertes Fahren.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Schaltbild ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Generator 12, eine Batterie 14, einen Starter 16, einen Verbraucher 18, einen sicherheitsrelevanten Hochstromverbraucher 20, einen Hochstromverbraucher 22 und einen spannungssensitiven Verbraucher 24. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Batteriesensor 26, der die Batterie 14 überwacht.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung 50 gemäß einer Ausführung der vorgestellten Erfindung. Die Darstellung zeigt einen Gleichspannungswandler 52, einen Kondensator 54, einen ersten Schalter 56, einen zweiten Schalter 60, eine Freilaufdiode 64, eine Erregerspule 66 und ein Erregerwiderstand 68.
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Die Schalter 56, 60 können als Koppelelement mit einer Kombination aus selbstleitenden und selbstsperrenden Leistungsschaltern ausgebildet sein.
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Über den bspw. integrierten Gleichspannungswandler 52 wird die Spannung, die am Eingang 70 anliegt und bspw. 12 V beträgt, hochgesetzt und in dem Kondensator 54 als Zwischenspeicher gespeichert. Auf Aufforderung schließt der erste Schalter 56, der ein zusätzlicher Schalter ist, und die Feldendstufe, die durch den zweiten Schalter 60 gegeben ist, öffnet vollständig. Es muss verhindert werden, dass bei Aufladen des Kondensators 54 und Schließen des Schalters 56 der Strom über den Schalter 60 in den Eingang 70 zurückfließt. Der Schalter 60 muss als Bauelement ohne parasitäre Diode ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform wird bei Einsatz eines MOSFETs als Schalter 60 eine Diode in Reihe geschaltet. Diese Diode kann vor oder nach dem Schalter 60 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform werden bei Verwendung von MOSFETs als Schalter 60 zwei MOSFETs back-to-back angeordnet. Dadurch entstehen eine hohe Spannung an der Erregerspule und ein hoher Stromgradient im Erregerkreis 68. Diese Aufforderung kann aus den vorstehend genannten Gründen erfolgen:
- 1. aufgrund eines Fehlers im Bordnetz, der zu einer schnell absinkenden Bordnetzspannung führt,
- 2. bei einem Rekuperationsvorgang, z. B. bei einer intelligenten Generatorregelung (IGR),
- 3. zur Mustergenerierung eines hochfrequenten Pulses zur Überprüfung von Bordnetzkopplungen.
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Der Kondensator 54 kann recht klein dimensioniert werden, sobald die Nominalspannung des Bordnetzes unterschritten wird, kann wieder „normal“ mit der Feldendstufe geregelt werden. Der Kondensator 54 sorgt ausschließlich dafür, kurzfristig einen hohen Gradienten im Erregerstrom zu generieren Der Kondensator 54 wird während des normalen Betriebs über den Gleichspannungswandler 52 langsam auf eine hohe Spannung, z. B. 60V, da unterhalb der Berührungsschutzgrenze, geladen. Somit steht am Beginn des Umschaltvorgangs ein vielfacher Gradient im Erregerstrom zur Verfügung.
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3 zeigt in einem detaillierten Schaltbild eine Schaltungsanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist und zur Erhöhung einer Generatordynamik dient. Steuerleitungen sind dabei mit gestrichelten Linien eingezeichnet, Versorgungsleitungen mit durchgezogenen Linien.
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Die Darstellung zeigt einen Mikrocontroller 102 mit einem ersten Eingang 103 für ein IGR-Signal und einen zweiten Eingang 104 für ein Fehlersignal. Weiterhin sind ein erster Datenausgang 106, ein zweiter Datenausgang 108, ein dritter Datenausgang 107 und ein vierter Datenausgang 109 vorgesehen. Weiterhin zeigt 3 einen ersten Schalter 110, eine Induktivität 114, einen zweiten Schalter 116, einen Kondensator 120 als Zwischenspeicher, einen dritten Schalter 124, einen vierten Schalter 128, eine erste Diode 132, einen ersten Widerstand 134 und eine zu erregende Spule 136 des Erregerkreises 138. Mit einer Klammer sind die Komponenten eines Reglers 140 kenntlich gemacht. Die Datenausgänge 106 bis 109 sind mit Steuerleitungen verbunden, die auf zu steuernde Schalter 110, 116, 124, 128 gehen.
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Weiterhin zeigt 3 einen Graphen 150, an dessen Abszisse 152 die Zeit und an dessen Ordinate 154 di/dt und damit die zeitliche Änderung des Erregerstroms aufgetragen ist. Dabei gilt: di/dt = u/L (1)
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Je höher die Erregerspannung ist, desto höher ist somit die zeitliche Änderung des Erregerstroms. Eine erste Kurve 156 zeigt den Verlauf von di/dt im herkömmlichen Reglerbetrieb. Eine zweite Kurve 158 zeigt den Verlauf von di/dt bei Anwendung des vorgestellten Verfahrens. Zu erkennen ist, dass der gezeigte Verlauf gemäß der zweiten Kurve 158 eine Schnellerregung ermöglicht.
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Es ist darauf zu achten, dass die Feldendstufe mit dem Schalter 128 und der neu installierte Schalter 124 zwischen dem Kondensator 120 und dem konventionellen Regler 140 nicht gleichzeitig leiten. Daher müssen beide invers angesteuert werden.
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Eine kostengünstige Integration in den heutigen Regler zeigt 4 mit einer direkten Integration des Gleichspannungswandlers, wobei zu beachten ist, dass der Kondensator nicht parallel zum Normalbetrieb geladen werden kann.
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4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Mikrocontroller 202 mit einem ersten Eingang 203 für ein IGR-Signal und einen zweiten Eingang 204 für ein Fehlersignal. Weiterhin sind ein erster Datenausgang 206 und ein zweiter Datenausgang 208 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung einen ersten Schalter 210, der der Feldendstufe entspricht, eine Induktivität 214, einen zweiten Schalter 216, einen Kondensator 220, einen ersten Widerstand 234 und eine zu erregende Spule 236 des Erregerkreises 138. Mit einer Klammer sind die Komponenten eines Gleichspannungswandlers 240 kenntlich gemacht.
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5 zeigt ein Zweispannungsbordnetz für ein automatisiertes Fahren, das insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Dieses umfasst ein Basisbordnetz 302, einen ersten Kanal 304, einen zweiten Kanal 306 und einen Kanal R 308.
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Die Darstellung zeigt einen Starter 310, eine elektrische Maschine 312, in diesem Fall einen Generator, eine erste Batterie 314, einen zugeordneten Batteriesensor 316, eine erste electronic Power Distribution Unit 320 (ePDU: elektronische Energieversorgungseinheit), eine zweite ePDU 322, einen ersten Verbraucher 324, einen zweiten Verbraucher 326, einen Gleichspannungswandler 330, eine zweite Batterie 332, einen zugeordneten Batteriesensor 334, einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 336, der aus zwei Teilnetzen versorgt werden kann, einen Verbraucher ESP (electronic stability program) 338, einen iBooster 340, ein Lenksystem 342 mit einer ersten Servolenkung 344 und einen zweiten Servolenkung 346, eine erste Benutzerschnittstelle 348, eine zweite Benutzerschnittstelle 350, ein erstes Sensorset 352 für ein Fahrerassistenzsystem und ein zweites Sensorset 354 für eine Sicherheitsstopp-Einheit. Weiterhin sind eine erste Verbrauchergruppe 360 und eine zweite Verbrauchergruppe 362 kenntlich gemacht.
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Das Zweispannungsbordnetz 300 zeigt eine mögliche Lösung für eine Energieversorgung von Sensoren, Verarbeitungseinheiten und Aktoren für automatisiertes Fahren Von Bedeutung dabei ist, dass zwei Bordnetzkanäle gegeben sind, die nie miteinander gekoppelt werden dürfen. Ansonsten könnte ein Einfachfehler zu einem Komplettausfall führen. Die elektrische Maschine 312 als aktives Element hat die Aufgabe, ein Muster zu erzeugen, das im zweiten Kanal 306 nicht erkannt werden darf.
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Als automatisisiertes bzw. hochautomatisiertes Fahren wird ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, bezeichnet. Beim automatisierten Fahren verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine hohe Sicherheitsrelevanz.
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Das vorgestellte Verfahren, die beschriebene Schaltungsanordnung können insbesondere in Zusammenhang mit fremderregten elektrischen Maschinen, bspw. bei konventionellen 12V-Generatoren, eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053691 A1 [0004]
