DE102012209453A1 - Motor vehicle electrical system with an electric machine and at least two energy storage devices with different charging voltages and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz (100) mit einem ersten Energiespeicher (2) mit einer ersten, höheren Ladespannung (U2), einem zweiten Energiespeicher (3) mit einer zweiten, niedrigen Ladespannung (U3), einer elektrischen Maschine (1), die generatorisch betreibbar ist und deren Ausgangsspannung (U1) zumindest auf die erste, höhere Ladespannung (U2) sowie die zweite, niedrigere Ladespannung (U3) einstellbar ist, einem ersten ansteuerbaren Unterbrechungsschalter (5) zwischen der elektrischen Maschine (1) und dem ersten Energiespeicher (2), einem zweiten ansteuerbaren Unterbrechungsschalter (6) zwischen der elektrischen Maschine (1) und dem zweiten Energiespeicher (3), wobei das Kraftfahrzeugbordnetz (100) keinen Gleichspannungswandler zwischen dem ersten Energiespeicher (2) und dem zweiten Energiespeicher (3) aufweist.The invention relates to a vehicle electrical system (100) having a first energy store (2) with a first, higher charging voltage (U2), a second energy store (3) with a second, low charging voltage (U3), an electric machine (1), the generator is operable and whose output voltage (U1) at least to the first, higher charging voltage (U2) and the second, lower charging voltage (U3) is adjustable, a first controllable breaker switch (5) between the electric machine (1) and the first energy storage (2 ), a second controllable breaker switch (6) between the electric machine (1) and the second energy store (3), wherein the motor vehicle electrical system (100) has no DC-DC converter between the first energy store (2) and the second energy store (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer elektrischen Maschine und wenigstens zwei Energiespeichern mit unterschiedlichen Ladespannungen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Bordnetzes. The present invention relates to a motor vehicle electrical system with an electric machine and at least two energy storage devices with different charging voltages and a method for operating such a vehicle electrical system.
Stand der TechnikState of the art
Derartige Kraftfahrzeugbordnetze sind unter dem Stichwort "Zweispannungsbordnetz" bekannt. Zweispannungsbordnetze in Kraftfahrzeugen können, wie beispielsweise in der
Zweispannungsbordnetze kommen beispielsweise in sogenannten Boost-Rekuperationssystemen zum Einsatz. Solche Boost-Rekuperationssysteme sind dafür eingerichtet, mittels eines Hochvolt-Startergenerators (z.B. 42 V oder 48 V), insbesondere in Schub- und Bremsphasen eines Kraftfahrzeugs, einen Energiespeicher (z.B. Batterie oder Kondensator) aufzuladen. Der Hochvolt-Startergenerator und der Energiespeicher sind direkt an das Hochvoltteilnetz angebunden. Die Energie aus dem Energiespeicher kann zum motorischen Betrieb des Hochvolt-Startergenerators, aber auch, mittels eines Gleichspannungswandlers, zur Versorgung des Niedervoltteilnetzes (z.B. 14 V), das als reguläres elektrisches Fahrzeugbordnetz zur Versorgung der üblichen Verbraucher dient, verwendet werden.Two-voltage systems are used for example in so-called boost recuperation systems. Such boost recuperation systems are adapted to charge an energy store (e.g., battery or capacitor) by means of a high voltage starter generator (e.g., 42V or 48V), particularly in coasting and braking phases of a motor vehicle. The high-voltage starter generator and the energy storage are connected directly to the high-voltage subnetwork. The energy from the energy storage can be used for motor operation of the high-voltage starter generator, but also, by means of a DC-DC converter, for the supply of the low-voltage subnetwork (for example 14 V), which serves as a regular electrical vehicle electrical system for supplying the usual consumers.
Durch die Verwendung von Boost-Rekuperationssystemen wird eine deutliche Verringerung des Kraftstoffverbrauchs erzielt. Eine hierbei typische Systemauslegung (klassisches Zweispannungsbordnetz) ist in
Das Kraftfahrzeugbordnetz
Die elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Der Energiespeicher
In einem Niedervoltteilnetz sind ein weiterer Energiespeicher
Das Hoch- und das Niedervoltteilnetz sind über einen geeigneten Gleichspannungswandler
Die Verbraucher können aus dem Niedervoltteilnetz eine Leistung P3 entnehmen. Die elektrische Maschine
Die durch die Verbraucher
Es besteht der Bedarf nach einfacheren und kostengünstigeren Lösungen für entsprechende Kraftfahrzeugbordnetze.There is a need for simpler and less expensive solutions for corresponding motor vehicle systems.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer elektrischen Maschine und wenigstens zwei Energiespeichern mit unterschiedlichen Ladespannungen und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Bordnetzes mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a motor vehicle electrical system with an electric machine and at least two energy stores with different charging voltages and a method for operating a corresponding vehicle electrical system with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung schafft die Möglichkeit, gattungsgemäße Kraftfahrzeugbordnetze ohne teure und aufwendige Gleichspannungswandler auszustatten. Durch Vorsehen einer elektrischen Maschine, deren Ausgangsspannung im Generatorbetrieb zumindest auf die unterschiedlichen Ladespannungen der zwei Energiespeicher eingestellt (vorzugsweise eingeregelt) werden kann, sowie jeweils eines Unterbrechungsschalters für jeden der Energiespeicher kann immer zumindest einer der Energiespeicher vom Kraftfahrzeugbordnetz elektrisch getrennt werden, so dass die elektrische Maschine generatorisch oder motorisch nur zusammen mit einem Energiespeicher mit passender Ladespannung betrieben werden kann. Eine ausreichende Einstellbarkeit der Höhe der Ausgangsspannung einer elektrischen Maschine kann relativ einfach implementiert werden, bspw. durch Firmwareupdates eines Generatorregelgeräts. Auch das Bereitstellen eines Unterbrechungsschalters für den Energiespeicher mit der höheren Ladespannung verursacht vorteilhafterweise keine zusätzlichen Kosten, da entsprechende Hochvolt-Energiespeicher häufig bereits aus Sicherheitsgründen über entsprechende Trennschalter verfügen. Bereits durch Einbau nur eines weiteren Unterbrechungsschalters kann dann ein teurer und aufwendiger Gleichspannungswandler eingespart werden.The invention provides the ability to equip generic motor vehicle electrical systems without expensive and expensive DC-DC converter. By providing an electrical machine whose output voltage can be adjusted (preferably adjusted) in the generator mode at least to the different charging voltages of the two energy storage, and each of an interruption switch for each of the energy storage can always be electrically separated from the motor vehicle electrical system at least one of the energy storage, so that the electric Machine can be operated as a generator or motor only together with an energy storage with matching charging voltage. Adequate adjustability of the level of the output voltage of an electrical machine can be implemented relatively easily, for example by means of firmware updates of a generator control device. Also, the provision of an interruption switch for the energy store with the higher charging voltage advantageously causes no additional costs, since corresponding high-voltage energy storage often already have security reasons for corresponding disconnect switch. Already by installing only a further interruption switch can then be saved an expensive and expensive DC-DC converter.
Die den Energiespeichern zugeordneten Unterbrechungsschalter können auch in einem gemeinsamen Umschalter ausgebildet sein, der immer einen von zwei Ausgängen, wobei an jedem ein Energiespeicher angeschlossen ist, mit einem Eingang, an dem die elektrische Maschine angeschlossen ist, verbindet.The interruption switches associated with the energy storage devices may also be formed in a common changeover switch, which always connects one of two outputs, with an energy store connected to each, to an input to which the electrical machine is connected.
Die den Energiespeichern zugeordneten Unterbrechungsschalter sowie die Einstellbarkeit der elektrischen Maschine ermöglichen vorteilhafterweise einen Betrieb des Kraftfahrzeugbordnetzes in unterschiedlichen Betriebsmodi.The interrupt switches assigned to the energy stores and the adjustability of the electrical machine advantageously make it possible to operate the motor vehicle electrical system in different operating modes.
In einem ersten Betriebsmodus ist der dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet und der dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen. Somit wird ein Stromkreis zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung geschlossen, wohingegen zwischen den Energiespeichern kein geschlossener Stromkreis besteht. Die elektrische Maschine wird hier generatorisch betrieben und zur Abgabe der zweiten Ladespannung eingerichtet, um das Kraftfahrzeugbordnetz mit Leistung zu versorgen und/oder den zweiten Energiespeicher zu laden. Die elektrische Maschine wird von der Brennkraftmaschine angetrieben, welche sich selbst wiederum in einem Zugbetrieb, aber auch in einem Schubbetrieb befinden kann.In a first operating mode, the interruption switch assigned to the energy store with the first, higher charging voltage is opened, and the interrupt switch associated with the energy store with the second, lower charging voltage is closed. Thus, a circuit between the electric machine and the energy storage is closed with the second, lower charging voltage, whereas there is no closed circuit between the energy storage. The electric machine is operated here as a generator and set up to deliver the second charging voltage in order to supply the motor vehicle electrical system with power and / or to charge the second energy store. The electric machine is powered by the Internal combustion engine driven, which in turn may be in a train operation, but also in a coasting operation.
In einem zweiten Betriebsmodus ist der dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen und der dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet. Somit wird ein Stromkreis zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung geschlossen, wohingegen zwischen den Energiespeichern kein geschlossener Stromkreis besteht. Die elektrische Maschine wird hier generatorisch betrieben und zur Abgabe der ersten Ladespannung eingerichtet, um den ersten Energiespeicher zu laden. Die elektrische Maschine wird von der Brennkraftmaschine angetrieben, welche sich selbst wiederum in einem Zugbetrieb, aber auch in einem Schubbetrieb befinden kann.In a second operating mode, the interruption switch assigned to the energy store with the first, higher charging voltage is closed and the interruption switch assigned to the energy store with the second, lower charging voltage is opened. Thus, a circuit between the electric machine and the energy storage with the first, higher charging voltage is closed, whereas there is no closed circuit between the energy storage. The electric machine is operated here as a generator and set up to deliver the first charging voltage in order to charge the first energy store. The electric machine is driven by the internal combustion engine, which in turn can be in a train operation, but also in a coasting operation.
In einem optionalen dritten Betriebsmodus ist der dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen und der dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet. Somit wird ein Stromkreis zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung geschlossen, wohingegen zwischen den Energiespeichern kein geschlossener Stromkreis besteht. Die elektrische Maschine wird hier motorisch betrieben und von dem ersten Energiespeicher mit Energie versorgt. Dieser Betrieb eignet sich zum Starten der Brennkraftmaschine oder zur Unterstützung des Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs, z.B. Boostbetrieb. In an optional third operating mode of the energy storage device with the first, higher charging voltage associated breaker switch is closed and opened the energy storage with the second, lower charging voltage interruption switch. Thus, a circuit between the electric machine and the energy storage with the first, higher charging voltage is closed, whereas there is no closed circuit between the energy storage. The electric machine is operated here by a motor and supplied with energy by the first energy store. This operation is suitable for starting the internal combustion engine or for supporting the driving operation of a motor vehicle, e.g. Boost mode.
In einem optionalen vierten Betriebsmodus ist der dem Energiespeicher mit der ersten, höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet und der dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen. Somit wird ein Stromkreis zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher mit der zweiten, niedrigeren Ladespannung geschlossen, wohingegen zwischen den Energiespeichern kein geschlossener Stromkreis besteht. Die elektrische Maschine wird hier motorisch betrieben und von dem zweiten Energiespeicher mit Energie versorgt. Dieser Betrieb liefert zwar weniger Spannung für die elektrische Maschine, eignet sich jedoch normalerweise zumindest zum Starten der Brennkraftmaschine. In an optional fourth mode of operation of the energy storage device with the first, higher charging voltage associated breaker switch is open and closed the energy storage device with the second, lower charging voltage associated breaker switch. Thus, a circuit between the electric machine and the energy storage is closed with the second, lower charging voltage, whereas there is no closed circuit between the energy storage. The electric machine is operated by a motor and supplied with energy by the second energy store. Although this operation provides less voltage for the electric machine, but is usually at least suitable for starting the internal combustion engine.
Beim Umschalten zwischen Betriebsmodi wird zweckmäßigerweise auf eine bestimmte Reihenfolge der Betätigung der Unterbrechungsschalter sowie die Einstellung der elektrischen Maschine geachtet. Bevor der dem Energiespeicher mit der niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen wird, wird vorteilhafterweise der dem Energiespeicher mit der niedrigeren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet und die elektrische Maschine auf die niedrigeren Ladespannung oder auf Motorbetrieb eingestellt. Bevor der dem Energiespeicher mit der höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geschlossen wird, wird vorteilhafterweise der dem Energiespeicher mit der höheren Ladespannung zugeordnete Unterbrechungsschalter geöffnet und optional die elektrische Maschine auf die höhere Ladespannung oder auf Motorbetrieb eingestellt.When switching between operating modes, care is taken to a certain order of operation of the breaker switch and the setting of the electrical machine. Before the interruption switch assigned to the energy store with the lower charging voltage is closed, the interruption switch assigned to the energy store with the lower charging voltage is advantageously opened, and the electric machine is set to the lower charging voltage or to motor operation. Before the interruption switch assigned to the energy store with the higher charging voltage is closed, the interruption switch assigned to the energy store with the higher charging voltage is advantageously opened and optionally the electric machine is set to the higher charging voltage or to motor operation.
Die Unterbrechungsschalter können durch eine übergeordnete Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, angesteuert werden. Das Steuergerät kann ebenfalls zur Ansteuerung der elektrischen Maschine eingerichtet sein.The breakers may be controlled by a higher level arithmetic unit, e.g. a control unit to be controlled. The control unit can also be set up to control the electrical machine.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. das zuvor erwähnte Steuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention, e.g. the aforementioned control device is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs und DVDs. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of the method in the form of software is also advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is still used for further tasks and therefore exists anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs and DVDs. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
Anstelle des Gleichspannungswandlers
Der Unterbrechungsschalter
Das Steuergerät
Ein bevorzugter Betrieb des Kraftfahrzeugbordnetzes
In einem Schritt
In dem ersten Betriebsmodus
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In dem zweiten Betriebsmodus
Die genannten Klemmenspannungsschwellwerte werden vorzugsweise temperaturabhängig vorgegeben. The mentioned terminal voltage threshold values are preferably predetermined as a function of temperature.
In einem dritten Betriebsmodus (nicht dargestellt) wird in derselben Schalterstellung wie im zweiten Betriebsmodus die elektrische Maschine
In einem vierten Betriebsmodus (nicht dargestellt) wird in derselben Schalterstellung wie im ersten Betriebsmodus die elektrische Maschine
In keinem der Betriebsmodi ist ein geschlossener Stromkreis zwischen den Energiespeichern zweckmäßig oder gar notwendig.In none of the operating modes is a closed circuit between the energy storage appropriate or even necessary.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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