DE102013214421A1

DE102013214421A1 - Verfahren zum Koppeln zumindest einer sekundären Energiequelle an ein Energieversorgungsnetzwerk , insbesondere Fahrzeug-Bordnetz

Info

Publication number: DE102013214421A1
Application number: DE102013214421.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schimanek; Christopher Kolbeck; Florian Pfattrisch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-02-19
Also published as: CN105393420B; US20160137074A1; US10081254B2; CN105393420A; WO2015010951A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Koppeln zumindest einer sekundären Energiequelle (12) an ein Energieversorgungsnetzwerk (10), insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, vorgeschlagen, an das eine Last (13) sowie eine primäre Energiequelle (11) mit einer ersten Spannungscharakteristik angeschlossen sind. Die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) weist eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik auf, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist. Die primäre Energiequelle (11) und die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) sind über eine Leistungsschaltvorrichtung (18) an einen Knotenpunkt (14) eines Zwischenkreises (17) des Energieversorgungsnetzwerk (10) anschließbar, an den auch die Last (13) angeschlossen ist. Vor dem Zuschalten einer jeweiligen sekundären Energiequelle (12) erfolgt eine Regelung des von der Last (13) bezogenen Stroms derart, dass die an dem Knotenpunkt (14) des Zwischenkreises (17) anliegende Spannung der Leerlaufspannung der zuzuschaltenden sekundären Energiequelle (12) entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt. Bei einander entsprechenden Spannungen oder wenn die an dem Knotenpunkt (14) anliegende Spannung in dem vorgegebenen Spannungsbereich liegt, wird die sekundäre Energiequelle (12) über die Leistungsschaltvorrichtung mit dem Knotenpunkt (14) elektrisch leitend verbunden. Der von der Last benötigte Strom wird auf den entsprechenden Wert geregelt, wobei eine Speisung der Last (13) aus der primären und der sekundären Energiequelle (11, 12) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koppeln zumindest einer sekundären Energiequelle an ein Energieversorgungsnetzwerk und ein Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, an das eine Last sowie eine primäre Energiequelle angeschlossen sind.
Eine bedarfsgerechte Kopplung von verschiedenen Energiequellen an eine Last während deren Betriebs erfordert im Allgemeinen zumindest einen Stromregler, um im Moment des Zuschaltens einer unbelasteten, sekundären Energiequelle auf eine durch die Last belastete, primäre Energiequelle hohe Ausgleichsströme oder Schaltströme zu vermeiden. Eine solche Situation ist beispielsweise in einem Fahrzeug-Bordnetz gegeben, welches durch eine primäre Energiequelle, beispielsweise eine Brennstoffzelle oder eine Hochvolt-Batterie, umfasst, die an das Bordnetz angeschlossene Lasten versorgt. Eine solche Last kann beispielsweise ein Wechselrichter sein, der als Verbraucher eine elektrische (Antriebs-)Maschine versorgt. Als Stromregler kommt in einem solchen Fahrzeug-Bordnetz in der Regel ein DC/DC-Wandler zum Einsatz. Die Aufgabe des DC/DC-Wandlers besteht darin, durch eine Strom- oder Spannungsregelung die genannten Ausgleichsströme zu vermeiden, um die Zerstörung z. B. eines Zwischenkreis-Kondensators, der mit einem Eingang des Wechselrichters verschaltet ist, zu verhindern.
Ein DC/DC-Wandler, welcher insbesondere im Antriebsbereich mit hoher Leistung eingesetzt wird, bringt jedoch erhebliche Kosten sowie ein hohes Gewicht und großen Bauraumbedarf mit sich. Zudem besteht das Problem, dass der Betrieb eines DC/DC-Wandlers mit Wirkungsgradverlusten verbunden ist, welche die Energieeffizienz, insbesondere eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, reduzieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren anzugeben, welche das Zu- und Wegschalten, d. h. das Koppeln und Entkoppeln, einer sekundären Energiequelle an ein Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, mit verringerten Verlusten bei gleichzeitig minimiertem baulichen Aufwand ermöglichen. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, anzugeben, welches beim Einsatz mehrerer Energiequellen mit minimalen Verlusten betrieben werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 sowie ein Energieversorgungsnetzwerk gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.
Es wird ein Verfahren zum Koppeln zumindest einer sekundären Energiequelle an ein Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, vorgeschlagen, an das eine Last sowie eine primäre Energiequelle mit einer ersten Spannungscharakteristik angeschlossen sind. Die zumindest eine zweite Energiequelle weist eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik auf, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist. Die primäre Energiequelle und die zumindest eine sekundäre Energiequelle sind über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt eines Zwischenkreises des Energieversorgungsnetzwerk anschließbar, an den auch die Last angeschlossen ist.
Bei diesem Verfahren erfolgt vor dem Zuschalten (Koppeln) einer jeweiligen sekundären Energiequelle eine Regelung des von der Last bezogenen Stroms bzw. der von der Last bezogenen Leistung derart, dass die an dem Knotenpunkt des Zwischenkreises anliegende Spannung der Leerlaufspannung der zuzuschaltenden sekundären Energiequelle entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt. Bei einander entsprechenden Spannungen oder wenn die an dem Knotenpunkt anliegende Spannung in dem vorgegebenen Spannungsbereich liegt, wird die sekundäre Energiequelle über die Leistungsschaltvorrichtung mit dem Knotenpunkt elektrisch leitend verbunden. Anschließend wird der von der Last benötigte Strom bzw. die von der Last benötigte Leistung auf den entsprechenden Wert geregelt, wobei eine Speisung der Last aus der primären und der sekundären Energiequelle erfolgt.
Es wird weiter ein Verfahren zum Entkoppeln zumindest einer sekundären Energiequelle von einem Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere einem Fahrzeug-Bordnetz, vorgeschlagen, an das neben der zumindest einen sekundären Energiequelle eine Last sowie eine primäre Energiequelle mit einer ersten Spannungscharakteristik angeschlossen sind, wobei die zumindest eine sekundäre Energiequelle eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik aufweist, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist. Die primäre Energiequelle und die zumindest eine sekundäre Energiequelle sind über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt eines Zwischenkreises des Energieversorgungsnetzwerks angeschlossen, an den auch die Last angeschlossen ist.
Vor dem Wegschalten einer jeweiligen sekundären Energiequelle erfolgt eine Regelung des von der Last bezogenen Stroms bzw. der von der Last bezogenen Leistung derart, dass die an dem Knotenpunkt des Zwischenkreises anliegende Spannung der Leerlaufspannung der wegzuschaltenden (entkoppelnden) sekundären Energiequelle entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt. Bei einander entsprechenden Spannungen oder wenn die an dem Knotenpunkt anliegende Spannung in dem vorgegebenen Spannungsbereich liegt, wird die sekundäre Energiequelle über die Leistungsschaltvorrichtung von dem Knotenpunkt elektrisch getrennt. Der von der Last benötigte Strom bzw. die von der Last benötigte Leistung wird dann auf den entsprechenden Wert geregelt, wobei eine Speisung der Last dann ausschließlich aus der primären Energiequelle erfolgt.
Dieses Vorgehen beruht auf der Überlegung, dass anstelle der bisher durchgeführten Regelung eines Stromreglers die von der primären Energiequelle versorgte Last bei einem Schaltvorgang soweit angepasst wird, dass deren Spannungspegel mit der Leerlauf-Nennspannung des sekundären Energiespeichers identisch ist oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt und damit zu- bzw. weggeschaltet werden kann, ohne dass überhaupt oder hohe Ausgleichs- oder Schaltströme entstehen. Die Gefahr der Zerstörung der an den Zwischenkreis angeschlossenen Last oder der Leistungsschaltvorrichtung ist dadurch eliminiert. Das Prinzip kann für verschiedene Schaltvorgänge angewendet werden und ermöglicht eine direkte Kopplung von unterschiedlichen Energiequellen mittels der Leistungsschaltvorrichtung. Die Leistungsschaltvorrichtung, die der primären Energiequelle und der zumindest einen sekundären Energiequelle jeweils zugeordnete steuerbare Schaltanordnungen umfasst, schaltet die Energiequellen dabei direkt aufeinander, d. h. verbindet die Energiequellen direkt mit dem Knotenpunkt des Zwischenkreises oder trennt diese von dem Knotenpunkt des Zwischenkreises.
Gegenüber einem herkömmlichen DC/DC-Wandler ist die zur Realisierung des Verfahrens notwendige Leistungsschaltvorrichtung wesentlich einfacher aufgebaut und arbeitet vor allem nahezu verlustfrei. Die Leistungsschaltvorrichtung kann aus einer Anzahl an Schaltelementen gebildet werden, welche die elektrische Verbindung oder Sperrung einer jeweiligen Energiequelle an den Knotenpunkt des Zwischenkreises ermöglichen.
Die Erfindung schafft ferner ein Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz. Das Energieversorgungsnetzwerk umfasst eine Last, eine primäre Energiequelle mit einer ersten Spannungscharakteristik sowie zumindest eine sekundäre Energiequelle, wobei die zumindest eine sekundäre Energiequelle eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik aufweist, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspannungsbereich aufweist. Die primäre Energiequelle und die zumindest eine sekundäre Energiequelle sind über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt eines Zwischenkreises des Energieversorgungsnetzwerk anschließbar, an den auch die Last angeschlossen ist. Ferner umfasst das Energieversorgungsnetzwerk eine Einheit zum Regeln des von der Last bezogenen Stroms bzw. der von der Last bezogenen Leistung.
Bei einem derart ausgebildeten Energieversorgungsnetzwerk können die Verluste zur Kopplung einer Mehrzahl an selektiv an einen Zwischenkreis schaltbaren Energiequellen sehr gering gehalten werden. Darüber hinaus kann der bislang verwendete, große und teure DC/DC-Wandler eliminiert werden, wodurch Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart werden können. Ebenso kann durch eine Schaltelemente aufweisende Leistungsschaltvorrichtung die Ausfallsicherheit des Energieversorgungsnetzwerks erhöht werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Regelung der Last über einen derart kurzen Zeitraum, dass eine Lastunterbrechung nicht wahrnehmbar ist. Dies bedeutet zum Beispiel in einem Fahrzeug, dass die Last für eine sehr kurze Zeit in einer Größenordnung von weniger als 100 ms, insbesondere weniger als 10 ms, komplett oder nur zu einem Teil variiert wird. Dies entspricht in Analogie dem Betätigen einer Kupplung bei einem herkömmlichen, manuellen Getriebe eines Verbrennungsmotors mit dem Unterschied, dass die Lastvariation sehr viel schneller durchgeführt werden kann und diese dadurch für die Insassen des Fahrzeugs nicht wahrnehmbar ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird eine Messung einer ersten Spannung an den Klemmen der primären Energiequelle oder an anderen geeigneten Stellen und eine Messung einer zweiten Spannung an den Klemmen der zumindest einen sekundären Energiequelle oder an anderen geeigneten Stellen durchgeführt, wobei durch die Lastregelung die Spannung der primären Energiequelle an die Leerlaufspannung der zu schaltenden sekundären Energiequelle angepasst wird. Sobald die beiden gemessenen Spannungen einander entsprechen, erfolgt das Schalten der sekundären Energiequelle mittels der Lastschaltvorrichtung.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung bereits deutlich wurde, wird die Lastregelung durch eine Betriebspunktbeeinflussung der Last realisiert.
Das Energieversorgungsnetzwerk zeichnet sich ferner dadurch aus, dass deren Leistungsschaltanordnung der primären Energiequelle und der zumindest einen sekundären Energiequelle jeweils zugeordnete steuerbare Schaltanordnungen umfasst. Die Schaltanordnungen können jeweils zumindest ein Halbleiterschaltelement oder einen Schütz umfassen. Auch andere Schaltelemente sind prinzipiell einsetzbar. Die Wahl und Ausgestaltung der jeweiligen Schaltanordnungen ist abhängig von der zugeordneten Energiequelle. Beispielsweise kann es bei manchen Energiequellen erforderlich sein, einen in diese hineinfließenden Stroms zu vermeiden, um eine Beschädigung oder einen unkontrollierten Zustand zu vermeiden. Hierdurch werden manche Schaltelemente bevorzugt oder in einer bestimmten Verschaltung eingesetzt, während bei anderen Energiequellen keine besonderen Vorkehrungen bzw. Anforderungen an das oder die eingesetzten Schaltelemente bestehen.
Die primäre Energiequelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle oder eine wiederaufladbare Batterie sein. Die sekundäre Energiequelle kann eine wiederaufladbare Batterie, ein Solarmodul, eine Brennstoffzelle und dergleichen sein.
Die Last kann ein Stellglied, insbesondere ein DC/DC-Wandler oder ein AC/DC-Wandler, sein, wobei an das Stellglied zumindest ein Verbraucher angeschlossen ist. Der Verbraucher kann beispielsweise eine elektrische Maschine, welche motorisch oder generatorisch betrieben werden kann, oder ein sonstiger Verbraucher sein.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen, in Fahrzeugen eingesetzten Energieversorgungsnetzwerks;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Energieversorgungsnetzwerks, das zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen ist;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Energieversorgungsnetzwerks, in dem eine beispielhafte Ausgestaltung einer Leistungsschaltvorrichtung dargestellt ist; und
4 ein Spannungs-Strom-Diagramm, welches das dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Grunde liegende Prinzip illustriert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen, in einem Fahrzeug eingesetzten Energieversorgungsnetzwerks 10. Das Energieversorgungsnetzwerk 10 wird nachfolgend als Fahrzeug-Bordnetz oder Bordnetz bezeichnet. Das Bordnetz 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft eine primäre Energiequelle 11, z. B. eine Brennstoffzelle, sowie eine sekundäre Energiequelle 12, z. B. eine Batterie. Die primäre Energiequelle 11 ist über einen Stromregler 27, beispielsweise in der Form eines DC/DC-Wandlers, an einen Zwischenkreis 17 gekoppelt. Die sekundäre Energiequelle 12 ist (immer) direkt mit dem Zwischenkreis 17 verbunden. An den Zwischenkreis 17 ist ferner eine Last 13 angeschlossen. Die Last 13 stellt in diesem Ausführungsbeispiel einen AC/DC-Wandler dar, der ausgangsseitig mit einem Verbraucher 25 in Gestalt einer dreiphasigen elektrischen Maschine verbunden ist.
Die Aufgabe des Stromreglers 27 besteht darin, eine Lastverteilung zwischen der primären Energiequelle 11 und der sekundären Energiequelle 12 vorzunehmen.
Die Größe und der Bauraum des Stromreglers 27 sind abhängig von dem Strom- bzw. Leistungsbedarf der Last 13 und des daran angeschlossenen Verbrauchers 25. Stellt der Verbraucher 25 eine elektrische Antriebsmaschine eines Fahrzeugs dar, so ergibt sich eine signifikante Größe mit entsprechenden Gewicht und Bauraumbedarf. Die Unterbringung des Stromreglers 27 in das Fahrzeug wird mit zunehmender Größe schwierig. Zudem ist der Betrieb des Stromreglers 27 mit Verlusten verbunden, da der Stromregler 17 während der Versorgung der Last 13 immer, d. h. auch dann, wenn die sekundäre Energiequelle 12 nicht zur Versorgung der Last 13 benötigt wird, betrieben werden muss.
Bei dem in 2 dargestellten, erfindungsgemäßen Energieversorgungsnetzwerk wird der Stromregler 27 durch eine Leistungsschaltvorrichtung 18 ersetzt. Die Leistungsschaltvorrichtung 18 umfasst eine erste, der primären Energiequelle 11 zugeordnete steuerbare Schaltanordnung 15 sowie eine zweite, der sekundären Energiequelle 12 zugeordnete steuerbare Schaltanordnungen 16. Im einfachsten Fall weist jede der Schaltanordnungen 15, 16 jeweils ein einzelnes Schaltelement, beispielsweise in Gestalt eines Halbleiterschaltelements (MOSFET oder IGBT) oder eines Schützes auf.
Die Leistungsschaltvorrichtung 18 ermöglicht eine dynamische Lastverteilung. Dabei erfolgt eine Zu- oder Abschaltung der sekundären Energiequelle 12 über die Leistungsschaltvorrichtung 18 in Kombination mit einer Lastregelung der Last 13 vor dem Schaltvorgang durch eine in 2 nicht näher dargestellte Steuereinheit. Gegenüber dem herkömmlichen Stromregler 27 kann eine Leistungsschaltvorrichtung 8 wesentlich kompakter und mit geringerem Gewicht bereitgestellt werden. Darüber hinaus sind auch die Verluste wesentlich geringer als bei einem Stromregler, da im Betrieb der Leistungsschaltvorrichtung 18 lediglich Durchlassverluste der Schaltelemente einer jeweiligen Schaltanordnung 15, 16 anfallen. Diese sind insbesondere bei Schützen und Halbleiterschaltelementen sehr gering.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Energieversorgungsnetzwerks, in dem eine beispielhafte Ausgestaltung einer Leistungsschaltvorrichtung 18 dargestellt ist. Es wird wieder davon ausgegangen, dass die primäre Energiequelle 11 eine Brennstoffzelle und die sekundäre Energiequelle 12 eine Batterie ist, obwohl auch andere Konstellationen möglich sind.
Die erste steuerbare Schaltanordnung 15, welche der primären Energiequelle 11 zugeordnet ist, umfasst ein erstes Schaltelement S1, in Gestalt eines MOSFETs. Die Schaltanordnung 15 ist zwischen einem Knotenpunkt 14 des Zwischenkreises 17 und der primären Energiequelle 11 angeordnet. An die Klemmen der primären Energiequelle 11 ist ferner eine erste Messeinrichtung 19 angeschlossen, welche ein Mittel 20 zur Strommessung und ein Mittel 21 zur Spannungsmessung umfasst.
Die zweite steuerbare Schaltanordnung 16, welche der sekundären Energiequelle 12 zugeordnet ist, ist zwischen dem Knotenpunkt 14 und der sekundären Energiequelle 12 verschaltet. Die zweite Schaltanordnung 16 umfasst zwei antiseriell verschaltete Halbleiterschalter S2, S3 in Gestalt von MOSFETs. Die antiseriell verschalteten Halbleiterschalter S2, S3 werden leitend geschaltet, wenn eine elektrische Verbindung der sekundären Energiequelle 12 zu dem Knotenpunkt 14 hergestellt werden soll. Aufgrund der Ausgestaltung als MOSFETs und den grundsätzlich vorhandenen Body-Dioden, sind die Schaltelemente S2, S3 in der dargestellten Verschaltung erforderlich, um im deaktivierten Zustand einen Stromfluss sowohl von dem Knotenpunkt 14 zu der Energiequelle 12 als auch in umgekehrter Richtung zuverlässig zu verhindern. An die Klemmen der sekundären Energiequelle 12 ist ferner eine zweite Messeinrichtung 22 angeschlossen, welche ein Mittel 23 zur Strommessung und ein Mittel 24 zur Spannungsmessung umfasst.
Wie aus dieser Darstellung weiter hervorgeht, ist die Last 13 (wiederum in Form eines AC/DC-Wandlers) mit einem Zwischenkreis-Kondensator 26 an den Knotenpunkt 14 des Zwischenkreises 17 angeschlossen. Ferner ist eine Steuereinheit 28 dargestellt, welche Treiber für die Schaltelemente S1, S2, S3 der Schaltanordnungen 15, 16 umfasst. Die Steuereinheit 28 ist an einen Bus des Fahrzeugs zum Austausch von Daten mit anderen Steuergeräte und/oder Sensoren angeschlossen.
Die von den Messeinrichtungen 22, 24, insbesondere kontinuierlich, ermittelten Strom- und Spannungswerte der an den Energiequellen 11, 12 anliegenden Ströme und Spannungen werden einer Steuereinheit 29 zugeführt. Diese Steuereinheit nimmt eine Regelung der Last 13 in der nachfolgend beschriebenen Weise vor, um ein Zu- und Wegschalten der sekundären Energiequelle 12 an den Zwischenkreis 17 zu ermöglichen, ohne dass während eines Schaltvorgangs ein Ausgleichsstrom oder Schaltstrom fließt.
4 zeigt ein Spannungs-Strom-Diagramm, in dem die schematischen U-I-Kennlinien der primären Energiequelle 11 (Brennstoffzelle) und der sekundären Energiequelle 12 (Batterie) eingezeichnet sind. Für die nachfolgende Erläuterung wird vereinfachend davon ausgegangen, dass der Ladezustand (SOC) der sekundären Energiequelle 12 konstant ist. Dies bedeutet, es wird eine einzige U-I-Kennlinie (hier mit dem SOC = 100%). der sekundären Energiequelle 12 betrachtet. Diese ist mit K2 gekennzeichnet.
Zunächst wird davon ausgegangen, dass die Last 13 nur aus der primären Energiequelle 11 versorgt wird. Dies bedeutet, die primäre Energiequelle 11 ist über die Schaltanordnung 15 mit dem Knotenpunkt 14 des Zwischenkreises 17 und mit der Last 13 verbunden. In Abhängigkeit des Betriebszustands der Last 13 (bzw. des an die Last angeschlossenen Verbrauchers 25) ergibt sich ein bestimmter Strom I1, wobei in Abhängigkeit dieses Stromes I1 sich an den Klemmen der primären Energiequelle 11 eine der Kennlinie K1 der Brennstoffzelle entsprechende Spannung U1 einstellt. Dieser Betriebspunkt ist mit P1 gekennzeichnet.
Im weiteren wird davon ausgegangen, dass die Lastanforderung durch die Last 13 bzw. den Verbraucher 25 ansteigt, weswegen die Versorgung der Last 13 nicht nur durch die primäre Energiequelle 11, sondern zusätzlich durch die sekundäre Energiequelle 12 erfolgen soll. Die Leerlaufspannung der sekundären Energiequelle ist in 4 mit U2 gekennzeichnet. Wie unschwer zu erkennen ist, ergibt sich eine Spannungsdifferenz ΔU zwischen den Spannungen U1 und U2, so dass sich ohne weitere Vorkehrungen bei der Aktivierung der Schaltanordnung 16 zur Verbindung der sekundären Energiequelle 12 mit dem Knotenpunkt 14 ein Ausgleichsstrom ergeben würde.
Um diesen Ausgleichsstrom zu vermeiden, erfolgt eine Lastregelung der Last 13 derart, dass vor dem Zuschalten der sekundären Energiequelle 12 (durch Leitendschalten der Schaltanordnung 16) die an dem Knotenpunkt 14 des Zwischenkreises 17 anliegende Spannung der Leerlaufspannung U2 der zuzuschaltenden sekundären Energiequelle 12 entspricht oder, alternativ, in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt. Dies bedeutet, der von der Last 13 bezogene Strom wird soweit reduziert, dass die Spannung U1 der Spannung U2 entspricht oder, bei der genannten Alternative, in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Spannung U2 herum liegt. Ersteres ist in 4 beim Strom I1' der Fall. Sobald die Spannungen der Energiequellen 11, 12 in diesem Beispiel einander entsprechen (d. h. U2 = U1'), wird die Schaltanordnung 16 betätigt (leitend geschaltet), so dass die sekundäre Energiequelle 12 nun ebenfalls mit dem Knotenpunkt 14 elektrisch leitend verbunden ist. Anschließend erfolgt eine erneute Lastregelung der Last 13 durch eine Steuereinheit, um den für den Betrieb der Last erforderlichen Strom bereitzustellen, der nunmehr anteilig durch die primäre und die sekundäre Energiequelle 11, 12 bereitgestellt wird und sich aus der Summe von I1'' und I2' bei der Spannung U3 ergibt (Punkte P1'' und P2).
Kann der Strom durch die Last 13, z. B. aufgrund einer geringeren Leistungsanforderung durch den Verbraucher 25, wieder reduziert werden oder kann aus anderen Gründen (zum Beispiel dem Erreichen eines vorgegebenen, unteren Ladezustands der Batterie) eine weitere Stromentnahme aus der sekundären Energiequelle 12 nicht weiter erfolgen, so erfolgt das Wegschalten der sekundären Energiequelle 12 von dem Knotenpunkt 14 in umgekehrter Weise. Dies bedeutet, der Strom durch die Last 13 wird derart reduziert, dass die Spannung am Knotenpunkt 14 der Leerlaufspannung U2 der zweiten Energiequelle 12 entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Spannung U2 herum liegt. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird die Schaltanordnung 16 sperrend geschaltet. Anschließend kann eine erneute Lastregelung derart erfolgen, dass der Strom durch die Last 13 wieder erhöht wird, wobei die Bereitstellung des Stromes nunmehr ausschließlich aus der primären Energiequelle 11 erfolgt.
Die Lastvariation der Last 13 kann in der Praxis derart schnell erfolgen, dass die Variation für einen Insassen des Fahrzeugs nicht spürbar ist. Die beschriebenen Umschaltvorgänge können in weniger als 100 ms, insbesondere sogar weniger als 10 ms erfolgen. Aufgrund der Trägheit des Systems, sind die Lastschwankungen für den Insassen nicht spürbar.
In der vorangegangenen Beschreibung wurde das Energieversorgungsnetzwerk unter Bezugnahme auf eine Brennstoffzelle und eine Batterie beschrieben. Prinzipiell können auch andere Energiequellen zum Einsatz kommen. Beispielsweise lässt sich das Verfahren mit zwei Batterien als primäre und sekundäre Energiequelle durchführen. Die Batterien können dabei wahlweise Niedervolt-Batterien oder Hochvolt-Batterien sein. Die sekundäre Energiequelle kann auch eine Solarzelle sein. Eine jeweilige Energiequelle kann wahlweise lediglich zur Abgabe von Strom oder zur Abgabe und zur Aufnahme von Strom (Akkumulator) ausgebildet sein. Hier müssen dann an die Energiequellen angepasste Schaltanordnungen eingesetzt werden.
Das Verfahren lässt sich durchführen, solange die primäre und die sekundäre Energiequelle eine Spannungscharakteristik aufweisen, die sich in einem Spannungsbereich überlappen. Je größer der überlappende Spannungsbereich ist, desto größer ist das nutzbare Leistungsspektrum in Betrieb.
In einer nicht dargestellten Abwandlung des beschriebenen Verfahrens kann dieses auch mit mehr als zwei Energiequellen realisiert werden. Die beschriebenen Lastvariationen werden dann beim Zuschalten oder Wegschalten einer jeweiligen sekundären Energiequelle in der oben beschriebenen Weise durchgeführt.
Es versteht sich, das vorgeschlagene Verfahren auch außerhalb von Fahrzeug-Bordnetzen in anderen Energieversorgungsnetzwerken zur Anwendung kommen kann.
Bezugszeichenliste

10: Energieversorgungsnetzwerk
11: primäre Energiequelle
12: sekundäre Energiequelle
13: Last
14: Knotenpunkt
15: erstes steuerbares Schaltanordnung
16: zweites steuerbares Schaltanordnung
17: Zwischenkreis
18: Leistungsschaltvorrichtung
19: erste Messeinrichtung
20: Strommessung
21: Spannungsmessung
22: zweite Messeinrichtung
23: Strommessung
24: Spannungsmessung
25: Verbraucher
26: Zwischenkreiskondensator
27: Stromregler
28: Steuereinheit
29: Steuereinheit für Energiequellenkopplung

Claims

Verfahren zum Koppeln zumindest einer sekundären Energiequelle (12) an ein Energieversorgungsnetzwerk (10), insbesondere ein Fahrzeug-Bordnetz, an das eine Last (13) sowie eine primäre Energiequelle (11) mit einer ersten Spannungscharakteristik angeschlossen sind, wobei die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik aufweist, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist, und wobei die primäre Energiequelle (11) und die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt (14) eines Zwischenkreises (17) des Energieversorgungsnetzwerk (10) anschließbar sind, an den auch die Last (13) angeschlossen ist, bei dem a) vordem Zuschalten einer jeweiligen sekundären Energiequelle (12) eine Regelung des von der Last (13) bezogenen Stroms derart erfolgt, dass die an dem Knotenpunkt (14) des Zwischenkreises (17) anliegende Spannung der Leerlaufspannung der zuzuschaltenden sekundären Energiequelle (12) entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt; b) bei einander entsprechenden Spannungen oder wenn die an dem Knotenpunkt (14) anliegende Spannung in dem vorgegebenen Spannungsbereich liegt die sekundäre Energiequelle (12) über die Leistungsschaltvorrichtung mit dem Knotenpunkt (14) elektrisch leitend verbunden wird; und c) der von der Last benötigte Strom auf den entsprechenden Wert geregelt wird, wobei eine Speisung der Last (13) aus der primären und der sekundären Energiequelle (11, 12) erfolgt.
Verfahren zum Entkoppeln zumindest einer sekundären Energiequelle (12) von einem Energieversorgungsnetzwerk (10), insbesondere einem Fahrzeug-Bordnetz, an das neben der zumindest einen sekundären Energiequelle (12) eine Last (13) sowie eine primäre Energiequelle (11) mit einer ersten Spannungscharakteristik angeschlossen sind, wobei die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik aufweist, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist, und wobei die primäre Energiequelle (11) und die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt (14) eines Zwischenkreises (17) des Energieversorgungsnetzwerk (10) angeschlossen sind, an den auch die Last (13) angeschlossen ist, bei dem a) vor dem Wegschalten einer jeweiligen sekundären Energiequelle (12) eine Regelung des von der Last (13) bezogenen Stroms derart erfolgt, dass die an dem Knotenpunkt (14) des Zwischenkreises (17) anliegende Spannung der Leerlaufspannung der wegzuschaltenden sekundären Energiequelle (12) entspricht oder in einem vorgegebenen Spannungsbereich um die Leerlaufspannung herum liegt; b) bei einander entsprechenden Spannungen oder wenn die an dem Knotenpunkt (14) anliegende Spannung in dem vorgegebenen Spannungsbereich liegt die sekundäre Energiequelle (12) über die Leistungsschaltvorrichtung von dem Knotenpunkt (14) elektrisch getrennt wird; und c) der von der Last benötigte Strom auf den entsprechenden Wert geregelt wird, wobei eine Speisung der Last (13) ausschließlich aus der primären Energiequelle (11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Regelung der Last über einen derart kurzen Zeitraum erfolgt, dass eine Lastunterbrechung nicht wahrnehmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Regelung der Last in einer Größenordnung von weniger als 100 msec erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Messung einer ersten Spannung an den Klemmen der primären Energiequelle (11) und eine Messung einer zweiten Spannung an den Klemmen der zumindest einen sekundären Energiequelle (12) durchgeführt wird, wobei durch die Lastregelung in Schritt a) die Spannung der primären Energiequelle (11) an die Leerlaufspannung der zu schaltenden sekundären Energiequelle (12) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lastregelung durch eine Betriebspunktbeeinflussung der Last (13) realisiert wird.
Energieversorgungsnetzwerk, insbesondere Fahrzeug-Bordnetz, umfassend: eine Last (13), eine primäre Energiequelle (11) mit einer ersten Spannungscharakteristik sowie zumindest eine sekundäre Energiequelle (12), wobei die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) eine jeweilige zweite Spannungscharakteristik aufweist, die einen mit der ersten Spannungscharakteristik überlappenden Betriebsspanungsbereich aufweist, wobei die primäre Energiequelle (11) und die zumindest eine sekundäre Energiequelle (12) über eine Leistungsschaltvorrichtung an einen Knotenpunkt (14) eines Zwischenkreises (17) des Energieversorgungsnetzwerk (10) anschließbar sind, an den auch die Last (13) angeschlossen ist, sowie eine Einheit zum Regeln des von der Last (13) bezogenen Stroms.
Energieversorgungsnetzwerk nach Anspruch 7, bei dem die Leistungsschaltanordnung der primären Energiequelle (11) und der zumindest einen zweiten Energiequelle (12) jeweils zugeordnete steuerbare Schaltanordnungen (15, 16) umfasst.
Energieversorgungsnetzwerk nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Schaltanordnungen (15, 16) jeweils zumindest ein Halbleiterschaltelement (S1, S2, S3) oder ein Schütz umfassen.
Energieversorgungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die primäre Energiequelle (11) eine Brennstoffzelle oder eine wiederaufladbare Batterie ist.
Energieversorgungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die sekundäre Energiequelle (12) eine wiederaufladbare Batterie oder ein Solarmodul oder eine Brennstoffzelle ist.
Energieversorgungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Last (13) ein Stellglied, insbesondere ein DC/DC-Wandler oder ein AC/DC-Wandler, ist, an das zumindest ein Verbraucher angeschlossen ist.