DE102011089996A1

DE102011089996A1 - Bordnetzsystem und Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzsystems

Info

Publication number: DE102011089996A1
Application number: DE102011089996A
Authority: DE
Inventors: Thomas Röhrl; Birgit Rösel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2015505283A; US20140354046A1; JP5897147B2; EP2766213A1; US9840149B2; WO2013098105A1; CN104010869A; DE102011089996B4; KR20140116446A; CN104010869B

Abstract

Ein Gegenstand der Anmeldung betrifft ein Bordnetzsystem (1), das zumindest einen Bordnetzzweig (2) und zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) aufweist. Zudem weist das Bordnetzsystem (1) zumindest eine Schaltvorrichtung (4) auf, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen kann. Die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) ist in der ersten Schaltstellung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch verbunden. Ferner ist die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) in der zweiten Schaltstellung von dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch getrennt. Das Bordnetzsystem (1) weist weiterhin eine Ansteuereinheit (5) auf, die zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) mittels eines, von einem Pulsweitenmodulator (6) erzeugbaren Ansteuersignals ausgebildet ist. Eine Pulsbreite des Ansteuersignals ist in Abhängigkeit zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) und einer momentanen Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung (4), anpassbar.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Bordnetzsystem, ein Fahrzeug mit einem Bordnetzsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzsystems.
Aus der DE 10 2008 040 810 A1 ist ein elektrisches Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das elektrische Bordnetzsystem weist ein Bordnetz mit daran angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, mit daran angeschlossenen elektrischen Energieerzeugungsvorrichtungen, sowie wenigstens einem Energiespeicher auf. Der Energiespeicher kann über eine Schaltvorrichtung vom Bordnetz getrennt werden. Es ist wenigstens eine Schaltvorrichtungsüberwachungsvorrichtung vorgesehen, die den Betriebszustand der Schaltvorrichtung überprüft.
Aufgabe der Anmeldung ist es, ein Bordnetzsystem, ein Fahrzeug mit einem Bordnetzsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzsystems anzugeben, welche eine Energieeinsparung im Betrieb des Bordnetzsystems ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Bordnetzsystem weist gemäß einem Aspekt der Anmeldung zumindest einen Bordnetzzweig und zumindest eine Energiespeichervorrichtung auf. Zudem weist das Bordnetzsystem zumindest eine Schaltvorrichtung auf, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen kann. Die zumindest eine Energiespeichervorrichtung ist in der ersten Schaltstellung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig elektrisch verbunden. Weiterhin ist die zumindest eine Energiespeichervorrichtung in der zweiten Schaltstellung von dem zumindest einen Bordnetzzweig elektrisch getrennt. Ferner weist das Bordnetzsystem eine Ansteuereinheit auf, die zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung mittels eines, von einem Pulsweitenmodulator erzeugbaren Ansteuersignals ausgebildet ist. Eine Pulsbreite des Ansteuersignals ist in Abhängigkeit zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung und einer momentanen Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung, anpassbar.
Das Bordnetzsystem gemäß der genannten Ausführungsform ermöglicht eine Energieeinsparung bei einem Betrieb des Bordnetzsystems. Dies erfolgt durch das Vorsehen der zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung ausgebildeten Ansteuereinheit, bei der eine Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit der momentanen Versorgungsspannung und/oder der momentanen Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung anpassbar ist. Die Begriffe Pulsbreite, Pulsweite und Pulsdauer können dabei in analoger Weise verwendet werden. Damit kann ein Einfluss der Temperatur bzw. der Versorgungsspannung bei der Ansteuerung der zumindest einen Schaltvorrichtung während des Betriebs des Bordnetzsystems in möglichst hohem Maße reduziert bzw. nahezu eliminiert werden. Dies ermöglicht, die Schaltvorrichtung in weiter verbesserter Weise bei möglichst geringer Ansteuerleistung zu betreiben.
Die zumindest eine Schaltvorrichtung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais, insbesondere einem Hochvoltrelais, und einem Schütz, insbesondere einem Hochvoltschütz. Die Ansteuereinheit ist in dieser Ausgestaltung ausgebildet zum Ansteuern einer Erregerspule der zumindest einen Schaltvorrichtung, d.h. einer Erregerspule des Relais bzw. des Schützes.
Die Schaltvorrichtung ist dabei bevorzugt als so genannter Schließer ausgebildet. Dabei wird unter einem Schließer eine Schaltvorrichtung verstanden, die bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Erregerspule geschlossen ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schaltvorrichtung als Ruhekontakt ausgebildet ist, d.h. als ein Kontakt, der in angezogenem Zustand die zumindest eine Energiespeichervorrichtung von dem zumindest einen Bordnetzzweig elektrisch trennt. Damit kann eine elektrische Verbindung der zumindest einen Energiespeichervorrichtung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig bzw. eine elektrische Trennung der zumindest einen Energiespeichervorrichtung von dem zumindest einen Bordnetzzweig jeweils unter Anpassung der Pulsbreite des Ansteuersignals erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Bordnetzsystem zudem eine erste Ermittlungseinheit auf, die zum Ermitteln zumindest einer, eine momentane Temperatur der Erregerspule der zumindest einen Schaltvorrichtung kennzeichnenden Größe ausgebildet ist.
Die erste Ermittlungseinheit kann dazu einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor ist dabei beispielsweise im Bereich der Erregerspule angeordnet. Damit kann die momentane Temperatur der Erregerspule in unmittelbarer Weise bestimmt werden. Weiterhin kann der Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur im Bereich einer Umgebung des Bordnetzsystems ausgebildet sein, d.h. einer Temperatur, die nicht unmittelbar im Bereich der Erregerspule ermittelt wird. Die erste Ermittlungseinheit kann in dieser Ausgestaltung zum Ermitteln bzw. Abschätzen einer momentanen Temperatur der Erregerspule basierend auf der ermittelten Temperatur und einem Temperaturmodell ausgebildet sein. Das Temperaturmodell kann beispielsweise eine Einschaltdauer der zumindest einen Schaltvorrichtung beinhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines momentanen elektrischen Widerstands der Erregerspule der zumindest einen Schaltvorrichtung ausgebildet. Eine momentane Temperatur der Erregerspule kann dabei mittels einer entsprechenden Widerstands-Temperatur-Kennlinie ermittelt werden.
Das Bordnetzsystem kann zudem eine zweite Ermittlungseinheit aufweisen, die zum Ermitteln der momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung ausgebildet ist. Die zweite Ermittlungseinheit kann dabei insbesondere zum Ermitteln einer momentanen Versorgungsspannung der Erregerspule der zumindest einen Schaltvorrichtung in Form eines Relais bzw. eines Schützes ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Pulsweitenmodulator einen Eingang aufweisen, an welchem die momentane Versorgungsspannung bereitgestellt bzw. angelegt werden kann. Der Pulsweitenmodulator ist in dieser Ausgestaltung zum Anpassen der Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit der an dem Eingang anlegbaren momentanen Versorgungsspannung ausgebildet.
Weiterhin betrifft die Anmeldung ein Fahrzeug, das ein Bordnetzsystem gemäß einer der genannten Ausführungsformen aufweist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, und kann als Hybridfahrzeug, als Fahrzeug mit reinem Verbrennungsmotorantrieb oder als Fahrzeug mit rein elektrischem Antriebsmotor ausgebildet sein.
Die Anmeldung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzsystems, wobei das Bordnetzsystem zumindest einen Bordnetzzweig, zumindest eine Energiespeichervorrichtung und zumindest eine Schaltvorrichtung aufweist. Die zumindest eine Schaltvorrichtung kann eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen, wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung in der ersten Schaltstellung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig elektrisch verbunden ist und wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung in der zweiten Schaltstellung von dem zumindest einen Bordnetzzweig elektrisch getrennt ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf. Es erfolgt ein Erzeugen eines Ansteuersignals zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung mittels eines Pulsweitenmodulators. Zudem erfolgt ein Ermitteln zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung und einer, eine momentane Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung kennzeichnenden Größe. Weiterhin erfolgt ein Anpassen einer Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit des zumindest einen ermittelten Parameters.
Das Fahrzeug sowie das Verfahren gemäß der Anmeldung weisen die bereits im Zusammenhang mit dem Bordnetzsystem gemäß der Anmeldung genannten Vorteile auf, welche an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals aufgeführt werden.
Die Pulsbreite des Ansteuersignals wird in einer Ausführungsform des Verfahrens bei einem erhöhten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem verringerten Wert der momentanen Temperatur verringert. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Pulsbreite des Ansteuersignals bei einem verringerten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem erhöhten Wert der momentanen Temperatur vergrößert. Damit kann ein Einfluss der Temperatur bzw. der Versorgungsspannung bei der Ansteuerung der zumindest einen Schaltvorrichtung in möglichst hohem Maße reduziert werden.
Die zumindest eine Schaltvorrichtung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais, insbesondere einem Hochvoltrelais, und einem Schütz, insbesondere einem Hochvoltschütz. Das Anpassen der Pulsbreite erfolgt dabei in einer Ausführungsform nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach einem Ansteuersignal für ein Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung in Form eines Relais bzw. eines Schützes. Dabei wird unter einem Anziehen des Relais bzw. des Schützes verstanden, dass ein Anker des Relais bzw. des Schützes bei stromdurchflossener Erregerspule von dieser angezogen ist. Die genannte Ausführungsform geht von der Überlegung aus, dass für das Anziehen der Schaltvorrichtung eine höhere Leistungsaufnahme im Vergleich zu einem angezogenen Zustand benötigt wird und damit eine Pulsbreitenmodulation erst bei angezogenem Relais bzw. Schütz erfolgen soll. Mittels der vorbestimmten Zeitdauer kann dabei eine Schaltdauer berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform, in der die zumindest eine Schaltvorrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais, insbesondere einem Hochvoltrelais, und einem Schütz, insbesondere einem Hochvoltschütz, wird zudem ermittelt, ob ein Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung erfolgt ist. Es wird somit ermittelt, ob ein Anziehen des Relais bzw. des Schützes erfolgt ist. In dieser Ausführungsform erfolgt das Anpassen der Pulsbreite, falls ein erfolgtes Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung ermittelt wird. Damit wird wiederum der erhöhten Leistungsaufnahme bei nicht angezogenem Relais bzw. Schütz Rechnung getragen, wobei in dieser Ausführungsform zudem das Anziehen der Schaltvorrichtung ermittelt wird. Damit kann das Anpassen der Pulsbreite möglichst zeitnahe nach einem erfolgten Schaltvorgang der zumindest einen Schaltvorrichtung ausgeführt werden.
Das Ermitteln eines, eine momentane Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung kennzeichnenden Parameters beinhaltet in einer Ausgestaltung des Verfahrens ein Ermitteln eines momentanen elektrischen Widerstands einer Erregerspule der zumindest einen Schaltvorrichtung in Form eines Relais bzw. eines Schützes.
Falls die zumindest eine Schaltvorrichtung in Form eines Relais bzw. eines Schützes angezogen ist, weist das Verfahren in einer Ausführungsform weiterhin folgende Schritte auf. Es erfolgt ein Verringern der Pulsbreite des Ansteuersignals. Zudem erfolgt ein Ermitteln, ob die zumindest eine Schaltvorrichtung abgefallen ist, d.h. ein Ermitteln, ob die zumindest eine Schaltvorrichtung nicht mehr angezogen ist. Falls ermittelt wird, dass die zumindest eine Schaltvorrichtung nicht abgefallen ist, erfolgt ein Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung mittels eines, die verringerte Pulsbreite aufweisenden Ansteuersignals. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass eine verringerte Pulsbreite eine weitere Energieeinsparung ermöglicht, dabei jedoch zu berücksichtigen ist, dass das Relais bzw. der Schütz auch bei verringerter Pulsbreite weiterhin angezogen bleibt.
Die genannten Schritte werden bevorzugt solange wiederholt ausgeführt, bis ermittelt wird, dass die zumindest eine Schaltvorrichtung abgefallen ist. Damit kann eine untere Grenze der verringerten Pulsbreite ermittelt werden. Die genannten Schritte können dabei insbesondere vor den Schritten des Erzeugens eines Ansteuersignals, des Ermittelns des zumindest einen Parameters und des Anpassens einer Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit des zumindest einen ermittelten Parameters erfolgen. Es kann somit zunächst die untere Grenze der verringerten Pulsbreite ermittelt werden und anschließend die Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Versorgungsspannung angepasst werden.
Ausführungsformen der Anmeldung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1A zeigt ein Prinzipschaltbild eines Bordnetzsystems gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung;
1B zeigt ein Blockschaltbild des Bordnetzsystems gemäß 1A;
1C zeigt Komponenten des Bordnetzsystems gemäß den 1A und 1B;
2 zeigt ein Tastverhältnis-Spannungs-Diagramm für eine Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung.
1A zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild eines Bordnetzsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung.
Das Bordnetzsystem 1 kann Bestandteil eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens sein. Beispielsweise kann das Bordnetzsystem 1 als Hochvoltsystem eines Elektrofahrzeuges ausgebildet sein.
Das Bordnetzsystem 1 weist einen ersten Bordnetzzweig 2 mit einer Nominalspannung von beispielsweise 48 V auf. In dem ersten Bordnetzzweig 2 können insbesondere elektrische Verbraucher, Spannungswandler, insbesondere in Form eines DC/DC-Wandlers, und/oder elektrische Energieerzeugungsvorrichtungen angeordnet sein, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht näher dargestellt sind.
Zusätzlich zu dem ersten Bordnetzzweig 2 kann das Bordnetzsystem 1 weitere Bordnetzzweige aufweisen, wobei eine Nominalspannung in den weiteren Bordnetzzweigen der Nominalspannung des ersten Bordnetzzweigs 2 entsprechen oder von dieser verschieden sein kann. Die weiteren Bordnetzzweige können ebenfalls elektrische Verbraucher, Spannungswandler und/oder elektrische Energieerzeugungsvorrichtungen aufweisen und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht näher dargestellt. Verbraucher bzw. Abnehmer können dabei beispielsweise eine Leistungselektronik eines Fahrzeug-Antriebs, ein elektrischer Klimakompressor, ein Heizgerät oder ein Ladegerät sein.
Das Bordnetzsystem 1 weist zudem eine elektrische Energiespeichervorrichtung 3 auf, beispielsweise in Form eines 12-Volt-Akkumulators.
Ferner weist das Bordnetzsystem 1 zumindest eine schematisch dargestellte Schaltvorrichtung 4 auf, wobei die Schaltvorrichtung 4 eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen kann. Die Energiespeichervorrichtung 3 ist dabei in der ersten Schaltstellung mit dem ersten Bordnetzzweig 2 elektrisch verbunden und in der zweiten Schaltstellung von dem ersten Bordnetzzweig 2 elektrisch getrennt.
Darüber hinaus weist das Bordnetzsystem 1 eine Ansteuereinheit 5 auf, die zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung 4 mittels eines, von einem Pulsweitenmodulator 6 erzeugbaren Ansteuersignals ausgebildet ist. Die Ansteuereinheit 5 ist dazu über eine Steuerleitung 10 mit der zumindest einen Schaltvorrichtung 4 verbunden. Wie im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher erläutert wird, ist eine Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der Schaltvorrichtung 4 und einer momentanen Temperatur der Schaltvorrichtung 4, anpassbar.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Schaltvorrichtung 4 sowie die Ansteuereinheit 5 in einer Verteilereinheit 12 angeordnet. Damit kann die Steuerleitung 10 möglichst kurz gehalten werden, womit die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden kann. Mittels der Verteilereinheit 12, die auch als Hochvolt-Junction-Box (HVJB) oder Power Distribution Unit (PDU) bezeichnet wird, können die in 1A nicht näher dargestellten Pole der elektrischen Energiespeichervorrichtung 3 auf mehrere Abgriffe vervielfältigt werden.
Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit kann die Spannung, insbesondere die Hochspannung, in der Verteilereinheit 12 gemessen und die Information, ob auf dem relevanten Zweig eine Hochspannung vorhanden ist oder nicht, an eine weitere, nicht näher dargestellte Elektronik übermittelt werden. Diese Messung kann außerdem redundant ausgeführt sein, sodass Einfachfehler detektiert werden können.
1B zeigt ein Blockschaltbild des Bordnetzsystems 1 gemäß 1A. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in 1A werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
Wie in 1B dargestellt ist, weist die Energiespeichervorrichtung 3 zwei Pole in Form eines Pluspols und eines Minuspols auf, die die Versorgungsspannung für den ersten Bordnetzzweig 2 zur Verfügung stellen. Ferner ist in 1B schematisch ein in dem ersten Bordnetzzweig 2 angeordneter elektrischer Verbraucher 11, beispielsweise ein elektrischer Klimakompressor oder ein Heizgerät, gezeigt. Wie bereits erläutert, kann das Bordnetzsystem 1 auch mehrere Verbraucher bzw. Geräte aufweisen, die die zentrale Versorgungsspannung der Energiespeichervorrichtung 3 abgreifen können und beispielsweise in unterschiedlichen Bordnetzzweigen angeordnet sind.
In der in 1B gezeigten ersten Schaltstellung der beiden Schaltvorrichtungen 4 ist die Energiespeichervorrichtung 3 mit dem ersten Bordnetzzweig 2 elektrisch verbunden. In der nicht dargestellten zweiten Schaltstellung der Schaltvorrichtungen 4 ist die Energiespeichervorrichtung 3 elektrisch von dem ersten Bordnetzzweig 2 getrennt.
In der gezeigten Ausführungsform weist sowohl der Plus-Anschluss als auch der Minus-Anschluss der Energiespeichervorrichtung 3 eine eigene Schaltvorrichtung 4 auf. Die Schaltvorrichtungen 4 sind dabei ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais, insbesondere einem Hochvoltrelais, und einem Schütz, insbesondere einem Hochvoltschütz. Damit können beide Pole, sowohl Plus als auch Minus, geschaltet werden. In der gezeigten Ausführungsform sind zwei getrennte Schaltvorrichtungen 4 für den ersten Bordnetzzweig 2 und damit für einen Hochvolt-Pfad vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch ein so genannter Doppelschütz vorgesehen werden.
Die Ansteuereinheit 5 ist zum Ansteuern der beiden Schaltvorrichtungen 4 mittels jeweils eines, von einem in 1B nicht näher dargestellten Pulsweitenmodulator erzeugbaren Ansteuersignals ausgebildet. Dazu ist die Ansteuereinheit 5 über jeweils eine Steuerleitung 10 mit den beiden Schaltvorrichtungen 4 verbunden.
Die beiden Schaltvorrichtungen 4 sowie die Ansteuereinheit 5 sind in der gezeigten Ausführungsform wie bereits oben erläutert in der Verteilereinheit 12 angeordnet.
Wie im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher erläutert wird, ist eine Pulsbreite des jeweiligen Ansteuersignals in Abhängigkeit zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der jeweiligen Schaltvorrichtung 4 und einer momentanen Temperatur der Schaltvorrichtung 4, anpassbar. In der gezeigten Ausführungsform sind die Versorgungsspannungen und Temperaturen der beiden Schaltvorrichtungen 4 jeweils näherungsweise identisch, womit eine Ansteuerung in einfacher Weise erfolgen kann.
Die Schaltvorrichtungen 4 sind in der gezeigten Ausführungsform als so genannter Schließer, die auch als Arbeitskontakte bezeichnet werden, ausgebildet. Dabei wird unter einem Schließer eine Schaltvorrichtung verstanden, die bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Erregerspule geschlossen ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schaltvorrichtungen 4 als Ruhekontakte ausgebildet sind, d.h. als Kontakte, die in angezogenem Zustand die Energiespeichervorrichtung 3 von dem ersten Bordnetzzweig 2 elektrisch trennen.
1C zeigt Komponenten des Bordnetzsystems gemäß den 1A und 1B.
In 1C ist dabei wiederum die Ansteuereinheit 5 gezeigt. Wie in 1C dargestellt, ist die Ansteuereinheit 5 zum Ansteuern einer Erregerspule 7 der jeweiligen Schaltvorrichtung ausgebildet, wobei in 1C aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Erregerspule 7 dargestellt ist. Die Ansteuereinheit 5 ist dazu über die Steuerleitung 10 mit der Erregerspule 7 verbunden.
Die in 1C nicht näher dargestellten Schaltvorrichtungen benötigen beispielsweise zwischen 2 und 5 Watt Eigenleistung auf der Erregerseite. Dies führt zu einer Gesamtansteuerleistung, die insbesondere in einem Bordnetz von Fahrzeugen typischerweise nicht mehr zu vernachlässigen ist. Zudem werden erhöhte Querschnitte der Kupferleitungen benötigt, was die damit verbundenen Kosten sowie das Gewicht erhöht und zusätzlich Verlustwärme verursacht. Mittels der Ausführungsformen der Anmeldung können die genannten Effekte in vorteilhafter Weise verringert werden.
Dazu ist eine Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit einer momentanen Versorgungsspannung der jeweiligen Erregerspule 7 und einer momentanen Temperatur der jeweiligen Erregerspule 7 anpassbar.
Dabei weist das Bordnetzsystem in der gezeigten Ausführungsform eine erste Ermittlungseinheit 8 auf, die zum Ermitteln einer, eine momentane Temperatur der Erregerspule 7 kennzeichnenden Größe ausgebildet ist. Die erste Ermittlungseinheit 8 kann dazu insbesondere einen Temperatursensor aufweisen. Weiterhin weist das Bordnetzsystem eine zweite Ermittlungseinheit 9 auf, die zum Ermitteln der momentanen Versorgungsspannung der jeweiligen Erregerspule 7 ausgebildet ist.
Die ermittelte Temperaturgröße wird über eine Signalleitung 13 sowie die ermittelte momentane Versorgungsspannung über eine Signalleitung 14 geführt und anschließend über eine gemeinsame Signalleitung 15 an die Ansteuereinheit 5 übermittelt.
Basierend auf den ermittelten Werten wird die Pulsbreite des von einem in 1C nicht näher dargestellten Pulsweitenmodulator erzeugten Ansteuersignals angepasst. Dabei wird die Pulsbreite des Ansteuersignals bei einem erhöhten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem verringerten Wert der momentanen Temperatur verringert. Weiterhin wird die Pulsbreite des Ansteuersignals bei einem verringerten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem erhöhten Wert der momentanen Temperatur vergrößert. Ein Verringern der Pulsbreite ist dabei gleichbedeutend mit einem Vergrößern eines Abstands zwischen den einzelnen Pulsen bzw. gleichbedeutend mit einem Verringern des Tastverhältnisses, wobei das Tastverhältnis als Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und der Gesamtdauer des entsprechenden Ansteuerintervalls definiert ist. Entsprechend ist eine Vergrößerung der Pulsbreite gleichbedeutend mit einer Verringerung des Abstands zwischen den einzelnen Pulsen bzw. einer Vergrößerung des Tastverhältnisses.
Das derart angepasste Ansteuersignal wird über die Steuerleitung 10 an die Erregerspule 7 angelegt. Wie weiterhin mit einer von der Erregerspule 7 zurückführenden Signalleitung 16 dargestellt ist, kann damit eine Regelung der Pulsbreite in Abhängigkeit von der momentanen Temperatur sowie der momentanen Versorgungsspannung erfolgen.
Mittels der in den 1A bis 1C gezeigten Ausführungsform kann eine möglichst hohe Energieeinsparung auch unter Sicherheitsgesichtspunkten insbesondere im Hochvoltbereich eines Fahrzeugs durch Temperaturnachführung und Spannungsnachführung erfolgen. Die Energieeinsparung führt dabei in vorteilhafter Weise zu einem verringerten Ausstoß an Abgasen, insbesondere einem verringerten CO₂-Ausstoß, bzw. zu einem geringeren Energieverbrauch in Elektrofahrzeugen, womit die Reichweite der Elektrofahrzeuge in vorteilhafter Weise erhöht werden kann.
Die Schaltvorrichtungen 4, beispielsweise in Form von Schützen, werden dabei nach einem Schaltvorgang, der typischerweise nach wenigen Millisekunden beendet ist, mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM) beaufschlagt, um im Haltezustand die Leistung abzusenken. Die mit der Pulsbreitenmodulation auftretende Spannungsversorgungslücke ist dabei so klein bzw. so kurz zu halten, dass das ausgewählte Relais aufgrund seiner Trägheit nicht folgen kann und daher angezogen bleibt. Außerdem ist darauf zu achten, dass die fortdauernden Pulslücken nicht dazu führen, dass die Gesamtansteuerleistung soweit absinkt, dass nicht mehr genügend Haltekraft für das Relais verbleibt. Dann würde es nämlich wieder abfallen, also unerwünscht ausgeschaltet werden, was je nach damit verbundener Funktion zu unerwünschten Effekten führen könnte.
Dabei ist ein gewisser Kompromiss einzugehen, einerseits möglichst viel Ansteuerleistung einzusparen, andererseits jedoch die erforderliche Haltekraft nicht zu unterschreiten. Da dieser Kompromissbereich typischerweise aufgrund von Fertigungsstreuungen toleranzabhängig sowie zudem versorgungsspannungsabhängig und temperaturabhängig ist, ist ein gewisser Sicherheitsabstand zu wählen, der dem Einspareffekt entgegenwirkt. Dieser PWM-Sicherheitsabstand kann mittels den Ausführungsformen der Anmeldung möglichst situationsbedingt eng bzw. gering eingestellt werden.
Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass bei Schützen, die typischerweise aus Kupferwicklungen aufgebaut sind, Kupfer einen je nach Temperatur unterschiedlichen Leitwert besitzt und damit die Ansteuerleistung von der Wicklungstemperatur abhängig ist.
Bedingt durch den spezifischen Leitwert von Kupfer und dessen Temperaturbeiwert ergibt sich, ausgehend von Raumtemperatur, für ein spezifisches Relais beispielsweise eine Schwankung des Wicklungswiderstands von –23% bzw. +40% über einen Temperaturbereich von –40°C bis +120°C.
Gemäß Ausführungsformen der Anmeldung, in denen beispielsweise die Kupferwicklungstemperatur eines Relais direkt oder indirekt bekannt ist oder errechnet werden kann, kann entsprechend die Pulsbreitenmodulation angepasst werden, womit der Temperatureinfluss nahezu eliminiert werden kann. Ebenso kann gemäß Ausführungsformen der Anmeldung mit der Versorgungsspannung der Erregerwicklung eines Relais verfahren werden. Je höher diese ist, d.h. je mehr Leistung zur Verfügung steht, desto länger kann die Pulspause eingestellt werden, was zu einer Leistungsverminderung führt. Diese Spannungsnachführung kann entweder kontinuierlich mit der Spannungsänderung oder in Schritten erfolgen.
Sowohl Spannung als auch Temperatur können insbesondere entweder mittels eines AD-Wandlers in einem Mikrokontroller gemessen werden oder mittels intelligenter Hardware-Verschaltung direkt auf den PWM-Generator für die Schaltkomponente einwirken.
Gemäß der in den 1A bis 1C gezeigten Ausführungsform werden dabei beide Schütze bzw. beide Spulen eines Doppelschützes mit einer PWM-geregelten Ansteuerung versorgt. Dies ist typischerweise ohne signifikante Einschränkungen möglich, da beide Schütze in der gleichen Umgebung und Anwendung auch die fast identische Versorgungsspannung und Wicklungstemperatur besitzen, von Fertigungstoleranzen abgesehen.
Wird nicht direkt die Wicklungstemperatur der Schütze gemessen, beispielsweise da dies insbesondere bei Verwendung mehrere Komponenten aufwendig sein kann, kann mittels eines zentral in der Verteilereinheit befindlichen Temperaturmessers mittels eines Rechenmodells in einem Mikrocontroller, das unter anderem die Einschaltzeit als Rechenbasis verwendet, mit hinreichender Genauigkeit auf die Wicklungstemperatur geschlossen werden.
Weiterhin können die Ausführungsformen der Anmeldung auf Hochvolt-Relais, welche eine PWM-Sparabschaltung mit einer Pulsbreitenmodulation nach dem Schaltvorgang mit fester Pulsbreite ein- bzw. angebaut haben, angewendet werden. Dazu wird bevorzugt die elektrische PWM-Erzeugung für die Ansteuerung derart ausgelegt, dass auch solche Relais Verwendung finden können. Dafür sind eine Überbrückung der Sparschaltung und/oder eine Ausschaltkodierung, beispielsweise in Form von Drahtbrücken, vorgesehen, womit die Flexibilität ohne Layout-Änderungen gewährleistet werden kann.
Weiterhin kann die in den 1A bis 1C dargestellte Ansteuereinheit 5 für einen so genannten Abfalltest eingesetzt werden. Dabei werden die Pausen des PWM-Signals solange beispielsweise kontinuierlich erhöht, bis der Magnetkreis des Relais nicht mehr gehalten werden kann und das Relais somit abfällt, also in den Ruhezustand zurückkehrt.
Dieses Abfallen wird von der Elektronik beispielsweise durch eine Strommessung erkannt. Der Punkt bzw. das Puls-/Pausenverhältnis und damit die Wicklungsversorgung, an dem das Relais abfällt, ist die für einen Betriebszustand, d.h. Temperatur, aktuelle Spannung und auch individuelle Wicklungstoleranz, minimal mögliche Einstellung. Von diesem Punkt aus kann mit mehr oder weniger Sicherheitsabstand und der bereits oben erläuterten Regelung in Form von Spannungs- und Temperaturnachführung gearbeitet werden.
Der beschriebene Abfalltest ist dabei typischerweise bei Schaltungen bzw. Verbrauchern vorgesehen, die einen kurzzeitigen Aus-Zustand tolerieren. Dabei stellt der Abfalltest eine Möglichkeit dar, das untere Ende des tatsächlichen Systems zu ermitteln. Weiterhin kann der Abfalltest gegebenenfalls zu einer Zeit oder einem Systemzustand durchgeführt werden, in dem das gesteuerte System nicht in einen ungewünschten Modus verfällt.
Mittels des beschriebenen Abfalltestes ist eine weitere Energieeinsparung im Betrieb des Bordnetzsystems möglich.
2 zeigt ein Tastverhältnis-Spannungs-Diagramm für eine Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung. Dabei ist auf der Abszisse die Versorgungsspannung der Erregerspule und auf der Ordinate das Tastverhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Gesamtdauer des Ansteuersignals, in Prozent dargestellt.
Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet die Tastverhältnis-Spannungs-Kennlinie in dieser Ausführungsform drei jeweils lineare Teilbereiche, wobei für einen unteren Spannungsbereich bis zu einer unteren Spannungsschwelle U₁ eine geringe, negative Steigung vorgesehen ist. In einem mittleren Spannungsbereich zwischen der unteren Spannungsschwelle U₁ und einer oberen Spannungsschwelle U₂ ist eine stärker fallende Kurve vorgesehen, die in einem oberen Spannungsbereich oberhalb der oberen Spannungsschwelle U₂ wiederum in einen flach fallenden linearen Teilbereich übergeht.
In weiteren Ausgestaltungen können auch Kurven für die Tastverhältnis-Spannungs-Kennlinie eingestellt werden, die nicht-linear sind. Beispielsweise können sprunghafte Übergänge oder exponentielle Kurvenverläufe vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Bordnetzsystem
2: Bordnetzzweig
3: Energiespeichervorrichtung
4: Schaltvorrichtung
5: Ansteuereinheit
6: Pulsweitenmodulator
7: Erregerspule
8: Ermittlungseinheit
9: Ermittlungseinheit
10: Steuerleitung
11: Verbraucher
12: Verteilereinheit
13: Signalleitung
14: Signalleitung
15: Signalleitung
16: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008040810 A1 [0002]

Claims

Bordnetzsystem aufweisend – zumindest einen Bordnetzzweig (2), – zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3), – zumindest eine Schaltvorrichtung (4), wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen kann, wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) in der ersten Schaltstellung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch verbunden ist und wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) in der zweiten Schaltstellung von dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch getrennt ist, – eine Ansteuereinheit (5) ausgebildet zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) mittels eines, von einem Pulsweitenmodulator (6) erzeugbaren Ansteuersignals, wobei eine Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) und einer momentanen Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung (4), anpassbar ist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais und einem Schütz, und wobei die Ansteuereinheit (5) ausgebildet ist zum Ansteuern einer Erregerspule (7) der zumindest einen Schaltvorrichtung (4).
Bordnetzsystem nach Anspruch 2, zudem aufweisend eine erste Ermittlungseinheit (8) ausgebildet zum Ermitteln zumindest einer, eine momentane Temperatur der Erregerspule (7) der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) kennzeichnenden Größe.
Bordnetzsystem nach Anspruch 3, wobei die erste Ermittlungseinheit (8) einen Temperatursensor aufweist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 3, wobei die erste Ermittlungseinheit (8) zum Ermitteln eines momentanen elektrischen Widerstands der Erregerspule (7) der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) ausgebildet ist.
Bordnetzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zudem aufweisend eine zweite Ermittlungseinheit (9) ausgebildet zum Ermitteln der momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung (4).
Bordnetzsystem nach Anspruch 6, wobei die zweite Ermittlungseinheit (9) zum Ermitteln einer momentanen Versorgungsspannung der Erregerspule (7) der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) ausgebildet ist.
Fahrzeug aufweisend ein Bordnetzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzsystems (1), wobei das Bordnetzsystem (1) zumindest einen Bordnetzzweig (2), zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) und zumindest eine Schaltvorrichtung (4) aufweist, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung einnehmen kann, wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) in der ersten Schaltstellung mit dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch verbunden ist und wobei die zumindest eine Energiespeichervorrichtung (3) in der zweiten Schaltstellung von dem zumindest einen Bordnetzzweig (2) elektrisch getrennt ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Erzeugen eines Ansteuersignals zum Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) mittels eines Pulsweitenmodulators (6), – Ermitteln zumindest eines Parameters, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer momentanen Versorgungsspannung der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) und einer, eine momentane Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) kennzeichnenden Größe, – Anpassen einer Pulsbreite des Ansteuersignals in Abhängigkeit des zumindest einen ermittelten Parameters.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Pulsbreite des Ansteuersignals bei einem erhöhten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem verringerten Wert der momentanen Temperatur verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die Pulsbreite des Ansteuersignals bei einem verringerten Wert der momentanen Versorgungsspannung und/oder bei einem erhöhten Wert der momentanen Temperatur vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais und einem Schütz, und wobei das Anpassen der Pulsbreite nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach einem Ansteuersignal für ein Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Relais und einem Schütz, und wobei zudem ermittelt wird, ob ein Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) erfolgt ist und wobei das Anpassen der Pulsbreite erfolgt, falls ein erfolgtes Anziehen der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Ermitteln eines, eine momentane Temperatur der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) kennzeichnenden Parameters ein Ermitteln eines momentanen elektrischen Widerstands einer Erregerspule (7) der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei, falls die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) angezogen ist, das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: – Verringern der Pulsbreite des Ansteuersignals, – Ermitteln, ob die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) abgefallen ist, – falls ermittelt wird, dass die zumindest eine Schaltvorrichtung (4) nicht abgefallen ist, Ansteuern der zumindest einen Schaltvorrichtung (4) mittels eines, die verringerte Pulsbreite aufweisenden Ansteuersignals.