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Die Erfindung betrifft ein Bussystem für ein Antriebssystem, welches ein Einspeisemodul, ein Verbrauchermodul und ein Datenkabel, welches das Einspeisemodul mit dem Verbrauchermodul verbindet, umfasst. Dabei weist das Datenkabel mindestens eine erste Ader und eine zweite Ader auf.
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Heutige Antriebssysteme weisen Bussysteme zur Übertragung von Daten zwischen Einspeisemodulen und Verbrauchermodulen auf. Verbrauchermodule, welche auch als Feldgeräte bezeichnet werden, weisen beispielsweise eine Leistungselektronik zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs und eine Steuereinheit zur Steuerung der Leistungselektronik auf. Ein Einspeisemodul ist mit einem Verbrauchermodul mittels eines Datenkabels verbunden, welches mehrere Adern zur Übertragung von Datensignalen aufweist.
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Ein Verbrauchermodul wird in der Regel mit zwei verschiedenen voneinander unabhängigen Spannungsquellen betrieben. Hierbei dient eine Quelle zur Versorgung der Leistungselektronik und damit der Versorgung des elektrischen Antriebs, und eine weitere Quelle zur dient zur Versorgung der Steuereinheit, welche regelungstechnischen Zwecken dient und eine Datenübertragung zu einer übergeordneten Steuerung realisiert.
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Ein Beispiel für ein gattungsgemäßes Bussystem ist unter anderem EtherCAT. Ein solches Bussystem bietet in der Ausprägung als „Power Over EtherCAT“ neben der Übertragung von Daten zusätzlich die Möglichkeit, zwei voneinander unabhängige Spannungsquellen für Verbrauchermodule bereitzustellen.
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Insbesondere bei einem Antriebssystem eines autonomen mobilen Fahrzeugs ist eine Potentialtrennung zwischen der Spannungsversorgung der übergeordneten Steuerung und der Spannungsversorgung des Antriebs erforderlich. Insbesondere kostengünstige Kleinspannungsantriebe mit integrierter Antriebsregelung bieten jedoch keine Potentialtrennung zwischen der Spannungsversorgung der übergeordneten Steuerung und der Spannungsversorgung des Antriebs.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 109 450 A1 ist ein Bussystem bekannt, welches ein Einspeisemodul, ein Verbrauchermodul und ein das Einspeisemodul mit dem Verbrauchermodul verbindendes Datenkabel umfasst. Das Datenkabel weist mehrere Adern zur Übertragung von Datensignalen auf und gestattet zusätzlich die Übertragung von Versorgungsspannungen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2017 214 207 A1 ist ein Stromrichter zur Ansteuerung eines dreiphasigen elektrischen Verbrauchers bekannt. Der Stromrichter umfasst dabei drei Halbbrücken mit je zwei Schaltelementen zur Ansteuerung je einer Phase des elektrischen Verbrauchers.
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Aus der
DE 10 2015 116 800 B3 sind ein Eingabe-/Ausgabemodul für ein Bussystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Moduls bekannt. Das Modul weist induktive Baugruppen und kapazitive Baugruppen auf.
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Aus der
DE 10 2017 005 153 A1 sind ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeuges und ein elektrisches Fahrzeug bekannt. Dabei ist eine Wandlervorrichtung über eine erste Kommunikationsleitung mit einer Steuereinrichtung verbunden.
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Aus der
DE 10 2011 087 828 A1 ist eine Netzwerkkomponente eines Fahrzeugnetzwerks bekannt. Die Komponente umfasst eine Signalverarbeitungseinrichtung, eine Spannungsquelle und eine Koppeleinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem für ein Antriebssystem weiterzubilden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bussystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Bussystem für ein Antriebssystem umfasst ein Einspeisemodul, ein Verbrauchermodul und ein Datenkabel, welches das Einspeisemodul mit dem Verbrauchermodul verbindet. Dabei weist das Datenkabel mindestens eine erste Ader und eine zweite Ader auf, und das Einspeisemodul weist eine potentialtrennende Spannungseinheit auf, welche an einem Ausgang eine Steuerspannung liefert und die Steuerspannung zwischen der ersten Ader des Datenkabels und der zweiten Ader des Datenkabels einspeist. Das Bussystem umfasst ein Kommunikationsmodul, welches eine Gleichspannungsquelle aufweist, welche eine Einspeisespannung liefert und die Einspeisespannung an einen Eingang der Spannungseinheit einspeist. Das Kommunikationsmodul ist über ein weiteres Datenkabel mit dem Einspeisemodul verbunden. Die Spannungseinheit ist als Gleichspannungswandler mit Potentialtrennung zwischen Eingang und Ausgang ausgeführt.
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In dem erfindungsgemäßen Bussystem sind die Gleichspannungsquelle des Kommunikationsmoduls, welche die Einspeisespannung liefert, und die zwischen der ersten Ader und der zweiten Ader einspeiste Steuerspannung, welche über das Datenkabel zu dem Verbrauchermodul übertragen wird, galvanisch getrennt. Ein Kurzschluss zu einem umgebenden Gehäuse in einem dieser Teilnetze hat somit keine direkte Auswirkung auf das andere dieser Teilnetze.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein negativer Pol des Eingangs der Spannungseinheit mit einer Einspeisemasse verbunden, und ein negativer Pol des Ausgangs der Spannungseinheit ist mit einer Steuermasse verbunden, und die Steuermasse ist von der Einspeisemasse galvanisch getrennt. Somit ist die Potentialtrennung zwischen Eingang und Ausgang der Spannungseinheit sicher hergestellt. Die Einspeisemasse ist beispielsweise mit einem Gehäuse elektrisch verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein positiver Pol des Ausgangs der Spannungseinheit über eine Induktivität mit der ersten Ader des Datenkabels verbunden, und ein negativer Pol des Ausgangs der Spannungseinheit ist über eine Induktivität mit der zweiten Ader des Datenkabels verbunden. Durch die Induktivitäten werden Spannungsspitzen reduziert, und ein Kurzschluss von aufmodulierten Datensignalen wird vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verbrauchermodul eine Steuereinheit zum Steuern einer Leistungselektronik auf. Eine Spannungsversorgung der Steuereinheit erfolgt über eine zwischen der ersten Ader des Datenkabels und der zweiten Ader des Datenkabels anliegende Spannung. Die Steuereinheit wird somit von der Spannungseinheit über das Datenkabel versorgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verbrauchermodul eine Leistungselektronik zur Ansteuerung eines Elektromotors auf. Eine Spannungsversorgung der Leistungselektronik erfolgt dabei über eine von einer Versorgungsspannungsquelle gelieferte Versorgungsspannung. Dabei ist ein positiver Pol der Leistungselektronik von einem positiven Pol der Steuereinheit getrennt. Die Versorgung der Leistungselektronik ist somit von der Versorgung der Steuereinheit unabhängig. Die Leistungselektronik und die Steuereinheit sind damit getrennt zuschaltbar sowie abschaltbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind ein negativer Pol der Leistungselektronik, ein negativer Pol der Steuereinheit und ein negativer Pol der Versorgungsspannungsquelle mit einer Versorgungsmasse verbunden. Eine Potentialtrennung bei der Versorgung der Leistungselektronik und der Versorgung der Steuereinheit ist nicht erforderlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Versorgungsmasse über die zweite Ader des Datenkabels und zwei Induktivitäten mit der Steuermasse verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein positiver Pol der Steuereinheit über eine Induktivität mit der ersten Ader des Datenkabels verbunden, und ein negativer Pol der Steuereinheit ist über eine Induktivität mit der zweiten Ader des Datenkabels verbunden. Durch die Induktivitäten werden Spannungsspitzen reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit über einen Übertrager und mindestens einen Kondensator mit der ersten Ader des Datenkabels und der zweiten Ader des Datenkabels verbunden, um ein differenzielles Datensignal an die erste Ader und die zweite Ader zu senden, und/oder um ein differenzielles Datensignal von der ersten Ader und der zweiten Ader zu empfangen. Das Verbrauchermodul ist somit für eine Datenübertragung über das Datenkabel ausgebildet. Dabei ist die Steuereinheit galvanisch von den Adern des Datenkabels getrennt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kommunikationsmodul eine Kommunikationseinheit auf, welche über einen Übertrager und mindestens einen Kondensator mit der ersten Ader des Datenkabels und der zweiten Ader des Datenkabels verbunden ist, um ein differenzielles Datensignal an die erste Ader und die zweite Ader zu senden, und/oder um ein differenzielles Datensignal von der ersten Ader und der zweiten Ader zu empfangen. Das Kommunikationsmodul ist somit für eine Datenübertragung über das Datenkabel ausgebildet. Dabei ist die Kommunikationseinheit galvanisch von den Adern des Datenkabels getrennt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Spannungsversorgung der Kommunikationseinheit über die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Einspeisespannung. Die Versorgung der Kommunikationseinheit und die Versorgung der Steuereinheit sind damit galvanisch getrennt.
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Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines Bussystems.
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In der 1 ist ein Bussystem für ein Antriebssystem schematisch dargestellt. Das Antriebssystem umfasst ein Einspeisemodul 10, ein Kommunikationsmodul 12, ein Verbrauchermodul 20 und ein Datenkabel. Das Datenkabel verbindet das Einspeisemodul 10 mit dem Verbrauchermodul 20. Das Bussystem ist beispielsweise als EtherCAT oder als Power over EtherCAT ausgeführt.
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Das Datenkabel weist eine erste Ader 31 und eine zweite Ader 32 auf. Die erste Ader 31 und die zweite Ader 32 bilden ein Adernpaar, über welches differenzielle Datensignale übertragbar sind. Es ist denkbar, dass das Datenkabel zusätzlich weitere Adern sowie weitere Adernpaare aufweist.
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Das Verbrauchermodul 20 weist eine Leistungselektronik 24 auf. Die Leistungselektronik 24 ist beispielsweise ein Wechselrichter, ein Stromrichter oder ein Inverter und dient zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines dreiphasigen Elektromotors. Die Leistungselektronik 24 umfasst drei Halbbrücken mit je zwei Schaltelementen zur Ansteuerung je einer Phase eines dreiphasigen Elektromotors. Die Schaltelemente der Halbbrücken sind beispielsweise als Transistoren ausgebildet. Vorliegend ist nur eine der Halbbrücken mit einem Phasenanschluss 26 zum Anschluss einer Phase des Elektromotors dargestellt.
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Die Leistungselektronik 24 ist mit einer Versorgungsspannungsquelle 29, die eine Versorgungsspannung UP mit beispielsweise 48 V. liefert, verbunden. Die Versorgungsspannungsquelle 29 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie. Eine Spannungsversorgung der Leistungselektronik 24 erfolgt über die von einer Versorgungsspannungsquelle 29 gelieferte Versorgungsspannung UP.
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Das Verbrauchermodul 20 weist eine Steuereinheit 22 zum Steuern der Leistungselektronik 24 auf. Die Steuereinheit 22 ist über einen Übertrager 125 und einen Kondensator 127 mit der ersten Ader 31 des Datenkabels verbunden. Die Steuereinheit 22 ist über den Übertrager 125 und einen weiteren Kondensator 127 mit der zweiten Ader 32 des Datenkabels verbunden. Die Steuereinheit 22 ist dazu eingerichtet, ein differenzielles Datensignal an die erste Ader 31 und die zweite Ader 32 zu senden, sowie ein differenzielles Datensignal von der ersten Ader 31 und der zweiten Ader 32 zu empfangen.
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Das Kommunikationsmodul 12 weist eine Kommunikationseinheit 18 auf. Die Kommunikationseinheit 18 ist beispielsweise eine übergeordnete Steuerung zum Steuern der Steuereinheit 22. Die Kommunikationseinheit 18 ist über einen Übertrager 125 und einen Kondensator 127 mit der ersten Ader 31 des Datenkabels verbunden. Die Kommunikationseinheit 18 ist über den Übertrager 125 und einen weiteren Kondensator 127 mit der zweiten Ader 32 des Datenkabels verbunden. Die Kommunikationseinheit 18 ist dazu eingerichtet, ein differenzielles Datensignal an die erste Ader 31 und die zweite Ader 32 zu senden, sowie ein differenzielles Datensignal von der ersten Ader 31 und der zweiten Ader 32 zu empfangen.
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Das Kommunikationsmodul 12 weist eine Gleichspannungsquelle 105 auf, welche eine Einspeisespannung UE mit beispielsweise 24 V liefert. Eine Spannungsversorgung der Kommunikationseinheit 18 erfolgt über die von der Gleichspannungsquelle 105 gelieferte Einspeisespannung UE. Ein negativer Pol der Gleichspannungsquelle 105 ist mit einer Einspeisemasse GND-E verbunden. Ein negativer Pol der Kommunikationseinheit 18 ist ebenfalls mit der Einspeisemasse GND-E verbunden.
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Das Einspeisemodul 10 weist eine Spannungseinheit 15 auf. Die Gleichspannungsquelle 105 speist die Einspeisespannung UE an einen Eingang der Spannungseinheit 15 ein. Die Spannungseinheit 15 liefert an einem Ausgang eine Steuerspannung US mit beispielsweise 24 V. Die Spannungseinheit 15 ist als Gleichspannungswandler mit Potentialtrennung zwischen Eingang und Ausgang ausgeführt. Ein negativer Pol des Eingangs der Spannungseinheit 15 ist mit der Einspeisemasse GND-E verbunden.
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Ein positiver Pol des Ausgangs der Spannungseinheit 15 ist über eine Induktivität 121 mit der ersten Ader 31 des Datenkabels verbunden. Ein negativer Pol des Ausgangs der Spannungseinheit 15 ist über eine Induktivität 121 mit der zweiten Ader 32 des Datenkabels verbunden. Die Spannungseinheit 15 speist somit die Steuerspannung US über die Induktivitäten 121 zwischen der ersten Ader 31 und der zweiten Ader 32 ein. Ein negativer Pol des Ausgangs der Spannungseinheit 15 ist mit einer Steuermasse GND-S verbunden. Dabei ist die Steuermasse GND-S von der Einspeisemasse GND-E galvanisch getrennt.
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Ein positiver Pol der Steuereinheit 22 ist über eine Induktivität 121 mit der ersten Ader 31 des Datenkabels verbunden. Ein negativer Pol der Steuereinheit 22 ist über eine Induktivität 121 mit der zweiten Ader 32 des Datenkabels verbunden. Eine Spannungsversorgung der Steuereinheit 22 erfolgt somit über eine zwischen der ersten Ader 31 und der zweiten Ader 32 anliegende Spannung, welche annähernd gleich der von der Spannungseinheit 15 gelieferten Steuerspannung US ist.
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Ein positiver Pol der Leistungselektronik 24 ist von dem positiven Pol der Steuereinheit 22 galvanisch getrennt. Ein negativer Pol der Leistungselektronik 24, ein negativer Pol der Steuereinheit 22 und ein negativer Pol der Versorgungsspannungsquelle 29 sind mit einer Versorgungsmasse GND-P verbunden. Die Versorgungsmasse GND-P ist dabei über die zweite Ader 32 des Datenkabels und zwei Induktivitäten 121 mit der Steuermasse GND-S verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einspeisemodul
- 12
- Kommunikationsmodul
- 15
- Spannungseinheit
- 18
- Kommunikationseinheit
- 20
- Verbrauchermodul
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Leistungselektronik
- 26
- Phasenanschluss
- 29
- Versorgungsspannungsquelle
- 31
- erste Ader
- 32
- zweite Ader
- 105
- Gleichspannungsquelle
- 121
- Induktivität
- 125
- Übertrager
- 127
- Kondensator
- GND-E
- Einspeisemasse
- GND-S
- Steuermasse
- GND-P
- Versorgungsmasse
- UE
- Einspeisespannung
- US
- Steuerspannung
- UP
- Versorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016109450 A1 [0006]
- DE 102017214207 A1 [0007]
- DE 102015116800 B3 [0008]
- DE 102017005153 A1 [0009]
- DE 102011087828 A1 [0010]