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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes mit mindestens zwei Teilbornetzen und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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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, z. B. 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 sichergestellt 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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In den vergangenen Jahren wurden vermehrt elektronische Einrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingebunden sind. Dabei hat insbesondere die Anzahl an Einrichtungen und Bauteilen zur Energieversorgung deutlich zugenommen. Wenn eine dieser Komponenten fehlerhaft arbeitet oder gar ausfällt, kann die von dem Energieversorgungsnetz bereitgestellte Spannung außerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs gelangen, was eine Verringerung des Komforts und der Sicherheit der Passagiere mit sich bringt.
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Eine möglichst schnelle und frühzeitige Erfassung und Identifizierung dieser Fehler ist daher sehr wichtig ist, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Energieversorgungsnetze zu steigern. Weiterhin wird es immer wichtiger, neue Bordnetze zu entwickeln, die auch bei Fehlern weiter arbeiten können. Dies wird bspw. durch einen redundanten Aufbau erreicht. Somit können die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Bordnetzes erhöht werden. Um die Sicherheit von Kraftfahrzeugen zu erhöhen, werden insbesondere Konzepte zu fehlertoleranten Bordnetzen vorgestellt.
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Bordnetze umfassen in vielen Fällen mehrere Teilnbordetze, die über einen Schalter oder ein Koppelelemente miteinander verbunden sind. Diese Elemente sind aufgrund der durch diese fließenden Strömen hohen Belastungen ausgesetzt.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 011 578 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Stromaufnahme eines Gleichstrommotors in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Stellglied für einen Strom des Gleichstrommotors durch einen Spannungsregler und einen Stromregler entsprechend einer vorgegebenen Strombegrenzungs-Kennlinie steuerbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, das zum Betreiben eines Bordnetzes dient. Dieses Bordnetz umfasst mindestens zwei Teilbornetze, zwischen denen ein Element, wie bspw. ein Schalter oder ein Koppelelement, z. B. ein Gleichspannungswandler, angeordnet ist. Dieses Element ist dazu eingerichtet, die beiden Teilbordnetze miteinander zu koppeln, wobei unter Berücksichtigung eines maximalen durch den Schalter fließenden Stroms eine elektrische Größe in dem Bordnetz entweder aus einer Nachschlagetabelle oder aus einem Stromregler ermittelt wird und diese elektrische Größe eingestellt wird, um den Strom durch den Schalter zu begrenzen.
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Dies bedeutet, dass in Ausgestaltung anhand eines maximalen erlaubten Stroms ein Wert für die elektrische Größe ermittelt wird, indem diese einer Nachschlagetabelle entnommen wird. Diese elektrische Größe wird dann eingestellt. Die elektrische Größe wird somit nicht berechnet, sondern lediglich der Nachschlagetabelle entnommen, so dass dieser Vorgang sehr schnell ausgeführt werden kann. Anschließend wird das Bordnetz bzw. eine Komponente des Bordnetzes so angesteuert, dass die ermittelte elektrische Größe sich einstellt.
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Das Bordnetz ist als fehlertolerantes Bordnetz ausgelegt und umfasst mindestens zwei Teilbordnetze, zwischen denen ein Schalter oder ein Koppelelement, wie bspw. ein Gleichspannungswandler, vorgesehen ist. Die Anordnung ist dazu eingerichtet, einen zwischen den beiden Teilbordnetzen fließenden elektrischen Strom zu begrenzen. Hierbei wird zum Einstellen eines maximalen Werts des Stroms eine Nachschlagetabelle verwendet.
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Auf diese Weise ist es möglich, die durch den Strom verursachte Belastung des Schalters bzw. des Koppelelements zu vermindern. Es kann folglich auch ein Schalter verwendet werden, der für geringere Lasten bzw. Belastungen ausgelegt und daher kostengünstiger ist.
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In der Nachschlagetabelle sind Werte für die einzustellende elektrische Größe jeweils mit einer Zuordnung zu mindestens einer Eingangsgröße hinterlegt. Eingangsgrößen können dann der maximale Strom sowie gemessene Größen und/oder die Temperatur sein.
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In einer Ausführung wird in einem der beiden Teilbordnetze eine elektrische Größe, bspw. eine Spannung einer Batterie, gemessen und dann anhand der Nachschlagetabelle ein Wert für eine elektrische Größe, bspw. die Ausgangsspannung eines Generators, ermittelt, die dann einzustellen ist. In der Nachschlagetabelle können noch weitere Größen, wie bspw. die Temepratur, Berücksichtigung finden.
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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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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ausführungsform eines fehlertoleranten Bordnetzes.
- 2 zeigt einen Graphen, der eine Nachschlagetabelle repräsentiert.
- 3 zeigt in einem Blockdiagramm ein Steuerverfahren.
- 4 zeigt in einem Graphen Stromverläufe.
- 5 zeigt in einem Graphen weitere Stromverläufe.
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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 eine Ausführung eines fehlertoleranten Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieses Bordnetz 10 umfasst ein erstes Teilbordnetz 12 und ein zweites Teilbordnetz 14. Üblicherweise werden Schalter oder Gleichspannungswandler als Koppel- bzw. Kopplungselemente zwischen den beiden Teilbordnetzen 12, 14 eingesetzt.
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Die Darstellung zeigt weiterhin im ersten Teilbordnetz 12 eine erste Batterie 20, einen ersten Widerstand 22, einen Generator K30, der mit Bezugsziffer 24 bezeichnet ist, sowie einen ersten Verbraucher 26 und einen zweiten Verbraucher 28. Es sind weiterhin ein zweiter Widerstand 30 und ein dritter Widerstand 32, der den Kabelwidersand repräsentiert, dargestellt. Im zweiten Teilbordnetz 14 sind eine zweite Batterie 40 und ein Verbraucher 42 vorgesehen.
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Zwischen den beiden Teilbordnetzen 12, 14 ist ein Schalter 50 als Element zum Koppeln vorgesehen, über bzw. durch den ein Strom 52 fließt. Wenn keine Begrenzung bzw. Beschränkung des Stroms 52 durch den Schalter 50 gegeben ist, kann ein hoher Kreisstrom zwischen dem Generator 24 und der zweiten Batterie 40 induziert werden, wodurch eine hohe Ausgangsspannung des Generators 24 bewirkt wird. Dies führt zu einem hohen Strom 52 durch den Schalter 50 und zu hohen Verlusten. Somit muss auch ein großer Schalter 50 verwendet werden. Dies wiederum führt zu hohen Kosten und zu hohen Verlusten, was die Effizienz des gesamten Systems beeinträchtigt.
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Das beschriebene Verfahen ermöglicht es nunmehr, die Belastung des Schalters 50 durch den Strom 52 zu begrenzen. Damit kann auch ein kostengünstigerer Schalter eingesetzt werden. Damit kann auch die gesamte Anordnung effizizienter betrieben werden. Die vorgestellte Maßnahme führt zudem zu einer erhöhten Fehlertoleranz der eingesetzten Steuerung.
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Zu berücksichtigen ist, dass es schwierig ist, den Schalter 50 zu dimensionieren, da der Ladungszustand der zweiten Batterie 40 in einem großen Bereich variieren kann. Dies trifft auch auf die Generatorspannung, die Temperatur und die Kaballänge zu, wenn der Strom 52 durch durch den Schalter 50 nicht kontrolliert bzw. gesteuert wird. Es ist nunmehr einfach den Schalter 50 zu dimensionieren, da der maximale Strom durch den Schalter 50 begrenzt ist bzw. wird.
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Wie in 1 verdeutlicht ist, wird der Strom 52 durch den Schalter 50 durch die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang am Generator 24 und der zweiten Batterie 40 bestimmt. Die Spannung am Ausgang des Generators 24 wird durch die Ausgangsspannung des Generators 24 gesteuert. Dies bedeutet, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Generator 24 und der zweiten Batterie 40 gesteuert werden kann, um den Strom durch den Schalter 50 zu begrenzen.
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Im Rahmen des vorgestellten Verfahrens bedeutet dies, dass anhand des maximalen Stroms und der gemessenen Spannung der zweiten Batterie 40 im zweiten Teilbordnetz 14 in der Nachschlagetabelle ein Wert für die Spannungsdifferenz zwischen Generator 24 und zweiter Batterie 40 oder direkt ein Wert für die Ausgangsspannung des Generators 24 ermittelt wird. Dabei wird typischerweise auch die Temperatur berücksichtigt, da sich diese insbesondere auf die Widerstände, bspw. die Kabelwiderstände, auswirkt.
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2 zeigt in einem Graphen 100, an dessen Abszisse 102 die Spannungsdifferenz ΔV = Vk30 - Vbat2 und an dessen Ordinate 104 der Strom durch die Schaltanordnung aufgetragen ist, Verläufe des Stroms durch den Schalter in Abhängigkeit der Spannungsfifferenz. Vk30 ist dabei die Ausgangsspannung des Generators, Vbat2 ist die Spannung der zweiten Batterie. Eine erste Kurve 110 zeigt den Stromverlauf bei einer ersten Temperatur, eine zweite Kurve 112 zeigt den Verlauf bei einer zweiten Temperatur. Witerhin sind in den Graphen eine maximale Spannungsdifferenz 114 und ein maximaler Strom imax1 116 eingetragen.
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Der Graph 100 der 2 stellt somit eine Repräsentierung der Nachschlagetabelle, die bei dem vorgestellten Verfahren verwendet wird, dar.
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2 zeigt Verläufe des Stroms durch die Schaltanordnung als eine Funktion der Spannungsdifferenz und der Temperatur. Es kann daher die maximal erlaubte Spannungsdifferenz entsprechend dem maximalen Strom durch den Schalter berechnet oder für ein Kabel gemessen werden. Somit kann die maximal erlaubte Spannungsbegrenzung des Generators ermittelt werden. Anhand des Werts aus der Nachschlagetabelle kann der maximale Strom durch den Schalter näherungsweise begrenzt werden. In einer Ausführungsform wird der Strom durch den Schalter geregelt.
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3 zeigt in einem Blockdiagramm 150 das vorgestellte Steuerverfahren, um den maximalen Strom druch den Schalter zu begrenzen. Die Darstellung zeigt eine Nachschlagetabelle 152, eine Einheit 154 zur Fehlerdiagnose, einen PI-Regler 156 und einen Maximalwertbegrenzer 158. Eingegebene Größen sind der gemessene Strom 160 durch den Schalter, der maximal erlaubte Strom 162, die Temperatur 164 und die Batteriesoppannung 166. Ausgegeben wird eine Spannungsreferenz 170 des Generator, die in eine Generatorsteuerung 172 eingegeben wird.
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Weiterhin zeigt die Darstellung ein Schaltelement 174, das von der Einheit 154 zur Fehlerdiagnose angesteuert wird. In dieser Einheit 154 wird eine Plausibilisierung der gemessenen Größen, in diesem Fall der gemessene Strom durch den Schalter und die gemessene Spannung der zweiten Batterie, durchgeführt.
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Im Rahmen des vorgestellten Steuerkonzepts wird der Strom durch den Schalter gemessen. Ist der gemessene Strom durch den Schalter höher als der erlaubte Strom, dann wird der PI-Regler 156 aktiv. Somit wird die Begrenzung der Generatorspannung aktiv. Die Generatorspannungsreferenz von EEM (Energiemanagement) wird mit der Begrenzungssteuerung begrenzt.
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Liegt ein Fehler bei der Messung des Stroms durch den Schalter vor, wird die Generatorspannungsbegrenzung direkt mit dem Ausgang der Nachschlagetabelle 152 verbunden. Die näherungsweise Generatorspannungsbegrenzung wird mit der berechneten erlaubten Generatorsannung aus der Nachschlagetabelle, die in 2 repräsentiert ist, durchgeführt.
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Liegt ein Fehler bei der Spannungserfassung der zweiten Batterie vor, so kann jeder Wert aus der Nachschlagetabelle 152 als eine Refernz einer maximal erlaubten Spannung des Generators verwendet werden. Der maximale Strom durch den Schalter kann durch die PI-Regelung begrenzt werden.
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Mit dem vorgestellten Verfahren kann der maximale Strom durch den Schalter begrenzt werden. Es kann somit ein kleiner Schalter verwendet werden, so dass die Kosten reduziert werden können. Die Effizienz des Systems kann ebenso gesteigert werden. Außerdem ist die Steuergung fehlertolerant. Selbst wenn ein Fehler bei der Erfassung des Stroms oder der Spannung vorliegt, kann die Steuerung weiter betrieben werden, um den Strom durch den Schalter zu begrenzen.
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4 zeigt Signalverläufe bei einer Last von 500 W und einer Strombegrenzung von 50 A. Dabei ist an einer Abszisse 200 die Zeit und an einer Ordinate 202 der Strom aufgetragen. Eine erste Kurve 210 zeigt den Verlauf des Stroms ohne das vorgestellte Verfahren. Eine zweite Kurve 212 zeigt den Verlauf des Stroms gemäß dem vorgestellten Verfahren.
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5 zeigt Signalverläufe bei einer Last von 100 W und einer Strombegrenzung von 50 A. Dabei ist an einer Abszisse 250 die Zeit und an einer Ordinate 252 der Strom aufgetragen. Eine erste Kurve 260 zeigt den Verlauf des Stroms ohne das vorgestellte Verfahren. Eine zweite Kurve 262 zeigt den Verlauf des Stroms gemäß dem vorgestellten Verfahren.
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Die 4 und 5 verdeutlichen somit den Einfluss des vorgestellten Verfahrens. Die Kurven zeigen, dass gemäß dem vorgestellten Verfahren der maximale Strom durch den Schalter signifikant begrenzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005011578 A1 [0006]
