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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung sowie ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug.
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Ein Spannungswandler besteht im Wesentlichen aus einer elektronischen Schaltung, die eine Eingangsspannung (eingangsseitige Spannung) in eine Ausgangsspannung (ausgangsseitige Spannung) umwandelt. Dabei kann ein Spannungswandler als so genannter Gleichspannungswandler (DC/DC) - zur Umwandlung einer eingangsseitigen Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung - ausgebildet sein, oder er kann als so genannter Wechselspannungswandler - zur Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung (DC/AC) oder zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung (AC/DC) oder zur Umwandlung von Wechsel- in Wechselspannung (AC/AC) - ausgebildet sein. Abhängig von seinem Einsatzzweck ist ein Spannungswandler spannungs-, strom- oder leistungsgeregelt ausgeführt. Ferner sind bidirektional betreibbare Spannungswandler bekannt, bei denen eine entsprechende Spannungswandlung (bzw. eine Steuerung des Energieflusses) zwischen den Anschlussseiten in beide Richtungen möglich ist. Üblicherweise werden zur Regelung eines Spannungswandlers unterlagerte Regelkreise für die Strom- und Spannungsregelung verwendet. Das bedeutet, dass über den Spannungsregler ausgangsseitig eine konstante Ausgangsspannung geregelt wird, solange der sich einstellende Ausgangsstrom kleiner als die vorgegebene Sollvorgabe ist. Sobald der Ausgangsstrom die Sollvorgabe überschreitet wird auf einen konstanten Ausgangsstrom geregelt. In der unterlagerten Reglerstruktur muss zur Regelung eines Sollwertes (z.B. Spannung) der weitere Sollwert (z.B. Strom) derart angepasst werden, dass die Regelung der Spannung physikalisch bedingt möglich ist (z.B. Stromsollwert auf Maximum setzen).
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Spannungswandler, die in Kraftfahrzeugbordnetzen der bedarfsgerechten Spannungsversorgung von Verbrauchern dienen (z.B. zur Spannungsversorgung von Mikroprozessorsystemen oder anderen spannungssensitiven Verbrauchern), werden in der Regel spannungsgeregelt ausgebildet, wobei durch eine entsprechende Strombegrenzung das Überschreiten einer vorbestimmten Stromgrenze sicher verhindert wird. Derartige Spannungswandler sind geeignet Bordnetzverbraucher bei kritischen Spannungsschwankungen im Bordnetz (z.B. aufgrund eines Starts der Brennkraftmaschine) mit einer stabilisierten Spannung zu versorgen.
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Spannungswandler in Mehrspannungsbordnetzen dienen häufig auch als Stellglied zum kontrollierten Laden und/oder Entladen von Energiespeichereinrichtungen des Bordnetzes. Diese Spannungswandler sind üblicherweise strom- oder leistungsgeregelt ausgeführt, wobei durch eine entsprechende Spannungsbegrenzung das Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsgrenze unterbunden wird.
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Darüber hinaus ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2007 004 279 A1 ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches in seinem Aufbau eine bidirektional betreibbare Spannungswandlereinrichtung beschreibt, die auf einer Anschlussseite (vorzugsweise einer Anschlussseite niedrigerer Bordnetzspannung) zwei parallel geschaltete und über eine steuerbare Schalteinrichtung miteinander verbundene bzw. verbindbare Bordnetzzweige aufweist, wobei zumindest einer der beiden Bordnetzzweige eine erste Energiespeichereinrichtung umfasst, und die auf ihrer anderen Anschlussseite (vorzugsweise einer Anschlussseite mit einer im Vergleich zur ersten Anschlussseite erhöhten Bordnetzspannung) zumindest einen Bordnetzzweig mit zumindest einer weiteren Energiespeichereinrichtung aufweist. Dabei dient die steuerbare Schalteinrichtung insbesondere dem Schutz des zweiten Niederspannungsbordnetzzweiges vor lastbedingten Spannungseinbrüchen, wie sie beispielsweise bei Startvorgängen (bedingt durch eine sehr hohe Leistungsaufnahme der elektrischen Startereinrichtung) der Brennkraftmaschine im entsprechenden Bordnetzzweig auftreten können. Durch das Öffnen der Schalteinrichtung, vor einem etwaigen Startvorgang der Brennkraftmaschine, kann ein solcher Spannungseinbruch im separierten parallel geschalteten Bordnetzzweig vermieden werden. Durch Öffnen der Schalteinrichtung wird der Bordnetzzweig (erster Niederspannungsbordnetzzweig) mit Anlassermaschine, Bordnetzbatterie und nicht spannungssensiblen Verbrauchern einerseits von den, den zweiten Bordnetzzweig des Niederspannungs-Teilbordnetzes bildenden, spannungssensiblen Verbrauchern getrennt. Andererseits wird dieser erste Niederspannungsbordnetzzweig über die geöffnete Schalteinrichtung auch von der Spannungswandlereinrichtung, über die er sonst mit dem zweiten Teilbordnetz (Teilbordnetz mit im Vergleich zum ersten Teilbordnetz höherer Bordnetzspannung) gekoppelt ist bzw. koppelbar ist getrennt.
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Aus der
DE 103 42 178 A1 ist ein Bordnetz zur Versorgung elektrisch betriebener Verbraucher bei Kraftfahrzeugen bekannt, die über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden. Das Bordnetz umfasst eine Anzahl von Teilbordnetzen mit jeweils einer Anzahl von zugeordneten Verbrauchern und jeweils einem elektrischen Energiespeicher, die eine unterschiedliche Spannung aufweisen können und über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind, wobei einem ersten als Leistungskreis ausgebildeten Teilbordnetz erste Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme zugeordnet sind und eine erste, den Leistungskreis repräsentierende Spannung in einem vorgegebenen Nennbereich variabel einstellbar ist. Über einen Schalter kann ein Teilbordnetz vollständig vom Spannungswandler getrennt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrspannungsbordnetz sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung eines Mehrspannungsbordnetzes - wobei das Mehrspannungsbordnetz auf beiden Anschlussseiten der Spannungswandlereinrichtung mit einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist - anzugeben, wodurch auch bei einem Spannungseinbruch bzw. bei Impedanzänderung auf einer der beiden Anschlussseiten der Spannungswandlereinrichtung eine sichere Spannungsversorgung der Bordnetzteilnehmer (insbesondere auf der Seite mit Spannungseinbruch/Impedanzänderung) gewährleistet wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Mehrspannungsbordnetz mit einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung, die beidseitig mit zumindest jeweils einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist (bzw. an die beidseitig zumindest jeweils eine Energiespeichereinrichtung angebunden ist), bei Wegfall einer Energiespeichereinrichtung (Impedanzänderung) bzw. bei einem plötzlich auftretenden Spannungseinbruch an einer Energiespeichereinrichtung ungewollte Spannungseinbrüche auf der entsprechenden Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung auftreten können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung (Steuerung bzw. Regelung) einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung eines Mehrspannungsbordnetzes vorgeschlagen, bei dem die Spannungswandlereinrichtung, in Abhängigkeit von einer auf zumindest einer Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung detektierten Spannungsänderung oder der Änderung einer mit der Spannung korrelierenden Größe, in einer ersten oder in einer zweiten (von zumindest zwei unterschiedlichen Betriebsarten) Betriebsart zur Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung betrieben werden kann. Dabei wird zwischen der ersten Betriebsart, in der die Spannungswandlereinrichtung strom- oder leistungsgeregelt betrieben bzw. angesteuert wird und der zweiten Betriebsart, in der die Spannungswandlereinrichtung spannungsgeregelt betrieben bzw. angesteuert wird, unterschieden (ausgewählt). Das erfindungsgemäße Verfahren findet Anwendung bei Mehrspannungsbordnetzen mit einer Spannungswandlereinrichtung, die auf ihrer ersten Anschlussseite mit einem ersten Teilbordnetz gekoppelt ist, wobei das erste Teilbordnetz (BN1) einen ersten Bordnetzzweig (BNZ1) mit einer ersten Energiespeichereinrichtung und einen zum ersten Bordnetzzweig parallel geschalteten zweiten Bordnetzzweig mit einem Verbraucher umfasst. Auf ihrer zweiten Anschlussseite ist die Spannungswandlereinrichtung mit einem zweiten Teilbordnetz gekoppelt, welches eine zweite Energiespeichereinrichtung umfasst. Der erste Bordnetzzweig ist über ein steuerbares elektrisches Schaltelement sowohl von der Spannungswandlereinrichtung als auch von dem zweiten Bordnetzzweig trennbar.
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Bei geschlossenem Schaltelement wird die Spannungswandlereinrichtung in der ersten Betriebsart betrieben und bei geöffnetem Schaltelement die Spannungswandlereinrichtung in der zweiten Betriebsart derart betrieben wird, dass der Verbraucher im zweiten Bordnetzzweig über die Spannungswandlereinrichtung durch die zweite Energiespeichereinrichtung versorgt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Ansteuer- bzw. ein Steuer- und Regelungsverfahren geschaffen, durch das bei Entfall eines Energiespeichers durch gezielte Abschaltung über das steuerbare Schaltelement eine stabile Spannungsversorgung für den Verbraucher des e des ersten Teilbordnetzes, dessen zugeordneter Energiespeicher ausgefallen ist, bereitgestellt werden kann. Es kann eine plötzliche Änderung des Energiespeicherverhaltens einer an die Spannungswandlereinrichtung angebundenen Energiespeichereinrichtung erfasst werden und aufgrund dieses erkannten geänderten Energiespeicherverhaltens eine Änderung in der Betriebsweise der Spannungswandlereinrichtung herbeigeführt werden, um hierdurch ggf. auftretende Spannungseinbrüche zu unterbinden. Da das Energiespeicherverhalten mit der anschlussseitigen Spannung an der Spannungswandlereinrichtung korreliert, wird diese bzw. irgendeine hiermit korrelierende Größe überwacht und in Abhängigkeit hiervon die Betriebsart der Spannungswandlereinrichtung beibehalten oder geändert. Als mit der anschlussseitigen Spannung der Spannungswandlereinrichtung 2 korrelierende Größe kann neben Strom und Leistung insbesondere auch die Impedanz der Energiespeicheeinrichtung E1 bzw. der Schaltzustand der steuerbaren Schalteinrichtung S1 zur elektrischen Abtrennung einer Energiespeichereinrichtung E1 von der Spannungswandlereinrichtung 2 betrachtet werden.
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Mit Vorteil wird die maßgebliche Spannungsänderung an der Spannungswandleranschlussseite (wie z.B. der Entfall einer Energiespeichereinrichtung) detektiert, indem der jeweilige Gradient der Spannung an der jeweiligen Spannungswandler-Anschlussseite entsprechend ausgewertet wird. Sobald der Gradient der überwachten Anschlussseitenspannung einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet, wird eine Umschaltung in die andere Betriebsart ausgelöst. Beispielsweise wird die Spannungswandlereinrichtung, ausgehend von einem Bordnetzzustand, in dem die Spannungswandlereinrichtung beidseitig mit jeweils zumindest einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, gemäß ihrer ersten Betriebsart strom- oder leistungsorientiert angesteuert (gesteuert und/oder geregelt), um entsprechende Lade- bzw. Entladevorgänge der Energiespeicher zu steuern/regeln. Erfolgt nun aufgrund einer Laständerung eine Spannungsänderung auf der entsprechenden Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung, wird der Gradient dieser Spannung überwacht und in Abhängigkeit von dem Erreichen oder Nichterreichen eines vorbestimmten Gradienten-Grenzwertes die Betriebsart für die Spannungsreglereinrichtung beibehalten oder in die andere Betriebsart (hier: spannungsorientierte Ansteuerung / spannungsgeregelt) umgeschaltet. Der Gradientengrenzwert ist derart bemessen, dass eine Spannungsänderung aufgrund einer betriebsbedingten Laständerung (z.B. durch Zuschaltung der Klimaanlage, Einschaltung der elektrisch unterstützten Lenkung oder dergleichen) nicht zur Umschaltung in die andere/zweite Betriebsart führt - eine Spannungsänderung, die jedoch auf einen plötzlichen Wegfall einer Energiespeichereinrichtung (z.B. durch Abschaltung über eine steuerbare Schalteinrichtung oder einen plötzlich auftretenden Defekt oder Kurzschluss bzw. eine plötzlich auftretende Impedanzänderung) zurückzuführen ist, hingegen eine Umschaltung in die andere Betriebsart bedingt.
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Alternativ oder zusätzlich zur Überwachung des Gradienten der anschlussseitigen Spannung der Spannungswandlereinrichtung kann der Schaltzustand eines steuerbaren Schaltelements, über welches eine mit der Spannungswandlereinrichtung gekoppelte Energiespeichereinrichtung von dieser getrennt werden kann, überwacht und ausgewertet werden. Beispielsweise würde bei geschlossenem Schaltelement die Spannungswandlereinrichtung beidseitig mit jeweils einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt sein, während bei geöffnetem Schaltelement eine Energiespeichereinrichtung von der Spannungswandlereinrichtung abgekoppelt sein würde, so dass bei geöffnetem Schaltelement eine Umschaltung von der ersten Betriebsart „strom- oder leistungsgeregelt“ in die zweite Betriebsart „spannungsgeregelt“ erfolgen würde.
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Mit Vorteil werden der Spannungswandlereinrichtung zur Steuerung derselben Anschlussseite unterschiedliche, voneinander unabhängige Sollwerte vorgegeben (z.B. ein entsprechender Spannungssollwert für eine mögliche spannungsgeregelte Betriebsweise und ein entsprechender Stromsollwert für eine mögliche stromgeregelte Betriebsweise der Spannungswandlereinrichtung), wobei in Abhängigkeit von zumindest einem vorbestimmten Betriebsparameter (z.B. Bereich einer Stellgrößenbegrenzung, Drift der Stellgrößenvorsteuerung oder Stellgrößenänderungsgeschwindigkeit) bzw. in Abhängigkeit von der anschlussseitig überwachten Spannung der Spannungswandlereinrichtung bzw. der hiermit korrelierenden Größe derjenige Sollwert ausgewählt wird, der dem Regelvorgang bzw. der ausgewählten Betriebsart der Spannungswandlereinrichtung zugrunde gelegt werden soll. Der andere Sollwert wird für den Regelvorgang nicht verwendet und verworfen. Dies hat zum Vorteil, dass eine ansonsten erforderliche Kommunikation zwischen den Reglern der unterlagerten Regelkreise erforderlich wäre, da physikalisch bedingt stets nur ein einziger Sollwert eingeregelt werden kann.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch unabhängig Sollwerte für unterschiedliche Spannungswandleranschlussseiten geregelt werden können (z.B. Ausgangsstromregelung - Eingangsspannungsregelung). Dies wird vor allem dann benötigt, wenn der Spannungswandler typischerweise den Ladezustand eines Energiespeichers auf einer Anschlussseite einstellen/regeln soll und zugleich bei Entfall bzw. Defekt des Energiespeichers auf der anderen Anschlussseite diese mit einer konstanten Spannung derart versorgt, dass es zu keinen Funktionsausfällen von Steuergeräten auf dieser Anschlussseite kommt.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Regel-/Steuereinrichtung bzw. eine Spannungswandlereinrichtung mit entsprechender Logik (etwa in Gestalt eines Steuergerätes), die derart ausgebildet ist, dass das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
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Ferner ist gemäß der Erfindung ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches ein erstes Teilbordnetz, wobei das erste Teilbordnetz einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Energiespeichereinrichtung und einen zum ersten Bordnetzzweig parallel geschalteten zweiten Bordnetzzweig mit einem Verbraucher umfasst, ein zweites Teilbordnetz mit einer zweiten Energiespeichereinrichtung, eine bidirektional betreibbare und steuerbare Spannungswandlereinrichtung, über welche die beiden Teilbordnetze miteinander gekoppelt sind, wobei die Spannungswandlereinrichtung in einer ersten Betriebsart strom- oder leistungsgeregelt und in einer zweiten Betriebsart spannungsgeregelt betreibbar ist, sowie Ansteuermittel zur Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung umfasst, wobei der erste Bordnetzzweig über ein steuerbares elektrisches Schaltelement sowohl von der Spannungswandlereinrichtung als auch von dem zweiten Bordnetzzweig trennbar ist, die Ansteuermittel derart ausgebildet sind, dass in Abhängigkeit von einer auf zumindest einer Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung detektierten Spannungsänderung oder der Änderung einer mit der Spannung korrelierenden Größe ein Umschaltsignal zur Einleitung eines Betriebsartenwechsels der Spannungswandlereinrichtung erzeugt wird, bei geschlossenem Schaltelement die Spannungswandlereinrichtung in der ersten Betriebsart betrieben wird und bei geöffnetem Schaltelement die Spannungswandlereinrichtung in der zweiten Betriebsart derart betrieben wird, dass der Verbraucher im zweiten Bordnetzzweig über die Spannungswandlereinrichtung durch die zweite Energiespeichereinrichtung versorgt wird. Dabei sind die Ansteuermittel vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch eine (vorstehend bereits erläuterte) Überwachung und Auswertung des Gradienten der anschlussseitigen Spannung der Spannungswandlereinrichtung (bzw. einer hiermit korrelierenden Größe) und/oder durch die Auswertung des Schaltzustands des steuerbaren Schaltelements, über welches zumindest eine Energiespeichereinrichtung von der Spannungswandlereinrichtung trennbar ist, die die Betriebsartumschaltung bedingende (Spannungs-)Änderung detektiert wird.
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In Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Mehrspannungsbordnetzes kann in Abhängigkeit von dem generierten Umschaltsignal bzw. in Abhängigkeit von der detektierten Spannungsänderung (für den Fall, dass diese eine Betriebsartumschaltung bedingt) ein entsprechendes Informations- oder Warnsignal für den Fahrzeuginsassen erzeugt werden und/oder ein internes Diagnosesignal erzeugt werden. Über das interne Diagnosesignal könnte z.B. in den Fällen, in denen eine Zustandsänderung trotz geschlossenem bzw. unverändertem Schaltzustand des Schaltelements detektiert wurde, auf einen Defekt im Bereich einer Energiespeichereinrichtung geschlossen werden oder eine entsprechende interne Diagnose und Notlaufbetriebsstrategien eingeleitet werden.
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Bezüglich einer möglichen bevorzugten Ausgestaltung (im Hinblick auf Aufbau und Funktionsweise) eines Mehrspannungsbordnetzes wird vollumfänglich Bezug genommen auf die eingangs erwähnte nicht vorveröffentlichte
DE 10 2007 004 279 , deren Offenbarungsgehalt somit in die Offenbarung dieser Patentanmeldung einbezogen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug, mit einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung, die beidseitig mit jeweils zumindest einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und
- 2: in schematischer Darstellung ein Wirkschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung einer bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinrichtung eines Mehrspannungsbordnetzes.
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1 zeigt in schematisierter Darstellung ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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Das Mehrspannungsbordnetz umfasst eine steuerbare und bidirektional betreibbare, insbesondere als Gleichspannungswandler ausgeführte, Spannungswandlereinrichtung 2, die auf ihrer einen Anschlussseite mit einem ersten Teilbordnetz BN1 und die auf ihrer anderen Anschlussseite mit einem zweiten Teilbordnetz BN2 gekoppelt ist. Dabei erfolgt die Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung 2 über separate oder in die Spannungswandlereinrichtung 2 integrierte Ansteuermittel 4.
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Das erste Teilbordnetz BN1 ist beispielsweise als Teilbordnetz niedrigerer Spannung (Niedervolt-Teilbordnetz mit z.B. Nennspannung 12V) ausgeführt und umfasst gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Bordnetzzweig BNZ1 und einen zum ersten Bordnetzzweig BNZ1 parallel geschalteten zweiten Bordnetzzweig BNZ2.
Der erste Bordnetzzweig BNZ1 umfasst beispielsweise, neben weniger (spannungs-)sensiblen Verbrauchern V1, eine als Bleibatterie oder dergleichen ausgebildete Energiespeichereinrichtung E1 sowie eine generatorisch arbeitende elektrische Maschine (z.B. Lichtmaschine) Gen und einen elektrischen Anlassermotor M. Alternativ können die Lichtmaschine Gen und der Anlassermotor M auch durch eine sowohl generatorisch als motorisch betreibbare elektrische Maschine (z.B. in Form eines Kurbelwellenstartergenerators KSG) ersetzt werden. Die Verbraucher V1, die elektrischen Maschinen M und Gen sowie die elektrische Energiespeichereinrichtung E1 sind in herkömmlicher Weise parallel geschaltet. Dem ersten Bordnetzzweig BNZ1 ist der zweite Bordnetzzweig BNZ2 parallel geschaltet, wobei dieser zumindest einen Anteil von (im Vergleich zu den Verbrauchern V1 des ersten Bordnetzzweiges BNZ1 erhöht) spannungs-sensiblen Verbrauchern V1' umfasst. Der erste Bordnetzzweig BNZ1 ist über ein steuerbares elektrisches Schaltelement S1 sowohl von der Spannungswandlereinrichtung 2 als auch von dem zweiten Bordnetzzweig BNZ2 trennbar, derart, dass bei geöffnetem Schaltelement S1 lediglich der zweite Bordnetzzweig BNZ2 als verbleibender Teil des ersten Teilbordnetzes BN1 an die Spannungswandlereinrichtung 2 angebunden bzw. mit dieser elektrisch verbunden bleibt.
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Das zweite Teilbordnetz BN2, welches beispielsweise als Teilbordnetz mit einer im Vergleich zum ersten Teilbordnetz BN1 erhöhten Bordnetzspannung (Teilbordnetz mit z.B. Nennspannung 24V oder 42V oder Hochspannungsteilbordnetz für Hybrid mit Nennspannung z.B. 100V - 500V) ausgebildet ist, umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel neben elektrischen Verbrauchern V2, parallel geschaltet, zumindest eine weitere elektrische Energiespeichereinrichtung E2. Mit Vorteil ist diese weitere Energiespeichereinrichtung als kapazitiver Energiespeicher (z.B. Modul mit Doppelschichtkondensatoren) ausgeführt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ansteuermittel 4 zur Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung 2 als separate Steuermittel in Form eines Steuergerätes umgesetzt (alternativ können diese auch in die Spannungswandlereinrichtung 2 integriert sein). Die Ansteuermittel 4 sind mit der Spannungswandlereinrichtung 2 verbunden und überwachen diese (zumindest auf einer Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung 2) im Hinblick auf ihre anschlussseitige Spannung (bzw. eine hiermit korrelierende Größe). Alternativ oder zusätzlich sind die Ansteuermittel 4 mit dem elektrischen Schaltelement S1 verbunden und überwachen dieses im Hinblick auf seinen Schaltzustand, so dass in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Schaltelements S1 und/oder dem Spannungsverhalten an zumindest einer der Anschlussseiten der Spannungswandlereinrichtung 2 eine Umschaltung der Betriebsart der Spannungswandlereinrichtung 2 durchgeführt wird. Beispielsweise wird die Spannungswandlereinrichtung 2 bei geschlossenem Schaltelement S1 strom- oder leistungsgeregelt betrieben. Im ersten Teilbordnetz BN1 werden in diesem Betriebszustand sowohl der erste Bordnetzzweig BNZ1 als auch der zweite Bordnetzzweig BNZ2 über die im ersten Bordnetzzweig BNZ1 angeordnete Energiespeichereinrichtung E1 des ersten Teilbordnetzes BN1 elektrisch versorgt. Sobald der Energiespeicher E1 wegfällt (z.B. durch Öffnen des Schaltelements S1 oder durch Auftreten eines Kurzschlusses oder dergleichen) muss die Versorgung der sensiblen Verbraucher V1' (zweiter Bordnetzzweig BNZ2) über die Spannungswandlereinrichtung 2 durch die Energiespeichereinrichtung E2 des zweiten Teilbordnetzes BN2 gewährleistet werden. Hierfür ist eine Umschaltung von einem strom- bzw. leistungsgeregelten Betrieb der Spannungswandlereinrichtung 2 in einen spannungsgeregelten Betrieb erforderlich. Durch Verzögerungen und Prelleffekte beim Umschaltvorgang durch das Schaltelement S1 kann der Umschaltzeitpunkt ggf. nicht genau bestimmt werden, was wiederum zu nicht tolerierbaren Spannungsschwankungen an den (spannungs-)sensiblen Verbrauchern V1' führen kann. Diese problematischen Effekte gilt es durch eine entsprechende Wirkungsweise (hier: eine quasi ereignisgesteuerte Umschaltung der Betriebsart der Spannungswandlereinrichtung 2) der Spannungswandlereinrichtung 2 zu vermeiden bzw. gar nicht erst aufkommen zu lassen. In 2 wird ein Verfahren zur Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung 2 veranschaulicht, wodurch die geschilderten nachteiligen Effekte beseitigt werden sollen.
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Die in 2 dargestellte, die Wirkungsweise der Erfindung veranschaulichende Reglerstruktur umfasst einen ersten Funktionspfad PF1 zur Ermittlung einer ersten Teilstellgröße St1 und einen zweiten Funktionspfad PF2 zur Ermittlung einer zweiten Teilstellgröße St2, wobei aus diesen beiden Teilstellgrößen ST1, St2 (vorliegend durch einfache Summation) durch eine nach geschaltete Verarbeitungseinrichtung 30 eine resultierende Stellgröße St zur Ansteuerung der Spannungswandlereinrichtung 2 ermittelt wird.
Der erste Funktionspfad PF1 umfasst eine Sollwertermittlungseinrichtung, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Sollwertvorgabeeinrichtung 10 zur Bereitstellung von zumindest zwei unterschiedlichen Sollwertgrößen e1 und e2 (stellvertretend für zwei unterschiedliche Betriebsarten der Spannungswandlereinrichtung 2) sowie aus einer der Sollwertvorgabeeinrichtung 10 nach geschalteten Umschalteinrichtung 12 zur Umschaltung zwischen den zumindest zwei Sollwertgrößen e1, e2 (bzw. den zumindest zwei Betriebsarten) - wobei die Umschaltung durch die Umschalteinrichtung 12 in Abhängigkeit von einem der Umschalteinrichtung 12 zugeführten Umschaltsignal Sat erfolgt -, eine Reglereinheit 14 zur Verarbeitung der vorgegebenen Sollwertgröße e1; e2 und eine der Reglereinheit 14 nach geschaltete Begrenzereinrichtung 16 zur Überwachung und Signalbegrenzung des anschlussseitigen Spannungssignals der Spannungswandlereinrichtung 2 (wobei bei Überschreitung eines durch die Begrenzereinrichtung 16 vorgegebenen Grenzwertes das Umschaltsignal Sat zur Umschaltung der Umschalteinrichtung 12 erzeugt wird, wodurch wiederum auf einen anderen Sollwert und damit auf eine andere Betriebsart (zwischen spannungsgeregelt und strom- bzw. leistungsgeregelt) umgeschaltet wird).
Der zweite Funktionspfad PF2 dient der Vorsteuerung und umfasst zumindest eine Vorsteuereinrichtung 20 über die, aus den an beiden Seiten der Spannungswandlereinrichtung 2 anliegenden Klemmspannungen (anschlussseitige Spannung), eine Vorsteuergröße St2' gebildet wird. Diese Vorsteuergröße St2' kann in einer einfachen Ausführungsform unmittelbar die zweite Teilstellgröße St2 bilden. In einer bevorzugten Weiterbildung kann die erzeugte Vorsteuergröße St2' durch eine nachgeschaltetes Filter 22 mit Tiefpassfiltereigenschaften zur zweiten Teilstellgröße St2 weiterverarbeitet werden. Besonders vorteilhaft ist die dargestellte Ausführungsform, bei der die durch die Vorsteuereinrichtung 20 gebildete Vorsteuergröße St2' entweder unmittelbar mit der durch den ersten Funktionspfad PF1 gebildeten Teilstellgröße St1 oder durch einen mittels einem Integratorglied 18 gebildeten Integralwert ST1' zu einer weitergebildeten Vorsteuergröße ST2" aufsummiert und anschließend tiefpassgefiltert durch das Filter 22 die zweite Teilstellgröße St2 bildet. Mit Hilfe der Dimensionierung (Bandbreite, Anstiegszeiten, ...) der Regler 14 und Tiefpassfilter 22 kann das Auslöserverhalten der Begrenzungseinrichtung 16 eingestellt werden. Bei Überschreiten einer definierten Spannungsänderung (Bereich der Begrenzungseinrichtung) sowie Spannungsänderungsgeschwindigkeit/Gradient (Zeitkonstante Tiefpassfilter < Zeitkonstante Reglerbandbreite) kann eine Impedanzänderung (Energiespeicherentfall oder Defekt) an einer Wandleranschlussseite detektiert und ein Signal Sat generiert werden.
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Im Folgenden soll die Wirkungsweise der Erfindung anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem eine (eine Betriebsartumschaltung bedingende) Spannungsänderung an der Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung 2 durch Schaltung des steuerbaren Schaltelements S1 erzeugt wird, erläutert werden. Hierfür werden unterschiedliche Betriebssituationen im Mehrspannungsbordnetz gemäß 1 beschrieben.
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In einer ersten Betriebssituation, in der das Schaltelement S1 geschlossen ist (und bleibt) und in der die Spannungswandlereinrichtung 2 somit beidseitig mit einer Energiespeichereinrichtung E1; E2 verbunden ist, wird die Spannungswandlereinrichtung 2 derart angesteuert, dass über sie, z.B. in Abhängigkeit von vorbestimmten Lastanforderungen im Bordnetz, ein entsprechender Lade- oder Entladestrom für den Energiespeicher 2 des Teilbordnetzes BN2 eingestellt wird. Die Spannungswandlereinrichtung 2 wird demnach stromgeregelt betrieben. Über die Vorsteuereinrichtung 20 (bzw. den zweiten Funktionspfad PF2 / „Reglerfunktionspfad“) wird aus den Klemmenspannungen der Spannungswandlereinrichtung 2 (bzw. den hiermit korrelierenden Klemmenspannungen der Energiespeicher E1, E2 der beiden Teilbordnetze BN1, BN2) die Teilstellgröße St2 als Stellgröße für die Spannungswandlereinrichtung 2 berechnet. Da sich die Energiespeichereinrichtungen E1, E2 nur endlich schnell durch Lasten bzw. Quellen in den Teilbordnetzen BN1, BN2 entladen bzw. laden können, wird die ermittelte Teilstellgröße St2 durch das Tiefpassfilter 22 gefiltert. Parallel hierzu wird im ersten Funktionspfad PF1 über die Reglereinrichtung 14 die Teilstellgröße St1 gebildet, und so der der Reglereinrichtung 14 als Sollwert e1 (Sollwert für die strom- bzw. leistungsgeregelte Ansteuerung) dienende zugeführte Regelfehler ausgeregelt, so dass die Spannungswandlereinrichtung 2 den vorgegebenen Lade- bzw. Entladestrom im zweiten Teilbordnetz BN2 einstellt. Die Reglereinrichtung 14 muss somit lediglich systematische Fehler der Vorsteuereinrichtung 20 bzw. des Funktionspfades „Vorsteuerung“ (PF2) ausgleichen.
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In einer zweiten Betriebssituation wird ein Umschaltvorgang durch das Schaltelement S1 und damit ein Abwurf bzw. eine Trennung der Energiespeichereinrichtung E1 von der Spannungswandlereinrichtung beschrieben. Zum Zeitpunkt des Öffnens des Schaltelements S1 wird an einer Anschlussseite der Spannungswandlereinrichtung 2 die Entfernung des Energiespeichers E1 detektiert. Die spannungssensiblen Verbraucher V1' des zweiten Bordnetzzweiges BNZ2 des ersten Teilbordnetzes BN1 müssen somit unmittelbar aus der bzw. über die Spannungswandlereinrichtung 2 versorgt werden. Die Reglereinrichtung 14 regelt nach wie vor auf den vorgegebenen Lade- bzw. Entladestrom für das zweite Teilbordnetz BN2. Die Lade- bzw. Entladeleistung im zweiten Teilbordnetz BN2 ist ungleich der für die sensiblen Verbraucher V1' des Teilbordnetzes BN1 benötigten Verbraucherleistung, weshalb sich die Spannung im Bordnetzzweig BNZ2 der sensiblen Verbraucher V1' verändert. Die tiefpassgefilterte Stellgröße St2 aus der Vorsteuerung des zweiten Funktionspfades PF2 kann sich allerdings nur langsam ändern, weshalb die Reglereinrichtung 14 im ersten Funktionspfad PF1 die Stellgröße St1 derart nachführen muss, dass der vorgegebene Lade- bzw. Entladestrom für das zweite Teilbordnetz BN2 aufrechterhalten wird. Hierdurch wird ein durch die Begrenzereinrichtung 16 vorgegebener Grenzwert erreicht und ein Umschaltsignal Sat generiert, wodurch eine Umschaltung der Reglervorgabe und damit eine Umschaltung der Betriebsart von stromgeführter Ansteuerung (e1) auf spannungsgeführte Ansteuerung (e2) der Spannungswandlereinrichtung 2 erfolgt. In einer dritten Betriebssituation wird davon ausgegangen, dass das Schaltelement S1 sich in einem geöffneten Zustand befindet und dort verweilt. Analog zur ersten Betriebssituation wird die erste Teilstellgröße St1 derart eingeregelt, dass der Reglerfehler (hier: Sollwert bzw. Reglerfehler e2, was einer spannungsgeführten Ansteuerung entspricht) zu Null wird. Die Sollwertvorgabe ist in diesem Fall die Spannung am Bordnetzzweig BNZ2 der sensiblen Verbraucher V1'. Über den Vorsteuerpfad PF2 wird nunmehr die tiefpassgefilterte Teilstellgröße St2 nachgeführt, derart, dass sich Veränderungen des Ladezustands am zweiten Teilbordnetz BN2 nicht auf die Teilstellgröße St1 aus dem ersten Funktionspfad PF1 (Reglerpfad) auswirken und damit die Begrenzereinrichtung 16 nicht in die Sättigung geht.
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In einer vierten Betriebssituation wird das Schaltelement S1 ausgehend von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführt und so die ursprünglich von der Spannungswandlereinrichtung 2 abgekoppelte Energiespeichereinrichtung E1 wieder angekoppelt. Die Spannungswandlereinrichtung 2 kompensiert den Reglerfehler e2 und regelt in dem die sensiblen Verbraucher V1' aufweisenden Bordnetzzweig BNZ2 auf eine konstante Spannung. Sobald das erste Teilbordnetz BN1 mit seinem Energiespeicher E1 und ggf. weiteren Quellen (wie einer Lichtmaschine, einem Kurbelwellenstartergenerator oder dergleichen) zugeschaltet wird, wird in der Spannungswandlereinrichtung 2 eine Überstrombegrenzung ausgelöst, so dass die Spannungswandlereinrichtung 2 abschaltet. Nach erfolgter Abschaltung wird der Reglerfehler e1 als Sollwertvorgabe für den Regler-Funktionspfad PF1 ausgewählt und ein stromgeregelter Betrieb der Spannungswandlereinrichtung 2 fortgesetzt.
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Durch die Erfindung wird somit gewährleistet, dass aufgrund einer über das Schaltelement S1 erfolgten Abschaltung einer Energiespeichereinrichtung E1 zu keinem Zeitpunkt der zulässige Spannungsbereich für die spannungssensiblen Verbraucher V1' des ersten Teilbordnetzes BN1 verlassen wird. Die Sollwertvorgaben für Lade- bzw. Entladestrom des zweiten Teilbordnetzes BN2 sowie die für die sensiblen Verbraucher V1' des ersten Teilbordnetzes BN1 erforderliche Spannung können unabhängig voneinander eingestellt werden und vermeintlich gegensätzliche Zielanforderungen für die beiden Teilbordnetze BN1 und BN2 erfüllt werden. Die Stellgröße ST für die Spannungswandlereinrichtung 2 wird stetig eingestellt, da nicht die Reglereinrichtung 14 in ihrer Struktur sondern lediglich entsprechende Reglerfehler als Sollwertvorgabe e1, e2 geschaltet werden. Hieraus resultiert, dass in keinem Betriebszustand Stromspitzen entstehen, die zu unzulässigen Spannungsschwankungen an den sensiblen Verbrauchern V1' führen können.