DE102004035445A1

DE102004035445A1 - Elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004035445A1
Application number: DE102004035445A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kiesewetter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem (1) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Generator (G) und ein Bordnetz (3), wobei der Generator (6) mindestens in einem Arbeitsbereich eine höhere Nennspannung als das Bordnetz (3) aufweist und zwischen Generator (G) und Bordnetz (3) eine Einrichtung zur Anpassung der Spannung angeordnet ist, wobei zwischen Generator (G) und Bordnetz (3) mindestens zwei Einrichtungen zur Anpassung der Spannung parallel geschaltet sind, wobei die erste Einrichtung als Linearregler (5) und die zweite Einrichtung als DC/DC-Wandler (2) ausgebildet ist, sowie ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiesystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiesystems.

Herkömmliche Energiesysteme bestehen aus einem Generator und einem Bordnetz, wobei in dem Bordnetz beispielsweise mindestens eine Batterie angeordnet ist. Dabei ist die Generatorausgangsspannung auf die Ladespannung der Batterie abgestimmt. Aufgrund des zunehmenden Bedarfs an elektrischer Energie müssen bei 14 V-Bordnetzen sehr hohe Ströme fließen, was entsprechende Kabelquerschnitte erfordert. Daher sind bereits verschiedene Konzepte für höherspannige Energiesysteme vorgeschlagen worden. Dabei wird mindestens der Generator auf eine höhere Ausgangsspannung von beispielsweise 42 V ausgelegt. Elektrische Verbraucher mit einer sehr großen elektrischen Leistung werden dann vorzugsweise mit der höheren Spannung betrieben. Allerdings existieren dann stets noch Verbraucher, die mit den herkömmlichen 14 V betrieben werden müssen. Daher muss zwischen dem Generator und dem Bordnetz eine Einrichtung zur Anpassung der Spannung angeordnet werden. Eine mögliche Ausführungsform der Einrichtung ist ein DC/DC-Wandler. Allerdings stellen DC/DC-Wandler in einem bestimmten Leistungsbereich von beispielsweise 2500 W eine nicht unerhebliche Störquelle für EMV dar. Des Weiteren nehmen die Kosten sprunghaft zu.

Aus der DE 101 49 105 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Energieversorgung von Verbrauchern in einem Bordnetz von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei das Bordnetz in ein spannungsstabiles Energienetz und ein spannungslabiles Energienetz unterteilt ist, wobei zwischen den beiden Energienetzen ein Längsregler angeordnet ist, der mechanisch so mit dem Kühlkreislauf verbunden ist, dass die Verlustwärme der Regelvorrichtung an den Kühlkreislauf abgegeben wird.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein gattungsgemäßes elektrisches Energieversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug zu verbessern sowie ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiesystems zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu sind zwischen Generator und Bordnetz mindestens zwei Einrichtungen zur Anpassung der Spannung parallel geschaltet, wobei die erste Einrichtung als Linearregler und die zweite Einrichtung als DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein Bordnetz und auch direkt am Generator angeschaltete Verbraucher mit ausreichend Strom bzw. Leistung versorgt werden können, wobei die Spannung des Generators nicht reduziert zu werden braucht bzw. der Generator für höhere Ströme ausgelegt werden muss. Dabei werden die zwei unterschiedlichen Arten der Spannungsanpassung optimal kombiniert, nämlich die Anpassung durch Spannungsabfall und die Anpassung durch Transformation ähnlich einem Transformator, wobei die erste Anpassung also verlustbehaftet und die zweite Anpassung nahezu verlustfrei ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zum Generator ein elektrisches Heizelement, vorzugsweise ein PTC-Widerstand angeordnet. Vorzugsweise dient dieser PTC-Widerstand zur Erwärmung der Luftzufuhr des Kraftfahrzeuges.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Linearregler thermisch mit einem Kühlwasserkreislauf gekoppelt, so dass die entstehende Verlustwärme durch den Spannungsabfall über den Linearregler zur Aufheizung des Kühlwassers genutzt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ausgangsspannung des Generators über einen Bereich einstellbar. Hierdurch ergibt sich ein Freiheitsgrad, mittels dessen beispielsweise die Heizleistung entsprechend den Anforderungen einstellbar ist, in dem der resultierende Spannungsabfall über den Linearregler reduziert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Stromaufnahme des Bordnetzes erfasst und/oder ermittelt und/oder abgeschätzt, wobei die Betriebsarten bzw. Einstellungen der Einrichtungen in Abhängigkeit der Stromaufnahme einstellbar sind. Ist beispielsweise die Stromaufnahme gering und wird Heizleistung für das Kühlwasser benötigt, so wird der DC/DC-Wandler deaktiviert und der Strom ausschließlich über den Linearregler geliefert. Wird hingegen keine Heizleistung benötigt, so wird zunächst der Strom des Bordnetzes über den DC/DC-Wandler geliefert, bis dieser an seine Leistungsgrenze stößt, die beispielsweise bei 1600 W liegt. Steigt dann der Strombedarf des Bordnetzes weiter, so wird der Linearregler zugeschaltet. Hierdurch wird die Verlustleistung optimiert. Vorzugsweise wird daher die Betriebsart der beiden Einrichtungen neben der Stromaufnahme des Bordnetzes auch in Abhängigkeit der Motortemperatur, Innenraum- und/oder Außentemperatur und/oder der Kühlwassertemperatur gewählt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiesystems mit DC/DC-Wandler (Stand der Technik),
2 eine schematische Darstellung mit einem Linearregler und
3a-d eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Energiesystems in einer ersten bis vierten Betriebsart.
Bevor die Erfindung erläutert wird, soll zunächst der Stand der Technik zum besseren Verständnis der Erfindung dargestellt werden. In der 1 ist ein elektrisches Energiesystem 1 dargestellt, umfassend einen Generator G, einen DC/DC-Wandler 2 und ein elektrisches Bordnetz 3, das in der Darstellung durch einen ohmschen Verbraucher symbolisiert ist. In dem Bordnetz 3 können aber neben Verbraucher auch Energiespeicher und -quellen angeordnet sein. Parallel zum Generator G ist ein Heizwiderstand 4 angeordnet, der vorzugsweise als PTC-Widerstand ausgebildet ist. Dabei liefert der Generator G eine Ausgangsspannung von 42 V und das Bordnetz liegt auf einem Spannungsniveau von 14 V. Entsprechend muss der DC/DC-Wandler 2 im Verhältnis 3:1 die Spannung heruntertransformieren. Der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers liegt typischerweise bei ca. 95 %, so dass entsprechend der Strom ca. im Verhältnis 1:3 hochtransformiert wird. Weiter sei angenommen, dass der Heizwiderstand ca. 70 A benötigt, um ca. 3000 W Heizleistung zu erzeugen. Dabei sei weiter angemerkt, dass die maximale Stromentnahme des Generators G begrenzt und beispielsweise bei 180 A liegt. Benötigt nun das Bordnetz 3 180 A, so stellen sich die eingezeichneten Verhältnisse ein. Wie man erkennt, kann dabei der Generator G diese Vorgaben erfüllen. Allerdings muss der DC/DC-Wandler 2 für Leistungen größer 2,6 kW ausgelegt werden (63 A·42 V ~2650 W). Derartige Leistungen im DC/DC-Wandler 2 stellen jedoch ein beträchtliches EMV-Problem dar. Des Weiteren sind entsprechend leistungsstarke DC/DC-Wandler 2 teuer.
Eine alternative Möglichkeit zum Wandeln bzw. Anpassen der Spannung ist ein Linearregler 5, was in 2 dargestellt ist. Vereinfacht ausgedrückt, ist ein Linearregler ein steuerbarer Widerstand, der durch Spannungsabfall die Spannung anpasst. Hinsichtlich des Stromes ist der Eingangsstrom ungefähr gleich dem Ausgangsstrom. Benötigt nun das Bordnetz 3 180 A, so müssen entsprechend 180 A in den Linearregler 5 hineinfließen. Bei der gemäß 1 beschriebenen Konstellation mit 42 V Generatorspannung würden daher 28 V·180 A ~ 5 kW Verlustleistung umgesetzt werden. Derartige Linearregler 5 sind extrem teuer. Daher müsste entsprechend die Generatorspannung auf ca. 25 V abgesenkt werden, so dass nur ca. 2000 W ~ 11·180 umgesetzt werden müssen. Allerdings verbliebe dann das Problem, dass bei einem Generator G mit maximal 180 A kein Strom für den Heizwiderstand übrig bleibt. Daher müsste ein Generator G mit 250 A zur Verfügung gestellt werden, was wiederum technisch aufwendiger und teurer wäre.
In den 3a-d sind nun verschiedene Betriebsarten des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems 1 mit einer Parallelschaltung von DC/DC-Wandler 2 und Linearregler 5 dargestellt. Dabei sei zunächst angenommen, dass der Heizwiderstand 4 versorgt und das Kühlwasser aufgewärmt werden muss, wobei das Bordnetz 3 20 A benötigt. In diesem Fall liefert der Generator G 90 A, wobei 70 A zum Heizwiderstand 4 und 20 A zum Linearregler 5 fließen. Der Linearregler 5 erzeugt eine Verlustleistung von 560 W, die an das Kühlwasser abgegeben werden. Der DC/DC-Wandler 2 ist deaktiviert. Diese Konstellation ist in 3a dargestellt.
Steigt nun der Strombedarf des Bordnetzes 3 auf beispielsweise 50 A, so wird der Strom des Generators G auf 120 A erhöht, wobei die Verlustleistung des Linearreglers 5 auf 1,4 kW steigt, was in 3b dargestellt ist.
In der 3c ist nun die Konstellation dargestellt, dass die Stromaufnahme des Bordnetzes 3 auf 110 A steigt. Bei 70A erreicht der Linearregler 5 seine Leistungsgrenze von ca. 2 kW. Daher wird nun der DC/DC-Wandler 2 zugeschaltet, der die übrigen 40 A für das Bordnetz 3 liefern muss. Der Generator G muss dementsprechend 154 A zur Verfügung stellen, was jedoch noch in seinem Arbeitsbereich liegt. Steigt nun der Strombedarf des Bordnetzes 3 auf 180 A, so muss der DC/DC-Wandler 2 110 A zur Verfügung stellen. Diese Konstellation ist in 3d dargestellt. Wie ersichtlich bleibt der Generator G mit 178 A in seinem Arbeitsbereich. Der DC/DC-Wandler 2 bleibt in einem Bereich von ca. 1,6 kW ~ 38 A·42 V.
Die dargestellte Betriebweise in den 3a-d kommt vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen zur Anwendung. Ist hingegen keine Erwärmung des Kühlwassers notwendig, so kann zunächst der DC/DC-Wandler 2 aktiviert werden und bis zur Leistungsgrenze von 1,6 kW hochgefahren werden, um das Bordnetz zu versorgen. Hierdurch wird die Verlustleistung und somit der Verbrauch reduziert.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Generatorspannung beispielsweise im Bereich zwischen 14-42 V einstellbar ist. Bei einer derartigen Ausführungsform kann dann bei kaltem Motor wie zuvor beschrieben vorgegangen werden. In der Aufheizphase kann dann generatorseitig die Spannung je nach Heizbedarf gestellt werden, so dass im Endzustand der Generator G das Bordnetz 3 mit 14 V versorgt, wobei der Linearregler 5 dann niederohmig geschaltet wird. Wird aufgrund der vorliegenden Temperaturen keine Heizleistung benötigt, so kann sofort der Generator G auf 14 V eingestellt werden und der Linearregler 5 niederohmig geschaltet werden.

Claims

Elektrisches Energieversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Generator und ein Bordnetz, wobei der Generator mindestens in einem Arbeitsbereich eine höhere Nennspannung als das Bordnetz aufweist und zwischen Generator und Bordnetz eine Einrichtung zur Anpassung der Spannung zwischen Generator und Bordnetz angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Generator (G) und Bordnetz (3) mindestens zwei Einrichtungen zur Anpassung der Spannung parallel geschaltet sind, wobei die erste Einrichtung als Linearregler (5) und die zweite Einrichtung als DC/DC-Wandler (2) ausgebildet ist.
Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Einrichtungen zur Anpassung der Spannung parallel zum Generator (G) ein elektrisches Heizelement (4) angeordnet ist.
Elektrisches Energiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearregler (5) thermisch mit einem Kühlwasserkreislauf gekoppelt ist.
Elektrisches Energiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Generators (G) über einen Bereich einstellbar ist.
Elektrisches Energiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme des Bordnetzes (3) erfassbar und/oder ermittelbar und/oder abschätzbar ist, wobei die Betriebsarten bzw. Einstellungen der Einrichtungen in Abhängigkeit der Stromaufnahme einstellbar sind.
Elektrisches Energiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außentemperatur, die Motortemperatur, die Innenraumtemperatur und/oder die Kühlwassertemperatur erfassbar und/oder ermittelbar sind, wobei die Betriebsarten der Einrichtungen und/oder die Einstellungen des Generators (G) in Abhängigkeit der erfassten und/oder ermittelten Temperaturen einstellbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme des Bordnetzes (3) erfasst wird, wobei bis zu einer vorgebbaren Grenze für die Stromaufnahme nur eine Einrichtung zur Anpassung der Spannung aktiv geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Einrichtung bis an eine vorgebbare Leistungsgrenze betrieben wird, bevor die weitere Einrichtung zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Generators und/oder die Einrichtung, die zunächst aktiv geschaltet wird, in Abhängigkeit einer Motortemperatur, Außen- und/oder Innentemperatur und/oder einer Kühlwassertemperatur gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorspannung während der Aufheizphase adaptiv nachgeregelt wird.