DE102009057919A1 - Electric onboard electric power supply i.e. two voltage onboard power supply, for use in motor vehicle, has generator for producing electric voltage whose amplitude determines electric potential difference between voltage levels of loads - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei Spannungsebenen, mit zumindest einem Verbraucher für jede der beiden Spannungsebenen und mit zumindest zwei Energiespeichern.The invention relates to an electrical vehicle electrical system for a motor vehicle with at least two voltage levels, with at least one consumer for each of the two voltage levels and with at least two energy stores.
Solche elektrischen Bordnetze, häufig auch als Zwei-Spannungs-Bordnetze oder Mehr-Spannungs-Bordnetze bezeichnet, sind in verschiedensten Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Bekannt sind insbesondere, beispielsweise aus der
Als Alternative hierzu sind, beispielsweise aus der
Bekannt sind weiterhin auch Zwei-Spannungs-Bordnetze bzw. Mehr-Spannungs-Bordnetze mit einer seriellen Speicherkopplung, in der Regel unter Kopplung der enthaltenen Energiespeicher mittels eines Gleichspannungswandlers.Also known are two-voltage vehicle electrical system or multi-voltage vehicle electrical system with a serial memory coupling, usually with coupling of the energy storage means by means of a DC-DC converter.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein Energiemanagement von gekoppelten Bordnetzen ist in der
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Gestaltung für ein elektrisches Bordnetz der eingangs genannten Gattung zu schaffen.It is an object of the invention to provide a simple and inexpensive design for an electrical system of the type mentioned.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Bordnetz gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by an electrical system according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.
Erfindungsgemäß umfasst das Bordnetz einen ersten Generator, der eine erste elektrische Spannung erzeugt, deren Amplitude im Wesentlichen ein elektrisches Potenzial einer ersten Spannungsebene bestimmt, sowie einen zweiten Generator, der eine zweite elektrische Spannung erzeugt, deren Amplitude im Wesentlichen die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der ersten Spannungsebene und einer zweiten Spannungsebene bestimmt, deren elektrisches Potenzial höher liegt als das der ersten Spannungsebene.According to the invention, the electrical system comprises a first generator which generates a first electrical voltage whose amplitude substantially determines an electrical potential of a first voltage level, and a second generator which generates a second electrical voltage whose amplitude is substantially the electrical potential difference between the first voltage level and a second voltage level whose electrical potential is higher than that of the first voltage level.
Die beiden Generatoren werden vorteilhafterweise in Reihe bzw. in Serie geschaltet, um das höhere Potenzial der zweiten Spannungsebene zu erzeugen bzw. zu bestimmen.The two generators are advantageously connected in series or in series in order to generate or determine the higher potential of the second voltage level.
Ein Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, dass nicht zwingend ein Gleichspannungswandler benötigt wird, um Spannungen auf zwei unterschiedliche Spannungsebenen zu erzeugen. Dadurch werden Kosten in den Bereichen Entwicklung, Anschaffung, Montage und Logistik vermieden. Ebenso wird dadurch Bauraum im Kraftfahrzeug eingespart und das Fahrzeuggewicht gesenkt, wodurch zudem der Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß des Kraftfahrzeugs gesenkt wird.A major advantage of the invention is that it does not necessarily require a DC-DC converter to generate voltages at two different voltage levels. This avoids costs in the areas of development, acquisition, assembly and logistics. Likewise, space in the motor vehicle is saved and the vehicle weight is lowered, which also reduces the fuel consumption and pollutant emissions of the motor vehicle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das elektrische Potenzial der zweiten Spannungsebene in etwa doppelt so hoch wie das elektrische Potenzial der ersten Spannungsebene bzw. in anderen Worten: die Potenzialdifferenz zwischen der ersten Spannungsebene und der zweiten Spannungsebene entspricht in etwa der Potenzialdifferenz zwischen Masse und der ersten Spannungsebene. Es erzeugen dann beide Generatoren in etwa dieselbe elektrische Spannung, z. B. 12 Volt. Bei solcher Auslegung können beispielsweise gleichartige Energiespeicher verwendet werden.According to a preferred embodiment of the invention, the electrical potential of the second voltage level is approximately twice as high as the electrical potential of the first voltage level. In other words, the potential difference between the first voltage level and the second voltage level approximately corresponds to the potential difference between ground and first voltage level. It then generate both generators in about the same electrical voltage, eg. B. 12 volts. In such a design, for example, similar energy storage can be used.
Vorzugsweise sind auch die beiden Energiespeicher in einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Ein erster Energiespeicher kann dabei parallel zu dem ersten Generator geschaltet sein, ein zweiter Energiespeicher parallel zu dem zweiten Generator. Eine solche Verschaltung führt aufgrund der dadurch ermöglichten direkten Versorgung der einzelnen Speicher bzw. Teil-Bordnetze aus den Energiequellen bzw. Generatoren zu einem sehr guten, insbesondere gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verschaltungen verbesserten, Wirkungsgrad.Preferably, the two energy storage are connected in a series circuit with each other. A first energy store may be connected in parallel to the first generator, a second energy store parallel to the second generator. Such a connection leads to a very good, in particular over the known from the prior art interconnections, due to the thus made possible direct supply of the individual memory or sub-electrical systems from the energy sources or generators efficiency.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Energiequellen, d. h. die Generatoren, in unterschiedlichen Technologien ausgeführt. Es kann sich insbesondere bei dem ersten Generator um einen konventionellen Klauenpolgenerator handeln, während der zweite Generator als thermoelektrischer Generator ausgeführt ist. Alternativ kann der zweite Generator als Solargenerator eines Solardachs eines Kraftfahrzeugs ausgeführt sein.According to a preferred embodiment of the invention, the energy sources, i. H. the generators, executed in different technologies. In particular, the first generator may be a conventional claw pole generator, while the second generator is a thermoelectric generator. Alternatively, the second generator may be designed as a solar generator of a solar roof of a motor vehicle.
Ein Solardach für ein Kraftfahrzeug, welches einen Solargenerator umfasst, ist beispielsweise in der
Gemäß einer weiteren, alternativ oder zusätzlich anwendbaren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Diode zwischen den Ausgang des zweiten Generators und die zweite Spannungsebene geschaltet. Die Energie des zweiten Generators kann somit sehr einfach, mit geringen Verlusten behaftet und gleichmäßig in das Bordnetz eingespeist werden. Insbesondere wird gegenüber dem Stand der Technik ein höherer Wirkungsgrad durch gleichmäßigere Spannung im zweiten Teilbordnetz erreicht. According to a further, alternatively or additionally applicable, preferred embodiment of the invention, a diode is connected between the output of the second generator and the second voltage level. The energy of the second generator can thus be very easily afflicted with low losses and fed evenly into the electrical system. In particular, a higher efficiency is achieved by more uniform voltage in the second sub-board network over the prior art.
Wie oben bereits erwähnt, liegt ein Hauptvorteil der Erfindung darin, dass nicht zwingend ein Gleichspannungswandler benötigt wird. Dennoch kann optional ein Gleichspannungswandler zwischen die beiden Energiespeicher geschaltet werden. Dieser ist jedoch vorzugsweise – anders als dies beim Stand der Technik möglich wäre – so „klein” dimensioniert, dass er gerade für eine Notversorgung eines Energiespeichers – im Fall eines Ausfall des Generators, der parallel zum jeweils anderen Energiespeicher geschaltet – ausreicht.As mentioned above, a major advantage of the invention is that it does not necessarily require a DC-DC converter. Nevertheless, a DC-DC converter can optionally be connected between the two energy stores. However, this is preferably - otherwise than would be possible in the prior art - so "small" dimensioned that he just for an emergency power supply of an energy storage - in the case of failure of the generator, which is connected in parallel to the other energy storage sufficient.
Hierzu kann der Gleichspannungswandler beispielsweise für eine Stromstärke von 3 Ampere ausgelegt sein. Alternativ kann der Gleichspannungswandler beispielsweise für eine Stromstärke von 5 Ampere ausgelegt sein.For this purpose, the DC-DC converter can be designed, for example, for a current of 3 amperes. Alternatively, the DC-DC converter can be designed, for example, for a current of 5 amperes.
Durch einen „klein” dimensionierten Gleichspannungswandler kann dann beispielsweise eine Tiefentladung oder eine Überladung verzögert oder aber auch ganz verhindert werden.By a "small" dimensioned DC-DC converter, for example, a deep discharge or overload can then be delayed or even completely prevented.
Vorteilhaft ist eine zusätzliche Bereitstellung von Steuerungsmitteln, die im Falle des Ausfalles einer Energiequelle flankierende Notbetriebsmaßnahmen auslösen. Dabei kann es sich um an sich bekannte Notbetriebsmaßnahmen handeln, wie etwa eine Verbraucherdegradation. Dies begünstigt eine besonders kleine Dimensionierung des Gleichspannungswandlers. Die oben genannten Vorteile des Verzichts auf einen Gleichspannungswandler bleiben bei einer solchen „Verkleinerung” des Gleichspannungswandlers (bezogen auf den Stand der Technik) größtenteils erhalten.Advantageously, an additional provision of control means which trigger flanking emergency operation measures in the event of failure of an energy source. These may be known per se emergency operation measures, such as a consumer degradation. This favors a particularly small dimensioning of the DC-DC converter. The above-mentioned advantages of the omission of a DC-DC converter largely remain in such a "reduction" of the DC-DC converter (related to the prior art).
Im Folgenden wird anhand der einzigen beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Es zeigt dabei schematischIn the following, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the single attached drawing. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. It shows schematically
Für die Kopplung der Bordnetzzweige in bekannten Zwei-Spannungs-Bordnetzen bzw. Mehr-Spannungs-Bordnetze wird in der Regel ein Gleichspannungswandler verwendet. Dieser muss eine ausreichende Leistung haben, was in der Regel mit entsprechenden Kosten, entsprechendem Bauraum- und Kühlungsbedarf und mit Zusatzgewicht einhergeht. Auch die Verwendung zweier konventioneller Klauenpolgeneratoren geht in der Regel mit ähnlichen Nachteilen einher.For the coupling of the electrical system branches in known two-voltage electrical systems or multi-voltage vehicle electrical systems, a DC-DC converter is used as a rule. This must have sufficient power, which is usually associated with corresponding costs, appropriate space and cooling requirements and additional weight. The use of two conventional Klauenpolgeneratoren is usually accompanied by similar disadvantages.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes ist beispielhaft in
Das Bordnetz umfasst zwei Generatoren (G1, G2). Ein erster Generator (G1) erzeugt eine erste elektrische Spannung, deren Amplitude im Wesentlichen ein elektrisches Potenzial einer ersten Spannungsebene bestimmt. Ein zweiter Generator (G2) erzeugt eine zweite elektrische Spannung, deren Amplitude im Wesentlichen die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der ersten Spannungsebene und einer zweiten Spannungsebene bestimmt. Das elektrische Potenzial der zweiten Spannungsebene liegt höher als das der ersten Spannungsebene.The electrical system comprises two generators (G1, G2). A first generator (G1) generates a first electrical voltage whose amplitude essentially determines an electrical potential of a first voltage level. A second generator (G2) generates a second electrical voltage whose amplitude substantially determines the electrical potential difference between the first voltage level and a second voltage level. The electrical potential of the second voltage level is higher than that of the first voltage level.
Die beiden Generatoren (G1, G2) sind in einer Reihenschaltung verbunden. Auch die Energiespeicher (S1, S2) sind in einer Reihenschaltung verbunden. Die jeweiligen Verbindungsklemmen bzw. Verbindungspunkte dieser beiden Reihenschaltungen sind miteinander verbunden, wodurch der erste Energiespeicher (S1) parallel zu dem ersten Generator (G1) geschaltet ist und der zweite Energiespeicher (S2) im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Generator (G2) geschaltet ist. Die Parallelschaltung des zweiten Generators (G2) und des zweiten Energiespeicher (S2) ist modifiziert durch die Zwischenschaltung einer einfachen Diode (D1), über welche die Energie des zweiten Generators ins Bordnetz eingekoppelt wird.The two generators (G1, G2) are connected in series. Also, the energy storage (S1, S2) are connected in a series circuit. The respective connection terminals or connection points of these two series circuits are connected to one another, whereby the first energy store (S1) is connected in parallel to the first generator (G1) and the second energy store (S2) is connected substantially parallel to the second generator (G2). The parallel connection of the second generator (G2) and the second energy store (S2) is modified by the interposition of a simple diode (D1), via which the energy of the second generator is coupled into the vehicle electrical system.
Die beiden Generatoren sind im vorliegenden Beispiel jeweils für eine Nennspannung von 12 Volt dimensioniert. Die erste Spannungsebene ist somit für typische Verbraucher (V1) eines 12-Volt-Bordnetzes ausgelegt, die zweite Spannungsebene für typische Verbraucher (V2) eines 24-Volt-Bordnetzes, wie beispielsweise eine elektrische Lenkung.The two generators are each dimensioned in the present example for a nominal voltage of 12 volts. The first voltage level is thus designed for typical consumers (V1) of a 12-volt electrical system, the second voltage level for typical consumers (V2) of a 24-volt electrical system, such as an electric steering.
Die Energie für die zweite Spannungsebene wird im vorliegenden Beispiel durch einen thermoelektrischen Generator (TEG) geliefert. Der zweite Generator (G2) ist demnach als thermoelektrischer Generator ausgeführt. Der erste Generator (G1) ist als konventioneller Klauenpolgenerator ausgeführt.The energy for the second voltage level is provided in the present example by a thermoelectric generator (TEG). The second generator (G2) is therefore thermoelectric Generator running. The first generator (G1) is designed as a conventional claw pole generator.
Statt eines thermoelektrischen Generators (oder zusätzlich) kann das Kraftfahrzeug, in welchem das Bordnetz angeordnet ist, auch ein Solardach mit Solargenerator aufweisen. Der zweite Generator (G2) kann dann auch als Solargenerator des Solardachs ausgeführt sein.Instead of a thermoelectric generator (or in addition), the motor vehicle, in which the electrical system is arranged, also have a solar roof with solar generator. The second generator (G2) can then also be designed as a solar generator of the solar roof.
Die seriell miteinander verschalteten Energiespeicher (S1, S2) können jeweils als Batterie und/oder Doppelschichtkondensator ausgeführt sein, in diesem Beispiel ausgelegt für je 12 Volt.The energy stores (S1, S2) connected in series with one another can each be embodied as a battery and / or double-layer capacitor, designed in this example for every 12 volts.
Die vorgeschlagene Anordnung beinhaltet eine Kombination unterschiedlicher Energiequellen mit einer seriellen Kopplung von Energiespeichern. Dabei versorgt jeweils eine Energiequelle einen der Energiespeicher. Im vorliegenden Beispiel versorgt Generator G1 den Energiespeicher S1, Generator G2 versorgt den Energiespeicher S2.The proposed arrangement involves a combination of different energy sources with a serial coupling of energy storage. In each case, an energy source supplies one of the energy storage. In the present example, generator G1 supplies the energy store S1, generator G2 supplies the energy store S2.
Zum Zwecke einer Notversorgung ist im vorliegenden Beispiel ein sehr klein dimensionierter Gleichspannungswandler zwischen die beiden Bordnetzzweige geschaltet.For the purpose of an emergency supply a very small-sized DC-DC converter is connected between the two electrical system branches in the present example.
Mit Hilfe dieses Gleichspannungswandlers, der auf einer Seite die Spannung des ersten Energiespeichers (S1) abgreift und auf der anderen Seite die Spannung des zweiten Energiespeichers (S2) abgreift, kann eine Tiefentladung oder eine Überladung eines der Energiespeicher verzögert oder gar verhindert werden.With the help of this DC-DC converter, which picks up the voltage of the first energy store (S1) on one side and picks up the voltage of the second energy store (S2) on the other side, a deep discharge or an overcharge of one of the energy stores can be delayed or even prevented.
Im vorliegenden Beispiel ist der Gleichspannungswandler für eine Stromstärke von 3 Ampere ausgelegt. Diese beispielhafte Dimensionierung lässt sich folgendermaßen herleiten: Liefert beispielsweise der zweite Generator (G2) einen Strom von 20 Ampere, so kann damit ein Verbraucher des Hochvoltzweiges (V2) von ebenfalls 20 Ampere Strombedarf versorgt werden. Eine elektrische Lenkung benötigt im Falle einer normalen Fahrt von ca. 30–60 km/h erfahrungsgemäß Ströme in der Größenordnung von 3 bis 5 Ampere. Wird im Stand gelenkt, erhöht sich dieser Strom je nach Beladung und Reibwert auf bis zu ca. 80 Ampere. Für den Fall eines Ausfalls des zweiten Generators (G2) wäre es denkbar, einen Gleichspannungswandler mit 3 Ampere Durchschnittsstrom vorzusehen, welcher den normalen Fahrbetrieb abdeckt, jedoch nicht das Lenken im Stand. Die Beschränkung auf eine Lenkbarkeit während der Fahrt erscheint im Fehlerfall bzw. in einem im Fehlerfall einsetzenden Notbetrieb grundsätzlich zulässig, da einerseits der Ausfall angezeigt werden kann und andererseits durch den zugehörigen Energiespeicher (S2) eine bestimmte Zeit lang ein vollständiger Notbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Ein Nutzer des Fahrzeugs ist somit in der Lage, eine bestimmte Zeit ohne größere Einschränkungen zu fahren, insbesondere um eine Werkstätte zu erreichen. Somit stellt der Gleichspannungswandler mit einem Strom von 3 Ampere bis zu einer gewissen Höhe eine redundante Stromversorgung bezogen auf den Energiespeicher (S2) bzw. auf den Verbraucher (V2) dar. Zudem ist er gegenüber dem Stand der Technik mit deutlich verringertem Hardware-, Bauraumbedarf und Kostenaufwand realisierbar. Zum Vergleich: Ein Zweispannungsbordnetz gemäß dem Stand der Technik ohne einen Generator G2, jedoch mit einem ausreichenden DCDC-Wandler würde üblicherweise vermutlich für 10 Ampere Durchschnittsstrom ausgelegt werden.In the present example, the DC-DC converter is designed for a current of 3 amperes. This exemplary dimensioning can be derived as follows: If, for example, the second generator (G2) supplies a current of 20 amperes, then a consumer of the high-voltage branch (V2) can also be supplied with 20 amperes of current. An electric steering requires in the case of a normal drive of about 30-60 km / h, according to experience currents in the order of 3 to 5 amps. If steered when stationary, this current increases depending on the load and coefficient of friction up to about 80 amperes. In the case of a failure of the second generator (G2), it would be conceivable to provide a DC-DC converter with 3 ampere average current, which covers the normal driving operation, but not the steering in the state. The restriction to steerability while driving appears in the event of a fault or in an emergency operation starting in the event of a fault is basically permissible, since on the one hand the failure can be indicated and on the other hand a complete emergency operation can be maintained for a certain time by the associated energy store (S2). A user of the vehicle is thus able to drive a certain time without major restrictions, in particular to reach a workshop. Thus, the DC-DC converter with a current of 3 amps to a certain height is a redundant power supply relative to the energy storage (S2) or to the consumer (V2). In addition, it is compared to the prior art with significantly reduced hardware and space requirements and cost feasible. For comparison, a prior art two-voltage on-board system without a generator G2, but with a sufficient DCDC converter, would typically be designed for 10 ampere average current.
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