DE10042524A1

DE10042524A1 - Spannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10042524A1
Application number: DE10042524A
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Eine solche Spannungsversorgungseinrichtung weist ein von einem ersten Generator (2) mit elektrischer Energie versorgbares Bordspannungsnetz (1) und ein zweites, von einem zweiten Generator (8) mit elektrischer Energie versorgbares Zusatznetz (7) auf, wobei dem zweiten Generator (8) eine Steuereinrichtung (10) zum Bewirken einer Energieabgabe zugeordnet ist, wobei über die Steuereinrichtung (10) eine elektrische Energieabgabe des zweiten Generators (8) in Abhängigkeit vom Betriebszustand und/oder des Energiebedarfs bewirkbar ist und DOLLAR A wobei dem zweiten Generator (8) insbesondere ein Kondensator (9) als elektrischer hochstromfähiger Energiespeicher nachgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für ein Kraft fahrzeug.

Aus der DE 197 49 548 A1 ist eine Spannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die ein von einem Generator mit elektrischer Energie versorgbares Bordspannungsnetz aufweist. Aus dem Bordspannungsnetz können elektrische Energiewandler/Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden. Ferner ist dem Bordspannungsnetz eine Batterie zugeord net die die vom Generator abgegebene elektrische Energie speichert. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie kann auch an die elektrischen Energiewandler abgeben werden. Zur Verringerung der Verbrauchs- und der Stickoxidemissionswerte ist dem Bordspannungsnetz ein als GoldCap oder SuperCap ausgeführter Kondensator als elektrischer Energiespeicher zuge ordnet. In Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kraftfahrzeuges insbeson dere der Verbrennungskraftmaschine, d. h. im Schubbetrieb oder in niedrigen Belastungsphasen wird der Kondensator über ein Steuergerät aufgeladen, wobei die Kondensatorspannung höher als die Bordnetzspannung ist, um somit mehr Energie speichern zu können. Der Kondensator gibt in Fahrsitua tionen mit hohem spezifischen Kraftstoffverbrauch seine gespeicherte Ener gie über das Steuergerät geregelt an das Bordnetz ab, wobei gleichzeitig der Generator elektrisch entregt, die Verbrennungskraftmaschine entlastet und somit der Energieverbrauch sowie die Stickoxidemission reduziert wird. Es ist bekannt insbesondere beim Bremsen des Kraftfahrzeuges eine Aufladung des Kondensators zur Bremsenergierückgewinnung zu bewirken, so dass die im Kondensator dabei gespeicherte elektrische Energie dem Bordspan nungsnetz zur Entlastung des Generators und damit der Verbrennungskraftmaschine sowie zur Unterstützung der Batterie beim Starten der Verbren nungskraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.

Aus der DE 197 54 964 A1 sowie der DE 43 07 907 A1 sind weitere Span nungsversorgungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge bekannt, die einen Kon densator bzw. eine Batterie zur Bremsenergierückspeisung aufweisen.

In der DE 195 22 563 A1 ist eine Rekuperative-Bremsanlage für Elektro- Fahrzeuge beschrieben bei der die beim Bremsen erzeugte elektrische Energie oder ein Teil davon in einem elektrischen Energiespeicher gespei chert wird, der als Kondensator ausgeführt ist. Diese im Kondensator ge speicherte elektrische Energie wird entweder an die aufladbare Batterie oder an die Stromverbraucher des Fahrzeuges, z. B. den Antriebsmotor abgege ben.

Aus der DE 195 40 265 A1 ist eine Energieversorgungseinrichtung für eine elektrische Fahrzeugbremse bekannt, die einen hochstromfähigen Speicher, z. B. einen Akku aufweist, aus dem die elektromechanischen Bremsen mit Energie versorgt werden können. Diesem Bremsleitungsnetz ist die Span nung eines üblichen Bordspannungsnetzes zuführbar dem ein Generator und eine Batterie zugeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist die weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Span nungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug insbesondere soll das Bordspannungsnetz und somit der Generator sowie die Verbrennungskraft maschine in besonderen Fahrsituationen entlastet bzw. unterstützt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentan spruches 1 gelöst.

Vorteil der Erfindung ist, dass die erfindungsgemäße Spannungsversor gungseinrichtung neben einem von einem ersten Generator mit elektrischer Energie versorgbaren Bordspannungsnetz ein zweites, von einem zweiten Generator mit elektrischer Energie versorgbares Zusatznetz aufweist. Dem Bordspannungsnetz können somit Bordspannungsenergiewandler und dem Zusatznetz weiter Energiewandler zugeordnet werden. Von weiterem Vorteil ist es hierbei, wenn dem zweiten Generator eine Steuereinrichtung zum Be wirken dessen elektrischer Energieabgabe in Abhängigkeit vom Betriebszu stand des Kraftfahrzeuges und/oder des Energiebedarfs zugeordnet ist, wenn dem zweiten Generator ein hochstromfähiger Energiespeicher insbe sondere ein Kondensator nachgeschaltet ist und wenn die im hochstromfähi gen Energiespeicher gespeicherte elektrischer Energie elektrischen Ener giewandlern zuführbar ist. Es kann somit insbesondere beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb und/oder in Fahrsituationen, bei denen der An triebseinrichtung beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder ei nem elektromechanischen Antrieb, nur wenig Energie abverlangt wird, durch elektrische Erregung des zweiten Generators elektrische Energie im hoch stromfähigen Energiespeicher gespeichert werden, die den Energiewandlern insbesondere zur elektrischen Entlastung des Bordspannungsnetzes und/oder des ersten Generators in Fahrsituationen hoher Belastung der An triebseinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann.

Ist dem zweiten Generator eine Regeleinrichtung zugeordnet, derart, dass dessen Ausgangsspannung zwischen einem unteren und einem oberen Spannungswert ungeregelt ist, so kann der zweite Generator insbesondere in diesem Bereich mit hohem Wirkungsgrad, d. h. an seinem Leistungsmaxi mum betrieben werden.

Vorteilhafterweise kann der untere Spannungswert 0 V sein, so dass die ge samte, im hochstromfähigen Energiespeicher gespeicherte elektrische Ener gie den Energiewandlern zur Verfügung gestellt werden kann.

Es ist aber auch vorteilhaft, wenn der untere Spannungswert ≧ 11,5 V ist, da somit kein Aufwärts-Spannungswandler erforderlich ist, wenn die elektrische Energie des hochstromfähigen Energiespeichers in das Bordspannungsnetz gespeist werden soll.

Damit die Spannung im Zusatznetz nicht unzulässig hohe und damit gefährli che Spannungen annehmen kann ist es vorteilhaft, wenn der obere Span nungswert ≦ 60 V ist.

Bei Fahrsituationen mit geringer Belastung der Verbrennungskraftmaschine oder geringer Leistungsabfrage und insbesondere vollgeladener Batterie des Bordspannungsnetzes ist es vorteilhaft, wenn dem entladenen hochstromfä higen Energiespeicher über einen Spannungswandler, insbesondere einen DG/DC-Wandler, die elektrische Energie aus dem Bordspannungsnetz zu führbar ist. Diese elektrische Energie kann somit in Fahrsituationen mit hoher Leistungsabfrage oder hoher elektrischer Belastung des Bordspannungsnet zes wieder abgegeben werden.

Es ist vorteilhaft, wenn dem hochstromfähigen Energiespeicher eine Entla despannungsüberwachungseinrichtung derart zugeordnet ist, dass sie be stimmten elektrischen Energiewandlern die Energie des hochstromfähigen Energiespeichers nur bis zu einer vorbestimmten Entladespannung und an deren elektrischen Energiewandlern auch unterhalb dieser Spannung zur Verfügung stellt. Es ist somit möglich, beispielsweise bestimmten elektri schen Energiewandlern, beispielsweise den Komfortenergiewandlern, wie z. B. der Heizungs- und/oder Klimaanlage, die elektrische Energie des hoch stromfähigen Energiespeichers nur bis zu der vorbestimmten Entladespan nung und anderen für den Betrieb wichtigen elektrischen Energiewandlern, wie z. B. einem elektromechanischen Abgasturbolader, einer elektromechani schen Bremse, einer elektromechanisch betätigbaren Lenkung auch noch unterhalb dieser Spannung zur Verfügung zu stellen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnun gen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein in prinzipieller Weise dargestelltes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 und 3 detailliertere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung.

In den Figuren ist ein Bordspannungsnetz mit dem Bezugszeichen 1 ge kennzeichnet. Diesem Bordspannungsnetz 1 sind ein erster, üblicher Gene rator 2, eine Batterie 3 sowie elektrische Energiewandler zugeordnet. Als elektrische Energiewandler sollen nur beispielhaft die Beleuchtung 4, der Starter 5 einer Verbrennungskraftmaschine sowie Steuer- und Regeleinrich tungen 6 Erwähnung finden.

Ein Zusatznetz ist mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet und weist einen zweiten Generator 8 sowie einen Energiespeicher vorzugsweise einen hoch stromfähigen Energiespeicher insbesondere einen Kondensator 9 auf, dem die vom zweiten Generator 8 ableitbare elektrische Energie zuführbar ist. Der Kondensator 9 kann vorzugsweise als Super Cap ausgeführt sein. Solche Kondensatoren 9 sind in der Lage relativ große elektrische Energien in einer kurzen Zeit aufzunehmen. Dem zweiten Generator 8 ist eine Steuereinrich tung 10, die nicht nur Steuer- sondern auch Regelfunktionen haben kann, zugeordnet über die der zweite Generator 8 elektrisch erregt und damit zur Energieabgabe veranlasst werden kann. Der Steuereinrichtung 10 können Signale des Kraftfahrzeuges insbesondere über dessen Betriebszustand zu geführt werden, so dass eine davon abhängige elektrische Erregung oder elektrische Entregung des zweiten Generators 8 bewirkt werden kann. Ge mäß der Fig. 1 kann dieser Steuereinrichtung 10 ein Bremssignal 11 zuge führt werden. Aufgrund dieses Bremssignales 11 erfolgt dann über die Steu ereinrichtung 10 eine elektrische Erregung, beispielsweise eine maximale elektrische Erregung des zweiten Generators 8. Der zweite Generator 8, der mit der Verbrennungskraftmaschine in Wirkverbindung steht, unterstützt so mit zum einen die Bremsen und erzeugt zum anderen elektrische Energie, die zum Aufladen des Kondensators 9 herangezogen wird. Vorzugsweise wird der zweite Generator 8 hierbei zwischen einem unteren und einem obe ren Ausgangsspannungswert ungeregelt betrieben, wodurch dessen Wir kungsgrad hoch ist. Bei hohem oberen Ausgangsspannungswert ist dem Kondensator 9 auch eine hohe elektrische Energie zuführbar. Als praktikabel hat es sich jedoch erwiesen dem zweiten Generator 8 eine Regeleinrichtung 12 zuzuordnen, so dass sich ein Ausgangsspannungsbereich von 0-60 V oder 11,5-60 V ergibt. Es treten somit keine gefährlich hohen Spannungen im Zusatznetz 7 auf.

Die im Kondensator 9 gespeicherte elektrische Energie kann über einen nachgeschalteten Spannungswandler 13, beispielsweise ein DC/DC-Wand ler, dem Bordspannungsnetz 1 zur Verfügung gestellt werden. Die Energie abgabe erfolgt vorzugsweise dann, wenn die Batterie 3 des Bordspannungs netzes 1 nicht voll aufgeladen und/oder das Bordspannungsnetz 1 elektrisch stark belastet und/oder der Antriebseinrichtung, beispielsweise der Verbren nungskraftmaschine, eine hohe Leistung abverlangt wird.

Der Steuereinrichtung 10 können aber auch noch weiter Signale beispiels weise ein Schubbetriebsignal 14 und/oder ein Beschleunigungsbetriebsignal 15 und/oder ein Heizbetriebsignal 16, das aufgrund des Betriebes der Fahr zeugheizung erzeugt wird, zugeführt werden. Diese Signale seien nur bei spielhaft erwähnt, selbstverständlich ist, dass auch weitere Signale 22 dieser Steuereinrichtung 10 zuführbar sind, um eine elektrische Erregung oder elektrische Entregung des zweiten Generators 8 in Abhängigkeit vom Be triebszustand des Kraftfahrzeuges zu bewirken. Über die Steuervorrichtung 10 soll vorzugsweise immer dann eine elektrische Erregung des zweiten Ge nerators 8 bewirkt werden, wenn eine Abbremsung des Fahrzeuges erfolgt, um somit die Bremsenergie zu rekuperieren oder wenn der Verbrennungs kraftmaschine nur eine geringe Leistung abverlangt wird, wie z. B. im Schub betrieb oder bei gleichmäßiger Fahrt vorzugsweise dann, wenn das Bord spannungsnetz 1 elektrisch stark belastet und/oder die Batterie 3 stark entla den ist. Hingegen soll beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges möglichst keine elektrische Erregung des ersten Generators 2 und/oder des zweiten Generators 8 erfolgen, so dass möglichst viel Energie zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges zur Verfügung steht. Hierzu kann beispielsweise der Kon densator 9 über den Spannungswandler 13 zur Abgabe von elektrischer Energie in das Bordspannungsnetz 1 veranlasst werden, um somit das Bord spannungsnetz 1 zu unterstützen. In Abhängigkeit von der im Kondensator 9 gespeicherten elektrischen Energie kann dies zumindest zu einer kurzfristigen Entregung der ersten Generators 2 führen und somit die Verbrennungs kraftmaschine entlasten.

Aus der Fig. 2 geht hervor, dass dem Zusatznetz 7 zumindest ein Komfort - Energiewandler 17, beispielsweise ein Heizelement, zugeordnet ist. Diese Komfort - Energiewandler 17 sind häufig Hochenergiewandler und relativ un abhängig von der Konstanz der sie versorgenden Spannung. Zudem kann deren Stromaufnahme aufgrund einer hohen anliegenden Spannungen redu ziert werden. Über ein entsprechendes Steuersignal an der Steuereinrich tung 10 kann der zweite Generator 8 zur Energieabgabe angeregt werden, wenn Komfort - Energiewandler 17 elektrische Energie benötigen. Dem Zu satznetz 7 können auch noch die Heizvorrichtung 18 für einen Katalysator und/oder auch der elektromechanische Antrieb 19 eines Abgasturboladers zugeordnet sein. Sowohl die Heizvorrichtung 18 als auch der elektromecha nische Antrieb 19 benötigen innerhalb einer relativen kurzen Zeitspanne re lativ viel elektrische Energie und eignen sich somit insbesondere für die Energieaufnahme aus dem Kondensator 9.

Sollte aufgrund der Betriebsbedingung des Kraftfahrzeuges der Kondensator 9 entladen sein, so kann diesem auch elektrische Energie aus dem Bord spannungsnetz 1 über einen weiteren Spannungswandler 20 zuführbar sein. Die Ansteuerung zum Zuführen von elektrischer Energie aus dem Bordspan nungsnetz 1 erfolgt vorzugsweise, wenn der Kondensator 9 entladen und der Betriebszustand des Fahrzeuges dies erlaubt, wie z. B. bei kontinuierlicher geringer Leistungsabfrage der Verbrennungskraftmaschine und insbeson dere bei aufgeladener Batterie 3 oder bei Fahrzeugstillstand um den Kon densator 9 aufzuladen, damit beim Start der Brennkraftmaschine genug Energie für die Aufheizung des Katalysators zur Verfügung steht.

Im Rahmen der Erfindung kann die gesamte, im Kondensator 9 gespeicherte Energie dem Zusatznetz 7 und/oder dem Bordspannungsnetz 1 zur Verfü gung gestellt werden. Ordnet man dem Kondensator 9 gemäß der Fig. 3 jedoch eine Entladespannungsüberwachungseinrichtung 21 zu, so ist es möglich bestimmten elektrischen Energiewandlern die elektrische Energie des Kondensators 9 bis zu einer vorbestimmten Entladespannung und anderen elektrischen Energiewandlern auch unterhalb dieser Entladespannung zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise könnten allen an das Zusatznetz 7 angeschlossenen elektrischen Energiewandlern oder aber auch nur einem Teil davon die elektrische Energie des Kondensators 9 bis zu der vorbe stimmten Entladespannung zugeführt werden. Nach unterschreiten dieser vorbestimmten Entladespannung sollten dann vorzugsweise nur die elektri schen Energiewandler mit Energie versorgt werden, die für den Betrieb des Kraftfahrzeuges erforderlich sind. Hierzu zählen z. B. der elektromechanische Antrieb für den Abgasturbolader, eine elektromechanische Bremse, eine elektromechanische Lenkung sowie die für den Betrieb erforderlichen und insbesondere für sicherheitsrelevante Funktionen vorgesehenen elektrichen Einrichtungen.

In den Figuren sind sonstige Energiewandler in strichlierter Linie dargestellt.

Bezugszeichenliste

1

Bordspannungsnetz

2

erster Generator

3

Batterie

4

Beleuchtung

5

Starter

6

Steuer-/Regeleinrichtungen

7

Zusatznetz

8

zweiter Generator

9

Kondensator

10

Steuereinrichtung

11

Bremssignal

12

Regeleinrichtung

13

Spannungswandler

14

Schubbetriebsignal

15

Beschleunigungsbetriebsignal

16

Heizbetriebsignal

17

Komfortenergiewandler

18

Heizvorrichtung

19

elektromechanischer Antrieb

20

weiterer Spannungswandler

21

Entladespannungsüberwachungseinrichtung

Claims

1. Spannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug aufweisend ein von einem ersten Generator (2) mit elektrischer Energie versorgbares Bordspannungsnetz (1) und ein zweites von einem zweiten Generator (8) mit elektrischer Energie versorgbares Zusatznetz (7),
wobei dem zweiten Generator (8) eine Steuereinrichtung (10) zum Bewirken dessen elektrischer Energieabgabe in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kraftfahrzeuges und/oder des Energiebedarfes zugeordnet ist,
wobei dem zweiten Generator (8) ein hochstromfähiger Energiespeicher insbesonders ein Kondensator (9) nachgeschaltet ist und
wobei die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie elektrischen Energiewandlern zuführbar ist.

2. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei dem zwei ten Generator (8) eine Regeleinrichtung (12) derart zugeordnet ist, dass die Ausgangsspannung zwischen einem unteren und einem oberen Spannungswert ungeregelt ist.

3. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei der untere Spannungswert ≧ 0 V ist.

4. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei der untere Spannungswert ≧ 11,5 V ist.

5. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der obere Spannungswert ≦ 60 V ist.

6. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die im hochstromfähigen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie über einen Spannungswandler (13) dem Bordspannungsnetz (1) zuführbar ist.

7. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die im hochstromfähigen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie Komfort-Energiewandlern (17) und/oder einer Heizvorrichtung (18) für einen Katalysator und/oder einem elektromechanischen Antrieb (19) für einen Abgasturbolader zuführbar ist.

8. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei über die Steuereinrichtung (10) die Ansteuerung des zweiten Generators (8) zur Energieabgabe aufgrund eines Bremssignals (11) und/oder eines Schubbetriebsignals (14) und/oder eines Heizbetrie bsignals (16) und/oder aufgrund eines Hochlastsignals aus dem Bordspannungsnetz (1) bewirkbar ist.

9. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei über die Steuereinrichtung (10) aufgrund eines Beschleuni gungsbetriebsignals (15) eine elektrische Entregung des zweiten Generators (8) bewirkbar ist.

10. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die elektrische Energie des hochstromfähigen Energiespeichers beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges in das Bordspannungsnetz (1) einspeisbar ist.

11. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei dem hochstromfähigen Energiespeicher eine Entladespannungs überwachungseinrichtung (21) derart zugeordnet ist, dass sie bestimmten elektrischen Energiewandlern (17, 18) die elektrische Energie des hochstromfähigen Energiespeichers nur bis zur einer vorbestimmten Entladespannung und anderen elektrischen Energiewandlern (19) auch unterhalb dieser Spannung zur Verfügung stellt.