-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bereitstellung von einer Vielzahl von elektrischen Energiespeichern in einem Bordnetz eines Fahrzeugs.
-
Ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenfahrzeug wie z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) umfasst typischerweise ein elektrisches Bordnetz, das eingerichtet ist, ein oder mehrere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie aus einem Speicher von elektrischer Energie (z.B. aus einer Niedervolt-Batterie) zu versorgen. Die ein oder mehreren elektrischen Verbraucher sind dabei meist auf die Verwendung in einem Bordnetz mit einem einzigen Energiespeicher (z.B. einer einzigen Batterie) ausgelegt.
-
Die Verwendung von einer Vielzahl von Energiespeichern in dem Bordnetz eines Fahrzeugs kann vorteilhaft sein, z.B. um die Lebensdauer der einzelnen Energiespeicher zu verlängern, um eine erhöhte Leistungsabgabe zu ermöglichen und/oder um in einem erhöhten Maße kinetische Energie des Fahrzeugs als elektrische Energie zu rekuperieren und im Bordnetz zu speichern. Insbesondere können in einem Niedervolt-Bordnetz (z.B. bei einer Bordnetzspannung von ca. 12V) neben einem Blei-Akkumulator ein oder mehrere weitere Energiespeicher (z.B. ein oder mehrere Lithium Akkumulatoren und/oder ein oder mehrere Kondensatoren (SuperCaps)) verwendet werden, um von einem Generator des Fahrzeugs (z.B. von einer Lichtmaschine) rekuperierte elektrische Energie zu speichern.
-
Andererseits verändern sich durch die ein oder mehreren zusätzlichen Energiespeicher (in diesem Dokument auch als Zusatzspeicher bezeichnet) die Stromflüsse innerhalb des Bordnetzes. Insbesondere können aufgrund der Verwendung von ein oder mehreren zusätzlichen Energiespeichern Ströme verursacht werden, die vordefinierte Grenzwerte von ein oder mehreren der elektrischen Verbraucher im Bordnetz eines Fahrzeugs überschreiten.
-
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe der Integration von ein oder mehreren zusätzlichen Energiespeichern in das elektrische Bordnetz eines Fahrzeugs. Die Integration soll dabei derart erfolgen, dass durch die Integration keine Belastung der ein oder mehreren elektrischen Verbraucher des Bordnetzes entsteht.
-
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßenfahrzeugs) beschrieben. Das Bordnetz kann eine Bordnetzspannung aufweisen. Das Bordnetz kann ein Niedervolt-Bordnetz umfassen, z.B. bei einer Bordnetzspannung von ca. 12V.
-
Bei dem Bordnetz kann es sich um ein Mehrspeicherbordnetz handeln, d.h. um ein Bordnetz mit einer Vielzahl von Energiespeichern für elektrische Energie. Insbesondere kann das Bordnetz einen Basisspeicher und einen Zusatzspeicher zur Speicherung von elektrischer Energie umfassen. Die elektrische Energie aus dem Basisspeicher und aus dem Zusatzspeicher kann (mindestens) einem elektrischen Verbraucher des Bordnetzes bereitgestellt werden. Der Basisspeicher umfasst z.B. einen Blei-Akkumulator, und der Zusatzspeicher umfasst z.B. einen Lithium-Akkumulator und/oder einen Kondensator. Der elektrische Verbraucher kann z.B. ein Startsystem für einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs umfassen.
-
Die Steuereinheit ist eingerichtet, Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers zu ermitteln. Die Zustandsdaten können z.B. eine Information darüber umfassen, dass der elektrische Verbraucher aktiviert wird und/oder dass ein Widerstand des elektrischen Verbrauchers reduziert wird (z.B. aufgrund einer Aktivierung des elektrischen Verbrauchers).
-
Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers zu veranlassen, dass der elektrische Verbraucher von dem Basisspeicher und nicht von dem Zusatzspeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Beispielsweise kann in einem ersten Betriebszustand des Bordnetzes der elektrische Verbraucher sowohl von dem Basisspeicher als auch von dem Zusatzspeicher mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch kann eine sichere und stabile Energieversorgung gewährleistet werden. Andererseits kann in einem zweiten Betriebszustand des Bordnetzes der elektrische Verbraucher von dem Basisspeicher aber nicht von dem Zusatzspeicher mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers das Bordnetz von dem ersten Betriebszustand auf den zweiten Betriebszustand umzuschalten.
-
Durch die Steuereinheit kann somit gewährleistet werden, dass, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers, ein dem elektrischen Verbraucher zu Verfügung gestellter Strom begrenzt wird (z.B. auf den Strom der durch den Basisspeicher bereitgestellt werden kann). Somit kann in effizienter Weise ein Mehrspeicherbordnetz implementiert werden (welches Vorteile in Bezug auf Energierekuperation und Stabilität der Bordnetzspannung aufweist), in dem auch ungeregelte elektrische Verbraucher in zuverlässiger und schonender Weise verwendet werden können.
-
Das Bordnetz kann Mittel zur Entkopplung des Zusatzspeichers umfassen, die eingerichtet sind, den Zusatzspeicher zumindest teilweise von dem Bordnetz zu entkoppeln. Die Mittel zur Entkopplung können einen Schalter (z.B. ein Relais und/oder einen Transistor) umfassen, der in Reihe zu dem Zusatzspeicher angeordnet ist. Durch ein Öffnen des Schalters kann der Zusatzspeicher von dem Bordnetz entkoppelt werden (zumindest von dem elektrischen Verbraucher entkoppelt werden). Andererseits kann durch ein Schließen des Schalters der Zusatzspeicher in das Bordnetz integriert werden (insbesondere parallel zu dem Basisspeicher angeordnet werden).
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers die Mittel zur Entkopplung zu veranlassen, den Zusatzspeicher zumindest teilweise von dem Bordnetz zu entkoppeln. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers ein Steuersignal zur Steuerung eines Zustands (z.B. eines geöffneten oder eines geschlossenen Zustands) des Schalters zu generieren.
-
Wie bereits oben dargelegt, können die Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers Informationen bzgl. einer zukünftigen Reduzierung eines Widerstands des elektrischen Verbrauchers umfassen. Die Reduzierung des Widerstands kann z.B. von einer Aktivierung des elektrischen Verbrauchers herrühren. Insbesondere können die Zustandsdaten Informationen darüber umfassen, dass der Widerstand des elektrischen Verbrauchers unterhalb von einem Widerstands-Schwellenwert fallen wird (z.B. in einen Kurzschlussähnlichen Widerstandsbereich).
-
Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, in Vorbereitung auf die Reduzierung des Widerstands des elektrischen Verbrauchers zu veranlassen, dass der elektrische Verbraucher keine elektrische Energie von dem Zusatzspeicher beziehen kann. Andererseits kann der elektrische Verbraucher typischerweise weiterhin elektrische Energie aus dem Basisspeicher beziehen. Durch die Reduzierung der bereitgestellten elektrischen Energie können Bordnetzströme bei Kurzschlussähnlichen Situationen (z.B. bei der Aktivierung eines Startsystems des Fahrzeugs) begrenzt werden. So kann der (mindestens) eine elektrische Verbraucher in schonender Weise in einem Mehrspeicherbordnetz betrieben werden.
-
Der elektrische Verbraucher kann ein Startsystem für einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs umfassen. Die Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers können Informationen bzgl. einer zukünftigen Aktivierung des Startsystems umfassen. Wie bereits dargelegt, kann eine Aktivierung des Startsystems in der Anfangsphase der Aktivierung zu einer Kurschlussähnlichen Situation im Bordnetz führen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Vorbereitung auf die Aktivierung des Startsystems zu veranlassen, dass das Startsystem keine elektrische Energie von dem Zusatzspeicher beziehen kann. Andererseits kann typischerweise weiterhin elektrische Energie aus dem Basisspeicher bezogen werden. Durch die Entkopplung des Zusatzspeichers kann der Bordnetzstrom bei der Aktivierung des Startsystems begrenzt werden.
-
Eine Aktivierung des Startsystems kann eine erste Phase und eine anschließende zweite Phase umfassen. Die erste Phase kann derart bestimmt sein, dass in der ersten Phase ein Widerstand des Startsystems kleiner als oder gleich wie der vordefinierte Widerstands-Schwellenwert ist (und ggf. in der zweiten Phase größer als der vordefinierte Widerstands-Schwellenwert ist). Alternativ oder ergänzend kann die erste Phase eine vordefinierte Zeitdauer aufweisen.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass das Startsystem in der ersten Phase keine elektrische Energie von dem Zusatzspeicher beziehen kann (und so der Starterstrom in der ersten Phase begrenzt werden kann, wodurch das Startsystem geschont wird). Andererseits kann das Startsystem in der zweiten Phase elektrische Energie von dem Zusatzspeicher (zusätzlich zu der elektrischen Energie aus dem Basisspeicher) beziehen. Durch die daraus folgende Erhöhung des Starterstroms kann eine Beschleunigung des Startvorgangs erreicht werden.
-
Das Bordnetz kann einen Generator (z.B. eine Lichtmaschine) umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie aus kinetischer Energie des Fahrzeugs zu rekuperieren. Mehrspeicherbordnetze sind in diesem Zusammenhang vorteilhaft, da durch die Bereitstellung eines Basisspeichers und eines Zusatzspeichers eine erhöhte Menge an rekuperierter elektrischer Energie gespeichert werden kann.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu ermitteln, dass durch den Generator elektrische Energie rekuperiert wird. Die Steuereinheit kann außerdem eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die rekuperierte elektrische Energie zumindest teilweise von dem Zusatzspeicher aufgenommen werden kann. Dazu kann z.B. der o.g. Schalter geschlossen werden. Anhand des Zusatzspeichers kann so eine erhöhte Menge an rekuperierter elektrischer Energie aufgenommen werden.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu ermitteln, dass ein Verbrennungsmotor des Fahrzeugs in einem Motor-Stopp-Automatik (MSA) Betrieb ist. Außerdem kann ein Zustand der Motor-Stopp-Automatik ermittelt werden. Beispielhafte Zustande sind ein MSA-Stopp Zustand (in dem der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist) und ein MSA-Start Zustand (bei dem ein automatischer Start des Verbrennungsmotors durch Aktivierung des Startsystems erfolgt). Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Zustand der Motor-Stopp-Automatik, die Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher und/oder aus dem Zusatzspeicher zu steuern. Insbesondere kann im MSA-Stopp Zustand der Zusatzspeicher in das Bordnetz integriert werden, um eine stabile Versorgung der ein oder mehreren elektrischen Verbraucher zu gewährleisten. Andererseits kann im MSA-Start Zustand der Zusatzspeicher (zumindest zeitweise) entkoppelt werden, um überhöhte Starterströme zu vermeiden.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Informationen bzgl. einer Temperatur des Basisspeichers und/oder des Zusatzspeichers zu ermitteln. Typischerweise sinkt mit steigender Temperatur der Speicher der Innenwiderstand der Speicher. Damit steigt der Strom, der von den Speichern bereitgestellt werden kann. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von den Informationen bzgl. der Temperatur, die Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher und/oder aus dem Zusatzspeicher zu steuern. Beispielsweise kann eine Entkopplung des Zusatzspeichers nur dann erfolgen, wenn die Temperatur des Basisspeichers und/oder des Zusatzspeichers über einem vordefinierten Temperatur-Schwellenwert liegt (und daher ein Risiko für einen überhöhten Bordnetzstrom besteht).
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben. Das Bordnetz umfasst einen Basisspeicher und einen Zusatzspeicher zur Speicherung von elektrischer Energie. Der Basisspeicher und der Zusatzspeicher können parallel zueinander angeordnet werden, um bei Bedarf höhere Lastströme bereitzustellen und/oder bei Bedarf höhere Rekuperationsströme aufnehmen zu können. Das Bordnetz umfasst außerdem (mindestens) einen elektrischen Verbraucher, der eingerichtet ist, mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher und/oder aus dem Zusatzspeicher betrieben zu werden.
-
Außerdem umfasst das Fahrzeug Mittel zur Entkopplung des Zusatzspeichers, die eingerichtet sind, den Zusatzspeicher zumindest teilweise von dem Bordnetz zu entkoppeln. Die Mittel zur Entkopplung können einen Schalter umfassen, der in Reihe zu dem Zusatzspeicher angeordnet ist.
-
Das Bordnetz umfasst außerdem eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit. Dadurch wird die Verwendung von (kostengünstigen) ungeregelten elektrischen Verbrauchern in einem Mehrspeicherbordnetz ermöglicht.
-
Der Schalter zur Entkopplung des Zusatzspeichers kann masseseitig in Bezug auf den Zusatzspeicher angeordnet sein. Dies ermöglicht die Verwendung von kostengünstigen Schaltern (aufgrund der relativ niedrigen Betriebsspannung).
-
Andererseits kann der Schalter Bordnetzspannungs-seitig in Bezug auf den Zusatzspeicher angeordnet sein. Das Bordnetz kann (mindestens) einen weiteren Verbraucher umfassen. Bei dem mindestens einen Verbraucher kann es sich um einen Verbraucher handeln, der eine relativ hohe Verfügbarkeit erfordert (z.B. für die Bereitstellung einer autonomen Fahrfunktion). Der oder die weiteren Verbraucher können derart angeordnet sein, dass der oder die weiteren Verbraucher auch bei einem geöffneten Zustand des Schalters elektrische Energie aus dem Zusatzspeicher beziehen können. So kann sichergestellt werden, dass der oder die weiteren Verbraucher von einem möglichen Einbruch der Bordnetzspannung nicht betroffen sind.
-
Desweiteren können der oder die weiteren Verbraucher derart angeordnet sein, dass der oder die weiteren Verbraucher auch bei einem geöffneten Zustand des Schalters elektrische Energie aus dem Basisspeicher und dem Zusatzspeicher beziehen können. Mit anderen Worten, ein weiterer Verbraucher kann von der Entkopplung des Zusatzspeichers ausgenommen werden, um für diesen weiteren Verbraucher zu jedem Zeitpunkt eine redundante Energieversorgung sicherzustellen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung eines Zusatzspeichers in einem Bordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Das Bordnetz umfasst einen Basisspeicher und den Zusatzspeicher zur Speicherung von elektrischer Energie zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers des Bordnetzes. Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Zustandsdaten bzgl. des elektrischen Verbrauchers. Desweiteren umfasst das Verfahren, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten, das Versorgen des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher aber nicht aus dem Zusatzspeicher.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das ein in diesem Dokument beschriebenes Bordnetz umfasst.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät des Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
-
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1a und 1b jeweils ein Blockdiagram eines beispielhaften Mehrspeicherbordnetzes;
-
2a ein Blockdiagram eines beispielhaften Bordnetzes mit einem weiteren Verbraucher mit redundanter Energieversorgung;
-
2b ein Blockdiagram eines beispielhaften Bordnetzes mit einem weiteren Verbraucher mit Energieversorgung aus dem Zusatzspeicher;
-
3 beispielhafte Stromverläufe in einem Bordnetz; und
-
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Integration eines zusätzlichen Energiespeichers in ein Bordnetz.
-
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Integration von ein oder mehreren zusätzlichen Energiespeichern in das Bordnetz eines Fahrzeugs. Die Integration bzw. Parallelschaltung zusätzlicher (Niedervolt-)Energiespeicher in das Bordnetz eines Fahrzeugs kann je nach Speichertechnologie und Betriebspunkt (z.B. je nach Speicher- oder Lasttemperatur) die durch die Energiespeicher bereitgestellten Ströme in einer Weise erhöhen, die für ein oder mehrere der elektrischen Verbraucher des Bordnetzes unzulässig sind. Durch die Parallelschaltung eines Lithium-Akkus oder SuperCaps zu einem Blei-Akkumulator kann beispielsweise bei relativ „warmen“ Umgebungstemperaturen der Startvorgang eines Verbrennungsmotors mit vergleichsweise hohen Strömen (z.B. mit mehr 1000A anstelle von ca. 700A bei Verwendung von einer ausschließlichen Bleibatterie) versorgt werden, was zu einer beschleunigten Alterung des Startsystems (aufgrund einer Degradation der Kohlebürsten des Startsystems) führen kann.
-
Eine derartige Degradation von ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern aufgrund der Integration von ein oder mehreren weiteren Energiespeichern sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Andererseits ist die Integration von ein oder mehreren weiteren Energiespeichern in Bezug auf Energierekuperation und Stabilisierung der Bordnetzspannung von Vorteil.
-
1a zeigt ein Blockdiagram eines beispielhaften Bordnetzes 100 eines Fahrzeugs. Das Bordnetz 100 umfasst einen Generator 106 (z.B. eine Lichtmaschine), der eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen. Insbesondere kann der Generator 106 durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs und/oder durch Räder des Fahrzeugs angetrieben werden, um so elektrische Energie zu erzeugen. Zur Speicherung der elektrischen Energie umfasst das Bordnetz 100 einen ersten Energiespeicher 102 und einen zweiten Energiespeicher 103. Der erste Energiespeicher 102 kann z.B. einen Blei-Akkumulator umfassen. Der erste Energiespeicher 102 kann auch als Basisspeicher bezeichnet werden. Der zweite Energiespeicher 103 kann z.B. einen Lithium-Akkumulator und/oder einen Kondensator umfassen. Der zweite Energiespeicher 103 kann auch als Zusatzspeicher bezeichnet werden. Der erste und zweite Energiespeicher 102, 103 sind parallel zueinander angeordnet.
-
Das Bordnetz 100 umfasst außerdem ein oder mehrere elektrische Verbraucher 101, 105. Insbesondere kann das Bordnetz 100 ein Startsystem 105 umfassen, das eingerichtet ist, einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten. Desweiteren kann das Bordnetz 100 weitere elektrische Verbrauch 101 (z.B. Heizelemente, Leuchtelemente, ein Infotainmentsystem, etc.) umfassen.
-
Von den Energiespeichern 102, 103 können jeweils Ströme 132, 133 bereitgestellt werden, um die ein oder mehreren elektrischen Verbraucher 101, 105 mit elektrischer Energie zu versorgen. Dabei stellt der Zusatzspeicher 103 einen Zusatzstrom 133 zu Verfügung. Dies kann bei einem Lastanstieg bzw. bei einer Lasttransienten von Vorteil sein, da durch den Zusatzstrom 133 die Bordnetzspannung stabile gehalten werden kann. Andererseits kann der Zusatzstrom 133 in bestimmten Situationen zu einer Degradation von ein oder mehreren der elektrischen Verbraucher 101, 105 führen. Beispielsweise weist das Startsystem 105 bei Aktivierung kurzfristig einen initialen Kurzschluss auf. Der Zusatzstrom 133 kann dann dazu führen, dass der Kurzschlussstrom in das Startsystem 105 vordefinierte Grenzwerte überschreitet, so dass das Startsystem 105 möglicherweise beschädigt oder verstärkt abgenutzt wird.
-
1a zeigt einen Schalter 104, der in Reihe zu dem Zusatzspeicher 103 angeordnet ist. Der Schalter 104 kann z.B. ein Relais oder einen Leistungstransistor umfassen. Der Schalter 104 kann dazu verwendet werden, den Zusatzspeicher 103 bei Bedarf von dem Bordnetz 100 zu entkoppeln, so dass kein Zusatzstrom 133 bereitgestellt wird. Insbesondere kann durch Öffnen des Schalter 104 erreicht werden, dass der Zusatzspeicher 103 keinen Zusatzstrom 133 liefern kann. Andererseits kann durch Schließen des Schalters 104 der Zusatzspeicher 103 parallel zu dem Basisspeicher 102 angeordnet werden, so dass der Zusatzspeicher 103 elektrische Energie aufnehmen oder abgeben kann.
-
In 1a ist der Schalter 104 masseseitig in Bezug auf den Zusatzspeicher 103 angeordnet (d.h. es handelt sich um einen „Low Side“ Schalter). Alternativ kann der Schalter 104 Bordnetzspannungs-seitig angeordnet sein (d.h. es kann sich um einen „High Side“ Schalter handeln), wie in 1b dargestellt. Die Verwendung eines „Low Side“ Schalters 104 kann vorteilhaft sein, da der Schalter 104 geringeren Spannungen ausgesetzt ist, und somit typischerweise in kostengünstiger Weise implementiert werden kann.
-
Durch die Integration eines Schalters 104 im oder am zusätzlichen Energiespeicher 103 kann der zusätzliche Energiespeicher 103 somit in unzulässigen oder kritischen Betriebspunkten eines elektrischen Verbrauchers 101, 105 weggeschaltet werden. Dadurch kann der Laststrom für ein oder mehrere der elektrischen Verbraucher 101, 105 auf ein zulässiges Maß reduziert werden.
-
1a und 1b zeigen auch eine Steuereinheit 110 für das Bordnetz 100. Die Steuereinheit 110 kann eingerichtet sein, ein Energiemanagement des Bordnetzes 100 durchzuführen. Insbesondere kann die Steuereinheit 110 eingerichtet sein, den Schalter 104 anzusteuern (mittels eines Steuersignals 122). Durch das Steuersignal 122 kann der Schalter 104 in einen offenen Zustand oder in einen geschlossenen Zustand versetzt werden. Mit anderen Worten, durch das Steuersignal 122 kann der Zusatzspeicher 103 von dem Bordnetz 100 entkoppelt werden oder in das Bordnetz 100 integriert werden.
-
Desweiteren kann die Steuereinheit 110 eingerichtet sein, Zustandsdaten 121 bzgl. des Bordnetzes 100 und/oder bzgl. des Fahrzeugs und/oder bzgl. eines elektrischen Verbrauchers 101, 105 zu ermitteln. Beispielhafte Zustandsdaten 121 sind
- – eine Temperatur der Energiespeicher 102, 103 (angezeigt z.B. durch eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs). Die Temperatur beeinflusst typischerweise den Innenwiderstand der Energiespeicher 102, 103, und damit den Strom 132, 133 der durch die Energiespeicher 102, 103 bereitgestellt werden kann. Typischerweise steigt mit steigender Temperatur der Strom 132, 133, der bereitgestellt werden kann.
- – eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs kann einen Einfluss auf den Betrieb der Verbraucher 101, 105 und/oder des Generators 106 des Bordnetzes 100 haben. Beispielsweise kann eine sinkende Fahrgeschwindigkeit anzeigen, dass der Generator 106 elektrische Energie rekuperiert.
- – ein Zustand des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs. Der Verbrennungsmotor kann mittels einer Motor-Stopp-Automatik (MSA) gesteuert werden. Der Zustand des Verbrennungsmotors kann z.B. anzeigen, dass der Verbrennungsmotor aufgrund der MSA gestoppt wurde (MSA-Stopp Zustand).
- – ein Zustand des Startsystems 105. Insbesondere kann angezeigt werden, dass das Startsystem 105 aktiviert werden soll, um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
-
Die Steuereinheit 110 kann eingerichtet sein, den Schalter 104 in Abhängigkeit von den Zustandsdaten 121 zu steuern bzw. zu regeln. Insbesondere kann die Steuereinheit 110 eingerichtet sein, das Steuersignal 122 für den Schalter 104 auf Basis der Zustandsdaten 121 zu ermitteln.
-
3 zeigt eine beispielhafte Betriebsstrategie für den Schalter 104 in Zusammenhang mit einer Motor-Stopp-Automatik, bei der der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs bei einer Stillstands-nahen Fahrgeschwindigkeit (z.B. < 3 km/h) abgeschaltet bzw. gestartet wird. In diesem Zusammenhang zeigt 3 einen beispielhaften Verlauf der Fahrgeschwindigkeit 301 des Fahrzeugs über die Zeit 310. Desweiteren zeigt 3 beispielhafte Stromverläufe 302 für den Basisstrom 132 (der durch den Basisspeicher 102 bereitgestellt wird (negativer Strom) oder von dem Basisspeicher 102 aufgenommen wird (positiver Strom)) und für den Zusatzstrom 133 (der durch den Zusatzspeicher 103 bereitgestellt wird (negativer Strom) oder von dem Zusatzspeicher 103 aufgenommen wird (positiver Strom)). Außerdem zeigt 3 beispielhafte Steuersignale 122.
-
Zum Zeitpunkt 311 sinkt die Fahrgeschwindigkeit 301 des Fahrzeugs, und die kinetische Energie des Fahrzeugs kann mittels des Generators 106 zumindest teilweise in elektrische Energie gewandelt werden. Der dabei erzeugte Strom 302 kann primär von dem Zusatzspeicher 103 (durchgezogene Kurve 133) und teilweise auch von dem Basisspeicher 102 (gepunktete Kurve 132) aufgenommen werden. Der Zusatzspeicher 103 kann ein oder mehrere Energiespeicher umfassen, die relativ schnell elektrische Energie aufnehmen können (im Vergleich zu einem Blei-Akkumulator). Der Schalter 104 ist in dieser Phase geschlossen, um den Zusatzspeicher 103 in das Bordnetz 100 zu integrieren. Dies ist in 3 durch ein Steuersignal 122 mit dem logischen Wert „1“ (oder „high“) dargestellt (siehe Verläufe 321, 322, 323, 324 des Steuersignals 122).
-
Zum Zeitpunkt 312 ist die Fahrgeschwindigkeit so weit gesunken, dass ein MSA-Stopp veranlasst wird. Es erfolgt keine Rekuperation mehr und die Energiespeicher 102, 103 versorgen die elektrischen Verbraucher 101, 105 mit elektrischer Energie (negative Ströme 132, 133). Auch in dieser Phase kann der Schalter 104 geschlossen bleiben, um eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.
-
Zum Zeitpunkt 313 zeigen die Zustandsdaten 121 an, dass das Startsystem 105 aktiviert werden soll, um einen MSA-Start des Verbrennungsmotors durchzuführen. In Vorbereitung darauf kann der Schalter 104 geöffnet werden (dargestellt durch ein Steuersignal 122 mit dem logischen Wert „0“ oder „low“), um den Zusatzspeicher 103 von dem Bordnetz 100 zu entkoppeln. Somit wird der Bordnetzstrom bei der Aktivierung des Startsystems 105 auf den Basisstrom 132 des Basisspeichers 102 begrenzt, so dass die Strom-Grenzwerte des Startsystems 105 eingehalten werden.
-
Der Schalter 104 kann für unterschiedliche Zeiträume im geöffneten Zustand gehalten werden. 3 zeigt beispielhafte Verläufe 321, 322, 323, 324 des Steuersignals 122. Im Fall des Verlaufs 321 bleibt der Schalter 104 für den gesamten Startvorgang geöffnet, z.B. bis das Fahrzeug eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit erreicht hat. Es können aber auch verkürzte Zeiträume verwendet werden. Beispielsweise kann der Schalter 104 nur in einer Anfangsphase des Startvorgangs geöffnet werden (Verlauf 324), um den Kurschlusszustand des Startsystems 105 zu überbrücken. Die unterschiedlichen Verläufe 321, 322, 323, 324 des Steuersignals 122 führen zu unterschiedlichen Verläufen 331, 332, 333, 334 des Zusatzstroms 133.
-
Mit anderen Worten, während der Fahrt des Fahrzeugs, d.h. in Vortriebs- und Verzögerungsphasen des Fahrzeugs, kann der Schalter 104 geschlossen sein, so dass der zusätzliche Leistungsspeicher 103 im Bordnetz 100 aktiv ist. So kann eine höhere Rekuperation und Stützleistung im Bordnetz 100 bereitgestellt werden.
-
Unterschreitet das Fahrzeug die Ablegegeschwindigkeit (z.B. 3 km/h) für die Aktivierung des MSA (Zeitpunkt 311), so wird der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs abgestellt. Der Schalter 104 kann weiterhin geschlossen bleiben, insbesondere zur Versorgung der Verbraucher 101 im MSA-Stopp Betrieb.
-
Beim Wiederstart des Verbrennungsmotors (Zeitpunkt 313), insbesondere bei niedrigen Speicherinnenwiderständen wie z.B. bei warmen Temperaturen, kann der Schalter 104 (kurz) vor Aktivierung des Startsystems 105 geöffnet werden, so dass der initiale Kurzschlussstrom im Starter 105 nur von dem Basisspeicher 102 versorgt wird. Nach dem Start kann der Schalter 104 wieder geschlossen werden, so dass der Stützspeicher 103 wieder am Bordnetz 100 aktiv ist. Wie in 3 dargestellt, kann der Schalter 104 ggf. nur während des initialen Starterkurzschlusses geöffnet werden und noch während der Starts zugeschaltet werden (Verlauf 324). So kann der Startvorgang beschleunigt (d.h. „geboostet“) werden.
-
Die Weg-/Zuschaltung des Zusatzspeichers 103 kann über geeignete Diagnosemethoden/Betriebsstrategien selektiv erfolgen. Beispielsweise kann erst dann, wenn die kollektiven Speicherinnenwiderstände der Energiespeicher 102, 103 einen gewissen Schwellenwert unterschreiten und so der Starterstrom für das Startsystem 105 zu hoch werden würde, der Zusatzspeicher 103 in Vorbereitung auf die Aktivierung des Startsystems 105 von dem Bordnetz 100 entkoppelt werden. Insbesondere kann die Steuereinheit 110 eingerichtet sein, auf Basis der Zustandsdaten 121 einen Strom im Bordnetz 100 zu prädizieren (z.B. einen Starterstrom). Wenn die Prädiktion ergibt, dass der prädizierte Strom einen vordefinierten Strom-Schwellenwert überschreitet, so kann der Zusatzspeicher 103 als Vorsichtsmaßnahme vorübergehend vom Bordnetz 100 entkoppelt werden.
-
2a zeigt ein beispielhaftes Bordnetz 100 mit ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbrauchern 201, die in redundanter Weise von dem Basisspeicher 102 und von dem Zusatzspeicher 103 mit elektrischer Energie versorgt werden können. Die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 können Verbraucher umfassen, die relativ kritische Fahrzeugfunktionen bereitstellen (z.B. eine Lenkfunktion). Insbesondere können die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 eine Fahrfähigkeit während des MSA-Betriebs gewährleisten. Die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 können über Schalter/Dioden 202 an den jeweiligen Energiespeicher 102, 103 gekoppelt sein.
-
Durch die Anordnung in 2a wird sichergestellt, dass die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 auch bei einem geöffneten Schalter 104, d.h. auch bei einer Entkopplung des Zusatzspeichers 103, in redundanter Weise (d.h. durch den Basisspeicher 102 und durch den Zusatzspeicher 103) mit elektrischer Energie versorgt werden. Zu diesem Zweck ist der Schalter 104 vorteilhafterweise als „High Side“ Schalter ausgebildet und angeordnet.
-
2b zeigt eine alternative Anordnung von ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern 201 in einem Bordnetz 100. In dem in 2b dargestellten Fall, sind die ein oder mehreren elektrischen Verbraucher 201 parallel zu dem Zusatzspeicher 103 angeordnet, so dass auch bei geöffnetem Zustand des Schalters 104, die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 mit Energie aus dem Zusatzspeicher 103 versorgt werden können. Dabei werden die ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 bei einem geöffneten Schalter 104 nicht mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher 102 versorgt. Dadurch kann bei einem Einbruch der Bordnetzspannung (z.B. aufgrund der Aktivierung des Starters 105) durch Entkopplung des Zusatzspeichers 103 von dem Bordnetz 100 eine zuverlässige Energieversorgung der ein oder mehreren weiteren elektrischen Verbraucher 201 sichergestellt werden.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Steuerung eines Zusatzspeichers 103 in einem Bordnetz 100 eines Fahrzeugs. Bei dem Bordnetz 100 handelt es sich um ein Mehrspeicherbordnetz. Insbesondere umfasst das Bordnetz 100 einen Basisspeicher (z.B. einen Blei-Akkumulator) und den Zusatzspeicher (z.B. einen Lithium-Akkumulator und/oder einen SuperCap) zur Speicherung von elektrischer Energie für einen elektrischen Verbraucher 101, 105 des Bordnetzes 100. Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401 von Zustandsdaten 121 bzgl. des elektrischen Verbrauchers 101, 105. Beispielsweise können die Zustandsdaten 121 Informationen darüber umfassen, ob der elektrische Verbraucher in naher Zukunft aktiviert wird. Auf Basis der Zustandsdaten 121 bzgl. des elektrischen Verbrauchers 101, 105 kann ein Strom in den elektrischen Verbraucher 101, 105 prädiziert werden. Das Verfahren 400 umfasst weiter, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten 121, das Versorgen 402 des elektrischen Verbrauchers 101, 105 mit elektrischer Energie aus dem Basisspeicher 102 und nicht aus dem Zusatzspeicher 103. Insbesondere kann, in Abhängigkeit von den Zustandsdaten 121, der Zusatzspeicher 103 von dem elektrischen Verbraucher 101, 105 entkoppelt werden, so dass der Zusatzspeicher 103 (z.B. bei der Aktivierung des elektrischen Verbrauchers 101, 105) dem elektrischen Verbraucher 101, 105 keine elektrische Energie liefern kann. Beispielsweise kann der Zusatzspeicher 103 entkoppelt werde, wenn der prädizierte Strom in den elektrischen Verbraucher 101, 105 einen vordefinierten Strom-Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Der elektrische Verbraucher 101, 105 kann dann ggf. nur elektrische Energie aus dem Basisspeicher 102 beziehen. So können z.B. die Aktivierungsströme eines elektrischen Verbrauchers 101, 105 in einem Mehrspeicherbordnetz 100 limitiert werden.
-
In diesem Dokument wurden ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung beschrieben, die es ermöglichen, kostengünstige Baukastenstartermotoren und/oder Baukastenverbraucher in einem Mehrspeicherbordnetz 100 zu integrieren. So können in kosteneffizienter Weise Mehrspeicherbordnetze 100 bereitgestellt werden. Desweiteren kann durch die zeitweise Entkopplung eines Zusatzspeichers, die Lebensdauer von Verbrauchern (insbesondere von ungeregelten Maschinen/Pumpen mit hohen initialen Kurzschlussströmen) in einem Mehrspeicherbordnetz 100 verlängert werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
