Titel

Ladeverfahren und Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher

Die Erfindung geht aus von einem Ladeverfahren für einen Energiereservespeicher, welcher insbesondere in einem Personensicherheitssystem eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher zur Durchführung eines solchen Ladeverfahrens.

Aus dem Stand der Technik sind als Airbagsysteme ausgeführte Personenschutzsysteme für Fahrzeuge bekannt, welche ein Steuergerät und einen Energiereservespeicher umfassen. Der Energiereservespeicher versorgt das Airbagsystem bei einem Ausfall der Energieversorgung des Fahrzeugs mit Energie, so dass bei einem Unfall eine Auslöseentscheidung getroffen und entsprechende Personenschutzmittel, wie beispielsweise Airbags, Gurtstraffer, etc. aktiviert werden können. Zum Aufladen des Energiereservespeichers werden in den bekannten Airbagsystemen Ladeanordnungen für den Energiereservespeicher eingesetzt, welche den Ladestrom beispielsweise über eine entsprechende Programmierung definieren.

Solche Ladeanordnungen umfassen in der Regel einen Aufwärtsspannungswandler, welcher eine im Fahrzeug verfügbare Batteriespannung von beispielsweise ca. 12 Volt am Eingang auf eine zur Versorgung des Airbagsystems eingesetzte Ausgangsspannung im Bereich von 23 Volt bis 40 Volt erhöht, und eine Ladeschaltung, welche den Energiereservespeicher auf Spannungen im Bereich von 23 Volt bis 40 Volt auflädt. Dadurch können sich an einem Stellelement der Ladeschaltung, insbesondere bei einem vollständig entladenen Energiereservespeicher, wie er üblicherweise bei einem Neustart des Fahrzeugs vorliegt, hohe Verluste ergeben, welche zu einer entsprechenden großen Dimensionierung einer Fläche des korrespondierenden als Ladeschaltung eingesetzten Halbleiterchips führen können. Diese hohen Verluste werden durch einen Ladestrom und eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ausgang der Ladeschaltung und einem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers verursacht, welcher mit einem Eingang der Ladeschaltung elektrisch verbunden ist.

Offenbarung der Erfindung

Das Ladeverfahren für einen Energiereservespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und die Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 haben jeweils den Vorteil, dass eine notwendige Fläche zur Umsetzung eines integrierten als Ladeschaltung ausgeführten Halbleiterchips durch Reduktion seiner Verlustleistung minimiert werden kann, ohne seine Leistungsfähigkeit in Bezug auf Ladestromhöhe und Ladegeschwindigkeit zu mindern.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Ladeverfahren für einen Energiespeicher in mehrere Ladephasen aufzuteilen und eine in der korrespondierenden Ladeanordnungen für einen Energiereservespeicher durch einen Aufwärtsspannungswandler erzeugte Ausgangsspannung, welche eine nachgeschaltete Ladeschaltung als Regelspannung verwendet, für den gesamten Ladevorgang nicht fest, sondern variabel vorzugeben. Dadurch kann ein Spannungsabfall an der Ladeschaltung bzw. über einem Stellglied der Ladeschaltung bzw. die korrespondierende Verlustleistung reduziert bzw. minimiert werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Ladeverfahren für einen Energiereservespeicher zur Verfügung. Hierbei wird das Ladeverfahren mehrstufig mit mindestens zwei Ladephasen ausgeführt, wobei für eine erste Ladephase ein erster Spannungssollwert für eine Eingangsspannung einer Ladeschaltung vorgegeben und an den Eingang der Ladeschaltung angelegt wird, welcher kleiner als ein Zielspannungswert einer Energiereservespannung ist, auf welchen die Ladeschaltung den Energiereservespeicher aufladen soll. In der ersten Ladephase wird ein Ladestrom mit einem ersten Stromwert vorgegeben und in der Ladeschaltung eingestellt, welcher den Energiereservespeicher in der ersten Ladephase auf den ersten Spannungssollwert auflädt. Für mindestens eine weitere Ladephase wird mindestens ein weiterer Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung vorgegeben und an den Eingang der Ladeschaltung angelegt, welcher größer als der erste Spannungssollwert ist. Hierbei wird in der mindestens einen weiteren Ladephase mindestens ein weiterer Stromwert für den Ladestrom vorgegeben und in der Ladeschaltung eingestellt, welcher den Energiereservespeicher in der mindestens einen weiteren Ladephase auf den mindestens einen weiteren Spannungssollwert auflädt.

Zudem wird eine Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher, mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit, welche ausgeführt ist, eine Ladestrategie für den Energiereservespeicher zu bestimmen und systemverträgliche Stromwerte für einen Ladestrom und Spannungssollwerte vorzugeben, einem Aufwärtsspannungswandler, welcher eine erste Regel- und Treiberschaltung mit einem ersten Stellelement und eine erste Auswerte- und Steuereinheit umfasst, und einer Ladeschaltung vorgeschlagen, welche eine zweite Regel- und Treiberschaltung mit einem zweiten Stellelement und eine zweite Auswerte- und Steuereinheit umfasst. Hierbei sind die zentrale Auswerte- und Steuereinheit und der Aufwärtsspannungswandler und die Ladeschaltung eingerichtet, das erfindungsgemäße Ladeverfahren auszuführen, wobei der Aufwärtswandler basierend auf den vorgegebenen Spannungssollwerten eine am Eingang des Aufwärtsspannungswandlers anliegende Batteriespannung jeweils in eine korrespondierende Ausgangsspannung wandelt, wobei eine Eingangsspannung der Ladeschaltung der Ausgangsspannung des Aufwärtsspannungswandlers folgt.

Unter den Auswerte- und Steuereinheiten können vorliegend elektrische Schaltkreise verstanden werden, welche erfasste Messsignale verarbeiten bzw. auswerten können. Die Auswerte- und Steuereinheiten können jeweils mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheiten beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von den Auswerte- und Steuereinheiten ausgeführt wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Ladeverfahrens für einen Energiereservespeicher und der im unabhängigen Patentanspruch 10 angegebenen Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass eine bestimmte Anzahl von weiteren Ladephasen mit korrespondierenden stufenweisen Spannungssollwerten für die Eingangsspannung der Ladeschaltung fest vorgegeben werden können. Hierbei kann in einer letzten Ladephase der bestimmten Anzahl von weiteren Ladephasen der Zielspannungswert der Energiereservespannung als Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung fest vorgegeben werden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige und einfache Implementierung des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens. So kann das Ladeverfahren beispielsweise zweistufig mit zwei Ladephasen durchgeführt werden, wobei als erster Spannungssollwert der halbe Zielspannungswert der Energiereserve und als zweiter Spannungssollwert der Zielspannungswert der Energiereserve vorgegeben wird. Zudem kann für beide Ladephasen der gleiche Stromwert für den Ladestrom vorgegeben werden. Dadurch kann eine Halbierung des Verlustleistungsspitzenwerts erzielt und die Verlustleistung über den gesamten Ladevorgang deutlich reduziert werden. Mit einem dreistufigen Ladevorgang und drei Spannungssollwerten kann die Verlustleistung in der zweiten und dritten Ladephase weiter reduziert werden. Selbstverständlich kann der Ladevorgang des Energiereservespeichers eine beliebige Anzahl von Ladephasen mit gleichen oder verschiedenen Stromwerten für den korrespondierenden Ladestrom aufweisen. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Ladeverfahrens kann in einer zweiten Ladephase der Ladestrom mit einem zweiten Stromwert vorgegeben und in der Ladeschaltung eingestellt werden, welcher den Energiereservespeicher in der zweiten Ladephase ausgehend von dem ersten Spannungssollwert auf den Zielspannungswert der Energiereservespannung auflädt. Hierbei kann während der zweiten Ladephase ein aktueller Spannungswert der Energiereservespannung fortlaufend erfasst werden, wobei der mindestens eine weitere Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung ausgehend von dem ersten Spannungssollwert basierend auf dem erfassten aktuellen Spanungswert der Energiereservespannung variabel vorgegeben und an den Eingang der Ladeschaltung angelegt werden kann. Dadurch kann die als Regelspannung vorgegebene Eingangsspannung der Ladeschaltung einem Ladefortschritt des Energiereservespeichers in geeigneter Weise nachgeführt werden, um einen Spannungsabfall an der Ladeschaltung bzw. über einem Stellglied der Ladeschaltung zu reduzieren bzw. zu minimieren. Dies ermöglicht eine weitere Reduzierung der Verlustleistung über den gesamten Ladevorgang, da der Spannungsabfall über der Ladeschaltung auf ungefähr 1 bis 2 Volt reduziert werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Ladeverfahrens kann der erste Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung auf Grundlage eines Minimalwerts einer Ausgangsspannung eines Aufwärtsspannungswandlers bestimmt werden, welcher auf einer Batteriespannung basiert. Da im Strompfad zwischen einer Fahrzeugbatterie, welche die Batteriespannung zur Verfügung stellt, und dem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers in der Regel mindestens eine Diode eingeschleift ist, ist der Minimalwert der Ausgangsspannung des Aufwärtsspannungswandlers um die Durchgangsspannung der mindestens einen eingeschleiften Diode niedriger als die zur Verfügung gestellte Batteriespannung. Alternativ kann der erste Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung basierend auf einem vorgegebenen Minimalwert einer Versorgungsspannung für eine angebundene Elektronikeinheit bestimmt werden. Dadurch kann während des Ladevorgangs des Energiereservespeichers die Versorgung der angebundenen Elektronikeinheit, wie beispielsweise eines Airbagsystems, sichergestellt werden. Insbesondere wenn die aktuell anliegende Batteriespannung niedriger als der Minimalwert der Versorgungsspannung für die angebunde- nen Elektronikeinheit ist, kann der erste Spannungssollwert für die Eingangsspannung der Ladeschaltung auf diesen Minimalwert gesetzt werden, um der angebundenen Elektronikeinheit schnellstmöglich die Versorgungsspannung zur Verfügung zu stellen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ladeverfahrens kann der erste Stromwert des Ladestroms in der ersten Ladephase und/oder der mindestens eine weitere Stromwert des Ladestroms in der mindestens einen weiteren Ladephase in Abhängigkeit von einer gewünschten Ladegeschwindigkeit eingestellt werden. So kann die Verlustleistung der Ladeschaltung in der ersten Ladephase mit einer Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers, welche den vorgegebenem Minimalwert der Versorgungsspannung für die angebundene Elektronikeinheit aufweist, dadurch reduziert werden, dass der erste Stromwert des Ladestroms auf 75% des berechneten Ladestroms gesetzt wird. Dadurch sinkt die Ladegeschwindigkeit der Energiereserve in der ersten Ladephase um 25%. Dies kann wiederum durch einen um einen Faktor 1,5 höheren zweiten Stromwert des Ladestroms in der zweiten Ladephase kompensiert werden, um die gleiche Gesamtladezeit der Energiereserve zu erzielen. Des Weiteren kann der erste Stromwert des Ladestroms in der ersten Ladephase und/oder der mindestens eine weitere Stromwert des Ladestroms in der mindestens einen weiteren Ladephase in Abhängigkeit eines maximal möglichen Ausgangsstroms des Aufwärtsspannungswandlers vorgegeben werden. Dieser Ausgangsstrom ist vom aktuellen Übersetzungsverhältnis des Aufwärtsspannungswandlers abhängig. Zudem kann der erste Stromwert des Ladestroms in der ersten Ladephase und/oder der mindestens eine weitere Stromwert des Ladestroms in der mindestens einen weiteren Ladephase in Abhängigkeit einer entstehenden Verlustleistung in der Ladeschaltung, welche beispielsweise durch eine Differenz der vorgegebenen Ausgangsspannung des Aufwärtsspannungswandlers bzw. der Eingangsspannung der Ladeschaltung und dem aktuellen Wert der Energiereservespannung bestimmt wird, und/oder einer aktuellen Temperatur einer korrespondierenden Regel- und Treiberschaltung und/oder eines Stellelementes der Ladeeinrichtung begrenzt werden. Die Temperaturen können beispielsweise durch geeignete Temperatursensoren gemessen werden. Dadurch kann eine Überlastung der korrespondierenden Systemschaltkreise verhindert werden. Um in den verschiedenen Ladephasen eine möglichst hohe Ladegeschwindigkeit bei kleinsten Halbleiterstrukturen erzielen zu können wird eine optimierte Differenzspannung zwischen dem Eingang der Ladeschaltung bzw. dem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers und dem Ausgang der Ladeschaltung bzw. der Energiereservespannung mit einem konstanten oder auch stufenweise bzw. entsprechend einer Funktion vorgegebenen Stromwert für den Ladestrom vorgegeben. Zudem können bei der Vorgabe des Ladestroms eine maximal mögliche Verlustleistung der Ladeschaltung bzw. des zweiten Stellelements berücksichtigt werden. Hierbei können der Steuerung bzw./Re- gelung des Ladestroms zur Erzielung der maximalen Ladegeschwindigkeit bei vorgegebener Leistungsfähigkeit der Ladeschaltung unter Berücksichtigung einer minimalen Versorgungsspannung der angebundenen Elektronikeinheit, damit auch während des Ladevorgangs des Energiereservespeichers der Betrieb der angebundenen Elektronikeinheit bis zur minimalen Batteriespannung sichergestellt wird, können optional weitere Regelungs- oder Steuerbedingungen überlagert werden. Beispielsweise die Einhaltung eines maximalen Versorgungsstroms aus der Fahrzeugbatterie bei einem Systemstart unter Berücksichtigung der verschiedenen Ladephasen des Energiereservespeichers.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Ladeanordnung kann zwischen dem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers und dem Eingang der Ladeschaltung eine Schutzdiode eingeschleift sein. Diese Schutzdiode vermeidet Zerstörungen der Ladeanordnung im Falle eines internen oder externen Kurzschlusses der Ausgangsspannung des Aufwärtsspannungswandlers nach Masse durch den Rückwärtsstrom aus der Energiereserve über eine Rückwärtsdiode des zweiten Stellelements.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Ladeanordnung können die zentrale Auswerte- und Steuereinheit und die erste Regel- und Treiberschaltung und die erste Auswerte- und Steuereinheit des Aufwärtsspannungswandlers ausgeführt sein, zur Ansteuerung des ersten Stellelements des Aufwärtsspannungswandlers eine Batteriespannung und/oder eine Eingangsspannung des Aufwärtswandlers und/oder die Ausgangsspannung des Aufwärtsspannungswandlers und/oder die Eingangsspannung der Ladeschaltung und/oder einen aktuellen Spannungswert der Energiereservespannung und/oder einen Wandlerstrom durch das erste Stellelement zu erfassen und auszuwerten. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Ladeanordnung können die zentrale Auswerte- und Steuereinheit und die zweite Regel und Treiberschaltung und die zweite Auswerte und Steuereinheit der Ladeeinrichtung ausgeführt sein, zur Ansteuerung des zweiten Stellelementes der Ladeeinrichtung den Ladestrom entsprechend einer festen oder variablen Sollwertvorgabe zu regeln. Hierzu können die zentrale Auswerte- und Steuereinheit und die zweite Regel und Treiberschaltung und die zweite Auswerte und Steuereinheit der Ladeeinrichtung ausgeführt sein, zur Ansteuerung des zweiten Stellelementes der Ladeeinrichtung den Ladestrom in Laderichtung und/oder Entladerichtung zu messen und auszuwerten und/oder die aktuelle Spannung des Energiereservespeichers zu messen und auszuwerten und/oder eine Temperatur des zweiten Stellelementes und/oder der zweiten Regel- und Treiberschaltung zu messen und auszuwerten und/oder die Verlustleistung des zweiten Stellelementes zu berechnen. Dadurch kann der Ladestrom in den verschiedenen Ladephasen innerhalb eines erlaubten Toleranzbandes, welches von einer Höhe der Batteriespannung bzw. Versorgungsspannung des Fahrzeugs und einer erlaubten Temperaturgrenze bzw. Belastungsgrenze der Ladeschaltung vorgegeben wird, gehalten werden, wobei der Ladestrom kontinuierlich oder in Schrittstufen angepasst auf den höchst möglichen Wert innerhalb des erlaubten Toleranzbands eingestellt werden kann, um eine maximale Ladegeschwindigkeit zu erzielen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Ladeanordnung kann eine Kommunikationsverbindung zum Datenaustausch zwischen der ersten Auswerte- und Steuereinheit des Aufwärtsspannungswandlers und der zweiten Auswerte- und Steuereinheit der Ladeschaltung ausgebildet sein. Dadurch ist eine zusätzliche Abstimmung zwischen der ersten Auswerte- und Steuereinheit des Aufwärtsspannungswandlers und der zweiten Auswerte- und Steuereinheit der Ladeschaltung während eines automatischen Ladevorgangs möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt eine schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung für einen Energiereservespeicher.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens für einen Energiereservespeicher, welches von der erfindungsgemäßen Ladeanordnung aus Fig. 1 ausführbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Kennliniendiagramm während eines Ladevorgangs eines Energiereservespeichers, welcher durch eine herkömmliche Ladeanordnung durchgeführt wird.

Fig. 4 zeigt ein erstes Kennliniendiagramm während eines ersten Ladevorgangs eines Energiereservespeichers, welcher durch die erfindungsgemäße Ladeanordnung aus Fig. 1 durchgeführt wird.

Fig. 5 zeigt ein zweites Kennliniendiagramm während eines zweiten Ladevorgangs eines Energiereservespeichers, welcher durch die erfindungsgemäße Ladeanordnung aus Fig. 1 durchgeführt wird.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1 für einen Energiereservespeicher CER eine zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5, welche ausgeführt ist, eine Ladestrategie für den Energiereservespeicher CE zu bestimmen und systemverträgliche Stromwerte l_ch 1, I_ch2 für einen Ladestrom l_ch und Spannungssollwerte VAB1, VAB2 vorzugeben, einen Aufwärtsspannungswandler 10, welcher eine erste Regel- und Treiberschaltung 12 mit einem ersten Stellelement TI und eine erste Auswerte- und Steuereinheit 14 umfasst, und eine Ladeschaltung 20, welche eine zweite Regel- und Treiberschaltung 22 mit einem zweiten Stellelement T2 und eine zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 umfasst. Hierbei führen die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 und der Aufwärtsspannungswandler 10 und die Ladeschaltung 20 ein nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 be- schriebenes erfindungsgemäßes Ladeverfahren 100 für einen Energiereservespeicher CER aus. Der Aufwärtswandler 10 wandelt basierend auf vorgegebenen Spannungssollwerten VAB1, VAB2 eine am Eingang des Aufwärtsspannungswandlers 10 anliegende Batteriespannung UB jeweils in eine korrespondierende Ausgangsspannung VUP, wobei eine Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 der Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 folgt.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers 10 und dem Eingang der Ladeschaltung 20 eine Schutzdiode D3 eingeschleift. Aus der am Eingang des Aufwärtsspannungswandlers 10 anliegenden Batteriespannung UB bzw. Fahrzeugversorgungsspannung wird über eine erste Verpolschutzdiode Dl eine erste gegen Verpolung geschützte Batteriespannung VZP1 erzeugt, welche für die Versorgung eines Fahrzeugsystems, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Airbagsystem ausgeführt ist, und als Eingangsspannung für den Aufwärtsspannungswandler 10 eingesetzt wird. Zudem wird aus der Batteriespannung UB über eine zweite Verpolschutzdiode D2 eine zweite gegen Verpolung geschützte Batteriespannung VZP2 erzeugt, welche als Back-up-Versorgung für ein Zündsystem des Airbagsystems eingesetzt wird. Zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren Cl_l, Cl_2 bilden einen Filter zwischen einer Batterieleitung mit dem Potential der Batteriespannung UB und einer Masseleitung mit einem Massepotential GND. Aus Sicherheitsgründen werden zwei Kondensatoren Cl_l, Cl_2 in Serie eingesetzt, um im Kurzschlussfall einer Komponente hohe Leiterplattenströme zu vermeiden. Zwei weitere Kondensatoren C2_l, C2_2 bilden am Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers 10 einen Filter zwischen einer Ausgangsleitung mit dem Potential der Ausgangsspannung VUP und der Masseleitung mit dem Massepotential GND. Aus Sicherheitsgründen werden auch hier zwei Kondensatoren C2_l, C2_2 in Serie eingesetzt, um im Kurzschlussfall einer Komponente hohe Leiterplattenströme zu vermeiden. Optional kann auf die Serienschaltungen verzichtet werden, falls der oder die eingesetzten Kondensatoren eine hohe Biegefestigkeit und ausreichend hohe Qualitätsanforderungen erfüllen. Des Weiteren umfasst der Aufwärtsspannungswandler 10 eine Freilaufdiode D2, welche in der Regel als Schottky- Diode ausgeführt ist, und eine Wandlerinduktivität LI. Das erste Stellelement TI ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als N- Kanal-MOSFET mit Rückwärtsdiode D6 ausgeführt. Selbstverständlich können auch andere Halbleiterschalter als erstes Stellelement TI eingesetzt werden. Zur Erfassung eines Wandlerstroms IUP durch das erste Stellelement TI wird über einem ersten Messwiderstand Rsh_Up eine erste Messspannung IUP_s erfasst. Selbstverständlich können auch andere geeignete Methoden der Stromerfassung eingesetzt werden.

Zur Regelung der Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 steuert die erste Regel- und Treiberschaltung 12 das erste Stellelement TI an. Hierzu werden eine angelegte erste Referenzspannung VREF, die erste Messspannung IUP_s, welche den aktuellen Wandlerstrom IUP repräsentiert, sowie die erfasste Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 ausgewertet. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird zusätzlich ein erfasster aktueller Spannungswert der Energiereservespannung VER ausgewertet. Dadurch kann beispielsweise eine Überspannung der Energiereservespannung erkannt werden. Des Weiteren werden abhängig vom Halbleiterprozess der Ladeanordnung 1 eine oder mehrere Versorgungsspannungen Vint_x und ein Wandlertaktsignal C_CLK mit einer Frequenz von beispielsweise 2MHz an die erste Regel- und Treiberschaltung 12 angelegt. An die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 werden abhängig vom Halbleiterprozess der Ladeanordnung 1 eine oder mehrere Versorgungsspannungen Vint_x, ein digitales Taktsignal D_CLK zur Taktung von Logikschaltkreisen, eine zweite Referenzspannung VREF_M angelegt, welche unabhängig von der ersten Referenzspannung VREF ist und zur Überwachung der Ausgangsspannung VUP verwendet wird. Zur Bestimmung einer minimalen Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Batteriespannung UB an die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 angelegt. Alternativ kann die gegen Verpolung geschützte Batteriespannung VZP1 an die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 angelegt werden. Durch die Überwachung der Batteriespannung UB soll die Energieversorgung von angebundenen Elektronikeinheiten während der Ladevorgänge sichergestellte werden, insbesondere wenn die aktuell anliegende Batteriespannung UB niedriger als ein Minimalwert der Versorgungsspannung für die angebundenen Elektronikeinheit ist. Zudem wird die Batteriespannung UB zur Bestimmung eines maximal möglichen Ausgangsstroms des Aufwärtsspannungswandlers 10 verwendet, welcher direkt an die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 zur batteriespannungsabhängigen Einstellung des Ladestroms IC und/oder an die zentrale Steuer und Auswerteeinheit 5 weitergegeben wird. Die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 stellt der ersten Regel- und Treiberschaltung 12 zumindest ein Aktivierungssignal, Spannungssollwerte für die Ausgangsspannung VUP, auf welchen die Spannungssollwerte VAB1, VAB2 für die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 basieren, und Grenzwerte für den Wandlerstrom IUP sowie bei Bedarf das digitales Taktsignal D_CLK zur Verfügung.

Von der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 empfängt die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 verschiedene Steuersignale und Informationen zur lokalen Aufbereitung und stellt der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 beispielsweise Informationen über die Batteriespannung UB, die gegen Verpolung geschützte Batteriespannung VZP1, die Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10, den Wandlerstrom IUP, den aktuellen Ladezustand des Energiereservespeichers CER usw. zu Überwachungszwecken zur Verfügung.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ladeschaltung 20 einen zweiten Messwiderstand Rsh_ch, an dessen dem Eingang der Ladeschaltung zugewandten Ende eine zweite Messspannung l_chsh und an dessen dem zweiten Stellelement T2 zugewandten Ende eine dritte Messspannung l_chsl erfasst wird. Hierbei werden die beiden Messspannungen l_chsh, Ichsl zur Ermittlung bzw. Regelung eines Ladestroms l_ch durch das zweite Stellelement T2 ausgewertet. Auch andere Messverfahren des Ladestromes l_ch einschließlich Vorzeichen (Richtung) können zur Anwendung kommen. Der gemessene Ladestrom l_ch wird zu Überwachungszwecken an die zweite Auswerte und Steuereinheit 24 weitergegeben und steht damit auch übergeordnet der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 zur Verfügung. Das zweite Stellelement T2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als N-Kanal-MOSFET mit Rückwärtsdiode D5 ausgeführt. Selbstverständlich können auch andere Halbleiterschalter als zweites Stellelement T2 eingesetzt werden.

Zur Regelung des Ladestroms l_ch der Ladeschaltung 20 steuert die zweite Regel- und Treiberschaltung 22 das zweite Stellelement T2 an. Hierzu werden ein angelegter erster Referenzstrom IREF sowie die beiden Messspannung l_chsh, l_chsl ausgewertet, welche den aktuellen Ladestrom l_ch repräsentieren. Zur Reduzierung oder Abschaltung des Ladestromes l_ch durch die zweite Regelund Treiberschaltung 22 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperatur des zweiten Stellelementes T2 erfasst, ausgewertet und an die zweite Auswerte und Steuereinheit 24 weitergegeben und steht damit auch übergeordnet der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 zur Verfügung. Des Weiteren werden abhängig vom Halbleiterprozess der Ladeanordnung 1 eine oder mehrere Versorgungsspannungen Vint_x an die zweite Regel- und Treiberschaltung 22 angelegt. An die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 werden abhängig vom Halbleiterprozess der Ladeanordnung 1 eine oder mehrere Versorgungsspannungen Vint_x, das digitale Taktsignal D_CLK zur Taktung von Logikschaltkreisen und ein zweiter Referenzstrom IREF_M angelegt, welcher unabhängig vom ersten Referenzstrom IREF ist und zur Überwachung des Ladestroms l_ch verwendet wird. Die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 stellt der zweiten Regelund Treiberschaltung 22 zumindest ein Aktivierungssignal und Stromsollwerte für den Ladestrom l_ch sowie bei Bedarf das digitale Taktsignal D_CLK zur Verfügung. Ebenso stoppt die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 bei Erreichen des durch die zentrale Auswerte und Steuereinheit 5 vorgegebenen Spannungssollwerts VAB1, VAB2 oder des Zielspannungswerts der Energiereservespannung VER automatisch den Ladevorgang des Energiereservespeichers CER in den verschiedenen Ladephasen TP1, TP2. Optional wertet die zentrale Aus- werte- und Steuereinheit 5 eine Temperatur der zweiten Regel- und Treiberschaltung 22 aus und/oder berechnet daraus fortlaufend eine erlaubte maximale Verlustleistung des zweiten Stellelementes T2 in den einzelnen Ladephasen TP1, TP2. Dadurch kann mit der vorgegebener Spannungssollwert VAB1, VAB2 in einer korrespondierenden Ladephase TP1, TP2 in Kenntnis des aktuellen Wertes der Energiereservespannung VER der Stromwert l_chl, Ich2 des Ladestroms optimal zum Erreichen einer maximalen Ladegeschwindigkeit angepasst werden.

Von der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 empfängt die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 verschiedene Steuersignale und Informationen zur lokalen Aufbereitung, wie beispielsweise Ladevorgang des Energiereservespeichers CER starten oder stoppen; Vorgabe der Stromwerte l_chl, I_ch2 für den Ladestrom l_ch für die einzelnen Ladephasen TP1, TP2. Die zweite Auswerte- und Steuereinheit 24 stellt der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 beispielsweise Informationen über den Ladestrom l_ch zu Überwachungszwecken, über den aktuellen Wert der Energiereservespannung VER zur indirekten Weitergabe an die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 sowie zur Überwachung und zu Auswertezwecken, über die Temperatur des zweiten Stellelementes T2 zur Überwachung sowie zur temperaturabhängigen Sollwertvorgabe der Ladeströme in den einzelnen Ladephasen TP1, TP2 zur Verfügung, damit Eingriffe der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 in den Ladevorgang aufgrund Überschreitung der maximalen Temperaturgrenzen des zweiten Stellelements T2 bis auf Spezialfälle vermieden werden.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 5 verschiedene Ladevorgänge und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens 100 für einen Energiereservespeicher CER beschrieben, welche mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1 durchgeführt werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens 100 für einen Energiereservespeicher CER wird mehrstufig mit mindestens zwei Ladephasen TP1, TP2 ausgeführt. Hierzu wird in einem Schritt S100 für eine erste Ladephase TP1 ein erster Spannungssollwert VAB1 für die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 vorgegeben und an den Eingang der Ladeschaltung 20 angelegt, welcher kleiner als ein Zielspannungswert der Energiereservespannung VER ist, auf welchen die Ladeschaltung 20 den Energiereservespeicher CER aufladen soll. In einem Schritt S110 wird in der ersten Ladephase TP1 der Ladestrom l_ch mit einem ersten Stromwert l_chl vorgegeben und in der Ladeschaltung 20 eingestellt, welcher den Energiereservespeicher CER in der ersten Ladephase TP1 auf den ersten Spannungssollwert VAB1 auflädt. In einem Schritt S120 wird für mindestens eine weitere Ladephase TP2 mindestens ein weiterer Spannungssollwert VAB2 für die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 vorgegeben und an den Eingang der Ladeschaltung 20 angelegt, welcher größer als der erste Spannungssollwert VAB1 ist. Im Schritt S130 wird in der mindestens einen weiteren Ladephase TP2 mindestens ein weiterer Stromwert I_ch2 für den Ladestrom l_ch vorgegeben und in der Ladeschaltung 20 eingestellt, welcher den Energiereservespeicher CER in der mindestens einen weiteren Ladephase TP2 auf den mindestens einen weiteren Spannungssollwert VAB2 auflädt.

Zur Ausführung des Ladeverfahrens 100 aktiviert die erste Auswerte- und Steuereinheit 14 im dargestellten Ausführungsbeispiel den Aufwärtsspannungswandlers 10 in einem nicht Sleep-Betrieb des Airbagsystems, wenn die Batteriespannung UB einen Minimalschwellwert überschreitet, sofern von der zentralen Aus- werte- und Steuereinheit 5 keine anders lautenden Informationen, wie beispielsweise eine zu hohe Chip-Temperatur, relevante Überspannungsfehler im Airbagsystem, Programmierung etc. vorliegen.

Entsprechend den Systemrandbedingungen entscheidet die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 über die Ladestrategie für den über die programmierbare Ladeschaltung 20 verbundenen Energiereservespeicher CER des Systems. Dabei werden systemverträgliche Stromwerte l_ch 1, I_ch2 für den Ladestrom l_ch vorgegeben, um den Energiereservespeicher CER in einer bestimmten Zeitspanne auf den vorgegebenen Zielspannungswert aufzuladen.

Fig. 3 zeigt ein Kennliniendiagramm von relevanten Größen eines aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen einstufigen Ladevorgangs mit nur einer Ladephase TP für den Energiereservespeicher CER, welcher eine Kapazität von 10 mF aufweist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 bereits vor Aktivierung des Aufwärtsspannungswandlers 10 einen Spannungswert von ca. 12 Volt auf, welcher dem Wert der Batteriespannung UB vermindert um den Spannungsabfall der Dioden Dl, D2 und D3 entspricht. Der Aufwärtsspannungswandlers 10 erhöht diesen Spannungswert der Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 nach einem Startzeitpunkt TStartC relativ rasch auf einen vorgegebenen Spannungssollwert von beispielsweise 33 Volt. Mit Erreichen einer vorgegebenen Spannungsschwelle von beispielsweise 31 Volt wird die Versorgung des Airbagsystems aus dieser Spannung gestartet, wodurch alle erforderlichen Systemspannungen erzeugt werden und auch die zentrale Aus- werte- und Steuereinheit 5 versorgt wird. Entsprechend den Systemrandbedin- gungen entscheidet die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 über die Ladestrategie und gibt einen entsprechenden Stromwert für den Ladestrom l_ch vor, um den Energiereservespeicher CER in einer bestimmten Zeitspanne von beispielsweise 1,83 Sekunden auf die gewünschte Zielspannung von 33 Volt aufzuladen. Der Stromwert für den Ladestrom l_ch wird zu einem Ladestartzeitpunkt TStart von der zweiten Regel- und Treiberschaltung 22 in Kombination mit der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 über das zweite Stellelement T2 eingestellt. Dabei treten hohe Verlustleistungen P_ch, (P_ch(t)=l_ch* (VAB(t)-VER(t)), an der Ladeschaltung 20 in Abhängigkeit vom Ladefortschritt des Energiereservespeichers CER und des gewählten Stromwerts für den Ladestrom l_ch auf. Zu Beginn des dargestellten Ladevorganges ist der Energiereservespeicher CER ungeladen, so dass der aktuelle Spannungswert VER des Energiereservespeichers CER 0 Volt entspricht (VER(t=0)=0V). Zum Ladestartzeitpunkt TStart treten die höchsten Verluste P_ch, (P_ch_peak(t=O)=l_ch*VAB), auf. So ergibt sich bei einem vorgegebenen Stromwert von 180 mA für den Ladestrom l_ch und einem Spannungsabfall von 33 Volt über der Ladeschaltung 20, welcher sich aus der Differenz des Spannungssollwerts von 33 Volt für die Eingangsspannung VAB und dem aktuellen Spannungswert der Energiereservespannung VER von 0 Volt ergibt, ein Spitzenwert für die Verlustleistung P_ch von 5,94 Watt. An einem Stoppzeitpunkt TStop wird der Ladevorgang beendet und der Ladestrom l_ch wieder abgeschaltet. Die im zweiten Stellelement T2 über die Ladephase TP erzeugte Wärmeenergie E_ch, (E_ch=l/2*P_ch_peak*TP), beträgt 5,44 Ws.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1 unterscheidet sich in der Ankopplung der Ladeschaltung 20 an den Aufwärtsspannungswandler 10 über die zusätzliche Schutzdiode D3, welche zwischen dem Ausgang des Aufwärtsspannungswandlers 10 und dem Eingang der Ladeschaltung 20 angeordnet ist. Diese Schutzdiode D3 vermeidet Zerstörungen im Falle eines internen oder externen Kurzschlusses der Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 nach Masse GND durch einen Rückwärtsstrom aus dem Energiereservespeicher CER über die Rückwärtsdiode D5 des zweiten Stellelements T2. Zusätzlich zur Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 wird auch die Eingangsspannung VAB der La- deschaltung 20, welche auch zur Versorgung des Airbagsystems dient, zu Über- wachungszwecken erfasst, wodurch zusätzlich die Funktion der hinzugefügten Schutzdiode D3 geprüft werden kann.

Zur Flächenoptimierung des zweiten Stellelemente T2 wird bei Ausführungsformen der Erfindung die Regelung der Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 und damit die Regelung der Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 vom Ladefortschritt des Energiereservespeichers CER abhängig gemacht. Dazu wird zusätzlich der aktuelle Spannungswert der Energiereservespannung VER der ersten Regel- und Treiberschaltung 12 des Aufwärtsspannungswandlers 10 zugeführt. Der Übergang von der ersten Ladephase TP1 nach der zweiten Ladephase TP2 kann durch entsprechende Programmierung der ersten Auswerte- und Steuereinheit 14 und der zweiten Aus- werte- und Steuereinheit 24 direkt gesteuert über die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 erfolgen. Alternativ kann die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 einen automatischen Lademodus vorgeben. Zur Abstimmung zwischen der ersten Auswerte- und Steuereinheit 14 des Aufwärtsspannungswandlers 10 und der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 der Ladeschaltung 20 kann in einem automatischen Lademodus über eine in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Kommunikationsverbindung KV ein Datenaustausch zwischen den beiden Auswerte- und Steuereinheiten 14, 24 durchgeführt werden, insbesondere zur Übertragung des maximal möglichen Ausgangsstromwerts des Aufwärtswandlers 10 in Abhängigkeit von der aktuellen Versorgungsspannung UB bzw. von der aktuellen gegen Verpolung geschützte Batteriespannung VZP1 und der gewählten Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10. Alternativ kann durch entsprechende Ausgestaltung der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 5 auf die direkte Kommunikationsverbindung KV verzichtet werden, wobei dann die zentrale Auswerte und Steuereinheit 5 diese Aufgabe übernimmt. Weiterhin startet man die Versorgung des Airbagsystems aus der Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 bereits mit einem niedrigeren Schwellwert von beispielsweise 15,5 Volt.

Fig. 4 zeigt ein Kennliniendiagramm von relevanten Größen eines ersten erfindungsgemäßen Ladevorgangs mit zwei Ladephasen TP1, TP2 für den Energiereservespeicher CER, welcher eine Kapazität von 10 mF aufweist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel zwei Spannungssollwerte VAB1, VAB2 für den Aufwärtsspannungswandlers 10 angewendet. Hierbei weist ein erster Spannungssollwert VAB1 für eine erste Ladephase TP1 einen Wert von 16,5 Volt und ein zweiter Spannungssollwert VAB2 für eine zweite Ladephase TP2 einen Wert von 33 Volt auf, welcher einem Zielspannungswert entspricht, auf welchen der Energiereservespeicher CER aufgeladen werden soll.

Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich ist, weist die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 bereits vor Aktivierung des Aufwärtsspannungswandlers 10 einen Spannungswert von ca. 12 Volt auf, welcher dem Wert der Batteriespannung UB vermindert um den Spannungsabfall der Dioden Dl, D2 und D3 entspricht. Der Aufwärtsspannungswandlers 10 erhöht diesen Spannungswert der Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 nach einem ersten Startzeitpunkt TStartCLl relativ rasch auf den vorgegebenen ersten Spannungssollwert VAB1 von 16,5 Volt. Mit Erreichen der reduzierten vorgegebenen Spannungsschwelle von beispielsweise 15,5 Volt wird die Versorgung des Airbagsystems aus dieser Spannung gestartet, wodurch alle erforderlichen Systemspannung erzeugt werden und auch die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 versorgt wird. Entsprechend den Systemrandbedingungen entscheidet die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 über die Ladestrategie und gibt einen entsprechenden ersten Stromwert l_ch 1 mit 180mA für den Ladestrom l_ch vor, um den Energiereservespeicher CER in der ersten Ladephase TP1 in einer bestimmten Zeitspanne von beispielsweise 0,92 Sekunden auf den vorgegebenen ersten Spannungssollwert VAB1 von 16,5 Volt aufzuladen. Der erste Stromwert l_ch 1 für den Ladestrom l_ch wird zu einem ersten Ladestartzeitpunkt TStartl von der zweiten Regel- und Treiberschaltung 22 in Kombination mit der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 über das zweite Stellelement T2 eingestellt. Dabei treten in der ersten Ladephase TP1 im Vergleich zu dem herkömmlichen einstufigen Ladevorgang reduzierte Verlustleistungen P_ch (P_ch(t)=l_chl* (VABl(t)-VER(t)) an der Ladeschaltung 20 in Abhängigkeit vom Ladefortschritt des Energiereservespeichers CER und des gewählten ersten Stromwerts l_chl für den Ladestrom l_ch auf. Zu Beginn der ersten Ladephase TP1 ist der Energiereservespeicher CER ungeladen, so dass der aktuelle Spannungswert VER des Energiereservespeichers CER 0 Volt entspricht (VER(t=0)=0V). Zum ersten Ladestartzeitpunkt TStartl treten die höchsten Verluste P_chl, (P_chl_peak(t=O)=l_chl*VABl) auf. So ergibt sich bei dem vorgegebenen ersten Stromwert l_chl von 180 mA für den ersten Ladestrom l_ch und einem Spannungsabfall von 16,5 Volt über der Ladeschaltung 20, welcher sich aus der Differenz des ersten Spannungssollwerts VAB1 von 16,5 Volt für die Eingangsspannung VAB und dem aktuellen Spannungswert der Energiereservespannung VER von 0 Volt ergibt, ein Spitzenwert für die Verlustleistung P_chl von nur noch 2,97 Watt. Dieser Spitzenwert der Verlustleistung P_ch ist im Vergleich zum herkömmlichen einstufigen Ladevorgang um 50% reduziert. An einem ersten Stoppzeitpunkt TStopl wird die erste Ladephase beendet und der Ladestrom l_ch wieder abgeschaltet. Die im zweiten Stellelement T2 über die erste Ladephase TP1 verursachte Wärmeenergie E_chl (E_chl=l/2*P_chl_peak*TPl) beträgt 1,36 Ws.

Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich ist, wird der Aufwärtsspannungswandlers 10 an einem zweiten Startzeitpunkt TStartCL2 erneut aktiviert, welcher dem ersten Stoppzeitpunkt TStopl der ersten Ladephase TP1 entspricht. Alternativ kann nach dem Stoppzeitpunkt TStopl der ersten Ladephase TP1 vor dem Starten des Aufwärtsspannungswandlers 10 eine Wartezeitspanne vorgesehen werden. Nach dem zweiten Startzeitpunkt TStartCL2 erhöht der Aufwärtsspannungswandlers 10 die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 relativ rasch von dem ersten Spannungssollwert VAB1 von 16,5 Volt auf den vorgegebenen zweiten Spannungssollwert VAB2 von 33 Volt. Entsprechend den Systemrandbedingungen gibt die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 den zweiten Stromwert I_ch2 mit 180mA für den Ladestrom l_ch vor, um den Energiereservespeicher CER in der zweiten Ladephase TP2 in einer bestimmten Zeitspanne von beispielsweise 0,92 Sekunden auf den vorgegebenen zweiten Spannungssollwert VAB2 von 33 Volt aufzuladen. Der zweite Stromwert I_ch2 für den Ladestrom l_ch wird zu einem zweiten Ladestartzeitpunkt TStart2 von der zweiten Regelund Treiberschaltung 22 in Kombination mit der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 über das zweite Stellelement T2 eingestellt. Dabei treten in der zweiten Ladephase TP2 im Vergleich zu dem herkömmlichen einstufigen Ladevorgang reduzierte Verlustleistungen P_ch2, (P_ch2(t)=l_ch2* (VAB2(t)-VER(t)) an der Ladeschaltung 20 in Abhängigkeit vom Ladefortschritt des Energiereservespeichers CER und des gewählten zweiten Stromwerts I_ch2 für den Ladestrom l_ch auf, welche den Verlustleistungen P_chl in der ersten Ladephase TP1 entsprechen. Zu Beginn der zweiten Ladephase TP2 ist der Energiereservespeicher CER auf den ersten Spannungssollwert VAB1 aufgeladen, so dass der Spannungsabfall über der Ladeschaltung der Differenz aus dem zweiten Spannungssollwert VAB2 und dem ersten Spannungssollwert VAB1 entspricht. Daher tritt zum zweiten Ladestartzeitpunkt TStart2 der gleiche Spitzenwert von 2,97 Watt für die Verluste P_ch2 wie zum ersten Ladestartzeitpunkt TStartl auf. An einem zweiten Stoppzeitpunkt TStop2 wird die zweite Ladephase TP2 und der erste erfindungsgemäße Ladevorgang beendet und der Ladestrom l_ch wieder abgeschaltet. Die im zweiten Stellelement T2 über die zweite Ladephase TP2 verursachte Wärmeenergie E_ch2 (E_ch=l/2*P_ch2_peak*TP2) beträgt 1,36 Ws. Somit verursacht das zweite Stellelement T2 über den gesamten ersten erfindungsgemäßen Ladevorgang eine Wärmeenergie E_ch, (E_ch = E_chl + E_ch2), von 2,72 Ws.

Da die Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel aufgrund der direkten Kopplung zur Fahrzeugbatterie und der Batteriespannung UB immer einen Pegel der Batteriespannung reduziert um die Durchlassspannung der Dioden Dl, D2 annimmt, ist der erste Spannungssollwert UAB1 nicht frei wählbar. Daher ist das zweite Stellelement T2 der Ladeschaltung 20 mindestens auf eine Verlustleistung P_ch auszulegen, welche sich in der ersten Ladephase TP1 aus der maximalen Batteriespannung UBmax und den Durchlassspannungen der Dioden Dl, D2 und D3 und dem für die erste Ladephase TP1 vorgegebenen ersten Stromwert l_chl des Ladestroms ergibt (P_chl_peak=((UBmax-2Udmin)-Udmin)*l_chl=VABl*l_chl), wobei Udmin die Durchlassspannung einer Diode repräsentiert.

Bei Ausführungsformen der Erfindung definieren der Spitzenwert der Verlustleistung P_ch und die entstehende Wärmeenergie E_ch in den Spannungs-, Strom- und Kapazitätsgrenzen des Energiereservespeichers CER in der ersten Ladephase TP1 die Auslegung des zweiten Stellelements T2, welches bei gleicher Leistungsfähigkeit eine kleinere Fläche aufweisen kann. Zudem können weitere Ladephasen mit entsprechenden weiteren festen Spannungssollwerten und Stromsollwerten eingeführt werden. Fig. 5 zeigt ein Kennliniendiagramm von relevanten Größen eines zweiten erfindungsgemäßen Ladevorgangs mit zwei Ladephasen TP1, TP2 für den Energiereservespeicher CER, welcher eine Kapazität von 10 mF aufweist.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, werden im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ein fester erster Spannungssollwert VAB1 für die erste Ladephase TP1 und ein variabler zweiter Spannungssollwert VAB2 Aufwärtsspannungswandlers 10 angewendet. Hierbei weist der erste Spannungssollwert VAB1 für die erste Ladephase TP1 einen Wert von 16,5 Volt und der zweite Spannungssollwert VAB2 für die zweite Ladephase TP2 wird kontinuierlich dem aktuellen Spannungswert der Energiereservespannung VER nachgeführt. Durch die stark reduzierte Verlustleistung P_ch2 in der zweiten Ladephase auch bei einem höheren zweiten Stromwert I_ch2 für den Ladestrom l_ch wird die Auslegung des zweiten Stellelements T2 entsprechend der Belastung in der ersten Ladephase TP1 nicht wesentlich zusätzlich durch die zweite Ladephase TP2 belastet, da hier nur eine stark reduzierte Erwärmung auftritt.

Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich ist, verbleibt die erste Ladephase TP1 im Vergleich zu dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel unverändert, da die erste Ladephase TP1 systemgegeben nicht verändert werden kann. In der zweiten Ladephase TP2, in welcher die Energiereservespannung VER über das maximale Potential der Batteriespannung UB gehoben wird, folgt der veränderbare zweite Spannungssollwert VAB2 ausgehend vom ersten Spannungssollwert VAB1 von 16,5 Volt in stetiger Weise dem Anwachsen der Energiereservespannung VER, bis der gewünschte Zielspannungswert von 33 Volt erreicht ist, auf welchen der Energiereservespeicher CER aufgeladen werden soll. Dadurch ist ein nahezu verlustleistungsfreies Laden des Energiereservespeichers CER in der zweiten Ladephase TP2 möglich. Dadurch kann die erzeugte gesamte Wärmeenergie E_ch im zweiten Stellelement T2 weiter reduziert werden und zusätzlich die Ladezeit durch Anheben des zweiten Stromwertes I_ch2 für den Ladestrom l_ch fest oder variabel in den zweiten Ladephase TP2 verkürzt werden.

Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich ist, wird der Aufwärtsspannungswandlers 10 an einem zweiten Startzeitpunkt TStartCL2 erneut aktiviert, welcher dem ersten Stoppzeitpunkt TStopl der ersten Ladephase TP1 entspricht. Alternativ kann nach dem Stoppzeitpunkt TStopl der ersten Ladephase TP1 vor dem Starten des Aufwärtsspannungswandlers 10 eine Wartezeitspanne vorgesehen werden. Nach dem zweiten Startzeitpunkt TStartCL2 erhöht der Aufwärtsspannungswandlers 10 die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 kontinuierlich von dem ersten Spannungssollwert VAB1 von 16,5 Volt auf den gewünschten Zielspannungswert der Energiereservespannung VER. Das bedeutet, dass der vorgegebene zweite Spannungssollwert VAB2 variabel von 16, 5 Volt auf 33 Volt erhöht wird. Entsprechend den Systemrandbedingungen gibt die zentrale Aus- werte- und Steuereinheit 5 den zweiten Stromwert I_ch2 mit 180mA für den Ladestrom l_ch vor, um den Energiereservespeicher CER in der zweiten Ladephase TP2 in einer bestimmten Zeitspanne von beispielsweise 0,92 Sekunden auf den vorgegebenen Zielspannungswert der Energiereservespannung VER von 33 Volt aufzuladen. Der zweite Stromwert I_ch2 für den Ladestrom l_ch wird zu einem zweiten Ladestartzeitpunkt TStart2 von der zweiten Regel- und Treiberschaltung 22 in Kombination mit der zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 über das zweite Stellelement T2 eingestellt. Dabei tritt in der zweiten Ladephase TP2 im Vergleich zur ersten Ladephase TP1 nahezu keine Verlustleistung P_ch2, (P_ch2(t) = l_ch2* (VAB2(t)-VER(t) = I_ch2 * [VER(t) + Udrop-VER(t)] = l_ch2*Udrop), am zweiten Stellelement T2 auf, da der zweite Spannungssollwert VAB2 variabel ist und bis auf eine erforderliche Dropspannung Udrop der aktuellen Energiereservespannung VER nachgeführt wird. Hierzu wird die aktuelle Energiereservespannung VER durch die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 5 ausgewertet und der ersten Auswerte- und Steuereinheit 14 zur Nachführung der Ausgangsspannung VUP des Aufwärtsspannungswandlers 10 übergeben, so dass für den variablen zweiten Spannungssollwert VAB2 gilt: VAB2(t) = Udrop+VER(t), wobei die Dropspannung Udrop kleiner oder gleich 1 bis 3 Volt ist. Da der zweite Spannungssollwert VAB2 bzw. die Eingangsspannung VAB der Ladeschaltung 20 kontinuierlich der Energiereservespannung VER folgt, ergibt sich in der zweiten Ladephase TP2 nur ein minimaler Spannungsabfall über der Ladeschaltung 20 und dadurch ergeben sich auch nur sehr geringe Verluste P_ch2. Bei einer angenommenen konstanten Dropspannung Udrop von 2 V und einem zweiten Stromwert Ich2 von 180 mA ergibt sich ein Verlust P_ch2 von ungefähr 0,36 Watt. Die im zweiten Stellelement T2 in der zweiten Ladephase TP2 erzeugte Wärmeenergie E_ch2, (E_ch2=l/2*P_ch2_peak*TP2) mit TP2 = 0,92 s, beträgt ungefähr 0,33 Ws. Somit verursacht das zweite Stellelement T2 über den gesamten zweiten erfindungsgemäßen Ladevorgang eine Wärmeenergie E_ch, (E_ch = E_chl + E_ch2), von 1,69 Ws.