DE10155670A1

DE10155670A1 - Stabilisierung eines Bordnetzes durch Erzeugung kurzfristig verfügbarer Energie

Info

Publication number: DE10155670A1
Application number: DE10155670A
Authority: DE
Inventors: Hubert Bischof; Guenter Nasswetter; Helmut Suelzle; Marc Knapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Spannung in einem Energieversorgungssystem, insbesondere in einem KFZ-Bordnetz, das von einer Batterie (1) und einem Generator (2) gespeist wird. Bei schwacher oder ganz ausgefallener Batterie kann das Zuschalten eines neuen Verbrauchers (3, 4, 5) zu einem Spannungseinbruch im System führen. Um dies zu verhindern, wird vorgeschlagen, einen momentan nicht benötigten Verbraucher (3) hilfsweise zuzuschalten. Soll nun ein neuer Verbraucher (4) zugeschaltet werden, wird der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher (3) automatisch abgeschaltet und die dadurch überschüssige Energie auf den neuen Verbraucher (4) umgeschaltet.

Description

Technisches Fachgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Energieversorgungssystems, insbesondere eines KFZ-Bordnetzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Energieversorgung für KFZ-Bordnetze erfolgt in der Regel durch wenigstens eine Batterie und einen Generator. Unter normalen Voraussetzungen hat die Batterie eine ausreichende Speicher- und Pufferwirkung, um die Netzspannung stabil zu halten, das heißt, die Batterie versorgt einen neu zugeschalteten Verbraucher zwischenzeitlich mit Energie, bis der Generator auf ein höheres Leistungsniveau eingeregelt ist.

Zunehmend werden Systeme, wie z. B. elektrohydraulische Bremsen oder elektrische Servolenkungen in Fahrzeugen eingesetzt, für deren Betrieb eine stabile elektrische Energieversorgung wichtig ist. Insbesondere muß die Funktion sicherheitsrelevanter Systeme gewährleistet sein und darf beispielsweise nicht durch unzulässige Spannungseinbrüche gefährdet werden. Bei voller Funktionsfähigkeit der Batterie ist genügend Pufferwirkung vorhanden, um diese Forderung zu erfüllen.

Ist aber die Batterie beispielsweise vor Fahrantritt entleert, und wird das Fahrzeug mit Fremdstarthilfe gestartet, so ist die Pufferwirkung der Batterie nicht ausreichend. Gleiches gilt auch bei einer schwachen oder defekten Batterie, die weniger Reserveleistung bereitstellen kann.

Wird nun ein elektrischer Verbraucher mit ausgeprägtem Anlaufstrom zugeschaltet, so kann der Generator aufgrund der relativ großen Erregerkreiszeitkonstante (circa 50-100 ms) nur vergleichsweise langsam reagieren und die Bordnetzspannung fällt kurzzeitig unter zulässige Werte. Auch Steuergeräte sicherheitsrelevanter Systeme können dadurch kurzzeitig ausfallen. Am Beispiel einer elektrischen Lenkung oder Bremse stellt dies einen sehr kritischen Zustand für die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs dar. Es muß daher das Ziel sein, eine schnelle Spannungsstabilisierung zu erreichen.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei schwacher oder ausgefallener Hauptbatterie eine Hilfsbatterie zuzuschalten, bis die Hauptbatterie aufgeladen oder ausgetauscht wurde. Eine anderweitige Spannungsstabilisierung ist damit nicht erforderlich. Andererseits muß eine zusätzliche Pufferbatterie mit Überwachungselektronik und ein Schaltelement zusätzlich vorgesehen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfachere Methode zur Stabilisierung der Bordnetzspannung zu realisieren.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen momentan nicht benötigten Verbraucher mit ausreichend hoher elektrischer Leistungsaufnahme zuzuschalten, um somit den Generator auf ein höheres Leistungsniveau zu fahren. Wird nun ein weiterer elektrischer Verbraucher eingeschaltet, z. B. die elektrohydraulische Bremse betätigt, wird der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher automatisch ausgeschaltet und die nun überschüssige Energie auf den neuen Verbraucher "umgeschaltet".

Das Ausschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers erfolgt vorzugsweise entweder selbsttätig (durch Selbstauslösung), wenn beim Zuschalten eines neuen Verbrauchers eine vorgegebene Spannungsgrenze unterschritten wird oder mittels einer Steuereinheit, wenn diese z. B. feststellt, dass durch Zuschalten eines neuen Verbrauchers die Spannungsgrenze unterschritten werden würde.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher eine eigene Schalteinrichtung, welche den Verbraucher ausschaltet, wenn die Bordnetzspannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Ausschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers durch eine zentrale Steuereinheit durchgeführt, die den Verbraucher vorzugsweise unmittelbar vor oder gleichzeitig mit dem Zuschalten des neuen Verbrauchers ausschaltet.

Der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher kann dauerhaft zugeschaltet sein oder mittels einer Steuereinrichtung erst dann zugeschaltet werden, wenn die Batterie schwach oder nicht mehr funktionsfähig ist. Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Batterie ist vorzugsweise eine Batteriezustandserkennung vorgesehen, die mit der Steuereinrichtung in Verbindung steht.

Wird der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher zwischenzeitlich vom System (bzw. vom Fahrzeuglenker) benötigt, wird vorzugsweise anstelle dieses Verbrauchers ein anderer, nicht benötigter Verbraucher automatisch eingeschaltet.

Um beim hilfsweisen Einschalten eines Verbrauchers nicht bereits einen Spannungseinbruch zu erzeugen, wird der Verbraucher stufenweise, über eine Rampe, o. ä. (nicht abrupt) eingeschaltet.

Geeignete Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme sind insbesondere Heizungen, z. B. die Heckscheiben- oder Sitzheizung.

Ein hilfsweise zugeschalteter Verbraucher wird vorzugsweise wieder ausgeschaltet, wenn sich die Batterie wieder aufgeladen hat oder ausgetauscht wurde.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen KFZ- Bordnetzes;
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Stabilisierung der Bordnetzspannung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Stabilisierung der Bordnetzspannung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 ein Verfahren zur Stabilisierung der Bordnetzspannung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein elektrisches KFZ-Bordnetz, das von einem Generator 2 und einer Batterie 1 gespeist wird.
Im Bordnetz sind mehrere Verbraucher, darunter eine Heizung 3, ein Motor 4 für die Füllung des Druckspeichers einer elektrohydraulischen Bremse, sowie verschiedene andere Verbraucher 5 angeschlossen. Die Verbraucher 5 umfassen in der Regel abschaltbare und nicht abschaltbare Lasten.
Die Heizung 3 sowie der Motor 4 für die elektrohydraulischen Bremsen (EHB) sind mit einer Schalteinrichtung S ausgestattet, mittels der die jeweiligen Verbraucher 3, 4 abgeschaltet werden können. Die Schalteinrichtungen S sind über Steuerleitungen 11 mit ihren zugehörigen Steuerungen 6,8 (ECU: Electronic Control Unit) verbunden.
Die Steuereinheit 6 übernimmt die Aufgabe eines elektrischen Energiemanagements (EEM) und ist in der Lage, bei Überlastung des Bordnetzes Gegenmaßnahmen einzuleiten, indem z. B. bestimmte Lasten abgeschaltet oder gedimmt werden.
Die Steuerung 6 ist ferner mit einer Motorsteuerung 9 für einen Verbrennungsmotor 10 verbunden, die je nach Bedarf angesteuert wird.
Wie bereits erwähnt, kann es bei schwacher oder nicht mehr funktionsfähiger Batterie 1 zu Spannungseinbrüchen im Bordnetz kommen, wenn größere Verbraucher zugeschaltet werden. Die Steuereinheit 6 als auch die elektrische Steuereinheit 8 (ECU: Electric Control Unit) der elektrohydraulischen Bremse kann dadurch kurzfristig ausfallen. Am Beispiel einer elektrischen Lenkung oder der elektrohydraulischen Bremse stellt dies einen sehr kritischen Zustand für die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs dar. Aus sicherheitstechnischen Erwägungen muß daher eine schnelle Spannungsstabilisierung erfolgen, um derartige Ausfälle zu verhindern.
Eine Methode zur Stabilisierung der Bordnetzspannung ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei wird in Schritt 20 ein nicht benötigter Verbraucher mit ausreichend hoher Leistungsaufnahme eingeschaltet (erfolgt automatisch z. B. durch die Steuereinheit 6). Der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher kann z. B. eine Heizung 3, insbesondere eine Heckscheibenheizung, sein. In diesem Fall wird der Verbraucher dauerhaft zugeschaltet, unabhängig davon, ob die Batterie 1 schwach ist oder nicht.
In Schritt 21 wird nun ein Verbraucher durch einen Nutzer zugeschaltet (der Fahrer schaltet beispielsweise die Sitzheizung ein).
Ist die Batterie 1 schwach oder nicht funktionsfähig, führt dies zu einem Spannungseinbruch im Bordnetz. Bei Unterschreiten einer vorgegebenen Spannungsgrenze (Überprüfung in Schritt 22) schaltet die Schalteinrichtung 5 des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers 3 diesen automatisch ab (Selbstauslösung, Schritt 33).
Ist dagegen die Batterie 1 ausreichend stark, hat sie ausreichend Pufferwirkung, um den neu zugeschalteten Verbraucher mit der benötigten Energie zu versorgen. In diesem Fall wird der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher 3 nicht abgeschaltet.
Parallel dazu können weitere Maßnahmen zur Spannungsstabilisierung im Bordnetz eingeleitet werden. Zum Beispiel kann die Steuerung 6 die Erregung des Generators 2 deutlich erhöhen. Andere leistungserhöhende Maßnahmen sind ebenfalls denkbar.
Fig. 3 zeigt eine andere Methode zur Stabilisierung der Bordnetzspannung, bei der ein zusätzlicher Verbraucher erst dann hilfsweise zugeschaltet wird, wenn die Batterie schwach oder ganz ausgefallen ist, so dass deren Leistungsfähigkeit nicht mehr ausreicht, um einen weiteren Verbraucher ohne Spannungseinbruch zuzuschalten. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Batterie 1 wird in diesem Fall eine Batteriezustandserkennung(BZE) genutzt, die in Schritt 30 die Leistungsfähigkeit der Batterie 1 feststellt. Ein zusätzlicher Verbraucher 3 wird in Schritt 31 erst dann hilfsweise zugeschaltet, wenn die Überprüfung eine schwache oder nicht funktionsfähige Batterie ergeben hat.
Parallel zum Zuschalten eines Verbrauchers kann die Steuerung 6 die Erregung des Generators 2 (Schritt 35) erhöhen oder andere leistungssteigernde Maßnahmen einleiten (Schritt 36). Die Schritte 32 bis 34 entsprechen den Schritten 21 bis 23 von Fig. 2 und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
Die vorgegebene Spannungsgrenze, bei deren Unterschreiten die Schalteinrichtung 5 den hilfsweise zugeschalteten Verbraucher 3 abschaltet, liegt natürlich oberhalb der Ausfallgrenze der Steuereinheit (ECU) 8 für die elektrohydraulischen Bremsen.
Bei dieser Methode wird ein zusätzlicher Verbraucher also nur bei schwacher oder nicht funktionsfähiger Batterie hilfsweise zugeschaltet. Gegenüber der Methode von Fig. 2 kann dadurch beträchtlich an Energie gespart werden.
Fig. 4 zeigt ein weiters Verfahren zur Stabilisierung der Spannung in einem Bordnetz. Auch bei dieser Methode wird eine Batteriezustandserkennung genutzt, um in Schritt 40 die Leistungsfähigkeit der Batterie 1 zu beurteilen und in Schritt 41 gegebenenfalls einen Verbraucher 3 hilfsweise zuzuschalten.
Soll nun ein weiterer Verbraucher, beispielsweise der Pumpenmotor 4 der elektrohydraulischen Bremse eingeschaltet werden, wird dies von der Steuereinheit 6 erkannt, die als Stabiblisierungsmaßnahme dann den hilfsweise zugeschalteten Verbraucher 3 in Schritt 43 ausschaltet und den neuen Verbraucher in Schritt 44 zuschaltet. Das Abschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers 3 erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn das Zuschalten des neuen Verbrauchers zu einem unzulässigen Spannungseinbruch führen würde.
Das hilfsweise Zuschalten des Verbrauchers 3 in den Schritten 20,32 bzw. 41 sollte stufenweise oder über eine Rampe erfolgen, um nicht hier bereits einen Spannungseinbruch zu erzeugen. Bezugszeichenliste 1 Batterie
2 Generator
3 Heizung
4 EHB-Motor
5 Verbraucher
6 Steuereinheit/BZE
7 Generatorregler
8 elektrohydraulische Bremse
9 Motorsteuerung
10 Verbrennungsmotor
11 Steuerleitung
12 Versorgungsleitung
S Schalteinrichtung
20-44 Verfahrensschritte

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung der Versorgungsspannung in einem Energieversorgungssystem, insbesondere einem KFZ- Bordnetz, das von einer Batterie (1), an der mehrere Verbraucher (3, 4, 5) angeschlossen sind, und einem Generator (2) gespeist wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte

- hilfsweises Einschalten eines elektrischen Verbrauchers (3), um die von Generator (2) gelieferte Leistung zu erhöhen, und

- Ausschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers (3), wenn eine Versorgungsspannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt oder durch Einschalten eines neuen Verbrauchers (4, 5) absinken würde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Überprüfen der Leistungsfähigkeit der Batterie (1) mittels einer Batteriezustandserkennung (6), und

- hilfsweises Einschalten des nicht benötigten Verbrauchers (3), wenn eine schwache oder ausgefallene Batterie festgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers (3) durch Selbstauslösung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschalten des hilfsweise zugeschalteten Verbrauchers (3) mittels einer Steuereinheit (6) erfolgt.

5. verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- hilfsweises Einschalten eines weiteren nicht benötigten Verbrauchers (5), wenn der erste hilfsweise eingeschaltete Verbraucher (3) von einem Benutzer eingeschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher (3) eine Schalteinrichtung (S) aufweist, die den Verbraucher (3) bei Unterschreiten einer Spannungsgrenze automatisch abschaltet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hilfsweise zugeschaltete Verbraucher (3) eine Heizung, insbesondere eine Heckscheiben- oder Sitzheizung ist.

8. Verfahren nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem hilfsweise zugeschalteten Verbraucher (3) weitere Verbraucher (5) abgeschaltet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) den hilfsweise zugeschalteten Verbraucher (3) abschaltet und anschließend einen weiteren Verbraucher (4, 5) zuschaltet.