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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Überlastabsicherung in einem Energiebordnetz und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis mit einer solchen Anordnung.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Man unterscheidet dabei zwischen dem Energiebordnetz und dem Kommunikationsbordnetz, wobei hierin vor allen Dingen auf das Energiebordnetz eingegangen wird, das dafür zuständig ist, die Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Zur Steuerung des Bordnetzes ist üblicherweise ein Mikrocontroller vorgesehen, der neben Steuerungsfunktionen auch Überwachungsfunktionen ausführt.
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In einem Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrzeugfunktionen, wie bspw. einem automatischen, hochautomatischen oder autonomen Fahren, steigt die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die Anzahl an leistungselektrischen Systemen stetig anwächst. Wenn eines dieser Systeme ausfällt, kann es dazu kommen, dass die Bordnetzspannung außerhalb des normalen Betriebsbereichs gerät, was zu einer Beeinträchtigung des Komforts und der Sicherheit der Fahrzeuginsassen führen kann.
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Im Energiebordnetz werden derzeit neue Komponenten eingeführt, welche die Integrität der Energieversorgung mit einer definierten Qualität und Verfügbarkeit, insbesondere mit ASIL-Zielen (ASIL: Automotive Safety Integrity Level), sicherstellen. Im Bereich der Qualität muss gewährleistet werden, dass die Versorgungsspannung in einem unkritischen Bereich garantiert wird. Negative Rückwirkungen durch Fehler und Fehlfunktionen müssen isoliert werden. Im Bereich der Verfügbarkeit führt dies dazu, dass sicherheitskritische Komponenten nur noch mit einer äußerst geringen Wahrscheinlichkeit von einer stabilen elektrischen Energieversorgung getrennt werden dürfen.
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Es werden Konzepte vorgeschlagen, mittels PT1-Gliedern das thermische Verhalten einer Leitung unter Strombelastung nachzubilden. Die Umsetzung der notwendigen Berechnungen erfolgt meist in einem Mikrocontroller, da sich die benötigten Berechnungen mit der verfügbaren Rechenleistung präzise und flexibel parametrierbar umsetzen lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine Anordnung für eine Überlastabsicherung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird somit ein Konzept vorgestellt, eine Überlastabschaltung bzw. Überlastabsicherung auf Basis eines angenäherten PT1-Verhaltens bspw. in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zu implementieren, ohne dabei auf Blöcke wie Analog-Digital-Wandler oder komplexere Recheneinheiten, wie bspw. ALU (Arithmetic Logic Unit: arithmetisch-logische Einheit), mit Multiplikation usw. zurückzugreifen. Dadurch ist die Umsetzung der Funktionen ohne Einschränkung auf spezielle Prozesse im ASIC-Design umsetzbar.
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Ein PT1-Glied ist ein Übertragungsglied, das ein proportionales Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung aufweist.
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Die Anordnung ermöglicht folglich die Umsetzung einer PT1-Funktion zur Überlastabsicherung in einem elektronischen Baustein, bspw. einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC: Application Specific Integrated Circuit). Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Damit ist die Funktion des ASIC fest bzw. festgelegt, d. h. nicht mehr veränderbar.
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Die vorgestellte Anordnung kann in einem ASIC implementiert sein. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist auch ein ASIC, in dem die vorgestellte Anordnung integriert bzw. implementiert ist.
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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 in einem Blockschaltbild ein bekanntes PT1-Glied.
- 2 zeigt in einem Graphen unterschiedliche Bereiche für die Reaktion einer Abschalteinrichtung.
- 3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführung der vorgestellten Anordnung.
- 4 zeigt in einem Graphen einen beispielhaften Kurvenverlauf eines PT1-Glieds sowie eine Nachbildung dieses Verlaufs.
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Ausführungen der Erfindung
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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 ein PT1-Glied, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt als Referenz die klassische Umsetzung eines PT1-Glieds.
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An einem Eingang 12 wird ein Strom eingegeben. Der Stromwert wird dafür zuerst quadriert (Block 14) und dann mit einem Faktor (K/Tau) multipliziert (Block 16) und über die Zeit mit einem Integrator 18 integriert. An einem Ausgang 20 liegt eine Temperaturinformation an. Ein weiterer Block 22 sieht eine Multiplikation mit einem Faktor (K/Tau) vor. Der Ausgang dieses Blockes 22 wird vom Eingangswert des Integrators 18 subtrahiert, um einen stabilen Endzustand für den Ausgang 20 zu erreichen.
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Am Beispiel der Leitungsisotherme entspricht der gezeigte Pfad aus dem quadrierten Stromsignal aus 14 und dem Faktor 16 dem Wärmeeintrag in den Leiter als Beispiel einer Komponente. In dem zweiten Pfad, gebildet über die negative Rückkopplung über den Faktor 22, wird die Entwärmung des Leiters proportional mit steigender Temperatur modelliert.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das PT1-Verhalten mittels einer einfachen Analogschaltung, bspw. einem RC-Glied, nachzubilden, wodurch die Lösung allerdings unflexibel ist.
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Wie bereits ausgeführt wurde, wird hierin ein Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, eine Überlastabschaltung bzw. Überlastabsicherung auf Basis eines angenäherten PT1-Verhaltens bspw. in einem ASIC zu implementieren.
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Zur Steuerung der Abschalteinrichtung kommen dabei drei Bereiche zur Anwendung, die in 2 dargestellt sind. Die Darstellung zeigt einen Graphen 50, an dessen Abszisse 52 der Strom [A] und an dessen Ordinate 54 die Zeit [s] aufgetragen ist. Eine Kurve 56 zeigt das Verhalten eines PT1-Glieds.
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Die genannten Bereiche sind:
- - Eine Schnellabschaltbereich 60,
wenn der Strom in diesem, nach oben offenen Bereich liegt, wird bereits nach Ablauf einer minimalen Entprellzeit die Abschalteinrichtung ausgelöst.
- - Ein mittlerer Abschaltbereich 62
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In diesem Bereich wird die Belastung im Zusammenspiel von Belastungshöhe und Belastungsdauer bewertet. Diese Bewertung findet durch Filterung der Belastung über ein angenähertes PT1-Glied statt, dessen Ausgangswert mit einem Abschaltgrenzwert verglichen wird.
- - Ein dritter, optionaler Bereich 64
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Dieser Bereich bildet den Bereich der Minimalbelastung ab. Innerhalb dieses nach unten offenen Bereichs findet keine Bewertung der Belastung statt. Falls dies relevant ist, kann die Belastung, die unterhalb dieses Schwellwerts stattfindet, über einen Vorhalt in der Auslegung abgedeckt werden.
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3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführung der vorgestellten Anordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Mit dieser Anordnung ist ein PT1-Glied, wie dies in 1 dargestellt ist, nachzubilden bzw. sich dessen Verhalten anzunähern, wobei in der Darstellung auf der linken Seite mit 101 der erste Zweig aus 1, der den Wärmeeintrag in die Komponente nachbildet, angenähert ist und auf der rechten Seite mit 111 der zweite Zweig aus 1, der die Entwärmung der Komponente nachbildet, angenähert ist.
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Eine Basis für die Überlastabsicherung ist eine Maximalschwelle 102, die der Schnellabschaltschwelle 60 aus 2 entspricht, oberhalb derer eine direkte Auslösung der Abschalteinrichtung nach minimaler Entprellzeit stattfindet. Diese Maximal- bzw. Absolutschwelle 102 dient dem Komponentenschutz der Abschalteinrichtung im Falle von extremer Überlast und dient in diesem Fall zusätzlich als Bezugsschwelle für den Überlastschutz.
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Ausgehend von dieser Maximalschwelle 102, die z. B. über einen Digital-AnalogWandler flexibel im ASIC abgebildet werden kann, werden über ein festes Verhältnis geringere Schwellen 110, 112, 114 und 116 abgeleitet. Diese niedrigeren Schwellen 110, 112, 114, 116 können auch von einer unabhängigen Schwelle abgeleitet werden. Der Abstand dieser Schwellen zueinander kann im einfachsten Fall äquidistant sein oder entsprechend der Auftretenswahrscheinlichkeit der Verbraucherstrompegel optimiert werden.
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Die verschiedenen Schwellwerte werden mit dem gemessenen analogen Stromwert verglichen, wodurch der analoge Stromwert in verschiedene, diskrete Bereiche unterteilt wird. Jedem der aufgespannten Bereiche wird ein Belastungswert 120, 122, 124, 126 zugeordnet, der in definierten Zeitschritten in einem Zähler 130 aufaddiert wird. Im Falle der Überlastabsicherung einer Leitung wird die Höhe der Belastungswerte quadratisch zur Höhe der Schwellwerte festgelegt, um die Erwärmung der Leitung durch den Effektivstrom abzubilden.
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Die Funktionalität des Aufaddierens kann bspw. durch ein periodisch getriggertes Addierglied oder durch das gestufte Herunterteilen einer Bezugsfrequenz, bspw. der Arbeitsfrequenz des ASICs, umgesetzt werden. Die heruntergeteilte Frequenz kann dann für ein erstes, bestimmtes Zeitfenster auf den positiven Zähleingang 132 des Zählers 130 gegeben werden. 134 bezeichnet den negativen Zähleingang des Zählers 130.
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Um die Stabilisierungseffekte des PT1-Glieds nachzubilden, wird der Ausgang 136 des Zählers 130 mit verschiedenen Grenzwerten 140, 142, 144, 146 verglichen. In Abhängigkeit davon, welcher Schwellwert überschritten wird, werden von dem Zähler 130 verschieden hohe Werte durch den negativen Zähleingang 134 des Zählers 130 subtrahiert. Dies kann z. B. analog zum Addierer über die Triggerung des Subtrahierers zu bestimmten Zeitpunkten geschehen, oder das gestufte Herunterteilen einer Bezugsfrequenz.
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Der Zusammenhang zwischen den Grenzwerten 140 bis 146 und den subtrahierenden Werten 150, 152, 154, 156 wird idealerweise linear gewählt, ein Abgleichfaktor 158 wird verwendet, um die Zeitkonstante Tau des PT1-Glieds abzugleichen. Mit einem Korrekturfaktor 160 wird die Skalierung K angepasst. Die Schwellen 140 bis 146 werden so gewählt, dass eine möglichst gleichmäßige Abdeckung des Ausgangssignalbereichs erreicht wird. Überschreitet der Ausgangswert 136 einen Grenzwert 164, wird eine Abschaltanforderung 166 ausgelöst. Beide Multiplikatoren mit dem Abgleichfaktor 158 und dem Korrekturfaktor 160 dienen nur der einfacheren Auslegung und werden im ASIC nicht abgebildet.
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Verstärker 170, 172 und 174 stellen einen Teiler, d. h. Verstärkungsfaktor < 1, der Konstanten 180 dar. Die Konstante 180 definiert den obersten Grenzwert für die Berechnung der Entwärmungsfunktion. Die Faktoren 158 und 160 sind vorgesehen, um den Arbeitsbereich des PT1 auf °C zu normieren. In der beispielhaften Darstellung wird die negative Rückkopplung, welche die Entwärmung darstellt, im Temperaturbereich bis maximal 22 °C abdeckt. Oberhalb von 22 °C wird die konstante Entwärmung äquivalent zum 22 °C Punkt angenommen. Unterhalb von 22 °C werden kleinere Temperaturbereiche über die Teiler 170, 172, 174 herunter gebrochen. Für jeden Temperaturbereich wird eine Entwärmungsrate über die Konstanten 150, 152, 154, 156 subtrahiert.
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Die Anzeigen 181, 183, 185, 187 und 189 dienen lediglich der Erläuterung des Beispiels und werden ggf. nicht umgesetzt. Darüber hinaus zeigt die Darstellung eine Anzahl an Vergleichern 193 im ersten Zweig 101 und eine Anzahl an Vergleichern 195 im zweiten Zweig 111.
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4 zeigt in einem Graphen 200, an dessen Abszisse 202 die Zeit [s] und an dessen Ordinate 204 die Sprungantwort aufgetragen ist, einen beispielhaften Kurvenverlauf 210 eines PT1-Glieds sowie die Nachbildung 212 dieses Verlaufs über die erfindungsgemäße Anordnung.
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Die vorgestellte Anordnung kann bspw. in Energiebordnetzsteuergeräten für hoch verfügbare Bordnetze verwendet werden. Ein weiterer Einsatz kann in 12V und 48V elektronischen Energienetzverteilern sowie im Rahmen von Batterie Management Systemen gegeben sein.
