DE102004036042A1

DE102004036042A1 - Bordnetz

Info

Publication number: DE102004036042A1
Application number: DE102004036042A
Authority: DE
Inventors: Frank Steuernagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-24
Filing date: 2004-07-24
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Es werden Bordnetzausgestaltungen beschrieben, bei denen zwischen zwei Teilbordnetzen ein von einer Steuerelektronik ansteuerbarer Spannungswandler liegt. Dieser Spannungswandler wird so angesteuert, dass seine Ausgangsspannung bei vorgebbaren Bedingungen, insbesondere bei einer Start-Stopp-Bedingungen eines Kraftfahrzeugs, abgesenkt wird gegenüber der üblichen Spannung. Wie weit die Spannungsabsenkung möglich ist, hängt davon ab, ob die Batterie des zweiten Teilbordnetzes mit Hilfe eines Schalters abgetrennt werden kann oder nicht. Sofern zusätzlich eine Batteriestrommessung vorhanden ist, kann der Gleichspannungswandler so angesteuert werden, dass Abschaltvorgänge für die Batterie nur bei kleinem Batteriestrom, insbesondere bei einem Batteriestrom von null (I¶B¶ = 0), erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere ein Zweispannungsbordnetz in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
In heute üblichen Fahrzeugbordnetzen wird die Batterie und das Bordnetz mit Hilfe eines Generators versorgt. Der Generator umfasst dabei einen Spannungsregler, der die Ausgangsspannung unabhängig von der Drehzahl des Generators auf Spannungen im Bereich von beispielsweise 13, 7 Volt regelt. Der Wert der geregelten Spannung kann ausgehend von bestimmten Bedingungen wie beispielsweise Temperatur oder Ladezustand der Batterie in bestimmten vorgebbaren Bereichen verändert werden. Wesentlich ist, dass die Ausgangsspannung des Generators so hoch ist, dass die elektrischen Verbraucher versorgt und die Batterie nicht belastet wird und vom Generator zuverlässig geladen wird. Der Antrieb des Generators erfolgt über den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs sowie zugehörige Verbindungsmittel, beispielsweise einen Zahnriemen.
Da der Energiebedarf in modernen Fahrzeugen ständig steigt, sind auch Bordnetze bekannt, die als Zweispannungsbordnetz ausgestaltet sind und höhere Spannungen beispielsweise Spannungen von 42 Volt zusätzlich zur 14 Volt Spannung aufweisen. Die 42 Volt bzw. 14 Volt sind die jeweiligen Ladespannungen. Die Bordnetzbatterie ist üblicherweise eine Bleibatterie mit 12 Volt Nennspannung.

Ein solches Zweispannungsbordnetz für 42 bzw. 14 Volt ist beispielweise aus der DE 101 00 889 A1 bekannt. Bei diesen bekannten Zweispannungsbordnetz liefert der Generator die 42 Volt Spannung zur Versorgung einer ersten Batterie sowie für die der ersten Batterie zugeordneten Verbraucher. Über einen Gleichspannungswandler ist das 42 Volt Bordnetz mit dem 14 Volt Bordnetz verbunden. Der Gleichspannungswandler wird mit Hilfe eines Steuergerätes betrieben, wobei dieses Steuergerät über einen CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät in Verbindung steht und von diesen Informationen hinsichtlich der Motor- bzw. Fahrzeugbetriebsbedingungen erhält. Diese Informationen werden beim Betrieb des Gleichspannungswandlers berücksichtigt. Mit dem bekannten Bordnetz soll sichergestellt werden, dass die Fahrzeugbatterie, die Bestandteil des 14 Volt Bordnetzes ist, stets optimal geladen wird. Insbesondere im sogenannten Start-Stopp-Betrieb soll gewährleistet sein, dass die Fahrzeugbatterie und das 14 Volt Bordnetz aus der 42 Volt Batterie nachgeladen wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere im Start-Stopp-Betrieb sowie in Stillstand-Situationen, in der das Fahrzeug steht und der Verbrennungsmotor aus ist, eine Verringerung der Verlustleistungen im Bordnetz möglich ist. Erzielt wird dieser Vorteil, indem zumindest in vorgebbaren Teilbereichen des Bordnetzes die Bordnetzspannung bei bestimmten Betriebsbedingungen abgesenkt wird, auf Werte, die zur Versorgung der dann noch eingeschalteten Verbraucher noch ausreichen, jedoch die ohmschen Verluste der Fahrzeugelektrik soweit verringern, dass nur noch minimale Verbrauchsleistung benötigt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegeben Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass eine Energieeinsparung während Fahrzeugstillstandsphasen bei betriebsbereiten Fahrzeug ("Zündung an") durch die Verringerung der Bordnetzspannung und damit durch Verringerung der ohmschen Verluste möglich ist. Die damit einhergehende Verringerung der Wärmeentwicklung kann sich weiterhin vorteilhaft auf die Lebensdauer der Elektronikprodukte auswirken. In vorteilhafter Weise kann die Dimensionierung der Kühlung geringer ausfallen als bei herkömmlichen Bordnetzen.

Die Absenkung der Bordnetzspannung in vorgebbaren Bereichen, insbesondere im 12/14-Volt Bereich des Bordnetzes bei bestimmten Betriebsbedingungen wird in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers erzielt, der von einer Steuereinrichtung betrieben wird. Die Steuereinrichtung für den Gleichspannungswandler steht vorteilhafter Weise mit dem Motorsteuergerät in Verbindung und erhält von diesem die benötigten Informationen bezüglich des Fahrzustandes, des Motorbetriebs sowie des Vorliegens eines Start-Stopp-Betriebes oder des Vorliegens einer Stillstandsituation.

Die Höhe der abgesenkten Spannung wird in vorteilhafter Weise so gewählt, dass die Batterie nicht entladen wird. Die dann eingestellte Spannung sollte also knapp über der Leerlaufspannung der Batterie liegen und vorteilhafter Weise etwa 12,6 Volt betragen.

In einem erweiterten Mehrspannungsbordnetz, bei dem die Bordnetzbatterie mit Hilfe eines Schalters, beispielsweise eines Batterieschütz abgeschaltet werden kann, kann die Bordnetzspannung auch auf Werte, die unterhalb der Nennspannung der Batterie liegen, verringert werden, da in diesem Fall nicht die Gefahr besteht, dass sich die Bordnetzbatterie entlädt. Damit lässt sich eine vorteilhafte weitere Reduzierung der benötigten elektrischen Leistung erzielen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Bordnetzspannung auf Werte unter 10 Volt abgesenkt wird, wobei dann zu beachten ist, dass die für die Elektronik verträglichen Grenzen nicht unterschritten werden und auch sicherzustellen ist, dass allzu große Schwankungen der Spannung vermieden werden.

Durch Messung des Batteriestromes kann in besonders vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass die Betätigung des Batterieschalters bzw. des Batterieschütz bei Bedingungen erfolgt, bei denen der Batteriestrom vorgebbare Werte unterschreitet und insbesondere etwa Null ist, wodurch der Batterieschalter bzw. das Batterieschütz lastfrei geschaltet wird.

Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 3 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
In 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Bordnetz dargestellt, mit dem die erfindungsgemäße Spannungsabsenkung bei bestimmten Bedingungen erzielt werden kann. Dabei bezeichnet 10 den Generator, beispielsweise einen herkömmlichen Drehstromgenerator mit zugeordneter Gleichrichterbrücke und einem Spannungsregler, der die Ausgangsspannung des Generators regelt. Der Generator 10 liefert ausgangsseitig eine geregelte Gleichspannung von etwa 42 Volt, die zur Versorgung eines Ladungsspeichers 11 sowie gegebenenfalls zur Versorgung von vorgebbaren Verbrauchern 12 dient. Die Verbraucher 12 können über Schaltmittel 13 zu- oder abgeschaltet werden. Der Generator 10, der Ladungsspeicher 11 sowie die Verbraucher 12 und die Schaltmittel 13 bilden zusammen das 42 Volt Teilbordnetz 14. Weitere, nicht dargestellte Komponenten können im 42 Volt Bordnetz vorhanden sein. Der Ladungsspeicher 11 kann eine Batterie, ein Kondensator oder ein sogenannter Supercap sein. Welche Art von Ladungsspeicher 11 eingesetzt wird, hängt von den Erfordernissen im 42 Volt Bordnetz ab.
Die Verbindung zwischen dem 42 Volt Teilbordnetz 14 und dem 14 Volt Teilbordnetz 15 wird über einen Gleichspannungswandler (DC-/DC-Wandler) 16 hergestellt. Vom 14 Volt Bordnetz 15 ist lediglich der Ladungsspeicher 17 sowie beispielhaft ein Verbraucher 18 dargestellt, der beispielsweise über Schaltmittel 19 zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Der Ladungsspeicher 17 ist beispielsweise eine herkömmliche 14/12-Volt Bleisäurebatterie.
Der Gleichspannungswandler 16 hat einen Steueranschluss A, über den er mit einer Kontrolleinrichtung bzw. Steuereinrichtung 20 verbunden ist und wird von der Steuereinrichtung 20 betrieben. Die Steuereinrichtung 20 kann beispielsweise ein eigenes Steuergerät sein oder Bestandteil eines Batterie- oder Bordnetzsteuergerätes. Die Steuereinrichtung 20 ist über eine Verbindung 21, beispielsweise einen CAN-Bus oder einen ähnlichen Bus mit dem Motorsteuergerät 22 verbunden und tauscht mit diesen Daten bzw. Informationen aus, die insbesondere erkennen lassen, ob der Motor bzw. die Brennkraftmaschine in Betrieb ist oder nicht oder ob ein sogenannter Start-Stopp-Betrieb vorliegt.
Im Betrieb wird der Spannungswandler 16 von der Steuereinrichtung 20 angesteuert. Die Steuereinrichtung 20 teilt dabei dem Spannungswandler 16 mit, wann er sich ein- und auszuschalten hat und welche Spannung auf der 14 Volt-Bordnetz-Seite einzustellen ist. Im Normalbetrieb wird der Spannungswandler 16 so angesteuert, dass sich in seinem Ausgang eine Spannung von etwa 13, 7 Volt einstellt. Wird der Steuereinrichtung 20 vom Motorsteuergerät mitgeteilt, dass ein Zustand vorliegt, bei dem der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist, das Fahrzeug jedoch betriebsbereit ist ("Zündung an"), wird der Spannungswandler 16 so angesteuert, dass an seinem Ausgang eine verringerte Spannung von beispielsweise 12,8 Volt ansteht. Es wird also dem Spannungswandler 16 eine abgesenkte Spannung als Vorgabe mitgeteilt, so dass sich die gewünschte Spannungsabsenkung einstellt. Wenn die Batterie 17 zugeschaltet bleiben soll, muss die abgesenkte Spannung so hoch sein, dass sie größer ist als die Leerlaufspannung der Batterie. Da die Leerlaufspannung einer derzeit üblicherweise eingesetzten 12 Volt Bleisäurebatterie etwa 12,6 Volt beträgt, muss die am Spannungswandler 16 ausgangsseitig eingestellte Spannung höher sein als 12,6 Volt um eine Entladung der Batterie zu verhindern, aber niedriger als die Ladespannung von ca. 14 Volt für eine Bleisäurebatterie.
In 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das weitgehend identisch ist mit dem nach 1, jedoch zusätzlich Schaltmittel 23 aufweist, die über eine Verbindung 24 von der Ansteuereinrichtung 20 betätigt werden können. Diese Schaltmittel 23 sind beispielsweise ein Batterieschalter oder ein Batterieschütz. Bei Betätigung des Batterieschalters 23 kann die Batterie 17 vom übrigen Bordnetz abgekoppelt werden. Ist es, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt, der Steuereinrichtung 20 möglich, in einer erkannten Stillstandsituation die 12 Volt Batterie 17 vom übrigen Bordnetz abzukoppeln, kann die Bordnetzspannung im Niederspannungsbordnetz 15 gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 weiter abgesenkt werden. Prinzipiell ist es möglich, die Spannung im 14-Volt-Bordnetz bis zu solchen Werten abzusenken, die gerade noch von der Elektronik vertragen werden. Beispielsweise sind dies Spannungen von weniger als 10 Volt. Für die Festlegung der Minimalspannung, auf die die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 16 abgesenkt werden soll, gilt dass sicherzustellen ist, dass die Verbraucher zuverlässig versorgt werden und all zu große Spannungsschwankungen vermieden werden.
Die Erkennung eines bestimmten Betriebszustandes des Fahrzeugs ob bzw. des Motors oder der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, insbesondere des Vorliegens eines Start-Stopp-Betriebes erfolgt üblicherweise im Motorsteuergerät 22. Die Steuereinrichtung 20 für den Gleichspannungswandler 16 kann aber auch derart ausgestaltet werden, dass sie ausgehend von Größen, die ihr von der Motorsteuerung zugeführt werden, diese Stillstandserkennung selbst durchführt und so selbst die Ansteuersignale für den Spannungswandler 16 zur Absenkung der Bordnetzspannung bildet. Als Steuereinrichtung 20 kann auch direkt das Motorsteuergerät dienen.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das ein Bordnetz zeigt, das im wesentlichen dem Bordnetz nach 2 entspricht, jedoch zusätzlich noch einen Stromsensor 25 aufweist, der beispielsweise in der Zuleitung zur Batterie 17 angeordnet ist und den Batteriestrom IB misst. Die Messergebnisse, die erkennen lassen, ob ein Strom in die Batterie hineinfließt, aus der Batterie heraus oder ob der Batteriestrom null ist, werden über eine Verbindung 26 der Steuereinrichtung 20 für den Gleichspannungswandler 16 zugeführt und von der Steuereinrichtung 20 verarbeitet. Durch die Verwendung eines Stromsensors 25 in der Zuleitung zur Batterie wird der Strom von und zur Batterie, also der Batteriestrom erfasst. Ist diese Größe den Kontrolleinrichtungen bekannt, kann über den Spannungswandler 16 im 14 Volt Bordnetz 15 eine Bordnetzspannung eingestellt werden, die einen vorgebbaren Batteriestrom ergibt.
Insbesondere kann ein Batteriestrom von etwa null eingestellt werden, d.h. der Gleichspannungswandler wird so angesteuert, dass sich ein Batteriestrom von etwa null ergibt. Bei einem Batteriestrom von null ist der energetische Gewinn bei nicht vorhandenem Batterieschalter maximiert.
Bei Verwendung eines Batterieschalters 23 kann die Einregelung eines Null-Batteriestroms dazu genutzt werden, den Batterieschalter bzw. das Batterieschütz 23 lastfrei, bzw. stromlos zu schalten.
Mit dem in 3 dargestellten Mehrspannungsbordnetz kann also sowohl eine optimale dynamische Anpassung der Spannungslage an die Spannungslage der Batterie durchgeführt werden und es kann der Batterieschalter bzw. das Batterieschütz durch Minimierung des Laststroms beim Schalten entlastet werden.
Da der vom Stromsensor 25 gemessene Batteriestrom I_B, der charakteristisch für die Spannungslage des Bordnetzes U_Bo zur Spannungslage der Batterie U_Ba ist für die Auswertung bereitsteht, ist es möglich, Aussagen über den Zustand des Bordnetzes zu gewinnen. Ist der Batteriestrom I_B positiv, nimmt definitionsgemäß die Batterie 17 elektrische Leistung auf. Ist der Batteriestrom I_B negativ, gibt definitionsgemäß die Batterie 17 elektrische Leistung ab (negative Spannungsdifferenz bzw. negativer Batteriestrom). Wird der Spannungswandler dagegen so angesteuert, dass sich ein Batteriestrom von I_B = 0 einstellt, findet kein Leistungsaustausch statt. Die Spannungslagen sind dann identisch und die Summe der beiden Spannungen gleich 0. Es gilt dann folgender Zusammenhang: UBo – UBa = UDi = RB·IB
Obwohl der Batteriewiderstand R_B, der sich zusammensetzt aus dem Batterieinnenwiderstand, dem Widerstand der Zuleitungen, dem Widerstand der Klemmen u.s.w. und die Batteriespannung U_Ba nicht bekannt sind, kann mit Hilfe der Information bezüglich des Batteriestroms I_B ein spezieller Regelkreis aufgebaut werden. In diesem Regelkreis wird mit variierender Bordnetzspannung der Ziel- bzw. Sollwert von einem Batteriestrom I_B = 0 eingestellt und der Spannungswandler 16 entsprechend angesteuert. Ein Batteriestrom von I_B = 0 ist nicht nur günstig, um eine Entladung der Batterie im Ruhezustand zu verhindern, sondern auch um beim Schalten des Batterieschalters ein leistungsloses Schalten zu ermöglichen. Der im Normalbetrieb üblicherweise mechanisch geschlossene Batterieschalter wird in den Start-Stopp- oder Stillstandsituationen bestromt und damit geöffnet. Beim Öffnen unter Last könnte ein erhöhter Kontaktverschleiß bzw. Kontaktabbrand zur frühzeitigen Zerstörung des Batterieschalters bzw. des Batterieschützes führen. Dies wird jedoch erfindungsgemäß vermieden, wenn vor dem Öffnen des Batterieschalters ein Batteriestrom von I_B = 0 eingestellt wird.
Das in 3 dargestellte Zweispannungsbordnetz mit einem ansteuerbaren Batterieschalter bzw. Batterieschütz 23 sowie einem Stromsensor 25, der die Informationen des aktuellen Batteriestroms I_B über die Leitung 26 an die Steuereinrichtung 20 des Gleichspannungswandlers 16 weitergibt, kann in Start-Stopp- bzw. Stillstandsituationen oder bei sonstigen vorgebbaren Bedingungen der Batteriestrom minimiert bzw. zu 0 eingeregelt werden.
Die Steuereinrichtung für das Bordnetz bzw. die zugehörigen Ansteuerverfahren können gegebenenfalls in eigenen Steuereinrichtungen ablaufen oder als Teilfunktion des elektrischen Batteriemanagers eingesetzt werden. Der elektrische Batteriemanager ist dabei ein Steuergerät, das dafür sorgt, dass die Batterie bzw. mehrere Batterien unter gegebenen Bedingungen möglichst optimal geladen sind und die zuverlässige Spannungsversorgung für alle Verbraucher im Gesamtbordnetz sichergestellt wird.

Claims

Bordnetz mit einem ersten Teilbordnetz, das wenigstens einen Generator und einen Ladungsspeicher umfasst und über einen Spannungswandler mit einem zweiten Teilbordnetz in Verbindung steht, das wenigstens einen zweiten Ladungsspeicher sowie Verbraucher umfasst und der Spannungswandler mit Hilfe einer Ansteuereinrichtung betrieben wird, die dem Spannungswandler vorgebbare Ansteuersignale zuführt und die Ausgangsspannung das Spannungswandlers auf einen ersten Wert, einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (16) so angesteuert wird, dass seine Ausgangsspannung bei vorgebbaren Bedingungen auf einen zweiten Wert abgesenkt wird.
Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilbordnetz (14) ein auf höherer Spannung liegendes Teilbordnetz ist und das zweite Teilbordnetz (15), das übliche Bordnetz eines Fahrzeugs ist.
Bordnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Bedingung, bei der die Ausgangsspannung des Spannungswandlers (16) abgesenkt wird, ein Start-Stopp-Betrieb ist, bei der der Fahrzeugmotor abgeschaltet ist und der Zündschalter ("Zündung ein") eingeschaltet ist oder eine sonstige Stillstandssituation.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für den Spannungswandler mit dem Motorsteuergerät (22) in Verbindung steht und von diesem motor- und/oder fahrzeugspezifische Informationen erhält, insbesondere Informationen bezüglich einer Start-Stopp-Erkennung oder einer Stillstandsphase.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilbordnetz (14) eine Spannung von etwa 42 Volt und das zweite Teilbordnetz (15) eine Spannung von etwa 14 Volt aufweist und die Spannung am Ausgang des Spannungswandlers und damit die Spannung des zweiten Teilbordnetzes bei vorgebbaren Bedingungen auf eine Spannung wenig oberhalb der Entladespannung der Batterie, insbesondere auf etwa 12,8 Volt abgesenkt wird.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (17) über einen Batterieschalter bzw. das Batterieschütz (23) vom Bordnetz abkoppelbar ist und diese Abkopplung erfolgt, sofern eine Spannungsabsenkung im zweiten Teilbordnetz erfolgen soll.
Bordnetz nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Batterieschalters bzw. des Batterieschütz von der Steuereinrichtung 20 veranlasst wird, sofern das Vorliegen vorgebbarer Bedingungen erkannt wird.
Bordnetz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei abgetrennter Batterie (17) die Spannung des zweiten Teilbordnetzes (15) auf Werte geregelt wird, die oberhalb der von der Elektronik benötigten Grenze, jedoch unterhalb der Entladespannung der Batterie (17) liegen und insbesondere im Bereich kleiner als 10 Volt liegen.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (17) oder der Batteriezuleitung ein Spannungsmesser (25) zugeordnet ist, der mit der Steuereinrichtung (20) für den Gleichspannungswandler (16) in Verbindung steht und den gemessenen Batteriestrom liefert und die Steuerelektronik (20) abhängig vom gemessenen Batteriestrom Steuersignale für den Spannungswandler (16) und den Batterieschalter bzw. das Batterieschütz (23) abgibt.
Bordnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (20) abhängig vom gemessenen Batteriestrom die Ansteuerung des Spannungswandlers (16) so vornimmt, dass zumindest während der Umschaltung des Batterieschalters bzw. des Batterieschütz der Batteriestrom zu null geregelt wird.
Bordnetz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis gebildet wird, der bei variierender Spannungslage der Bordnetzspannung zur Batteriespannung ausgehend von der Information des gemessenen Batteriestrom einen Sollwert für den Batteriestrom von null einstellt.