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Zahlreiche Komponenten eines Kraftfahrzeugs werden mit elektrischer Energie versorgt. Zur fehlerfreien Funktion dieser Komponenten ist ein stabiles Bordnetz erforderlich, d.h. ein Bordnetz, das eine stabile Spannung zur Verfügung stellt.
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Einige Komponenten wie der Starter oder andere Hochstromlasten erfordern einen hohen Strom und stören das Bordnetz dahingehend, dass sie die Bordnetzspannung temporär einbrechen lassen. Andere Komponente wie Entertainmentsysteme oder antriebs- oder sicherheitsbezogene Elektronik zumindest für einen Zeitraum keine Funktion bieten, wenn die Bordnetzspannung eines oder mehrerer Bordnetzzweige temporär signifikant fällt bzw. zusammenbricht. Daher werden in dem Fahrzeugbordnetz Bordnetzzweige gebildet, die voneinander getrennt werden können, um so den Einfluss von störenden Komponenten einzugrenzen, während bei verbundenen Bordnetzzweigen alle Lasten stabil von allen elektrischen Energiequellen der verbundenen Bordnetzzweige versorgt werden können.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2014 208 257 A1 eine Stabilisierungsschaltung für ein Bordnetz bekannt, bei der Schalter geöffnet oder geschlossen werden, um Bordnetzzweige voneinander zu trennen und zu öffnen. Es können sich beim Schalten Transienten ergeben, die eine Störung im Bordnetz darstellen, was sich negativ auf die Stabilität auswirkt. Es ergibt sich daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die Stabilität in Bordnetzen verbessern lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Vorteile und Eigenschaften ergeben sich mit der Beschreibung, den Figuren und den abhängigen Ansprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bordnetz mit mehreren Bordnetzzweigen mit folgenden Schritten betrieben:
- - Erfassen eines Überlastungszustands in einem ersten Bordnetzzweig und
- - Zuschalten mindestens eines zweiten Bordnetzzweigs zum ersten Bordnetzzweig, wenn der Überlastungszustand erfasst wurde, wobei das Zuschalten umfasst: Ändern eines Schaltzustands bzw. Verbindungszustands mindestens einer steuerbaren Verbindungsvorrichtung von einem ersten Schaltzustand, insbesondere einem Anfangszustand, auf einen zweiten Schaltzustand, insbesondere einem Endzustand, wobei die Verbindungsvorrichtung beim Ändern des Schaltzustands vor dem Erreichen des zweiten Schaltzustands gemäß einem Übergangs-Ansteuersignal geschaltet wird.
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Insbesondere ist die Verbindungsvorrichtung im ersten Schaltzustand und/oder im zweiten Schaltzustand nur komplett geöffnet oder nur komplett geschlossen, d.h. es fließt im Wesentlichen kein Strom durch die Verbindungsvorrichtung und die Bordnetzzweige sind nicht gekoppelt (komplett geöffnet) oder es fließt im Wesentlichen maximaler Strom durch den Schalter und die Bordnetzzweige sind maximal niederohmig direkt gekoppelt (komplett geschlossen).
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Es wurde erkannt, dass sich die Transienten, die sich bei den Schaltvorgängen zwischen unterschiedlichen Bordnetzzweigen ergeben, signifikant verringern lassen, indem statt einer „harten“ Schaltung, bei der sich zwei (gegensätzliche) stabile Schaltzustände unmittelbar ablösen, eine Übergangsphase zwischen den stabilen Schaltzuständen eingeführt wird. Anstatt daher die Verbindungsvorrichtung, welche die Zuschaltung durchführt, ausgehend von einem ersten Schaltzustand direkt in einen zweiten zu versetzen, wird der Soll-Schaltzustand vor dem Erreichen des zweiten Schaltzustands gemäß einem gezielten Übergang geschaltet, der sich beispielsweise über eine Mindestzeitdauer erstreckt oder eine Obergrenze für den Betrag der ersten zeitlichen Ableitung der Spannung oder des Stroms aufweist.
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Der Übergang wird realisiert, indem vor dem Erreichen des zweiten Schaltzustands die Verbindungsvorrichtung gemäß eines Übergangs-Ansteuersignals schaltet. Dieses ist eingerichtet, einen gezielten, langsameren Übergang vom ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu realisieren. Zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand, insbesondere vor dem zweiten Schaltzustand, wird die Verbindungsvorrichtung in einem Übergangszustand angesteuert. Das Übergangs-Ansteuersignals ist eingerichtet, einen Übergang (vom ersten) zum zweiten Schaltzustand zu erzeugen, bei dem der Betrag der ersten Ableitung eines Verbindungsgrads (der Verbindungsvorrichtung) über die Zeit, der Betrag der ersten Ableitung eines Stroms oder der Betrag der ersten Ableitung einer Leistung durch die Verbindungsvorrichtung oder der Betrag der ersten Ableitung einer Spannung eines der Bordnetzzweige unter einem vorbestimmten Niveau bleibt oder auf andere Weise definiert ist.
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Das Übergangs-Ansteuersignal ist insbesondere eingerichtet, den Strom und/oder die Leistung gemäß einer Obergrenze zu begrenzen. Das Übergangs-Ansteuersignals kann ferner eingerichtet sein, den Spannungseinbruch zu begrenzen, d.h. die Spannung gemäß einer Untergrenze zu begrenzen.
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Als Verbindungsvorrichtung kann ein Linearsteller wie ein Lineartransistor, ein Schalttransistor, ein Schalters (insbesondere mit vor- oder nachgeschalteter Induktivität) oder ein Stromrichter, etwa ein DCDC-Wandler (Gleichspannungswandler) angesteuert werden.
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Vor dem Erreichen des zweiten Schaltzustands kann ein Linearsteller als Verbindungsvorrichtung in einem zumindest abschnittsweise linearen Betriebszustand angesteuert werden, in dem die Verbindungsvorrichtung weder vollständig geschlossen noch vollständig geöffnet ist, sondern einen Zustand zwischen diesen Zuständen aufweist. In dem Übergangszustand fällt an der Verbindungsvorrichtung eine Spannung größer als die Durchgangsspannung ab und der Strom ist größer null. Bei einem Transistorschalter entspricht dies dem Linearbetrieb.
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Bei einem Schalttransistor als Verbindungsvorrichtung kann dieser gemäß einer Impulssequenz angesteuert werden. Die Impulssequenz umfasst mehr als eine Schaltflanke und geht insbesondere über den direkten Wechsel vom ersten in den zweiten stationären Schaltzustand hinaus.
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Bei einem Stromrichter, der insbesondere geregelt ist, wird als Übergangs-Ansteuersignal etwa ein Sollwert zumindest teilweise kontinuierlich oder schrittweise geändert (bis der zweite Schaltzustand erreicht ist). In Kombination hiermit oder alternativ kann mindestens ein Eingabeparameter des Reglers (insbesondere ein Eingabeparameter, der die Übertragungsfunktion des Reglers bzw. dessen Verhalten definiert) während des Übergangszustands einen anderen Wert haben als während dem ersten und/oder zweiten stationären Schaltzustand. Der Wert des mindestens einen Eingabeparameters während des Übergangszustands ist mit einer geringeren Dynamik verknüpft, als im Vergleich hierzu der Wert des mindestens einen Parameters während dem ersten und/oder dem zweiten Schaltzustand. Ist der Stromrichter beispielsweise mit einer P-Regelung, einer PI-Regelung oder einer PD-Regelung oder einer PID-Regelung ausgestattet, dann ist der Eingabeparameter P während des Übergangszustands kleiner als während dem ersten und/oder zweiten Schaltzustand. Das Übergangs-Ansteuersignal kann einen derartigen Eingabeparameter umfassen, so dass das Übergangs-Ansteuersignal das Verhalten des (geregelten) Stromrichters während des Übergangszustands einerseits und während des ersten und/oder zweiten Schaltzustands andererseits unterschiedlich einstellt.
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Das Übergangs-Ansteuersignal erstreckt sich über eine Mindestzeitdauer. Dies gilt ebenso für den Übergangszustand. Dadurch ergibt sich ein „sanfter“ Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand.
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Insbesondere wird durch die Verbindungsvorrichtung eine monolithische Lösung zur Verbindung von zwei Bordnetzzweigen mit der Übergangsphase bereitgestellt.
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Im Folgenden Absatz werden Ausführungsformen betrachtet, bei denen das Übergangs-Ansteuersignal durch eine Impulsfolge definiert ist und folglich der Übergangszustand durch diese Impulsfolge gesteuert ist.
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Beim Zuschalten oder auch beim Abtrennen eines zweiten Bordnetzzweigs kann mittels einer Schaltvorrichtung (etwa mittels eines Schalters, insbesondere eines Schalttransistors) vor dem Erreichen des zweiten Schaltzustands gemäß der Impulssequenz geschaltet werden. Insbesondere wird beim Zuschalten oder auch beim Abtrennen eines zweiten Bordnetzzweigs mittels einer Schaltvorrichtung (etwa mittels eines Schalters) zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustands gemäß der Impulssequenz geschaltet. Wie erwähnt, geht die Impulssequenz vorzugsweise über eine einzige Schaltflanke hinaus, sondern umfasst mehrere Schaltflanken oder Zustände.
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Das Übergangs-Ansteuersignal kann mindestens einen zumindest teilweise kontinuierlichen Übergang definieren, der insbesondere mittels einer Linearsteuerung oder einer Pulsweitenmodulation einen kontinuierlichen oder zumindest stufenweisen Übergang zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand realisieren.
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Das Übergangs-Ansteuersignal ist eingerichtet, einen kontinuierlichen oder zumindest stufenweisen Übergang (vom ersten) zum zweiten Schaltzustand zu erzeugen. Dieser Übergang wird als „Übergangszustand“ bezeichnet. Mit anderen Worten wird die Verbindungsvorrichtung beim Ändern des Schaltzustands kontinuierlich (oder auch stufenweise) vom ersten Schaltzustands in den zweiten Schaltzustands überführt, wobei insbesondere die das Übergangs-Ansteuersignal für die Kontinuität sorgt oder verhindert, dass die Verbindungsvorrichtung vom ersten Schaltzustand direkt in den zweiten Schaltzustand übergeht.
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Im Falle eines Stromrichters, etwa eines DC/DC-Wandlers, der die beiden Bordnetzzweige gesteuert oder geregelt miteinander verbindet, wird beim Ändern des Schaltzustands vor dem Erreichen des zweiten stabilen Schaltzustands gemäß einer Übergangs-Ansteuersignal geschaltet, die einen kontinuierlichen Übergang von einer ersten Sollspannung auf eine zweite Sollspannung (als Sollgröße für den Stromrichter) wiedergibt. Das Übergangs-Ansteuersignal kann den Verlauf einer Sollgröße der Regelung des Stromrichters definieren oder kann zumindest einen Regelungsparameter des (geregelten) Stromrichters definieren.
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Bei einem Übergang-Steuerungssignal, das einen Schaltzustand definiert, etwa bei einem Schalttransistor als Verbindungsvorrichtung, kann das Übergang-Steuerungssignal als Impulssequenz vorgesehen sein. Die Impulssequenz umfasst mindestens eine oder auch mehrere Schaltflanken, die einen Übergang darstellen und insbesondere nicht (als einzige Schaltflanke) einen direkten Übergang zwischen dem ersten Schaltzustand zum zweiten Schaltzustand wiedergeben. Insbesondere bei einem Stromrichter umfasst die Impulssequenz mehrere Impulse bzw. (Zwischen-)zustände und unterscheidet sich dadurch von einem unmittelbaren Umstellen auf eine neue Sollspannung eines Stromrichters, bei dem nur eine einzige Schaltflanke bzw. ein einziger schneller Zustandswechsel den Übergang darstellt. Die Impulssequenz umfasst mehrere Impulse und umfasst insbesondere mehrere Schaltflanken. Als Sequenz wird daher die Abfolge von mehreren Impulsen bezeichnet. Die Impulssequenz erstreckt sich über eine Mindestzeitdauer, die beispielsweise mindestens 10 ms oder auch 20 ms oder, bei besonders sanften Übergängen, mehr als 100 ms, 500 ms oder mehr als 1 s betragen kann.
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Es wird daher ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes mit mehreren Bordnetzzweigen beschrieben, das den folgenden Schritt umfasst: Erfassen eines Überlastungszustands in einem ersten Bordnetzzweig. Hierbei kann der Überlastungszustand etwa durch Überschreiten einer vorbestimmten Stromgrenze oder Leistungsgrenze (im Bordnetzzweig) oder Temperaturgrenze oder durch Unterschreiten einer Spannung im ersten Bordnetzzweig erfasst werden. Das Erfassen kann somit umgesetzt werden durch Ermitteln eines Stroms oder einer Spannung und durch Vergleichen dieses ermittelten Stroms bzw. der ermittelten Spannung mit einer der genannten Grenzen. Der Überlastungszustand kann ferner durch ein Steuersignal einer Last erfasst werden, wobei die Last insbesondere für die Störung bzw. für den Überlastungszustand ursächlich ist. Insbesondere kann ein Startsignal eines Verbrennungsmotors erfasst werden, um so auf den Belastungszustand zu schließen, da der Startvorgang mit der Aktivierung eines Starters und somit mit der Überlastung des ersten Bordnetzzweigs (das heißt mit einer Unterschreitung einer Spannungsgrenze) einhergeht.
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Mindestens ein zweiter Bordnetzzweig wird zum ersten Bordnetzzweig hinzugeschaltet, wenn der Überlastungszustand erfasst wurde. Das Zuschalten kann vorgesehen werden, indem eine direkte Verbindung über mindestens einen Schalter hergestellt wird, wobei durch das Zuschalten ein zweiter Bordnetzzweig auf andere Weise als zuvor mit dem ersten Bordnetzzweig verbunden ist, oder indem über ein Stromregler der zweite Bordnetzzweig (auf andere Weise als zuvor) mit dem ersten Bordnetzzweig verbunden wird. Dem Schalter kann eine Induktivität vor- oder nachgeschaltet sein. Die Verbindungsvorrichtung kann den Schalter und ggf. eine Serieninduktivität umfassen, die insbesondere in Serie mit dem Schalter verbunden ist.
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Die unterschiedlichen Bordnetzzweige umfassen unterschiedliche (nicht identische) Lasten und/oder unterschiedliche (nicht identische) Energiespeicher. Als Lasten kommen elektrische Motoren, Steuereinheiten, elektrische Kompressoren für Klimaanlagen, elektrische Katalysatorheizeinrichtungen und anderes in Betracht. Als Energiequelle in den verschiedenen Bordnetzzweigen kommen ferner Energiespeicher wie Batterien oder Kondensatoren bzw. Kondensatorenbänke in Betracht, oder auch Generatoren, die chemische bzw. mechanische Energie in elektrische Energie wandeln, beispielsweise elektromagnetische Generatoren oder Brennstoffzellen oder ähnliches.
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Der Schaltzustand wird vorzugsweise von einem Regel- oder Steuerungsglied eingestellt, insbesondere gemäß einem Übergang, der zumindest abschnittsweise kontinuierlich oder auch stufenweise ist. Dadurch werden unkontrollierte Transienten vermieden, die sich durch diskretes Zuschalten, das heißt durch einen unmittelbaren Übergang zwischen zwei Schaltzuständen ergeben. Schaltzustände bei Schaltern sind insbesondere die Zustände Ein und Aus, während bei Stromrichtern die Schaltzustände beispielsweise durch verschieden Sollspannungen, etwa Sollausgangsspannungen, definiert sind. Als stabiler Schaltzustand kann beim Schalter daher der Aus- und der Ein-Zustand betrachtet werden, während bei Stromrichtern als stabiler Schaltzustand die Vorgabe einer Sollspannung oder eines Sollstroms (jeweils zumindest zeitweise konstant) betrachtet wird. Beim Schalter kann auch in diesem Fall auch der Regelmodus durch Linearbetrieb als gewollter stabiler Zustand bezeichnet werden.
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Es wird der Schaltzustand mindestens eines Schalters oder eines Stromrichters geändert. Der Schalter (ggf. mit Serieninduktivität seriell verbunden) bzw. der Stromrichter bilden die Verbindungsvorrichtung. Der mindestens eine Schalter kann auch als Umschalter vorgesehen sein, der in Form von zwei miteinander entsprechend verbundenen Schaltern ausgebildet ist. Der Schaltzustand wird beim Schalten geändert, indem ein Steuereingang (des Schalters) ein anderes Potential erhält, während im Falle eines Stromrichters als Verbindungsvorrichtung diesem ein anderer Sollwert (als ein erster Sollwert) vorgegeben wird (bzw. der Sollwert verändert wird), der beispielsweise den Strom, die Spannung, das Tastverhältnis, die Frequenz oder die Pulsweite wiedergibt, gemäß der der Stromrichter angesteuert wird. Die Steuerung von Schaltern und Stromrichter läuft unabhängig voneinander, kann aber auch Zustandsgekoppelt sein, insbesondere wenn die Bordnetztopologie dies verlangt. Der Schaltzustand kann beim Schalten geändert werden, indem das Potential bzw. das Signal ein Steuereingang (des Schalters) geändert wird. Die Änderung kann zwischen zwei Signalpegeln bzw. Potentialen stattfinden oder kann stufenweise stattfinden oder kann kontinuierlich sein. Es können zwei, mehr als zwei oder (bei kontinuierlichen, insbesondere linearen Übergängen) unendlich viele verschiedene Potentiale beim Übergangszustand auftreten. Diese Signale bzw. Potential können das Übergangs-Ansteuersignal wiedergeben.
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Somit kann eine Impulssequenz als Übergangs-Ansteuersignal, gemäß der die betreffende Verbindungsvorrichtung geschaltet wird, eine Pulsweite bzw. ein Tastverhältnis oder eine Frequenz aufweisen, die eine Stellgröße ist, insbesondere einer Steuerung oder einer Regelung. Dies betrifft eine Regelung oder Ansteuerung der Verbindungsvorrichtung, die diskret und insbesondere binär ist. Stattdessen kann als Übergangs-Ansteuersignal auch ein amplitudenkontinuierliches (ggf. gemäß einer Auflösung diskretisiertes) Signal verwendet werden, insbesondere bei einer linearen Ansteuerung. Hierbei ist die Stellgröße beispielsweise eine Spannung oder ein anderes Signal oder ein numerischer Wert. Insbesondere wird die Stellgröße vor dem Erreichen des zweiten stabilen Schaltzustands kontinuierlich oder über mindestens einen Zwischenwert (d.h. stufenweise) geändert. Es ergibt sich somit für die Impulssequenz mindestens ein Zustand, der weder dem ersten stabilen Schaltzustand (ON) noch dem zweiten Schaltzustand (OFF) zugeordnet ist, sondern vielmehr insbesondere einen Zwischenzustand (zwischen den beiden Schaltzuständen) darstellt. Es kann eine kontrollierte Regelung durch Schalter oder DCDC-Wandler vorgesehen sein. Wenn der Regler nicht für die Schalter verwendet wird, sondern diese einen der beiden stabilen Schaltzustände haben (ON oder OFF), kann der Regler für den DCDC-Wandler verwendet werden. Ist der DCDC-Wandler im Zustand „OFF“, kann der Regler für den ersten und/oder zweiten Schaltzustand genutzt werden. Der DCDC-Wandler bzw. die Verbindungsvorrichtung kann einen, mehrere oder alle der folgenden fünf Betriebszustände aufweisen:
- (1) Stand-by (ausgeschaltet)
- (2) angeschaltet („AN“) mit Boost-Betrieb, vorzugsweise bi-direktional
- (3) angeschaltet („AN“) mit Buck-Betrieb, vorzugsweise bi-direktional
- (4) Fast response (Schnelle Antwort) und
- (5) Slow response (Langsame Antwort)
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In einem der Betriebszustände, nämlich (4), hat die Verbindungsvorrichtung eine dynamischere Regelung als in einem anderen der Betriebszustände, nämlich (5) . In dem einen Betriebszustand, nämlich (4), wird ein P-Eingabeparameter für die Regelung verwendet, der größer ist als im anderen Betriebszustand, nämlich (5). Der Übergangszustand ist vorzugsweise dem Zustand (5) zugeordnet.
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Falls mindestens ein Zwischenzustand vorgesehen ist, so kann dies auch als kontinuierlicher Übergang betrachtet werden, da kein unmittelbarer, direkter Übergang zwischen den beiden Schaltzuständen stattfindet.
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Die Steuerung oder Regelung definiert vorzugsweise einen zeitlichen Verlauf der Änderung des Schaltzustands. Dieser zeitliche Verlauf ist vorzugsweise kontinuierlich oder umfasst mindestens einen und vorzugsweise mehrere Zwischenzustände zwischen den beiden Schaltzuständen. Der zeitliche Verlauf der Änderung ist vorzugsweise durch eine vorgegebene Abhängigkeit der Wahl der Kontrollparameter (I1, I2, I3, V1, V2, V3 und deren mathematische Verknüpfung zueinander), sowie der Pulsweite, des Tastverhältnisses oder der Frequenz von der Zeit gegeben. Alternativ ist dieser durch mindestens einen Eingabeparameter der Steuerung oder der Regelung gegeben. Der Eingabeparameter definiert beispielsweise die Übertragungsfunktion und bzw. die Impulsantwort der Steuerung oder Regelung (auf eine Sprungfunktion oder Ähnliches oder auf einen Dirac-Stoß). Der Eingabeparameter ist insbesondere ein Parameter einer linearen Regelung. Sofern der zeitliche Verlauf der Änderung durch eine vorgegebene Abhängigkeit der Pulsweite, des Tastverhältnisses, der Frequenz (oder einer anderen, die Impulssequenz definierende) von der Zeit definiert, dann kann dieser Verlauf durch eine Wertefolge definiert sein, die insbesondere vorgegeben ist oder hinterlegt ist, oder die sich aus weiteren Werten ergibt, die hinterlegt sind. In diesem Fall ist der Verlauf vorgegeben, während im Falle einer Steuerung oder insbesondere einer Regelung nur die Reaktion der Steuerung oder Regelung auf geänderte Sollgrößen definiert ist, der zeitliche Verlauf selbst jedoch auch von den Sollgrößen und insbesondere bei der Regelung von dem Fehler innerhalb des Regelkreises abhängt.
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Es kann daher vorgesehen sein, dass mindestens ein Eingabeparameter der Impulssequenz eine Stellgröße eines Reglers ist, insbesondere eines linearen Reglers. Als Eingabeparameter können hierbei die Pulsweite, das Tastverhältnis oder die Frequenz oder auch eine Momentanleistung der Impulssequenz sein. Der Regler regelt hierbei den Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Schaltzustand. Als Sollwert des Reglers kann der zweite Schaltzustand, eine Sollspannung (insbesondere im ersten und/oder im zweiten Bordnetz), ein Sollstrom, eine Sollleistung oder Ähnliches dienen. Der Sollwert bezieht sich auf die Verbindungsvorrichtung. Der Regler kann eingerichtet sein, die Impulssequenz derart auszugeben, dass ein vorgegebener Maximalstrom durch die Verbindungsvorrichtung hindurch nicht überschritten wird.
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Der Regler ist insbesondere ein linearer Regler. Der lineare Regler kann ein P-Regler, ein PD-Regler, ein PI-Regler oder vorzugsweise ein PID-Regler sein. Der Regler kann ferner eine Übertragungsfunktion mit höherer Ordnung (im Vergleich zu einem PID-Regler) aufweisen. Als Ist-Größe kann ein aktueller Verbindungzustand, ein von der Verbindungsvorrichtung übertragener Strom oder eine Spannung in dem ersten, dem zweiten oder in beiden Bordnetzen sein oder Kontrollparameterkombinationen (z.B. Isoll = I1-I2, Psoll=I1*V1), die jederzeit variiert werden können), vgl. Beschreibung zu 1. Vorzugsweise entspricht die Übertragungsfunktion des Reglers im Wesentlichen einem asymptotischen Grenzfall bei der Annäherung an den zweiten stabilen Schaltzustand. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Regler eine vorgegebene Grenze für die erste zeitliche Ableitung des Schaltzustands bzw. des durch die Verbindungsvorrichtung fließenden Stroms nicht überschritten wird.
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Das Zuschalten des zweiten Bordnetzzweiges kann dadurch geschehen, dass dieser parallel zu dem ersten Bordnetzzweig verbunden wird, wenn die nominal ähnlichen Spannungszustände beider Bordnetzzweige dies zulassen. In diesem Fall wird der zweite Bordnetzzweig etwa durch Schließen eines Schalters an den ersten Bordnetzzweig angeschlossen, wobei erfindungsgemäß die Impulssequenz vor Erreichen des zweiten stabilen Schaltzustands, das heißt des An-Zustands (geschlossen) des betreffenden Schalters, die Verbindungsvorrichtung (in diesem Fall der Schalter) schaltet. Der Schalter ist insbesondere ein Halbleiterschalter, vorzugsweise ein IGBT oder ein MOSFET oder Relais oder eine antiserielle MOSFET-Schaltung (MOSFET - Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), die im AUS-Zustand den Strom in beide Richtungen sperrt, wie ein Relais (Normal Open).
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Ferner kann das Zuschalten des zweiten Bordnetzzweigs vorsehen, dass der zweite Bordnetzzweig seriell zu dem ersten Bordnetzzweig zugeschaltet wird. Es besteht die Möglichkeit, dass im ersten stabilen Schaltzustand der zweite Bordnetzzweig parallel zu dem ersten Bordnetzzweig geschaltet ist, und im zweiten Schaltzustand seriell geschaltet ist. Bei der parallelen und/oder bei der seriellen Zuschaltung kann der erste Bordnetzzweig über einen DC/DC-Wandler angeschlossen werden, insbesondere um unterschiedliche Spannungsniveaus (der ersten Betriebsspannungen) auszugleichen. Das Ändern des Schaltzustands der mindestens einen Verbindungsvorrichtung kann ferner vorsehen, dass ein erster Schalter eines Umschalters geöffnet und/oder ein zweiter Schalter des Umschalters geschlossen wird. Die Verbindungsvorrichtung ist hierbei ein Umschalter, der insbesondere einen Pol bzw. ein Versorgungspotential des zweiten Bordnetzzweigs von einer Verbindung mit einem ersten Potential (ggf. des ersten Bordnetzzweigs) auf ein zweites Potential (ebenso ggf. des ersten Bordnetzzweigs) umschaltet. Hierbei haben der erste und der zweite Schalter jeweils einen Anschluss, der dauerhaft verbunden ist, insbesondere mit einem Potential des zweiten Bordnetzes, während die anderen Anschlüsse der beiden Schalter mit verschiedenen Potentialen (insbesondere des ersten Bordnetzzweigs) verbunden sind.
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Die steuerbare Verbindungsvorrichtung kann somit als Schalter, DC/DC-Wandler und allgemein als Leistungssteller ausgebildet sein. Die Verbindungsvorrichtung kann ferner durch einen getakteten Schalter realisiert sein, der insbesondere einen Kabelbaum oder elektrische Leitung zur Stromleitung umfasst. Die beiden Bordnetzzweige sind vorzugsweise über den Schalter und die Leitung miteinander verbunden. Die zum Schalter seriell geschaltete Leitung ist insbesondere ebenso wie der Schalter Teil der Verbindungsvorrichtung.
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Die Verbindungsvorrichtung ist ein Stellglied einer Regelungsvorrichtung, die die oben beschriebene Regelung realisiert. Die Eingabeparameter des Reglers, d. h. die Parameter, welche die Übertragungsfunktion des Reglers bzw. dessen Verhalten definieren, können teilweise oder vollständig über einen Eingang angegeben werden, oder können in einem Speicher hinterlegt sein, der vorzugsweise lesbar und beschreibbar ist. Dadurch kann der Regler gemäß dem Einsatzgebiet bzw. gemäß der Anwendung eingestellt werden. Im Falle eines linearen Reglers können die Eingabeparameter im Sinne von Regelparametern in dem Speicher hinterlegt sein, beispielsweise der Proportional-, der Integral- und/oder der Differentialfaktor. Zudem können Sollwertvorgaben vorgesehen sein, thermische Grenzen, oder ähnliches, insbesondere zeitliche Verläufe von Sollwertvorgaben. Dadurch kann beispielsweise zu Beginn des Zuschaltens bzw. zu Beginn einer Regelsequenz die Regelung auf eine maximale Gesamtleistung vorgegeben werden, die insbesondere das Ende des ersten Schaltzustands darstellt, wobei dann beim Zuschalten, d. h. zum Übergang zum zweiten stabilen Schaltzustand ein Zielspannungswert oder ein Zielstromwert, insbesondere mit Stromlimitierung, vorgesehen werden. Hierbei realisiert beispielsweise die Impulssequenz die entsprechende Funktion als Stellglied. Das Zuschalten und insbesondere der Übergang von dem ersten auf den zweiten Schaltzustand kann bei einer minimalen Amplitude, maximalen Amplitude oder einer anderen, vorgegebenen Amplitude starten, wobei sich die Amplitude beispielhaft auf die Leistung der Impulssequenz bezieht, welche wiederum die Strom- bzw. Leistungsamplitude oder auch den Verbindungsgrad der Verbindungsvorrichtung wiedergibt.
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Ferner kann in dem Speicher die Impulssequenz hinterlegt sein oder auch ein Eingabeparameter, die die Impulssequenz definieren, beispielsweise ein zeitlicher Verlauf eines Parameters, der die Impulssequenz definiert, etwa Frequenz, Tastverhältnis, Pulsweite, Leistung, Strom oder Spannung. Für unterschiedliche Zustände des ersten bzw. des zweiten Bordnetzes können mehrere Impulssequenzen hinterlegt sein, die abhängig von einem Zustand der Bordnetzzweige gewählt werden, wobei beispielsweise die Spannungsdifferenz oder der zu erwartende Strom beim Zuschalten als Kriterium (bei der Auswahl) genommen wird. Für unterschiedliche Kriterien bzw. unterschiedliche Höhen dieser Kriterien werden unterschiedliche Impulssequenzen aus dem Speicher abgerufen, um gemäß dieser Impulssequenzen die Verbindungsvorrichtung anzusteuern.
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Bei derartigen, vorgespeicherten Impulssequenzen handele es sich um vorgefertigte Steuerverläufe der Verbindungsvorrichtung, wobei bei der Verwendung eines Reglers zur Definition der Impulssequenz nicht der Verlauf selbst exakt vorgegeben ist, sondern das Verhalten des Reglers auf die Einflussgrößen des Reglers (Spannung, Spannungsdifferenz, Strom, Leistung oder ähnliches, bezogen auf den ersten Bordnetzzweig und/oder zweiten Bordnetzzweig) .
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Vorzugsweise ist der Eingabeparameter als Kontrollparameter, eingerichtet zum Vergleichen mit einem Ist-Zustandswert Verbindungsvorrichtung, oder als Konfigurationsparameter, eingerichtet zum Einstellen der Verbindungsvorrichtung, ausgebildet. Der Kontrollparameter kann als Stromwert, Spannungswert oder Temperaturwert ausgebildet sein. Vorzugsweise wird während dem Ändern des Schaltzustands der Ist-Zustandswert erfasst und mit dem Kontrollparameter verglichen. Anhand des Vergleichs kann dann die Steuerung oder Regelung der Verbindungsvorrichtung durchgeführt werden. Der Konfigurationsparameter kann als PID-Wert (Proportionalwert, Integralwert, Differenzialwert oder Anfangswert vorliegen. Der Anfangswert wiederum kann als Niedrigwert (Low), Variabelwert, Hochwert (High) oder Kombination der Kontrollparameter vorliegen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist zeitliche Verläufe der Steuerung oder Regelung vorzugeben. Der Konfigurationsparameter kann aber auch als Zeitparameter vorliegen. Der Zeitparameter kann zum Steuern eines startenden Hybridfahrzeugs beispielsweise in folgendem Ablauf vorgesehen sein:
- 1. Starten des Hybridfahrzeugs mit I1 * U1 = P in beispielsweise weniger als 100 ms als der Zeitparameter oder in vorzugsweise weniger als 50 ms als der Zeitparameter;
- 2. Stromregeln d.h. I1 anpassen, insbesondere limitieren;
- 3. Spannungsregeln d.h. U1 anpassen.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Verbindungsvorrichtung durch einen DC/DC-Wandler ausgebildet ist, der gemäß der vorangehenden beschriebenen Mechanismen angesteuert wird. Neben dem DC/DC-Wandler kann ein Schalter vorgesehen sein, der von einem ersten Schaltzustand unmittelbar in einen zweiten Schaltzustand wechselt, d.h. entweder angeschaltet wird oder ausgeschaltet wird), wobei der DC/DC-Wandler verwendet wird, um den Schaltzustand und dem zweiten Bordnetzzweig wie hier beschrieben gemäß einer Impulssequenz (vorgespeichert oder gemäß Regelung oder Steuerung erzeugt) angesteuert wird.
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Das hier beschriebene Verfahren eignet sich für Bordnetze mit zwei oder drei oder auch mehr als drei Bordnetzzweigen, wobei auch ein dritter Bordnetzzweig wie der zweite Bordnetzzweig zugeschaltet werden kann. Weiterhin kann der erste Bordnetzzweig (oder auch dritte oder weitere Bordnetzzweige) abgetrennt werden, wobei hierbei vorzugsweise der gleiche Mechanismus verwendet wird, um beispielsweise Überspannungen oder Spannungseinbrüche in Form von Spannungsspitzen bei einem plötzlichen Abschalten oder Einschalten oder Umschalten zu vermeiden. Vielmehr wird insbesondere beim Abtrennen mittels der Impulssequenz kontinuierlich, pseudokontinuierlich oder stufenweise von einem stabilen Schalt-/Regelzustand in den nächsten Schalt-/Regelzustand übergegangen, insbesondere vom ersten stabilen Schalt-/Regelzustand in den zweiten stabilen Schalt-/Regelzustand und/oder umgekehrt. Wie erwähnt, kann die Impulssequenz derart gestaltet, dass auch beim Zuschalten die Verbindungsvorrichtung in den zweiten Bordnetzzweig kontinuierlich, pseudokontinuierlich oder stufenweise zuschaltet. Es ergibt sich eine Übergangsphase bzw. ein Übergangszustand, die bzw. der eine Mindestzeitdauer anhält, und die bzw. der dafür sorgt, dass insbesondere die zeitliche Ableitung der Spannungs-, Leistungs- oder Stromänderung im ersten und/oder zweiten Bordnetzzweig nicht über einen vorbestimmten Grenzwert geht. Dadurch ergibt sich ein vorbestimmter, begrenzter Transient.
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Die Bordnetzzweige oder auch Energiespeicher oder Generatoren innerhalb dieser Bordnetzzweige können unterschiedliche Betriebsspannungen aufweisen. Beispielsweise kann der erste Bordnetzzweig eine Nennspannung von 12 Volt aufweisen, während der zweite Bordnetzzweig eine Nennspannung von 48 Volt aufweisen kann (das wäre beispielsweise der Schalter K1 ersetzt durch einen DCDC-Wandler).In gleicher Weise kann der erste Bordnetzzweig eine Nennspannung von 12 Volt aufweisen, während der zweite Bordnetzzweig eine Nennspannung von 360, 380 oder 400 Volt oder höher aufweist. Es werden DC/DC-Wandler verwendet, um die Spannungen zueinander anzupassen, beispielsweise ein DC/DC-Wandler im zweiten oder im ersten Bordnetz, wobei dieser auch als Verbindungsvorrichtung dienen kann, die gemäß Impulssequenz geschaltet wird. Insbesondere bei der Verwendung von DC/DC-Wandlern als Verbindungsvorrichtung gibt die Impulssequenz einen Verlauf des Wandlerstroms, der Wandlerleistung oder der (Ausgangs-) Spannung wieder, der entweder vorgegeben ist oder bestimmt ist durch eine Regelung oder eine Steuerung, deren Verhalten bzw. Übertragungsfunktion anhand von Parametern vordefiniert ist.
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Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz eingerichtet zur Ausführung des hier beschriebenen Verfahrens beschrieben. Das Fahrzeugbordnetz, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfasst zumindest den ersten Bordnetzzweig und den zweiten Bordnetzzweig. Ferner umfasst das Fahrzeugbordnetz eine steuerbare Verbindungsvorrichtung, insbesondere die Verbindungsvorrichtung, wie sie vorangehend beschrieben wurde. Die Verbindungsvorrichtung ist eingerichtet, den zweiten Bordnetzzweig zu dem ersten Bordnetzzweig zuzuschalten. Somit ist die Verbindungsvorrichtung zwischen dem ersten Bordnetzzweig und dem zweiten Bordnetzzweig vorgesehen und verbindet diese elektrisch (und steuerbar). Die Verbindungsvorrichtung ist eingerichtet, den zweiten Bordnetzzweig zu dem ersten Bordnetzzweig durch Änderung zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand zuzuschalten. Diese Schaltzustände entsprechen den vorangehend genannten Schaltzuständen. Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Verbindungsvorrichtung eingerichtet, den zweiten Bordnetzzweig auf diese Weise von dem ersten Bordnetzzweig abzutrennen.
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Das Fahrzeugbordnetz weist eine Ansteuereinheit auf, die mit der steuerbaren Verbindungsvorrichtung verbunden ist. Alternativ kann die Ansteuereinheit auch Teil der Verbindungsvorrichtung sein, insbesondere wenn es sich um einen DC/DC-Wandler als Verbindungsvorrichtung handelt. Die Ansteuereinheit ist eingerichtet, die mindestens eine Verbindungsvorrichtung beim Ändern des Schaltzustands vor dem Erreichen des zweiten stabilen Schaltzustands gemäß einer Impulssequenz zu schalten. Es kann ein Speicher vorgesehen sein, insbesondere als Teil der Ansteuereinheit, in der die Impulssequenz selbst in Form einer Wertefolge hinterlegt ist, oder in dem Eingabeparameter hinterlegt sind, die die Impulssequenz selbst als Wertefolge definieren. Alternativ ist in dem Speicher mindestens ein Eingabeparameter hinterlegt, der ein Steuerungs- oder Regelungsparameter einer Steuerung oder Regelung ist, die die Ansteuereinheit realisiert. Der letztgenannte, mindestens eine Eingabeparameter definiert die Übertragungsfunktion der Steuerung oder Regelung, die von der Ansteuervorrichtung realisiert wird.
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Der Speicher ist wiederbeschreibbar (oder zumindest einmal beschreibbar). Der Speicher umfasst insbesondere eine Schnittstelle, mittels der die Daten in dem Speicher beschrieben werden können und insbesondere verändert werden können. Dadurch kann in dem Speicher über die Schnittstelle die Impulssequenz (als Wertefolge oder als Eingabeparameter, der die Wertefolge definiert), oder als mindestens ein Steuer- oder Regelparameter hinterlegt werden. Der Speicher ist eingerichtet, beschrieben zu werden, wenn der Speicher bzw. die Ansteuereinheit bereits im Fahrzeugbordnetz verbaut ist. Anstatt eines Speichers kann auch ein Eingang vorgesehen sein, über den die Daten eingegeben werden können, die vorangehend als im Speicher hinterlegbar beschrieben sind. Dadurch kann ein externer Speicher mit dem Eingang verbunden werden, um so über den Eingang Daten zu empfangen, die die Impulssequenz selbst definieren, oder die Steuer- oder Regelparameter definieren.
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Die Verbindungsvorrichtung ist als mindestens ein Schalter (ggf. mit vor- oder nachgeschalteter Serieninduktivität) oder als ein Stromrichter ausgebildet. Die Verbindungsvorrichtung kann ferner als ein Schalter ausgebildet sein, der direkt von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand gebracht wird, welchem ein Stromrichter vor- oder nachgeschaltet ist, der jedoch gemäß der hier beschriebenen Impulssequenz geschaltet wird und eingerichtet ist, einen kontinuierlichen, pseudokontinuierlichen oder stufenweisen Übergang zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand (oder umgekehrt) durchzuführen.
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Der Stromrichter ist insbesondere als Synchronwandler, Aufwärts- oder Abwärtswandler ausgebildet. Der Schalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, etwa ein IGBT oder ein MOSFET.
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Der zweite Bordnetzzweig kann zum ersten Bordnetzzweig seriell oder parallel zugeschaltet werden; die Verbindungsvorrichtung bildet entsprechend eine parallele oder serielle Verbindung.
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Weiterhin kann die Ansteuereinheit einen Signalgenerator aufweisen, der eingerichtet ist zur Abgabe des Übergangs-Ansteuersignals. Der Signalgenerator kann insbesondere ein Zustandssequenzer sein, der Zustandsabfolgen abgibt, insbesondere an die als DC/DC-Wandler ausgebildete Verbindungsvorrichtung. Falls die Verbindungsvorrichtung als Schalter ausgebildet ist, etwa als Schalttransistor, dann kann der Signalgenerator als Impulsgenerator ausgebildet sein. Der Impulsgenerator kann Schaltimpulse mit variabler Frequenz, variabler Pulsweite oder variablen Tastverhältnis ausgeben. Falls die Verbindungsvorrichtung als lineares Stellglied, etwa als Linear-Transistor, ausgebildet ist, dann kann der Signalgenerator zur Ausgabe eines wert- oder amplitudenkontinuierlichen Ansteuersignals (etwa eine Spannung) ausgebildet sein. Diese kann als Gatespannung oder Basisspannung dem Transistor zugeführt werden.
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Der Signalgenerator umfasst insbesondere einen Eingang, über den zumindest ein Steuerparameter der Verbindungsvorrichtung eingestellt werden kann. Der Signalgenerator umfasst das Stellglied eines Steuerungs- und Regelungselements oder bildet dieses Stellglied aus oder steuert ein entsprechendes, nachgeschaltetes Stellglied an. Das Stellglied ist eingerichtet, einen Regelungsparameter, einen Regelungssollwert, eine Pulsweite, ein Tastverhältnis oder eine Sequenz als Stellgröße einer Regelung oder einer Steuerung einzustellen, oder ist eingerichtet, ein Steuersignal zum Einstellen eines linearen Betriebspunkts eines Transistors abzugeben. Die Regelung oder Steuerung wird von dem Steuerungs- oder Regelungselement vorgesehen. Das Steuerungs- und Regelungselement realisiert die vorangehend genannte Steuerung oder Regelung.
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Vorzugsweise wird das Steuerungs- oder Regelungselement von einem Prozessor oder durch eine konfigurierbare monolithische Einheit (die einen Prozessor bzw. ASIC umfasst) realisiert. Das Steuerungs- und Regelungselement umfasst insbesondere einen Speicher oder einen Eingang, an dem zumindest ein Eingabeparameter abgelegt oder eingegeben werden kann, der die Übertragungsfunktion der Regelung oder Steuerung definiert. Bei dieser Ausführungsform wird die Impulssequenz gebildet von der Steuerungs- und Regelungseinheit (unter Verwendung des Impulsgenerators als Stellglied), wobei die Regelungs- bzw. Steuerungseigenschaften definiert sind durch den mindestens einen Eingabeparameter. Der Eingabeparameter ist vorzugsweise in einem wiederbeschreibbaren Speicher hinterlegt und kann somit konfiguriert werden.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, das Übergangs-Ansteuersignal (beispielsweise die Impulssequenz) als solche mittels einer Wertefolge zu definieren. Die Ansteuereinheit kann einen Impulsgenerator aufweisen, der mit einem Speicher der Ansteuereinheit verbunden ist. In dem Speicher ist das Übergangs-Ansteuersignal (insbesondere als eine Mehrzahl von Werten) gespeichert. Anstatt der Werte des Übergangs-Ansteuersignals selbst in Form von Einträgen in dem Speicher zu hinterlegen, können in dem Speicher Werte oder Eingabeparameter gespeichert sein, die den zeitlichen Verlauf des Übergangs-Ansteuersignals kennzeichnen, insbesondere im zeitlichen Verlauf mindestens einer Größe, die das Übergangs-Ansteuersignal kennzeichnet. Eine derartige Größe wäre etwa ein Zustand (der sich gemäß Signal ändert), eine Spannung, das Tastverhältnis bzw. die Pulsweite, die Frequenz (der Impulssequenz) oder ähnliches.
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Zurückkommend auf Ausführungsformen, bei denen der Signalgenerator ein Stellglied einer Regelung oder Steuerung ist (und somit nicht das Ansteuersignal selbst definiert ist, sondern nur das Verhalten der Steuerung oder Regelung) weist die Ansteuereinheit einen linearen Regler auf. Der lineare Regler stellt eine Pulsweite, ein Tastverhältnis, eine Frequenz der Pulssequenz oder einen (linearen) Betriebspunkt des Transistors ein, wobei diese Größen insbesondere die Stellgrößen des linearen Reglers darstellen.
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Der lineare Regler ist vorzugsweise ein PID-Regler. Dessen Stellglied wird von der Ansteuereinheit (insbesondere von dem Signalgenerator) ausgebildet. Die Eingabeparameter des PID-Reglers sind in einem Speicher hinterlegt. Alternativ können diese an einem Eingang der Ansteuereinheit eingegeben werden. Somit kann die Ansteuereinheit und insbesondere das Steuerungs- oder Regelungselement einen Eingang aufweisen, an dem die Eingabeparameter eingegeben werden können. Falls die Eingabeparameter in einem Speicher hinterlegt sind, so sind diese vorzugsweise überschreibbar hinterlegt; der Speicher kann hierzu einen Eingang aufweisen, mittels dem Inhalte des Speichers (insbesondere die Eingabeparameter) überschrieben werden können.
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Falls die Ansteuereinheit eine Regelungseinheit oder eine Steuereinheit aufweist, insbesondere einen Regler, dann weist dieser vorzugsweise einen Eingang für eine Ist-Größe auf, etwa eine Spannung, eine Spannungsdifferenz (zwischen den Bordnetzzweigen), eine Leistung oder ein Strom, der durch das Verbindungselement fließt. Ferner kann die Steuerung oder Regelung eingerichtet sein, das betreffende Stellglied bzw. das Übergangs-Ansteuersignal derart anzusteuern bzw. auszugeben, dass eine Unter-/Obergrenze nicht unter-/überschritten wird, beispielsweise eine Leistungs-, Strom- oder Spannungsobergrenze, ggf. auch eine Temperaturobergrenze oder eine Spannungsdifferenz-Obergrenze.
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Die 1 und 2 dienen zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Fahrzeugbordnetze und den dadurch realisierbaren Verfahren.
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Die 1 zeigt ein Übersichtsschaubild eines Fahrzeugbordnetzes mit einem ersten Bordnetzzweig ESYS1, einem zweiten Bordnetzzweig ESYS2 und einem dritten Bordnetzzweig ESYS3. Der erste Bordnetzzweig ESYS1 umfasst eine Batterie E1 als Energiespeicher und eine Last L1, sowie einen optionalen Generator G1. In dem ersten Bordnetzzweig ESYS1 beherrscht die Bordnetzspannung U1 und es fließt ein Strom I1 aus dem von oder zu dem ersten Bordnetzzweig hin.
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Der zweite Bordnetzzweig ESYS2 umfasst eine zweite Last L2, sowie einen optionalen Generator (zweiten Generator G2) . In dem zweiten Bordnetzzweig ESYS2 herrscht die Spannung U2. Ein Strom I2 fließt zum ersten Bordnetzzweig hin oder von diesem weg.
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Ein dritter Bordnetzzweig ESYS3 umfasst einen zweiten Energiespeicher E2 sowie eine dritte Last L3, die von dem Energiespeicher E2 versorgt wird. In dem dritten Bordnetzzweig ESYS3 herrscht eine Spannung U3. Ein Strom I3 fließt zu dem dritten Bordnetzzweig ESYS3 hin oder fließt von diesem weg.
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Im Folgenden sei die hier beschriebene Vorgehensweise anhand der Bordnetzzweige ESYS1 und ESYS2 näher erläutert: Der Schalter K2 (als MOSFET dargestellt) verbindet schaltbar die beiden Bordnetzzweige ESYS1 und ESYS2. Der Schalter K1 bildet hier eine steuerbare Verbindungsvorrichtung. Die Ansteuereinheit M1 ist ansteuernd mit dem Schalter K1 verbunden und umfasst einen Signalgenerator IG, der auch eingerichtet sein kann eine Zustandssequenz abzugeben. Der Signalgenerator umfasst das Stellglied SG einer Regelung CTRL umfasst. Ein Speicher ME hält jederzeit konfigurierbare Regelungsparameter für das Regelungselement CTRL bereit, und definiert somit die Eigenschaften, das Verhalten und insbesondere die Übertragungsfunktion der Regelung CTRL. Der Speicher kann einen Eingang oder eine Schnittstelle aufweisen, der bzw. die eingerichtet ist, zumindest einen Regelungsparameter zu empfangen. Hierbei sind beispielsweise bei einem linearen Regler, insbesondere einem PID-Regler die kennzeichnenden Regelungsparameter in dem Speicher ME abrufbar abgelegt. Bei einem PID-Regler sind dies der Proportional-, der Integral- und der Differentialfaktor.
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Es besteht eine allgemein dargestellte Rückkopplung FB dahingehend, dass über diese ein Ist-Zustand des ersten Bordnetzzweigs ESYS1 erfasst und an die Regelung weitergegeben wird, beispielsweise die Spannung U1 und/oder der Strom I1. Liegt die Spannung unter einem Grenzwert bzw. liegt der Strom I1 über einen Grenzwert, dann kann daraus geschlossen werden, dass ein Belastungszustand vorliegt. In diesem Fall wird über den Schalter K1 der zweite Bordnetzzweig ESYS2 hinzugeschaltet, insbesondere durch Ansteuerung des Gates des Schalters K1. Hierbei wird jedoch nicht von einem offenen Zustand direkt in einen geschlossenen Zustand des Schalters geschaltet, sondern der Schalter K1 erhält beispielsweise eine Impulssequenz von dem Impulsgenerator, bevor der zweite Schaltzustand (nämlich K1 = geschlossen) erreicht wird. Diese als Ausführungsbeispiel vorgesehene Impulssequenz gibt ein kontinuierliches, quasi kontinuierliches oder stufenweise Schließen des Schalters K1 wieder, entspricht jedoch nicht einem direkten Übergang zwischen dem Aus-Zustand und dem An-Zustand des Schalters K1. Die Steuerung CTRL gibt hierbei dem Stellglied SG bzw. dem Impulsgenerator IG, der dieses Stellglied umfasst (oder realisiert) ein Stellsignal ab, das gemäß der realisierten Regelung ausgebildet ist. Beispielsweise kann, abhängig von der Spannung U1, die Pulsweite bzw. das Tastverhältnis (ausgehend von 0) erhöht werden, bis der zweite stabile Schaltzustand, d. h. ein geschlossener Schalter K1, dauerhaft ergibt. Dies entspricht dann dem zweiten Schaltzustand. Durch das Schließen des Schalters K1, das durch die Impulssequenz erreicht wird, erhöht sich die Spannung U1, welche beispielsweise durch Aktivieren der Last L1 abgefallen ist und somit der erste Bordnetzzweig durch den zweiten Bordnetzzweig ESYS2 gestützt werden soll (insbesondere vorausgesetzt der Generator liefert ausreichend Energie) . Wie erwähnt wird dieses Unterstützen durch Zuschalten des zweiten Bordnetzzweiges ESYS2 mittels des Schalters K1 erreicht, wobei beispielsweise aus Sicherheitsaspekten schnell aber auch nicht abrupt zugeschaltet wird, sondern der Schalter K1 wird beispielsweise gemäß der hier erwähnten Impulssequenz (abgegeben von dem Pulsgenerator bzw. vom Stellglied SG) geschaltet.
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Das Stellsignal zu Beginn der Steuerung oder Regelung kann beispielsweise (gleichgültig, ob die Verbindungsvorrichtung K1, K2 im ersten Schaltzustand geschlossen oder geöffnet ist) als ein maximaler Eingangsparameter (beispielsweise maximales Tastverhältnis), ein minimaler Eingangsparameter (beispielsweise minimales Tastverhältnis) oder ein variabler Eingangsparameter zwischen dem maximalen Eingangsparameter und dem minimalen Eingangsparameter vorliegen.
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Beispielsweise kann als Last L1 der Starter eines Verbrennungsmotors vorgesehen sein, während der Generator G1 eine Lichtmaschine darstellt. Beim Aktivieren dieser Last L1 ergibt sich ein Spannungseinbruch der Spannung U1 bzw. ein besonders hoher Strom I1 zum ersten Bordnetzzweig ESYS1 hin, beispielsweise ausgehend von einem dritten Bordnetzzweig ESYS3. Um beispielsweise den Bordnetzzweig ESYS3 vor einem Spannungseinbruch zu schützen, wird der zweite Bordnetzzweig ESYS2 mittels des Schalters K1 zugeschaltet, wobei ferner der Schalter K2, welcher den zweiten Bordnetzzweig ESYS2 mit dem dritten Bordnetzzweig ESYS3 verbindet, beispielsweise gemäß der hier erwähnten Impulssequenz geschaltet werden kann. Dies ist ersichtlich, dadurch dass sowohl der Schalter K1 als auch der Schalter K2 von der Ansteuereinheit M1 angesteuert wird. Da der Schalter K2 gemäß der Impulssequenz vom stabilen geschlossenen Zustand in den stabilen offenen Zustand überführt wird gemäß der Impulssequenz, ergibt sich kein hoher Transient im Strom I3; vielmehr wird dadurch der dritte Bordnetzzweig ESYS3 mittels eines kontinuierlichen oder zumindest stufenweisen Übergangs in einen Autonombetrieb überführt (K2 geöffnet) . Falls beispielsweise die Last L3 sensitiv gegenüber Stromtransienten ist, dann kann dadurch verhindert werden, dass die Stromtransienten erzeugt in ESYS1 auf das System ESYS3 übergehen.
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Es ist dargestellt, dass der Speicher ME zumindest einen Eintrag aufweist, der einen Steuerungsparameter für die Steuerung CTRL darstellt. Dies ist dargestellt durch den unteren Pfeil, der von ME ausgeht, welcher vom Speicher ME in das Regelungselement CTRL zeigt. Alternativ oder in Kombination hierzu kann in dem Speicher ME die Impulssequenz selbst belegt sein oder Werte, die diese in ihrem Werteverlauf selbst kennzeichnen, wobei in diesem Fall der Impulsgenerator gemäß den ME gesteuerten Werten selbst ausgeführt wird (und nicht die Regelung gemäß den Regelungsparametern von ME ausgeführt wird) . Dies kann als Steuerung angesehen werden, da der Verlauf der Stellgröße bzw. der Verlauf der Impulssequenz vorgegeben ist und im Wesentlichen unabhängig von äußeren Größen durchgeführt wird. Es kann jedoch als Feedback FB etwa die Spannung U1 oder der Strom I1 der Ansteuereinheit M1 zugeführt werden, um eine von mehreren im Speicher ME vorliegenden, verschiedenen Impulssequenzen gemäß der Stärke des Überlastungszustands auszuwählen. So kann bei einem ersten Spannungseinbruch der Spannung U1, der stärker ist als ein zweiter Spannungseinbruch der Spannung U1 eine andere Impulssequenz des Speichers ME ausgewählt werden, als beim zweiten Spannungseinbruch. Es kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, die den stärkeren Spannungseinbruch bzw. allgemein des Überlastungszustands im ersten Bordnetzzweig ermittelt und dementsprechend die Impulssequenz aus einer Mehrzahl von Impulssequenzen im Speicher ME auswählt.
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Der Speicher ME weist einen Eingang EI auf, über den die Impulssequenz und insbesondere mindestens ein Eingabeparameter, der die Regelung oder Steuerung definiert, in die Ansteuereinheit Ml eingegeben werden, insbesondere in dem Speicher ME. Dadurch kann beispielsweise ein Eintrag im Speicher ME überschrieben werden oder allgemein geschrieben werden, der von einer externen Einheit stammt. Dies ermöglicht eine Anpassung der Ansteuereinheit M1 von außen. Alternativ kann der Eingang EI auch direkt die Werte vorgeben, die an den Impulsgenerator oder an die Regelung bzw. Steuerung CTRL abgegeben werden, um so direkt von außen die aktuelle Regelung zu definieren.
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Ein Stromrichter DC/DC verbindet den dritten Bordnetzzweig ESYS3 mit dem ersten Bordnetzzweig ESYS1. Auch dieser wird von der Ansteuereinheit M1 angesteuert. Der Stromrichter DC/DC kann beispielsweise ein DC/DC-Wandler sein, der zumindest einen Schalter sowie mindestens einen temporären Energiespeicher wie eine Spule oder einen Kondensator umfasst, um so einen Wandler zu bilden, insbesondere einen Aufwärts- oder Abwärtswandler, beispielsweise ein Synchronwandler. Der mindestens eine Schalter des Stromrichters DC/DC definiert insbesondere den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung des Stromrichters und wird ebenso von der Ansteuereinheit M1 angesteuert. Dadurch erhält der Stromrichter die Möglichkeit, beim Einschalten oder Ausschalten die Leistung, den Strom oder die Spannung gemäß einer kontinuierlichen oder quasi kontinuierlichen Rampe oder gemäß mindestens einer oder mehrerer Stufen zu erhöhen oder zu verringern, bis der Stromrichter einen stationären Zustand erreicht hat, der insbesondere den zweiten stabilen Schaltzustand entspricht. Der Stromrichter DC/DC kann geregelt werden, insbesondere mittels des Regelungselements CTRL, welches mittels der Rückkopplung FB die Auswirkungen der Änderung des Stromrichters als Stellglied berücksichtigt, d.h. die Änderung im Strom I1 und/oder in der Spannung U1.
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1 dient zur Erläuterung der Stützung des ersten Bordnetzzweigs ESYS1, kann jedoch auch in gleicher Weise zur Stützung des Bordnetzzweigs ESYS2 oder ESYS3 dienen, abhängig von den jeweiligen Lasten und den vorgesehenen Anwendungsfällen.
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Die 1 beschreibt die parallele Zuschaltung von Energiespeichern, wobei sich eine Stromaufteilung für die Lasten hinsichtlich der Energiespeicher ergibt.
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Die 2 stellt ein vereinfachtes Schaltbild dar, bei dem seriell hinzugeschaltet wird. Hierbei wird in 2 ein Fahrzeugbordnetz dargestellt, welches einen ersten Bordnetzzweig ESYS1 und einen zweiten Bordnetzzweig ESYS2 umfasst. Da diese den ersten und zweiten Bordnetzzweigen der 1 entsprechen können, wurden die gleichen Bezugszeichen gewählt. Die Bordnetzzweige ESYS1 und ESYS2 sind in der 1 vereinfacht dargestellt, insbesondere in dem nur die Energiespeicher E1 und E2 der beiden Bordnetzzweige wiedergegeben sind, zusammen mit der Last L1 des ersten Bordnetzzweigs. Die Last L1 kann beispielsweise von einem Starter eines Verbrennungsmotors vorgesehen sein, der von dem ersten Energiespeicher E1 (etwa einer Batterie) gespeist wird. Zunächst kann der zweite Bordnetzzweig ESYS2 vom ersten Bordnetzzweig ESYS1 getrennt sein, insbesondere in dem der Schalter S1 geöffnet ist. Hierbei ist der Schalter S2 geschlossen. Wird die Last L1 aktiviert, so sinkt die Spannung der Energiequelle E1, der als reale Spannungsquelle einen Innenwiderstand aufweist, der dazu führt, dass bei hohen Strömen die Spannung im ersten Bordnetzzweig ESYS1 einbricht. Dies entspricht einem Überlastungszustand. Um dies zu verhindern, beispielsweise um zu verhindern, dass andere Lasten im ersten Bordnetzzweig dadurch gestört werden, wird der zweite Bordnetzzweig ESYS2 hinzugeschaltet, in 2 in serieller Weise. Hierzu wird der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 wird geöffnet (wie dargestellt), so dass die Energiespeicher E1 und E2 in Reihe geschaltet sind. Es ergibt sich eine Spannungsaddition der Energiespeicher E1 und E2. Der Energiespeicher E2 kann etwa eine Batterie sein, insbesondere mit einer deutlich kleineren Kapazität als die Batterie E1, oder kann von einem Kondensator oder einer Kondensatorbank realisiert sein.
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Zur Ansteuerung des Schalters S1 und S2 wird die Ansteuervorrichtung M1 verwendet. Diese steuert die Schalter S1 und S2 gemäß der hier beschriebenen Impulssequenzen an, um einen kontinuierlichen oder zumindest stufenweisen Übergang zwischen offenen und geschlossenen Schaltzustand zu ermöglichen. Die Schalter S1 und S2 weisen jeweils ein Ende auf, das mit dem Energiespeicher E1 verbunden ist. Es ergibt sich eine serielle Schaltung. Somit sind jeweils ein Ende der beiden Schalter S1 und S2 miteinander verbunden. Die anderen Enden führen zu unterschiedlichen Potentialen, nämlich zum einen zum Pluspotential des Energiespeichers E2 (über den Schalter Sl), und zum anderen zum Massepotential über den Schalter S2. Es ergibt sich eine serielle Schaltung. Die Schalter S1 und S2 bilden zusammen einen Umschalter und werden wechselweise geöffnet oder geschlossen. Mittels des dadurch dargestellten Umschalters kann das Bezugspotential ausgewählt werden, auf das der Minuspol der Batterie E1 gelegt wird. Im Normalfall ist dies Masse, während dies im Überlastungsfall und somit im Unterstützungsfall der Pluspol der Batterie E2 ist.
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Als Sollgrößen für die Regelung (in 1: CTRL) eignen sich die dargestellten Spannungen, die dargestellten Ströme oder auch Summen aller oder nur ein Teil aller Spannungen oder Ströme. Ferner kann das Produkt des Stroms und der Spannung an bzw. in einem Bordnetzzweig als Sollgröße dienen. Gleiches gilt auch für die Ist-Größe der Steuerung (in 1: CTRL), wobei die entsprechenden Größen in üblicher Weise erfasst werden können. Insbesondere kann als Soll- bzw. Ist-Größe für die Regelung die transferierte Leistung von ESYS3 nach ESYS2 dienen, die Leistung in ESYS1 oder ein Nullstrom in zwei Teilnetzen (beispielsweise I1+I2, I1+I3, I2+I3, I1-I2). Neben diesen Kombinationen können die erwähnten Größen auch einzeln als Soll- und Ist-Parameter verwendet werden. Die erwähnte Leistung ergibt sich durch die Spannung innerhalb eines Bordnetzes multipliziert mit dem Strom, der aus einem Bordnetzzweig herausfließt oder in diesen hereinfließt. Ferner können alternativ oder in Kombination hiermit als Regelgrößen andere Parameter verwendet werden, beispielsweise die Temperatur und/oder ein Alterungszustand der Energiespeicher, der Lasten und/oder der Schalter K1, K2 bzw. des Stromrichters DC/DC.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208257 A1 [0003]
