WO2017202537A1 - Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei energiespeichern, verfahren zum betreiben eines kraftfahrzeugbordnetzes und mittel zu dessen implementierung - Google Patents

Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei energiespeichern, verfahren zum betreiben eines kraftfahrzeugbordnetzes und mittel zu dessen implementierung Download PDF

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switching element
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energy store
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Wolfgang Mueller
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Definitions

  • Motor vehicle electrical system with at least two energy stores, method for operating a motor vehicle electrical system and means for its implementation
  • the present invention relates to a motor vehicle electrical system with at least two energy stores, a method for operating such a motor vehicle electrical system and means for implementing the method.
  • recuperation The recovery of braking energy in motor vehicles by recuperation is known.
  • mechanical energy is converted by an electric machine into electrical energy and stored in a battery or other energy storage during braking. If the braking power requested by the driver is less than or equal to the efficiency of the recuperation system, the braking is typically carried out exclusively by means of this. If the requested braking power is higher, a conventional braking system is additionally used.
  • the potential fuel savings through recuperation is therefore not only dependent on the driving cycle and driver behavior, but also on the performance of the recuperation system. The latter is limited by the maximum regenerative power of the electric machine and the maximum electrical capacity of the energy store or stores in the motor vehicle electrical system.
  • the sailing operation is known.
  • the internal combustion engine is decoupled from the rest of the drive train during a so-called sailing phase.
  • the engine drag does not affect the rest of the drive train and the coasting phase of the vehicle is significantly extended.
  • the electrical consumers are supplied during the sailing phase only from the or the energy storage. Sailing and recuperation are not mutually exclusive.
  • the sailing operation can be initiated when the driver operates neither gas nor brake.
  • the recuperation can be done when the driver operates the brake.
  • a motor vehicle electrical system which has an electrical machine, a first energy store and a second energy store.
  • a more efficient recuperation can be achieved by increasing the voltage at the electric machine. This results in an increase of the regenerative power, which is available as braking power.
  • Due to the variable interconnection of the energy storage results at the same time an increase in the absorption capacity of the motor vehicle electrical system. This makes it possible to feed in with higher generator power and thus an overall increase in fuel-saving during recuperation.
  • the energy storage are also redundant for the sailing operation available, which increases the reliability of the vehicle electrical system in total.
  • the object of the present invention is to further improve a corresponding motor vehicle electrical system.
  • the present invention proposes a motor vehicle electrical system with at least two energy stores, a method for operating such a motor vehicle electrical system, and means for implementing the method having the features of the independent patent claims.
  • Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and the following description. Advantages of the invention
  • a further disadvantage of the arrangement described in DE 10 2013 204 894 A1 consists in the fact that the energy store designated there by Bi is typically charged more strongly in a corresponding series connection, eg during recuperation, than the energy store designated there by B2 , When the electric machine is operated by a motor, the energy store B2 is discharged more strongly than the energy store Bi.
  • the reason for this behavior is that a part of the current to supply to be used there with R 1 to R n identified consumer and thereby the energy storage B2 is less charged or discharged more.
  • a third disadvantage according to DE 10 2013 204 894 A1 results in the parallel connection of the energy store according to the local FIG.
  • Bi and B2 equalizing currents flow between them.
  • These equalizing currents cause considerable electrical losses, possibly overloading the energy storage devices and may also cause unwanted transient voltage spikes in the vehicle electrical system.
  • the disadvantages just described of the vehicle electrical system described in DE 10 2013 204 894 A1 are remedied in the context of the present invention with the aid of a DC voltage or DC / DC converter.
  • This is according to the invention permanently integrated between the positive terminals of the two energy storage or temporarily einbindbar, as shown in the accompanying figures 2 to 7.
  • One advantage of the solutions shown in these figures is that the energy store B1 can have a smaller charge or discharge acceptance than the energy store B2.
  • the DC-DC converter passes part of the current past the energy store B1 and to the energy store B2.
  • the currents of the electric machine therefore do not have to be adapted to the lower current carrying capacity of the energy store B1.
  • the energy storage device B1 can therefore be realized by a low-cost battery technology and / or a battery with a small capacity, for example by a standard 12V lead-acid battery with low capacity.
  • the state of charge of one of the energy stores for example the energy store Bi according to the appended FIGS. 2 to 7, is higher than the state of charge of the energy store B2, the state of charge can be compensated with the aid of the DC-DC converter within the scope of the present invention.
  • energy is transported from energy storage B1 to energy storage B2.
  • An adaptation of the charge state by means of a changed switch position as shown in Figure 4 or 5 of DE 10 2013 204 894 A1 is no longer necessary. This results in an increase in the degrees of freedom of the operating strategy.
  • the state of charge of the energy store B2 according to attached FIGS. 2 to 7 is higher than the state of charge of the energy store B1, the state of charge can be compensated with the aid of the DC-DC converter in the context of the present invention.
  • the already mentioned advantages over DE 10 2013 204 894 A1 apply correspondingly.
  • the states of charge of the energy stores can be adjusted with the aid of the DC-DC converter so that no or only minimal transient equalizing currents occur between the energy stores, in contrast to a direct galvanic parallel connection of the energy store according to FIG. 6 of DE 10 2013 204 894 A1.
  • Such a direct galvanic coupling of the batteries is advantageous, for example, during a cold start after a long parking time.
  • the cyclicization that is to say the energy or charge throughput of the less powerful energy store, is reduced by the DC-DC converter used in the context of the present invention. In this way, the requirements for the lower-power energy storage in the context of the present invention are further reduced.
  • the present invention proposes a motor vehicle electrical system which has an electric machine which can be operated by a motor and a generator and which is connected to a converter with a positive and a nem negative DC voltage connection is connected.
  • the motor vehicle electrical system also has a first energy store with a positive and a negative voltage connection, a second energy store with a positive and a negative voltage connection, and a DC voltage converter with a first and a second connection.
  • Switch means are provided which are adapted to a first switching state, in which the first energy storage and the second energy storage are connected in parallel to the DC voltage terminals of the power converter, and a second switching state, in which the first energy storage and the second energy storage in series connection to the DC voltage connections of the power converter are connected, wherein the DC-DC converter in the first and the second switching state between the positive voltage terminal of the first energy storage and the positive voltage terminal of the second energy storage permanently integrated or temporarily einbindbar.
  • the present invention can be used, in particular, in motor vehicle on-board networks, in which an electric machine which can be operated both as a motor and as a generator can be used. This can be designed, for example, as a claw-pole machine. The electric machine is then over as
  • the active converter In a motorized operation of the electric machine, the active converter is operated as a (pulse) inverter, in a generator mode as a rectifier.
  • a corresponding active power converter is typically designed as a bridge rectifier with a number of half bridges corresponding to the number of phases of the electrical machine.
  • the present invention can also be used in on-board networks, in which the electric machine can only be operated as a generator and can therefore be used for recuperation. In this case, a separate starter is provided and the power converter can be designed as a passive rectifier.
  • a power converter has a positive and a negative DC voltage connection
  • this may be understood as the DC voltage connections connected to the electrical system.
  • the negative DC voltage connection has a lower voltage potential than the positive DC voltage connection. He can also be grounded.
  • the energy stores are connected in series connection or parallel to the DC voltage connections of the power converter, this does not preclude the interposition of further elements. As illustrated, for example, with reference to the attached FIG. 7 and already mentioned above, in the context of the present invention, for example, the energy stores are not directly connected in parallel in parallel but connected to one another via the DC-DC converter.
  • the vehicle electrical system is advantageously set up for operation in a first and in a second operating mode, wherein the electric machine is operated in the first and the second operating mode by motor or generator, wherein in the first operating mode by adjusting the first
  • a second, higher voltage is provided.
  • a second, higher voltage is provided.
  • the parallel connection of the energy storage advantages can be achieved.
  • the recuperation power can be increased.
  • the switching means which are provided in the motor vehicle electrical system according to the invention, may comprise a different number of switching elements and a control unit that drives these switching elements. Details are explained with reference to the attached figures.
  • An arithmetic unit e.g. a control device for a vehicle electrical system, as means for implementing the method according to the invention, in particular programmatically, adapted to carry out a method according to the invention.
  • control device is equipped with a suitable data carrier for storing a corresponding computer program, for example a hard disk and / or a flash memory.
  • Figure 1 illustrates a plot of maximum output power of a 14V claw pole generator over a generator speed for output voltages of 14V and 28V.
  • Figure 2 shows a motor vehicle electrical system according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation.
  • Figure 3 shows a motor vehicle electrical system according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation.
  • FIG. 4 illustrates power flows in a motor vehicle electrical system according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a motor vehicle electrical system according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation.
  • Figure 6 shows a motor vehicle electrical system according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation.
  • FIG. 7 illustrates a parallel connection of energy stores in one
  • the electric machine feeds a 14V vehicle electrical system, this can deliver electrical power from a speed n 0 i.
  • the same electric machine can only supply electric power when it is fed into a 28V vehicle electrical system at a speed of n 0 2 and above.
  • the invention also relates, in embodiments, to the motorized operation of a corresponding electric machine which is connected to a motor vehicle electrical system via an active power converter which is then operated as an inverter.
  • the electrical machine can be supplied with different voltages depending on the operating state of the corresponding vehicle. Even with motor operation of the electric machine results in a supply voltage of 28V, a higher maximum output power than with a supply of only 14V.
  • a motor vehicle electrical system in the form of a schematic diagram is shown schematically simplified, and generally designated 100.
  • This has a first energy storage B1 and a second energy storage B2, which may be formed as explained above, on.
  • the energy storage devices B1 and B2 can be variably connected in the motor vehicle electrical system 100 of FIG. 2 by means of the switching elements S1, S2, S3 and S.
  • the switching elements S1 to S may be formed, for example, by MOS field-effect transistors or other electronic components. These each have a first and a second voltage connection, by means of which they are integrated into the electrical system. In a MOS field effect transistor, these voltage terminals correspond to the drain and source terminals.
  • a control device 20 is provided for controlling the switching elements S1, S2, S3 and S. Electrical consumers with an operating voltage of 14V, for example, are collectively illustrated in the form of resistors R1 to R n.
  • an electric machine EM is provided, which is connected to a power converter 10.
  • the latter can, as already mentioned, depending on the operating strategy and design of the electrical machine be designed as a passive or active power converter.
  • the electric machine EM can be set up for a purely regenerative but also for a motor and a generator operation.
  • the power converter 10 is operated as a rectifier
  • the power converter 10 is operated as a DC or inverter. It has a positive DC voltage connection B + and a negative DC voltage connection B-, whereby the DC voltage connection B- can be at ground or the same reference potential as the electric machine EM. This is illustrated in FIG. 2 and the following figures.
  • S is a starter, such as a pinion starter, referred to, which is provided separately when the electric machine EM is operable only as a generator or when the internal combustion engine, for example, during cold start, not to be started with the electric machine.
  • a DC-DC converter denoted by DC / DC, is integrated into the motor vehicle electrical system 100.
  • the positive DC voltage connection B + of the power converter 10 the positive voltage connection of the first energy storage Bi, the first voltage terminal of the first switching element Si and the first voltage terminal of the DC-DC converter DC / DC each permanently connected to each other conductive.
  • a connection does not take place via a switching element, but via cables and corresponding permanent cable connections, such as solder joints, terminals or connectors in a normal operation of Motor vehicle electrical system not interrupted or their elements are not separated or isolated.
  • a temporary integration is realized by switching elements.
  • the implemented DC-DC converter DC / DC leads to the described advantages of the invention. With its help, the charge can be discharged by the charge-discharging current flowing through the first energy store Bi which can be embodied as a low-cost battery in accordance with the lower efficiency of this energy store
  • FIG. 3 a motor vehicle electrical system according to a further embodiment of the present invention in the form of a schematic simplified schematic represented and indicated generally at 200.
  • the essential difference to the motor vehicle electrical system 100 according to FIG. 2 is the different connection of the illustrated elements.
  • the positive DC voltage connection B + of the converter 10 the positive voltage connection of the first energy store Bi, the first voltage connection of the first switching element Si and the first voltage connection of the DC-DC converter DC / DC, furthermore the negative voltage connection of the first Energy storage Bi, the first voltage terminal of the third switching element S3 and the first voltage terminal of the fourth switching element S, further the second voltage terminal of the first switching element S1 and the second voltage terminal of the second switching element S2, also the second voltage terminal of the third switching element S3, the first voltage terminal of the second Switching element S2, the second voltage terminal of the DC-DC converter DC / DC and the positive voltage terminal of the second energy storage B2, and finally the negative DC voltage terminal B- of the power converter 10, the negative S voltage terminal of the second energy storage B2 and the second voltage terminal of the fourth switching element S permanently conductively connected to each other.
  • FIG. 4 shows the currents during recuperation and motor operation of the electric machine EM when the energy stores Bi and B2 are connected in series.
  • recuperation IEM> 0
  • part of the recuperation current IEM of the electric machine EM is fed directly from a network node 102 to a network node 101 with the aid of the DC-DC converter DC / DC.
  • IDCDC k * IEM, with 0 ⁇ k ⁇ 1
  • the energy store Bi can therefore have a lower charge acceptance and / or capacity than the energy store B2.
  • a motor vehicle electrical system in accordance with a further embodiment of the present invention in the form of a circuit diagram is shown schematically in simplified form and indicated as a whole by 300. The essential difference to the vehicle electrical system 100 according to Figure 2 and the vehicle electrical system
  • FIG. 200 consists in the reduced number of switching elements.
  • a first switching element with S2 a first switching element with S2
  • a second switching element with S3 a third switching element with S 4 are designated in FIG.
  • the positive DC voltage connection B + of the converter 10 the positive voltage connection of the first energy store Bi and the first voltage connection of the DC-DC converter DC / DC, furthermore the negative voltage connection of the first energy store Bi, are the first voltage connection of the first switching element
  • FIG. 6 a motor vehicle electrical system according to a further embodiment of the present invention in the form of a circuit diagram is shown schematically in simplified form and designated as a whole by 400. Similar to the motor vehicle electrical system 300 according to FIG. 5, the number of switching elements is reduced here.
  • a first switching element is also denoted here by S2, a second switching element by S3 and a third switching element by S.
  • the positive DC voltage connection B + of the converter 10 the positive voltage connection of the first energy store B1 and the first voltage connection of the DC-DC converter DC / DC, furthermore the negative voltage connection of the first energy store B1 are the first voltage connection of the second switching element S3 and the first voltage terminal of the third switching element S, further the second voltage terminal of the second switching element S3, the first voltage terminal of the first switching element S2 and the positive voltage terminal of the first energy storage B2, also the second voltage terminal of the first switching element S2 and the second voltage terminal of the DC-DC converter DC / DC, and finally the negative DC voltage connection B- of the power converter 10, the negative voltage terminal of the second energy storage B2 and the second voltage terminal of the third switching element S dau respectively electrically connected.
  • the parallel coupling of the energy storage takes place, as illustrated in FIG. 7, by means of a DC-DC converter DC / DC.
  • a DC-DC converter DC / DC Another advantage of such a parallel coupling results when different battery technologies are used, for example, a standard lead-acid battery for the energy storage Bi and a powerful Li-ion battery for the energy storage B2.
  • a parallel galvanic coupling of batteries with different technologies depending on the difference in the battery voltages, high, undesired balancing currents between the batteries and, if applicable, voltage peaks in the vehicle electrical system may result.
  • a coupling using the DC / DC converter DC / DC prevents this, since the compensation current between the batteries can be specified by the DC / DC converter DC / DC.
  • the voltage ranges are freely selectable and not limited to 28 / 14V.
  • the energy stores Bi and B2 can optionally be implemented in different battery technologies.
  • the electric machine can be designed as a generator or as an electric machine with both regenerative and motor operation. The machine type is freely selectable.
  • the starter S can optionally be omitted, then the starter of the burner is carried out only with the help of the electric machine.
  • the energy stores Bi and B2 may also have significantly different voltages, e.g. Energy storage Bi 24V and energy storage B2 12V.
  • energy storage in addition to batteries, other electrical storage, such as double-layer capacitors, are used.
  • the switching elements S1 to S may optionally be powered by power electronics or by other electrical switching means, e.g. Relays, be realized.
  • the DC / DC converter DC / DC can be designed both unidirectionally and bidirectionally.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz (100, 200, 300, 400), das eine elektrische Maschine (EM), die an einen aktiven Stromrichter (10) mit einem positiven und einem negativen Gleichspannungsanschluss (Β+, B-) angebunden ist, einen ersten Energiespeicher (B1) mit einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss, einen zweiten Energiespeicher (B2) mit einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss sowie einen Gleichspannungswandler (DC/DC) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei ferner Schaltmittel (S1 - S4, 20) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, einen ersten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher (B1) und der zweiten Energiespeicher (B2) in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) des Stromrichters (10) angebunden sind, und einen zweiten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher (B1) und der zweite Energiespeicher (B2) in Reihenschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (Β+, B-) des Stromrichters angebunden sind, einzustellen, wobei der Gleichspannungswandler (DC/DC) in dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zwischen dem positiven Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers und dem positiven Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers dauerhaft eingebunden oder temporär einbindbar ist. Mittel zur Implementierung des Verfahrens sind ebenfalls Gegenstände der vorliegenden Erfindungen.

Description

Beschreibung Titel
Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes und Mittel zu dessen Implementierung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugbordnetzes sowie Mittel zur Implementierung des Verfahrens.
Stand der Technik
Die Rückgewinnung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen durch Rekuperation ist bekannt. In Rekuperationssystemen wird während einer Bremsung mechanische Energie durch eine elektrische Maschine in elektrische Energie umgewandelt und in einer Batterie oder einem anderen Energiespeicher gespeichert. Ist die durch den Fahrer angeforderte Bremsleistung kleiner oder gleich der Leistungsfähigkeit des Rekuperationssystems, erfolgt die Bremsung typischerweise ausschließlich mittels diesem. Ist die angeforderte Bremsleistung höher, wird zusätzlich ein konventionelles Bremssystem eingesetzt. Die mögliche Kraftstoffeinsparung durch die Rekuperation ist daher nicht nur vom Fahrzyklus und dem Fahrerverhalten, sondern auch von der Leistungsfähigkeit des Rekuperationssystems abhängig. Letztere wird von der maximalen generatorischen Leistung der elektrischen Maschine und der maximalen elektrischen Aufnahmefähigkeit des oder der Energiespeicher im Kraftfahrzeugbordnetz begrenzt.
Ferner ist als kraftstoffsparende Maßnahme der Segelbetrieb bekannt. Hierbei wird der Verbrennungsmotor während einer sogenannten Segelphase vom restlichen Antriebsstrang abgekoppelt. Hierdurch wirkt das Motorschleppmoment nicht mehr auf den restlichen Antriebstrang und die Ausrollphase des Fahrzeugs wird wesentlich verlängert. Bei Fahrzeugen mit konventionellem Antriebsstrang werden die elektrischen Verbraucher während der Segelphase ausschließlich aus dem oder den Energiespeichern versorgt. Segeln und Rekuperation schließen einander nicht aus. Beispielsweise kann der Segelbetrieb eingeleitet werden, wenn der Fahrer weder Gas noch Bremse betätigt. Die Rekuperation kann dann erfolgen, wenn der Fahrer die Bremse betätigt.
Aus der DE 10 2013 204 894 A1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz bekannt, das eine elektrische Maschine, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energie- Speicher aufweist. Es sind Mittel vorgesehen, mittels derer wahlweise nur einer der Energiespeicher, beide Energiespeicher in Parallelschaltung oder der beide Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden werden können. In einem derartigen Kraftfahrzeugbordnetz kann eine leistungsfähigere Rekuperation durch eine Erhöhung der Spannung an der elektrischen Maschine erzielt werden. Durch diese ergibt sich eine Erhöhung der generatorischen Leistung, die als Bremsleistung zur Verfügung steht. Durch die variable Verschaltung der Energiespeicher ergibt sich zugleich eine Erhöhung der Aufnahmekapazität des Kraftfahrzeugbordnetzes. Diese ermöglicht die Einspeisung bei höherer Generatorleistung und damit insgesamt eine Erhöhung der Kraft- Stoffeinsparung bei der Rekuperation. Die Energiespeicher stehen ferner redundant für den Segelbetrieb zur Verfügung, wodurch sich die Ausfallsicherheit des Kraftfahrzeugbordnetzes insgesamt erhöht.
Die vorliegende Erfindung stellt vor diesem Hintergrund die Aufgabe, ein ent- sprechendes Kraftfahrzeugbordnetz weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugbordnetzes sowie Mittel zur Implementierung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile der Erfindung
Werden in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wie es in der DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist, zwei Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine bzw. deren Stromrichter angebunden, kann die durch die elektrische Maschine in das Kraftfahrzeugbordnetz einspeisbare Versorgungsspannung erhöht werden. Werden beispielsweise zwei 12V-Energiespeicher eingesetzt, kann bei einer Reihenschaltung dieser eine Versorgungsspannung von 28V in das Kraft- fahrzeugbordnetz eingespeist werden. Im Gegensatz dazu ist die einspeisbare
Versorgungsspannung bei Parallelschaltung entsprechender Energiespeicher, ähnlich wie in herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetzen, auf 14V begrenzt.
Durch die höhere Ausgangsleistung der elektrischen Maschine, beispielsweise einer Klauenpolmaschine bekannter Art, bei einer entsprechenden Verschaltung ergibt sich auch eine verbesserte Rekuperation von Bremsenergie. Voraussetzung ist jedoch, dass die Energiespeicher die Rekuperationsleistung aufnehmen können. Dies kann durch Wahl geeigneter Hochleistungsbatterien sichergestellt werden. Diese müssen sowohl eine ausreichende Ladeakzeptanz als auch eine ausreichende Kapazität aufweisen. Unter der Ladeakzeptanz wird dabei die Fähigkeit eines Energiespeichers, Strom aufzunehmen, unter der Kapazität das Speichervermögen in Ah bzw. Wh verstanden.
Entsprechende Hochleistungsbatterien sind jedoch kostenintensiv und benötigen hinsichtlich der Umgebungstemperatur einen bevorzugten Einbauort. Besitzen diese aus Kosten- und/oder Bauraumgründen nicht dieselbe Ladeakzeptanz oder Kapazität, so begrenzt der Energiespeicher mit der niedrigeren Ladeakzeptanz bzw. der niedrigeren Kapazität die Energiespeicherung während der Rekuperation in der beschriebenen Reihenschaltung. Dies stellt einen Nachteil der in der DE 10 2013 204 894 A1 beschriebenen Anordnung dar, da zur Erzielung einer hohen Rekuperationsleistung hier beide Energiespeicher als gleich ausgelegte Hochleistungsbatterien ausgeführt werden müssen. Kann die elektrische Maschine eines entsprechenden Bordnetzes sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden, so sind zur Erzielung eines leistungsfähigen motorischen Betriebs entsprechend DE 10 2013 204 894 A1 ebenfalls zwei Hochleistungsbatterien erforderlich. Auch hierzu werden diese in Rei- henschaltung miteinander verbunden.
Ein weiterer Nachteil der Anordnung, die in der DE 10 2013 204 894 A1 beschrieben ist besteht darin, dass der dort mit Bi bezeichnete Energiespeicher bei einer entsprechenden Reihenschaltung, z.B. während der Rekuperation, typi- scherweise stärker aufgeladen wird als der dort mit B2 bezeichnete Energiespeicher. Bei motorischem Betrieb der elektrischen Maschine wird der Energiespeicher B2 stärker entladen als der Energiespeicher Bi . Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass ein Teil des Stromes zur Versorgung der dort mit R1 bis Rn bezeichneten Verbraucher verwendet wird und dadurch der Energiespeicher B2 weniger aufgeladen bzw. stärker entladen wird.
Aus diesem Grund müssen der typischerweise erhöhte Ladezustand des Energiespeichers Bi bzw. der typischerweise niedrigere Ladezustand des Energiespeichers B2 aneinander angeglichen werden, da eine Überladung des Energie- Speichers Bi und eine weitgehende Entladung des Energiespeichers B2 vermieden werden muss. Ein voll aufgeladener Energiespeicher Bi kann keine Rekupe- rationsenergie mehr aufnehmen. Bei einem zu stark entladenen Energiespeicher B2 kann kein motorischer Betrieb mehr erfolgen. Dies kann beispielsweise durch die in Figur 4 und Figur 5 der DE 10 2013 204 894 A1 dargestellten Schaltzu- stände verhindert werden. Dies hat aber zusätzliche Schaltzyklen der Schalter zur Änderung des Betriebsmodus zur Folge und schränkt daher den Freiheitsgrad der Betriebsstrategie ein. Beispielsweise kann während der Angleichung des Ladezustands nach Figur 4 oder Figur 5 der DE 10 2013 204 894 A1 keine Rekuperation mit serieller Verschaltung der Energiespeicher erfolgen.
Ein dritter Nachteil entsprechend DE 10 2013 204 894 A1 ergibt sich bei der Parallelschaltung der Energiespeicher gemäß der dortigen Figur6. Abhängig von den unterschiedlichen Ladezuständen der Energiespeicher, Alterungszuständen und Temperaturen können auch bei identisch ausgelegten Energiespeichern Bi und B2 Ausgleichsströme zwischen diesen fließen. Diese Ausgleichsströme verursachen beträchtliche elektrische Verluste, überlasten gegebenenfalls die Energiespeicher und können außerdem unerwünschte transiente Spannungsspitzen im Kraftfahrzeugbordnetz verursachen.
Die soeben beschriebenen Nachteile des in der DE 10 2013 204 894 A1 beschriebenen Bordnetzes werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Gleichspannungs- bzw. DC/DC-Wandlers behoben. Dieser ist erfindungsgemäß zwischen die positiven Anschlüsse der beiden Energiespeicher dauerhaft eingebunden oder temporär einbindbar, wie auch in den beigefügten Figuren 2 bis 7 dargestellt. Ein Vorteil der in diesen Figuren dargestellten Lösungen ist, dass der Energiespeicher B1 eine kleinere Lade- bzw. Entladeakzeptanz als der Energiespeicher B2 besitzen kann. Der Gleichspannungswandler leitet einen Teil des Stroms am Energiespeicher B1 vorbei und dem Energiespeicher B2 zu. Die Ströme der elektrischen Maschine müssen daher nicht der geringeren Stromtragfähigkeit des Energiespeichers B1 angepasst werden. Der Energiespeicher B1 kann daher durch eine kostengünstige Batterietechnologie und/oder eine Batterie mit kleiner Kapazität realisiert werden, beispielsweise durch eine 12V-Standard- Bleibatterie mit geringer Kapazität.
Auch bei hoher generatorischer oder motorischer Ausgangsleistung der elektrischen Maschine muss also im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise nur einer der Energiespeicher, beispielsweise im Bordnetz der beigefügten Figuren 2 bis 7 der Energiespeicher B2, auf eine hohe Lade- bzw. Entladeleistung ausgelegt werden. Dies ergibt eine Kostenersparnis.
Ist der Ladezustand eines der Energiespeicher, beispielsweise des Energiespeichers Bi gemäß der beigefügten Figuren 2 bis 7, höher als der Ladezustand des Energiespeichers B2, so kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Aus- gleich des Ladezustands mit Hilfe des Gleichspannungswandlers erfolgen. Es erfolgt also ein Energietransport von Energiespeicher B1 zu Energiespeicher B2. Eine Anpassung des Ladezustands mit Hilfe einer geänderten Schalterstellung wie gemäß Figur 4 oder 5 der DE 10 2013 204 894 A1 ist nicht mehr erforderlich. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Freiheitsgrade der Betriebsstrategie. Ist der Ladezustand des Energiespeichers B2 gemäß beigefügten Figuren 2 bis 7 höher als der Ladezustand des Energiespeichers B1 , so kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Ausgleich des Ladezustands mit Hilfe des Gleichspannungswandlers erfolgen. Es erfolgt also ein Energietransport von Energiespeicher B2 zu Energiespeicher Bi . Die bereits erwähnten Vorteile gegenüber der DE 10 2013 204 894 A1 gelten dabei entsprechend.
Die Ladezustände der Energiespeicher können im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe des Gleichspannungswandlers so eingestellt werden, dass im Gegensatz zu einer direkten galvanischen Parallelschaltung der Energiespeicher gemäß Figur 6 der DE 10 2013 204 894 A1 keine oder nur minimale transiente Ausgleichsströme zwischen den Energiespeichern entstehen. Eine derartige direkte galvanische Kopplung der Batterien ist beispielsweise bei einem Kaltstart nach langer Parkzeit vorteilhaft.
Werden für die Energiespeicher B1 und B2 der beigefügten Figuren 2 bis 7 unterschiedliche Technologien mit unterschiedlicher Ausgangsspannung im Bereich von z.B. 12 bis 15,5V benutzt, so ergäben sich bei der parallelen galvanischen Kopplung gemäß Figur 6 der DE 10 2013 204 894 A1 ggf. hohe Ausgleichsströme. Diese können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verhindert werden, indem die Energiespeicher mit Hilfe des Gleichspannungswandlers parallel gekoppelt werden, wie in der beigefügten Figur 7 veranschaulicht. Eine direkte galvanische Kopplung findet dann nicht mehr statt.
Durch den im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Gleichspannungswandler wird ferner die Zyklisierung, also der Energie- bzw. Ladungsdurchsatz des leistungsschwächeren Energiespeichers geringer. Damit reduzieren sich die Anforderungen an den leistungsschwächeren Energiespeicher im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch weiter.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Erzielung der erläuterten Vorteile ein Kraftfahrzeugbordnetz vor, das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine aufweist, die an einen Stromrichter mit einem positiven und ei- nem negativen Gleichspannungsanschluss angebunden ist. Das Kraftfahrzeugbordnetz weist ferner einen ersten Energiespeicher mit einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss, einen zweiten Energiespeicher mit einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss und einen Gleichspan- nungswandler mit einem ersten und einem zweiten Anschluss auf. Ferner sind
Schaltmittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, einen ersten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher und der zweiten Energiespeicher in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse des Stromrichters angebunden sind, und einen zweiten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Reihenschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse des Stromrichters angebunden sind, einzustellen, wobei der Gleichspannungswandler in dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zwischen dem positiven Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers und dem positiven Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers dauerhaft eingebunden oder temporär einbindbar ist.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere in Kraftfahrzeugbordnetzen zum Einsatz kommen, in der eine sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbare elektrische Maschine eingesetzt wird. Diese kann beispielsweise als Klauen- polmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine ist dann über einen als
Gleich- und Wechselrichter betreibbaren aktiven Stromrichter an das Kraftfahrzeugbordnetz angebunden. In einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird der aktive Stromrichter als (Puls-)Wechselrichter, in einem generatorischen Betrieb als Gleichrichter betrieben. Ein entsprechender aktiver Stromrich- ter ist typischerweise als Brückengleichrichter mit einer der Phasenzahl der elektrischen Maschine entsprechenden Anzahl an Halbbrücken ausgebildet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in Bordnetzen zum Einsatz kommen, in denen die elektrische Maschine lediglich generatorisch betreibbar und damit zur Rekuperation nutzbar ist. In diesem Fall ist ein separater Starter vorgesehen und der Stromrichter kann als passiver Gleichrichter ausgebildet sein.
Ist nachfolgend davon die Rede, dass ein Stromrichter einen positiven und einen negativen Gleichspannungsanschluss aufweist, seien hierunter die an das Bordnetz angeschlossenen Gleichspannungsanschüsse verstanden. Der negative Gleichspannungsanschluss weist ein geringeres Spannungspotential auf als der positive Gleichspannungsanschluss. Er kann auch auf Masse liegen.
Ist hier davon die Rede, dass die Energiespeicher in Reihenschaltung oder paral- lel an die Gleichspannungsanschlüsse des Stromrichters angebunden sind, schließt dies die Zwischenschaltung weiterer Elemente nicht aus. Wie beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur 7 veranschaulicht und bereits zuvor erwähnt, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Energiespeicher beispielsweise nicht direkt galvanisch parallel geschaltet sondern über den Gleichspannungswandler miteinander verbunden.
Das Kraftfahrzeugbordnetz ist vorteilhafterweise für einen Betrieb in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus eingerichtet, wobei die elektrische Maschine in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus motorisch oder generatorisch betrieben wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus durch Einstellen des ersten
Schaltzustands eine erste, geringere Spannung und in dem zweiten Betriebsmodus durch Einstellen des zweiten Schaltzustands eine zweite, höhere Spannung bereitgestellt wird. Wie erwähnt, können beispielsweise in einem Kaltstart durch die Parallelschaltung der Energiespeicher Vorteile erzielt werden. Durch die Rei- henschaltung kann die Rekuperationsleistung erhöht werden.
Die Schaltmittel, die in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetz vorgesehen sind, können eine unterschiedliche Anzahl an Schaltelementen und eine diese Schaltelemente ansteuernde Steuereinheit umfassen. Details sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn eine ausführende Steuereinrichtung noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Eine derartige Steuereinrichtung ist mit einem geeigneten Datenträger zur Speicherung eines entsprechenden Computerprogramms, beispielsweise einer Festplatte und/oder einem Flashspeicher, ausgestattet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht einen Verlauf einer maximalen Ausgangsleistung eines 14V-Klauenpolgenerators über eine Generatordrehzahl für Ausgangsspannungen von 14V und 28V.
Figur 2 zeigt ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
Figur 3 zeigt ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
Figur 4 veranschaulicht Stromflüsse in einem Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5 zeigt ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung. Figur 6 zeigt ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
Figur 7 veranschaulicht eine Parallelschaltung von Energiespeichern in einem
Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist der typische Verlauf der maximalen Ausgangsleistung P einer generatorisch betriebenen elektrischen Maschine, beispielsweise eines 14V-Klauen- polgenerators, die an einen passiven B6-Brückengleichrichter angebunden ist, auf der Ordinate über die Generatordrehzahl n auf der Abszisse für die beispielhaften Ausgangsspannungen Ui = 14V und U2 = 28V dargestellt. Speist die elektrische Maschine ein 14V-Kraftfahrzeugbordnetz, kann diese ab einer Drehzahl n0i elektrische Leistung liefern. Hingegen kann dieselbe elektrische Maschine bei einer Einspeisung in ein 28V-Kraftfahrzeugbordnetz erst ab einer Drehzahl von n02 elektrische Leistung liefern. Bei einer Ausgangsspannung der elektrischen Maschine von U2 = 28V ergibt sich ab einer Drehzahl n > ni2 eine deutlich höhere maximale Ausgangsleistung als bei Versorgung eines 14V- Kraftfahrzeugbordnetzes. Dieser Effekt kann genutzt werden, um während der Rekuperation die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft in Ausführungsformen auch den motorischen Betrieb einer entsprechenden elektrischen Maschine, die über einen dann als Wechselrichter betriebenen aktiven Stromrichter an ein Kraftfahrzeugbordnetz angebunden ist. Die elektrische Maschine kann je nach dem Betriebszustand des entsprechenden Fahrzeugs mit unterschiedlichen Spannungen versorgt werden. Auch bei motorischem Betrieb der elektrischen Maschine ergibt sich bei einer speisenden Spannung von 28V eine höhere maximale Ausgangsleistung als bei einer Versorgung mit nur 14V.
In Figur 2 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt, und insgesamt mit 100 bezeichnet. Dieses weist einen ersten Energiespeicher B1 und einen zweiten Energiespeicher B2, die wie oben erläutert ausgebildet sein können, auf. Die Energiespeicher B1 und B2 können in dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 der Figur 2 mittels der Schaltelemente S1, S2, S3 und S variabel verschaltet werden. Die Schaltelemente S1 bis S können beispielsweise durch MOS-Feldeffekttransistoren oder andere elektronische Bauelemente gebildet sein. Diese weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Spannungsanschluss auf, mittels welchem sie in das Bordnetz eingebunden sind. Bei einem MOS- Feldeffekttransistor entsprechen diese Spannungsanschlüsse dem Drain- und dem Source-Anschluss. Zur Ansteuerung der Schaltelemente S1 , S2, S3 und S ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen. Elektrische Verbraucher mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 14V sind kollektiv in Form von Widerständen R1 bis Rn veranschaulicht.
In dem Bordnetz 100 ist eine elektrische Maschine EM vorgesehen, die an einen Stromrichter 10 angebunden ist. Letzterer kann, wie bereits erwähnt, je nach Betriebsstrategie und Ausbildung der elektrischen Maschine als passiver oder aktiver Stromrichter ausgebildet sein. Die elektrische Maschine EM kann für einen rein generatorischen aber auch für einen motorischen und einen generatorischen Betrieb eingerichtet sein. In ersterem Fall wird der Stromrichter 10 als Gleichrichter betrieben, in letzterem Fall kann der Stromrichter 10 als Gleich- oder Wechselrichter betrieben. Er verfügt über einen positiven Gleichspannungsanschluss B+ und einen negativen Gleichspannungsanschluss B-, wobei der Gleichspannungsanschluss B- auf Masse bzw. demselben Bezugspotential wie die elektrische Maschine EM liegen kann. Dies ist in Figur 2 und den nachfolgenden Figuren veranschaulicht. Mit S ist ein Starter, beispielsweise ein Ritzelstarter, bezeichnet, der separat bereitgestellt ist, wenn die elektrische Maschine EM nur generatorisch betreibbar ist oder wenn der Verbrennungsmotor, beispielsweise beim Kaltstart, nicht mit der elektrischen Maschine gestartet werden soll. In der oben erläuterten und nachfolgend noch näher veranschaulichten Weise ist ein Gleichspannungswandler, mit DC/DC bezeichnet, in das Kraftfahrzeugbordnetz 100 eingebunden.
In dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 gemäß Figur 2 sind der positive Gleichspannungsanschluss B+ des Stromrichters 10, der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi , der erster Spannungsanschluss des ersten Schaltelements Si und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC jeweils dauerhaft leitend miteinander verbunden. Ist im Rahmen dieser Anmeldung davon die Rede, dass Elemente dauerhaft leitend verbunden sind, sei darunter verstanden, dass eine derartige Verbindung nicht über ein Schaltelement erfolgt, sondern über Kabel und entsprechende dauerhafte Kabelverbindungen, beispielsweise Lötstellen, Klemmen oder Stecker, die in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugbordnetzes nicht unterbro- chen bzw. deren Elemente nicht voneinander getrennt bzw. isoliert werden. Entsprechendes gilt für eine dauerhafte Einbindung eines Gleichspannungswandlers. Hingegen ist eine temporäre Einbindung durch Schaltelemente realisiert.
In dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 gemäß Figur 2 sind ferner der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi , der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3, ebenso der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements Si , der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S , ferner der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S , der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC und der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2, sowie schließlich der negative Gleichspannungsanschluss B- des Stromrichters 10, der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 dauerhaft leitend miteinander verbunden.
Der implementierte Gleichspannungswandler DC/DC führt zu den beschriebenen Vorteilen der Erfindung. Mit seiner Hilfe kann der durch den als kostengünstige Batterie ausbildbaren ersten Energiespeicher Bi fließende Lade- oder Entlade- ström entsprechend der geringeren Leistungsfähigkeit dieses Energiespeichers
Bi ausreichend reduziert werden.
In Figur 3 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 gemäß Figur 2 besteht in der abweichenden Verschaltung der dargestellten Elemente.
So sind in dem Kraftfahrzeugbordnetz 200 gemäß Figur 3 der positive Gleich- spannungsanschluss B+ des Stromrichters 10, der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi , der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements Si und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC, ferner der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi , der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S , weiterhin der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2, außerdem der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3, der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2, der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC und der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2, und schließlich der negative Gleichspannungsanschluss B- des Stromrichters 10, der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 und der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S dauerhaft leitend miteinander verbunden. in Figur 4 sind die Ströme bei Rekuperation und motorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM bei Reihenschaltung der Energiespeicher Bi und B2 dargestellt. Bei Rekuperation (IEM > 0) wird dabei mithilfe des Gleichspannungswand- lers DC/DC ein Teil des Rekuperationsstroms IEM der elektrischen Maschine EM direkt von einem Netzwerkknoten 102 auf einen Netzwerkknoten 101 geführt. Ist der Eingangsstrom des Gleichspannungswandlers IDCDC = k * IEM, mit 0 < k < 1 , so wird der Energiespeicher Bi nur noch mit dem Strom IB2 = (1 - k) * IEM geladen. Der Energiespeicher Bi kann daher eine geringere Ladeakzeptanz und/oder Kapazität als der Energiespeicher B2 besitzen. Bei einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine (IEM < 0) kann, wenn ein bidirektionaler Gleichspannungswandler DC/DC verwendet wird, die geringere Leistungsfähigkeit des Energiespeichers Bi ebenfalls mithilfe des Gleichspannungswandlers DC/DC kompensiert werden. Während des motorischen Betriebs erfolgt durch den Gleichspannungswandler DC/DC eine Rückspeisung des Stroms von Netzwerkknoten 101 zu Netzwerkknoten 102. Damit kann der Stromfluss durch den Energiespeicher Bi während des motorischen Betriebs entsprechend der Leistungsfähigkeit, der Entladeakzeptanz und/oder der Kapazität des Energiespeichers Bi auf einen geeigneten Wert reduziert werden. in Figur 5 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 gemäß Figur 2 und dem Kraftfahrzeugbordnetz
200 gemäß Figur 3 besteht in der reduzierten Anzahl an Schaltelementen. Zur besseren Vergleichbarkeit mit den Figuren 2 und 3 sind in Figur 5 ein erstes Schaltelement mit S2, ein zweites Schaltelement mit S3 und ein drittes Schaltelement mit S4 bezeichnet.
In dem Kraftfahrzeugbordnetz 300 gemäß Figur 5 sind der positive Gleichspan- nungsanschluss B+ des Stromrichters 10, der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC, ferner der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers Bi , der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements
S2 und der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S3, weiterhin der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S2, der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S4, außerdem der positive Span- nungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S4, und schließlich der negative Gleichspan- nungsanschluss B- des Stromrichters 10, der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S3 jeweils leitend miteinander verbunden. in Figur 6 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt und insgesamt mit 400 bezeichnet. Ähnlich wie in dem Kraftfahrzeugbordnetz 300 gemäß Figur 5 ist hier die Anzahl an Schaltelementen reduziert. Ein erstes Schaltelement ist auch hier mit S2, ein zweites Schaltelement mit S3 und ein drittes Schaltelement mit S bezeichnet.
In den Kraftfahrzeugbordnetzen 300 und 400 gemäß den Figuren 5 und 6 entfällt das in den Kraftfahrzeugbordnetzen 100 und 200 gemäß den Figuren 2 und 3 vorhandene Schaltelement S1 und ist durch den Gleichspannungswandler DC/DC ersetzt. Dadurch ergeben sich zusätzliche Kosteneinsparungen.
In dem Kraftfahrzeugbordnetz 400 gemäß Figur 6 sind der positive Gleichspan- nungsanschluss B+ des Stromrichters 10, der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC, ferner der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S3 und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S , weiterhin der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S3, der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S2 und der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B2, außerdem der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S2 und der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers DC/DC, und schließlich der negative Gleichspan- nungsanschluss B- des Stromrichters 10, der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S jeweils dauerhaft leitend verbunden.
Die parallele Kopplung der Energiespeicher erfolgt, wie in Figur 7 veranschau- licht, mithilfe Gleichspannungswandlers DC/DC. Ein weiterer Vorteil einer derartigen parallelen Kopplung ergibt sich, wenn unterschiedliche Batterietechnologien verwendet werden, beispielsweise eine Standard-Bleibatterie für den Energiespeicher Bi und eine leistungsfähige Li-Ionen-Batterie für den Energiespeicher B2. Bei einer parallelen galvanischen Kopplung von Batterien mit unterschiedli- chen Technologien ergeben sich, abhängig von der Differenz der Batteriespannungen, ggf. hohe, unerwünschte Ausgleichströme zwischen den Batterien und ggf. Spannungsspitzen im Bordnetz. Eine Kopplung mithilfe des Gleichspannungswandlers DC/DC verhindert dies, da der Ausgleichsstrom zwischen den Batterien durch den Gleichspannungswandler DC/DC vorgegeben werden kann. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung sind die Spannungsbereiche frei wählbar und nicht auf 28/14V beschränkt. Die Energiespeicher Bi und B2 können wahlweise in unterschiedlichen Batterietechnologien ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann als Generator oder als elektrische Maschine mit sowohl generatorischem als auch motorischem Betrieb ausgebildet sein. Der Maschinentyp ist frei wählbar. Der Starter S kann wahlweise auch entfallen, dann erfolgt der Starter des Verbrenners nur mit Hilfe der elektrischen Maschine.
Bei den Bordnetzen 300 und 400 können wahlweise die Energiespeicher Bi und B2 auch deutlich voneinander abweichende Spannungen besitzen, z.B. Energiespeicher Bi 24V und Energiespeicher B2 12V. Als Energiespeicher können neben Batterien auch andere elektrische Speicher, beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, verwendet, werden. Die Schaltelemente S1 bis S können wahlweise mit Hilfe von Leistungselektronik oder auch durch andere elektrische Schaltmittel, z.B. Relais, realisiert werden. Der Gleichspannungswandler DC/DC kann sowohl unidirektional als auch bidirektional ausgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Kraftfahrzeugbordnetz (100, 200, 300, 400), welches eine elektrische Maschine (EM), die an einen aktiven Stromrichter (10) mit einem positiven und einem negativen Gleichspannungsanschluss (Β+, B-) angebunden ist, einen ersten Energiespeicher (Bi) mit einem positiven und einem negativen Span- nungsanschluss, einen zweiten Energiespeicher (B2) mit einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss sowie einen Gleichspannungswandler (DC/DC) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei ferner Schaltmittel (S1 - S , 20) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, einen ersten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher (Bi) und der zweiten Energiespeicher (B2) in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) des Stromrichters (10) angebunden sind, und einen zweiten Schaltzustand, in dem der erste Energiespeicher (Bi) und der zweite Energiespeicher (B2) in Reihenschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) des Stromrichters angebunden sind, einzustellen, wobei der Gleichspannungswandler (DC/DC) in dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zwischen dem positiven Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers und dem positiven Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers dauerhaft eingebunden oder temporär einbindbar ist.
2. Kraftfahrzeugbordnetz (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 , das für einen Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus eingerichtet ist, wobei die elektrische Maschine (EM) in dem ersten und zweiten Betriebsmodus motorisch oder generatorisch betrieben wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus durch Einstellen des ersten Schaltzustands eine erste, geringere Spannung und in dem zweiten Betriebsmodus durch Einstellen des zweiten Schaltzustands eine zweite, höhere Spannung bereitgestellt wird.
Kraftfahrzeugbordnetz (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Schaltmittel (Si - S4, 20) ein erstes Schaltelement (Si), ein zweites Schaltelement (S2), ein drittes Schaltelement (S3) und ein viertes Schaltelement (S4) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Spannungsanschluss und eine Steuereinrichtung (20) umfassen.
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach Anspruch 3, bei dem jeweils dauerhaft leitend miteinander verbunden sind: der positive Gleichspannungsanschluss (B+) des Stromrichters (10), der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B1), der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (Si) und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC), der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B1), der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S2) und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S3), der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (Si), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S2) und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S4), der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S4), der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC) und der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2), der negative Gleichspannungsanschluss (B-) des Stromrichters (10), der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2) und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S3).
Kraftfahrzeugbordnetz (200) nach Anspruch 3, bei dem jeweils dauerhaft leitend miteinander verbunden sind: der positive Gleichspannungsanschluss (B+) des Stromrichters (10), der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (Bi), der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (Si) und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC), der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (Bi), der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S3) und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S ), der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S1) und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S2), der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S3), der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S2), der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC) und der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2), der negative Gleichspannungsanschluss (B-) des Stromrichters (10), der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2) und der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S ).
Kraftfahrzeugbordnetz (300, 400) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Schaltmittel (S1 - S , 20) ein erstes Schaltelement (S2), ein zweites Schaltelement (S3) und ein drittes Schaltelement (S ) mit einem ersten und zweiten Spannungsanschluss und eine Steuereinrichtung (20) umfassen.
Kraftfahrzeugbordnetz (300) nach Anspruch 6, bei dem jeweils dauerhaft leitend miteinander verbunden sind: der positive Gleichspannungsanschluss (B+) des Stromrichters (10), der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (Bi) und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC), der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (Bi), der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S2) und der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S3), der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S2), der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC) und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S ), der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2), der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S ), der negative Gleichspannungsanschluss (B-) des Stromrichters (10), der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2) und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S3).
Kraftfahrzeugbordnetz (400) nach Anspruch 6, bei dem jeweils dauerhaft leitend miteinander verbunden sind: der positive Gleichspannungsanschluss (B+) des Stromrichters (10), der positive Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B1) und der erste Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC), der negative Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B1), der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S3) und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S ), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S3), der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S2) und der positive Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2), der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S2) und der zweite Spannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (DC/DC), der negative Gleichspannungsanschluss (B-) des Stromrichters (10), der negative Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B2) und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S ).
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes (100, 200, 300, 400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, den ersten und den zweiten Schaltzustand einzustellen, wobei der Gleichspannungswandler (DC/DC) in dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zwischen dem positiven Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers und dem positiven Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers eingebunden wird oder ist.
10. Steuereinrichtung (20) für ein Kraftfahrzeugbordnetz (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 9 durchzuführen.
1 1. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit dazu veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 9 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere auf der Steuereinrichtung (20) nach An- spruch 10, ausgeführt werden.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11 .
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