DE102004043129A1

DE102004043129A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung

Info

Publication number: DE102004043129A1
Application number: DE102004043129A
Authority: DE
Inventors: Martin Trunk; Arndt Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung insbesondere für ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, bei dem eine als Starter-Generator betreibbare elektrische Maschine über einen Pulswechslerrichter und einen Wechselschalter mit der Batterie und dem Bordnetz verbindbar ist und diese Verbindung über den Wechselschalter aufgetrennt werden kann, sodass dann ein Kondensator mit dem Pulswechselrichter verbunden ist. Mit der angegebenen Vorrichtung zur Spannungsversorgung wird eine kostengünstige Lösung bereitgestellt, mit der der Starter-Generator sowohl im generatorischen als auch im motorischen Betrieb betrieben werden kann und zusätzlich eine Rückspeisung von elektrischer Energie in die Batterie oder den Kondensator ermöglicht wird, wenn mit Hilfe des Starter-Generators ein generatorisches Abbremsen durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere zur Spannungsversorgung für Verbraucher in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bekannte Vorrichtungen zur Spannungsversorgung insbesondere in Fahrzeugbordnetzen umfassen einen Generator, dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines Spannungsreglers auf vorgebbare Werte geregelt wird sowie eine Batterie und elektrische Verbraucher, die dauernd oder zeitweilig mit der Batterie in Verbindung stehen. In Bordnetzen mit sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern sowie in Bordnetzen mit erhöhtem Bedarf an elektrischer Leistung wird zusätzlich zur Starterbatterie noch ein weiterer Energiespeicher eingesetzt, beispielsweise eine zweite Batterie oder ein Kondensator mit sehr großer Kapazität. Als Generatoren werden auch elektrische Maschinen eingesetzt, die sowohl generatorisch als auch als Elektromotor betrieben werden können. Solche elektrischen Maschinen, die üblicherweise als Starter-Generator bezeichnet werden, sind mit der Batterie über einen Wechselrichter, beispielsweise einen Pulswechslerrichter verbunden. Der Pulswechselrichter richtet im generatorischen Betrieb die vom Generator gelieferte Spannung gleich. Bei Motorbetrieb während des Startvorgangs wird vom Pulswechselrichter aus der Batteriespannung eine geeignete dreiphasige Wechselspannung erzeugt, die der elektrischen Maschine zugeführt wird.

Eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung für elektrische Bordnetzverbraucher in einem Kraftfahrzeug, die die vorstehend genannten Bauteile umfasst, ist aus der DE 199 03 427 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Spannungsversorgungseinrichtung ist zusätzlich noch ein Gleichspannungswandler vorhanden, der es ermöglicht, dass der Starter-Generator zeitweilig mit höherer Spannung als Bordnetzspannung betrieben wird. Zusätzlich zur Batterie sind Kondensatoren als Ladungsspeicher eingesetzt, wobei ein Kondensatorzwischenspeicher so ausgestattet ist, dass er im Startfall über den Pulswechslerrichter elektrische Leistung an die dann als Starter arbeitende elektrische Maschine abgegeben kann.

In einem weiteren bekannten Beispiel für eine Spannungsversorgungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug, das in 1 dargestellt ist, ist der Starter-Generator 1 mit einem Pulswechslerrichter 2 verbunden. Der Pulswechslerrichter 2 ist gleichspannungsseitig mit einem oder mehreren sogenannten Ultracaps 3 verbunden. Ein Ultracap 3 ist ein spezieller Kondensator mit besonders großer Kapazität. Solche Ultracaps 3 werden beispielsweise von der Firma Epcos hergestellt und sind in der Zeitschrift PCIM Europe, May 2003, Seite 40 bis 43 beschrieben.

Der Ultracap bzw. die Ultracaps 3 ist bzw. sind bei der bekannten Vorrichtung über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 4 mit der Batterie 5, einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie verbunden. An die Anschlüsse 6 können die elektrischen Verbraucher 6a des Bordnetzes angeschlossen werden.

Die Ultracaps 3 werden im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine bzw. des Starter-Generators geladen. In diesem Fall wird die elektrische Maschine über geeignete Verbindungsmittel vom Verbrennungsmotor angetrieben und die elektrische Maschine arbeitet als Generator und erzeugt in bekannter Weise elektrische Energie. Die Weiterleitung der elektrischen Energie an die Fahrzeugbatterie 5 sowie an das an den Anschlüssen 6 angeschlossene Bordnetz erfolgt über den Gleichspannungswandler 4.

Während des Startvorgangs wirkt die elektrische Maschine bzw. der Starter-Generator als Starter und wird über den Pulswechselrichter 2 aus dem Ultracap 3 oder über den Gleichspannungswandler 4 aus der Batterie 5 mit der benötigten Spannung versorgt.

Da das Bordnetz bei einer derartigen Anordnung nur über den Spannungswandler 4 versorgt werden kann, entstehen immer die Wirkungsgradverluste des Spannungswandlers 4. Außerdem muss der Spannungswandler 4 auf den maximalen Strom für das Bordnetz ausgelegt werden. Dieser Strom ist normalerweise der Starterstrom.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad gegenüber dem in 1 dargestellten Stand der Technik zu erhöhen. Zusätzlich soll eine kostengünstige Lösung für eine Spannungsversorgungseinrichtung bereitgestellt werden, die gegebenenfalls auch ohne Gleichspannungswandler auskommt und falls doch ein Gleichspannungswandler eingesetzt wird, gegebenenfalls im Startfall dem Starter eine erhöhte Spannung zur Verfügung stellen kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Spannungsversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsversorgung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird und nicht unbedingt ein Gleichspannungswandler benötigt wird, wodurch einerseits keine unnötigen Verluste entstehen und andererseits Kosten eingespart werden. Erzielt wird dieser Vorteil, indem bei einem System mit elektrischen Maschine, insbesondere Starter-Generator, Wechselrichter, Kondensator mit großer Kapazität, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und Batterie mittels eines Wechselschalters die im generatorischen Betrieb entstehende Energie in vorgebbarer Weise abwechselnd auf den Kondensator oder auf die Batterie geschaltet wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei lässt sich die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise in Verbindung mit einem Start-Stopp-System in einem Fahrzeug einsetzen.

Im motorischen Betrieb kann die Energie ohne Gleichspannungswandler auch von einem der beiden Speicher über den Wechslerrichter zur elektrischen Maschine bzw. zum Startergenerator fließen. Wird dennoch ein Spannungswandler eingesetzt kann über diesen wahlweise Energie von der Batterie zum Kondensator transportiert werden oder umgekehrt. In vorteilhafter Weise lässt sich der Kondensator oder gegebenenfalls mehrere Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren in Serie zur Fahrzeugbatterie schalten um einerseits bei einem Rekuperationsbetrieb Bremsenergie des Fahrzeugs zwischenzuspeichern oder im Startfall eine höhere Spannung und damit eine höhere Energie bereitzustellen.

Zeichnung
Eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. In 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die nähere Erläuterung zum Ausführungsbeispiel nach 2 erfolgt in der zugehörigen Beschreibung.
Beschreibung
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltung dargestellt. Dabei ist die elektrische Maschine bzw. der Starter-Generator 7 beispielsweise über drei Phasenleitungen mit einem Pulswechselrichter 8 verbinden, der die Umsetzung von Drehstrom auf Gleichstrom und umgekehrt vornimmt. Der Pulswechselrichter ist dabei beispielsweise eine Brückenschaltung mit üblicherweise 6 Pulswechselrichterelementen, beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren. Der Pulswechselrichter 8 ist über einen Wechselschalter 13 bei geschlossenem Schalter direkt mit dem Bordnetz und der Fahrzeugbatterie 11 verbunden. Vom Bordnetz sind lediglich die Anschlussklemmen 12, ein Schalter 12a und ein Verbraucher 12b symbolisch dargestellt. In dieser Schalterstellung bei geschlossenem Wechselschalter 13 wird elektrische Energie von der elektrischen Maschine bzw. vom Starter-Generator bei generatorischem Betrieb in die Batterie 11 eingespeist.
Bei anderer Schalterstellung des Wechselschalters 13 wird der Kondensator 10 bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine aufgeladen. Der Kondensator 10 sei dabei ein Kondensator mit großer Kapazität, vorzugsweise ein Doppelschichtkondensator, gegebenenfalls auch ein Supercap. Optional kann auch noch ein Gleichspannungswandler 9 in die Schaltung integriert werden, der dann über den Schalter 14 zu oder abgeschaltet werden kann. Der Gleichspannungswandler 9 ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Falls er eingesetzt werden soll, muss er nicht für den maximalen Startstrom ausgelegt werden. Der Gleichspannungswandler 9 kann wenn er integriert ist, Energie vom Kondensator 10 zum Bordnetz und zur Batterie umladen oder auch aus der Batterie 11 Ladung beziehen und über den Pulswechselrichter der elektrischen Maschine 7 oder dem Kondensator 10 zuführen, wenn der Wechselschalter 13 offen ist.
Mit einer derartigen Schaltung ist es somit möglich, das Bordnetz über die Klemmen 12 über den Wechselrichter 8 direkt zu speisen ohne zusätzliche Verluste zu produzieren. Überschüssige Energie kann in dem Kondensator 10 gespeichert werden. Es ist aber auch möglich, die elektrische Maschine bzw. den Startergenerator 7 in ihrer Erregung so zu steuern oder zu regeln, dass eine höhere Ausgangsspannung anliegt und der Kondensator 10 in Serie zum Bordnetz 12 liegen kann. Hierzu ist der Schalter 13 in die in der Figur gezeigten Position zu bringen und ein weiterer Schalter 15 vorzusehen, über den der Kondensator 10 auf das Bordnetz zu schalten ist, es wird also eine Verbindung vom Kondensator 10 zum Bordnetz hergestellt. Bei anderer Schaltstellung des Schalters 15 steht der Kondensator 10 direkt mit Masse in Verbindung.
Im Starterbetrieb, wenn die elektrische Maschine bzw. der Startergenerator im motorischen Betrieb arbeitet oder auch in einem Boost-Betrieb besteht mit dieser Schaltung die Möglichkeit, die elektrische Maschine 7 aus dem Kondensator 10 zu speisen, dazu müssen die Schalter 13 und 15 in den im Ausführungsbeispiel gezeigten Positionen stehen und also beide offen sind. Soll die Versorgung aus der Batterie 11 erfolgen, muss der Schalter 13 geschlossen werden und eine Verbindung zur Batterie 11 hergestellt werden. Soll mit erhöhter Spannung aus dem Kondensator 10 und der Batterie 11 gestartet werden, ist der Schalter 13 zu öffnen und Schalter 15 zu schließen.
Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels lässt sich wie folgt darstellen: der Startergenerator 7 dient während des normalen Fahrbetriebs als Energiequelle. Während eines Starts arbeitet er als Motor und benötigt Energie aus einem Energiespeicher, üblicherweise der Fahrzeugbatterie 11. Zur Steuerung der Energieflusses zwischen dem Startergenerator 7 und den Energiespeichern 10, 11 bzw. dem Bordnetz 12 und zur Umwandlung des 3- oder mehrphasigen Stromes ist ein entsprechender Pulswechselrichter 8 notwendig. Um mit einem solchen System auch Energie zum elektrischen Fahren abgeben zu können, oder um Energie, die beim Abbremsen gewonnen werden kann, wieder zurückzuspeisen, ist ein Energiespeicher nötig, der zyklisierbar ist. Ein solcher Speicher muss also in einem hohen Maße be- und entladbar sein, wie beispielsweise ein Nickelcadmiumakkumulator. Bleiakkumulatoren sind dagegen nicht zyklisierbar. Daher soll der Bleiakkumulator lediglich als Fahrzeugbatterie eingesetzt werden, zusätzlich wird dagegen der Kondensator mit großer Kapazität eingesetzt. Ein solcher Kondensator mit 200 bis 5.000 F kann beispielsweise ein Doppelschichtkondensator sein. Ein solcher Doppelschichtkondensator weist die benötigte Zyklenfestigkeit auf und kann schnell geladen oder wieder entladen werden. Idealerweise wird ein möglichst gut zyklisierbarer Ladungsspeicher eingesetzt. Dieser bzw. der Kondensator oder der Doppelschichtkondensator oder die Kondensatorbatterie kann prinzipiell ohne Gleichspannungswandler geladen werden.
Ein Rekuperationsbetrieb ist derart möglich, dass die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, mit einer starken Erregung und zugehöriger größerer Leistungsabgabe und der Kondensator in diesem Betriebzustand in Serie zum Bordnetz und zur Batterie liegt. Damit kann die höhere Spannung, die vom Generator in diesem Zustand geliefert wird auch umgesetzt werden kann, ohne dass sich eine Spannungserhöhung im Bordnetz bemerkbar macht. Der Generatorregler muss also in diesem Fall den Generator nicht abregeln.
In einem speziellen Start- oder Boostbetrieb kann der geladene Kondensator in Serie zum Bordnetz oder zur Batterie geschaltet werden, um eine Spannungserhöhung für die elektrische Maschine zu erzielen, die zu einer Leistungserhöhung führt. In diesem Betriebszustand kann also ein Start mit 18 Volt in einem ansonsten auf 12 Volt liegenden Bordnetz erfolgen.
Die Ladung des im geladenen Zustand befindlichen Kondensators (10) ist auch über den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) (9) auf die Batterie (11) umladbar oder es kann auch das Bordnetz mit dieser Ladung versorgt werden kann.
Die Ansteuerung der Schalter erfolgt über Ansteuersignale, die ein Steuergerät, beispielsweise ein Bordnetzsteuergerät oder ein Prozessor, der auch Bestandteil des Spannungsreglers sein kann, abhängig von zugeführten Informationen erzeugt.

Claims

Vorrichtung zur Spannungsversorgung insbesondere in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit einer elektrischen Maschine, die über einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter und ein Schaltmittel mit einem Ladungsspeicher verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel ein Wechselschalter ist, der alternativ ein Verbindung zwischen dem Pulswechselrichter und dem Ladungsspeicher sowie einem weiteren Ladungsspeicher herstellt und der erste Ladungsspeicher die Batterie ist und der weitere Ladungsspeicher ein möglichst gut zyklisierbarer Ladungsspeicher ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Ladungsspeicher ein Kondensator mit großer Kapazität, insbesondere ein Doppelschichtkondensator ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator plusseitig mit dem Wechselrichter und minusseitig mit Masse verbindbar ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseverbindung des Kondensators (10) über einen Wechselschalter (15) auftrennbar ist und nach der Auftrennung die Masseseite des Kondensators mit dem Pluspol der Batterie (11) verbindbar ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler (9) vorhanden ist, der eingangsseitig mit dem Pluspol des Kondensators (10) verbunden ist und eingangsseitig über den Wechselschalter (13) mit dem Wechselrichter (8) verbindbar ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (9) parallel zum Kondensator (10) schaltbar ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Minusseite des Kondensators (10) über ein Schaltmittel (15) mit der Batterie (11) und den Bordnetzverbrauchern (12b) in Serie schaltbar ist.
Vorrichtung zur Spannungsversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuermittel, insbesondere ein Mikroprozessor vorhanden ist, das die Ansteuersignale zu Betätigung der Schalter erzeugt.
Verfahren zur Spannungsversorgung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit großer Kapazität, insbesondere ein Doppelschichtkondensator direkt von der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine (10) über den Wechselrichter (8) ohne dazwischenliegenden Gleichspannungswandler geladen wird.
Verfahren zur Spannungsversorgung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperationsbetrieb die elektrische Maschine in einem hocherregten Zustand generatorisch betrieben wird und eine Ausgangsspannung liefert, die höher ist als die Bordnetzspannung und diese Spannung dem Kondensator (10) zugeführt wird, wobei der Kondensator (10) in diesem Fall in Serie mit der Batterie (11) geschaltet ist.
Verfahren zur Spannungsversorgung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Start- oder Boost-Betrieb der geladene Kondensator in Serie zur Batterie 11 geschaltet wird und die erhöhte Spannung der als Starter arbeitenden elektrischen Maschine zugeführt wird.
Verfahren zur Spannungsversorgung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ladung des im geladenen Zustand befindlichen Kondensators (10) auch über den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) (9) auf die Batterie (11) umladbar ist oder auch das Bordnetz mit dieser Ladung versorgt werden kann.