Kfz-Stromversorgungen

Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 3)

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Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich das Anheben der Ausgangskapazität um 100 µF stärker auswirkt als die Erhöhung der Eingangskapazität um 220 µF. Warum dies so ist, erklärt sich, wenn man die an diesen Kondensatoren liegenden Spannungen betrachtet. Wenn der Prüfimpuls angelegt wird und die Eingangsspannung fällt, wird der Eingangskondensator vom Booster entladen, der zwar anläuft, aber nicht mehr von der Eingangsspannung aufgeladen wird. Durch das Entladen der Eingangskondensatoren geht die Spannung zurück, was den Strom zunehmen lässt und für ein noch schnelleres Entladen des Kondensators sorgt. Der Ausgangskondensator muss die Spannung nur bis zum Anlaufen des Boosters puffern. Anschließend wird er wieder auf seine nominelle Spannung aufgeladen, und der Laststrom kommt komplett aus dem Booster. Bei einer höheren Ausgangskapazität ist der Spulenstrom geringfügig höher, da zum Wiederaufladen mehr Energie benötigt wird.

Schnellstart

Unabhängig von der Optimierung der Leistungsstufe wird das Einbrechen der Ausgangsspannung bei einem Prüfimpuls hauptsächlich durch die Verzögerung infolge der Sättigung des Fehlerverstärkers verursacht. Ein Reduzieren dieser Verzögerung würde deutlich mehr Verbesserung bringen als alle anderen angeführten Maßnahmen. Möglich ist dies dann, wenn der Pre-Booster bereits vor dem Abfallen der Eingangsspannung schaltet. Deshalb muss die Ausgangsspannung auf einen Wert eingestellt werden, der stets größer als die maximale Bordnetzspannung ist (z. B. 15,0 V). Mit einem zusätzlichen kleinen FET und einem Widerstand lässt sich diese Funktionalität einfach hinzufügen, wie Bild 6 zeigt.

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Solange der FET geöffnet ist, ist nur der Widerstand aktiv, der die Ausgangsspannung auf 9,0 V einstellt. Dies ist die normale Betriebsart, wenn die Bordnetzspannung bei laufendem oder stehendem Motor größer als 9,0 V ist. Wird das Fahrzeug für längere Zeit geparkt (z. B. an einem Flughafen), sinkt die Bordnetzspannung langsam ab. Sobald sie unter 9,0 V fällt, startet automatisch der Booster, sodass eine stabile Ausgangsspannung für das System erhalten bleibt. Für diesen sehr langsamen Prozess wird keine besondere Optimierung wie für ein Kaltstart-Ereignis benötigt. Das automatische Anlaufen des Pre-Boosters wird nur für einige wenige Systeme benötigt, die immer aktiv sein müssen (z. B. das Keyless-Entry-System oder die Wegfahrsperre). Die Mehrzahl der Systeme sollte dagegen zur Schonung der Batterie abgeschaltet werden. Je nach der einzelnen Anwendung muss der Pre-Booster also bei einem geparkten Auto deaktiviert werden, um ein automatisches Anlaufen zu unterbinden.

Vor dem Anlassen des Fahrmotors wird nun der FET eingeschaltet, der einen zweiten Widerstand parallelschaltet. Da der Boost-Controller stets mit Spannung versorgt wird, beginnt er dann umgehend und ohne Softstart-Verzögerung zu schalten und setzt die Ausgangsspannung auf 15,0 V. Beim Anlassen des Motors kann der Booster, da er bereits arbeitet, sofort verzögerungsfrei reagieren, sobald die Eingangsspannung fällt. Möglich ist dieses Verfahren allerdings nur, weil der Anlasser in modernen Fahrzeugen nicht mehr direkt über das Zündschloss, sondern von einem Mikrocontroller gesteuert wird. Das System kennt den Zustand des Schlüsselschalters oder Starterknopfs und aktiviert dementsprechend den Anlasser. Das Starten des Pre-Boosters vor dem Fahrmotor nimmt nur einige Zehntelmillisekunden in Anspruch und wird vom Fahrer deshalb nicht bemerkt.

Die Werte in Tabelle 6 unterstreichen, welche Vorteile das Starten des Pre-Boosters vor dem Anlegen des Prüfimpulses hat. Ist die Ausgangsspannung auf 9,0 V eingestellt, bricht die Ausgangsspannung um 58 % auf 3,8 V ein. Dieser Wert liegt sogar noch unter der Ausgangsspannung der nachfolgenden Buck-Wandler und führt somit zum Abschalten des elektronischen Systems. Ist der Booster dagegen auf eine Ausgangsspannung von 15,0 V eingestellt, fällt die Ausgangsspannung nur um 15 % auf 12,7 V. Diese Spannung ist deutlich größer als die Ausgangsspannung der anschließenden Buck-Wandler, sodass das System auch während des Prüfimpulses ohne Unterbrechung weiterarbeitet. Darüber hinaus ist der Spulenstrom etwas geringer.

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