DE19955406A1

DE19955406A1 - Verfahren zur Steuerung von mehreren gleichzeitig von einer Stromquelle betriebenen elektrischen Verbrauchern

Info

Publication number: DE19955406A1
Application number: DE19955406A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Meisner
Original assignee: VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KG
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-23
Also published as: US6600237B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung von mehreren mit getaktetem oder gepulstem Betriebsstrom gleichzeitig von einer Stromquelle betriebenen elektrischen Verbrauchern, werden Zeitpunkt und/oder Dauer der Pulsansteuerung für den Betriebsstrom mindestens eines Verbrauchers in solcher Weise mit dem Betrieb der anderen Verbraucher synchronisiert und derart aufeinander abgestimmt, dass die Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließenden Ströme einen möglichst konstanten Wert annimmt und sowohl die Schwankungen wie auch die Änderungsraten der Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließenden Ströme minimiert werden. Durch das Takten oder Pulsen des Betriebsstromes der elektrischen Verbraucher wird ein Teillastzustand des Verbrauchers eingestellt, oder der Verbraucher wird aus einer Stromversorgung mit höherer Spannung als der Nenn-Betriebsspannung des Verbrauchers betrieben.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung von mehreren mit getaktetem oder gepulstem Betriebsstrom gleichzeitig von einer Stromquelle betriebenen elektrischen Verbrauchern.

Elektrische Verbraucher werden zunehmend nicht mit konstant fließendem Strom, sondern mit getaktetem oder gepulstem Strom betrieben, auch wenn sie aus einer Gleichstromquelle gespeist werden. Anstelle einer Regelung auf einen mittleren und weitgehend konstanten Strom wird eine rasche Umschaltung zwischen Ein- und Aus-Betrieb vorgenommen, wobei durch Wahl der Pulsdauer im zeitlichen Mittel die erforderliche elektrische Leistung aufge nommen wird. Dadurch ist einerseits eine Anpassung der aufgenommenen Leistung an die Bedürfnisse der von dem Verbraucher bedienten Funktion möglich - unabhängig von der von der Versorgungsseite aktuell bereitgestellten Spannung -, andererseits eine stufenlose Re gelung beispielsweise eines Elektromotors oder eines Leuchtmittels.

Die starke Verbreitung dieser Technik in den letzten Jahren ist auf die rasche Entwicklung elektronischer Schalt-Komponenten zurückzuführen. Gegenüber transistorgeregelten Schaltungen besteht ein großer Vorteil in der Ersparnis von Energie (einschließlich geringe rem Aufwand zur Kühlung der Transistoren), Kosten und Bauraum.

Die Pulstechnik führt aber durch den raschen und häufigen Wechsel zwischen Zuständen mit hohem und niedrigem (bzw. gar keinem) Stromfluß zu starken Wechseln in der Stärke des fließenden Stromes mit steilen Stromanstiegsflanken. Üblicherweise wird Zeitpunkt, Pulsdauer und Taktverhältnis von der Komponente oder der ihr zugeordneten Steuereinheit individuell festgelegt, ohne dass eine Abstimmung mit anderen Komponenten vorgenommen wird. Dadurch überlagern sich Strompulse und Stromänderungen von mehreren Kompo nenten in unvorhergesehener Weise.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Steuerung von mit getaktetem oder gepul stem Betriebsstrom betriebenen Verbrauchern anzugeben, durch welches die obengenann ten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Verfahren durch die in Anspruch 1 angeführten Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung wird eine Verminderung der Änderungen des fließenden Ge samtstromes erreicht, wenn elektrische Verbraucher von einer Stromquelle versorgt und mit getaktetem oder gepulstem Strom betrieben werden. Durch die erfindungsgemäßen Maß nahmen wird vermieden, dass die raschen Änderungen des fließenden Stromes zu elektro magnetischen Störungen durch kapazitive und induktive Kopplung sowie durch Abstrahlung führen. Es kommt auch nicht zu einer überproportionalen Belastung der Stromquelle, wenn die fließenden Einzelströme sich kurzfristig ungünstig zu einem Wert aufaddieren, der weit höher ist als der mittlere fließende Strom, oder wenn das Ein- oder Ausschalten zweier Verbraucher gleichzeitig eintritt und so eine hohe und rasche Stromänderung auftritt.

Durch die erfindungsgemäße Koordination des Pulsbetriebes der einzelnen Verbraucher wird erreicht, dass das Verhalten der Verbraucher gar nicht oder nur unwesentlich verändert wird, dass gleichzeitig aber sowohl elektromagnetische Störungen vermindert, die Belastung der Stromquelle vermindert, und die Spannungslage der von der Stromquelle zur Verfügung gestellten elektrischen Energie stabilisiert wird.

Im Falle beispielsweise eines Kraftfahrzeuges wird die Stromversorgung von mindestens einem Generator und mindestens einer Akkumulatorenbatterie übernommen. Bauartbedingt kann der Generator auf rasche Stromänderungen aber nicht reagieren, so dass bei solchen raschen Stromänderungen der Akkumulator vorübergehend diese Laständerung abfangen muß. Dies bedeutet bei Stromanstieg eine Entladung, bei Stromverminderung eine Ladung des Akkumulators. Ein häufiger Lastwechsel wie im Falle gepulster Verbraucher ist jedoch mit elektrischen Energie-Verlusten verbunden, erwärmt den Akkumulator, und kann auch zu erhöhtem Verschleiß des Akkumulators führen. Außerdem können die verstärkten Wechsel der Spannungslage die Einsatzfähigkeit von Verbrauchern beeinträchtigen, die auf solche Spannungswechsel empfindlich reagieren. Solche Beeinträchtigungen sind besonders kri tisch bei für die Betriebssicherheit des Fahrzeuges wichtigen Verbrauchern.

Erfindungsgemäß soll der fließende Strom möglichst konstant gehalten und darüber hinaus die Sprünge im fließenden Gesamtstrom möglichst gering gehalten werden. Letzteres be deutet eine kleinere Stromänderungsrate dl/dt, so dass der Generator einer Stromände rung besser folgen kann und der Akkumulator weniger von der Stromänderung abfangen muß. Zeitpunkt und Dauer der Pulsansteuerung für den Betriebsstrom mindestens eines Verbrauchers werden in solcher Weise mit dem Betrieb anderer Verbraucher synchronisiert und aufeinander abgestimmt, dass die Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließen den Ströme einen möglichst konstanten Wert annimmt und sowohl die Schwankungen wie auch die Änderungsraten der Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließenden Ströme minimiert werden. Das Takten oder Pulsen des Betriebsstromes der elektrischen Verbraucher erfolgt zu dem Zweck, einen Teillastzustand des Verbrauchers einzustellen oder den Verbraucher aus einer Stromversorgung mit höherer Spannung als der Nenn-Be triebsspannung des Verbrauchers zu betreiben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer Recheneinheit die In formation über den vorgesehenen Einschaltzustand ("Aus" oder "Ein" oder "Teillast") getak teter oder gepulster elektrischer Verbraucher bewertet, eine erfindungsgemäße zeitliche Abfolge und Dauer der Einschaltpulse ermittelt, und die Steuerung der zeitlichen Abfolge und der Dauer der Einschaltpulse für die Verbraucher vorgegeben.

In der Recheneinheit kann auch die Information über den vorgesehenen Einschaltzustand ("Aus" oder "Ein" oder "Teillast") getakteter oder gepulster elektrischer Verbraucher bewer tet, eine erfindungsgemäße zeitliche Abfolge und Dauer der Einschaltpulse ermittelt, und diese Information den einzelnen Verbrauchern zu ihrer individuellen Steuerung der zeitlichen Abfolge und Dauer übermittelt werden.

Die zeitliche Synchronisierung von Zeitpunkt und Dauer der Pulse kann durch einen mehre ren Verbrauchern gemeinsamen Taktgeber vorgegeben werden. Der mittlere Betriebsstrom eines Verbrauchers kann geringfügig gegenüber dem eigentlich vorgegebenen 1 vorgese henen Wert verändert werden. Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltdauern der Ströme der einzelnen Verbraucher muss nicht fest gewählt werden, sondern kann in gewissen Grenzen variiert werden, wobei jedoch das über viele Ein-/Aus-Pulse ermittelte mittlere Taktverhältnis im wesentlichen dem Sollwert entspricht.

Die Verbraucher können erfindungsgemäß in ihrer Bedeutung priorisiert werden, und die Variation der Zeitpunkte, der Taktdauern, des mittleren Betriebsstromes, des Verhältnisses von Ein- zu Ausschaltdauern der Ströme eines Verbrauchers niedrigerer Priorität kann so gewählt werden, dass der Verbraucher höherer Priorität eine möglichst hohe Betriebsspan nung während des Fließens seines Betriebsstromes zur Verfügung hat. Bei den Verbrau chern höherer Priorität handelt es sich beispielsweise um sicherheitsrelevante Komponen ten.

Der Informationsaustausch zwischen Verbrauchern, Energiequellen und Recheneinheit erfolgt über mindestens ein Bus-System.

Die nachstehenden Beispiele beschreiben einige Anwendungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Beispiel 1

Die Fahrzeugbeleuchtung eines Fahrzeuges bestehe aus Leuchtmitteln mit Nenn-Betriebs spannung 14 V und soll aus einem 42 V Bordnetz versorgt werden. Dazu werden die beiden Hauptscheinwerfer mit je 50 W sowie 4 Positionsleuchten und die Nummernschildbeleuch tung mit je 10 W mit einem Ein-/Aus-Verhältnis von 1 : 2 mit getaktetem Strom betrieben. Da die Leuchtmittel sehr träge auf Stromschwankungen reagieren, sind z. B. Taktfrequenzen von 50 Hz völlig ausreichend, um Funktionseinschränkungen zu vermeiden.

In einer einfachen Ausführung werden die insgesamt 7 Leuchtmittel in 3 unabhängigen nicht synchronisierten Stromkreisen mit gepulstem Strom I1, I2, I3 betrieben. (Fig. 1), wobei so wohl der Zeitpunkt der Pulse bei gleicher Pulsdauer (vergl.- I1 und I2) wie auch die Puls dauer selbst (vgl. I1 und I2 gegen I3) unterschiedlich sein kann. In diesem Fall überlagern sich die Ströme zufällig und der Gesamtstrom schwankt zwischen einem Vielfachen des Mittelwertes (Iges = I1 + I2 + I3) und Null (Iges = 0). Dies belastet in den Phasen überdurch schnittlicher Ströme die elektrischen Energiequellen überproportional. Eine Batterie z. B. kann diese Last nur bei niedrigerer Spannung versorgen.

Beispiel 2

In dem in Fig. 2 dargestellten Falle sind erfindungsgemäß sowohl Zeitpunkte wie Pulsdau ern aufeinander abgestimmt und deshalb ist der Gesamtstrom stets gleich dem mittleren Strom. Die elektrischen Leistungsverluste sind daher in diesem Fall geringer als im Beispiel 1. Die elektrische Energiequelle kann diesen Strom bei höheren Spannungen abgeben, wodurch letztlich Energie gespart wird.

Auch wenn Fig. 2 einen Idealfall darstellt, bei dem durch günstige Wahl der Parameter Stromschwankungen völlig unterbunden werden, ist in analoger Weise einen Optimierung solcher Art möglich, dass die sich ergebenden Schwankungen des Gesamtstromes mög lichst klein werden.

Beispiel 3

Wenn zwei Verbraucher ein unterschiedliches Ein-/Aus-Verhältnis haben, so werden sich im allgemeinen Zeiten gleichzeitigen Einschaltens nicht immer vermeiden lassen. Durch ge schickte Wahl der Zeitpunkte des Ein- bzw. Ausschaltens kann aber vermieden werden, dass der Stromstärkenwechsel beider Verbraucher gleichzeitig eintritt und dabei ein starker Sprung der Gesamt-Stromstärke eintritt. Werden die Pulse zeitlich versetzt ein- bzw. ausge schaltet, so ergeben sich kleinere Sprünge der Gesamt-Stromstärke. Um dies zu erzielen, kann erfindungsgemäß das Ein-/Aus-Verhältnis oder die mittlere Stromstärke der Verbrau cher geringfügig gegenüber dem Sollwert verändert werden.

Beispiel 4

Wenn zwei Verbraucher eine unterschiedliche Priorität haben, und/oder wenn insbeson dere der Verbraucher höherer Priorität zu seinem Betrieb eine höhere Betriebsspannung benötigt, so wird der Zeitpunkt und/oder die Dauer des Betriebsstrompulses des Verbrau chers niedrigerer Priorität so verändert, insbesondere der Zeitpunkt verschoben und/oder die Pulsdauer verkürzt, dass während des Fließens von Betriebsstrom für den Verbraucher hö herer Priorität der Verbraucher niedrigerer Priorität keinen oder einen niedrigeren Betriebs strom erhält. Dadurch wird die dem Verbraucher höherer Priorität zur Verfügung stehende Betriebsspannung angehoben und seine Funktion sicher gewährleistet.

Dieser Fall ist von besonderem Interesse, wenn der Verbraucher höherer Priorität eine si cherheitsrelevante Funktion wahrnimmt. In einem Kraftfahrzeug ist dies insbesondere eine elektrisch betriebene Komponente, die im weitesten Sinne auf das Fahrwerk Einfluß nimmt, wie etwa ein Brems- oder Lenksystem oder ein Fahrwerks-Stabilisierungs-System.

Beispiel 5

In den in Beispiel 4 genannten Fällen kann darüber hinaus der Zeitpunkt und/oder die Dauer des Betriebsstrompulses des Verbrauchers niedrigerer Priorität so verändert, insbesondere der Zeitpunkt verschoben und/oder die Pulsdauer verkürzt werden, dass auch in Situationen, in denen zwar noch kein Betriebsstrom für den Verbraucher höherer Priorität fließt, seine Funktionsbereitschaft aber besonders zu gewährleisten ist, weil Indizien oder Umstände dafür sprechen, dass der Verbraucher höherer Priorität möglicherweise in Kürze in Betrieb genommen werden wird oder werden muß, der Verbraucher niedrigerer Priorität keinen oder einen niedrigeren Betriebsstrom erhält. Die dem Verbrauer höherer Priorität zur Verfügung stehende Betriebsspannung wird dadurch angehoben und seine Funktion sicher gewährleistet.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von mehreren mit getaktetem oder gepulstem Betriebsstrom gleichzeitig von einer Stromquelle betriebenen elektrischen Verbrauchern, dadurch ge kennzeichnet, dass Zeitpunkt und/oder Dauer der Pulsansteuerung für den Betriebs strom mindestens eines Verbrauchers in solcher Weise mit dem Betrieb der anderen Verbraucher synchronisiert und derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließenden Ströme einen möglichst konstanten Wert annimmt und sowohl die Schwankungen wie auch die Änderungsraten der Summe der zur Versorgung der Verbraucher fließenden Ströme minimiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Takten oder Pul sen des Betriebsstromes der elektrischen Verbraucher ein Teillastzustand des Verbrau chers eingestellt wird oder dass der Verbraucher aus einer Stromversorgung mit höherer Spannung als der Nenn-Betriebsspannung des Verbrauchers betrieben wird

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit die In formation über den vorgesehenen Einschaltzustand ("Aus" oder "Ein" oder "Teillast") getakteter oder gepulster elektrischer Verbraucher bewertet, eine abgestimmte zeitliche Abfolge und Dauer der Einschaltpulse ermittelt und die Steuerung der zeitlichen Abfolge und der Dauer der Einschaltpulse für die Verbraucher vorgibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit die In formation über den vorgesehenen Einschaltzustand ("Aus" oder "Ein" oder "Teillast") getakteter oder gepulster elektrischer Verbraucher bewertet, eine abgestimmte zeitliche Abfolge und Dauer der Einschaltpulse ermittelt, und diese Information den einzelnen Verbrauchern zu ihrer individuellen Steuerung der zeitlichen Abfolge und Dauer über mittelt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Synchronisierung von Zeitpunkt und Dauer der Pulse durch einen meh reren Verbrauchern gemeinsamen Taktgeber vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Betriebsstrom eines Verbrauchers geringfügig gegenüber dem eigent lich vorgegebenen 1 vorgesehenen Wert verändert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltdauern der Ströme der einzelnen Verbraucher variiert wird, wobei das über viele Ein-/Aus-Pulse ermittelte mittlere Taktverhältnis im wesentlichen dem Sollwert entspricht.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher in ihrer Bedeutung priorisiert werden, und dass die Variation der Zeitpunkte, der Taktdauern, des mittleren Betriebsstromes, des Verhältnisses von Ein zu Ausschaltdauern der Ströme eines Verbrauchers niedrigerer Priorität so gewählt werden, dass der Verbraucher höherer Priorität eine möglichst hohe Betriebsspannung während des Fließgins seines Betriebsstromes zur Verfügung hat.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verbrau chern höherer Priorität um sicherheitsrelevante Komponenten handelt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Informationsaustausch über mindestens ein Bus-System erfolgt.