DE102005031514A1

DE102005031514A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102005031514A1
Application number: DE102005031514A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Schön; Jürgen Dipl.-Ing. Kett
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007003304A2; WO2007003304A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern (12) in Kraftfahrzeugen. Dabei wird ein Hochsetzsteller (22) verwendet, welcher zumindest aus einer Induktivität (4, 16), einer Diode (15), einem Kondensator (21) und einem Schalter (23) besteht, wobei der Kondensator (21) als Energiespeicher für den Verbraucher (12) dient. Die Vorrichtung ist so dimensioniert, dass die im Kondensator (21) gespeicherte Energie die vom Verbraucher (12) geforderten Spitzenströme zur Verfügung stellen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise Stellantrieben, in Kraftfahrzeugen entsprechend dem Hauptanspruch sowie einem Verfahren zur Verwendung einer solchen Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 10 oder 11.
Das Bordnetz bei Kraftfahrzeugen ist üblicher Weise auf einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt. In Pkws werden beispielsweise meist 12V-Netze verwendet. Je nach Belastung des Bordnetzes kann die Spannung allerdings auch stark schwanken. Deswegen müssen die verwendeten Verbraucher in einem weiten Spannungsbereich uneingeschränkt funktionieren. Von den Automobil-Herstellern wird bei 12V-Bordnetzen beispielsweise ein Bereich von 9 bis 16 V vorgegeben, in dem die Verbraucher nicht ausfallen dürfen. Im normalen Betrieb liegt jedoch der Spannungsbereich der Bordnetze von Pkws vorwiegend zwischen 13 und 14 Volt. Das bedeutet, dass für die Verbraucher, zwar normalerweise 13 bis 14 Volt zur Verfügung stehen, sie aber auch bei 9 V uneingeschränkt funktionieren müssen. Deswegen sind die Verbraucher für den normalen Betrieb größtenteils überdimensioniert. Außerdem wird durch die so ausgelegten Verbraucher das Bordnetz stark belastet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen zu schaffen, in welchem die Verbraucher für den normalen Betrieb nicht überdimensioniert werden müssen und die Belastung des Bordnetzes verringert wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie einem Verfahren entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 10 oder 11 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern vorgeschlagen, bei der ein Hochsetzsteller verwendet wird. Ein solcher an sich bekannter Hochsetzsteller besteht zumindest aus einer Induktivität, einer Diode, einem Kondensator und einem Schalter. Der Kondensator dient erfindungsgemäß als Energiespeicher für den Verbraucher und ist mit ihm verbunden.

Die Vorrichtung ist dabei so aufgebaut, dass eine Gleichspannungsquelle über eine Zuleitung mit der Induktivität und der Diode in Reihe geschaltet ist. Die Diode ist weiterhin mit dem Kondensator sowie dem mindestens einen Verbraucher verbunden. Über einen Schalter lässt sich die Induktivität mit Masse verbinden. Beim Schließen des Schalters fließt dann ein hoher Strom durch die Induktivität und ein Magnetfeld mit einer hohen Spannung baut sich auf. Dieses Magnetfeld bricht nach dem Öffnen des Schalters wieder zusammen, wobei die frei werdende Energie zum Großteil im Kondensator gespeichert wird. Durch die Diode wird dann der Rückfluss der gespeicherten Energie verhindert. Durch ein weiteres Schließen des Schalters wird wiederum ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Energie im Kondensator gespeichert oder summiert wird. Durch ein wiederholtes Öffnen und Schließen wird dadurch eine hohe Spannung, welche über der der Gleichspannungsquelle liegt, gebildet. Die Dimensionierung des Hochsetzstellers ist dabei hauptsächlich von der Größe der Induktivität und der Taktfrequenz des Schalters abhängig.

Im Kondensator wird vorteilhafter Weise soviel Energie gespeichert, dass z. B. hohe Spitzenströme, die bei hohen gewünschten Drehmomenten oder Stellgeschwindigkeiten von Stellmotoren gefordert werden, vom Kondensator zur Verfügung gestellt werden können.

Durch die Verwendung eines Hochsetzstellers in der Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs wird also einerseits eine gegenüber der Gleichspannungsquelle erhöhte Spannung auf der Ausgangsseite des Hochsetzstellers ermöglicht. Andererseits sind durch die Verwendung des Kondensators als Energiespeicher die Verbraucher vom Bordnetz entkoppelt. Das Bordnetz wird erfindungsgemäß nämlich nur mit einer geringen und gleichmäßigen Last belastet und trotzdem funktionieren die Verbraucher wie z. B. Stellantriebe jederzeit uneingeschränkt, da die hohen Spitzenströme durch die gespeicherte Energie im Kondensator zur Verfügung gestellt werden. Damit können die Vorgaben bezüglich der maximalen Belastung des Bordnetzes durch die Verbraucher leicht eingehalten werden. Zudem können die Durchmesser der Zuleitungen erheblich verringert werden.

Wird ein Bordnetz mit Hochsetzsteller benutzt, können unterschiedliche Vorteile erreicht werden. Werden Hochsetzsteller in einer ansonsten unveränderten Anordnung angewendet, werden je nach Auslegung des Hochsetzstellers die elektrischen Stellantriebe mit einer erhöhten Spannung betrieben, wodurch ihre Leistung steigt. Durch die Verwendung von Hochsetzstellern kann so die Leistungsfähigkeit der Elektromotoren um bis zu 70 % gesteigert werden, Wenn es sich um Drehstrommotoren handelt müssen dabei noch nicht einmal die Leistungselektroniken geändert werden. Werden von den elektrischen Stellantrieben keine erhöhten Leistungen benötigt, können diese kleiner dimensioniert werden. Bei Drehstromantrieben können dann auch die Leistungselektroniken deutlich kleiner ausgeführt werden können. Dadurch werden unter anderem natürlich Kosten gespart.

In einer Ausgestaltung wird als Verbraucher ein Drehstrommotor verwendet. In einer weiteren Ausgestaltung wird als Schalter ein Halbleiter verwendet. Vorteilhafter Weise werden dafür so genannte Leistungshalbleiter oder Transistoren genutzt, welche entweder mit einer festen oder einer variablen Frequenz angesteuert werden. Feste Frequenzen werden dabei durch einen Quarz und einen Verstärker gebildet. Durch eine variable Frequenz lässt sich der Hochsetzsteller an die Anforderungen an das Bordnetz anpassen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden der Hochsetzsteller und die Leistungselektronik eines Drehstrommotors als ein räumlich zusammengefasstes Bauteil ausgebildet. Der Hochsetzsteller und die Leistungselektronik werden beispielsweise auf einer Platine montiert. Dadurch ist die Herstellung in einem Arbeitsschritt möglich und der Zusammenbau des Bordnetzes wird natürlich erleichtert.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Zuleitung so ausgebildet, dass die Zuleitung an sich schon eine hohe Induktivität besitzt. Die Induktivität wird vorteilhafter Weise so hoch gewählt, dass die Induktivität der Zuleitung direkt als Induktivität für den Hochsetzsteller verwendet werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine spiralförmige Wicklung der Zuleitung geschehen. Der Schalter schaltet dann wie gehabt die Induktivität gegen Masse und das Magnetfeld bildet sich um die Induktivität in der Zuleitung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mindestens einer der Verbraucher, solange er nicht unter Last ist, als Generator verwendet. Ein Elektromotor kann, wenn er nicht unter Last steht und trotzdem bewegt wird auch als Generator arbeiten. Die Energie, die dadurch entsteht kann dann zusätzlich auf den Kondensator gespeichert werden. Bei ausreichend vielen Elektromotoren ist es sogar möglich, Bordnetze ohne Hochsetzsteller zu verwenden, bei denen ein Kondensator immer über einen generatorisch arbeiten den Stellantrieb geladen wird. Zum Beispiel werden elektrische Stellantrieben in Kraftfahrzeug-Federungen bei einer Fahrt über unebenes Gelände permament bewegt. Solange sie nicht unter Last stehen können diese Stellantriebe als Generatoren angesteuert werden und die Energie in den Kondensator des Hochsetzstellers speichern.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sowie dessen Ausführungsformen ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt.

In dieser zeigt:

1 Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik;

2 Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

3 Aufbau eines Schalters;

4 Aufbau einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine bekannte Vorrichtung zur Spannungsversorgung mindestens eines Stellantriebs in einem Kraftfahrzeug. Hier ist ein Bordnetz 1, welches durch eine Batterie dargestellt ist, mit einer Zuleitung 2 verbunden. Die Zuleitung wird wie allgemein üblich durch einen Widerstand 3, eine Induktivität 4 und einen Kondensator 5 dargestellt. Im darauf folgenden Bauteil 6 ist eine Induktivität 7 mit einer Sicherung 8 in Serie geschaltet und die Sicherung 8 ist mit einem Schalter 9 sowie einer Diode 10 verbunden. Schalter 9 und Diode 10 sind mit einer Leistungselektronik 11 verbunden, welche die Stromversorgung für einen Stellantrieb 12 regelt. Der Schalter 9 ist im normalen Betrieb geschlossen und die Diode 10 dient nur bei geöffnetem Schalter 9 als Verpolschutz. Bei geschlossenem Schalter 9 wird der Strom vom Bordnetz 1 über die Zuleitung 2, die Induktivität 7 die Sicherung 8, den Schalter 9 über die Leistungselektronik 11 an den Stellmotor 12 geleitet. Der erste Kondensator 13 stellt dabei eine lediglich der Vollständigkeit halber dargestellte Eingangskapazität, der zweite Kondensator 14 eine Zwischenkreiskapazität dar. Wird in solch einer Anorndung ein hohes Drehmoment von dem mindestens einen Stellantrieb 12 gefordert, wird das Bordnetz 1 stark belastet. Bei einer starken Belastung kann auch die Spannung im Bordnetz 1 absinken. Da der mindestens eine Stellantrieb 12 auch bei der verringerten Spannung uneingeschränkt funktionieren muß, ist er sehr groß dimensioniert.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen. Hier ist ein Bordnetz 1 mit einer Zuleitung 2 verbunden. Die Zuleitung 2 wird wie üblich durch einen Widerstand 3, eine Induktivität 4 und einen Kondensator 5 dargestellt. Weiterhin ist eine Diode 15 mit einer Induktivität 16 und einer Sicherung 17 in Reihe geschaltet und mit der Zuleitung 2 verbunden. Außerdem weist die Vorrichtung einen Schalter 23 auf, durch welchen die Induktivität 16 mit Masse verbindbar ist. Weiterhin ist die Diode 15 mit einem Kondensator 21 und einer Leistungselektronik 11 verbunden und die Leistungselektronik 11 mit einem Stellantrieb 12, welcher hier den Verbraucher darstellt. Dabei wird der Hochsetzsteller 22 gebildet durch die Induktivität 16, die Diode 15, den Kondensator 21 und einen Schalter 23.

Der Strom aus dem Bordnetz 1 fließt bei geöffnetem Schalter 18 über die Zuleitung 2 durch die Sicherung 17 und die Induktivität 16 durch die Diode 15. Die Diode 15 sperrt aber einen Stromfluß in umgekehrter Richtung. Deswegen kann die im Kondensator 21 gespeicherte Energie nicht wieder abfließen. Wenn der Schalter 23 die Induktivität 16 gegen Masse schaltet, fließt der gesamte Strom über den Schalter 23 und nicht durch die Diode 15. Dadurch baut sich um die Induktivität 16 ein Magnetfeld auf. Wird der Schalter 23 wieder geöffnet, fließt der Strom durch die Diode 15 und das Magnetfeld der Induktivität 16 bricht wieder zusammen. Die Energie des Magnetfeldes wird dann größtenteils im Kondensator 21 gespeichert und dort summiert. Dadurch wird im Kondensator 21 eine höhere Spannung erzeugt, wie sie vom Bord netz 1 geliefert werden kann. Diese hohe Spannung wird dann an die Leistungselektronik 11 eines Drehstrommotors 12 geliefert, welcher vorteilhafter Weise als Stellantrieb dient.

3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier ist eine Diode 15 mit einer Induktivität 16 und einer Sicherung 17 in Reihe geschaltet und mit einem Kondensator 21 und einer Leistungselektronik 11 verbunden. Der Schalter 23 wird hier durch einen Leistungshalbleiter 18 gebildet, welcher von einem Quarz 19 über einen Verstärker 20 mit einer festen Frequenz angesteuert wird. Der Leistungshalbleiter 18 schaltet hier die Induktivität 16 mit der fest vorgegebenen Frequenz gegen Masse.

4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung. Dabei wird der Hochsetzsteller 22 aus der Induktivität 4 der Zuleitung 2, dem Schalter 23, der Diode 15 und dem Kondensator 21 gebildet. Durch diesen Aufbau lässt sich also eine zusätzliche Induktivität 16 einsparen. Damit dies möglich ist, muß die Induktivität 4 der Zuleitung 2 erhöht werden. Dies kann beispielsweise durch eine spulenartige Wicklung der Zuleitung 2 geschehen. Das weitere Vorgehen sowie der restliche Aufbau sind dabei wie in 1 gezeigt, wobei gleiche Ziffern gleiche Bauteile bezeichnen.

1: Bordnetz
2: Zuleitung
3: Widerstand
4: Induktivität
5: Kondensator
6: Bauteil
7: Induktivität
8: Sicherung
9: Schalter
10: Diode
11: Leistungselektronik
12: Verbraucher
13: Eingangskapazität
14: Zwischenkreiskapazität
15: Diode
16: Induktivität
17: Sicherung
18: Leistungshalbleiter
19: Quarz
20: Verstärker
21: Kondensator
22: Hochsetzsteller
23: Schalter
24: Bauteil

Claims

Vorrichtung zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Hochsetzsteller (22) aufweist, welcher zumindest aus einer Induktivität (4, 16), einer Diode (15), einem Kondensator (21) und einem Schalter (23) besteht, wobei der Kondensator (21) als Energiespeicher dient und mit dem mindestens einen elektrischen Verbraucher (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bordnetz (1) über eine Zuleitung (2) mit der Induktivität (16) und der Diode (15) in Reihe geschaltet ist, die Diode (15) mit dem Kondensator (21) und dem mindestens einen elektrischen Verbraucher (12) verbunden ist und die Induktivität (16) über den Schalter (23) gegen Masse schaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Verbraucher einen Drehstrommotor (12) aufweist, welcher als Stellmotor dient und der Kondensator (21) über eine Leistungselektronik (11) mit dem Drehstrommotor (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Schalter (23) für den Hochsetzsteller (22) einen Leistungshalbleiterschalter (18) aufweist, durch welchen die Induktivität (16) gegen Masse schaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (18) über einen Quarz (19) und einen Verstärker (20) mit einer festen Frequenz angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (18) über eine variable Frequenz angesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (22) und die Leistungselektronik (11) als ein räumlich zusammengefasstes Bauteil (24) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuleitung (2) und der Induktivität (4, 16) eine Sicherung (17) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (22) aus der Induktivität (4) der Zuleitung (2), der Diode (15), dem Kondensator (21) und dem Schalter (23) gebildet wird und die Induktivität (4) über den Schalter (23) gegen Masse schaltbar ist.
Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (21) des Hochsetzstellers (23) geladen wird, bis von ihm die Spitzenströme zur Verfügung gestellt werden, die vom Verbraucher (12) beispielsweise für hohe Drehmomente oder Stellgeschwindigkeiten benötigt werden.
Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbraucher (12), solange er nicht belastet wird, generatorisch betrieben wird und die erzeugte Energie im Kondensator (21) gespeichert wird.