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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sequenzgesteuerten Ansteuern von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug, eine Ansteuereinrichtung zum sequenzgesteuerten Ansteuern von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug sowie einen entsprechenden Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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In modernen Fahrzeugen ist eine Vielzahl von Stromverteilern angeordnet, um die verschiedenen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Im Folgenden wird dies am Beispiel von Personenkraftwagen (PKW) beschrieben, die Anwendung ist jedoch nicht auf diese Fahrzeugart beschränkt. Konventionelle 12-V- und 48-V-Stromverteiler verteilen die zugeführte Leistung an die zu versorgenden Verbraucher. Zusätzlich sind optional die abgehenden Leitungen zu den Verbrauchern über (konventionelle) Sicherungen geschützt.
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So beschreiben beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2009 029 166 A1 einen modularen Stromverteiler, die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2010 003 515 A1 einen Stromverteiler mit einer Stromschiene sowie die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2015 104 297 A1 ein Fixierelement zum Anbinden einer Platine, eine Stromschiene und einen damit ausgestatteten Stromverteiler eines Fahrzeugs. Allen Offenbarungen ist gemein, dass eine Steuerung oder Regelung im Sinne einer Begrenzung der Summen-Leistung auf der zuführenden Leitung nicht besteht. Im Fahrzeug sind die Versorgungsleitungen und die Stromverteiler selbst daher auf meist unrealistisch hohe Summenströme ausgelegt.
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DE 10 2013 006 092 A1 offenbart ein Steuergerät sowie ein Verfahren zur Reduktion eines Anwendererlebnisses von Koppeleffekten innerhalb eines elektrischen Netzes. Es wird zunächst eine neue Anforderung einer veränderten elektrischen Leistungsaufnahme für einen ersten Verbraucher innerhalb des Netzes ausgewertet. Anschließend wird ermittelt, ob eine für einen Anwender wahrnehmbare Auswirkung auf die Funktionsweise eines zweiten Verbrauchers für den Fall eines Erfüllens der Anforderung zu befürchten ist. Sofern dies der Fall ist, wird das Anwendererlebnis durch ein allmähliches Herbeiführen der Auswirkung auf die Funktionsweise des zweiten Verbrauchers oder durch Verändern der Leistungsaufnahme eines weiteren Verbrauchers reduziert.
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DE 10 2011 012 958 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer aufladbaren Batterie und mindestens einem hierzu parallel geschalteten Kondensator.
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DE 198 38 248 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung elektrischer Verbraucher in einem Bordnetz, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, bei dem der aktuelle Zustand der elektrischen Verbraucher ständig überwacht wird und deren Ansteuerung durch mindestens eine Steuereinheit erfolgt. Darauf aufbauend wird ein Verfahren zur Ansteuerung elektrischer Verbraucher in einem Bordnetz beschrieben, mit dem unter allen Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeuges der bestmögliche Fahrkomfort gewährleistet wird. Dies wird erreicht durch die Klassifizierung aller elektrischen Verbraucher des Systems in Strategiegruppen, sowie Festlegung von Steueralgorithmen und Prioritäten für die einzelnen Strategiegruppen, die Speicherung der Klassifizierung und der Steueralgorithmen der Strategiegruppen in einem Speicher, die Überwachung aller elektrischen Verbraucher durch die Steuereinheit und Speicherung der erfassten Daten.
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DE 197 25 708 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung wenigstens zweier elektrischer Verbraucher in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung mit pulsweitenmodulierten Signalen, wobei ein während einer Pulspause der pulsweitenmodulierten Signale fließender, von einer Induktivität der elektrischen Verbindungsleitungen abhängiger, Zuleitungsstrom von einer Pufferkapazität aufgenommen wird. Dabei ist vorgesehen, dass die pulsweitenmodulierten Signale zeitlich versetzt generiert werden. Das Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Signale kann zwischen 10% und 90% (willkürlich) variieren, so dass sich die Signale überlagern.
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DE 102 61 739 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung von n elektrischen Verbrauchern in einer Schaltungsanordnung, wobei die Ansteuerung mit pulsweiten modulierten Signalen erfolgt. Es ist sowohl eine die elektromagnetische Verträglichkeit beeinflussende Induktivität L als auch eine diese beeinflussende Kapazität C vorgesehen, mit welcher ein in einer Zuleitung fließender Strom I pufferbar ist. Die n pulsweitenmodulierten Signale werden zeitlich versetzt generiert, derart, dass der Effektivwert eines in der Zuleitung zu den n elektrischen Verbrauchern fließenden Stroms I reduziert ist.
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DE 101 62 522 A1 beschreibt einen Energiezuführabschnitt umfassend einen Energiespeicherabschnitt und einen Energieerzeugungsabschnitt. Der Energiespeicherabschnitt enthält eine Speicherbatterie. Der Energiezuführabschnitt führt elektrische Energie zu einer Vielzahl von am Fahrzeug befindlichen Lasten zu. In Fällen, bei denen die Summe der zuführbaren elektrischen Energie kleiner ist als die Summe der erforderlichen elektrischen Energie, oder in Fällen, bei denen eine elektrische Quantität, die auf die Summe der zuführbaren elektrischen Energie bezogen ist, kleiner ist als eine elektrische Quantität, die auf die Summe der erforderlichen elektrischen Energie bezogen ist, erhöht ein Steuerabschnitt die Summe der zuführbaren elektrischen Energie oder reduziert die Summe der erforderlichen elektrischen Energie.
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DE 10 2014 222 878 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug-Versorgungsnetz, insbesondere 48V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Stromquelle, einen Leistungsverteiler, der über einen Zuleitungsstrompfad an die Stromquelle angebunden ist, sowie zumindest eine Last, die über einen Laststrompfad mit integriertem Halbleiterschalter an den Leistungsverteiler angebunden ist, wobei in den Leistungsverteiler eine Strommesseinheit, eine Spannungsmesseinheit sowie eine Überwachungseinheit integriert sind und wobei die Überwachungseinheit derart eingerichtet ist, dass diese einen drohenden Störfall anhand der Messdaten der Strommesseinheit und/oder der Messdaten der Spannungsmesseinheit erkennt und dass diese ein Abschalten der zumindest einen Last mittels des Halbleiterschalters initiiert, wobei sowohl drohende Überstrom-Störfälle als auch drohende Lichtbogen-Störfälle als drohender Störfall erkannt werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Lösung zur Verringerung der maximal möglichen Summenströme für die Versorgungsleitung eines Stromverteilers oder den Stromverteiler selbst zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum sequenzgesteuerten Ansteuern von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug umfasst die Schritte des Einlesens, des Bestimmens, des Auswählens sowie des Ansteuerns. Der Stromverteiler ist ausgebildet, die dem Stromverteiler über eine Zuleitung zugeführte elektrische Energie an eine Anzahl von (elektrischen) Lasten zu verteilen, beziehungsweise die Anzahl von Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Im Schritt des Einlesens wird ein Maximalwert der zugeführten elektrischen Stromstärke oder ein diese repräsentierender Wert eingelesen. Bei dem Maximalwert kann es sich um einen konstruktiv festgelegten Maximalwert der zuführbaren elektrischen Energie oder Stromstärke handeln, das heißt, einen von der Stromtragfähigkeit der Zuleitung oder dem Stromverteiler abhängigen Maximalwert, oder alternativ um eine maximal zugeführte elektrische Energie handeln, die von weiteren Komponenten und deren Zustand abhängig ist, wie beispielsweise einem Batterieladezustand oder einer Generatorleistung. Ein konstruktiv festgelegter Maximalwert kann einen Sicherheitsabschlag beinhalten. Der Maximalwert kann in einem Speicher abgelegt sein oder an einer Schnittstelle anliegen.
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Im Schritt des Bestimmens wird eine maximale Stromstärke je angeschlossener und/oder zu schaltender Last bestimmt. So kann eine konstruktiv bedingte maximale Stromstärke je zu schaltender Last bestimmt werden. Die maximale Stromstärke je Last ist dabei unter anderem von der von der Last benötigten Energie abhängig. Keine der maximalen Stromstärken je angeschlossener und/oder zu schaltender Last, mit anderen Worten der Anzahl an Lasten, übersteigt dabei den im Schritt des Einlesens eingelesenen Maximalwert.
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Im Schritt des Auswählens wird ein Betriebszyklus ausgewählt, welcher eine Sequenz beschreibt, wie die zugeführte elektrische Energie auf die angeschlossenen Lasten intermittierend geschaltet wird. Dabei ist die Sequenz der Ansteuerung derart gewählt, dass der Maximalwert der zugeführten elektrischen Stromstärke nicht überschritten wird. Der Betriebszyklus definiert eine Schaltdauer je Last und eine Reihenfolge der Ansteuerung der Lasten.
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Im Schritt des Ansteuerns wird eine Schalteinrichtung entsprechend des gewählten Betriebszyklus angesteuert. So werden die Lasten intermittierend geschaltet oder angesteuert. Unter einem Ansteuern einer Last kann hier verstanden werden, dass ein Schalter angesteuert wird, der eine Stromverbindung zwischen der Zuleitung zum Stromverteiler und einer Leitung zu der Last schließt. So kann der Stromverteiler einen Schalter je angeschlossender Last aufweisen, wobei die Schalter einzeln ansteuerbar sind, um die Lasten intermittierend zu schalten.
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Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise bei 12-V- oder 24-V-Stromverteilern für Heizeinrichtungen wie Klimaanlagen. Insbesondere für Heizungsverbraucher wie Frontscheibenheizung, Heckscheibenheizung, Sitzheizung usw. ist aufgrund der thermischen Trägheit der Verbraucher eine Begrenzung der Versorgungsleistung möglich. Die Idee ist, diese Summen-Leistung durch zeitversetztes Schalten (sequenzgesteuert) der Verbraucher auf einen maximalen, der Leitung entsprechenden, festgelegten Wert (Maximalwert) zu begrenzen. 48 V als neue Spannungsebene des Fahrzeugbordnetzes bedarf besonderer Sorgfalt in der Absicherung und dem Schutz der Leitungen. 48-V-Verbraucher im Innenraum bedürfen einer Absicherung, die eine Entflammung durch einen Lichtbogen verhindern kann. Unter der weiteren Annahme, dass 48-V-Verbraucher im Innenraum im Wesentlichen Heizungsverbraucher sind, ist ein sequenzielles Schalten, aufgrund der thermischen Trägheit, möglich. Die zuführende Leitung ist vorteilhafterweise nicht auf einen Summenstrom auszulegen, sondern nur auf den Strom des maximalen Verbrauchers. Da immer ein Verbraucher eingeschaltet ist und die Verbraucher abwechselnd eingeschaltet werden.
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Unter intermittierend kann zeitweilig aussetzend, mit Unterbrechungen, mit zeitlichen Zwischenräumen erfolgend oder verlaufend verstanden werden. So kann der Betriebszyklus eine lastindividuelle Dauer der Ansteuerung bestimmen. Mit anderen Worten ausgedrückt werden Dauer, Häufigkeit und Reihenfolge des Einschaltens lastindividuell festgelegt. So wird die über die Zuleitung bereitgestellte Energie derart verteilt, dass der Maximalstrom nicht überschritten wird und die Energiemenge je nach Priorität und Lastfall „sinnvoll“ auf die angeschlossenen Lasten verteilt wird. Der Maximalwert ist bekannt und wird für die Auslegung/Festlegung der Zuleitung und der Verteilung im Stromverteiler selbst verwendet.
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In einem Schritt des Erfassens wird die zugeführte elektrische Stromstärke oder ein die Stromstärke repräsentierender oder von dieser abgeleiteter Wert für den Schritt des Einlesens des Maximalwerts der zugeführten elektrischen Stromstärke messtechnisch erfasst. So kann bei der Wahl des Betriebszyklus und in der Ansteuerung auf Änderungen bei der zur Verteilung bereitgestellten Energie beziehungsweise Stromstärke reagiert werden.
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So ist eine Überwachung möglich und ermöglicht eine gewisse Autonomie im Bezug auf das Energiemanagement. So kann beispielsweise eine Abschaltung bei Unterspannung inkludiert werden. Die Messung des Stroms am Eingang hat den Vorteil mit einem einzigen Sensor alle abgehenden Leitungen zu überwachen. Zur Auswertung des Eingangsstroms können dazu die Eigenschaften der abgehenden Leitungen wie beispielsweise deren Stromtragfähigkeit mit in einer ausgangsabhängigen Auslösekennlinie verglichen werden. Dies kann durch mehrere Kennlinien, die mit dem Umschalten der Ausgänge „mitlaufen“, realisiert werden. So kann eine Auswerteschaltung pro Pfad eingespart werden.
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Der Betriebszyklus umfasst eine Verarbeitungsvorschrift, die ein paralleles Ansteuern von zumindest zwei Lasten definiert, wenn eine Summenstromstärke der parallel angesteuerten Lasten kleiner oder gleich dem Maximalwert der zugeführten Stromstärke ist. Zumindest eine dritte Last wird dann intermittierend (abwechselnd) zu den zumindest zwei parallel angesteuerten Lasten mit elektrischer Energie versorgt. So kann der maximal zur Verfügung stehende Strom optimal auf die Lasten verteilt werden, um beispielsweise eine maximale Heizleistung aller Heizeinrichtungen (Lasten) bei gleichzeitig Querschnitt-optimierter Zuleitung zu erreichen.
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Der Betriebszyklus kann durch eine Verarbeitung zusätzlicher Information weiter optimiert werden, indem ein Priorisieren der Ansteuerung der Lasten erfolgt. Dabei kann das Priorisieren von einer Anzahl von Faktoren abhängig sein, die sich über die Zeit verändern können. Als zusätzliche Information können beispielsweise ein Fahrzustand, eine Einschaltinformation einer Last, eine Fahrzeugkonfiguration und ergänzend oder alternativ ein Batteriezustand verarbeitet werden. Die zusätzliche Information kann im Schritt des Einlesens zusätzlich eingelesen werden. Als Ergebnis kann zumindest eine Last der Anzahl von Lasten priorisiert werden, sodass der Betriebszyklus für die zumindest eine priorisierte Last im Verhältnis zu den übrigen Lasten ein längeres und/oder häufigeres Ansteuern definiert, um im Verhältnis mehr elektrische Energie bereitzustellen
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Für das Priorisieren sind verschiedenste Szenarien denkbar, wie beispielsweise eine feste Priorisierung, eine Priorisierung nach dem Einschaltzeitpunkt der einzelnen Lasten, eine Priorisierung nach individueller Fahrzeugkonfiguration, eine Priorisierung durch ein übergeordnetes Steuergerät oder eine Priorisierung durch den Fahrzustand. So können sicherheitsrelevante Funktionen den komfortorientierten Funktionen vorgezogen werden. Beispielsweise kann eine Frontscheibenheizung optimal angesteuert werden, in dem diese über eine Sitzheizung priorisiert wird. Mit anderen Worten kann durch eine Verarbeitung der Daten aus dem Batteriemanagement eine Abschaltung von mehr Komfort-orientierten Heizungen, vor der Abschaltung von sicherheitsrelevanteren Heizungen (Frontscheibe, Spiegel, Kamera, Radar...) erfolgen. Zusätzlich können zur Wahl des Betriebszyklus Informationen über den Ladezustand (State-of-Charge, SOC), Gesundheitszustand (State-of-Health, SOH) oder Funktionszustand (State-of-Function, SOF) der Fahrzeugbatterie ausgewertet und genutzt werden. Diese zusätzlichen Informationen über die Fahrzeugbatterie können entweder von außen geliefert oder aus eigenen Messungen am Versorgungseingang abgeleitet werden.
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Im Schritt des Ansteuerns kann zumindest eine Last der Anzahl von Lasten mittels eines PWM-Signals angesteuert werden. So kann eine intermittierende Ansteuerung mit einem PWM-Signal zur Ansteuerung der Lasten kombiniert werden. Über das PWM-Signal kann einfach die bereitgestellte Energiemenge für die Last feingliedrig gesteuert werden.
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Im Unterschied zur bekannten PWM-Ansteuerung von einzelnen Verbrauchern (Lasten) werden optional bei dem vorgestellten Verfahren alle betroffenen Verbraucher als System betrachtet und in einer Sequenz durchgeschaltet. Dies schließt jedoch nicht aus, dass zusätzlich eine PWM (Puls-Weiten-Modulation) zur Ansteuerung der Endstufen (Lasten) genutzt wird. Diese Sequenz kann abhängig von festgelegten Prioritäten der Verbraucher angepasst werden (z.B. Frontscheibenheizung hat Vorrang vor Heckscheibenheizung). Zum Beispiel können Verbraucher mehrmals in einer Sequenz angesteuert werden oder die Einschaltzeiten von Verbrauchern verlängert oder verkürzt werden.
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Eine Verarbeitungsvorschrift des Betriebszyklus kann derart ausgestaltet sein, dass zumindest eine Last mit dem PWM-Signal angesteuert wird, und die anderen Lasten während des Impulsabstandes des PWM-Signals angesteuert werden. Dabei können die anderen Lasten auch alternierend angesteuert werden. So kann eine priorisierte Last mit einem PWM-Signal angesteuert werden und die übrigen Lasten werden ausschließlich während des Impulsabstandes des PWM-Signals angesteuert. So kann immer eine der übrigen Lasten innerhalb des Impulsabstandes des PWM-Signals angesteuert werden oder alternativ die Dauer der Ansteuerung für die übrigen Lasten derart verkürzt werden, dass alle übrigen Lasten intermittierend während des Impulsabstandes angesteuert werden.
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Die erfinderische Idee ist auch in einer Ansteuereinrichtung zum sequenzgesteuerten Ansteuern einer Anzahl von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug umsetzbar. Eine Ansteuereinrichtung umfasst eine Schnittstelle zum Einlesen eines Maximalwerts der zugeführten elektrischen Stromstärke, eine Einrichtung zum Bestimmen einer maximalen Stromstärke je Last, eine Auswahleinrichtung zum Auswählen eines Betriebszyklus, sowie eine Steuerschnittstelle (336) zum Ansteuern der Schalteinrichtung.
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Der Betriebszyklus definiert eine Sequenz der Ansteuerung, wie die elektrische Energie auf die Anzahl von Lasten abwechselnd zu schalten ist. Dabei wird der Maximalwert nicht überschritten. Dabei wird eine Schaltdauer je Last und eine Reihenfolge der Ansteuerung der Lasten festgelegt, um dann im Schritt des Ansteuerns entsprechende Steuersignale bereitzustellen, die die elektrische Energie entsprechend des ausgewählten Betriebszyklus intermittierend auf die Anzahl von Lasten schalten.
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Eine solche vorgestellte Ansteuereinrichtung kann vorteilhafterweise insbesondere für 48-V-Heizungsanwendungen in einen Innenraumstromverteiler mit integrierter Absicherung implementiert werden. Die Trägheit der Heizungsanwendungen kann hier ausgenutzt werden.
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Ferner kann die Ansteuereinrichtung eine Einrichtung zur Lichtbogenerkennung umfassen. Die Einrichtung zur Lichtbogenerkennung ist ausgebildet, einen Störlichtbogen zu erkennen und bei einem erkannten Störlichtbogen ein Ausschaltsignal bereitzustellen, um eine von dem Störlichtbogen betroffene Last abzuschalten. Die Kombination von Lastansteuerung und Absicherung schafft ein besseres Energiemanagement kombiniert mit erhöhten Sicherheitsstandards.
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Eine Einrichtung zur Lichtbogenerkennung kann auch als Lichtbogen-Detektor bezeichnet werden, der anhand einer Frequenzanalyse die für einen Störlichtbogen charakteristischen Frequenzanteile erkennt. Nach Erkennung eines Lichtbogens geben sie ein Auslösesignal beispielsweise an einen Lasttrennschalter, der durch das Öffnen des Stromkreises diesen Störlichtbogen löscht. Bei dem Lasttrennschalter kann es sich um einen Schalter der Schalteinrichtung handeln, über den die Versorgung jeweils einer angeschlossenen Last erfolgt. So kann der Lasttrennschalter ausgebildet sein, den Strom auf die Last entsprechend des Betriebszyklus zu schalten.
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Ferner kann die Ansteuereinrichtung optional eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen zur Kommunikation mit einem Steuergerät. Dabei kann die Kommunikation beispielsweise über einen (Automotive-)Feldbus wie CAN, LIN oder Ethernet erfolgen. Über die Kommunikationsschnittstelle kann eine Information über einen Fahrzustand, eine Einschaltinformation über zumindest eine Last, eine Fahrzeugkonfiguration, einen Batteriezustand und ergänzend oder alternativ eine Information zum Priorisieren zumindest einer Last der Anzahl von Lasten als zusätzliche Information eingelesen werden oder eine Information über einen gewählten Betriebszyklus an das übergeordnete Steuergerät bereitgestellt werden. Die Auswahleinrichtung ist optional ausgebildet, den Betriebszyklus unter Verwendung der zusätzlichen Information auszuwählen. Die Steuerschnittstelle ist optional ausgebildet, die Anzahl von Lasten unter Verwendung der zusätzlichen Information anzusteuern.
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Es wird ein Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug vorgestellt, der eine Variante einer vorgestellten Ansteuereinrichtung zum sequenzgesteuerten Ansteuern von Lasten und eine Anzahl von elektronischen Sicherungen zum Absichern und zum Ansteuern der Anzahl von Lasten umfasst, wobei die Steuerschnittstelle der Ansteuereinrichtung mit den elektronischen Sicherungen elektrisch über je eine Steuerleitung oder eine Busleitung verbunden ist, um die elektrischen Sicherungen entsprechend des Betriebszyklus anzusteuern.
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Der Stromverteiler ermöglicht neben der Begrenzung der Summen-Last auf der zuführenden Leitung auch die Absicherung der abgehenden Leitung gegen Überstrom bzw. Kurzschluss. Dabei reicht gegebenenfalls eine Messschaltung am Eingang der Stromversorgung aus. Es kann entschieden werden ob pfadselektiv oder gesamthaft abgeschaltet wird.
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Wie bereits ausgeführt ist ein beschriebener Stromverteiler ideal für Heizungsanwendungen im Kraftfahrzeug geeignet. So ist der Stromverteiler vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass er für ein 48-V-Bordnetz eingerichtet ist.
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Die vorstehenden und nachstehenden beispielhaften Ausführungen hinsichtlich der Ansteuereinrichtung gelten für das beschriebene Verfahren sowie für das Kraftfahrzeug entsprechend und umgekehrt.
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Die zuvor in dieser Beschreibung beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen sollen auch als in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen durch die vorherige oder folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß Ausführungsformen eines Verfahrens auch entsprechende Mittel und Einrichtungen zur Durchführung der Verfahrensschritte durch beispielhafte Ausführungsformen einer Ansteuereinrichtung oder eines Stromverteilers mit einer entsprechenden Ansteuereinrichtung nach den beschriebenen Aspekten offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln einer Ansteuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrensschrittes auch der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Stromverteiler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Blockschaltbild eines Stromverteilers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Blockschaltbild eines Stromverteilers mit einer Ansteuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 ein Diagramm eines Betriebszyklus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 5 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum sequenzgesteuerten Ansteuern einer Anzahl von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 102, einer Anzahl Lasten 104, einem Stromverteiler 106 und einem sequenzgesteuerten Stromverteiler 108. Der sequenzgesteuerte Stromverteiler 108 ist über ein Zuleitung 110 über den Stromverteiler 106 mit dem Energiespeicher 102 gekoppelt und wird hierüber mit elektrischer Energie versorgt. So ist in dem Kraftfahrzeug 100 schematisch ein Teil eines Bordnetzes 112 dargestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein 48-V-Bordnetz 112.
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Die in 1 dargestellten Einrichtungen des Kraftfahrzeugs 100 sind stark vereinfach dargestellt, um das Prinzip des sequenzgesteuerten Stromverteilers 108 darzustellen. Der Stromverteiler 108 ist im Folgenden immer ohne das vorangestellte Adjektiv beschrieben. Als Lasten 104, die von dem Stromverteiler 108 sequentiell unter Anwendung eines ausgewählten Betriebszyklus geschaltet werden, sind hier eine Frontscheibenheizung 104, zwei Sitzheizungen 104, eine Heizung 104 oder Klimaanlage 104 sowie eine Heckscheibenheizung 104 dargestellt. Bei allen Heizeinrichtungen handelt es sich um elektrische Verbraucher oder Lasten im Fahrzeuginnenraum, die über den Stromverteiler 108 versorgt werden. Wie in Zusammenschau mit 2 ersichtlich wird, umfasst der Stromverteiler eine Schalteinrichtung, die den anliegenden Strom gemäß des gewählten Betriebszyklus auf die Lasten 104 schaltet.
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Der Stromverteiler 108 ist in 2 detaillierter dargestellt. In dem Blockschaltbild in 2 ist ersichtlich, dass der Stromverteiler 108 ausgebildet ist, Lasten 2041, 2042, 2043, 204n mit der auf der Zuleitung 110 bereitgestellten elektrischen Energie zu versorgen. Die Lasten 2041, 2042, 2043, 204n stellen elektrische Verbraucher wie beispielsweise (träge) Heizeinrichtungen dar.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Stromverteiler 108 eine Ansteuereinrichtung 220, eine optionale Messeinrichtung 222 sowie eine Schalteinrichtung 224 mit elektronischen Sicherungen 2241, 2242, 2243, 224n; letztere werden auch als Endstufen bezeichnet.
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Die Ansteuereinrichtung 220 ist ausgebildet, eine über die Zuleitung bereitgestellte elektrische Energie über die Schalteinrichtung 224 intermittierend an die angeschlossenen Lasten zu leiten. Da die Spannung in einem gewissen Toleranzband konstant ist, ist die Energie hauptsächlich von der Stromstärke abhängig. So kann die Summenstromstärke allein dadurch begrenzt werden, dass diese der maximalen Stromstärke der Last mit der größten Stromstärke entspricht, wenn keine weitere Last parallel zur erstgenannten geschaltet wird. Ein Beispiel für einen derartigen Betriebszyklus ist in 4 dargestellt.
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Optional wird ein Teil der Lasten 2041, 2042, 2043, 204n parallel angesteuert, solange die von den Lasten gezogene Energie kleiner oder gleich der an der Zuleitung bereitgestellten Energie ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Summenstromstärke der parallel von der Ansteuereinrichtung 220 geschalteten Lasten 2041, 2042, 2043, 204n kleiner oder gleich der größten Last ist, das heißt der Last mit der größten benötigten Stromstärke.
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Die einzelnen Einrichtungen der Ansteuereinrichtung 220 und deren Funktionalität werden deutlicher mittels des in 3 dargestellten Blockschaltbilds beschrieben. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromverteilers 108; dabei kann es sich um eine Variante eines in 1 oder 2 gezeigten Stromverteilers 108 handeln. Der Stromverteiler 108 umfasst eine Schalteinrichtung 224 sowie eine Ansteuereinrichtung 220. Die Schalteinrichtung 224 ist über eine Zuleitung 110 mit einer Energiequelle verbindbar oder verbunden. Weiterhin ist sind die Lastschalter 2241, 2242, 2243, 224n, auch als Lasttrennschalter 2241, 2242, 2243, 224n bezeichnet, jeweils mit zumindest einer Last 2041, 2042, 2043, 204n verbunden.
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Die Ansteuereinrichtung 220 ist ausgebildet, die Schalteinrichtung 224 derart anzusteuern, dass die angeschlossenen Lasten 204 intermittierend gemäß einem gewählten Betriebszyklus angesteuert werden, wobei ein Maximalwert 338 des zugeführten Stroms größer oder gleich einem maximalen Strom eines maximalen Verbrauchers 204 ist.
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Die Ansteuereinrichtung 220 umfasst eine Schnittstelle zum Einlesen 330, eine Einrichtung zum Bestimmen 332, eine Auswahleinrichtung 334 sowie eine Steuerschnittstelle 336 zum Ansteuern der Schalteinrichtung 224.
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Der in 3 dargestellte Stromverteiler 108 weist eine optionale Messeinrichtung 222 auf, die die Stromstärke 337 auf der Zuleitung 110 misst und einen Maximalwert 338 zugeführten elektrischen Stromstärke 337 ermittelt und der Schnittstelle 330 bereitstellt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Ansteuereinrichtung 220 einen Speicher auf (ohne Bezugszeichen), in dem der Maximalwert 338 abgelegt ist und über die Schnittstelle 330 eingelesen werden kann.
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Die Einrichtung zum Bestimmen 332 ist eingerichtet, eine elektrische Stromstärke 3401, 3402, 3403, 340n je Last 2041, 2042, 2043, 204n zu bestimmen, damit unter Verwendung des Maximalwerts 338 und der Stromstärke 3401, 3402, 3403, 340n sowie eventuell weiterer Informationen oder Parameter ein Betriebszyklus 344 von der Auswahleinrichtung 334 gewählt werden kann. Die Auswahleinrichtung 334 ist eingerichtet, den Betriebszyklus 344 aus in einer Speichereinrichtung 346 abgelegten Anzahl von Betriebszyklen 342 unter Verwendung der bereitgestellten Informationen auszuwählen und ergänzend oder alternativ den Betriebszyklus 344 unter Verwendung der bereitgestellten Informationen zu bestimmen. In beiden Varianten definiert der Betriebszyklus 344 eine intermittierende Ansteuerung der Lasten 204. So definiert der Betriebszyklus 344 eine Schaltdauer je Last 2041, 2042, 2043, 204n und eine Reihenfolge der Ansteuerung der Lasten 2041, 2042, 2043, 204".
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Die Steuerschnittstelle 336 ist ausgebildet, unter Anwendung des ausgewählten Betriebszyklus 344 die Schalteinrichtung 224 über ein Steuersignal 348 anzusteuern, damit die zugeführte Energie gemäß des Betriebszyklus 344 an die angeschlossenen Lasten 204 intermittierend geschaltet wird.
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Optional werden die Lasten 204 über ein PWM-Signal 348 angesteuert bzw. der Strom als PWM-Signal einer oder einer Anzahl von Lasten lastindividuell bereitgestellt.
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In einem besonderen Ausführungsbeispiel umfasst die Ansteuereinrichtung 220 zusätzlich eine Einrichtung 350 zur Lichtbogenerkennung. Diese kann unterschiedlich ausgeprägt sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 350 mit der Messeinrichtung 222 gekoppelt und ausgebildet mittels einer Frequenzanalyse die für einen Störlichtbogen charakteristischen Frequenzanteile zu erkennen. Nach Erkennung eines Lichtbogens ist die Einrichtung 350 zur Lichtbogenerkennung eingerichtet ein Ausschaltsignal 352 oder Auslösesignal 352 auszugeben, welches auf die als Lasttrennschalter 224 wirkende Schalteinrichtung 224 wirkt und durch Öffnen des Stromkreises diesen Störlichtbogen löscht.
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Optional umfasst die Ansteuereinrichtung 220 weiterhin eine Kommunikationsschnittstelle 354 zum Daten- und Informationsaustausch mit einem übergeordneten Steuergerät 360. Dabei kommuniziert die Kommunikationsschnittstelle 360 über einen Automotive-Feldbus wie CAN, LIN, oder Ethernet (z.B. BroadR-Reach) mit dem Steuergerät 360, um zusätzliche Information 356 zu empfangen, welche das Ermitteln des Betriebszyklus und eventuell eine Priorisierung einzelner Lasten 204 beeinflussen.
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Die Steuerschnittstelle 336 der Ansteuereinrichtung 220 ist über eine Steuerleitung 362 oder Busleitung 362 mit der Steuereinrichtung 224 gekoppelt.
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4 zeigt ein Diagramm eines Betriebszyklus 348 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein kartesisches Koordinatensystem stellt auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate eine Stromstärke I dar. In dem dargestellten besonderen Betriebszyklus 348 sind drei Sequenzen zur Ansteuerung von vier Lasten dargestellt. Parallel zur Abszisse ist eine maximale Stromstärke Imax der Versorgungsleitung als Schwellwert dargestellt, der nicht überschritten werden kann. In der ersten Sequenz wird die erste Last zweimal mit Strom versorgt, zuerst von der zweiten und dann von der vierten Last gefolgt. Die zweite Last erhält in der Sequenz die meiste Energie, da zwar nicht die maximale Stromstärke Imax ausgeschöpft wird, aber die Last 2 am längsten versorgt wird (ca. 4-fache Zeit von einer Ansteuerung von Last 1). Die Last 4 wird ca. doppelt so lange wie die Zeit einer Ansteuerung von Last 1 versorgt, sodass Last 1 und Last 4 in Summe auf ca. die gleiche Energiemenge innerhalb der ersten Sequenz kommen.
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Die zweite Sequenz zeigt bereits eine erste Abwandlung, da nun zusätzlich Last 3 angesteuert wird. Auf ein erstes schalten/ansteuern von Last 1 folgt Last 2 und wieder Last 1, um danach zuerst Last 3 und dann Last 4 einzuschalten. Im Vergleich zur ersten Sequenz wird die Last 2 nur halb so lange eingeschaltet.
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Abschließend zeigt der Betriebszyklus 348 nach einem erneuten Schalten von Last 1 eine parallele Ansteuerung von Last 2 und Last 4, wobei deren genutzter Summenstrom kleiner (oder gleich) dem Maximalwert beziehungsweise der maximalen Stromstärke Imax der Versorgungsleitung ist.
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Wenn in diesem Zusammenhang von ansteuern einer Last gesprochen wird, so ist ein Ansteuern des der Last zugeordneten Schalters gemeint, wodurch die Last (während der Zeit des Ansteuerns) mit elektrischer Energie beziehungsweise Strom versorgt wird. Der Schalter wird geschlossen und somit ein Stromkreis geschlossen, sodass die angeschlossene und „angesteuerte“ Last mit elektrischer Energie versorgt wird.
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5 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum sequenzgesteuerten Ansteuern einer Anzahl von Lasten an einem Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das Verfahren umfasst die Schritte des Einlesens S1, des Bestimmens S2, des Auswählens S3 sowie des Ansteuerns S4. Optional wird das Verfahren noch um einen Schritt S5 des Erfassens erweitert.
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So wird ein Maximalwert eingelesen und eine maximale Stromstärke je Last bestimmt. Mit Hilfe dieser Informationen wird ein Betriebszyklus ermittelt oder ausgewählt, der dann eine Basis für eine Ansteuerung von Schaltern zum Versorgen der angeschlossenen Lasten schafft.
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Zu den Ausführungen zu Energiemenge und Stromstärke sei zur Klarstellung noch angemerkt, dass die „Strompakete“ bezüglich des Energieinhaltes steuerbar oder regelbar sind. Dies ist für die Ansteuerung der Lasten im Bezug auf die thermische Trägheit passend. Für die Auslegung der Versorgungsleitung spielt allerdings im Wesentlichen die maximale Stromstärke eine Rolle. So wird der Fachmann sowohl bei der Auslegung der Versorgungsleitung als auch bei der Gestaltung der Steuerung diese Aspekte berücksichtigen und an die Systemanforderungen anpassen.
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Die in dieser Spezifikation beschriebenen Ausführungsbeispiele und diesbezüglich jeweils angeführten optionalen Merkmale und Eigenschaften sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere soll auch die Beschreibung eines von einem Ausführungsbeispiel umfassten Merkmals - sofern nicht explizit gegenteilig erklärt - vorliegend nicht so verstanden werden, dass das Merkmal für die Funktion des Ausführungsbeispiels unerlässlich oder wesentlich ist. Die Abfolge der in dieser Spezifikation geschilderten Verfahrensschritte ist nicht zwingend, alternative Abfolgen der Verfahrensschritte sind denkbar. Die Verfahrensschritte können auf verschiedene Art und Weise implementiert werden. So ist eine Implementierung in Software (durch Programmieranweisungen), Hardware oder eine Kombination von beidem zur Implementierung der Verfahrensschritte denkbar. In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie „umfassen“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“ und/oder dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Unter die Formulierung „zumindest teilweise“ fallen sowohl der Fall „teilweise“ als auch der Fall „vollständig“. Die Formulierung „und/oder“ soll dahingehend verstanden werden, dass sowohl die Alternative als auch die Kombination offenbart sein soll, also „A und/oder B“ bedeutet: „(A) oder (B) oder (A und B)“. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Vorrichtung kann die Funktion mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Einrichtungen bzw. Vorrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und/oder Schritte anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 102
- Energiespeicher
- 104
- Last
- 106
- Stromverteiler
- 108
- sequenzgesteuerter Stromverteiler
- 110
- Zuleitung
- 112
- Bordnetz, 48-V-Bordnetz
- 2041, 2042, 2043, 204n
- Last, elektrischer Verbraucher
- 220
- Ansteuereinrichtung
- 222
- Messeinrichtung
- 224
- Schalteinrichtung, elektronische Sicherung, Endstufe
- 330
- Schnittstelle zum Einlesen
- 332
- Einrichtung zum Bestimmen
- 334
- Auswahleinrichtung
- 336
- Steuerschnittstelle
- 337
- Stromstärke
- 338
- Maximalwert
- 3401, 3402, 3403, 340n
- elektrische Stromstärke
- 342
- Betriebszyklen
- 344
- Betriebszyklus
- 346
- Speichereinrichtung
- 348
- Steuersignal, PWM-Signal
- 350
- Einrichtung zur Lichtbogenerkennung
- 352
- Ausschaltsignal
- 354
- Kommunikationsschnittstelle
- 356
- zusätzliche Information
- 358
- Verarbeitungsvorschrift
- 360
- Steuergerät
- 362
- Steuerleitung, Busleitung
- S1
- Schritt des Einlesens
- S2
- Schritt des Bestimmens
- S3
- Schritt des Auswählen
- S4
- Schritt des Ansteuerns
- S5
- Schritt des Erfassens
