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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs, der in einem generatorischen Betrieb betrieben werden kann und/oder derart ausgeführt sein kann, dass er elektrische Energie aufnehmen und speichern kann, und diese Energie in ein Bordnetz des Fahrzeugs zurückspeisen kann.
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Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, weist typischerweise ein elektrisches Bordnetz mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern auf. Einige elektrische Verbraucher, wie z.B. die Lenkung des Fahrzeugs, ein oder mehrere Dämpfungselemente des Fahrzeugs, Fensterheber, etc., weisen jeweils ein oder mehrere elektrisch betriebene Aktuatoren, z.B. Motoren, auf, die mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz angetrieben werden.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Energieeffizienz für den Betrieb eines elektrischen Verbrauchers mit zumindest einem elektrisch betriebenen Aktuator zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein elektrischer Verbraucher für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Straßenkraftfahrzeug, beschrieben. Der elektrische Verbraucher umfasst einen elektrischen Aktuator, der eingerichtet ist, aktiv betrieben zu werden (mit elektrischer Energie aus einem Bordnetz des Fahrzeugs), z.B. um eine Kraft und/oder eine mechanische Leistung und/oder ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl bereitzustellen. Der elektrische Verbraucher kann Teil einer Lenkung, eines Dämpfungselements, einer Pumpe und/oder eines Ventils des Fahrzeugs sein. Der Aktuator kann einen Motor, insbesondere einen Ein- oder Mehr-Phasen-Motor, umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Aktuator einen piezoelektrischen Wandler umfassen. Allgemein kann der Aktuator eingerichtet sein, mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz eines Fahrzeugs betrieben zu werden, um eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu erzeugen. Des Weiteren kann der Aktuator eingerichtet sein, in einem generatorischen und/oder inversen Betrieb (z.B. infolge einer auf den Aktuator wirkenden Kraft) elektrische Energie zu erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann der Aktuator derart gestaltet sein, dass er elektrische Energie speichert.
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Das Bordnetz kann eine Nennspannung im Niedervolt-Spannungsbereich, insbesondere bei 60V oder weniger, aufweisen. Beispielhafte Nennspannungen sind 12V, 24V oder 48V. Ein maximal zulässiger Wert der Netzspannung kann um 20%, 10% oder weniger über der Nennspannung liegen.
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Des Weiteren umfasst der elektrische Verbraucher einen Eingang (z.B. in Form von Klemmen), der ausgebildet ist, den Verbraucher an das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs anzuschließen. Es kann dann elektrische Energie für den Betrieb des Aktuators über den Eingang des elektrischen Verbrauchers aus dem Bordnetz bezogen werden. Des Weiteren kann zumindest ein Teil der von dem Aktuator generierten Energie über den Eingang des elektrischen Verbrauchers in das Bordnetz eingespeist werden.
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Außerdem umfasst der elektrische Verbraucher zumindest ein Einspeisemittel bzw. ein Rückspeisemittel, das eingerichtet ist, (ggf. die) von dem Aktuator generierte und/oder gespeicherte elektrische Energie derart über den Eingang des Verbrauchers in das Bordnetz des Fahrzeugs einzuspeisen, dass ein maximal zulässiger Wert der Netzspannung des Bordnetzes nicht überschritten wird. Insbesondere kann das Rückspeisemittel eingerichtet sein, einen derart hohen Anteil der von dem Aktuator generierten und/oder gespeicherten elektrischen Energie in das Bordnetz einzuspeisen, dass der maximal zulässige Wert der Netzspannung des Bordnetzes gerade nicht überschritten wird. Zu diesem Zweck kann das Rückspeisemittel ein oder mehrere Mittel zur Begrenzung der Spannung am Eingang des elektrischen Verbrauchers umfassen (z.B. ein oder mehrere Zenerdioden). Dabei wird die Spannung am Eingang des elektrischen Verbrauches in diesem Dokument als Eingangsspannung bezeichnet (auch bei einem Rückspeisebetrieb des Verbrauchers). Alternativ oder ergänzend kann das Rückspeisemittel eingerichtet sein, die Spannung am Eingang des elektrischen Verbrauchers auf einen bestimmten Soll-Spannungswert zu regeln (wobei der Soll-Spannungswert kleiner als der maximal zulässige Wert der Netzspannung des Bordnetzes oder gleich dem maximal zulässigen Wert der Netzspannung des Bordnetzes sein kann).
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Insbesondere können das Rückspeisemittel und/oder ein Spannungsregler des elektrischen Verbrauchers, eingerichtet sein, ein zeitliches Profil für den Soll-Spannungswert darzustellen bzw. umzusetzen. Dabei kann das zeitliche Profil den Soll-Spannungswert als Funktion der Zeit wiedergeben. Das zeitliche Profil kann von dem aktuellen Zustand des Bordnetzes abhängen. Die über den Eingang des Verbrauchers in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeiste elektrische Energie kann dann in Abhängigkeit von dem zeitlichen Profil eingeregelt werden. So kann in besonders umfassender Weise elektrische Energie rückgespeist werden.
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Der elektrische Verbraucher kann somit eingerichtet sein, einen möglichst hohen Anteil der elektrischen Energie zu rekuperieren, die durch den elektrischen Aktuator des elektrischen Verbrauchers während des Fahrbetriebs eines Fahrzeugs erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Energieeffizienz von elektrischen Verbrauchern erhöht werden. Des Weiteren können so die Verlustleistung, insbesondere die Verlustwärme, von elektrischen Verbrauchern reduziert werden.
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Der elektrische Verbraucher kann eingerichtet sein, für einen Anteil der von dem Aktuator generierten und/oder gespeicherten elektrischen Energie, der aufgrund der begrenzten Spannung am Eingang des Verbrauchers nicht in das Bordnetz gespeist werden kann, eine Energieumwandlung (z.B. in thermische Energie) durchzuführen. Zu diesem Zweck kann der elektrische Verbraucher eine Energieumwandlungseinheit (z.B. mit einem ohmschen Widerstand) aufweisen.
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Der elektrische Verbraucher kann eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Menge an elektrischer Energie, die der Energieumwandlung zugeführt wird, zu steuern, insbesondere zu regeln. Dabei kann die der Energieumwandlung zugeführte Menge an elektrischer Energie derart eingestellt, insbesondere derart geregelt, werden, dass die Eingangsspannung am Eingang des elektrischen Verbrauchers einem Soll-Spannungswert entspricht und/oder dass die Spannung am Eingang des elektrischen Verbrauchers den maximal zulässigen Wert der Netzspannung des Bordnetzes nicht überschreitet. So kann in zuverlässiger Weise bewirkt werden, dass ein möglichst großer Anteil der von dem Aktuator generierten und/oder gespeicherten elektrischen Energie in das Bordnetz des Fahrzeugs gespeist wird.
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Der elektrische Verbraucher kann einen Spannungsregler umfassen, der eingerichtet ist, die über den Eingang des Verbrauchers in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeiste elektrische Energie auf einen Soll-Spannungswert zu regeln. Mit anderen Worten, durch den Spannungsregler kann bewirkt werden, dass der in das Bordnetz eingespeiste Strom den Soll-Spannungswert aufweist. Dabei kann der Soll-Spannungswert kleiner oder gleich dem zulässigen Wert der Netzspannung des Bordnetzes sein. Durch die Bereitstellung eines Spannungsreglers kann in zuverlässiger Weise bewirkt werden, dass ein möglichst großer Anteil der von dem Aktuator generierten und/oder gespeicherten elektrischen Energie in das Bordnetz des Fahrzeugs gespeist wird.
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Der elektrisch betriebene Aktuator kann eingerichtet sein, unter Verwendung von elektrischer Energie, die am Eingang des elektrischen Verbrauchers aus dem Bordnetz bereitgestellt wird, eine Aktion in dem Fahrzeug auszuführen. Dabei kann die Steuereinheit des elektrischen Verbrauchers eingerichtet sein, den Aktuator anzusteuern, um bei Bedarf eine bestimmte Aktion in dem Fahrzeug auszuführen.
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Beim Betrieb des elektrischen Verbrauchers kann es vorkommen, dass durch den Aktuator eine bestimmte Aktion ausgeführt werden soll und dass zeitgleich von außen eine Kraft auf den Aktuator einwirkt, so dass durch den Aktuator elektrische Energie erzeugt wird. Die Steuereinheit kann insbesondere in einem solchen Fall eingerichtet sein, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator auch im generatorischen Betrieb die definierte Aktion ausführt und/oder ein definiertes Verhalten aufweist, so dass nur elektrische Energie am Eingang des Verbrauchers bereitgestellt wird, die nicht für das Ausführen der definierten Aktion und/oder zum Einhalten des definierten Verhaltens erforderlich ist. Mit anderen Worten, auch im generatorischen Betrieb des Aktuators kann ein definiertes Verhalten des Aktuators bewirkt werden, so dass weiterhin ein zuverlässiger Betrieb des elektrischen Verbrauchers gewährleistet wird.
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Ferner kann der Verbraucher ein Eingangs-Filter (insbesondere ein Tiefpass-Filter) umfassen. Das Eingangs-Filter kann ein LC-Glied mit einem Kondensator und einer Spule umfassen. Durch das Eingangs-Filter können ggf. hochfrequente Schwankungen der Netzspannung isoliert werden, um einen stabilen Betrieb des Aktuators zu ermöglichen. Alternativ oder ergänzend können durch das Eingangs-Filter ggf. hochfrequente Störungen, die durch den Betrieb des Aktuators bewirkt werden, von dem Bordnetz entkoppelt werden, um eine Störung des Bordnetzes durch den (ggf. generatorischen) Betrieb des Aktuators zu vermeiden.
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Die Steuereinheit des elektrischen Verbrauchers kann eingerichtet sein, zu bestimmen, dass der Aktuator aktiv betrieben werden soll, um in den Fahrbetrieb des Fahrzeugs einzugreifen. Daraufhin kann zumindest ein Steuer-Schaltelement des elektrischen Verbrauchers derart angesteuert werden, dass durch den Aktuator eine (bestimmte) Kraft und/oder eine bestimmte mechanische Leistung und/oder ein (bestimmtes) Drehmoment und/oder eine (bestimmte) Drehzahl bewirkt wird. Beispielsweise kann die Steuereinheit, ggf. in Reaktion auf eine externe Anweisung, den Aktuator veranlassen, eine bestimmte Kraft und/oder eine bestimmte mechanischen Leistung und/oder ein bestimmtes Drehmoment und/oder eine bestimmte Drehzahl zu bewirken (z.B. um ein Lenkmoment zu bewirken und/oder um eine Schwingung des Fahrzeugs zu dämpfen). Das Steuer-Schaltelement kann dann periodisch bzw. wiederholt den Aktuator mit dem Eingang des Verbrauchers bzw. mit der Eingangsspannung am Eingang des Verbrauchers koppeln bzw. davon entkoppeln (z.B. mit einer Frequenz von 100kHz, 10kHz oder weniger). Dabei können der Tastgrad bzw. die Pulsweite des Steuer-Schaltelements in Abhängigkeit von der bestimmte Kraft und/oder der bestimmten mechanischen Leistung und/oder dem bestimmten Drehmoment und/oder der bestimmten Drehzahl angepasst werden.
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Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu bestimmen, dass der Aktuator als Generator betrieben wird. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eingerichtet sein, Sensordaten in Bezug auf einen Zustand des Aktuators zu ermitteln, wobei die Sensordaten insbesondere den Wert der Aktuatorspannung an dem Aktuator (z.B. an der (Rotor-) Spule des Aktuators) anzeigen. Es kann dann auf Basis der Sensordaten bestimmt werden, ob der Aktuator als Generator betrieben wird oder nicht.
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Außerdem kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein Steuer-Schaltelement des elektrischen Verbrauchers anzusteuern, um am Eingang des elektrischen Verbrauchers elektrische Energie mit einem Soll-Spannungswert bereitzustellen, wenn bestimmt wurde, dass der Aktuator als Generator betrieben wird. Zu diesem Zweck können Spannungsdaten am Eingang des Verbrauchers, insbesondere Spannungsdaten in Bezug auf die Eingangsspannung, ermittelt werden. Die Steuereinheit kann das Steuer-Schaltelement in Abhängigkeit von den Spannungsdaten betreiben, um am Eingang des Verbrauchers elektrische Energie mit dem Soll-Spannungswert bereitzustellen. Insbesondere kann so die Eingangsspannung auf den Soll-Spannungswert geregelt werden.
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Der Soll-Spannungswert entspricht bevorzugt dem maximal zulässigen Wert der Netzspannung des Bordnetzes. Typischerweise wird für den Betrieb eines Bordnetzes ein zulässiger Spannungsbereich um die Nennspannung des Bordnetzes definiert. Der Soll-Spannungswert kann dem oberen Grenzwert des zulässigen Spannungsbereichs entsprechen (z.B. ca. 16V für ein 12V Bordnetz).
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Durch die Festlegung einer möglichst hohen Eingangsspannung kann bewirkt werden, dass ein möglichst hoher Anteil der elektrischen Energie rekuperiert wird, die durch den elektrischen Aktuator eines elektrischen Verbrauchers während des Fahrbetriebs eines Fahrzeugs erzeugt wird.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein Steuer-Schaltelement des elektrischen Verbrauchers zusammen mit dem Eingangs-Filter als Gleichspannungswandler, etwa als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller, zu betreiben, um elektrische Energie am Eingang des Verbrauchers bereitzustellen. Dabei können der Tastgrad und/oder die Pulsweite des Steuer-Schaltelements eingestellt werden, um am Eingang des Verbrauchers elektrische Energie mit dem Soll-Spannungswert bereitzustellen. So kann in besonders effizienter Weise elektrische Energie eines elektrischen Verbrauchers rekuperiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Verbraucher umfasst. Ferner kann das Bordnetz einen Energiespeicher (z.B. eine Batterie, etwa eine Blei-basierte und/oder eine Lithium-basierte Batterie) umfassen, um elektrische Energie zum Betrieb des Verbrauchers zu speichern und bei Bedarf bereitzustellen. Des Weiteren kann das Bordnetz einen Generator umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann das Bordnetz einen Gleichspannungswandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie aus einem anderen Bordnetz des Fahrzeugs zu wandeln und in dem Bordnetz bereitzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Verbraucher und/oder das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 einen beispielhaften elektrischen Verbraucher mit einem elektrischen Aktuator;
- 2 einen weiteren beispielhaften Verbraucher mit einem elektrischen Aktuator;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Aktuators in einem Bordnetz eines Fahrzeugs; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit dem effizienten Betrieb eines elektrischen Aktuators, insbesondere Motors, eines Verbrauchers in einem Bordnetz, insbesondere in einem Niedervolt (NV) Bordnetz eines Fahrzeugs. Das Bordnetz kann eine Nennspannung von 60V oder weniger aufweisen, z.B. 48V, 24V, 12V oder weniger.
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1 zeigt einen beispielhaften elektrischen Verbraucher 100 mit einem elektrischen Motor 107 (als Beispiel für einen elektrisch betriebenen Aktuator). Der Verbraucher 100 kann z.B. Teil der Lenkung und/oder der Dämpfung des Fahrzeugs sein. Beispielsweise kann der elektrische Motor 107 (d.h. allg. der elektrisch betriebene Aktuator) betrieben werden, um ein Lenkmoment zu erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann der Motor 107 (d.h. allg. der elektrisch betriebene Aktuator) betrieben werden, um Schwingungen des Fahrzeugs zu dämpfen. Der Motor 107 kann ein Ein- oder Mehr-Phasen-Motor sein. In 1 ist beispielhaft ein Ein-Phasen-Motor dargestellt.
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Die Eingangsspannung 112 an dem Eingang 110 des Verbrauchers 100 entspricht typischerweise der Netzspannung des Bordnetzes, an das der Verbraucher 100 angeschlossen ist. Mittels eines Steuer-Schaltelements 105, insbesondere mittels eines PWM- (Pulsweitenmodulation) Stellers, kann der Motor 107 mit der Eingangsspannung 112 gekoppelt oder davon entkoppelt werden. Das Steuer-Schaltelement 105 kann zumindest einen Halbleiter-Transistor umfassen.
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Durch einen gepulsten Betrieb des Steuer-Schaltelements 105 können die Motorspannung 117 (d.h. allg. die Aktuatorspannung) an dem Motor 107 und damit das Drehmoment und/oder die Drehzahl des Motors 107 (bzw. allg. eine mechanische Leistung des Aktuators) eingestellt werden. Das Steuer-Schaltelement 105 kann durch eine Steuereinheit 101 angesteuert werden, z.B. in Abhängigkeit von Sensordaten zumindest eines Sensors 106. Die Sensordaten können z.B. die Drehzahl des Motors 107 und/oder einen Wert der Motorspannung 117 (oder allg. die mechanische Leistung des Aktuators) anzeigen.
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Ferner umfasst der Verbraucher 100 typischerweise ein oder mehrere Freilauf-Schaltelemente 104, 109, die eingerichtet sein können, den Stromfluss durch eine (Rotor-) Spule des Motors 107 zu ermöglichen, wenn das Steuer-Schaltelement 105 geöffnet ist. Ein Freilauf-Schaltelement 104, 109 kann eine Halbleiter-Diode und/oder einen Halbleiter-Transistor umfassen. Außerdem kann der Verbraucher 100 ein Eingangs-Filter (etwa ein Tiefpass-Filter) 102, 103 umfassen, das eingerichtet ist, durch den Betrieb des Motors 107 bewirkte Störungen von dem Eingang des Verbraucher 100 und damit von dem Bordnetz zu entkoppeln. Das Filter 102, 103 kann ein LC-Glied mit einem Kondensator 102 und einer Spule 103 umfassen.
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Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, auf Basis der Sensordaten zu detektieren, dass der Motor 107 (bzw. allg. der Aktuator) als Generator betrieben wird. Der generatorische Betrieb des Motors 107 kann insbesondere durch eine äußere Einwirkung, z.B. durch ein Drehmoment auf eine Welle des Motors 107, bewirkt werden. Beispielsweise kann durch die Neigung der Fahrbahn und/oder durch eine Bordsteinkante eine Rückstellkraft auf die Lenkung eines Fahrzeugs bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann durch eine Unebenheit der Fahrbahn eine Kraft auf ein Dämpfungselement des Fahrzeugs bewirkt werden.
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Die Sensordaten können den Wert der Motorspannung 117, insbesondere der Spannung über der (Rotor-) Spule des Motors 107, anzeigen. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, auf Basis des Werts der Motorspannung 117 (d.h. allg. auf Basis des Werts der Aktuatorspannung) zu erkennen, dass der Motor 107 als Generator betrieben wird.
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In Reaktion darauf, dass bestimmt wurde, dass der Motor 107 als Generator betrieben wurde, können das Steuer-Schaltelement 105 und ggf. die ein oder mehreren Freilauf-Schaltelemente 104, 109 betrieben werden, um elektrische Energie zu rekuperieren und über den Eingang des Verbrauchers 100 in das Bordnetz einzuspeisen. Dabei können das Steuer-Schaltelement 105 und ggf. die ein oder mehreren Freilauf-Schaltelemente 104, 109 derart betrieben werden, dass der Wert der Eingangsspannung 112 einen maximal zulässigen Wert aufweist (z.B. 16V bei einem 12V Bordnetz). Insbesondere kann eine Spannungsregelung auf den zulässigen Maximalwert der Eingangsspannung 112 erfolgen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, Spannungsdaten eines Spannungssensors 108 zu ermitteln, wobei die Spannungsdaten den Wert der Eingangsspannung 112 anzeigen.
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Insbesondere kann ein Eingangs-Filter (etwa ein Tiefpass-Filter) 102, 103, ein Freilauf-Schaltelement 104, 109 und das Steuer-Schaltelement 105 des Verbrauchers 100 als ein Gleichspannungswandler betrieben werden, um die Eingangsspannung 112 am Eingang 110 des Verbrauchers 100 einzustellen (insbesondere zu regeln). Insbesondere können die o.g. Elemente einen Buck- bzw. Abwärtswandler bilden, mit dem Eingangsspannung 112 eingestellt werden kann.
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Der Verbraucher 100 (d.h. der elektrisch betriebene Aktuator 107 eines Verbrauchers 100) kann somit in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden, so dass eine möglichst große Energiemenge wieder in das elektrische Bordnetz zurückgespeist wird. Dazu kann die Rekuperation spannungsgeregelt durchgeführt werden. Die Ziel- bzw. Soll-Spannung am Komponenteneingang des Verbrauchers 100 liegt dabei in einem möglichst hohen Bereich der maximal zulässigen Spannungslage des jeweiligen Bordnetzes, bei der noch keine Störung der übrigen Bordnetzteilnehmer zu erwarten ist.
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Der in 1 dargestellte PWM-Steller 105 regelt den Aktuator 107 in der aktiven Phase typischerweise derart, dass die für die jeweilige Funktion erforderliche mechanische Leistung bereitgestellt wird. Im Fall der Rekuperation wird der Aktuator 107 nicht aktiv angesteuert und die kinetische bzw. mechanische Energie des Aktuators 107 wird durch die Massenträgheit oder durch eine externe Erregung bewirkt, z.B. durch Rückstellkräfte. Folglich wird der Aktuator 107 nicht mehr als Senke (Energie-Verbraucher) sondern als Energiequelle betrieben.
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Im Rekuperationsbetrieb kann das Steuer-Schaltelement (z.B. der PWM-Steller) 105 derart angesteuert werden, dass die Eingangsspannung 112 nicht grösser als eine maximal zulässige Bordnetzspannung wird. Der Freilauf 104, 109 des Aktuators 107 kann in Form eines Schalterelements als geschaltetes Freilauf ausgeführt sein. Für den Energieanteil, der nicht in das Bordnetz zurückgeführt werden kann, kann zusätzlich die Möglichkeit der Energieumwandlung z.B. in Wärme, vorgesehen werden.
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Im Falle eines Mehr-Phasen-Motors als Aktuator 107 kann das Steuer-Schaltelement 105 ggf. Teil eines Inverters sein, der eingerichtet ist, auf Basis einer DC (Direct Current) Eingangsspannung 112 einen Mehrphasenstrom zum Betrieb des Mehr-Phasen-Motors zu erzeugen.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers 100. Das Verfahren 300 kann durch eine Steuereinheit 101 des Verbrauchers 100 und/oder eines Bordnetzes eines Fahrzeugs ausgeführt werden. Der elektrische Verbraucher 100 umfasst einen elektrisch betriebenen Aktuator 107 (z.B. einen (Gleichstrom-) Motor und/oder ein piezoelektrisches Element), der über ein Steuer-Schaltelement 105 mit dem Eingang des Verbrauchers 100 gekoppelt oder davon entkoppelt werden kann. Dabei ist der Eingang des Verbrauchers 100 an das Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen. Folglich kann der Aktuator 107 über das Steuer-Schaltelement 105 mit dem Bordnetz gekoppelt werden und/oder von dem Bordnetz entkoppelt werden.
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Das Verfahren 200 kann das Bestimmen 301 umfassen, dass der Aktuator 107 aktiv betrieben werden soll, um in den (Fahr-) Betrieb des Fahrzeugs einzugreifen. Beispielsweise kann über einen Datenbus des Fahrzeugs eine Anweisung erhalten werden, dass durch den Aktuator 107 eine bestimmte Kraft und/oder eine bestimmte mechanische Leistung und/oder ein bestimmtes Drehmoment und/oder eine bestimmte Drehzahl bewirkt werden soll. Durch den Aktuator 107 kann z.B. ein Lenkmoment an einer Lenkung des Fahrzeugs bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann durch den Aktuator 107 z.B. ein Eingriff in die Dämpfung des Fahrzeugs bewirkt werden.
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Das Verfahren 300 kann ferner umfassen, das Ansteuern 302 des Steuer-Schaltelements 105 derart, dass durch den Aktuator 107 eine Kraft und/oder eine mechanische Leistung und/oder ein Drehmoment und/oder eine bestimmte Drehzahl bewirkt wird, wenn bestimmt 201 wurde, dass der Aktuator 107 aktiv betrieben werden soll. Zu diesem Zweck kann das Steuer-Schaltelement 105 mit einer bestimmten Frequenz bzw. Periodendauer geöffnet und wieder geschlossen werden, um an dem Aktuator 107 auf Basis der (DC-) Eingangsspannung 112 am Eingang des Verbrauchers 100 eine bestimmte Aktuatorspannung 117 zu bewirken. Dabei können der Tastgrad bzw. die Pulsweite der Pulse zum Schließen des Steuer-Schaltelements 105 in Abhängigkeit von einer Vorgabe für die zu bewirkende Kraft und/oder die zu bewirkende mechanische Leistung und/oder das zu bewirkende Drehmoment und/oder für die zu bewirkende Drehzahl angepasst werden.
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Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Bestimmen 303, dass der Aktuator 107 als Generator betrieben wird. Beispielsweise kann anhand eines Spannungssensors erkannt werden, dass an dem Aktuator 107 eine Spannung induziert wird (z.B. weil der Aktuator 107 von einer äußeren Kraft bewegt wird).
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das Ansteuern 304 des Steuer-Schaltelements 105, um am Eingang des Verbrauchers 100 elektrische Energie mit einem Soll-Spannungswert bereitzustellen, wenn bestimmt 303 wurde, dass der Aktuator 107 als Generator betrieben wird. Insbesondere kann dabei eine Spannungsregelung des Werts der Eingangsspannung 112 des Verbrauchers 100 erfolgen. Zu diesem Zweck können der Tastgrad bzw. die Pulsweite des Steuer-Schaltelements 105 in Abhängigkeit von Spannungsdaten eines Spannungssensors 108 zur Messung der Eingangsspannung 112 angepasst werden.
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Insbesondere können die Spannungsdaten ermittelt werden, so dass die PWM-Regelung im aktiven Betrieb korrekt eingestellt wird. Für die Rückspeisung kann ein Sollspannungsprofil, d.h. ein zeitlicher Ablauf der Sollspannung am Eingang des Steuergeräts bzw. des Verbrauchers 100 in einem Programm-Daten-Speicher des Steuergerätes bzw. des Verbrauchers 100 hinlegt sein. Die Spannungsmessung am Eingang kann sicherstellen, dass durch die Ansteuerung der PWM-Einheit 105 bei der Rückspeisung die eingestellte Spannung am Eingang dem Sollwert entspricht.
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2 zeigt einen weiteren beispielhaften Verbraucher 100 mit einem Dreiphasenmotor als beispielhaften Aktuator 107. Der Eingang 110 des Verbrauchers 100 kann mit einem Bordnetz des Fahrzeugs gekoppelt werden. Die Schaltelemente 202 können derart betrieben werden, dass auf Basis der Gleichspannung 112 am Eingang 110 des Verbrauchers 100 ein Drehstrom zum Betrieb des Dreiphasenmotors generiert wird. Dabei kann eine feldorientierte Regelung des Motors 107 erfolgen.
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Wenn der Motor 107 im generatorischen Betrieb betrieben wird, so kann durch den Motor 107 elektrische Energie 220 bereitgestellt werden. Diese elektrische Energie 220 kann zumindest teilweise in das Bordnetz des Fahrzeugs gespeist werden. Dabei kann die elektrische Energie 220 derart in das Bordnetz des Fahrzeugs gespeist werden, dass der maximal zulässige Wert der Bordnetzspannung (gerade) nicht überschritten wird.
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Der elektrische Verbraucher 100 kann eine Energiewandlungseinheit 204 umfassen, die eingerichtet ist, zumindest einen Teil 222 der von dem Motor 107 bereitgestellten elektrischen Energie 220 in eine andere Energieform (insbesondere in Wärme) zu wandeln. Die Energiewandlungseinheit 204 kann z.B. einem ohmschen Widerstand aufweisen.
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Der elektrische Verbraucher 100 kann eingerichtet sein, die Energiewandlungseinheit 204 derart zu betrieben, dass nur ein derart hoher Anteil 221 der elektrischen Energie 220 in das Bordnetz des Fahrzeugs gespeist wird, dass die Eingangsspannung 112 einen zulässigen maximalen Wert der Bordnetzspannung (gerade) nicht überschreitet. Mit anderen Worten, es kann durch den elektrischen Verbraucher 100 bewirkt werden, dass nur der Anteil 222 der elektrischen Energie 200 in die Energiewandlungseinheit 204 überführt wird, durch den bewirkt werden würde, dass die Eingangsspannung 112 den zulässigen maximalen Wert der Bordnetzspannung übersteigt, wenn dieser Anteil 222 zumindest teilweise auch in das Bordnetz gespeist würde.
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Der elektrische Verbraucher 100 kann ein Steuer-Schaltelement 203 umfassen, das eingerichtet ist (in einen linearen und/oder einem digitalen bzw. PWM Modus des Steuer-Schaltelements 203), den Energiefluss in die Energiewandlungseinheit 204 zu steuern bzw. zu regeln, insbesondere derart, dass die Eingangsspannung 112 einen zulässigen maximalen Wert der Bordnetzspannung (gerade) nicht überschreitet.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers 100 mit zumindest einem Aktuator 107, der eingerichtet ist, in einem generatorischen Betrieb elektrische Energie 220 zu erzeugen und/oder elektrische Energie 220 zu speichern. Beispielsweise kann zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem generatorischen Betrieb elektrische Energie 220 erzeugt werden. Die erzeugte elektrische Energie 220 kann zumindest teilweise von dem Aktuator 107 und/oder dem Verbraucher 100 gespeichert werden (z.B. in einer Spule des Verbrauchers 100). Die gespeicherte elektrische Energie 220 kann dann ggf. zu einem späteren Zeitpunkt in das Bordnetz des Fahrzeugs rückgespeist werden.
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Das Verfahren 400 umfasst das Betreiben 401 des elektrischen Verbrauchers 100 im generatorischen Betrieb derart, dass ein maximal möglicher Anteil 221 der generierten und/oder gespeicherten elektrischen Energie 220 in das Bordnetz gespeist wird, und dabei der maximal zulässige Wert der Netzspannung des Bordnetzes nicht überschritten wird.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann der Energieverbrauch zum Betrieb eines Verbrauchers 100 reduziert werden. Des Weiteren kann die in einem Verbraucher 100 erzeugte Menge an Verlustwärme reduziert werden, so dass der Aufwand zur Kühlung eines Verbrauchers 100 reduziert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
