DE102014213717A1

DE102014213717A1 - Apparatus and method for operating an electro-active polymer actuator, braking system

Info

Publication number: DE102014213717A1
Application number: DE102014213717.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Paweletz; Michael Donotek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Betreiben eines elektro-aktiven Polymeraktuators (2), mit einem Gleichspannungswandler (9) mit galvanischer Trennung, der einen Transformator (5) aufweist, der auf seiner Niederspannungsseite mit einem Inverter (4) und auf seiner Hochspannungsseite mit einem Gleichrichter (6) verbunden ist, wobei der Gleichrichter (6) ausgangsseitig mit einem mit dem Polymeraktuator (2) verbundenen/verbindbaren Ausgang (8) verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass der Transformator (5) auf seiner Hochspannungsseite zusätzlich mit einem elektrischen Speicher (12) verbunden ist, und dass der Speicher (12) durch einen betätigbaren Schalter (13) mit dem Ausgang (8) verbindbar ist.The invention relates to a device (1) for operating an electroactive polymer actuator (2) with a DC - DC converter (9) having a transformer (5) having on its low voltage side an inverter (4) and on its High-voltage side is connected to a rectifier (6), wherein the rectifier (6) on the output side with a connected to the polymer actuator (2) / connectable output (8) is connected. It is provided that the transformer (5) is additionally connected on its high-voltage side with an electrical memory (12), and that the memory (12) by an actuatable switch (13) with the output (8) is connectable.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektro-aktiven Polymeraktuators, die einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung aufweist, der einen Transformator aufweist, der auf seiner Niederspannungsseite mit einem Inverter und auf seiner Hochspannungsseite mit einem Gleichrichter verbunden ist, wobei der Gleichrichter einen mit dem Polymeraktuator verbundenen/verbindbaren Ausgang aufweist.The invention relates to a device for operating an electro-active polymer actuator, comprising a DC-DC converter having a transformer, which is connected at its low voltage side with an inverter and at its high voltage side with a rectifier, wherein the rectifier with the polymer having connected / connectable output.

Ferner betrifft die Erfindung ein Bremssystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektro-aktiven Polymeraktuators mittels der vorgenannten Vorrichtung.Furthermore, the invention relates to a brake system with such a device and a method for operating an electro-active polymer actuator by means of the aforementioned device.

Stand der TechnikState of the art

Für die Aktuierung von Aktuatoren, die ein polymeres Material aufweisen, sind hohe elektrische Spannungen erforderlich. Bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an einen polymerischen Aktuator entstehen Coulomb’sche Kräfte, welche ein zwischen Elektroden vorhandenes Dielektrikum stauchen und somit eine Aktuierung beziehungsweise Betätigung mit mechanischer Kraftauswirkung hervorrufen. Typischerweise muss die elektrische Spannung dabei 1 kV übersteigen, um das notwendige elektrische Feld innerhalb des elektroaktiven Polymers zu erreichen. Dies stellt relativ hohe Anforderungen an die elektrische Ansteuerung derartiger Aktuatoren, insbesondere in der Automobilindustrie, in welcher die meisten Fahrzeuge derzeit noch mit einem Bordnetz ausgerüstet werden, dessen Betriebsspannung auf 12 V (beziehungsweise 24 V) begrenzt ist.For the actuation of actuators, which have a polymeric material, high electrical voltages are required. When a direct electrical voltage is applied to a polymeric actuator, Coulomb forces are created which compress a dielectric present between electrodes and thus cause an actuation or actuation with a mechanical force effect. Typically, the electrical voltage must exceed 1 kV in order to achieve the necessary electric field within the electroactive polymer. This places relatively high demands on the electrical control of such actuators, especially in the automotive industry, in which most vehicles are currently still equipped with a vehicle electrical system whose operating voltage is limited to 12 V (or 24 V).

Aus diesem Grund ist es bekannt, einen Gleichspannungswandler vorzusehen, der eine an seinem Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau an seiner Ausgangsseite umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mithilfe einer oder mehrerer periodisch arbeitender elektronischer Schalter, insbesondere Halbleiterschalter. Zum Umsetzen einer niedrigeren Spannung in eine höhere Spannung wird ein Transformator eingesetzt, welcher zwischen der Niederspannungsseite und der Hochspannungsseite des Gleichspannungswandlers liegt. For this reason, it is known to provide a DC-DC converter which converts a DC voltage supplied at its input into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level at its output side. The implementation takes place with the aid of one or more periodically operating electronic switches, in particular semiconductor switches. To convert a lower voltage to a higher voltage, use is made of a transformer which lies between the low-voltage side and the high-voltage side of the DC-DC converter.

Bekannte Gleichspannungswandler lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren und in verschiedene Topologien einteilen, beispielsweise in lineare, hart-schaltende und weich-schaltende Topologien. Betrachtet man die Gruppe der hart-schaltenden Gleichspannungswandler genauer, so lassen sich diese weiter in galvanisch getrennte und nicht-galvanisch getrennte Topologien unterteilen, welche sich durch das Vorhandensein einer Speicherdrossel beziehungsweise Transformators bei den galvanisch getrennten Topologien von den nicht-galvanisch getrennten Topologien unterscheiden. Zu den galvanisch getrennten Topologien gehören insbesondere der Sperrwandler, der Eintaktflusswandler sowie der Gegentaktflusswandler. Known DC-DC converters can be classified according to various criteria and divided into different topologies, for example into linear, hard-switching and soft-switching topologies. Looking more closely at the group of hard-switching DC-DC converters, these can be further subdivided into galvanically separated and non-galvanically isolated topologies, which differ from the non-galvanically separated topologies due to the presence of a storage choke or transformer in the galvanically separated topologies. The galvanically isolated topologies include, in particular, the flyback converter, the single-ended flux converter and the push-pull flux converter.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die zum Betätigen eines elektro-aktiven Polymeraktuator notwendige Energie beziehungsweise Spannung auf einfache Art und Weise bei Verwendung eines galvanisch-getrennten Gleichspannungswandlers zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der Transformator auf seiner Hochspannungsseite, insbesondere an seiner Sekundärwicklung nach der Gleichrichtung seiner Ausgangsspannung, zusätzlich mit einem elektrischen Speicher zu dessen Aufladung verbunden ist, und dass der elektrische Speicher durch einen betätigbaren Schalter mit dem Ausgang des Gleichrichters verbindbar ist, um dort die Ausgangsspannung, mit welcher der elektro-aktive Polymeraktuator beaufschlagt wird, durch die in dem elektrischen Speicher gespeicherte Energie beziehungsweise Spannung über das Ausgangsniveau des Gleichrichters hinaus zu erhöhen. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, den Polymeraktuator in einem Spannungsnetz beziehungsweise Bordnetz zu betreiben, das grundsätzlich ein niedrigeres Spannungsniveau aufweist, als es für die Betätigung des Polymeraktuators notwendig wäre. Insbesondere werden dadurch vorhandene Grenzen des Bordnetzstroms nicht überschritten und dennoch eine ausreichende Dynamik des Polymeraktuators gewährleistet, so dass dieser beispielsweise auch in einem Bremssystem oder Lenk- und Stellsystem eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist. Durch das Betätigen des Schalters wird zusätzliche elektrische Energie in kurzer Zeit geliefert (Boosten), die einen zusätzlichen, temporären Energiebedarf in der anfänglichen Phase der Aktuierung kompensiert und eine ausreichende Energieversorgung für eine schnelle, möglichst verlustarme Aktuierung gewährleistet. Dabei wird das Bordnetz des Kraftfahrzeugs nicht zusätzlich belastet, so dass keine anderen Funktionen des Kraftfahrzeugs durch die Betätigung des Polymeraktuators beeinträchtigt werden. The device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the energy or voltage necessary for actuating an electro-active polymer actuator is provided in a simple manner when using a galvanically-separated DC-DC converter. According to the invention, it is provided for this purpose that the transformer is additionally connected on its high-voltage side, in particular on its secondary winding after the rectification of its output voltage, with an electrical store for its charging, and that the electrical store can be connected to the output of the rectifier by means of an actuatable switch. there to increase the output voltage, which is applied to the electro-active polymer actuator, by the stored energy in the electrical memory or voltage beyond the output level of the rectifier addition. This makes it possible in a simple manner to operate the polymer actuator in a voltage network or electrical system, which in principle has a lower voltage level than would be necessary for the actuation of the polymer actuator. In particular, this does not exceed existing limits of the electrical system current and still ensures sufficient dynamics of the polymer actuator, so that it can be used for example in a brake system or steering and positioning system of a motor vehicle. By actuating the switch additional electrical energy is supplied in a short time (boosting), which compensates for an additional, temporary energy requirement in the initial phase of the actuation and ensures sufficient energy supply for a fast, low-loss actuation as possible. In this case, the electrical system of the motor vehicle is not additionally loaded, so that no other functions of the motor vehicle are affected by the actuation of the polymer actuator.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Transformator und dem Speicher ein weiterer Gleichrichter geschaltet ist. Der weitere Gleichrichter dient als Lade-Gleichrichter, der die insbesondere von einer Hilfswicklung des Transformators bereitgestellte Wechselspannung auf eine zum Laden vorteilhafte Gleichspannung wandelt. Vorzugsweise ist in diesem Fall der Transformator als 3-Wicklungstransformator ausgebildet. Die Leistung der Hilfswicklung des Transformators, die insofern als Ladewicklung dient, ist wesentlich kleiner als die der Hauptwicklung. Das Übersetzungsverhältnis dieser Wicklung kann vorteilhafterweise höher sein als die der Hauptwicklung, um die notwendige Spannungserhöhung beim Boosten zu erreichen.According to an advantageous development of the invention, it is provided that a further rectifier is connected between the transformer and the memory. The further rectifier serves as a charging rectifier, which converts the AC voltage provided in particular by an auxiliary winding of the transformer to a DC voltage which is advantageous for charging. Preferably in this case the transformer is used as a Winding transformer formed. The power of the auxiliary winding of the transformer, which serves as charging winding, is substantially smaller than that of the main winding. The ratio of this winding can be advantageously higher than that of the main winding to achieve the necessary voltage increase during boosting.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Gleichrichter und dem Ausgang ein Filter zwischengeschaltet ist. Durch den Filter wird die von dem Gleichspannungswandler ausgegebene Gleichspannung vorteilhafterweise geglättet, um Zusatzverluste im Polymeraktuator zu reduzieren. Furthermore, it is preferably provided that a filter is interposed between the rectifier and the output. Advantageously, the DC voltage output by the DC-DC converter is smoothed by the filter in order to reduce additional losses in the polymer actuator.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Transformator als 3-Wicklungstransformator ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise eine der Wicklungen der Niederspannungsseite, eine weitere der Wicklungen dem Gleichrichter (Hauptrichtung) des Gleichspannungswandlers und die verbleibende Wicklung (Ladewicklung) dem Energiespeicher zugeordnet. Vorzugsweise sind die Übersetzungsverhältnisse des 3-Wicklungstransformators derart gewählt, dass die resultierende Spannung der dem Energiespeicher zugeordneten Ladewicklung stets größer ist als die Spannung der dem Gleichrichter des Gleichspannungswandlers zugeordneten Hauptwicklung.Furthermore, it is preferably provided that the transformer is designed as a 3-winding transformer. In this case, preferably one of the windings of the low-voltage side, a further one of the windings is assigned to the rectifier (main direction) of the DC-DC converter and the remaining winding (charging winding) to the energy store. Preferably, the transmission ratios of the 3-winding transformer are selected such that the resulting voltage of the charging coil associated with the energy store is always greater than the voltage of the main winding associated with the rectifier of the DC-DC converter.

Das erfindungsgemäße Bremssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Dadurch wird ein Bremssystem mit einem elektro-aktiven Polymeraktuator zur Verfügung gestellt, das auch dann eine sichere Betätigung einer Bremseinrichtung gewährleistet, wenn das Versorgungsnetz, insbesondere das Bordnetz, des das Bremssystem aufweisenden Kraftfahrzeugs ein Spannungsniveau aufweist, das unterhalb des für eine vorteilhafte Aktivierung des elektro-aktiven Polymeraktuators notwendigen Spannungsniveaus liegt. Es ergeben sich hierdurch die zuvor bereits genannten Vorteile. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich ebenfalls aus dem zuvor Beschriebenen.The braking system according to the invention with the features of claim 5 is characterized by the device according to the invention. As a result, a brake system with an electro-active polymer actuator is provided, which ensures safe operation of a braking device even if the supply network, in particular the electrical system, of the brake system having motor vehicle has a voltage level below the for an advantageous activation of the electro active polymer actuator necessary voltage levels is. This results in the advantages already mentioned above. Further features and advantages also result from the previously described.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 zeichnet sich dadurch aus, dass der Transformator auf seiner Hochspannungsseite zusätzlich mit einem elektrischen Speicher zu dessen Aufladung verbunden wird und dass der Energiespeicher bei Bedarf mit dem Ausgang verbunden wird, um das Niveau der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers kurzzeitig zu erhöhen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.The method according to the invention with the features of claim 6 is characterized in that the transformer is additionally connected on its high voltage side with an electrical memory to charge it and that the energy storage is connected to the output as needed to the level of the output voltage of the DC-DC converter for a short time to increase. This results in the already mentioned advantages.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. To show:

1 den Strombedarf eines elektro-aktiven Polymeraktuators in einem Diagramm, 1 the power requirement of an electro-active polymer actuator in a diagram,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Vorrichtung zum Betreiben eines elektro-aktiven Polymeraktuators, 2 A first embodiment of an advantageous device for operating an electro-active polymer actuator,

3 eine graphische Darstellung der Funktion der Vorrichtung und 3 a graphical representation of the function of the device and

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. 4 a further embodiment of the device.

1 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Stroms i über die Zeit t eines elektro-aktiven Polymeraktuators einer Bremseinrichtung bei einem Bremsvorgang. Charakteristisch für diese Art von Polymeraktuatoren ist, dass zum Anfang der Aktuierung ein relativ hoher Strom mit steiler Anstiegsflanke I notwendig ist. Der dafür entsprechende Energiebedarf überschreitet die üblichen Begrenzungen von Bordnetzen von Kraftfahrzeugen, die üblicherweise bei 12 V liegt. Die dynamische Stromgrenze eines üblichen Bordnetzes ist hierbei durch eine Linie II im Vergleich angedeutet. Der oberhalb der Linie II liegende Bereich III stellt somit die für die Betätigung eines elektro-aktiven Polymeraktuators zusätzlich notwendige Energie dar. 1 shows in a diagram the course of the current i over the time t of an electro-active polymer actuator of a braking device in a braking operation. Characteristic of this type of polymer actuators is that at the beginning of the Aktuierung a relatively high current with steep rising edge I is necessary. The corresponding energy requirement exceeds the usual limits of motor vehicle electrical systems, which is usually 12V. The dynamic current limit of a conventional electrical system is indicated here by a line II in comparison. The region III lying above the line II thus represents the energy which is additionally necessary for the actuation of an electro-active polymer actuator.

Mit der in 2 vereinfacht dargestellten Vorrichtung kann diese zusätzliche Energie auf einfache und kostengünstige Art und Weise sicher bereitgestellt werden. 2 zeigt dazu die Vorrichtung 1, die einen elektro-aktiven Polymeraktuator 2 mit einem Bordnetz 3 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs verbindet. Der Polymeraktuator 2 ist beispielsweise einer Bremseinrichtung des Bremssystems zugeordnet, um diese zu betätigen. With the in 2 In a simplified manner, this additional energy can be safely provided in a simple and cost-effective manner. 2 shows the device 1 containing an electro-active polymer actuator 2 with a wiring system 3 a motor vehicle not shown here connects. The polymer actuator 2 For example, is associated with a braking device of the brake system to operate them.

Die Vorrichtung 1 weist einen Inverter 4 auf, der zwischen dem Bordnetz 3 und einer Niederspannungsseite eines Transformators 5 geschaltet ist. Auf seiner Hochspannungsseite ist der Transformator 5 mit einem Gleichrichter 6 verbunden. Der Transformator 5 ist insbesondere als Hochfrequenz-Transformator ausgebildet. Der Ausgang des Gleichrichters 6 ist mit einem Filter 7 verbunden, der die von dem Gleichrichter 6 bereitgestellte Gleichspannung glättet, und an einem Ausgang 8 dem Polymeraktuator 2 zur Verfügung stellt. Der Inverter 4, der Transformator 5 und der Gleichrichter 6 stellen insofern einen Gleichspannungswandler 9 dar, der das Spannungsniveau des Bordnetzes 3 insbesondere erhöht, um den Polymeraktuator 2 zu betreiben.The device 1 has an inverter 4 on that between the electrical system 3 and a low voltage side of a transformer 5 is switched. On its high voltage side is the transformer 5 with a rectifier 6 connected. The transformer 5 is designed in particular as a high-frequency transformer. The output of the rectifier 6 is with a filter 7 connected to that of the rectifier 6 DC voltage provided, and at an output 8th the polymer actuator 2 provides. The inverter 4 , the transformer 5 and the rectifier 6 provide a DC-DC converter 9 representing the voltage level of the electrical system 3 especially increased to the polymer actuator 2 to operate.

Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Baugruppe 10 auf, die zum Speichern und Freigeben elektrischer Energie ausgebildet ist. Dazu weist die Baugruppe 10 einen weiteren Gleichrichter 11 auf, der mit einem weiteren Ausgang des Transformators 5 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter 11 mit einem elektrischen Energiespeicher 12 verbunden. Der weitere Gleichrichter 11 ist dabei derart ausgebildet, dass er einen vorteilhaften Ladestrom für den Energiespeicher 12 zur Verfügung stellt. Der Energiespeicher 12 ist weiterhin durch einen betätigbaren Schalter 13 mit dem Ausgang 8 der Vorrichtung 1 beziehungsweise des Gleichspannungswandlers 9 verbunden. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Steuereinheit 14 auf, die mit dem weiteren Gleichrichter 11, dem Gleichrichter 6, dem Energiespeicher 12, dem Schalter 13 und dem Polymeraktuator 2 verbunden ist. Zum Betätigen des Schalters 13 weist die Steuereinheit 14 bevorzugt, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt, eine Hystereseschaltung 15 auf.The device 1 also has an assembly 10 on, which is designed to store and release electrical energy. This is indicated by the module 10 another rectifier 11 on top of that with another output of the transformer 5 connected is. The output side is the rectifier 11 with an electrical energy storage 12 connected. The further rectifier 11 is designed such that it has an advantageous charging current for the energy storage 12 provides. The energy storage 12 is still by an actuatable switch 13 with the exit 8th the device 1 or the DC-DC converter 9 connected. Furthermore, the device 1 a control unit 14 on, with the other rectifier 11 , the rectifier 6 , the energy storage 12 , the switch 13 and the polymer actuator 2 connected is. To operate the switch 13 has the control unit 14 preferably, as shown in the present embodiment, a hysteresis circuit 15 on.

Im Betrieb wird der elektrische Speicher 12 kontinuierlich durch den mit dem weiteren Ausgang des Transformators 5 verbundenen Gleichrichter 11 aufgeladen. Gleichzeitig ist der Energiespeicher 12 auch mit dem Polymeraktuator 2 derart verbunden, dass von dem Polymeraktuator 2 nicht benötigte Energie in den Energiespeicher 12 abgeführt wird. Es erfolgt somit eine Rückgewinnung von Energie. In operation, the electric storage 12 continuously through the with the other output of the transformer 5 connected rectifier 11 charged. At the same time is the energy storage 12 also with the polymer actuator 2 connected such that of the polymer actuator 2 energy not needed in the energy storage 12 is dissipated. There is thus a recovery of energy.

Um den elektro-aktiven Polymeraktuator 2 zu betreiben, insbesondere, um das in 1 angedeutete vorteilhafte Verhalten zu erreichen, wird bei der Ansteuerung des Polymer-Aktuators 2 der Schalter 13 betätigt, um den Energiespeicher 12 mit dem Ausgang 8 zu verbinden, so dass die von dem Gleichspannungswandler 9 beziehungsweise von der Vorrichtung 1 insgesamt zur Verfügung gestellte Energie beziehungsweise Spannung die zur Betätigung des Polymeraktuators 2 notwendige Spannung in kürzester Zeit erreicht. Nach der Betätigung des Polymeraktuators 2 kann die überschüssige Energie wieder zurück in den Speicher 12 geführt werden, wie zuvor bereits erwähnt. Es ergeben sich hieraus folgende Vorteile für die Aktuierung von elektro-aktiven Polymeraktuatoren in Fahrzeugen: zum einen wird eine hohe Dynamik im Spannungsaufbau der Aktuatorversorgung gewährleistet, ohne dass das Bordnetz 3 eine zusätzliche Belastung erfährt. Es erfolgt eine Energierückgewinnung und es wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Darüber hinaus entstehen weniger Spannungs- und Stromrippel bei der Spannungsversorgung des Polymeraktuators 2 und damit eine reduzierte Erwärmung und ein verbesserter Wirkungsgrad. Insgesamt lässt sich der Polymeraktuator 2 dadurch vorteilhaft regeln und es entsteht nur ein geringer Isolationsaufwand für Hochspannungselemente des Systems.To the electro-active polymer actuator 2 to operate, in particular, to the in 1 indicated advantageous behavior is achieved in the control of the polymer actuator 2 the desk 13 pressed to the energy storage 12 with the exit 8th to connect, so that of the DC-DC converter 9 or from the device 1 total energy or voltage available to actuate the polymer actuator 2 necessary voltage reached in no time. After actuation of the polymer actuator 2 The excess energy can be returned back to the store 12 be led, as previously mentioned. This results in the following advantages for the actuation of electro-active polymer actuators in vehicles: on the one hand, a high dynamics in the voltage build-up of the actuator supply is ensured without the on-board network 3 undergoes an additional burden. There is an energy recovery and it is achieved a high efficiency. In addition, less voltage and current ripple arise in the power supply of the polymer actuator 2 and thus a reduced heating and improved efficiency. Overall, the polymer actuator can be 2 This advantageously regulate and there is only a small amount of insulation for high-voltage elements of the system.

Durch Integration der beschriebenen Vorrichtung 1 in ein Bremssystem wird erreicht, dass am Anfang des Bremsvorgangs bereits hohe, also über die Grenzen eines üblichen Bordnetzes hinausgehende elektrische Energie bereitgestellt wird, die den zusätzlichen, temporären Energiebedarf bei der anfänglichen Phase des Bremsvorgangs kompensiert und eine ausreichende Energieversorgung gewährleistet. Insbesondere ist dies mittels eines modifizierten galvanisch-getrennten Gleichspannungswandlers 9, wie zuvor beschrieben, möglich. Dieser kann sowohl als hart-schaltender Sperrwandler, Eintaktflusswandler oder Gegentaktflusswandler oder in einer weich-schaltenden Ausführung realisiert werden. Die Systemarchitektur ist auch nach einer entsprechenden Modifikation für andere galvanisch getrennte Topologien denkbar. By integration of the device described 1 In a braking system is achieved that at the beginning of the braking process already high, so beyond the limits of a conventional electrical system beyond electrical energy is provided, which compensates for the additional, temporary energy needs in the initial phase of the braking process and ensures adequate energy supply. In particular, this is by means of a modified galvanically-separated DC-DC converter 9 , as previously described possible. This can be realized both as a hard-switching flyback converter, single-ended flux converter or push-pull flow converter or in a soft-switching design. The system architecture is also conceivable after a corresponding modification for other galvanically isolated topologies.

3 zeigt in einem Diagramm die Versorgungsspannung des Polymeraktuators 2 über die Zeit t, den Strom i sowie die Betätigung des Schalters 13. Die Spannung V und der Strom i werden dabei einmal gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt (V1, i1), und einmal gemäß einer herkömmlichen Variante (V2, i2). Es ist zu erkennen, dass, wenn der Schalter 13 betätigt wird, die Spannung V1 und der Strom i1 sehr viel höhere Werte in kürzerer Zeit erreichen als bei herkömmlichen Gleichspannungswandlern. 3 shows a diagram of the supply voltage of the polymer actuator 2 over the time t, the current i and the operation of the switch 13 , The voltage V and the current i are shown once according to the embodiment of the invention (V1, i1), and once according to a conventional variant (V2, i2). It can be seen that when the switch 13 is actuated, the voltage V1 and the current i1 reach much higher values in a shorter time than with conventional DC-DC converters.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1, wobei aus 2 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden. 4 shows a further embodiment of the device 1 , being out 2 already known elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the above description. In the following, the differences should be dealt with essentially.

Vorliegend ist der Transformator 5 als 3-Wicklungstransformator mit drei Wicklungen w1, w2 und w3 ausgebildet, wobei die Wicklung w1 der Primärseite zugeordnet ist, die Wicklungen w2 und w3 der Sekundärseite. Die Wicklung w2 stellt dabei die Hauptwicklung dar, die dem Gleichrichter 6, der vorliegend als nicht-gesteuerter Gleichrichter ausgebildet ist, zugeordnet ist. Die zweite Wicklung w3 auf der Sekundärseite ist hingegen der Baugruppe 10 zugeordnet und dazu mit dem weiteren Gleichrichter 11 verbunden. Der Gleichrichter 11 ist dabei als geregelter Gleichrichter mit einer Strombegrenzungsimpedanz Z_CR ausgebildet. Dem elektrischen Speicher 12 ist ein Spannungssensor 16 zugeordnet, zur Erfassung des Ladezustands des Speichers 12. Ebenso ist dem Polymeraktuator 2 ein Spannungssensor 17 zugeordnet, und dem Ausgang 8 ein Stromsensor 18. Dem Ausgang 8 beziehungsweise dem Eingang des Polymeraktuators 2 ist außerdem ein zusätzlicher Ladewiderstand 19 zugeordnet, der durch einen Schalter 20 der Versorgungsspannung an dem Ausgang 8 des Filters 7 verbunden werden. Die Steuereinheit 14 steuert den Schalter 20 an. Ein Positionssensor 21 erfasst die Position des durch den Polymeraktuators 2 betätigten Elements und meldet dies an die Steuereinheit 14, die entsprechend die Bewegung des Polymeraktuators regeln oder steuern kann. Wie bereits erwähnt, ist der Polymeraktuator 2 einer Bremseinrichtung 22 eines hier nicht näher dargestellten Bremssystems 23 zugeordnet. Die Bremskraft wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) zu der Eingangsspannung aus dem Bordnetz 3 gesteuert beziehungsweise geregelt. Der Inverter 4, der vorliegend als Hochfrequenz-Inverter ausgebildet ist, ist ebenfalls mit der Steuereinheit 14 verbunden. Zwischen dem Inverter 4 und dem Bordnetz 3 ist außerdem ein Stromsensor zum Erfassen des Bordnetzstroms vorgesehen. Die durch den Inverter 4 erzeugte Wechselspannungskomponente wird im Transformator 5 umgesetzt. Die relativ klein dimensionierte Wicklung w3 wird im gesteuerten Gleichrichter 11 gleichgerichtet. Das richtige Niveau der Ladespannung des elektrischen Speichers 12 wird kontrolliert und auch mithilfe des Sensors 16 überwacht. Beim Boosten, also beim Betätigen des Polymeraktuators 2 wird der Schalter 13 betätigt, so dass der elektrische Speicher 12 mit dem Ausgang 8 vorliegend vor dem Filter 7 verschaltet wird, um die zusätzliche Energie des Speichers 12 zur Verfügung zu stellen. Die Eingangsspannung des Polymeraktuators 2 wird dadurch bereits zu Beginn erhöht, und dadurch auch die erzeugte Bremskraft.The present is the transformer 5 is formed as a 3-winding transformer with three windings w1, w2 and w3, wherein the winding w1 is assigned to the primary side, the windings w2 and w3 of the secondary side. The winding w2 represents the main winding, which is the rectifier 6 , which in the present case is designed as an uncontrolled rectifier. The second winding w3 on the secondary side, however, is the assembly 10 assigned and with the other rectifier 11 connected. The rectifier 11 is designed as a regulated rectifier with a current limiting impedance Z _CR . The electric store 12 is a voltage sensor 16 assigned, for detecting the state of charge of the memory 12 , Likewise, the polymer actuator 2 a voltage sensor 17 assigned, and the output 8th a current sensor 18 , The exit 8th or the entrance of the polymer actuator 2 is also an additional charging resistor 19 assigned by a switch 20 the supply voltage at the output 8th of the filter 7 get connected. The control unit 14 controls the switch 20 at. A position sensor 21 detects the position of the polymer actuator 2 actuated element and reports this to the control unit 14 which can accordingly regulate or control the movement of the polymer actuator. As already mentioned, the polymer actuator is 2 a braking device 22 a brake system, not shown here 23 assigned. The braking force is converted by pulse width modulation (PWM) to the input voltage from the electrical system 3 controlled or regulated. The inverter 4 , which in the present case is designed as a high-frequency inverter, is also connected to the control unit 14 connected. Between the inverter 4 and the electrical system 3 In addition, a current sensor for detecting the electrical system current is provided. The through the inverter 4 generated AC component is in the transformer 5 implemented. The relatively small-sized winding w3 is in the controlled rectifier 11 rectified. The right level of charging voltage of the electrical storage 12 is controlled and also using the sensor 16 supervised. When boosting, so when pressing the polymer actuator 2 becomes the switch 13 operated, so that the electric storage 12 with the exit 8th in the present case in front of the filter 7 is connected to the extra energy of the memory 12 to provide. The input voltage of the polymer actuator 2 is thereby increased already at the beginning, and thereby also the generated braking force.

Der Filter 7 reduziert die Spannungsoberwellen und dadurch die Zusatzströme und Verlust in dem Material des Polymeraktuators 2 und seiner Kontaktierung. The filter 7 reduces the voltage harmonics and thereby the additional currents and loss in the material of the polymer actuator 2 and his contact.

Die Übersetzungsverhältnisse w2/w1 und w3/w1 des 3-Wicklungstransformators 5 sind so gewählt, dass die resultierende Spannung der Ladewicklung w3 stets größer als die Spannung der Hauptwicklung w2 ist. Nach der Beendigung des Bremsvorgangs beziehungsweise Betätigung des Polymeraktuators 2 wird die überschüssige elektrische Energie des Polymeraktuators 2 entweder in den Speicher 12 oder abhängig von dem Zustand des Speichers 12 über den geregelten Gleichrichter 11 und den Inverter 4 zurück in das Bordnetz 3 eingespeist. Der zusätzliche Entladewiderstand 19 kann durch Schließen des Schalters 20 die überschüssige Energie aufnehmen, wenn beispielsweise der elektrische Speicher 12 seine Kapazitätsgrenze erreicht hat und die Batterie im Bordnetz 3 des Kraftfahrzeugs keine Ladeenergie mehr aufnehmen kann. Ferner kann die überschüssige Energie beispielsweise im Falle eines Unfalls oder zu Servicezwecken über den Entladewiderstand 19 vernichtet beziehungsweise in Wärme umgewandelt werden. Vorzugsweise sind die Elemente der Vorrichtung 1, die mit Hochspannung beaufschlagt sind, in einem hermetisch abgeschlossenen Bereich, wie durch eine gestrichelte Linie 24 angedeutet, angeordnet, in dem die Schnittstellen bevorzugt mit einer verstärkten Isolation oder in einer entsprechenden Vergusstechnik ausgeführt sind.The gear ratios w2 / w1 and w3 / w1 of the 3-winding transformer 5 are chosen so that the resulting voltage of the charging winding w3 is always greater than the voltage of the main winding w2. After completion of the braking process or actuation of the polymer actuator 2 becomes the excess electrical energy of the polymer actuator 2 either in the store 12 or depending on the state of the memory 12 over the regulated rectifier 11 and the inverter 4 back to the electrical system 3 fed. The additional discharge resistance 19 can by closing the switch 20 absorb the excess energy when, for example, the electrical storage 12 has reached its capacity limit and the battery in the electrical system 3 of the motor vehicle can no longer absorb charging energy. Further, the excess energy may be in the event of an accident or for service purposes via the discharge resistor, for example 19 destroyed or converted into heat. Preferably, the elements of the device 1 which are subjected to high voltage, in a hermetically sealed area, such as a dashed line 24 indicated, arranged, in which the interfaces are preferably carried out with a reinforced insulation or in a corresponding Vergusstechnik.

Claims

Vorrichtung (1) zum Betreiben eines elektro-aktiven Polymeraktuators (2), mit einem Gleichspannungswandler (9) mit galvanischer Trennung, der einen Transformator (5) aufweist, der auf seiner Niederspannungsseite mit einem Inverter (4) und auf seiner Hochspannungsseite mit einem Gleichrichter (6) verbunden ist, wobei der Gleichrichter (6) ausgangsseitig mit einem mit dem Polymeraktuator (2) verbundenen/verbindbaren Ausgang (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (5) auf seiner Hochspannungsseite zusätzlich mit einem elektrischen Speicher (12) verbunden ist, und dass der Speicher (12) durch einen betätigbaren Schalter (13) mit dem Ausgang (8) verbindbar ist.Contraption ( 1 ) for operating an electro-active polymer actuator ( 2 ), with a DC-DC converter ( 9 ) with galvanic isolation, a transformer ( 5 ), which on its low-voltage side with an inverter ( 4 ) and on its high voltage side with a rectifier ( 6 ), the rectifier ( 6 ) on the output side with one with the polymer actuator ( 2 ) connected / connectable output ( 8th ), characterized in that the transformer ( 5 ) on its high voltage side in addition to an electrical memory ( 12 ) and that the memory ( 12 ) by an actuatable switch ( 13 ) with the output ( 8th ) is connectable.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Transformator (5) und dem Speicher (12) ein weiterer Gleichrichter (11) geschaltet ist.Device according to claim 1, characterized in that between the transformer ( 5 ) and the memory ( 12 ) another rectifier ( 11 ) is switched.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter (6) und dem Ausgang (8) ein Filter (7) zwischengeschaltet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the rectifier ( 6 ) and the output ( 8th ) a filter ( 7 ) is interposed.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (5) als 3-Wicklungstransformator ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transformer ( 5 ) is designed as a 3-winding transformer.

Bremssystem (23), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Bremseinrichtung (22), die einen elektro-aktiven Polymeraktuator (2) aufweist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zum Betreiben des Polymeraktuators (2).Brake system ( 23 ), in particular of a motor vehicle, with at least one braking device ( 22 ) containing an electro-active polymer actuator ( 2 ), characterized by a device ( 1 ) according to one or more of the preceding claims for operating the polymer actuator ( 2 ).

Verfahren zum Betreiben eines elektro-aktiven Polymeraktuators (2), insbesondere mittels einer Vorrichtung (1), nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gleichspannungswandler (9) mit galvanischer Trennung, der einen Transformator (5) aufweist, der auf seiner Niederspannungsseite mit einem Inverter (4) und auf seiner Hochspannungsseite mit einem Gleichrichter (6) verbunden ist, wobei ein Ausgang (8) des Gleichspannungswandlers (9) mit dem elektro-aktiven Polymeraktuator (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (5) auf seiner Hochspannungsseite zusätzlich mit einem elektrischen Speicher (12) zu dessen Aufladung verbunden wird, und dass der elektrische Speicher (12) zur Betätigung des Polymeraktuators (2) mit dem Ausgang (8) verbunden wird.Method for operating an electro-active polymer actuator ( 2 ), in particular by means of a device ( 1 ), according to one or more of the preceding claims, with a DC-DC converter ( 9 ) with galvanic isolation, a transformer ( 5 ), which on its low-voltage side with an inverter ( 4 ) and on its high voltage side with a rectifier ( 6 ), an output ( 8th ) of the DC-DC converter ( 9 ) with the electro-active polymer actuator ( 2 ), characterized in that the transformer ( 5 ) on its high voltage side in addition to an electrical memory ( 12 ) is connected to its charging, and that the electrical memory ( 12 ) for actuating the polymer actuator ( 2 ) with the output ( 8th ) is connected.