DE102011083255A1 - Verfahren zum Betrieb eines Zweispeicherbordnetzes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zweispeicherbordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs mit zwei über einen Gleichspannungswandler (13) verbundenen Teilnetzen (11, 12) und einem Generator (14), wobei ein erstes Teilnetz (11) der zwei Teilnetze (11, 12) einen ersten Energiespeicher (15) und ein zweites Teilnetz (12) der zwei Teilnetze (11, 12) einen zweiten Energiespeicher (17), einen Startermotor (16) zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs und wenigstens einen Verbraucher (18) umfasst, wobei während eines Zeitraums, in dem der Generator (14) nicht in Betrieb ist und/oder unmittelbar vor dem Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs wenigstens zeitweise eine Spannung des zweiten Teilnetzes (12) mittels des ersten Energiespeichers (15) über eine Erhöhung einer Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (13) auf eine Startspannung (U3) angehoben wird, die über einer Nennspannung (U2) des zweiten Energiespeichers (17) liegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zweispeicherbordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit zwei über einen Gleichspannungswandler verbundenen Teilnetzen sowie eine entsprechende Recheneinheit.
  • Stand der Technik
  • Fahrzeuge mit Start-/Stopp-Automatik sind grundsätzlich bekannt. In herkömmlichen Systemen ist dabei, wie bei anderen Kraftfahrzeugen auch, ein elektrischer Speicher vorgesehen, der mit einem Generator ("Lichtmaschine") und einem Startermotor ("Anlasser") bekannter Art sowie den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Bei dem elektrischen Speicher handelt es sich beispielsweise um einen Blei-Säure-Akkumulator, der im Rahmen dieser Anmeldung auch als "Fahrzeugbatterie" bezeichnet wird.
  • Während des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine wird die Fahrzeugbatterie durch den Startermotor derart stark belastet, dass die Bordnetzspannung einbricht. Hierdurch kann es bei spannungssensitiven Verbrauchern (z.B. Radios oder Infotainmentsystemen) zu Funktionseinschränkungen kommen. In Fahrzeugsystemen ohne Start-/Stopp-Automatik kann dies toleriert werden, da die Brennkraftmaschine üblicherweise nur einmal bei Fahrtantritt gestartet wird.
  • Besonders nachteilig bei der Realisierung eines Start-/Stopp-Betriebs mit einem herkömmlichen Bordnetz ist jedoch auch, dass während der Stopp-Phasen die Fahrzeugbatterie entladen wird, wodurch deren Spannung auf einen Wert unterhalb ihrer Gleichgewichtsspannung absinkt. Die Spannung liegt nach einer derartigen Entladung beispielsweise bei nur noch 12 V gegenüber einer Sollspannung von 14 V. Die Doppelschichtkapazität im Grenzbereich Elektrode/Elektrolyt der Fahrzeugbatterie wird dabei zumindest teilweise entladen. Die Pufferfunktion der Doppelschichtkapazität geht damit verloren. Dies verstärkt den Spannungseinbruch beim Starten des Motors.
  • Zur Verhinderung des Spannungseinbruchs während sogenannter Warmstarts in Fahrzeugen mit Start-/Stopp-Automatik sind unterschiedliche spannungsstabilisierende Maßnahmen bekannt. Derartige Maßnahmen sind jedoch aufwendig und stets mit zusätzlichen Kosten verbunden.
  • Es besteht daher der Bedarf nach kostengünstigen Maßnahmen zur Vermeidung spannungsstabilisierender Eingriffe in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen, die einfach und unaufwendig realisiert werden können, und mittels derer die erläuterten Nachteile des Standes der Technik überwindbar sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb eines Zweispeicherbordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit zwei über einen Gleichspannungswandler verbundenen Teilnetzen sowie eine entsprechende Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegen beispielsweise Zweispeicherbordnetze zugrunde, wie sie insbesondere für sogenannte rekuperierende Systeme von Kraftfahrzeugen verwendet werden. In rekuperierenden Systemen wird eine Bremsenergie über einen Generator in elektrische Energie zurückgewandelt und in einem Energiespeicher gespeichert.
  • Die unten erläuterte 1 zeigt ein entsprechendes Zweispeicherbordnetz, wie es für rekuperierende Systeme verwendet wird. Das Zweispeicherbordnetz weist zwei Teilnetze mit unterschiedlicher Betriebsspannung auf. Ein in einem ersten Teilnetz vorgesehener und unten näher erläuterter erster Energiespeicher 15 wird zur Speicherung von rekuperierter Bremsenergie verwendet. Über einen Gleichspannungswandler 13 wird ein zweites Teilnetz, nämlich das eigentliche Bordnetz, versorgt. Dieses umfasst die Fahrzeugbatterie und versorgt damit die elektrischen Verbraucher. Die Leerlaufspannung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges liegt üblicherweise zwischen ca. 12V (Batterienennspannung) und ca. 14V (Batterieladespannung). Die Nennspannung des ersten Energiespeichers ist üblicherweise deutlich höher als die Nennspannung des zweiten Energiespeichers.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt einen verbesserten Betrieb eines derartigen Zweispeicherbordnetzes während einer Stopp-Phase eines Start-/Stopp-Betriebs und/oder unmittelbar vor einem beabsichtigten Motorstart, also allgemeiner während Phasen, in denen ein Generator keine Spannung liefert, vor. In diesen Phasen wird erfindungsgemäß die Fahrzeugbatterie über den Gleichspannungswandler gespeist und das zweite Teilnetz auf eine höhere Spannung als üblich angehoben bzw. dort gehalten (im Rahmen dieser Anmeldung als "Startspannung" bezeichnet). Hierdurch wird die Doppelschichtkapazität der Fahrzeugbatterie mitgeladen. Die Fahrzeugbatterie kann daher mit voller bzw. entsprechend erhöhter Ladespannung und aufgeladener Doppelschicht für einen Startvorgang verwendet werden. Die Fahrzeugbatterie wird während des Startvorgangs vom Gleichspannungswandler unterstützt, wie unten näher erläutert.
  • Mit anderen Worten wird also in einem Zweispeicherbordnetz eines Kraftfahrzeugs, in dem zwei über einen Gleichspannungswandler verbundene Teilnetze und ein Generator vorgesehen sind und ein erstes Teilnetz der zwei Teilnetze einen ersten Energiespeicher und ein zweites Teilnetz der zwei Teilnetze einen zweiten Energiespeicher, einen Startermotor und wenigstens einen Verbraucher umfasst, während eines Zeitraums, in dem der Generator nicht in Betrieb ist und/oder unmittelbar vor einem beabsichtigten Motorstart wenigstens zeitweise die Spannung in dem zweiten Teilnetz mittels des ersten Energiespeichers über eine Erhöhung einer Soll- oder Ist-Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers angehoben.
  • Hierdurch kann der zuvor erläuterte Spannungseinbruch durch den Anlassvorgang so weit reduziert werden, dass keine weiteren Maßnahmen zur Stützung der elektrischen Verbraucher im Bordnetz erforderlich sind. Zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung eines entsprechenden Spannungseinbruchs und damit verbundene Kosten entfallen. Durch die geringere Zyklisierung, d.h. die Reduzierung des wiederholten Entladens und Ladens der Fahrzeugbatterie durch die Stützung während der Stopp-Phasen, altert diese langsamer.
  • Insgesamt kann durch eine funktionelle Verknüpfung eines Startersystems und eines ohnehin in einem entsprechenden rekuperierenden System vorhandenen Gleichspannungswandlers ein Startspannungseinbruch signifikant verringert werden.
  • Weitere Vorteile können dadurch erzielt werden, dass bereits mit dem Absetzen eines Startbefehls, der das Starten der Brennkraftmaschine einleitet, eine Sollspannung des Gleichspannungswandlers angehoben wird. Hierdurch erhöht dieser seine Leistung, die zunächst von der bereits mehrfach erläuterten Doppelschichtkapazität der Fahrzeugbatterie aufgenommen (abgepuffert) wird.
  • Die Erhöhung der Soll-Ausgangsspannung des Wandlers – und damit der Wandlerleistung – kurz vor dem Start bewirkt einen Strom in der Doppelschichtkapazität der Fahrzeugbatterie, so dass zum Startzeitpunkt eine höhere Leistung bereitgestellt werden kann, auch ohne die Bordnetzspannung (Ist-Ausgangsspannung) signifikant zu erhöhen.
  • Beim Schalten eines Hauptstroms des Startermotors befindet sich der Wandler damit bereits in einem höheren Lastpunkt und liefert einen deutlich höheren Strom, wodurch der Spannungseinbruch noch weiter verringert werden kann.
  • Dies ist vorteilhaft, weil damit verhindert werden kann, dass beim Schalten des Hauptstroms der Gleichspannungswandler erst auf Volllast hochgeregelt werden muss, wodurch eine nicht zu vernachlässigende Totzeit entsteht. Erfindungsgemäß wird, mit anderen Worten, vorgeschlagen, einen entsprechenden Wandler vorzusteuern, um einen Spannungseinbruch auf diese Weise zu minimieren.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. als Teil eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs ausgebildete Ansteuermittel für einen verwendeten Gleichspannungswandler, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben, z.B. die Steuerung der Rekuperation, genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Zweispeicherbordnetz, das mittels eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.
  • 2 zeigt Startstrom- und -spannungsverläufe gemäß Stand der Technik und gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist ein Zweispeicherbordnetz eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mittels eines Verfahrens gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.
  • Das Zweispeicherbordnetz ist insgesamt mit 10 bezeichnet. Es umfasst zwei Teilnetze 11, 12, die mittels eines Gleichspannungswandlers 13 miteinander verbunden sind. In einem ersten Teilnetz 11 ist ein Generator 14 vorgesehen, der zur direkten Ladung eines ersten Energiespeichers 15, beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators und/oder eines Doppelschichtkondensators mit einer Generatorspannung U1 eingerichtet ist. Das erste Teilnetz 11 ist an einen Eingang des Gleichspannungswandlers 13 angeschlossen. Der erste Energiespeicher 15 kann beispielsweise zur Speicherung mittels des Generators 14 rekuperierter Bremsenergie verwendet werden. Im Normalbetrieb kann der Generator damit von der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Die Spannung U1 im ersten Teilnetz kann einige zehn bis wenige hundert Volt betragen und hängt von der praktischen Umsetzung ab.
  • Ein zweites Teilnetz 12 des Zweispeicherbordnetzes 10 umfasst einen Startermotor 16 zum Starten der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs und einen zweiten Energiespeicher 17, beispielsweise einen herkömmlichen Blei-Säure-Akkumulator als Fahrzeugbatterie. An das zweite Teilnetz 12 ist wenigstens ein Verbraucher 18 angeschlossen, bei dem es sich um einen üblichen in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Verbraucher, beispielsweise ein Radio, die Beleuchtung, ein Infotainmentsystem usw. handeln kann. Das zweite Teilnetz 12 kann ebenfalls über den Generator 14 und den zwischengeschalteten Gleichspannungswandler 13 mit Spannung versorgt werden. Das zweite Teilnetz kann mit einer Bordnetzspannung U2, z.B. mit 14 V, betrieben werden.
  • Der Gleichspannungswandler 13 ist nach Maßgabe einer Ansteuerung mittels entsprechender Ansteuermittel 19, die beispielsweise als Teil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein können, zur Durchführung einer Ausführungsform im Rahmen der Erfindung eingerichtet.
  • Stellt der Generator 14 keine Spannung zur Verfügung, erfolgt eine Speisung des Bordnetzes, also des zweiten Teilnetzes 12 der 1, mittels der Energiespeicher 15 und 17. Hierbei werden diese naturgemäß entladen.
  • Durch die Verwendung des ersten elektrischen Energiespeichers 15, bei dem es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie oder einen Doppelschichtkondensator handeln kann, kann während Stopp-Phasen oder während oder kurz vor einem Motorstart, also in Phasen, in denen der Generator 14 nicht in Betrieb ist, eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 13 auf einen Wert erhöht bzw. auf diesem Wert gehalten werden, der oberhalb der üblichen Bordnetzspannung von typischerweise 14 V liegt. Beispielsweise kann es sich hierbei um Spannungen von Ua = 14,5 V oder von Ua = 15 V handeln. Hierdurch wird die Spannung des zweiten Energiespeichers 17 auf ein höheres Niveau angehoben bzw. dort gehalten.
  • Dies führt, wie mehrfach erwähnt, dazu, dass die Doppelschichtkapazität der Fahrzeugbatterie beim Start voll geladen ist und der Start von einem höheren Spannungsniveau aus erfolgt. Hierdurch wird der Minimalwert der Spannung bei dem zwangsläufig erfolgenden Spannungseinbruch ebenfalls angehoben, wodurch im Idealfall keine zusätzlichen Stützmaßnahmen erforderlich sind.
  • Darüber hinaus wird ein Teil des erforderlichen Starterstroms I durch den Gleichspannungswandler 13 bereitgestellt, wodurch sich der Spannungseinbruch weiter reduziert. Besitzt ein entsprechender Gleichspannungswandler beispielsweise eine elektrische Ausgangsleistung von Pa = 2 kW bei Ua = 14 V, so kann der Gleichspannungswandler 13 einen zusätzlichen Strom von Ia = 143 A zur Stützung des Bordnetzes und des damit verbundenen Motorstarts liefern. Der Spannungseinbruch während des Motorstarts wird hierdurch nochmals reduziert.
  • Wie erwähnt, kann auch vorteilhaft sein, mit einem Startbefehl eine Sollspannung des Gleichspannungswandlers anzuheben, wie bereits oben näher erläutert.
  • In 2 sind in Form der Diagramme A und B Strom- (I) und Spannungsverläufe (U) während eines Motorstarts gemäß dem Stand der Technik und gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in A bzw. V über eine Zeit t in s aufgetragen. Ein konventioneller Strom- bzw. Spannungsverlauf ist dabei jeweils mit 20 bzw. 21, ein gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhaltener Strom- bzw. Spannungsverlauf mit 30 bzw. 31 bezeichnet.
  • Der Beginn des Motorstarts erfolgt jeweils zu einer Zeit t von 0 s. Wie aus Diagramm A ersichtlich, wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Zeitraum von 0 bis 0,2 s eine beträchtliche Reduzierung des Einschaltstroms erzielt.
  • Hinsichtlich der Spannungsverläufe 21 und 31, die in Diagramm B dargestellt sind, kann festgestellt werden, dass sich durch einen gestützten Startvorgang gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der zu einem Spannungsverlauf 31 führt, eine Reduzierung des Spannungseinbruchs erzielen lässt. Die Spannung an der Fahrzeugbatterie wurde im vorliegenden Fall von 12,5 V auf 15 V angehoben, die Nennspannung im Bordnetz (Ladespannung) beträgt 14 V.
  • In 3 ist ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans stark schematisiert dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Das Verfahren beginnt in einem Schritt 110 in einem Grundzustand, in dem ein Fahrzeug sich im Stopp-Zustand befindet, oder, allgemeiner, ein Generator, beispielsweise der Generator 14 der 1, nicht in Betrieb ist.
  • In Schritt 120 wird ein Startsignal 121 empfangen, beispielsweise von einem Steuergerät eines Motors oder Ansteuermitteln 19, wie in 1 erläutert. Hierauf wird ein Signal 122 generiert, das beispielsweise einen Gleichspannungswandler 13, wie in 1 erläutert, dazu veranlasst, eine Ausgangsspannung zu erhöhen und damit einen zweiten Energiespeicher 17 auf eine gegenüber einer regulären Bordnetzspannung erhöhte Spannung zu laden. Ferner wird ein Starten des Fahrzeugs eingeleitet.
  • In einem Schritt 130 läuft das Fahrzeug im Regelbetrieb, die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind abgeschlossen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Zweispeicherbordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs mit zwei über einen Gleichspannungswandler (13) verbundenen Teilnetzen (11, 12) und einem Generator (14), wobei ein erstes Teilnetz (11) der zwei Teilnetze (11, 12) einen ersten Energiespeicher (15) und ein zweites Teilnetz (12) der zwei Teilnetze (11, 12) einen zweiten Energiespeicher (17), einen Startermotor (16) zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs und wenigstens einen Verbraucher (18) umfasst, wobei während eines Zeitraums, in dem der Generator (14) nicht in Betrieb ist und/oder unmittelbar vor dem Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs wenigstens zeitweise eine Spannung des zweiten Teilnetzes (12) mittels des ersten Energiespeichers (15) über eine Erhöhung einer Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (13) auf eine Startspannung (U3) angehoben wird, die über einer Nennspannung (U2) des zweiten Energiespeichers (17) liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Ausgangsspannung eine Soll-Ausgangsspannung und/oder eine Ist-Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (13) angehoben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zusammen mit einer Abgabe eines Startbefehls an den Startermotor (16) angehoben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das im Rahmen eines Start-/Stopp-Betriebs eines Kraftfahrzeugs ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das während Stopp-Phasen des Start-/Stopp-Betriebs ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Generator (14) in dem ersten Teilnetz (11) angeordnet ist und der Generator (14) die erste Spannung (U1) als Generatorspannung an das erste Teilnetz bereitstellt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Startspannung (U3) wenigstens 0,5 V über der Nennspannung des zweiten Energiespeichers (17) und/oder über der Nennspannung des zweiten Teilbordnetzes (11) liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Startspannung (U3) wenigstens 14,5 V beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als erster Energiespeicher (15) ein Lithium-Ionen-Akkumulator und/oder ein Doppelschichtkondensator verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als zweiter Energiespeicher (17) wenigstens eine Fahrzeugbatterie in Form eines Blei-Säure-Akkumulators verwendet wird.
  11. Recheneinheit, insbesondere Steuergerät, die dazu eingerichtet ist, einen Gleichspannungswandler (13) in einem Zweispeicherbordnetz (10) eines Kraftfahrzeugs mit zwei über den Gleichspannungswandler (13) verbundenen Teilnetzen (11, 12) gemäß einem der Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche anzusteuern.
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