DE102011003032A1

DE102011003032A1 - Verfahren zur Leistungssteuerung von Verbrauchern

Info

Publication number: DE102011003032A1
Application number: DE201110003032
Authority: DE
Inventors: Oliver Fautz; Simon Weissenmayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2012100892A3; RU2606630C2; CN103328794A; CN103328794B; WO2012100892A2; RU2013139220A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zur Leistungssteuerung von elektrischen Verbrauchern (34, 36) vorgestellt. Die Verbraucher (34, 36) sind dabei in einer Schaltungsanordnung (30) in Reihe angeordnet, wobei an mindestens einer Verbindung (50) zwischen jeweils zwei Verbrauchern (34, 36) eine Stichleitung (52) angeschlossen ist, die über eine zugeordnete Schalteranordnung, die mindestens einen Schalter (38, 40, 42, 44) umfasst, zur Leistungssteigerung an Netzspannung (46) und/oder Masse (48) geschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteuerung von Verbrauchern, insbesondere zum Erwärmen von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Energieversorgungssysteme in Kraftfahrzeugen umfassen in der Regel mindestens eine Batterie für die Speicherung von elektrischer Energie. Die Batterie wird dabei üblicherweise von einem als Lichtmaschine bezeichneten Generator geladen, der wiederum von dem Motor des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Für Kraftfahrzeuganwendungen waren früher Bordnetze mit 6 V und später mit 12 V üblich. Zukünftig werden auch Bordnetze mit höheren Spannungen, insbesondere 24 V und 48 V, zum Einsatz kommen, da die Verbraucher in modernen Kraftfahrzeugen immer mehr Energie benötigen.
Die Druckschrift DE 10 2007 035 061 A1 beschreibt ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug. Das beschriebene Energieversorgungssystem umfasst mindestens zwei Batterien, einen Generator sowie mindestens zwei Bordnetze, die mit unterschiedlich hohen Spannungen betrieben werden. Außerdem umfasst das Energieversorgungssystem eine Einrichtung, die Verbraucher, die für eine erste niedrigere Bordnetzspannung vorgesehen sind, wechselweise mit den beiden Batterien verbindet, so dass diese Batterien gleichmäßig belastet werden.
Ein weiteres Zwei-Batteriensystem ist aus der Druckschrift DE 100 14 243 B4 bekannt. Dieses System umfasst eine Starterbatterie und eine Bordnetzbatterie, wobei Verbraucher in startrelevante Verbraucher und Bordnetzverbraucher eingeteilt und entsprechend zugeordnet sind.
In Kraftfahrzeugen werden viele Verbraucher in kaltem Zustand mit einer höheren Spannung als der Nennspannung betrieben, um sich schneller aufzuheizen. Dazu werden Verbraucher mit einer niedrigeren Nennspannung als der Bordnetzspannung eingesetzt. In kaltem Zustand werden die Verbraucher mit der Bordnetzspannung betrieben. Nach dem Erwärmen wird die Energieversorgung getaktet, so dass sich bei induktiven Verbrauchern derselbe Strom einstellt wie bei Nennspannung. Die Periodendauer der Taktung ist hierbei wesentlich kleiner als die Zeitkonstante tau = L/R des Verbrauchers.
Es ist hierbei zu beachten, dass für eine derart schnelle Taktung hochwertige und kostspielige elektrische Komponenten eingesetzt werden müssen. Weiterhin ist zu beachten, dass die Verlustleistung umso größer ist, je höher die Frequenz der Taktung ist. Außerdem entsteht eine Verlustleistung an den Zuleitungskabeln.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Es ist somit möglich, Verbraucher mit variabler Leistung zu betreiben. Dabei können kostengünstige elektronische Komponenten eingesetzt werden, deren Taktfrequenz begrenzt ist. Dabei kann die Verlustleistung bei reduzierter Leistung gering gehalten werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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 lassen.
Als Zweck der Leistungssteuerung wird im folgenden zur besseren Verständlichkeit beispielhaft die Erwärmung der Verbraucher genannt. Es versteht sich, dass die Leistungssteuerung auch für weitere Zwecke, wie bspw. für eine Leistungsanpassung bzw. Leistungsregelung, verwendet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Ausführungsform der Anordnung.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer weiteren Ausführungsform der Anordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist eine Schaltungsanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, wiedergegeben. Diese Schaltungsanordnung kommt typischerweise in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung. Die Darstellung zeigt einen ersten Verbraucher 12 und einen zweiten Verbraucher 14, die im Betrieb mit einer Nennspannung betrieben werden.
Zum Aufwärmen werden die beiden Verbraucher 12 und 14 mit Bordnetzspannung, die über der Nennspannung liegt, betrieben. Nach dem Erwärmen wird die Energieversorgung mittels eines ersten Schalters 16, eines zweiten Schalters 18 und eines dritten Schalters 20 getaktet. Das Potential der Bordnetzspannung ist dabei mit 22 und Masse mit 24 bezeichnet. Für die dazu erforderliche Taktung müssen jedoch kostspielige elektrische Komponenten eingesetzt werden.
In 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist und bei der eine Ausführung der vorgestellten Anordnung, mit Bezugsziffer 32 versehen, zum Einsatz kommt.
Bei der in 2 dargestellten Lösung sind zwei gleichartige Verbraucher, nämlich ein erster Verbraucher 34 und ein zweiter Verbraucher 36, in Reihe geschaltet. Die Nennspannung der Verbraucher 34 und 36 entspricht der Hälfte der Netzspannung. Beide Verbraucher 34 und 36 können zusammen über eine Highside/Lowside-Schalterkombination, die einen ersten Schalter 38 und einen zweiten Schalter 40 umfasst, eingeschaltet werden. Die Netzspannung ist dabei mit Bezugsziffer 46 bezeichnet, Masse ist mit Bezugsziffer 48 versehen. Dabei werden beide Verbraucher 34, 36 zusammen mit Netzspannung 46 und jeder einzelne Verbraucher 34, 36 für sich mit Nennspannung betrieben.
Zusätzlich ist eine Verbindung 50 beider Verbraucher 34, 36 mit einer Stichleitung 52 in ein Steuergerät (nicht dargestellt) geführt. Diese Stichleitung 52 kann über eine Halbbrücke 60, die einen dritten Schalter 42 und einen vierten Schalter 44 umfasst, entweder mit Netzspannung 46 oder mit Masse 48 geschaltet werden. Um die Verbraucher 34, 36 schneller erwärmen zu können, werden diese abwechselnd mit Netzspannung 46 betrieben.
Der Zeitraum, in dem die Verbraucher 34, 36 schnell erwärmt werden, ist dabei wesentlich größer als die Zeitkonstante tau = L/R der Verbraucher 34, 36. Während der angeschalteten Phase fließt bei doppelter Spannung der doppelte Strom. Das entspricht der vierfachen Wärmeleistung während einer Einschaltphase. Über mehrere Einschaltphasen hinweg entspricht das Mittel einer doppelten Wärmeleistung gegenüber dem Betrieb bei dem Spannungsteiler mit Netzspannung.
Anstelle zweier Verbraucher in Reihe können auch mehrere Verbraucher in Reihe geschaltet sein. Dabei ist vorgesehen, dass jede elektrische Verbindung zweier Verbraucher mit einer Stichleitung in einer Halbbrücke, die typischerweise im Steuergerät vorgesehen ist, verbunden.
Das Verhältnis aus der maximalen Leistung P_max beim Aufwärmen gegenüber der Leistung P_nenn beim normalen Betrieb über den Spannungsteiler berechnet sich aus der Anzahl n der Verbraucher in Reihen zu P_max/P_nenn = n
In 3 ist eine weitere Schaltungsanordnung 70 mit einem ersten Verbraucher 72, einem zweiten Verbraucher 74 und einem dritten Verbraucher 76 dargestellt. Netzspannung ist mit Bezugsziffer 78 und Masse mit Bezugsziffer 80 versehen. In einer Verbindung 84 zwischen dem ersten Verbraucher 72 und dem zweiten Verbraucher 74 ist eine erste Stichleitung 86 angeschlossen. In einer Verbindung 88 zwischen dem zweiten Verbraucher 74 und dem dritten Verbraucher 76 ist eine zweite Stichleitung 90 angeschlossen. Weiterhin sind ein erster High-Side-Schalter 92, ein erster Low-Side-Schalter 94, ein zweiter High-Side-Schalter 96 und ein zweiter Low-Side-Schalter 98 vorgesehen, diese bilden eine Schalteranordnung 100.
Bei dem in 3 dargestellten Fall ist die Anzahl der Verbraucher 72, 74 und 76 ungerade und die Stromrichtung für die Verbraucher 72, 74, 76 spielt keine Rolle. Alle Verbraucher 72, 74, 76 können zur selben Zeit mit der Netzspannung 78 versorgt werden. In diesem Fall ist die maximale Leistung nicht lediglich dreimal höher sondern neunmal höher als deren Nennleistung. Außerdem können die Stichleitungen 86, 90 mit einfachen Highside- bzw. Lowside-Schaltern bzw. -Endstufen anstatt mit Halbbrücken versorgt werden.
Die Anordnung ist robust gegenüber Einzelfehlern. Jeder Verbraucher kann jederzeit sicher ausgeschaltet werden. Ein Einzelfehler führt zu einer uneingeschränkten Verfügbarkeit. Bei einem elektrischen Fehler an einer beliebigen Endstufe bzw. Leitung ist noch mindestens einer der Verbraucher kurzzeitig verfügbar.
Mit der durch das vorstehend beschriebene Verfahren realisierten Endstufenstrategie können kostengünstigere elektronische Bauteile verwendet werden. Außerdem ist von Vorteil, dass die Verlustleistung bei den Endstufen und den Zuleitungen geringer ist.
Mögliche Anwendungen finden sich bei Gas-Einblasventilen, Glühkerzen und Lambdasonden:
Bei Gasmotoren werden mehrere Gaseinblasventile gleicher Bauart eingesetzt. Die Gaseinblasventile können bei sehr niedrigen Temperaturen verkleben oder vereisen. Darum sollten die Ventile möglichst schnell aufgetaut und im kalten Zustand mit einer möglichst hohen Kraft geöffnet werden, damit sich die Verklebung bzw. die Vereisung lösen kann. Bei 24-Volt-Systemen können die Standard-12-Volt-Ventile eingesetzt werden.
Bei Dieselmotoren wird für jeden Zylinder eine Glühkerze eingesetzt. Bei 24-Volt-Systemen können wahlweise zwei 12-Volt-Glühkerzen oder drei 8-Volt-Glühkerzen, jeweils in Reihe, eingesetzt werden.
Bei zweiflutigen Abgassystemen werden zwei Lambdasonden gleicher Bauart eingesetzt. Bei 24-Volt-Systemen können dann zwei 12-Volt-Lambdasonden eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007035061 A1 [0003]
DE 10014243 B4 [0004]

Claims

Verfahren zur Leistungssteuerung elektrischer Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76), die in einer Schaltungsanordnung (30, 70) in Reihe angeordnet und jeweils mit einer Nennspannung zu betreiben sind, wobei an mindestens einer Verbindung (50, 84, 88) zwischen jeweils zwei Verbrauchern (34, 36, 72, 74, 76) eine Stichleitung (52, 86, 90) angeschlossen ist, die über eine zugeordnete Schalteranordnung (100), die mindestens einen Schalter (38, 40, 42, 44) umfasst, zur Leistungssteuerung an Netzspannung (46, 78) und/oder Masse (48, 80) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei gleichartige Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76) vorgesehen sind, die zur Leistungssteuerung abwechselnd jeweils mit Netzspannung (46, 78) betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem drei gleichartige Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76) vorgesehen sind, die gleichzeitig mit Netzspannung (46, 78) betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76) Gaseinblasventile vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76) Glühkerzen vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76) Lambdasonden vorgesehen sind.
Anordnung zur Leistungssteuerung elektrischer Verbraucher (34, 36, 72, 74, 76), die in einer Schaltungsanordnung (30, 70) in Reihe angeordnet sind und jeweils mit einer Nennspannung zu betreiben sind, wobei an mindestens einer Verbindung (50, 84, 88) zwischen jeweils zwei Verbrauchern (34, 36, 72, 74, 76) eine Stichleitung (52, 86, 90) angeschlossen ist, die über eine zugeordnete Schalteranordnung, (100) die mindestens einen Schalter (38, 40, 42, 44) umfasst, an Netzspannung (46, 78) und/oder Masse (48, 80) zu schalten ist.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Schalteranordnung (100) eine Halbbrücke (60) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8, bei dem die Halbbrücke (60) die zugeordnete Stichleitung (52, 86, 90) wahlweise auf Netzspannung (46, 78) oder Masse (48, 80) schalten kann.