DE10119985A1 - Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Energieeinspeisung eines Zweispannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Es ist ein Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, das ein erstes und ein zweites Spannungsniveau, von der Bezugsspannung verschieden, bereitstellt. Es wird aus zumindest einem elektrischen Energiespeicher (12, 24) gespeist. Es ist zumindest ein Wandler zur Wandlung der beiden Spannungsniveaus (18, 28) vorgesehen. Weiterhin sind Einspeisemittel (34, 31, 32, 20) vorgesehen zur weiteren Speisung des Energiespeichers (12, 24).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Energieein­ speisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. In Bordnetzen mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern, beispiels­ weise in Kraftfahrzeugbordnetzen, besteht das Problem, dass eine 12 V-Spannung zur Energieversorgung nicht mehr aus­ reicht. Da einige der Verbraucher mit einer höheren Spannung als 12 V versorgt werden sollten, sind Mehrspannungsbordnetze bekannt, die zwei unterschiedliche Spannungsebenen aufwei­ sen, so eine erste Spannungsebene, die gegenüber Masse auf +12 V liegt und eine zweite Spannungsebene auf +36 V, wobei diese Spannungen jeweils die Nennspannungen sind. Die Ver­ bindung zwischen den beiden Spannungsebenen wird mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers hergestellt. Ein solches Mehr­ spannungsbordnetz in einem Kraftfahrzeug wird in der DE-A 198 45 569 beschrieben. Die elektrische Energie wird in diesem Bordnetz mit Hilfe eines Drehstromgenerators erzeugt, der vom Fahrzeugmotor angetrieben wird und eine Ausgangs­ spannung von 42 V (Ladespannung) liefert. Mit dieser La­ despannung wird eine 36 V-(Nennspannung)-Batterie geladen. Über einen Gleichspannungswandler wird eine 12 V-Batterie mit einer Ladespannung von 14 V versorgt. An die beiden Batterien können über geeignete Schalter die elektrischen Verbraucher zugeschaltet werden, wobei die 12 V-Batterie die herkömmli­ chen Bordnetzverbraucher, beispielsweise Glühlampen, ver­ sorgt, während die 36 V-Batterie zur Versorgung von Hochlei­ stungsverbrauchern, beispielsweise Scheibenheizungen, ver­ wendet wird. Bei dem bekannten Bordnetz liegen die negativen Anschlüsse der beiden Batterien jeweils auf demselben Masse­ potential.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssi­ cherheit eines Mehrspannungsbordnetzes zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeuges umfasst ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes Mehrspannungsbordnetz, das zumindest ein erstes und ein zweites Spannungsniveau, jeweils von der Bezugsspannung verschieden, bereitstellt. Das Mehrspannungsbordnetz wird von zumindest einem elektri­ schen Energiespeicher gespeist. Es ist zumindest ein Wandler zur Verbindung der beiden Spannungsniveaus vorgesehen. Er­ findungsgemäß sind Einspeisemittel vorgesehen zur externen Einspeisung in das Mehrspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs. Somit kann auch in einer Übergangszeit, in der wahrschein­ lich nicht alle Fahrzeuge mit einem 42 V-Bordnetz ausgestat­ tet sind, ein 42 V-Fahrzeug mit anderen Bordnetzspannungen durch eine Starthilfe gestartet werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind die Einspeisemittel zur Abtrennung eines oder mehrerer Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) vom 42 V-Bordnetz und die Benutzung dieses Anschlusses als Fremdladestützpunkt vorsehen. Die abgetrenn­ ten Wandler werden als Abwärtswandler betrieben und speisen das 14 V-Bordnetz bzw. laden dessen 14 V-Batterie nach.
Gleichzeitig wird der oder die verbleibenden Wandler als Aufwärtswandler eingesetzt, um die 42 V-Batterie für einen Startvorgang nachzuladen. Insbesondere der Rückgriff auf ei­ nen DC/DC-Wandler bringt nachfolgende Vorteile mit sich. Das Zweispannungsbordnetz kann durch unterschiedliche Ladespan­ nungen gespeist werden (beispielsweise 12 V/24 V/36 V). Der Strom im Starthilfekabel ist durch die Leistungsfähigkeit der DC/DC-Wandler begrenzt. Die Verwendung eines DC/DC- Wandlers als strombegrenzendes Bauteil ermöglicht die Benut­ zung eines Starthilfekabels mit geringem Kupferquerschnitt im Vergleich zu herkömmlichen Starthilfekabeln. Durch die strombegrenzende Wirkung des DC/DC-Wandlers kann auch die mechanische Ausführung des Fremdladestützpunkts vereinfacht werden. Greift man auf geregelte DC/DC-Wandler zurück, so können die Fahrzeugbatterien definiert geladen werden, da nun Strom/Spannung einstellbar sind. Durch die Stromregelung oder Strombegrenzung der Ab- und Aufwärtswandler kann die Verteilung der Energieeinspeisung in die 14 V- oder 42 V- Batterie beliebig eingestellt werden. Bei der Verwendung von verpolsicheren DC/DC-Wandlern oder bei Rückgriff auf eine Leistungsdiode mit vergleichsweise geringer Strombelastung kann ein Verpolschutz des Fremdladekabels realisiert werden.
Zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhän­ gigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel sowie die Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel möglicher (Fremd)energieeinspeisungen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Generator 10, eine 36 V-Batterie 12, ein Starter 14 sowie ein Hochstromverbraucher 16 sind parallel zwischen einem 42 V-Zweig 18 und Massepotential verschaltet. Der 42 V-Zweig 18 ist über einen zweiten DC/DC-Wandler 22 mit einem 14 V- Zweig 28 verbunden. An diesen 14 V-Zweig 28 sind eine 12 V- Batterie 24 und 14 V-Lasten 26 - parallel gegen Masse ver­ schaltet - angeschlossen. Zu dem zweiten DC/DC-Wandler 22 kann ein erster DC/DC-Wandler 20 über ein 42 V-seitig ange­ ordnetes erstes Schaltmittel 31 parallel geschaltet werden, indem das erste Schaltmittel 31 geschlossen wird. Ein Fremd­ ladestützpunkt 34 kann über ein zweites Schaltmittel 32 mit dem 42 V-seitigen Anschluss des ersten DC/DC-Wandlers 20 ver­ bunden werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 lediglich in der Anschaltung des Fremdlade­ stützpunktes 34. So ist ein Umschaltmittel 36 vorgesehen, das den 42 V-seitigen Anschluss des ersten DC/DC-Wandlers 20 entweder mit dem Potential des Fremdladestützpunkts 34 (Stellung "B") oder mit demjenigen des 42 V-Zweiges 18 (Stel­ lung "A") verbindet. Optional ist eine Diode 38 vorgesehen, die aus Verpolschutzgründen zwischen dem Fremdladestützpunkt 34 und dem Umschaltmittel 36 (Stellung "B") angeordnet ist.
Bei herkömmlichen Bordnetzkonfigurationen sind die DC/DC- Wandler 20, 22 (Gleichspannungswandler) auf der 42 V-Seite parallel geschaltet. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dient das erste Schaltmittel 31 dazu, den ersten DC/DC- Wandler 20 von dem 42 V-Zweig abzutrennen. Über das zweite Schaltmittel 32 kann eine Verbindung zu dem Fremdladestütz­ punkt 34 hergestellt werden. Das erste Schaltmittel 31 ist im Normalbetrieb des Fahrzeugs geschlossen, das zweite Schaltmittel 32 geöffnet. Im Normalbetrieb wird der erste DC/DC-Wandler 20 im Abwärtsbetrieb zur Stützung des 14 V- Spannungsniveaus durch die 42 V-Seite genutzt, ebenso wie der parallel verschaltete zweite DC/DC-Wandler 22, der im Nor­ malbetrieb ebenfalls als Abwärtswandler arbeitet. Die ent­ sprechende Richtungsinformation (Abwärtsbetrieb) wird zumin­ dest dem zweiten DC/DC-Wandler 22 von einem nicht eigens dargestellten Steuergerät bereitgestellt. Zumindest der zweite DC/DC-Wandler 22 kann bidirektional (aufwärts, ab­ wärts) betrieben werden wie nachfolgend beschrieben.
In dem vom Normalbetrieb abweichenden Ladebetrieb werden das erste Schaltmittel 31 im Sinne eines Öffnens, das zweite Schaltmittel 32 im Sinne eines Schließens beispielsweise durch ein nicht gezeigtes Steuergerät angesteuert. Damit kann über den Fremdladestützpunkt 34 und den ersten DC/DC- Wandler 20 elektrische Energie in das 14 V-Bornetz, evtl. über den zweiten DC/DC-Wandler 22 in das 42 V-Bordnetz einge­ speist werden. Der erste DC/DC-Wandler 20 setzt ein beliebi­ ges, über den Fremdladestützpunkt 34 extern eingespeistes Spannungsniveau in eine für das 14 V-Bordnetz geeignete Span­ nung um. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit des er­ sten DC/DC-Wandlers 20 (Abwärtswandler) bleibt die Strom­ stärke bei der Fremdladung begrenzt, so dass sich die Schaltmittel 31, 32 durch Transistoren oder Relais ausführen lassen. Bei Verwendung ausreichend stromfester Schalter ist auch eine direkte 42 V-Verbindung bei geschlossenen Schaltern 31, 32 denkbar.
Führt man in einem System mit zwei DC/DC-Wandlern 20, 22 beispielsweise den ersten DC/DC-Wandler 20 mit einem Weitbereichseingang aus, so kann dieser im Abwärtsbetrieb eine Ausgangsspannung von ca. 14 V aus einer Eingangsspannung vom 14 V. . .42 V-Bordnetz erzeugen. Hiermit kann das 14 V- Restbordnetz versorgt und insbesondere die 14 V-Batterie 24 nachgeladen werden. Setzt man gleichzeitig noch den zweiten DC/DC-Wandler 22 im Aufwärtsbetrieb ein, so wird auch das 42 V-Netz versorgt und die Starterbatterie 12 auf 42 V-Seite nachgeladen. Dies kann mit geregelter Spannung erfolgen. Für beide DC/DC-Wandler 20, 22 empfiehlt sich ein Betrieb mit einstellbarer Strombegrenzung oder als Stromquelle. Hiermit kann der von dem ersten DC/DC-Wandler 20 bereitgestellte Ausgangsstrom beliebig auf eine Ladung der 14 V-Batterie 24 und eine Aufwärtswandlung nach 42 V und damit eine Nachladung der 42 V-Batterie 12 aufgeteilt werden. Ein nicht dargestell­ tes Steuergerät gibt für den zweiten DC/DC-Wandler 22 eine Richtungsinformation vor, um diesen für den Ladefall im Auf­ wärtsbetrieb anzusteuern. Sind die DC/DC-Wandler 20, 22 ge­ regelt ausgeführt, so könnte das Steuergerät auch die ge­ wünschten Strom- und/oder Spannungssollwerte den Wandlern 20, 22 vorgeben. Diese Sollwerte können von den Ladezustän­ den einer oder beider Batterien abhängen.
Das Umschalten des ersten Schaltmittels 31 und des zweiten Schaltmittels 32 vom Normalbetrieb in den Fremdladebetrieb (beispielsweise mit Anschaltung des Fremdladestützpunkt 34 in das Mehrspannungsbordnetz) kann über einen Steuergeräte­ befehl, über eine Erkennung des Anschließens eines Fremdla­ dekabels oder durch das Öffnen eines Deckels am Fremdlade­ stützpunkt 34 ausgelöst werden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) ist als ein­ fache und kostengünstige Realisierungsmöglichkeit für die ersten und zweiten Schaltmittel 31, 32 der Fig. 1 ein Wech­ selrelais als Umschaltmittel 36 vorgesehen. Hierdurch wird gleichzeitig eine eventuell nicht erwünschte direkte Verbindung von Fremdladestützpunkt 34 und 42 V-Netz bzw. Mehrspan­ nungsbordnetz zuverlässig vermieden.
Ein Fremdladekabel birgt die Gefahr einer Verpolung der bei­ den Anschlüsse. Um hierbei Schäden zu vermeiden, kann bei­ spielsweise das zweite Schaltmittel 32 gemäß Fig. 1 im Fal­ le einer Verpolung geöffnet werden. Andere Möglichkeiten be­ stehen in einer verpolfesten Ausführung des ersten DC/DC- Wandlers 20 oder der Einfügung einer Verpolschutzdiode 38 in die Leitung zum Fremdladestützpunkt 34 gemäß Fig. 2. Die Schaltmittel 31, 32 können sowohl durch ein Relais, einen Halbleiterschalter oder durch eine mechanische Lösung reali­ siert werden. Beispielsweise kann das Abheben einer Kappe über dem Fremdladestützpunkt 34 (um diesen zugänglich zu ma­ chen) automatisch zum Umschalten des Schalters 36 von Stel­ lung A auf Stellung B führen. Für einen Verpolschutz des Fremdladestützpunktes 34, also im Falle der Vertauschung der Starthilfekabel, muß das Schaltmittel 36 in Position A ge­ schaltet werden. Dies kann durch eine entsprechende Steue­ rung des Umschalt-Relais 36 vom Steuergerät oder durch Seri­ enschaltung von Relaissteuerspule des Umschaltmittels 36 und einer Diode erfolgen. Das Relais 36 hat den Ruhekontakt A und wird bei korrekter Spannung am Fremdladestützpunkt 34 bestromt und schaltet damit nach B. Bei Verpolung sperrt die Diode, das Relais zieht nicht an.
Die Fremdladehilfe geschieht über den ersten DC/DC-Wandler 20 im Abwärtsbetrieb und den zweiten DC/DC-Wandler 22 im Aufwärtsbetrieb. Die beiden Wandler 20, 22 müssen jedoch nicht zwingend zwei getrennte Wandler sein. Heutige DC/DC- Wandler werden teilweise auch als Multiphasenwandler ausge­ führt. D. h. an diesen Wandlern werden mehrere Wandlerzellen kleinerer Leistung parallel geschaltet und die Leistungstei­ le zeitversetzt getaktet. Hiermit können aufgrund von Aus­ löschungseffekten Filterbauteile eingespart werden. Mit Multiphasenwandlern wird es nun möglich, die ersten und zweiten Wandler 20, 22 mit den vorhandenen Phasen eines einzigen Multiphasenwandlers zu realisieren. Hierzu werden die Phasen aufgeteilt in Wandler mit Abwärts- und Aufwärtswandlerfunk­ tion. Die Phasen werden dann wandlerintern über einen Schal­ ter eingangsseitig getrennt.
Die Vorrichtung könnte sinngemäß auch verwendet werden, um am Fremdladestützpunkt 34 durch das Mehrspannungsbordnetz Energie zur Verfügung zu stellen. Als Fremdladestützpunkt 34 könnte beispielsweise der Zigarettenanzünder verwendet wer­ den. Um diesen mit Energie aus dem Mehrspannungsbordnetz zu versorgen, ist ein weiterer Betriebszustand vorzusehen, in dem die beiden Schaltmittel 31, 32 der Fig. 1 geschlossen werden. Soll über den Zigarettenanzünder nun die Energieein­ speisung erfolgen und wird zu diesem Zweck das Starthilfeka­ bel angesteckt, so erkennt eine beispielsweise im Steuerge­ rät integrierte Auswerteeinrichtung, dass eine Spannung ein­ geprägt wird. Daraufhin wird das erste Schaltmittel 31 im Sinne eines Öffnens angesteuert, um wie bereits beschrieben den Ladebetrieb zu erreichen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungs­ bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem Kraftfahrzeug angeordneten Mehrspannungsbordnetz, das zu­ mindest ein erstes und ein zweites Spannungsniveau (18, 28), jeweils von dem Bezugspotential verschieden, bereit­ stellt, das aus zumindest einem elektrischen Energiespei­ cher (12, 24) gespeist ist, mit zumindest einem Wandler (20, 22) zur Verbindung der beiden Spannungsniveaus (18, 28), dadurch gekennzeichnet, dass Einspeisemittel (20, 31, 32, 34, 36) vorgesehen sind zur externen Energieein­ speisung in das Mehrspannungsbordnetz.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisemittel (20, 31, 32, 34, 36) zumindest ein Schaltmittel (32, 36) umfassen, über welches ein Fremdla­ destützpunkt (34) elektrisch leitend mit dem Mehrspan­ nungsbordnetz verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Fremdladestützpunkt (34) über den Wandler (20) mit dem zweiten Spannungsniveau (28) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Einspeisemittel (20, 31, 32, 34, 36) zumindest einen Wandler (20) von einem Span­ nungsniveau (18) des Mehrspannungsbordnetzes abtrennen zur Benutzung dieses Anschlusses als Fremdladestützpunkt (34) für die externe Energieeinspeisung.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schaltmittel (31, 36) vorgesehen ist, um den Wandler (20) von dem er­ sten Spannungsniveau (18) zu trennen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass bei einer exteren Energieein­ speisung der Wandler (20) von dem ersten Spannungsniveau (18) getrennt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest zwei parallel ver­ schaltete Wandler (20, 22) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Wandler (20, 22) zumindest ein Multiphasenwandler vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (31, 32, 36) in Abhängigkeit von einem in Verbindung mit dem Anstecken eines Kabels an den Fremdladestützpunkt (34) hervorgeru­ fenem Schaltmittelsignal angesteuert sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass Verpolschutzmittel (20, 38) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Wandler (20, 22) strom- und/oder spannungsgeregelt betreibbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Wandler (22) im Aufwärts­ betrieb und im Abwärtsbetrieb ansteuerbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Wandler (22) im Normalbe­ trieb im Abwärtsbetrieb und im Ladebetrieb im Aufwärtsbe­ trieb angesteuert ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Fremdladestützpunkt (34) ein Zigarettenanzünder verwendet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Fremdladestützpunkt (34) zur Energieentnahme aus dem Mehrspannungsbordnetz vorge­ sehen ist.
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