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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung des Leistungsbedarfs mehrerer elektrischer Verbraucher in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.
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Aus der
DE123652 C2 ist es bekannt, über eine gemeinsame Versorgungsleitung eine Gruppe von funktionell zusammenwirkenden Kraftfahrzeugaggregaten mittels eines steuerbaren Zentralschalters mit einem Energiespeicher zu verbinden, wenn mindestens ein erstes Kraftfahrzeugaggregat der Gruppe angesteuert ist, und vom Energiespeicher zu trennen, wenn kein Kraftfahrzeugaggregat der Gruppe mehr angesteuert ist. Eine Sicherheit vor einer Erschöpfung des Energiespeichers erfordert dabei zusätzliche Maßnahmen.
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Das Dokument
DE 4422329 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes mit einem durch eine Antriebsmaschine des Fahrzeugs antreibbaren Generator zum Laden einer Batterie zum Speisen mehrerer Verbraucher, wobei die Speisung einzelner Verbraucher bei Vorliegen hoher Batteriebelastung zumindest verringert wird. Dabei werden unter Messung von Drehzahl und Last der Antriebsmaschine sowie Drehzahl und Stromabgabe des Generators die momentanen Wirkungsgrade von Antriebsmaschine und Generator sowie daraus der momentane Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung ermittelt. Ferner wird unter integraler messtechnischer Erfassung von Lade- und Entladestrom der Batterie die momentane Batteriekapazität ermittelt. Die Verminderung der Speisung von Verbrauchern bei hoher Batteriebelastung erfolgt nur dann, wenn der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet und zugleich ein bei der momentanen Batteriekapazität unzulässig hoher Batterieentladestrom gemessen wird.
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Das Dokument
DE 19960079 A1 offenbart ein Verfahren zum Schalten von Verbrauchern mittels Schaltelementen, die von einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind. Dabei können die Verbraucher unter Berücksichtigung von Schaltprioritäten so zu- oder abgeschaltet werden, dass die den Verbrauchern zugeordneten Schaltprioritäten während des Betriebs dynamisch veränderbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Gefahr einer Erschöpfung des Bordnetz-Energievorrats beseitigt ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1.
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Wesentlich für die Erfindung ist in erster Linie die Information über die gesamte jeweils zur Verfügung stehende Leistung. Entzieht der Verbraucher dem Bordnetz Leistung, erhält er unmittelbar die Rückmeldung über diesen Vorgang. Er kann dann seinen Leistungsbedarf selbsttätig reduzieren, sofern er erkennt, dass mit seinem Energieverbrauch eine Reduktion des Energievorrats verbunden war, d. h., die entnommene Energie nicht in gleicher Weise nachproduziert wurde. Der Verbraucher ist damit in der Lage, seinen Leistungsbedarf so einzustellen, dass die gesamte jeweils verbrauchte Leistung die gesamte zur Verfügung stehende Leistung nicht übersteigt.
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Abhängig von der Art des Energiespeichers kann die Information über die gesamte zur Verfügung stehende Leistung unterschiedlich sein. Bei konventionellen Bordnetzen mit einer Vorratsbatterie (z. B. auf Basis von Bleisulfat), ist es vorteilhaft, dem Verbraucher hierzu den Ladezustand der Vorratsbatterie mitzuteilen. Entsprechende Mess- und Informationseinrichtungen sind bekannt. Handelt es sich beim Energiespeicher um einen Kondensator in Form eines sog. Supercaps, lässt sich die Information auf besonders einfache Weise gewinnen. Da der Energievorrat direkt proportional der Bordnetz-Spannung ist, kann jeder Verbraucher selbst die Information über diesen Energie- bzw. Leistungsvorrat selbsttätig aus dem Wert der Bordnetz-Spannung ableiten.
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Alternativ kann auch eine Kontrolleinrichtung vorgesehen sein, durch die die Leistungsaufnahme jedes Verbrauchers derart gesteuert wird, dass die von den Verbrauchern insgesamt verbrauchte Leistung die jeweils insgesamt zur Verfügung stehende Leistung nicht übersteigt. Mit Hilfe der Kontrolleinrichtung ist es möglich, den Leistungsbedarf mehrerer Verbraucher so zu regeln bzw. zu steuern, dass die jedem Verbraucher zustehende bzw. von der Kontrolleinrichtung zugestandene Leistung ausreicht, der jeweiligen Funktion gerecht zu werden.
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Es sei ein Bordnetz angenommen, bei dem die sich einstellende Bordnetz-Spannung von der jeweils entnommenen Leistung abhängt und bei steigender Leistungsentnahme kleiner wird. Da die zur Verfügung stehende Leistung direkt von der Bordnetz-Spannung abhängt, ergibt sich folgende Situation: Wird dem Bordnetz temporär mehr Leistung entnommen, sinkt die Spannung und damit die zur Verfügung stehende Leistung. Mit der Kontrolleinrichtung wird eine übermäßige Leistungsentnahme eines Verbrauchers verhindert und damit ein Funktionsausfall zumindest eines Teils der Verbraucher/Bordnetzteilnehmer vermieden.
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Durch die Kontrolleinrichtung kann vorteilhafter Weise auch der Ladezustand eines Energiespeichers für die zur Verfügung stehende Leistung gesteuert oder geregelt werden.
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Bei Ausfall der Kontrolleinrichtung kann jeder Verbraucher seine Leistungsaufnahme entsprechend einem vorgegebenen Mindestbedarf steuern. Dieser Mindestbedarf kann für nicht für den Betrieb des Fahrzeugs unbedingt notwendige Verbraucher, wie beispielsweise einer Sitzheizung gleich Null sein. Bei „lebensnotwendigen” Verbrauchern hingegen ist er ungleich Null, aber so bemessen, dass die mögliche vollständige Erschöpfung des Energievorrats möglichst spät erfolgt.
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Dieser Mindestbedarf kann auch von der Betriebsspannung abhängig variabel eingestellt werden. Da die Betriebsspannung in der Regel zumindest ein Anhaltspunkt für den Energievorrat ist, kann bei einem größeren Wert der Betriebsspannung auch auf einen größeren Energievorrat geschlossen werden und die Leistungsentnahme vergrößert werden. Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren, mit welchem die Leistungscharakteristik, d. h. die elektrische Leistungsaufnahme von elektrischen Verbrauchern wie z. B. Steuergeräte und deren „Peripherie” (z. B. Sensoren oder Aktuatoren) sowohl implizit über die Bordnetz-Spannung beeinflusst wird, als auch an den Verlauf des jeweiligen Leistungsbedarf angepasst wird.
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Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen
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1–4 Beispiele für verschiedene Leistungscharakteristiken (d. h. der Abhängigkeit des Leistungsbedarfs von der jeweiligen Bordnetz-Spannung) und den Möglichkeiten, das Leistungsangebot entsprechend der dem jeweiligen Verbraucher zugeteilten bzw. von diesem beanspruchten Leistung zu variieren, und
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5 ein Bordnetz von Fahrzeugen, bei dem Verbraucher mit unterschiedlichem Leistungsbedarf mit einem an den Bedarf angepassten Leistungsangebot bedient werden.
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1 zeigt als durchgezogene Kurve d eine Leistungscharakteristik mit progressivem Leistungsbedarfsverlauf über der Spannung. Ein Beispiel bildet ein ohm'scher Widerstand, dessen Leistung P sich zu U2/R ergibt. Zur Anpassung an eine verfügbare Leistung kann das Leistungsangebot (strichlierte Kurve s) stets um einen vorgegebenen Wert kleiner sein als der Leistungsbedarf. Zusätzlich kann unter einer Mindestspannung u das Angebot gleich 0 und über einer Maximalspannung U auf einen konstanten Maximalwert M begrenzt sein. Dadurch ergibt sich eine Parallelverschiebung der Kurve s gegenüber der Kurve d und eine Begrenzung auf den Wert M.
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2 zeigt ein entsprechendes Beispiel für einen proportionalen Leistungsbedarfsverlauf über der Spannung und eine entsprechende Anpassung des Leistungsangebots. Die Bezeichnungen d, s, ... haben dieselbe Bedeutung wie in 1. Dieser Leistungsbedarf entspricht dem eines pulsweitenmodulierten, d. h. leistungsgeregelten Verbrauchers, oder eines Verbrauchers mit ausgeprägter PTC-Charakteristik, wie dies für elektrische Heizungen gilt. Bei steigender Spannung steigt der Leistungsbedarf. Da auch die Temperatur des PTC-Heizwiderstands und damit des Lastwiderstands steigt, wird die tatsächliche Leistungsaufnahme wieder reduziert. Daraus ergibt sich der lineare Verlauf der Kurve d.
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3 u. 4 schließlich zeigen Beispiele für einen degressiven bzw. konstanten Leistungsbedarfsverlauf über der Spannung und eine entsprechende Anpassung des Leistungsangebots.
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Die in 5 dargestellte Anordnung mit vier Verbrauchern V1, V2, V3 und V4 wird über eine Stromleitung 1 mit elektrischer Energie aus einem Energiespeicher 2 versorgt. Der Speicher 2 erhält die Energie durch einen Generator 3, eine Brennstoffzelle 4 und eine Pufferbatterie 5. Eine Kontrolleinrichtung 6 ist über Datenleitungen 7 mit den vorgenannten Bordnetz-Komponenten verbunden.
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Die Kontrolleinrichtung 6 teilt jedem elektrischen Verbraucher V1, V2, V3 und V4 jeweils die aktuell erlaubte Leistungsentnahme in Form einer parametrisierten Kurve mit. Die Verbraucher V1, V2, V3 und V4 besitzen Leistungsbedarfe, die durch die in 1 bis 4 dargestellten Kurvenverläufe bestimmt sind. Der Verbraucher V1 besitzt demnach den in 1 dargestellten Leistungsbedarf d und erhält die Leistung s zugeteilt. Entsprechendes gilt für die Verbraucher V2, V3 und V4 und die 2 bis 4. Damit ergeben sich für verschiedene Betriebsfälle verschieden Steuerarten für die den Verbrauchern V1, V2, V3 und V4 zur Verfügung gestellte Leistung.
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Fall 1: Normalbetrieb
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Der Generator 3 liefert eine elektrische Leistung von 1200 Watt, alle Verbraucher sind eingeschaltet. Es stellt sich beispielsweise eine Betriebsspannung von 28 Volt ein.
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Ziel ist hier, die Leistung möglichst optimal auf alle Verbraucher zu verteilen. Dies geschieht selbsttätig über das sich im System einstellende Spannungsniveau von 28 Volt. Wird ein Verbraucher abgeschaltet, so stellt sich als Folge ein höheres Spannungsniveau ein. Dies erlaubt den verbleibenden Verbrauchern höhere Leistungsentnahmen, Bei Hinzuschatten eines weiteren Verbrauchers stellt sich hingegen ein niedrigeres Spannungsniveau ein. Die Verbraucher können jeweils weniger Energie entnehmen. Für den Normalbetrieb ist eine Einflussnahme der Kontrolleinrichtung nicht erforderlich.
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Fall 2: Strategie der Lebenserhaltung
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Der Generator 3 liefert nur noch eine elektrische Leistung von 200 Watt. Es liegt ein Fehler im System, hier im Generator vor. Die Verbraucher V1, V2, V3 und V4 sind eingeschaltet. In diesem Fall wird durch die Kontrolleinrichtung den Verbraucher V1, V2, V3 und V4 eine Leistung entsprechend dem Leistungsangebot (200 Watt) und der Wichtigkeit des Verbrauchers für den Betrieb des Fahrzeugs zugeteilt. Die Verbraucher mit der progressiven und der proportionalen Charakteristik sind abgeschaltet.
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Ziel ist hier, die Verbraucher V3 und V4 mit der degressiven und der konstanten Leistungsaufnahme-Charakteristik noch „am Leben” zu erhalten. Dieser Betriebsfall ist durch Notlaufkennlinien n in 3 und 4 charakterisiert. Die Verbraucher V3 und V4 sind bis hinunter auf eine Spannung von ca. 15 Volt im Betrieb.
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Fall 3: Strategie der Umverteilung
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Der Generator 3 liefert eine elektrische Leistung von 500 Watt, die Verbraucher V2, V3 und V4 können von der Kontrolleinrichtung 6 mit einer reduzierten Leistungscharakteristik eingeschaltet sein, der Verbraucher V1 wird von der Kontrolleinrichtung 6 ausgeschaltet. Es stellt sich eine Spannung von ca. 25 Volt ein. Ohne diese Einflussnahme der Kontrolleinrichtung 6 würde sich eine Spannung von lediglich ca. 13 Volt einstellen. Die Verbraucher V2, V3 und V4 würden zumindest teilweise nicht vorhersehbar ausfallen.
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Ziel ist hier, über die Modifkation der Leistungscharakteristik das Spannungsniveau im System trotz mangelndem Energieangebot auf einem, hier mittlerem Niveau zu halten. Auch hier ist eine sinnvolle Energieverteilung anders als im Normalbetrieb erforderlich.
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Fall 4: Fail-safe Strategie bei Ausfall der Kontrolleinrichtung
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Der Generator 3 liefert zwar seine maximale elektrische Leistung von 1200 Watt, alle Verbraucher sind eingeschaltet und benötigen allerdings nur eine reduzierte Leistung gemäss der Vorgabe für den Notlauf, welche aufgrund des Ausfalls der Kontrolleinrichtung selbständig aktiviert wird. Hier wird sich eine maximale Spannung von 45 Volt einstellen, da die Leistungsaufnahme der Verbraucher im Notlauf die vom Generator zur Verfügung gestellten 1200 Watt nicht erreichen. Würde in diesem Fall die Energiebereitstellung, d. h. beispielsweise die Leistungsabgabe des Generators zusätzlich reduziert werden, so kann der Ausfall des Gesamtsystems trotzdem verhindert, oder zumindest verzögert werden.
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Ziel ist hier die Versorgung mit elektrischer Energie aufrecht zu erhalten, obwohl keine Information über den Zustand des Systems vorliegt, d. h. es wird hier eine fail-safe Strategie verfolgt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Leistungscharakteristik der Verbraucher, d. h. der Steuerung des Leistungsbedarfs in Abhängigkeit von der jeweiligen Bordnetz-Spannung ist es auch möglich, die Bordnetz-Spannung zu stabilisieren. Dies wird erreicht, indem die Versorgungs-(= Bordnetz-)Spannung bevorzugt im Fehlerfall von Energiequelle oder Energiespeicher durch Zu- bzw. Abschalten von Verbrauchern in einem Bereich gehalten wird, in dem „lebensnotwendige” Verbraucher noch wirksam sind. Die Abschaltung von Verbrauchern (z. B. von Steuergeräten) kann auch partiell erfolgen oder aber selbstregelnd, in Abhängigkeit von der Anzahl und der Art der Verbraucher unter Berücksichtigung der sich jeweils erstellenden Bordnetz-Spannung und der jeweiligen Charakteristik des Leistungsbedarfs der Verbraucher geschieht. Bei Letzterem werden die Verbraucher zeitlich gestaffelt geschaltet. Damit ist es möglich, die Auswirkungen des jeweiligen Schaltzustands der Verbraucher auf die Bordnetz-Spannung festzustellen, die jeweiligen Spannungs-Änderungen den jeweiligen Beschaltungsänderungen zuzuordnen und entsprechend die Beschaltung zu ändern.
