DE102004001025B3 - Automobile onboard electrical network has power network for engine starter motor selectively coupled to voltage supply network via switching device containing voltage converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a motor vehicle electrical system according to the preamble of the claim 1.
Bleibatterien sind als elektrische Energiespeicher in Kraftfahrzeugen weit verbreitet. Eine Eigenart von Bleibatterien liegt darin, dass mit abnehmendem Ladezustand deren Innenwiderstand überproportional ansteigt. Verbraucher mit geringem Leistungsbedarf können dann zwar weiterhin versorgt werden; Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, wie Anlasser, elektrische Servolenkung usw., können jedoch nicht mehr versorgt werden, da die Bordnetzspannung zusammenbricht, auch wenn der hohe Leistungsbedarf nur kurzzeitig besteht.lead-acid batteries are widely used as electrical energy storage in motor vehicles. A peculiarity of lead acid batteries is that with decreasing State of charge whose internal resistance increases disproportionately. consumer with low power requirements then continue to be supplied; Consumers with high power requirements, such as Starter, electric power steering, etc., but can no longer be supplied be, because the vehicle electrical system voltage collapses, even if the high power requirement only exists for a short time.
Aus dem vorstehenden Grund wurde vorgeschlagen, zwei Batterien zu verbauen, eine erste als Leistungsspeicher beispielsweise zur Versorgung des Anlassers und eine zweite als Versorgungsspeicher für die Versorgung der "normalen" Verbraucher. Der Ladezustand des Leistungsspeichers soll dabei möglichst hoch gehalten werden, wohingegen der Versorgungsspeicher so weit entladen werden darf, wie es die Spannungsunempfindlichkeit der Verbraucher zulässt.Out For the above reason, it has been proposed to install two batteries, a first as a power storage, for example, to supply the Starter and a second as supply storage for the supply the "normal" consumer. Of the Charge state of the power memory should be kept as high as possible, whereas the supply store may be discharged as far as it allows the voltage insensitivity of consumers.
Im
Oberbegriff des beigefügten
Anspruchs 1 wird von der
In
der
In
der
In
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Leistungsspeicher und einem Versorgungsspeicher zu schaffen, das einerseits gewährleistet, dass für das Anlassen des Verbrennungsmotors möglichst zuverlässig Energie zur Verfügung steht, und andererseits sicherstellt, dass die Energieverbraucher sicher versorgt werden, wobei die Schalteinrichtung zur zweckentsprechenden Schaltung der Speicher kostengünstig sein soll.Of the Invention is based on the object, a motor vehicle electrical system with a performance memory and a supply memory to create that on the one hand ensures that for Starting the engine as reliable as possible energy to disposal on the one hand, and on the other, it ensures that energy consumers be supplied safely, the switching device for appropriate Circuit of the memory to be cost-effective should.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved with the features of claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetz ist gewährleistet, dass der Leistungsspeicher bei stehendem Motor nicht entladen wird, bei laufendem Motor zuverlässig über den Spannungswandler, der in einfacher Weise durch einen niederohmigen Widerstand gebildet sein kann, nachgeladen wird und ein entladener Versorgungsspeicher keine nachteiligen Auswirkungen auf das Anlassen des Verbrennungsmotors durch den Leistungsspeicher hat.at the motor vehicle electrical system according to the invention is guaranteed that the power storage is not discharged when the engine is stopped, reliably with the engine running over the Voltage transformer, in a simple way by a low-impedance Resistance can be formed, recharged and a discharged Supply storage does not adversely affect the start of the Internal combustion engine through the power storage has.
Der Anspruch 2 ist auf Details einer Ausführungsform des Kraftfahrzeugbordnetzes gerichtet, deren Schaltzustände Gegenstand der Ansprüche 3 bis 6 ist.Of the Claim 2 is to details of an embodiment of the motor vehicle electrical system directed, their switching states Subject of the claims 3 to 6 is.
Der Anspruch 7 ist auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes gerichtet, deren Schaltzustände Gegenstand der Ansprüche 8 und 9 ist.Of the Claim 7 is a further embodiment of the motor vehicle electrical system according to the invention directed, their switching states Subject of the claims 8 and 9 is.
Der Anspruch 10 kennzeichnet eine einfache Ausführungsform des Spannungswandlers.Of the Claim 10 indicates a simple embodiment of the voltage converter.
Die Ansprüche 11 und 12 sind auf spezielle Schaltzustände des Spannungswandlers gerichtet.The claims 11 and 12 are directed to specific switching states of the voltage converter.
Der Anspruch 13 kennzeichnet die Zuordnung von Verbrauchern zum Leistungsnetz und zum Versorgungsnetz.Of the Claim 13 identifies the assignment of consumers to the power network and to the supply network.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention will be described below with reference to schematic drawings, for example, and with further details explained.
In den Zeichnungen stellen dar:In The drawings show:
Im folgenden wird das Wort Bordnetz in dem Sinn benutzt, dass es den gesamten elektrischen Umfang, d.h. alle Speicher elektrischer Energie, Verbraucher elektrischer Energie und den von einem vorzugsweise als Verbrennungsmotor ausgebildeten Motor antreibbaren Generator mit Schalteinrichtungen zur Herstellung unterschiedlicher Schaltzustände umfasst. Das Bordnetz ist in ein Leistungsnetz und ein Versorgungsnetz unterteilt, wobei das Leistungsnetz insbesondere Energieverbraucher mit kurzzeitig hohem Leistungsbedarf umfasst und vorzugsweise solche Energieverbraucher, die für das Anlassen des Motors zwingend erforderlich sind. Kriterium für die Zuordnung von Energieverbrauchern mit hohem Leistungsbedarf für das Leistungsnetz ist der Quotient aus maximalem Leistungsbedarf (beispielsweise gemittelt über 200 ms) und durchschnittlichem Leistungsbedarf während eines typischen, kurzen Fahrzyklus. Dieser Quotient liegt bei einem Anlasser bei etwa 500, bei einer elektrischen Servolenkung bei etwa 50 und bei einer heizbaren Heckscheibe bei 1. Verbraucher mit einem Quotienten von etwa über 5, die während des Stillstandes des Verbrennungsmotors nicht aktiviert werden können, werden dem Leistungsnetz bzw. dem Speicher elektrischer Energie, der dem Leistungsnetz zugeordnet ist, im folgenden als Leistungsspeicher bezeichnet, zugeordnet. Alle anderen Verbraucher werden dem Versorgungsnetz zugeordnet, dem als Speicher elektrischer Energie ein Versorgungsspeicher zugeordnet ist. Leistungsspeicher und Versorgungsspeicher sind beispielsweise als herkömmliche Batterien ausgebildet, wobei der Leistungsspeicher auf die kurzzeitige Entnahme hoher Leistungen ausgelegt ist, wohingegen der Versorgungsspeicher auf die Langzeitversorgung der anderen Verbraucher ausgelegt ist. Die Versorgungsspeicher können auch durch geeignete Kondensatoren oder andere Vorrichtungen zum Speichern elektrischer Energie gebildet sein.in the Following is the word on-board network used in the sense that it is the total electrical circumference, i. all stores of electrical energy, Consumers of electrical energy and one of preferably designed as an internal combustion engine engine driven generator comprising switching devices for producing different switching states. The electrical system is divided into a power network and a supply network, the power network in particular energy consumers with short-term high power requirement and preferably such energy consumers, the for starting the engine is absolutely necessary. Criterion for the assignment of energy consumers with high power requirements for the power network is the quotient of maximum power requirement (for example, averaged over 200 ms) and average power requirements during a typical, short Driving cycle. This quotient is about 500 for a starter, in an electric power steering at about 50 and a heatable Rear window at 1st consumer with a quotient of about 5, the while standstill of the internal combustion engine can not be activated the power network or the memory of electrical energy, the Power network is assigned, in the following as a performance memory designated, assigned. All other consumers become the utility network assigned to the memory of electrical energy as a supply storage assigned. Performance memory and supply memory are for example as conventional Batteries formed, the power storage on the short-term Taking high-performance is designed, whereas the supply storage is designed for the long-term care of other consumers. The supply memories can also by suitable capacitors or other devices for Store electrical energy to be formed.
I. Erste AusführungsformI. First embodiment
Das
Kraftfahrzeugbordnetz enthält
ein oder mehrere Steuergeräte
Die
Schaltvorrichtung
Der
Widerstand
Das
Schaltelement
Der
Aufbau der Schaltvorrichtung
Die
Schaltelemente
Im
folgenden werden einige wesentliche Schaltzustände des Bordnetzes der
- a)
Bei nicht laufendem Verbrennungsmotor (stehendem Generator
14 ) besteht keine leitende Verbindung zwischen Leistungsnetz und Versorgungsnetz, d.h. die Schaltelemente26 und30 sind offen. Es besteht eine leitende Verbindung zwischen dem Versorgungsspeicher20 und dem Versorgungsnetz12 , d.h. das Schaltelement36 ist geschlossen. - b) Bei laufendem Verbrennungsmotor (laufendem Generator
14 ) ist das Versorgungsnetz12 mit dem Versorgungsspeicher20 verbunden, d.h. das Schaltelement36 ist geschlossen. Weiter ist das Versorgungsnetz12 über dem als Spannungswandler wirkenden Widerstand28 mit dem Leistungsnetz2 verbunden, d.h. das Schaltelement30 ist geschlossen und das Schaltelement26 ist offen. - c) Bei entladenem Versorgungsspeicher
20 läuft ein Anlassvorgang wie folgt ab: Das Schaltelement30 wird geschlossen, so dass das Leistungsnetz und das Versorgungsnetz über den Spannungswandlerwiderstand28 , der bei hohen Stromstärken die Spannung absenkt, verbunden sind. Anschließend wird das Schaltelement36 geöffnet, so dass das Versorgungsnetz12 vom Versorgungsspeicher20 getrennt ist. Anschließend wird das Schaltelement26 geschlossen, so dass das Leistungsnetz und das Versorgungsnetz unmittelbar miteinander verbunden sind. Anschließend wird der Anlasser4 in Betrieb gesetzt. Die Spannung des Generators14 wird auf ca. 13 Volt begrenzt und der Energieverbrauch von eine hohe Leistung brauchenden Verbrauchern wird erforderlichenfalls eingeschränkt. Das Schaltelement26 zwischen Versorgungsnetz und Leistungsnetz wird anschließend geöffnet. Daraufhin wird das Schaltelement36 zwischen Versorgungsnetz und Versorgungsspeicher20 geschlossen. Schließlich wird die Generatorspannung angehoben und die volle Funktionsfähigkeit der Verbraucher wird zugelassen. - d) Wenn die Spannung im Versorgungsnetz 13 Volt unterschreitet,
wird der durch den Widerstand
28 fließende Strom durch Öffnung des Schaltelements30 auf Null reduziert. - e) Wenn eine kritische Spannung im Versorgungsnetz bei laufendem
Generator
14 unterschritten wird, wird das Schaltelement26 zwischen Leistungsnetz und Versorgungsnetz geschlossen und erst bei einer Spannung von etwa 13 Volt wieder geöffnet. Zusätzlich kann in die Betätigung des Schaltelements Information über den Ladezustand des Versorgungsspeichers20 einfließen. - f) Wenn im Leistungsnetz
2 bei eingeschalteter Zündung eine kritische Spannung unterschritten wird, wird das Schaltelement26 zwischen Leistungsnetz und Versorgungsnetz geschlossen und erst bei einer Spannung im Leistungsnetz von etwa 13 Volt wieder geöffnet. Zusätzlich kann in die Betätigung des Schaltelements Information über den Ladezustand des Leistungsspeichers8 einfließen. - g) Wenn bei laufendem Generator
4 ein niedriger Ladezustand des Leistungsspeichers8 festgestellt wird, wird die Generatorspannung auf etwa die Spannung des Leistungsspeichers abgesenkt und das Schaltelement26 zwischen Versorgungsnetz und Leistungsnetz geschlossen. Das Schaltelement wird erst dann wieder geöffnet, wenn der Stromfluss vom Generator zum Leistungsnetz abgeklungen ist. Der vorgenannte Vorgang sollte nur nach einem Anlassvorgang aktiviert werden. - h) Wenn eine Überhitzung
des Widerstandes
28 festgestellt wird oder zu hohe Spannungen am Leistungsspeicher8 festgestellt werden, wird das Schaltelement30 getaktet betrieben, beispielsweise mit einer Frequenz von 200 Hz.
- a) When the internal combustion engine is not running (stationary generator
14 ) there is no conductive connection between the power network and the supply network, ie the switching elements26 and30 are open. There is a conductive connection between the supply memory20 and the supply network12 ie the switching element36 is closed. - b) When the combustion engine is running (running generator
14 ) is the supply network12 with the supply storage20 connected, ie the switching element36 is closed. Next is the supply network12 above the resistance acting as a voltage transformer28 with the power network2 connected, ie the switching element30 is closed and the switching element26 is open. - c) With discharged supply storage
20 a starting process takes place as follows: The switching element30 is closed so that the power network and the supply network via the voltage transformer resistance28 , which lowers the voltage at high currents, are connected. Subsequently, the switching element36 opened, so that the supply network12 from the supply store20 is disconnected. Subsequently, the switching element26 closed, so that the power grid and the supply network are directly connected. Subsequently, the starter4 put into operation. The voltage of the generator14 is limited to approximately 13 volts, and the power consumption of high power consuming consumers is reduced if necessary. The switching element26 between supply network and power network is then opened. Then the switching element36 between supply network and supply storage20 closed. Finally, the generator voltage is raised and the full functionality of the consumers is allowed. - d) If the voltage in the supply network falls below 13 volts, that is due to the resistance
28 flowing current through opening of the switching element30 reduced to zero. - e) If there is a critical voltage in the mains when the generator is running
14 is fallen below, the switching element26 closed between the power grid and the supply network and reopened only at a voltage of about 13 volts. In addition, in the operation of the switching element information about the state of charge of the supply memory20 incorporated. - f) If in the power network
2 when the ignition is switched off, a critical voltage is reached, the switching element becomes26 closed between the power grid and the supply network and reopened only at a voltage in the power network of about 13 volts. In addition, in the operation of the switching element information about the state of charge of the power storage8th incorporated. - g) If the generator is running
4 a low charge state of the power memory8th is determined, the generator voltage is lowered to about the voltage of the power storage and the switching element26 closed between supply network and power network. The switching element is only opened again when the current flow has decayed from the generator to the power network. The above procedure should only be activated after a startup procedure. - h) If overheating of the resistor
28 is detected or too high voltages on the power memory8th be determined, the switching element30 operated clocked, for example, with a frequency of 200 Hz.
Mit den vorgenannten Schaltzuständen werden folgende Vorteile erzielt:With the aforementioned switching states the following advantages are achieved:
-
– Der
Leistungsspeicher
8 wird bei stehendem Verbrennungsmotor nicht entladen und verfügt stets über ausreichende Energie zum Anlassen des Verbrennungsmotors.- The performance memory8th is not discharged when the internal combustion engine is stationary and always has enough energy to start the internal combustion engine. -
– Bei
fehlerfreiem Versorgungsnetz wird der Leistungsspeicher
8 nicht durch das Versorgungsnetz entladen.- If the supply network is faultless, the power memory becomes8th not discharged through the supply network. -
– Der
Versorgungsspeicher
20 kann, ohne dass die Anlassfähigkeit gefährdet ist, vollständig entladen werden.- The supply storage20 can be completely discharged without endangering the ability to start. -
– Die
Schaltelemente
26 ,30 und36 können, insbesondere wenn sie als Relais ausgebildet sind, zum Brandschutz im Falle eines Unfalles dienen.- The switching elements26 .30 and36 can, especially if they are designed as a relay, serve for fire protection in the event of an accident. -
– Die
Schaltvorrichtungen
10 und18 können kostengünstig ausgeführt werden. Die Leistungsabgabe des 0,1 Ω Widerstandes28 erfordert jedoch etwas Aufwand bei der Kühlung. Lediglich in dem Fall, in dem der über einen kurzen Fahrzyklus gemittelte Leistungsbedarf im Leistungsnetz einen Wert von etwa 100 Watt übersteigt, sollte anstelle des durch einen niederohmigen Widerstand gebildeten Wandlers ein DC/DC-Wandler eingesetzt werden.- The switching devices10 and18 can be carried out inexpensively. The power output of the 0.1 Ω resistor28 however, requires some effort in cooling. Only in the case where the short-cycle power demand in the power network exceeds about 100 watts, a DC / DC converter should be used in place of the converter formed by a low-resistance resistor. -
– Der
Leistungsspeicher
8 befindet sich vorzugsweise im vorderen Teil eines Kraftfahrzeugs. Der Versorgungsspeicher20 wird vorteilhafterweise im Heck angeordnet. Gegenüber der Generatorspannung ist die Ladespannung am Versorgungsspeicher 20 um einen Spannungsabfall von unter etwa 0,2 Volt infolge der Leitung vermindert. Die Spannung am Leistungsspeicher8 ist gegenüber der Generatorspannung um bis zu 1 Volt niedriger. Da der Leistungsspeicher jedoch im Motorraum meist auf höherer Temperatur liegt, ist dieser Spannungsverlust ohne großen praktischen Einfluss. Zusätzlich kann bei niedrigen Temperaturen wegen besserer Kühlung mehr Strom durch den 0,1 Ω Widerstand28 fließen, wodurch der Ladezustand schneller ansteigt und der Strombedarf sowie der Spannungsabfall abnehmen.- The performance memory8th is preferably in the front part of a motor vehicle. The supply storage20 is advantageously arranged in the rear. Compared to the generator voltage, the charging voltage at the supply reservoir 20 is reduced by a voltage drop of below about 0.2 volts due to conduction. The voltage at the power storage8th is opposite the generator voltage by up to 1 volt lower. However, since the power storage in the engine compartment is usually at a higher temperature, this voltage loss has no great practical influence. In addition, at lower temperatures, more current can be consumed by the 0.1 Ω resistor for better cooling28 flow, whereby the state of charge increases faster and decrease the power requirements and the voltage drop. - – Durch den Spannungswandler zwischen dem Versorgungsnetz und dem Leistungsnetz verursachen Leistungsspitzen im Leistungsnetz keinen Spannungseinbruch im Versorgungsnetz, was für spannungsempfindliche Verbraucher vorteilhaft ist.- By the voltage transformer between the supply network and the power network Power peaks in the power network cause no voltage dip in the supply network, what voltage-sensitive Consumer is beneficial.
-
– Ist
kein Anlassen mit Stromversorgung unmittelbar aus dem Versorgungsspeicher
20 vorgesehen, sind die Ströme durch die Schaltelemente verhältnismäßig gering. Durch Absenken der Spannung im Versorgungsnetz auf etwa 13 Volt werden auch die Ladestromspitzen minimiert.- Is not starting with power directly from the supply memory20 provided, the currents through the switching elements are relatively low. By lowering the voltage in the supply network to about 13 volts, the charging current peaks are minimized. -
– Da
unter normalen Betriebsbedingungen der Leistungsspeicher
8 und der Versorgungsspeicher20 niemals direkt verbunden sind, können keine Ausgleichsströme zwischen diesen Speichern auftreten. Beide Speicher werden nur im Fall eines äußerst selten auftretenden zu starken Spannungsabfalls, beispielsweise infolge einer defekten Batterie, parallel geschaltet. Sollte es dabei zu einer Schädigung eines Schaltelements kommen, so dass dieses nicht geöffnet werden kann, kann eine solche Schädigung toleriert werden, da die Funktionsfähigkeit des Bordnetzes nicht gefährdet ist.- Since under normal operating conditions the power memory8th and the utility storage20 are never directly connected, no equalizing currents can occur between these memories. Both memories are connected in parallel only in the case of an extremely rare excessive voltage drop, for example as a result of a defective battery. Should it come to damage a switching element, so that it can not be opened, such damage can be tolerated because the functionality of the electrical system is not compromised.
II. Zweites AusführungsbeispielII. Second embodiment
Die
Im
Unterschied zur
Des
weiteren ist der Leistungsspeicher
Der
Aufbau der Schaltvorrichtung
Wie
bei der Ausführungsform
gemäß
Die
Funktionen des Bordnetzes gemäß
Wenn
bei entladenem Versorgungsspeicher
Der Versorgungsspeicher
The supply storage
Wenn
bei entladenem Leistungsspeicher
Der Leistungsspeicher
The performance memory
Zusätzlich zu
den weiter oben bezüglich
des ersten Ausführungsbeispiels
genannten Vorteile werden mit der Ausführungsform gemäß
Die
Schaltvorrichtung
The switching device
In dem mechatronischen System können Leiterbahnen bzw. Stromschienen mit vernünftigem Querschnitt bei geringen Kosten realisiert werden.In the mechatronic system can tracks or busbars with a reasonable cross-section be realized at low cost.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es versteht sich, dass diese Erläuterung nur beispielhaft ist und die Erfindung in vielfältiger Weise abgeändert werden kann, sofern durch die Abänderungen die wesentlichen funktionalen Merkmale erhalten bleiben.The The invention has been explained above with reference to two exemplary embodiments. It It is understood that this explanation is merely exemplary and the invention can be varied in many ways, provided by the amendments the essential functional characteristics are preserved.
Claims (13)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |