DE10160266A1 - Verfahren und Anordnung zur Ruhestromversorgung eines Fahrzeugs mit einem Mehrspannungsbordnetz - Google Patents

Abstract

Für einen möglichst einfachen und niedrigen Ruhestrombetrieb bei einem möglichst geringem Kabelaufwand werden bei einem Verfahren zur Ruhestromversorgung eines Fahrzeugs mit einem Mehrspannungsbordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen, welche im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, erfindungsgemäß bei Motorstillstand die Spannungsniveaus der Teilbordnetze auf einen einheitlichen Wert abgesenkt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ruhestromversorgung eines Fahrzeugs mit einem Mehrspannungsbordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen.
• Ein herkömmliches Mehrspannungsbordnetz ist beispielsweise aus der DE 199 21 451 A1 bekannt. Das Mehrspannungsbordnetz umfaßt dabei mehrere Bordnetzkreise oder Teilbordnetze mit unterschiedliche Spannungen aufweisenden Stromversorgungsquellen für jeweils entsprechend ausgebildete Verbraucher. Dabei werden mittels der Teilbordnetze dezentrale elektronische Steuergeräte zur Steuerung und Regelung von zugehörigen Verbrauchern mit Strom versorgt. Je nach Art und Ausführung des Mehrspannungsbordnetzes werden die Teilbordnetze mittels eines gemeinsamen Generators mit Strom versorgt, der direkt eines der Teilbordnetze, insbesondere das Teilbordnetz für Hochlastverbraucher und Starterbereich, mit Strom versorgt. Diesem Teilbordnetz ist eine eigene Batterie, z. B. im Falle eines 42 V-Teilbordnetzes eine 36 V-Batterie, zugeordnet. Die einem weiteren Teilbordnetz zugehörigen 14 V-Verbraucher sind über einen Gleichspannungswandler, einem sogenannten DC/DC-Wandler, an den Generator angeschlossen. Dieses Teilbordnetz verfügt über eine eigene zugehörige Batterie, insbesondere 12 V-Batterie. Eine derartige Vernetzung und Dezentralisierung von elektronischen Steuergeräten führt in Fahrzeugen mit hohem Ausstattungsgrad zu Problemen bei einer langfristigen Energieversorgung mittels der Batterie, insbesondere zu Problemen mit der sogenannten Weckfähigkeit der Steuergeräte bei längeren Standzeiten des Fahrzeugs, z. B. an Flughäfen.
• Zur Aufrechterhaltung der sogenannten Weckfähigkeit der Steuergeräte werden diese daher üblicherweise während des Stillstands des Fahrzeugs mit geringem Strom versorgt. Wird nun ein Steuergerät aufgeweckt, sei es durch einen externen Vorgang, z. B. einem Schließvorgang, oder durch einen internen Fehler, so werden die Steuergeräte automatisch über ein Bussystem, einem CAN-Bus beispielsweise, geweckt und aktiviert. Dies führt zu einer erhöhten Stromaufnahme und zu einer deutlichen Verringerung der Energiereserven. Zur Stabilisierung der Bordnetzspannung im Spitzenstrombedarf wird daher bei einem Zweispannungsbordnetz üblicherweise eine Batterie mit hohem Spannungsniveau verwendet, die nicht zur Ruhestromversorgung herangezogen. Zur Ruhestromversorgung wird insbesondere eine weitere Batterie mit einer geringeren Spannung verwendet. Für eine derartige Ruhestromversorgung sind die Steuergeräte mit der höheren Spannung zusätzlich mit dem Energiespeicher des Teilbordnetz der niederen Spannung verkabelt. Dies führt zu einer besonders aufwendigen Verkabelung. Darüber hinaus ist das Problem, daß fehlerhafte Steuergeräte zum Wecken des Bussystems und damit zur Aktivierung sämtlicher Steuergeräte führen, nicht beseitigt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ruhestromversorgung eines Fahrzeugs mit einem Mehrspannungsbordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen, welche im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, anzugeben, welches eine möglichst einfache und geringe Ruhestromversorgung des gesamten Mehrspannungsbordnetzes mit einem möglichst geringen Kabelaufwand ermöglicht. Desweiteren ist eine besonders einfach ausgeführte Anordnung zur Ruhestromversorgung anzugeben.
• Die erstgenannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zur Ruhestromversorgung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Motorstillstand die Spannungsniveaus der Teilbordnetze auf einen einheitlichen Wert abgesenkt werden. Durch ein derartiges einheitliches Absenken des Spannungsniveaus in allen Teilbordnetzen ist eine separate Verkabelung von Verbrauchern mit einer die Ruhestromversorgung sichernden Batterie sicher vermieden. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige direkte Aufschaltung eines der Teilbordnetze auf das oder die anderen Teilbordnetze, daß alle Verbraucher und somit auch deren Steuergeräte aller Teilbordnetze versorgt werden. Zweckmäßigerweise entspricht der einheitliche Wert in etwa dem Wert des niedrigsten Spannungsniveaus aller Teilbordnetze. Hierdurch ist zum einen eine möglichst geringe Ruhestromentnahme gesichert. Zum anderen ist sichergestellt, daß die den Spitzenstrombedarf abdeckende Batterie nicht zur Ruhestromversorgung verwendet wird. Vorzugsweise werden die Spannungsniveaus auf einen einheitlichen Wert von etwa 6 V bis 14 V abgesenkt. Somit ist auch die Versorgung von Verbrauchern höherer Spannung möglich. Bei einer Ruhestromversorgung ist ein daraus resultierendes langsameres Ansprechen, gegebenenfalls auch mit reduzierter Wirkung, ausreichend.
• Vorzugsweise werden die Teilbordnetze vom jeweils zugehörigen Energiespeicher getrennt und mittels eines Verbindungselements derart miteinander verbunden, daß die Ladung aus dem den Ruhestrombetrieb sichernden Energiespeicher entnommen wird. Dies ist eine besonders einfache und eine aufwendige Verkabelung vermeidende Ausführungsform.
• Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Ruhestromversorgung in einem Mehrspannungsbordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen, welche im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, gelöst, wobei bei Motorstillstand ein Trennelement zum Trennen der Teilbordnetze vom jeweils zugehörigen Energiespeicher und ein Verbindungselement zum Verbinden der Teilbordnetze mit einem der Energiespeicher vorgesehen sind. Hierdurch ist sichergestellt, daß lediglich einer der Energiespeicher zur Versorgung aller Verbraucher im Ruhestrombetrieb verwendet wird. Darüber hinaus kann die bestehende Verkabelung verwendet werden. Eine zusätzliche Verkabelung aller Verbraucher mit der den Ruhestrombetrieb sichernden Batterie ist sicher vermieden, da die Teilbordnetze mittels eines einfachen Verbindungselements derart verbunden werden, daß Ladung nur aus der den Ruhestrombetrieb sichernden Batterie entnommen wird.
• Zweckmäßigerweise ist das Verbindungselement derart ausgebildet, daß die Teilbordnetze im Normalbetrieb entkoppelt sind. Bevorzugt ist das Verbindungselement als Halbleiterelement ausgebildet. Das Halbleiterelements weist im Ruhestrombetrieb eine möglichst gute Durchlaßeigenschaft und im Normalbetrieb eine sehr gute Sperreigenschaft auf. Zweckmäßigerweise umfaßt das Verbindungselement mindestens eine Diode oder mindestens ein Transistorelement. Je nach Art und Ausführung des Mehrspannungsbordnetzes sind die Teilbordnetze mittels einer Diode oder mehreren in Reihe geschalteten Dioden miteinander verbunden.
• Im Normalbetrieb sind die Teilbordnetze vorzugsweise mittels eines DC/DC-Wandlers miteinander verbunden. Hierdurch sind Teilbordnetze verschiedener Spannungsniveaus im Normalbetrieb sicher entkoppelt. Zur Verbindung der Teilbordnetze im Ruhestrombetrieb ist das Verbindungselement bevorzugt parallel zum DC/DC-Wandler angeordnet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Ruhestromversorgung eines Mehrspannungsbordnetzes eine Fahrzeugs mit einem Verbindungselement zur Verbindung von zwei Teilbordnetzen, und
• Fig. 2 schematisch eine alternative Ausführungsform der Anordnung 1 nach Fig. 1.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Ruhestromversorgung in einem Mehrspannungsbordnetz 2. Das Mehrspannungsbordnetz 2 umfaßt ein erstes Teilbordnetz 4 mit einer ersten Versorgungsspannung von 42 V für zugehörige Verbraucher 6 und ein zweites Teilbordnetz 8 mit einer zweiten Versorgungsspannung von beispielsweise 12 V für zugehörige Verbraucher 10. Dem jeweiligen Teilbordnetz 4 und 8 ist ein Energiespeicher 12 bzw. 14 zugeordnet. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise eine 36 V-Batterie und der Energiespeicher 14 eine 12 V-Batterie oder sogenannte Superkondensatoren.
• Je nach Art und Ausführung des Mehrspannungsbordnetzes 2 können die Teilbordnetze 4, 8 und deren Energiespeicher 12, 14 andere Spannungsniveaus aufweisen bzw. mehr als zwei Teilbordnetze 4 und 8 mit unterschiedlichen Spannungsniveaus vorgesehen sein. Im Normalbetrieb des Mehrspannungsbordnetzes 2 sind die beiden Bordnetzkreise oder Teilbordnetze 4 und 8 mittels eines Gleichspannungswandlers 16 miteinander verbunden. Über den Gleichspannungswandler 16, z. B. einen DC/DC-Wandler, sind die beiden Teilbordnetze 4 und 8 voneinander entkoppelt, wobei über den Gleichspannungswandler 16 ein gerichteter Energiefluß vom Teilbordnetz 4 mit hohem Spannungsniveau von 42 V zum Teilbordnetz 8 mit niedrigem Spannungsniveau von 12 V ausgeführt wird.
• Bevorzugt werden mittels des Teilbordnetzes 4 Steuergeräte 6 von sicherheitsrelevanten Systemen, z. B. elektromechanische Bremsen, versorgt. Mittels des Steuergerätes 6 werden zum einen Aktoren 18 der sicherheitsrelevanten Systeme mit der hohen Spannung von 42 V gesteuert. Darüber hinaus dient das Steuergeräte 6 auch zur Ansteuerung von Sensoren 20 mit geringerer Spannung von 12 V. Das Teilbordnetz 8 mit dem niedrigen Spannungsniveau von 12 V versorgt die Steuergeräte 10 und diese wiederum steuern zugehörige Verbraucher 21.
• Im Normalbetrieb des Fahrzeugs sind alle Steuergeräte 6 und 10 aktiviert und werden mittels des jeweiligen Teilbordnetzes 4 bzw. 8 versorgt. Dazu ist ein dem jeweiligen Teilbordnetz 4 oder 8 zugeordnetes Trennelement 22 bzw. 24 geschlossen. D. h. die Steuergeräte 6 mit hohem Spannungsniveau sind über einen Leitungsverbindungsweg 26 mit dem zugehörigen Energiespeicher 12 zum Teilbordnetz 4 verbunden. Die Steuergeräte 10 mit niedrigem Spannungsniveau sind über einen Leitungsverbindungsweg 28 mit dem zugehörigen Energiespeicher 14 zum Teilbordnetz 8 verbunden.
• Beim Stillstand des Fahrzeugs sind üblicherweise nur einige wenige Steuergeräte 6 oder 10 in Betrieb. Zur Begrenzung einer derartigen Ruhestromentnahme sowie zur Sicherstellung der Startfähigkeit des Fahrzeugs auch bei einem längeren Stillstand werden die Spannungsniveaus der Teilbordnetze 4 und 8 auf einen einheitlichen Wert, bevorzugt auf den Wert des niedrigsten Spannungsniveaus aller Teilbordnetze 4 und 8, abgesenkt. Dazu werden die Teilbordnetze 4 und 8 mittels des betreffenden Trennelements 22 bzw. 24 vom jeweils zugehörigen Energiespeicher 12 bzw. 14 getrennt und mittels eines Verbindungselements 30 mit dem Energiespeicher 14 verbunden. Das Verbindungselement 30 ist dabei parallel zum Gleichspannungswandler 16 angeordnet.
• Je nach Art und Ausführung können die Teilbordnetze 4 und 8 auch mit dem anderen Energiespeicher 12 verbunden sein. Bevorzugt wird der Energiespeicher 14 mit niedrigem Spannungsniveau verwendet. Dies ermöglicht, daß Steuergeräte 6 mit hohem Spannungsniveau, z. B. für eine Diebstahlwarnanlage, welche nicht abgeschaltet werden dürfen, über das Verbindungselement 30 vom Energiespeicher 14 des anderen Teilbordnetzes 8 versorgt werden. Eine zusätzliche Verkabelung der Steuergeräte 6 mit dem betreffenden Energiespeicher 14 entfällt somit.
• Das Verbindungselement 30 ist bevorzugt aus mindestens einem Halbleiterelement 32 und ggf. einem Sicherungselement 34 gebildet. Mittels des Halbleiterelements 32 wird das 42 V- Teilbordnetz 4 an den 12 V-Energiespeicher 14 angeschlossen. Als Halbleiterelement 32 wird bevorzugt mindestens eine Diode oder ein Transistor verwendet.
• Im Normalbetrieb, d. h. die Spannung von 42 V im Teilbordnetz 4 ist größer als die Spannung von 12 V im Teilbordnetz 8, sperrt das Halbleiterelement 32 den Energiefluß vom Teilbordnetz 4 zum Teilbordnetz 8. Die beiden Teilbordnetze 4 und 8 sind somit über die Verbindung des Halbleiterelements 32 voneinander entkoppelt. Wird nun das Fahrzeug abgestellt, so werden die Trennelemente 22 und 24 geöffnet. Das Spannungsniveau in den Teilbordnetzen 4 und 8 sinkt ab. Sinkt die Spannung dabei im Teilbordnetz 4 unter die Spannung des 12 V-Energiespeichers 14, so öffnet das Halbleiterelement 32 und die Steuergeräte 6 des Teilbordnetzes 4 sowie die Steuergeräte 10 des Teilbordnetzes 8 werden vom 12 V-Energiespeicher 14 versorgt. Somit wird im Ruhestrombetrieb das Spannungsniveau in den Teilbordnetzen 4 und 8 auf den einheitlichen Wert von 12 V gesenkt. Dadurch wird es möglich, daß im Ruhebetrieb notwendige Sensoren 20 aktiv bleiben, die in der Regel mit Spannung von 12 V betrieben werden. Werden mittels dieser Sensoren 20 beispielsweise Ereignisse erfaßt, die es notwendig machen, daß der Energiespeicher 12 mit hohem Spannungsniveau von 42 V zugeschaltet wird, oder dass andere Steuergeräte 6 oder 10 aktiviert werden, so werden die betreffenden Trennelemente 22 und 24 wieder geschlossen.
• Um eine möglichst hohe Sicherheit gewährleisten zu können, kann das Halbleiterelement 32 aus mehreren hintereinander geschalteten Dioden bestehen. Kommt es zu einer Durchlegierung bei der Diode, so ist zweckmäßigerweise die Sicherung 34 in Reihe zur Diode geschaltet. Hierdurch ist ein Kurzschluß von verschiedenen Spannungsebenen sicher vermieden. Alternativ zur Diode kann als Halbleiterelement 32 ein Transistor verwendet werden.
• In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung 1 dargestellt. Bedingt durch große elektrische Verbraucher 6 im Teilbordnetz 4 mit dem hohen Spannungsniveau von 42 V, sind dem Teilbordnetz 4 Kondensatoren 36 mit großen Kapazitäten zugeordnet. Sind die Kondensatoren 36 entladen und wird das Trennelement 22 des betreffenden Teilbordnetzes 4 nach dem Ruhestrombetrieb wieder geschlossen, so stellt der Kondensator 36 nahezu einen Kurzschluß dar. Um dies zu vermeiden, ist ein Sicherungselement 38 vorgesehen, welches beim Aufschalten der Spannung durch einen daraus resultierenden großen Stromfluß auslöst. Durch das erfindungsgemäße Verbindungselement 30, welches parallel zum Gleichspannungswandler 16 angeordnet ist, wird der Kondensator 36 während des Ruhestrombetriebs vorgeladen, so daß der Strom begrenzt wird. Sollte der daraus resultierende Ladestrom nicht ausreichen, so kann bei Umschalten auf den Normalbetrieb zunächst das Trennelement 24 geschlossen werden, wodurch über den Gleichspannungswandler 16 die Spannung am Kondensator 36 angehoben wird. Analog dazu wird beim Abtrennen der Energiespeicher 12 und 14, zunächst nur das Trennelement 22 zum Trennen des Energiespeichers 12 geöffnet. Hierbei kann dann der Kondensator 36 zum einen über die Ruhestromentnahme der Verbraucher 6 und 10 entladen werden. Zum anderen könnte aus Sicherheitsgründen der Kondensator 36 auch über den Gleichspannungswandler 16 zur Aufladung der Energie der 12 V-Batterie 14 entladen werden. Die Anordnung 1 ermöglicht somit in besonders einfacher Weise bei einem Zwei- oder Mehrspannungsbordnetz eine Ruhestromeinsparung bei Motorstillstand. Dadurch wird mindestens einer der Energiespeicher 12 oder 14 erheblich geschont.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ruhestromversorgung eines Fahrzeugs mit einem Mehrspannungsbordnetz (2) mit mindestens zwei Teilbordnetzen (4, 8), welche im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motorstillstand die Spannungsniveaus der Teilbordnetze (4, 8) auf einen einheitlichen Wert abgesenkt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einheitliche Wert in etwa dem Wert des niedrigsten Spannungsniveaus aller Teilbordnetze (4, 8) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsniveaus auf einen einheitlichen Wert von etwa 6 V bis 14 V abgesenkt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbordnetze (4, 8) vom jeweils zugehörigen Energiespeicher (12, 14) getrennt und mittels eines Verbindungselements (30) derart miteinander verbunden werden, daß Ladung aus einem den Ruhestrombetrieb sichernden Energiespeicher entnommen wird.

5. Anordnung (1) zur Ruhestromversorgung in einem Mehrspannungsbordnetz (2) mit mindestens zwei Teilbordnetzen (4, 8), welche im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motorstillstand ein Trennelement (22, 24) zum Trennen der Teilbordnetze (4, 8) vom jeweils zugehörigen Energiespeicher (12, 14) und ein Verbindungselement (30) zum Verbinden der Teilbordnetze (4, 8) mit einem der Energiespeicher (4, 8) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (30) im Normalbetrieb zur Entkopplung der Teilbordnetze (4, 8) ausgebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (30) als Halbleiterelement (32) ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (30) mindestens eine Diode oder mindestens ein Transistorelement umfaßt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb die Teilbordnetze (4, 8) mittels eines DC/DC-Wandlers (16) miteinander verbunden sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (30) parallel zum DC/DC-Wandler (16) angeordnet ist.