DE102005029081A1

DE102005029081A1 - Bordnetz für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bordnetzes

Info

Publication number: DE102005029081A1
Application number: DE102005029081A
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: DE102005029081B4; WO2006136380A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Primärsystem (1), welches einen Generator (G), eine Bordnetzbatterie (13) und mindestens einen Verbraucher (M, 15) aufweist, und einem Sekundärsystem (2), welches eine Energiespeichereinheit (22) und einen Spannungswandler (21) aufweist, welcher mit der Energiespeichereinheit (22) elektrisch verbunden ist, wobei der Spannungswandler (21) bidirektional ausgebildet ist und zum Erzeugen einer bedarfsabhängigen höheren Spannung als die vom Generator (G) erzeugbare Spannung ausgebildet ist, wobei das Sekundärsystem (2) zumindest einen Verbraucher (24) aufweist, welcher mit dem Spannungswandler (21) elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler (21) erzeugbare höhere Spannung mit elektrischer Spannung versorgbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Primärsystem, welches einen Generator, eine Bordnetzbatterie und mindestens einen Verbraucher aufweist. Darüber hinaus umfasst das Bordnetz auch ein Sekundärsystem, welches eine Energiespeichereinheit und einen Spannungswandler aufweist, wobei der Spannungswandler mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs.
Zur Energieversorgung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug weist das Bordnetz in der Regel einen Generator auf, der von einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Neben dem Generator umfasst ein derartiges Bordnetz auch eine zusätzliche Bordnetzbatterie, welche als zusätzlicher Energiespeicher erforderlich ist. Diese Bordnetzbatterie wird vorrangig beim Startvorgang des Verbrennungsmotors belastet. Bei modernen Kraftfahrzeugen nimmt die Anzahl der elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug stetig zu. Neben den herkömmlichen elektrischen Verbrauchern, wie Lichteinheiten, Klimaanlagen und Audiosystemen, werden zukünftig auch zusätzliche Displays sowie andere Energieverbraucher im Kraftfahrzeug angeordnet sein, wodurch außerdem auch die Anzahl von zusätzlichen Steuergeräten ansteigt. Um einer Energieversorgung dieser Geräte und Komponenten gerecht zu werden, müssen der Generator sowie die Bordnetzbatterie entsprechend dimensioniert werden.

Aus der EP 0 082 867 B1 ist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem die Energieversorgung einer folienbeschichteten elektrischen Frontscheibenheizung durch einen unidirektionalen Spannungswandler mit variabler Ausgangsspannung gewährleistet wird. Die Spannungshöhe ist dabei abhängig vom Auslastungsgrad des Generators.

Des Weiteren ist aus der DE 19 953 373 B4 eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug bekannt. Zur Spannungsversorgung bzw. Energieversorgung von zumindest zwei Verbrauchern, welche derart ausgelegt sind, dass sie nie gleichzeitig eingeschaltet sind, ist ein unidirektionaler DC/DC- Wandler mit variabler Ausgangsspannung beschrieben, dessen Ausgangsspannung abhängig von den Erfordernissen des zu versorgenden Verbrauchers geregelt wird.

Aus der DE 102 08 981 A1 und der DE 102 08 982 A1 sind jeweils Kraftfahrzeuge mit jeweils zwei Bordnetzen unterschiedlicher Spannungshöhe und entsprechend zwei Batterien beschrieben. Bei den in diesen Offenlegungsschriften beschriebenen Zweispannungsbordnetzen wird eine höhere Spannung durch den Generator erzeugt und über einen Spannungswandler eine niedrigere Spannung generiert, wobei dieser Spannungswandler auch bidirektional ausgeführt sein kann.

Des Weiteren ist aus der EP 1 013 506 B1 ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Primärsystem und einem Sekundärsystem beschrieben. Das Primärsystem umfasst einen Generator sowie eine Bordnetzbatterie und mindestens einen Verbraucher. Das Sekundärsystem umfasst einen Super-Cap und einen DC/DC-Wandler der mit dem Super-Cap verbunden ist und derart ansteuerbar ist, dass der Super-Cap im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs geladen wird. Alle bekannten Systeme sind in ihren Ausführungen beschränkt ausgebildet und ermöglichen daher nur eine suboptimale Energieversorgung von Verbrauchern und Komponenten in einem Kraftfahrzeug.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bordnetzes bereitzustellen, welches ein effektiveres und effizienteres Energiemanagement im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeordneten Verbraucher und Komponenten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Bordnetz, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 10 aufweist, gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Bordnetz für ein Kraftfahrzeug weist ein Primärsystem auf, welches einen Generator, eine Bordnetzbatterie und mindestens einen Verbraucher umfasst. Darüber hinaus weist das Bordnetz auch ein Sekundärsystem auf, welches eine Energiespeichereinheit und einen Spannungswandler umfasst, wobei der Spannungswandler mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der Spannungswandler bidirektional ausgebildet ist und zum Erzeugen einer bedarfsabhängigen höheren Spannung als die vom Generator erzeugbare Spannung ausgebildet ist, wobei das Sekundärsystem auch einen Verbraucher aufweist, welcher mit dem Spannungswandler elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler erzeugbare höhere Spannung mit elektrischer Spannung versorgbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz kann somit eine effektive und effiziente Energieversorgung von Verbrauchern und Komponenten im Kraftfahrzeug gewährleistet werden. Der bidirektionale Spannungswandler kann somit für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in der Energiespeichereinheit verwendet werden und darüber hinaus für die Energieversorgung eines Verbrauchers herangezogen werden, welcher eine höhere Spannung benötigt, als die maximal vom Generator erzeugbare Spannung. In vorteilhafter Weise ist somit bei dem erfindungsgemäßen Bordnetz die Verwendung eines bidirektionalen Spannungswandlers für mehrere Funktionen optimiert.

Der Verbraucher ist in bevorzugter Weise als Heizeinrichtung, insbesondere als Scheibenheizung, insbesondere als Frontscheibenheizung, ausgebildet. Der bidirektionale Spannungswandler ist in vorteilhafter Weise zur Rekuperation im Bordnetz und zur Spannungsversorgung der Heizeinrichtung ausgebildet. Da die Leistungsanforderungen für die Rekuperation und die Spannungsversorgung einer Heizeinrichtung sehr ähnlich sind, kann mit der Erfindung ein effektives Energiemanagement im Kraftfahrzeug gewährleistet werden.

In bevorzugter Weise ist der bidirektionale Spannungswandler nach Ablauf einer Zeitdauer der Spannungsversorgung der Heizeinrichtung oder bei deaktivierter Heizeinrichtung zum Aufladen der Energiespeichereinheit mit Energie in Schub- und/oder Bremsphasen des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Dadurch kann die Bordnetzbatterie entlastet werden und der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs reduziert werden.

Der bidirektionale Spannungswandler ist in vorteilhafter Weise zum Entladen der zumindest teilweise aufgeladenen Energiespeichereinheit zur Energieversorgung des Verbrauchers des Primärsystems ausgebildet. In effektiver Weise kann somit die in der Energiespeichereinheit gespeicherte Energie zur Versorgung von Verbrauchern insbesondere des Primärsystems herangezogen werden. Auch dadurch kann gewährleistet werden, dass die Belastung der Bordnetzbatterie des Primärsystems entlastet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die in der Energiespeichereinheit gespeicherte Energie zumindest teilweise für die Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers des Sekundärsystems verwendet wird.

Die Energiespeichereinheit ist in bevorzugter Weise als Super-Cap ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass in die elektrische Verbindung zwischen der Energiespeichereinheit und dem Spannungswandler ein erster Schalter geschaltet ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass in die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher des Sekundärsystems, insbesondere der Heizeinrichtung, und dem Spannungswandler ein zweiter Schalter geschaltet ist. Situations- und bedarfsabhängig kann somit eine elektrische Verbindung der Energiespeichereinheit und/oder des zumindest einen Verbrauchers des Sekundärsystems mit dem Spannungswandler erzeugt werden, wobei insbesondere der erste Schalter zum Trennen der elektrischen Verbindung dann vorgesehen ist, wenn Beschädigungen der elektrischen Leitung oder der elektrischen Einheiten, beispielsweise durch eine Lichtbogenbildung, auftreten können.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, welches ein Primärsystem mit einem Generator, einer Bordnetzbatterie und mindestens einem Verbraucher aufweist, und mit einem Sekundärsystem, welches eine Energiespeichereinheit und einen Spannungswandler aufweist, welcher mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wird als wesentlicher Gedanke der Erfindung, der Spannungswandler bidirektional ausgebildet und durch diesen Spannungswandler eine höhere Spannung als die vom Generator erzeugte Spannung bedarfsabhängig erzeugt. Das Sekundärsystem weist zumindest einen Verbraucher auf, welcher mit dem Spannungswandler elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler erzeugbare höhere Spannung mit elektrischer Spannung versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen effizienten und effektiven Energieverteilungsprozess in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und gewährleistet darüber hinaus die Verwendung eines bidirektionalen Spannungswandlers, welcher quasi multifunktional ausgebildet bzw. eingesetzt ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Bordnetzes sind, soweit übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bordnetzes.
In der Darstellung in 1 ist ein erfindungsgemäßes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gezeigt, welches ein Primärsystem 1 und ein Sekundärsystem 2 auf weist. Das Primärsystem 1 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Generator G, welcher zur Erzeugung von Spannungen bis etwa 14V ausgebildet ist. Der Generator G weist einen Generatorregler 11 auf, mit welchem der Generator G geregelt wird. Der Generatorregler 11 ist über einen Widerstand 12 mit Massepotential elektrisch verbunden. Darüber hinaus weist das Primärsystem 1 eine Bordnetzbatterie 13 auf, welche mit dem Ausgang des Generators G elektrisch verbunden ist. Die Bordnetzbatterie 13 ist zur Erzeugung von Spannungen bis etwa 12V ausgebildet. Darüber hinaus umfasst das Primärsystem 1 auch einen Verbrennungsmotor M, welcher über einen als Schalter symbolisch dargestellten Starter 14 mit dem Ausgang des Generators G elektrisch verbindbar ist. Ferner umfasst das Primärsystem 1 im Ausführungsbeispiel einen weiteren Verbraucher 15, welcher über einen Schalter 16 mit dem Ausgang des Generators G und somit mit der Ausgangsspannung des Generators G elektrisch verbindbar ist.
Das Sekundärsystem 2 des erfindungsgemäßen Bordnetzes weist einen Spannungswandler auf, welcher im Ausführungsbeispiel als DC/DC-Wandler 21 ausgebildet ist. Der DC/DC-Wandler 21 ist mit dem Primärsystem 1, insbesondere mit dem Verbraucher 15, dem Motor M, der Bordnetzbatterie 13 und dem Generator G elektrisch verbunden. Darüber hinaus umfasst das Sekundärsystem 2 eine Energiespeichereinheit, welche im Ausführungsbeispiel als Super-Cap 22 ausgebildet ist und über einen ersten Schalter 23 mit dem DC/DC-Wandler 21 elektrisch verbunden ist. Ferner umfasst das Sekundärsystem 2 einen Verbraucher auf, welcher im Ausführungsbeispiel als folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 ausgebildet ist, wobei diese folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 über einen zweiten Schalter 25 mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 21 elektrisch verbindbar ist. Der DC/DC-Wandler 21 ist bidirektional ausgebildet und zur Erzeugung von Ausgangsspannungen im Bereich von etwa 14V bis 42V ausgebildet. An dem DC/DC-Wandler 21 ist ein Steuersignal 3 anlegbar, wobei darüber hinaus auch ein Signal 4 des Generatorreglers 11 an den DC/DC-Wandler 21 übertragbar ist. Das Signal 4 kann dabei den Auslastungsgrad des Generators G charakterisieren, wobei abhängig davon die Spannungshöhe des DC/DC-Wandlers 21 generierbar ist.
Gemäß der Erfindung wird durch den DC/DC-Wandler 21 eine Ausgangsspannung erzeugt, welche wertmäßig höher liegt, als die Spannung, welche maximal vom Generator G erzeugt werden kann. Der DC/DC-Wandler 21 wird gemäß der Erfindung durch seine bidirektionale Ausbildung sowohl zur Energieversorgung der folienbeschichteten elektrischen Frontscheibenheizung 24 als auch zur Rekuperation im Bordnetz des Kraftfahrzeugs herangezogen.
Die Funktionsweise des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben. Wie bereits erwähnt, wird die Regelung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 21 durch Signale 3 und 4 durchgeführt, welche über entsprechende Signalleitungen an den DC/DC-Wandler 21 übertragen werden. Die Regelung dieser Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 21 kann dabei von mehreren Parametern abhängig gemacht werden, wobei diesbezüglich beispielsweise die Generatorauslastung zu Grunde gelegt werden kann. Es kann auch die Generatorspannung, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, der Ladezustand des Super-Cap 22, die Umgebungstemperatur oder aber auch die Heizungsanforderung berücksichtigt werden. Anstatt oder ergänzend dazu kann auch ein Bremssignal und/oder ein Signal, welches den Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs charakterisiert, berücksichtigt werden. Diese Signale werden durch nicht dargestellte Steuergeräte bereitgestellt und an den DC/DC-Wandler 21 übertragen.
Befindet sich nun das Kraftfahrzeug im Brems- und/oder Schubbetrieb, so wird der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass der Super-Cap 22 geladen wird. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 gezeigt, kann die folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 während einer derartigen Aufladephase des Super-Cap 22 von dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 21 getrennt sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der zweite Schalter 25 während der Aufladephase des Super-Cap 22 zumindest zeitweise geschlossen ist.
Die im Super-Cap 22 gespeicherte elektrische Energie kann unabhängig vom Ladezustand dieses Super-Cap 22 durch entsprechende Steuerung an denjenigen Ausgang des DC/DC-Wandlers 21 abgegeben werden, welcher mit dem Primärsystem 1 elektrisch verbunden ist. Insbesondere in Phasen in denen der Generator G eine ausreichende Energieversorgung des gesamten Bordnetzes des Kraftfahrzeugs nicht gewährleisten kann, wird der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass der Super-Cap 22 entladen wird. Dadurch kann eine übermäßige Belastung der Bordnetzbatterie 13 verhindert werden. Die Auslastung des Generators G wird über den Generatorregler 11 erkannt und ein entsprechendes Signal 4 an den DC/DC-Wandler 21 übertragen. Die zumindest teilweise Abgabe der im Super-Cap 22 gespeicherten Energie über den DC/DC-Wandler 21 an das Primärsystem 1 erfolgt in bevorzugter Weise im Anschluss an eine Schub- und/oder Bremsphase des Kraftfahrzeugs. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der im Super-Cap 22 gespeicherten Ener gie nach einer Schub- und/oder Bremsphase des Kraftfahrzeugs unmittelbar an die folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 übertragen wird.
Nach dem Beenden einer derartigen Schub- und/oder Bremsphase des Kraftfahrzeugs kann somit bedarfsabhängig die im Super-Cap 22 gespeicherte Energie an das Primärsystem 1 über den DC/DC-Wandler 21 abgegeben werden. In vorteilhafter Weise wird die Belastung des Verbrennungsmotors M durch den Generator G in Beschleunigungsphasen des Kraftfahrzeugs verringert um dadurch eine bessere Beschleunigung des Kraftfahrzeugs erreichen zu können. Dazu wird der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass der Super-Cap 22 zumindest teilweise entladen wird. Abhängig davon, wie viel Energie im Super-Cap 22 gespeichert ist, kann dieser somit kurzfristig die gesamte Energieversorgung des Primärsystems 1 übernehmen. Dadurch kann die Belastung des Generators G verhindert werden und es geht somit am Generator G keine Motorleistung verloren.
Weitere Möglichkeiten in denen der Super-Cap 22 geladen werden kann, sind darin zu sehen, dass dieser Super-Cap 22 kennfeldabhängig geladen werden kann. Dies bedeutet, dass sich sobald der Verbrennungsmotor M in einem ungünstigen Betriebszustand hinsichtlich Wirkungsgrad und Abgasverhalten befindet, dieser Super-Cap 22 geladen wird.

Claims

Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit – einem Primärsystem (1), welches einen Generator (G), eine Bordnetzbatterie (13) und mindestens einen Verbraucher (M, 15) aufweist, und – einem Sekundärsystem (2), welches eine Energiespeichereinheit (22) und einen Spannungswandler (21) aufweist, welcher mit der Energiespeichereinheit (22) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (21) bidirektional ausgebildet ist und zum Erzeugen einer bedarfsabhängigen höheren Spannung als die vom Generator (G) erzeugbare Spannung ausgebildet ist, wobei das Sekundärsystem (2) zumindest einen Verbraucher (24) aufweist, welcher mit dem Spannungswandler (21) elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler (21) erzeugbare höhere Spannung mit elektrischer Spannung versorgbar ist.
Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher eine Heizeinrichtung (24) ist und der bidirektionale Spannungswandler (21) zur Rekuperation im Bordnetz und zur Spannungsversorgung eines Heizverbrauchers (24) ausgebildet ist.
Bordnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Spannungswandler (21) nach Ablauf einer Zeitdauer über die eine Spannungsversorgung der Heizeinrichtung (24) erfolgt oder bei deaktivierter Heizeinrichtung (24) zum Aufladen der Energiespeichereinheit (22) mit Energie in Schub- und/oder Bremsphasen des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Bordnetz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Spannungswandler (21) zum Entladen der zumindest teilweise aufgeladenen Energiespeichereinheit (22) zur Energieversorgung des Verbrauchers (M, 15) des Primärsystems (1) ausgebildet ist.
Bordnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als Scheibenheizung, insbesondere als Frontscheibenheizung (24), ausgebildet ist.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit als Super-Cap (22) ausgebildet ist.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrische Verbindung zwischen der Energiespeichereinheit (22) und dem Spannungswandler (21) ein erster Schalter (23) geschaltet ist.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher (24) des Sekundärsystems (2) und dem Spannungswandler (21) ein zweiter Schalter (25) geschaltet ist.
Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (G) zur Erzeugung von Spannungen bis zu etwa 14V ausgebildet ist und der Spannungswandler (21) zur Erzeugung von Spannungen von etwa 14V bis etwa 42V ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit – einem Primärsystem (1), welches einen Generator (G), eine Bordnetzbatterie (13) und mindestens einen Verbraucher (M, 15) aufweist, und – einem Sekundärsystem (2), welches eine Energiespeichereinheit (22) und einen Spannungswandler (21) aufweist, welcher mit der Energiespeichereinheit (22) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (21) bidirektional ausgebildet ist und eine höheren Spannung als die vom Generator (G) erzeugbare Spannung bedarfsabhängig erzeugt, wobei das Sekundärsystem (2) zumindest einen Verbraucher (24) aufweist, welcher mit dem Spannungswandler (21) elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler (21) erzeugbare höhere Spannung mit elektrischer Spannung versorgt wird.