DE19846319C1 - Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Spannungsversorgungszweigen - Google Patents

Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Spannungsversorgungszweigen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Spannungsversorgungszweigen auf unterschiedlichen Spannungsebenen, wobei der erste Spannungsversorgungszweig über einen elektrischen Gleichspannungswandler von dem zweiten Spannungsversorgungszweig und der zweite Spannungsversorgungszweig von einem Generator speisbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein Mehrfachwandler W3 mit drei Spannungsebenen vorhanden ist, dessen einer Ein/Ausgang mit dem zweiten Spannungsversorgungszweig, dessen anderer Ein/Ausgang mit dem ersten Spannungsversorgungszweig und dessen dritter Ein/Ausgang mit dem ersten Spannungsversorgungszweig zugeordneten Energiespeicher B1 verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Spannungsversorgungszweigen ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Entwicklung neuer Komponenten im Automobilbau wie z. B. der elektromagnetischen Ventilsteuerung (EMVS), des elektrisch be­ heizbaren Katalysators etc. sowie der Trend, bisher über Riemen angetriebene Komponenten elektrisch anzutreiben, haben die elektrische Gesamtleistung der zu versorgenden Verbraucher stark anwachsen lassen. Mit den derzeitigen 12 V-Bordnetzen auf 14 V-Generatorspannung kann dieser Leistungsbedarf nicht mehr vernünftig abgedeckt werden. Es ist bekannt, dem 12 V-Bordnetz höhere Spannungsebenen zu überlagern, welche die Hochlast­ verbraucher, z. B. EMVS, Heizungen, Lüfter, Stellmotoren spei­ sen. Verbraucher mit geringer Leistungsaufnahme verbleiben nach wie vor auf der 12 V-Ebene.
Es zeichnet sich zunehmend ab, daß ein Bordnetz mit einer 42 V- Spannungversorgung für Hochlastverbraucher und einer 12 V- bzw. 14 V-Spannungversorgung für Niederspannungsverbraucher wie z. B. die Beleuchtung oder elektronische Steuergeräte angestrebt wird. Die Spannungsebene der Hochlastverbraucher ist damit auf das Dreifache des heutigen 14 V-Niveaus (Generatorspannung) an­ gehoben.
Bordnetzanordnungen mit zwei energetisch koppelbaren Batterien sind aus der DE 40 28 242 A1 und der DE 38 41 769 C1 bekannt, wobei die Batterien auf ungefähr gleichem Spannungsniveau von 12-14 V liegen. Ferner ist aus der DE 196 00 074 A1 ein Fahr­ zeugbordnetz mit zwei Spannungsebenen bekannt, wobei die höhere Spannungsebene durch eine Parallelschaltung mehrerer Chopper­ stufen realisiert ist.
In einer typischen, an sich bekannten und in Fig. 3 dargestell­ ten Konfiguration speisen ein mit einem Energiespeicher B2 ge­ pufferter Generator G einen Starter S und ein 42 V-Netz für die Hochlastverbraucher HV. Das 14 V-Netz der Niederlastverbraucher NV wird über eine eingangsseitig mit dem Generator G verbundene Leistungselektronik versorgt, beispielsweise über einen DC/DC- Wandler W, z. B. einem unidirektionalen Tiefsetzsteller (Buck- Converter) oder einem bidirektionalen Tief/Hochsetzsteller (Buck-Boost-Converter). Auch das 14 V-Netz ist mit einem Ener­ giespeicher, Batterie B1, zur Abgabe von Leistungsspitzen und gegen Überspannungen gepuffert.
Mit der Anhebung der Spannungsebene der Hochlastverbraucher auf 42 V ergeben sich mehrere Vorteile. Die Gleichrichterverluste im Generator werden auf ein Drittel reduziert. Die Reduzierung der Ströme bei gleicher Leistung ermöglicht eine Verringerung von Kabelquerschnitte, einen erleichterten Einsatz von Halbleiter­ schaltern, die Ersetzung von Schraubverbinder durch Steckver­ binder etc.. Auch verringert sich der relative Spannungsabfall und der Massenversatz. Weitere Vorteile und vorteilhafte Be­ triebsweisen der bekannten Bordnetzarchitektur werden im fol­ genden skizziert.
Bei der beschriebenen Bordnetzkonfiguration wird seitens der Anmelderin als Nachteil angesehen, daß die zu spezifizierenden Spannungsgrenzen für den 14 V-Zweig der Niederspannungsverbrau­ cher NV den vollen Spannungshub umfassen müssen, der sich durch die notwendige Ladespannung einerseits sowie andererseits der Entladespannung bei Puffervorgängen zur Abdeckung von Spitzen­ leistungen oder der Versorgung von Verbrauchern bei Motorstill­ stand ergibt. So ist bei Verwendung von z. B. herkömmlichen Blei-Säure-Batterie für die Verbraucher ein Toleranzband von 11-16 V erforderlich. Bei Verwendung anderer Batterietypen z. B. NiMH Nickel-Metalhydrid-Batterien kann aufgrund anderer Ver­ hältnisse von Ladeschlußspannung zu Entladeschlußspannung ein noch breiteres Toleranzband erforderlich sein.
Der im Netz auftretende Spannungshub stellt besondere Anforde­ rungen an die Auslegung der Verbraucher erhöht die Kosten und kann negative Rückwirkungen wie z. B. Lebensdauerverkürzungen bei Glühlampen zur Folge haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beibehaltung der Vorteile der geschilderten Bordnetzarchitektur, diese dahingehend zu verbessern, daß für die Verbraucher ein engeres Toleranzband ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsschaltung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist das Niederspannungsnetz (erster Spannungs­ versorgungszweig) mit dem ihm zugeordnete Energiespeicher B1 nicht mehr direkt sondern über einen Mehrfachwandler W3 (Multi- Level-Controller) verbunden.
Die Entkopplung der Versorgung des Niederspannungsnetzes von der Batterieklemmenspannung ermöglicht, gemäß Anspruch 2, die Ausgangsspannung des ersten Wandlers W1, welcher das Netz der Niederspannungsverbraucher NV speist, auf einen festen Wert U_E zu regeln, welcher der Entladespannung der Batterie entspricht. Hierdurch wird ein enges Toleranzband (z. B. 11,8 V. . . 12.8 V) der Versorgungsspannung vorgebbar, was die Auslegung erleich­ tert und z. B. bei Glühlampen die Lebensdauer verlängert.
Die Entkopplung ermöglicht in der Weiterbildung nach Anspruch 3 eine optimale und schnelle Batterieladung mit einer z. B. auf die Temperatur der Batterie abgestimmten Ladespannung U_L ohne unerwünschte Rückwirkungen auf die Niederspannungsverbraucher NV im ersten Spannungsversorgungszweig, welche mit der niedri­ geren, eng tolerierten Entladespannung U_E gespeist werden.
In Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse im Bordnetz kann der Mehrfachwandler W3 in weitere vorteilhafte Betriebsweisen ge­ schaltet werden.
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsge­ mäßen Energieversorgungsschaltung ergeben sich aus weiteren Un­ teransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird nachstehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Energieversor­ gungsschaltung,
Fig. 2 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Energieversor­ gungsschaltung im Fahrzeug,
Fig. 3 eine Energieversorgungsschaltung nach dem Stand der Technik.
Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Energieversorgungsschal­ tung, welche aus der bereits beschriebenen Anordnung gemäß dem Stand der Technik in Fig. 3 weiterentwickelt wurde. Der mit dem Energiespeicher B2 gepufferte Generator G speist den Starter S und das 42 V-Netz für die Hochlastverbraucher HV, welche Teil des zweiten Spannungsversorgungszweiges Z2 sind. Das Netz der Niederlastverbraucher NV im ersten Spannungsversorgungszweig Z1 wird über einen eingangsseitig mit dem zweiten Spannungsversor­ gungszweig Z2 verbundenen DC/DC-Wandler W1, insbesondere einem Tiefsetzsteller (Buck-Converter) mit einer konstanten, eng to­ lerierten Versorgungsspannung U1 versorgt. Vorzugsweise ist der Wandler W1 so ausgelegt, daß er die Grundlast im ersten Span­ nungsversorgungszweig Z1 abdecken kann.
Erfindungsgemäß wird der dem ersten Spannungsversorgungszweig Z1 zugeordnete Energiespeicher B1 durch den Mehrfachwandler W3 an beide Spannungsversorgungszweig Z1, Z2 angekoppelt. Der Mehrfachwandler W3 mit drei Spannungsebenen ermöglicht eine Steuerung der Leistungssteuerung zwischen seinen drei Ein/Ausgängen, wobei jeder Ein/Ausgang auf eine der drei Span­ nungsebenen U1, U2, U3 eingeregelt ist.
Für die avisierte Anwendung kann der Mehrfachwandler W3 verein­ facht aufgebaut werden aus einem gewöhnlichen zweiten Gleich­ spannungswandler (DC/DC-Wandler) W2 und einem Leistungsschalter (MOSFET-Transistor) LS, wie dies in Fig. 1 innerhalb des strichpunktierten Kastens dargestellt ist. Mit dem Leistungs­ schalter LS kann der Leistungstrom zwischen einerseits dem er­ sten Energiespeicher B1 sowie dem zweiten Gleichspannungswand­ ler W2 und andererseits dem ersten Spannungsversorgungsnetz Z1 unterbrochen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der vergleichsweise kostengünstige er­ ste Wandler W1 so ausgelegt ist, daß er die Grundlast im ersten Spannungsversorgungszweig abdecken kann. Dann kann im Normalbe­ trieb der Mehrfachwandler W3 so eingestellt werden, daß von ihm kein Leistungsstrom in den ersten Spannungsversorgungszweig Z1 gespeist wird.
Der Mehrfachwandler W3 bzw. der Wandler W2 und der Leistungs­ schalter LS können in Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse im gesamten Bordnetz in folgende Betriebsweisen versetzt werden:
Im Ladebetrieb wird der Mehrfachwandler W3 so geregelt, daß der erste Energiespeicher B1 von dem zweiten Spannungsversorgungs­ zweig Z2 gespeist wird, wobei der mit dem Energiespeicher B1 verbundene dritte Ein/Ausgang auf eine Ladespannung U_L des Energiespeichers B1 geregelt wird. In der vereinfachten Ausfüh­ rung ist im Ladebetrieb der Leistungsschalter LS geöffnet und die Ausgangsspannung des zweiten Wandlers W2 so eingeregelt, daß zur Aufladung des Energiespeichers B1 der Wandler auf die Ladeschlußspannung U_L geregelt wird, das entspricht der erfor­ derlichen Spannung zum Erreichen einer 100% Volladung des Ener­ giespeichers B1. Aufgrund der Entkopplung des Energiespeichers B1 vom ersten Spannungsversorgungszweig Z1 kann dieser auch im Ladebetrieb des Energiespeichers 1 über den Wandler W1 mit ei­ ner eng tolerierten Entladespannung U_E gespeist werden.
In einem ersten Speisebetrieb kann bei Generatorstillstand, bei Spitzenlast im ersten Spannungsversorgungszweig Z1 oder einem Ausfall des ersten Gleichspannungswandlers W1 ein Lei­ stungsstrom von dem ansonsten im Normalbetrieb abgekoppelten Energiespeicher B1 in den ersten Spannungsversorgungszweig Z1 eingespeist werden. In der vereinfachten Ausführung des Wand­ lers W3 wird dazu der zweite Gleichspannungswandler W2 auf sperrend geschaltet und der Leistungsschalter LS geschlossen.
In einem zweiten Speisebetrieb kann zur weiteren Unterstützung der Versorgung im ersten Spannungsversorgungszweig Z1 zusätz­ lich ein Leistungsstrom von dem zweiten Spannungsversorgungs­ zweig in den ersten Spannungsversorgungszweig Z1 eingespeist werden. Dazu wird in der vereinfachten Ausführung des Wandlers W3 der Leistungsschalter LS geschlossen und der Wandler W2 so geregelt, daß sich ein Leistungsstrom vom zweiten Spannungsver­ sorgungszweig Z2 zu dem ersten Spannungsversorgungszweig Z1 ein­ stellt, wobei die Ausgangsspannung des Wandlers W2 auf die Ent­ ladespannung U_E abgeregelt wird.
Eventuell kann zur Bereitstellung der Startenergie auch eine Rückspeisung von U3 auf U2 vorgesehen sein. Dazu kann der Mehr­ fachwandler W3 im Rückspeisebetrieb so geregelt werden, daß zur Bereitstellung von Startenergie ein Leistungstrom von dem er­ sten Energiespeicher B1 in den zweiten Spannungsversorgungs­ zweig Z2 einspeisbar ist, um in dem zweiten Energiespeicher B2 einen startfähigen Ladezustand herzustellen.
In der vereinfachten Ausführung kann dazu der zweite DC/DC- Wandler W2 als bidirektionaler Wandler (Hoch-Tiefsetzsteller, Buck-Boost-Converter) ausgebildet sein. Alternativ bietet sich für W2 die Parallelschaltung eines unidirektionalen mit einem bidirektionalen Wandler an, welche in ihrer Leistung den typi­ schen erforderlichen Leistungsströmen angepaßt sind. Der bidi­ rektionale Wandler dient im Reverse-Betrieb zum Laden der Bat­ terie B2 des zweiten Spannungsversorgungszweige Z2 aus dem er­ sten Energiespeicher B1. Im Vorwärtsbetrieb kann der parallel­ geschaltete unidirektionale Wandler zusätzlich zur Abdeckung von Spitzenlasten im ersten Spannungsversorgungszweig Z1 heran­ gezogen werden.
Im Rahmen zukünftiger Bordnetzanwendungen kann es sinnvoll sein, auch den ersten Gleichspannungswandler W1 bidirektional auszulegen, um hier einen zusätzlichen Rückspeisestrompfad vom ersten Z1 auf den zweiten Spannungsversorgungszweig Z2 bereit­ zustellen.
Zur Steigerung der Spannungsqualität und der Versorgungssicher­ heit kann man, den ersten Gleichspannungswandler W1 in mehrere Wandler mit geringerer Leistung auflösen, die an verschiedenen Orten im Fahrzeug verteilt sind und in den ersten Spannungsver­ sorgungszweig Z1 einspeisen.
Sollte trotz aller Vorkehrungen ein Fremdstart erforderlich sein, erfolgt dieser in Form einer Aufladung mindestens einer der Energiespeicher B1, B2 des Fahrzeugs, bis die Start- und Betriebsfähigkeit aus eigener Kraft möglich ist, da in zukünf­ tigen Fahrzeugen einige sicherheitsrelevante Verbraucher auf funktionsfähige Energiespeicher angewiesen sein werden. Eine entsprechende Einspeisevorrichtung zur kontrollierten, strombe­ grenzten Einspeisung ist daher vorzusehen. Aus Kompatibilitäts­ gründen geschieht dies vorzugsweise auf der U1-Seite oder der U3-Seite z. B. an einem der Wandler W1, W2, W3 mittels eines normierten Steckers.
Die Bordnetzstruktur bietet verbunden mit einem geeigneten Bordnetzmanagement eine Erhöhung der Verfügbarkeit und Be­ triebssicherheit. Durch die Teilredundanz der Energiespeicher B1, B2 wird der Einsatz und die Entwicklung sicherheitskriti­ scher Systeme erleichtert. Insbesondere ergibt sich eine redun­ dante Absicherung sicherheitskritischer Steuerelektroniken, in­ dem diese aus beiden Spannungsversorgungszweigen Z1, Z2 ge­ speist werden können.
Grundvoraussetzung ist jedoch die Auslegung des Generators G auf die größte auftretende Dauerleistung im Bordnetz. Mit einem geeigneten Bordnetzmanagement kann die notwendige Spitzenlei­ stung begrenzt und eine Optimierung des Energiehaushalts er­ reicht werden. Das Bordnetzmanagement stellt dabei sicher, daß die Spannungen innerhalb spezifizierter Grenzen bleiben. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden gegen Überspannung bei Lastabwurf oder Fremdstart und gegen Verpolung. Insbesondere muß der Generator eine Schnellentregelung zur Vermeidung von Überspannungen bei Lastabwurf enthalten. Gegebenenfalls muß ei­ ne zentrale Absicherung gegen Überspannung eingebaut werden.
Die beiden Energiespeicher B1, B2 sind gemäß ihrer Funktionen optimierbar, insbesondere ist es vorteilhaft, den Energiespei­ cher B2 in Hinblick auf die Versorgung des Starters S lei­ stungsoptimiert, z. B. als Superkondensator und den Energeispei­ cher B1 als energieoptimierte Batterie auszubilden. Im zweiten Spannungsversorgungszweig Z2 wird die mittlere Leistung durch den Generator G bereitgestellt. Spitzenleistungen werden im Normallfall durch den Energiespeicher B2 abgedeckt.
Durch die getrennten Energiespeicher der beiden Spannungsebenen wird in Verbindung mit einer durch das Bordnetzmanagement ge­ schalteten geeigneten Betriebsweise die Startsicherheit erhöht. Zur Gewährleistung der Startsicherheit wird angestrebt den zweiten Energiespeicher B2 (36 V-Batterie) nicht mit Ruhestrom zu belasten. Dazu wird bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor im Normallfall der DC/DC-Wandler W1 von U2 nach U1 auf gesperrt geschaltet, was eine Entladung des Energiespeichers B2 zu La­ sten der Startenergie verhindert. Des weiteren kann vorgesehen sein, daß an U2 betriebene Verbraucher, die auch bei ausge­ schaltetem Verbrennungsmotor im Normalfall betreibbar sind, im Notfall über das Bordnetzmanagement abschaltbar sind.
Zur Überwachung des Ladezustandes der beiden Energiespeicher B1, B2 und/oder der Spannung in den beiden Spannungsversor­ gungszweigen Z1, Z2 ist eine Überwachungseinrichtung vorgese­ hen, welche in vorteilhafter Weise in dem Mehrfachwandler W3 integriert ist, da dieser mit der Klemmenspannung der beiden Energiespeicher B1, B2 verbunden ist. Die Überwachungseinrich­ tung kann in Abhängigkeit der detektierten Spannungs- und Lastverhältnisse den Mehrfachwandler W3 in die bereits darge­ stellten Betriebsweisen versetzen.
Zur Vermeidung einer zu häufigen Entladung des ersten Energie­ speichers B1 (12 V-Batterie) trotz laufendem Generator G kann eine Leistungsmanagementfunktion mit von ihr angesteuerten Leistungsverteiler im Fahrzeug integriert sein. Sie kann vom Mehrfachwandler W3 Information über den Ladezustand sowie die Strombilanz des ersten Energiespeichers B1 bekommen. Dazu kann in den Mehrfachwandler W3 neben einer Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einer Leistungsmanagementfunktion eine Strommeßeinrichtung integriert sein, wobei der Innenwiderstand des als MosFet-Schalter ausgebildeten Leistungsschalters LS als Meßwiderstand für die Ladebilanzierung herangezogen werden kann.
Für künftige Batterie-Technologien (z. B. Lithium-Ionen) ist ein spezielles Laderegime unter Vermeidung von Überladung und Tie­ fentladung der Batterie unbedingt erforderlich. Eine solche Einrichtung zur Batterieladung und Batterieüberwachung kann sinnvollerweise in den Mehrfachwandler W3 integriert werden.
In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Energieversorgungsschaltung mit dessen räumlicher Anordnung im Fahrzeug dargestellt. Funktionell entsprechende Komponente sind mit gleichen Positionszeichen bezeichnet wie in Fig. 1.
Im vorderen Teil des Fahrzeugs ist der unidirektionalen Wandler W1 angeordnet, der eventuell direkt in einem Generatorwechsel­ richter WR oder einen Leistungsverteiler LV integriert sein könnte. Der bidirektionale Wandler W2 befindet sich sinnvoller­ weise nahe der im hinteren Teil des Fahrzeugs angeordneten Ver­ sorgungsbatterie B1.
In den beiden dargestellten Leistungsverteiler LV wird die Lei­ stung in beiden Spannungsversorgungszweigen Z1, Z2 auf (in Fig. 2 nicht dargestellte) Verbraucher weiter verteilt. Die Lei­ stungsverteilung kann dabei durch ein übergeordnetes Leistungs­ management LM in Abhängigkeit des Energiehaushaltes steuerbar sein.
Der unidirektionale Wandler W1 speist ein relativ eng tolerier­ tes 12 V-Bordnetz (erster Spannungsversorgungszweig Z1), an dem die Niederspannungs- oder Niederlast-Verbraucher NV angeschlos­ sen sind. Seine Ausgangsspannung U1 wird auf einen Wert gere­ gelt, der der Entladespannung U_E der Batterie B1 entspricht. Er muß so dimensioniert sein, daß er die mittlere Leistung im 12 V-Zweig Z1 abdeckt.
Der bidirektionale Wandler W2 versorgt die im Normalbetrieb vom 12 V-Bordnetz Z1 abgetrennte Batterie B1 mit der optimalen La­ despannung U_L. Bei Bedarf wird die Verbindung zwischen dem 12 V-Bordnetz Z1 und der Batterie B1 durch den gesteuerten Halb­ leiterschalter LS (z. B. MosFet) hergestellt. Die Ansteuerungs­ vorrichtung für diesen Schalter LS, die sinnvollerweise in den bidirektionalen Wandler W2 integriert ist, detektiert die Span­ nung im 12 V-Zweig Z1 und stellt bei Überlastung die Verbindung mit dem Ausgang von Wandler W2 und der 12 V-Batterie B1 her. Gleichzeitig wird die Ausgangsspannung des Wandlers W2 redu­ ziert, er liefert nun ebenfalls Strom in den 12 V-Zweig Z1. Übersteigt der Leistungsbedarf die Summe der Leistungsabgabe der beiden Wandler W1, W2, so übernimmt die 12 V-Batterie B1 die Pufferung.
Um einen Fremdstart eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung zu ermöglichen, ist der Gleichspan­ nungswandler W2 bidirektional ausgelegt. Damit kann anstelle von Starthilfe Ladehilfe durch Anlegen einer 12 V-Spannung an den ersten Spannungsversorgungszweig Z1 gegeben werden. Versu­ che haben gezeigt, daß eine intakte, aber vom Ladezustand her startunfähige Batterie B1 nach Laden mit ca. 400 W Ladeleistung auch bei tiefen Temperaturen in vertretbarer Zeit in der Lage ist, den Motor zu starten, weshalb der Wandler W2 vorzugsweise auf 400 W auszulegen ist. Hilfreich ist, daß die eingespeiste Ladung zuerst in der Doppelschicht der Batterie B2 gespeichert wird und sich auf diesem Weg praktisch eine Leistungssteigerung der "leeren" Batterie ergibt, die normalerweise für einen Start des Motors ausreicht. Allerdings sollte die externe Ladehilfe sowieso nur in Ausnahmefällen notwendig sein, da die Startbat­ terie B2 auch durch Rückspeisung aus der Versorgungsbatterie B1 in einen startfähigen Zustand gebracht werden kann. Zur Ge­ wichtseinsparung durch Beschränkung auf die unbedingt notwendi­ ge Kapazität der 12 V-Versorgungsbatterie B1 sollte sicherge­ stellt sein, daß diese Batterie B1 grundsätzlich in einem Lade­ zustand von mehr als 80% gehalten und auch nicht durch Überla­ dung in Folge zu hoher Ladespannung geschädigt wird. Vorausset­ zung dafür ist eine temperaturgeführte Regelung der Spannung, die an der Batterie B1 anliegt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung ist, daß der Toleranzbereich der Versorgungsspannung U1 zur Vermeidung einer verkürzten Lebensdauer durch Überspannung z. B. von Glühlampen bzw. der optimalen Auslegung der Verbrau­ cher im ersten Spannungsversorgungszweig Z1 reduziert werden kann. Bei einem konventionellem Bordnetz muß beispielsweise ein Fensterhebermotor bereits bei 9 V genügend Leistung aufnehmen können, um auch ggf. schwergängige Scheiben zu bewegen; gleich­ zeitig darf er bei maximaler Ladespannung nicht überlastet wer­ den. Eine Reduzierung des erlaubten Spannungshubs würde daher sicher zu einer beträchtlichen Material- und Kosteneinsparung der angeschlossenen Verbraucher führen. Die in konventionellen Bordnetzspezifikationen angegebenen Spannungsgrenzen für den 14 V-Zweig beinhalten den vollen Spannungshub, der sich durch die notwendige Ladespannung sowie der Entladespannung der Bat­ terie B1 bei Puffervorgängen zur Abdeckung von Leistungsspitzen oder der Versorgung von Verbrauchern bei Motorstillstand er­ gibt. Die Erfüllung der Forderung nach einer noch enger tole­ rierten Spannung, ist daher nur durch die erfindungsgemäße Ab­ trennung der Batterie B1 erreichbar.
Für eine Versorgungsbatterie B1 in Blei-Säure-Technik könnte die Regelspannung von Wandler W1 z. B. 12,3 V betragen. Im Gene­ ratorbetrieb wäre damit ein eng tolerierter Spannungshub von ca. 11,8 V bis 12,8 V erreichbar. Ein ähnlicher Spannungsbereich ist auch mit einer dreizelligen Lithium-Batterie erreichbar, so daß die beschriebene Anordnung offen für die zukünftige Techno­ logieentwicklung ist. Als weiterer Vorteil ermöglicht die Ab­ trennung der Batterie B1 die Implementierung eines der jeweili­ gen Batterietechnologie optimal angepaßten Laderegimes.
Im Batteriebetrieb bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor muß das 12 V-Bordnetz Z1 aus der 12 V-Batterie B1 versorgt werden. Zur Vermeidung von Verlusten für die Öffnung des Halbleiterschal­ ters LS wird es sinnvoll sein, diesen durch den Ruhekontakt ei­ nes parallel geschalteten Relais R zu überbrücken.
Der bidirektionale Wandler W2 hat Zugriff auf die Klemmenspan­ nungen beider Batterien B1, B2. Es bietet sich daher an, in ihm Funktionen zur Ladezustandkontrolle anzuordnen. Über einen Da­ ten Bus (CAN-BUS) kann diese Information einem übergeordneten Leistungsmanagement LM zur Verfügung gestellt werden oder in­ tern zur Regelung eines Ladungsaustausches zwischen den beiden Batterien B1, B2 verwendet werden.

Claims (13)

1. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Spannungsversorgungszweigen auf unterschiedlichen Spannungsebenen,
  • 1. wobei der erste Spannungsversorgungszweig über einen elektri­ schen Gleichspannungswandler von dem zweiten Spannungsversor­ gungszweig und der zweite Spannungsversorgungszweig von einem Generator gespeist wird,
  • 2. wobei zumindest ein Spannungsversorgungszweig durch einen zu­ geordneten Energiespeicher gepuffert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrfachwandler (W3) mit drei Spannungsebenen (U1, U2, U3) vorhanden ist, dessen einer Ein/Ausgang mit dem zweiten Spannungsversorgungszweig (Z2), dessen anderer Ein/Ausgang mit dem ersten Spannungsversorgungszweig (Z1) und dessen dritter Ein/Ausgang mit einem dem ersten Spannungsversorgungszweig (Z1) zugeordneten Energiespeicher (B1) verbunden ist, wobei der Mehrfachwandler (W3) eine variable Aufteilung der Leistungsströme zwischen verschiedenen Ein/Ausgängen bedarfsweise ermöglicht.
2. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungswandler (W1) den ersten Spannungsversor­ gungszweig (Z1) permanent mit einer Spannung U_E speist, welche einer Entladespannung des ersten Energiespeichers (B1) ent­ spricht.
3. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) in einem Ladebetrieb so geregelt wird, daß der erste Energiespeicher (B1) von dem zweiten Span­ nungsversorgungszweig (Z2) gespeist wird, wobei der mit dem er­ sten Energiespeicher (B1) verbundene dritte Ein/Ausgang auf ei­ ne Ladespannung U_L des ersten Energiespeichers (B1) geregelt wird.
4. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) im Normalbetrieb so eingestellt ist, daß von ihm kein Leistungsstrom in den ersten Spannungs­ versorgungszweig (Z1) gespeist wird.
5. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) in einem ersten Speisebetrieb so geregelt wird, daß ein Leistungsstrom von dem ersten Energie­ speicher (B1) in den ersten Spannungsversorgungszweig (Z1) ein­ speisbar ist.
6. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) in einem zweiten Speisebetrieb so geregelt wird, daß zur Pufferung von Leistungsspitzen zusätz­ lich zu einem Leistungsstrom von dem ersten Energiespeicher (B1) ein Leistungsstrom von dem zweiten Spannungsversorgungs­ zweig (Z2) in den ersten Spannungsversorgungszweig (Z1) ein­ speisbar ist.
7. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) im Rückspeisebetrieb so geregelt wird, daß zur Bereitstellung von Startenergie ein Leistungstrom von dem ersten Energiespeicher (B1) in den zweiten Spannungs­ versorgungszweig (Z2) einspeisbar ist, um in dem zweiten Ener­ giespeicher (B2) einen startfähigen Ladezustand herzustellen.
8. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Ladezustandes der beiden Energiespei­ cher (B1, B2) und/oder zur Überwachung der Spannung an den bei­ den Spannungsversorgungszweigen (Z1, Z2) eine Überwachungsein­ richtung vorgesehen ist, welche in dem Mehrfachwandler (W3) in­ tegriert ist.
9. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Mehrfachwandler (W3) eine Strommeßeinrichtung zur Ladebilanzierung für den ersten Energiespeicher (B1) integriert ist.
10. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand des als MosFet-Schalter ausgebildeten Leistungsschalters (LS) als Meßwiderstand für die Ladebilanzie­ rung herangezogen wird.
11. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mehrfachwandler (W3) eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einer Leistungsmanagementeinrichtung für das Bordnetz vorgesehen ist.
12. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mehrfachwandler (W3) eine Einrichtung zur Batterie­ ladung und Batterieüberwachung für den ersten Energiespeicher (B1) integriert ist.
13. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachwandler (W3) gebildet wird durch einen Gleich­ spannungswandler (W2) und einen Leistungsschalter (LS), wobei
  • 1. mit dem Gleichspannungswandler (W2) ein Leistungsstrom von dem zweiten Spannungsversorgungszweig (Z2) zu dem ersten Ener­ giespeicher (B1) regelbar ist und
  • 2. mit dem Leistungsschalter (LS) der erste Spannungsversor­ gungszweig (Z1) von dem Energiespeicher (B1) und dem Gleich­ spannungswandler (W2) abtrennbar ist.
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