DE102010012304B4

DE102010012304B4 - Anordnung sowie Verfahren zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für zumindest einen elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010012304B4
Application number: DE102010012304.8A
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler; Stefan Pfaller
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: DE102010012304A1

Abstract

Anordnung zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für zumindest einen elektrischen Verbraucher (B) eines Kraftfahrzeugs, wobei der zumindest eine elektrische Verbraucher (B), ein erster Energiespeicher (S1) und ein Spannungsgenerator (G) jeweils miteinander in einer Teilanordnung gekoppelt oder koppelbar sind, und wobei die Teilanordnung über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) mit einem zweiten Energiespeicher (S2) gekoppelt ist, wobei dem bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) Mittel (SG) zum Festlegen einer von dem bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) auf einer seiner Seiten bereitgestellten Spannung zugeordnet sind, gekennzeichnet durch Mittel (A) zum Messen der Stromstärke des aus dem oder in den ersten Energiespeicher (S1) fließenden elektrischen Stromes, die mit den Mitteln zum Festlegen gekoppelt sind, wobei die Mittel zum Festlegen ausgelegt sind, zumindest in einer vorbestimmten Situation die Spannung auf der Seite der Teilanordnung in Abhängigkeit von einer von den Mitteln (A) zum Messen gemessenen Stromstärke festzulegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 10 2004 036 042 A1 bekannt. Ein elektrischer Verbraucher, ein erster Energiespeicher und ein Spannungsgenerator sind jeweils miteinander in einer Teilanordnung gekoppelt bzw. koppelbar. Diese Teilanordnung ist über einen Gleichspannungswandler mit einer zweiten Teilanordnung gekoppelt, die einen zweiten Energiespeicher umfasst. Jeder Teilanordnung bei der DE 10 2004 036 042 A1 ist hierbei ein Teilbordnetz zugeordnet, nämlich der Teilanordnung mit dem ersten Energiespeicher ein 42-Volt-Bordnetz, und auf der Seite mit dem zweiten Energiespeicher ist ein zweites Teilbordnetz, ein 14-Volt-Bordnetz vorgesehen.
Die von dem Gleichspannungswandler an einem Ausgang, der auf einer beliebigen Seite liegen kann, bereitgestellte Spannung, kann durch eine Steuereinrichtung festgelegt werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass dem zweiten Energiespeicher, der auf der dem Spannungsgenerator fernen Seite des Gleichspannungswandlers angeordnet ist, ein Stromsensor zugeordnet ist, der den Batteriestrom misst und diesen als Eingangsgröße der Steuereinrichtung zuführt, damit der Gleichspannungswandler so angesteuert wird, dass sich ein Batteriestrom von etwa Null ergibt. Bei einem Batteriestrom von Null ist der energetische Gewinn bei nicht vorhandenem Batterieschalter maximiert.
Die Frage des energetischen Gewinnes ist im Falle der DE 10 2004 036 042 A1 dadurch relevant, dass auf jeder Seite des Gleichspannungswandlers Teilbordnetze angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung benötigt keine Anordnung mit zwei Teilbordnetzen, sondern geht bevorzugt davon aus, dass sämtliche elektrischen Verbraucher auf der Seite des Spannungsgenerators angeordnet sind. Die Funktion des zweiten Energiespeichers ist dann eine andere: Es geht nämlich darum, den ersten Energiespeicher in vorbestimmten Situationen zu entlasten.
Dies ist beispielsweise bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 der Fall: Ein erster Energiespeicher liefert bei einem Startvorgang eine Betriebsspannung für einen Motorstarter für einen Motor des Kraftfahrzeugs (und wird bei einer nachfolgenden Fahrt des Kraftfahrzeugs von einem Spannungsgenerator wieder aufgeladen). Die Energie für den Verbraucher wird bei Fahrt des Kraftfahrzeugs und Betrieb des Verbrennungsmotors dann aus einem Spannungsgenerator bereitgestellt und bei Stillstand des Verbrennungsmotors im Regelfall aus einem zweiten Energiespeicher bereitgestellt, der mit dem ersten Energiespeicher und dem Verbraucher über einen Gleichspannungswandler gekoppelt ist.
Es geht hierbei darum, den ersten Energiespeicher weitgehend für den Motorstart einzusetzen; hier kommt es empfindlich darauf an, dass der erste Energiespeicher immer geladen ist. Aus diesem Grund wird der erste Energiespeicher geschont und die Energie für die weniger wichtigen Verbraucher im Betrieb des Kraftfahrzeugs von dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt. Der erste Energiespeicher kann eine Bleisäurebatterie sein. Als zweiter Energiespeicher kann eine zyklenfeste Batterie vorgesehen sein, also eine Batterie, die eine Vielzahl von Entlade- und Ladevorgängen durchlaufen kann, ohne dass es starke Beeinträchtigungen bei der Batteriespannung oder eine übermäßige Alterung der Batterie gäbe.
Die JP 2007-020 283 A offenbart ein System zum Ladungsausgleich von zwei in Serie geschalteten Batterien. Dieses System ist mit einer ersten und einer zweiten Batterie ausgestattet, welche die gleiche Spannung ausgeben und in Reihe geschaltet sind. Weiterhin umfasst das System einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler, der die Ausgangsspannung der ersten Batterie umwandelt, eine an die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers angeschlossene Last, einen Stromsensor für die erste Batterie und einen Stromsensor für die zweite Batterie, welche den Strom auf der jeweiligen Ausgangsseite der beiden Batterien erfassen, sowie eine Leistungssteuereinrichtung, die die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers steuert.
In der DE 199 51 128 A1 werden Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsregelung in einem Fahrzeugbordnetz angegeben, bei dem eine Starterbatterie und eine Bordnetzbatterie von wenigstens einem Generator geladen werden und die beiden Batterien über ein Steuergerät mit Mikroprozessor und Timer miteinander verbindbar sind. Die Ladung der Starterbatterie erfolgt zu vorgebbaren Zeiten, wobei diese Zeiten vom Steuergerät in Abhängigkeit von vorgebbaren Kenngrößen des Motors und/oder Bordnetzes ermittelt werden. Zur Verlängerung der Ladezeit für die Starterbatterie wird das Steuergerät während einer Nachlaufphase nach Abstellen des Motors weiterhin mit Spannung versorgt und liefert die für die Ladung der Starterbatterie erforderliche elektrische Leistung.
Die DE 10 2006 017 921 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei das Bordnetz ein Primärsystem, umfassend einen Generator, eine Bordnetzbatterie und mindestens einen Verbraucher in Parallelschaltung, aufweist sowie ein Sekundärsystem, das zum Primärsystem parallel geschaltet ist und einen mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler gekoppelten Superkondensator sowie eine Steuervorrichtung zur Steuerung des DC/DC-Wandlers umfasst, wobei der Superkondensator auf die momentane Spannung aufgeladen ist, wobei mindestens drei Bereiche für die momentane Spannung unterschieden werden, die durch eine erste Bereichsgrenze und durch eine zweite Bereichsgrenze voneinander getrennt sind, wobei den mindestens drei Bereichen vorgebbare Lade- und/oder Entladeaktivitäten des Superkondensators zugeordnet werden, wobei die erste und die zweite Bereichsgrenze in Abhängigkeit mindestens eines Fahrzeug- und/oder Umgebungsparameters variiert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Energiespeicher besonders zuverlässig geschont wird. Zur Aufgabe gehört das Bereitstellen einer geeigneten Anordnung.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäß sind somit in der Anordnung zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für zumindest einen elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs Mittel zum Messen der Stromstärke des aus oder in den ersten Energiespeicher fließenden elektrischen Stroms vorgesehen, die mit den Mitteln zum Festlegen der auf einer Seite des Gleichspannungswandlers bereitgestellten Spannung gekoppelt sind. Die Mittel zum Festlegen sind ausgelegt, zumindest in einer vorbestimmten Situation die Spannung auf der Seite der Teilanordnung (mit dem Spannungsgenerator) in Abhängigkeit von einer von den Mitteln zum Messen gemessenen Stromstärke festzulegen.
Anders als bei der Anordnung aus der DE 10 2004 036 042 A1 sind die Mittel zum Messen der Stromstärke dem ersten Energiespeicher zugeordnet, und nicht etwa dem zweiten Energiespeicher. Es wird also auf der Seite des Spannungsgenerators an dem Energiespeicher die Stromstärke gemessen. Dadurch wird es möglich, die Stromstärke so einzustellen, dass der erste Energiespeicher entlastet wird.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der erste Energiespeicher zum Starten eines Motorstarters dient, wenn also die Teilanordnung einen Motorstarter umfasst. Bevorzugt ist der erste Energiespeicher als Batterie ausgebildet.
Die Erfindung ist insbesondere dann anwendbar, wenn sämtliche elektrischen Verbraucher Teil der Teilanordnung sind, also auf der Seite des Spannungsgenerators bereitgestellt sind, wenn also die Seite mit dem zweiten Energiespeicher verbraucherfrei ist. Eine solche Anordnung verwendet den zweiten Energiespeicher lediglich als Reserve zum Betreiben der Verbraucher, der zweite Energiespeicher ist gleichwohl über einen Gleichspannungswandler von den elektrischen Verbrauchern getrennt. Eine solche Anordnung ist etwas ganz anderes als eine Anordnung mit zwei Teilbordnetzen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 036 042 A1 bekannt ist.
Die vorbestimmte Situation tritt insbesondere bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors bei gleichzeitigem Betrieb zumindest eines Verbrauchers auf. Dann liefert der Spannungsgenerator nämlich keine Spannung und kann nicht die elektrischen Verbraucher betreiben, so dass der zweite Energiespeicher die Energie bereitstellen muss.
Zusätzlich zu den dem ersten Energiespeicher zugeordneten Mitteln zum Messen der Stromstärke kann es solche Mittel zum Messen der Stromstärke auch am zweiten Energiespeicher geben, denn es kann andere vorbestimmte Situationen geben als die, in denen in Abhängigkeit von der Stromstärke am ersten Energiespeicher die Spannung gesteuert wird, und in diesen anderen vorbestimmten Situationen kann dann eine von dem Gleichspannungswandler auf der Seite des zweiten Energiespeichers bereitgestellte Spannung in Abhängigkeit der von diesen Mitteln zum Messen der Stromstärke am zweiten Energiespeicher gemessenen Stromstärke festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für den bzw. im Regelfall, dass bei Stillstand des Verbrennungsmotors die Energie für den zumindest einen elektrischen Verbraucher aus dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt wird, die verbraucherseitige Spannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit von der Stromstärke eines in oder aus dem ersten Energiespeicher fließenden Stromes geregelt wird.
Die Spannung kann dann so festgelegt werden, dass aus dem ersten Energiespeicher nur ein bestimmter Strom fließt. Bevorzugt ist dieser Strom genau gleich Null, es wird also bei Stillstand des Verbrennungsmotors darauf geregelt, dass kein Strom in den oder aus dem ersten Energiespeicher fließt. In diesem Falle ist der Energiespeicher geschont und entlädt sich nicht, andererseits wird er auch nicht geladen.
In einer vorbestimmten Andersituation kann von dem Regelfall abgewichen werden und bei Stillstand des Verbrennungsmotors die Energie für den zumindest einen Verbraucher auch aus dem ersten Energiespeicher bereitgestellt werden und hierbei die an dem zweiten Energiespeicher zugewandten Seite abfallende Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke eines in den oder aus dem zweiten Energiespeicher fließenden Stromes geregelt werden, insbesondere darauf, dass dort kein Strom in bzw. aus dem zweiten Energiespeicher fließt. In diesem Falle würde eine Schonung des zweiten Energiespeichers eintreten, aber eben nur in einer bestimmten Ausnahmesituation. Die Ausnahmesituation kann beispielsweise in Abhängigkeit von bestimmten Messwerten definiert werden, z. B. in Abhängigkeit von einer am zweiten Energiespeicher anliegenden Spannung, die für den Ladezustand des zweiten Energiespeichers steht, wobei zusätzlich der Ladezustand des ersten Energiespeichers über die an diesem anliegende Spannung berücksichtigt werden kann.
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für elektrische Verbraucher in einem Kraftfahrzeug (in einem Bordnetz) gemäß der Erfindung ist und
2 eine Abwandlungsform dieser Ausführungsform ist.
In einem Kraftfahrzeug dient als elektrischer Energiespeicher S1 eine Starterbatterie zum Betreiben eines Motorstarters St, der über einen Schalter Sch mit der Starterbatterie koppelbar ist. Das Kraftfahrzeug verfügt auch über ein Bordnetz, also eine Anordnung von elektrischen Verbrauchern, symbolisch mit „B” für „Bordnetz” gekennzeichnet, und diese sind ebenfalls mit dem ersten Energiespeicher S1 gekoppelt. Im Betrieb des Kraftfahrzeugs wird jedoch nicht Energie aus dem ersten Energiespeicher S1 zum Betreiben der Verbraucher B bereitgestellt, sondern aus einem Spannungsgenerator G. Steht der (nicht gezeigte) Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs, dann liefert der Spannungsgenerator keine Energie. In diesem Fall wird die Energie zum Betreiben der Verbraucher aus einem zweiten Energiespeicher S2 bereitgestellt, der ebenfalls als Batterie ausgebildet sein kann oder die Form eines Kondensators („Super-CAP”) oder eines Schwungradspeichers haben kann. Der zweite Energiespeicher S2 ist über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler DC/DC mit den Verbrauchern B und damit auch mit dem ersten Energiespeicher S1 und dem Spannungsgenerator G bekoppelt.
Die Starterbatterie ist äußerst empfindlich und soll also ausschließlich zum Betreiben des Motorstarters St für den Verbrennungsmotor verwendet werden. Damit bei Stillstand des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs, wenn der Spannungsgenerator G keine Energie liefert, die Verbraucher nicht aus dem ersten Energiespeicher S1 gespeist werden oder umgekehrt zuviel Energie aus dem zweiten Energiespeicher S2 bereitgestellt wird, so dass der erste Energiespeicher S1 geladen wird, ist eine Strommesseinrichtung A bereitgestellt, die die Stromstärke des in und aus dem ersten Energiespeicher S1 fließenden Stromes I misst. In Abhängigkeit von dem gemessenen Wert für die Stromstärke legt ein Steuergerät SG die auf der Seite der Verbraucher B am Gleichspannungswandler DC/DC anliegende Spannung fest. Diese Spannung bestimmt, wie viel Strom vom zweiten Energiespeicher S2 zu den Verbrauchern B fließt. Die Steuerung soll dergestalt sein, dass der in den Energiespeicher S1 bzw. aus diesem fließenden Strom eine Stromstärke von Null hat.
Als ergänzende Maßnahme kann eine weitere Einrichtung A2 zum Messen der Stromstärke des aus dem bzw. in den zweiten Energiespeicher S2 fließenden Stromes vorgesehen sein, und das Steuergerät SG kann die Spannung, die der Gleichspannungswandler auf Seite des zweiten Energiespeichers S2 anlegt, in Abhängigkeit von dieser Stromstärke festlegen. So ist es möglich, in Abweichung von dem oben Beschriebenen in manchen Situationen so zu regeln, dass kein Strom von dem zweiten Energiespeicher S2 bereitgestellt wird bzw. in diesen als Ladestrom fließt. Diese ergänzende Maßnahme ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sich der Ladezustand des zweiten Energiespeichers S2 verschlechtert und der zweite Energiespeicher S2 eine Erholungsphase braucht (so genannter „Refresh”-Modus).

Claims

Anordnung zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für zumindest einen elektrischen Verbraucher (B) eines Kraftfahrzeugs, wobei der zumindest eine elektrische Verbraucher (B), ein erster Energiespeicher (S1) und ein Spannungsgenerator (G) jeweils miteinander in einer Teilanordnung gekoppelt oder koppelbar sind, und wobei die Teilanordnung über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) mit einem zweiten Energiespeicher (S2) gekoppelt ist, wobei dem bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) Mittel (SG) zum Festlegen einer von dem bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) auf einer seiner Seiten bereitgestellten Spannung zugeordnet sind, gekennzeichnet durch Mittel (A) zum Messen der Stromstärke des aus dem oder in den ersten Energiespeicher (S1) fließenden elektrischen Stromes, die mit den Mitteln zum Festlegen gekoppelt sind, wobei die Mittel zum Festlegen ausgelegt sind, zumindest in einer vorbestimmten Situation die Spannung auf der Seite der Teilanordnung in Abhängigkeit von einer von den Mitteln (A) zum Messen gemessenen Stromstärke festzulegen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilanordnung einen Motorstarter (St) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (S1) als Batterie ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche elektrische Verbraucher (B) Teil der Teilanordnung sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorbestimmte Situation bei einem Stillstand eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs bei gleichzeitigem Betrieb zumindest eines Verbrauchers (B) auftritt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (A2) zum Messen der Stromstärke des aus dem oder in den zweiten Energiespeicher (S2) fließenden elektrischen Stromes, die ebenfalls mit den Mitteln (SG) zum Festlegen gekoppelt sind, wobei die Mittel (SG) zum Festlegen ausgelegt sind, in zumindest einer vorbestimmten anderen Situation als der zumindest einen vorbestimmten Situation eine von dem bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) auf der Seite des zweiten Energiespeichers (S2) bereitgestellte Spannung in Abhängigkeit von einer von den weiteren Mitteln (A2) zum Messen gemessenen Stromstärke festzulegen.
Verfahren zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für zumindest einen Verbraucher (B) eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor, bei dem ein erster Energiespeicher (S1) bei einem Startvorgang eine Betriebsspannung für einen Motorstarter (St) für den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs bereitstellt und bei nachfolgender Fahrt des Kraftfahrzeugs von einem Spannungsgenerator (G) aufgeladen wird, wobei die Energie für den zumindest einen Verbraucher (B) bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs aus dem Spannungsgenerator (G) bereitgestellt wird und bei Stillstand des Verbrennungsmotors im Regelfall aus einem zweiten Energiespeicher (S2) bereitgestellt wird, der mit dem ersten Energiespeicher (S1) und dem zumindest einen Verbraucher (B) über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass für den Regelfall die verbraucherseitig bereitgestellte Spannung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers (DC/DC) in Abhängigkeit von der Stromstärke eines in den oder aus dem ersten Energiespeicher (S1) fließenden Stromes geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stillstand des Verbrennungsmotors darauf geregelt wird, dass kein Strom in den oder aus dem ersten Energiespeicher (S1) fließt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vorbestimmten Andersituation von dem Regelfall abgewichen wird und bei Stillstand des Verbrennungsmotors die Energie für den zumindest einen Verbraucher (B) aus dem ersten Energiespeicher (S1) bereitgestellt wird und hierbei die an der dem zweiten Energiespeicher (S2) zugewandten Seite des bidirektionalen Gleichspannungswandlers (DC/DC) abfallende Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke eines in den oder aus dem zweiten Energiespeicher (S2) fließenden Stroms geregelt wird, insbesondere darauf, dass kein Strom in den oder aus dem zweiten Energiespeicher (S2) fließt.