DE10248658A1 - Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Stopp/Startbetrieb - Google Patents

Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Stopp/Startbetrieb Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Start/Stoppbetrieb. Es wird sowohl eine Stabilisierung eines Teilbordnetzes als auch eine Stabilisierung des Gesamtbordnetzes beansprucht. Bei der Stabilisierung des Teilbordnetzes ist zusätzlich zu einem ersten, mit dem Generator (G) verbundenen Energiespeicher (1), der mit dem Bordnetz verbunden ist, ein zusätzlicher Energiespeicher (2) ausgebildet, dessen Spannung während eines Startvorgangs zumindest für ein Teilbordnetz mit zumindest einem stark spannungsabhängigen Verbraucher (B) zugeschaltet wird. Der zusätzliche Energiespeicher (2) ist während des Startvorgangs über einen Aufwärts-Wandler (6) mit dem Starter (S) verbunden. DOLLAR A In einer alternativen Ausführungsform kann während des Startvorgangs das gesamte Bordnetz zur Versorgung ausschließlich auf einen zusätzlichen Energiespeicher umgeschaltet werden, so dass das Bordnetz während des Startvorgangs vollständig vom Starter entkoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Stopp/Startbetrieb.
  • Bekannt ist eine Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung, in der mittels eines DC/DC-Wandlers ein Teilbordnetz stabilisiert wird.
  • Problematisch bei dieser bekannten Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung ist, dass entsprechend der Verbraucheranzahl und daraus resultierendem Leistungsbedarf die Vorrichtung teuer wird, da sie auf die Spitzenleistung ausgelegt werden muss. Zudem ist ein großer Aufwand für eine zusätzliche Verkablung des Teilnetzes vor allem bei vernetzten Fahrzeugen mit teilweise beliebiger Verteilung von Teilfunktionen auf viele Steuergeräte erforderlich.
  • Weiterhin ist aus der EP 0 876 554 B1 ein Starter/Generator für einen Verbrennungsmotor bekannt. Dieser Starter/Generator umfasst eine Drehfeldmaschine, die eine Starter- und Generatorfunktion ausübt, einen Wechselrichter, der die für die magnetischer Felder der Drehfeldmaschine benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase durch sinusbewertete Pulsmodulation mit einer Taktfrequenz größer 10 kHz erzeugt. Dabei weist der Wechselrichter einen Zwischenkreis mit einem gegenüber einem Bordnetz erhöhten Spannungsniveau auf, wobei der Zwischenkreis mit einem Energiespeicher zum Speichern von Energie für den Starterbe trieb ausgerüstet ist und sowohl die Energieentnahme aus dem Zwischenkreis im Starterbetrieb als auch die Energieeinspeisung in den Zwischenkreis im Generatorbetrieb auf dem erhöhten Spannungsniveau erfolgt. Aus dem Wechselrichter wird einerseits Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Laden der Fahrzeugbatterie und Versorgen der Niederspannungsverbraucher oder an die Fahrzeugbatterie Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten des Verbrennungsmotors abgegeben. Der Zwischenkreis mit hohem Spannungsniveau versorgt verschiedene Hilfsantriebe, wie Klimamaschine und Servoantriebe, sowie verschiedene Heizeinrichtungen (Hochleistungsverbraucher). Außerdem weist der Wechselrichter einen Zusatzspeicher auf, der vor dem Starten durch langsame Energieentnahme von der Fahrzeugbatterie für eine schnelle Wiederentnahme beim Startvorgang geladen wird und zusätzlich Energie bei Bremsvorgängen speichert. Die gespeicherte Bremsenergie kann später der Fahrzeugbatterie zugeführt werden.
  • Schließlich ist aus „Groß..., Maxi..., Ultracap, Zyklierbare Speicher für das 42-V-Bordnetz" von Dr. Hartmut Michel und Bernd Staib, Elektronik 2/2002, bekannt, ein Ultracap-Modul parallel zum Starter und über einen DC/DC-Wandler parallel zu einem Fahrzeugbatterie zu schalten. Das Ultracap-Modul liefert hierbei die für den Startvorgang benötigte hohe Leistung. Beim Bremsen wird über den Starter als Generator Energie zurückgewonnen und diese Energie direkt im Ultracap-Modul gespeichert. Diese Energie wird dem Bordnetz anschließend über den DC/DC-Wandler zugeführt. Das 14V-Bordnetz ist über den DC/DC-Wandler entkoppelt. Während des Startvorgangs werden die Fahrzeugbatterie und das Ultracap-Modul parallel betrieben. Somit können am Ultracap-Modul große Spannungshübe auftreten, ohne dass das Bordnetz großen Schwanlungen unterworfen ist, da das Ultracap-Modul Stromspitzen gegenüber der Fahrzeugbatterie und dem Bordnetz abpuffert.
  • Auf diese Weise können mit den herkömmlichen Spannungsstabilisierungen extreme Spannungsschwankungen ausgeglichen wer den, indem eine zusätzliche Energieversorgung während des Startvorgangs zugeschaltet wird. Jedoch ist diese Spannungsstabilisierung für sensible Verbraucher, d.h. Verbraucher, die stark spannungsabhängig sind, d.h. beispielsweise Komfortverbraucher wie die Beleuchtung, nicht ausreichend.
    •
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung auszubilden, mit der mit geringen Kosten und ohne großen Zusatzaufwand eine Bordnetzstabilisierung derart erreicht werden kann, dass auch stark spannungsabhängige Verbraucher problemlos betrieben werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 7 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Dazu wird erfindungsgemäß zumindest ein zusätzlicher Energiespeicher im Bordnetz zur Stützung der Versorgungsspannung sensibler Verbraucher genutzt, und/oder der Starter entkoppelt und der durch ihn im Bordnetz verursachte Spannungseinbruch dadurch reduziert oder vermieden.
  • Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass diese skalierbare Lösung auch dezentral einsetzbar ist. Dadurch ergeben sich Kostenvorteile bei allen bekannten Steuergeräte-Architekturen durch Wegfall einer Zusatzverkabelung. Außerdem können vorhandene Komponenten mehrfach genutzt werden.
    •
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung offensichtlich.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Bockschaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Nachfolgend werden alternative Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung, insbesondere in Kraftfahrzeugen, genauer beschrieben.
  • Bei diesen alternativen Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung kann eine Reduktion des Einbruchs der Bordnetzspannung beim Starten kann durch Zuschalten mindestens eines zusätzlichen Energiespeichers speziell für den Starter erfolgen. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie dieser zusätzliche Energiespeicher erfindungsgemäß mit der Bordnetz-Batterie, d.h. einem ersten Energiespeicher, dem Starter und dem Generator verschaltet werden kann.
  • Durch die Verwendung mindestens eines zusätzlichen Energiespeichers kann eine Aufteilung des Startstroms auf die verschiedenen Energiespeicher erreicht werden. Entsprechend wird auch der Strom aus der Bordnetz-Batterie reduziert, wodurch der im Bordnetz wirksame Spannungseinbruch geringer wird und die minimale Betriebsspannung der Verbraucher nicht unterschritten wird.
  • Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass einige sensible, d.h. stark spannungsabhängige Komfortverbraucher, wie beispielsweise die Beleuchtung, eine deutlichere Spannungsstabilisierung erfordern, nämlich eine Spannungsstabilisierung, bei der Spannungsschwankungen möglichst vollständig beseitigt werden.
  • Für diese Komfortverbraucher muss zentral oder dezentral eine zusätzliche Spannungsstabilisierung erfolgen.
  • Eine weitergehende Spannungsstabilisierung, insbesondere für sensible, d.h. stark spannungsabhängige Komfortverbraucher, wie beispielsweise die Beleuchtung, erfolgt erfindungsgemäß durch Bereitstellung eines insgesamt erhöhten Spannungsniveaus mittels eines auf die Spannung der Bordnetz-Batterie aufgesetzten Energiespeichers, vorzugsweise eines sogenannten Superkondensators bzw. Ultracap, auf das die Versorgung der Beleuchtung während des Starts umgeschaltet werden kann, um den Starteinbruch auszugleichen.
  • Diese Spannungsstabilisierung kann erfindungsgemäß entweder alternativ zur zuerst beschriebenen Spannungsstabilisierung oder im Kombination mit dieser verwirklicht werden.
  • Eine einfache Spannungsstabilisierung, durch die ein Spannungseinbruch beim Startvorgang verringert werden kann, wird durch Vorsehen eines zusätzlichen Energiespeichers erreicht. Hierbei wird, wenn ein Startvorgang erfolgen soll, der zusätzliche Energiespeicher derart zugeschaltet, dass der Starterkreis vom restlichen Bordnetz entkoppelt ist.
  • Zunächst wird nun unter Bezugnahme auf 1 der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung genauer erläutert, die eine insbesondere für stark spannungsabhängige Verbraucher ausreichende Spannungsstabilisierung erzielt.
  • In 1 bezeichnet S einen Starter, der über einen Schalter S1 mit einem unstabilisierten Bordnetz, einem Generator G und einem Energiespeicher 1 verbunden ist. Der Energiespeicher 1 ist in der Regel durch die Fahrzeugbatterie gebildet. Darüber hinaus ist der Starter S ebenfalls über den Schalter S1 mit einem weiteren Zweig verbunden, in dem ein Aufwärts- bzw. DC/DC-Wandler 3, ein Energiespeicher 2, ein Umschalter S2, ein Leistungsverteiler 4 in Reihe geschaltet und mit einem oder mehreren sensiblen, d.h. stark spannungsabhängigen Verbrauchern, wie beispielsweise der Beleuchtung B in 1 verbunden sind. Der Energiespeicher 2 ist mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers 1 verbinden, so dass min erhöhtes Spannungsniveau erhalten wird. Im Fall eines Starts erfolgt über den Umschalter S2 eine Umschaltung der Versorgung des/der sensiblen Verbraucher vom Energiespeicher 1 auf den Energiespeicher 2. Als Energiespeicher 2 wird vorzugsweise ein Superkondensator bzw. Supercap bzw. ein Supercap-Modul verwendet. Auf diese Weise kann ein Einbruch der Versorgungsspannung des/der sensiblen Verbraucher ausgeglichen werden.
  • Damit diese Umschaltung auf einen erhöhten Spannungspegel des Energiespeichers 2 keine Leistungserhöhung (Erhöhung der Leuchtstärke) zur Folge hat, ist zwischen dem Umschalter S2 und dem/den sensiblen Verbrauchern der Leistungsverteiler 4 ausgebildet. Durch diesen Leistungsverteiler erfolgt eine leistungsbegrenzte Versorgung des/der sensiblen Verbraucher durch Pulsweitenmodulation der zugehörigen Halbleiterschalter, was sich zusätzlich positiv auf die Lebensdauer des (der sensiblen Verbraucher, beispielsweise der Glühbirne der Beleuchtung auswirkt. Diese Pulsweitenmodulation wirkt sich wie eine Spannungsbegrenzung nach oben auf einen festgelegten Wert aus, so dass bei einer Umschaltung auf eine Versorgung durch den zweiten Energiespeicher 2 keine Leistungserhöhung auftritt.
  • Der Energiespeicher 2 wird entsprechend der Dauer des Startimpulses und dem Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher gewählt, wobei bei der Verwendung von Kondensatoren die Absenkung der Zusatzspannung durch Entladung berücksichtigt wird.
  • Vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Schaltung gemäß 1 beliebig skalierbar ist und dadurch kostengünstig und kann gegebenenfalls auch dezentral eingesetzt werden. Dadurch kann die zusätzliche Versorgungs-Verkabelung zu den über diverse Steuergeräte verteilten sensiblen Funktionen eingespart werden.
  • Auf dieser Weise kann für auf einfache Weise und kostengünstig für stark spannungsabhängige Verbraucher einer Spannungsstabilisierung erzielt werden. Das restliche Bordnetz wird mit der nicht stabilisierten Spannung versorgt.
  • Um nun ergänzend eine einfache und kostengünstige Stabilisierung auch nicht stark spannungsabhängiger Elemente des Bordnetzes zu erreichen, kann nun in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung gemäß 1 zusätzlich ein weiterer Energiespeicher 5 vorgesehen werden, der über einen Schalter S3 im Fall eines Startvorgangs parallel zum ersten Energiespeicher 1 zuschaltbar ist, so dass eine Reduzierung des Stroms aus der Bordnetzbatterie 1 erzielt werden kann. Dieser zusätzliche Energiespeicher 5 sowie der Schalter S3 sind in 1 gestrichelt dargestellt.
  • Durch das Parallelschalten dieses zusätzlichen Energiespeichers 5 kann eine Aufteilung des Starterstroms auf die beiden Energiespeicher erreicht werden. Daher wird der aus der Bordnetzbatterie erforderliche Strom reduziert und demzufolge der im bisher unstabilisierten Bordnetz wirksame Spannungseinbruch geringer und die minimale Betriebsspannung der weniger stark spannungsabhängigen Verbraucher des Restbordnetzes wird nicht unterschritten.
  • Auf diese Weise kann einfach und kostengünstig eine Spannungsstabilisierung sowohl für stark spannungsabhängige Verbraucher als auch für das übrige Bordnetz mit weniger stark spannungsabhängigen Verbrauchers ausgebildet werden.
  • Alternativ zur in 1 dargestellten Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung kann eine Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung, wie in 2 dargestellt, verwendet werden.
  • Wesentlich für diese weitere erfindungsgemäße Lösung zur Spannungsstabilisierung ist es, dass zumindest ein Teil des Bordnetzes, insbesondere ein Teil des Bordnetzes, der sensible Verbraucher aufweist, bevorzugt aber das gesamte Bordnetz während eines Startvorgangs auf einen bereits vorhandenen weiteren Energiespeicher für wichtige Verbraucher, wie beispielsweise eine Stützbatterie für die elektrohydraulische Bremse umgeschaltet wird. In 2 ist das Beispiel der Umschaltung des Gesamtbordnetzes dargestellt.
  • Die Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung gemäß 2 weist einen Starter S, einen Generator G, einen Energiespeicher 1, einen Energiespeicher 6, eine Umschalteinrichtung 7 sowie optional einen DC/DC-Wandler 8 auf. Der Starter S ist über einen Schalter S1 mit dem Generator G verbindbar. Der Generator G wiederum ist weiterhin mit dem Energiespeicher 1, nämlich der Fahrzeug-Batterie und über die Umschalteinrichtung 7 mit dem Bordnetz verbunden. Der Energiespeicher 6 ist ebenfalls mit der Umschalteinrichtung 7 verbunden. Optional kann der Energiespeicher 6 zusätzlich über den DC/DC-Wandler 8 mit dem Schalter S1 auf seiner dem Generator G zugewandten Seite verbunden sein, wie in 2 gestrichelt dargestellt. Die Umschalteinrichtung 7 weist Schalter S4 und S5 auf, die bevorzugt Halbleiterschalter sind, wobei der Schalter S4 eine Verbindung zwischen dem Generator G und Energiespeicher 1 und dem Bordnetz öffnet und schließt und der Schalter S5 eine Verbindung zwischen dem Energiespeicher 6 und dem Bordnetz öffnet und schließt.
  • Im Normalbetrieb, d.h. kein Start, ist der Schalter S4 der Umschalteinrichtung 7 geschlossen und der Schalter S5 der Umschalteinrichtung 7 geöffnet. Während des Startvorgangs wird der Schalter S4 der Umschalteinrichtung 7 geöffnet und gleichzeitig der Schalter S5 der Umschalteinrichtung 7 geschlossen. Das Bordnetz mit den Verbrauchern wird dann aus dem Energiespeicher 6, d.h. der Stützbatterie versorgt und ist vom Starter S entkoppelt. Der Energiespeicher 6 kann dann entweder über den optionalen DC/DC-Wandler 8 oder durch Parallelschalten, d.h. Schließen der Schalter S5 und S4 der Umschalteinrichtung 7 zum Energiespeicher 1 mittels einer entsprechenden Ladesteuerung geladen werden.
  • Somit kann mit der Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung mit geringem Schaltelementaufwand, d.h. ausschließlich durch zusätzliches Ausbilden der Umschalteinrichtung 7 sowie Durchführen einer entsprechenden Ladesteuerung oder Ausbilden einer DC/DC-Wandlers 8 kostengünstig und auf einfache Weise eine zuverlässige Spannungsstabilisierung beim Start erreicht werden.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Stopp/Startbetrieb, mit: einem Starter (S), einem Generator (G) und einem ersten Energiespeicher (1), wobei der Starter (S) in einem ersten Schaltungszweig zum Start über einen ersten Schalter (S1) mit dem Generator (G), dem ersten Energiespeicher (1) und einem damit verbundenen Bordnetz verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Starter (S) ebenfalls über den ersten Schalter (S1) in einem weiteren Schaltungszweig mit einem Aufwärts-Wandler (3), einem zweiten Energiespeicher (2), einem Umschalter (S2), einem Leistungsverteiler (4) in Reihe schaltbar ist und dadurch mit zumindest einem stark spannungsabhängigen Verbraucher (B) verbindbar ist, wobei bei einem Start der erste Schalter (S1) und der Umschalter (S2) geschlossen sind, so dass zumindest ein stark spannungsabhängiger Verbraucher (B) aus der Reihenschaltung des ersten Energiespeichers (1) und des zweiten Energiespeichers (2) mit Energie versorgt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverteiler (4) eine leistungsbegrenzte Versorgung des zumindest eines stark spannungsabhängigen Verbrauchers (B) durch Pulsweitenmodulation ermöglicht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (2) entsprechend der Dauer des Startimpulses und dem Leistungsbedarf des angeschlossenen zumindest einen stark spannungsabhängigen Verbrauchers (B) dimensioniert ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein dritter Energiespeicher (5) ausgebildet ist, der im ersten Schaltungszweig über einen Schalter (S3) parallel zum ersten Energiespeicher (1) schaltbar ist, so dass durch den aus dem dritten Energiespeicher (5) gelieferten Strom der Strom aus dem ersten Energiespeicher (1) reduziert wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter Energiespeicher (5) eine Stützbatterie zumindest eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise einer elektrohydraulischen Bremse verwendet wird.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und/oder der dritte Energiespeicher (2) ein Supercapkondensator oder ein Supercap-Modul ist.
  7. Vorrichtung zur Bordnetzstabilisierung bei Stopp/Startbetrieb, mit: einem Starter (S), einem Generator (G) und einem ersten Energiespeicher (1), wobei der Starter (S) in einem ersten Schaltungszweig zum Start über einen ersten Schalter (S1) mit dem Generator (G), dem ersten Energiespeicher (1) und dem damit verbundenen Bordnetz verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz mit dem ersten Schaltungszweig über eine Umschalteinrichtung (7) über einen zweiten Schalter (S4) verbindbar ist, ein zweiter Schaltungszweig ausgebildet ist, der einen zweiten Energiespeicher (6) aufweist, der über einen dritten Schalter (S5) der Umschalteinrichtung (7) mit dem Bordnetz verbindbar ist, wobei bei einem Start der erste Schalter (S1) geschlossen ist, während der zweite Schalter (S4) der Umschalteinrichtung (7) geöffnet und der dritte Schalter (S5) der Umschalteinrichtung (7) geschlossen ist, so dass das Bordnetz durch den zweiten Energiespeicher (6) mit Energie versorgt wird, während im Normalbetrieb der zweite Schalter (S4) der Umschalteinrichtung (7) geschlossen und der dritte Schalter (S5) der Umschalteinrichtung (7) geöffnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Energiespeicher (6) eine Stützbatterie zumindest eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise einer elektrohydraulischen Bremse verwendet wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (6) ein Supercapkondensator oder ein Supercap-Modul ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher geladen wird, wenn der erste und der zweite Schalter (S4, S5) der Umschalteinrichtung (7) geschlossen sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schaltungszweig ein DC/DC-Wandler (8) ausgebildet ist, der mit dem zweiten Energiespeicher (6) sowie dem mit dem Generator verbundenen Anschluss des ersten Schalters (S1) verbunden ist, und der zweite Energiespeicher (6) über den DC/DC-Wandler (8) geladen wird.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladesteuervorrichtung ausgebildet ist, die den Ladevorgang des zweiten Energiespeichers (6) über die Umschalteinrichtung (7) oder den DC/DC-Wandler steuert.
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